CN109309471A - 一种多级开关磁阻电机的控制器及其驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多级开关磁阻电机的控制器及其驱动系统，属于开关磁阻电机领域。所述多级开关磁阻电机的控制器及其驱动系统，通过接入多路相互独立的电源分流输入，再通过多级功率变换模块相互独立分流输出，功率变换模块再各自独立连接一台多级开关磁阻电机的各个定子铁芯绕组，从而驱动一台多级开关磁阻电机，既能降低功率变换器件的电压等级要求，又能不增加功率变换器件的电流等级要求，并能降低开关磁阻电机的转矩脉动，主要应用在开关磁阻电机领域。

Description

一种多级开关磁阻电机的控制器及其驱动系统

【技术领域】

本发明涉及开关磁阻电机领域，尤其涉及一种多级开关磁阻电机的控制器及其驱动系统。

【背景技术】

目前，开关磁阻电机应用在交流电源场合，按单相或三相电源，直流电压等级有两个等级，以中国单相、三相交流电源为例，单相220V交流电源不经升压或降压转换成直流约为 310V，三相380V交流电源不经升压或降压转换成直流约为540V。对于功率变换器件，电压的升高或电流的升高都需要提高功率变换器件的性能要求，相对而言，对电压的要求比对电流的要求更加苛刻。因此在设计开关磁阻电机控制器时，应考虑降低电压等级。但实际上，在习惯性设计思维的影响下，在设计三相交流电源开关磁阻电机控制器时，仍然将三相交流电源集中转换成一路直流使用，即540V直流，使得控制器对功率变换器件的要求较高。

开关磁阻电机应用在电池电源的场合，如电动汽车，常将所有单体动力电池通过并联串联组合成一组电池，电压等级最高做到640V，电池电压等级越高，单体电池串联数越高，故障率越高。即便如此，电动汽车上设计的电机控制器及其驱动系统仍然更多选择偏向高压，这是传统的设计思维造成的。

开关磁阻电机具有最高的转矩脉动，传统设计思维主要从电控方面改善控制策略来寻求解决问题的办法，目前收效甚微。如果能从电源、电控、电机三者结合寻找解决的办法，将是解决开关磁阻电机转矩脉动的一个新方向。

多级开关磁阻电机是指多个定子铁芯同轴设置，多个转子铁芯也同轴设置的开关磁阻电机，由于其具有多个定子铁芯，多个定子铁芯可以混合布相也可以轴向布相，如何利用这一特点，设计一种多级开关磁阻电机控制器及其驱动系统，既能够降低电压等级要求，又能改善转矩脉动，是现有开关磁阻电机需要解决的技术问题。

【发明内容】

为了改进现有技术的不足，本发明的目的是提供一种多级开关磁阻电机的控制器及其驱动系统，其通过电源、电控、电机的合理设计，既能够降低电压等级要求，又能改善转矩脉动。

本发明为解决其技术问题而采用的技术方案是：

一种多级开关磁阻电机的控制器，所述多级开关磁阻电机是指k个定子铁芯同轴设置的 k级开关磁阻电机，其中，每个定子铁芯的相数为q，q≥3并为自然数，k≥2并为自然数，

所述控制器包括第一级功率变换模块、第二级功率变换模块、…、第k级功率变换模块、控制模块，所述第一级功率变换模块、第二级功率变换模块、…、第k级功率变换模块相互独立，并且均设置有用于与相互不同的电源连接的电源输入接口；所述第一级功率变换模块、第二级功率变换模块、…、第k级功率变换模块还各设置有q相电源输出接口，并分别用于与多级开关磁阻电机的其中一级定子铁芯的q相绕组对应独立连接；所述第一级功率变换模块、第二级功率变换模块、…、第k级功率变换模块分别与所述控制模块连接并受控工作。

利用上述控制连接关系，在使用时，每个独立的功率变换模块独立设有一组电源输入接口和q相电源输出接口，输入连接一组独立的电源，输出连接不同的定子铁芯的q相绕组，电源分组供电，对电源电压的要求降低，对功率变换模块的电压等级要求也降低，有利于降低电源故障的几率和提高电源的可靠性。

进一步地，该控制器如采用交流电源作为能源，则需要增加交流转直流模块，具体如下：所述定子铁芯个数k和开关磁阻电机的级数k均为k＝3，所述控制器还包括第一相交流转直流模块、第二相交流转直流模块、第三相交流转直流模块；所述第一相交流转直流模块、第二相交流转直流模块、第三相交流转直流模块相互独立，并且均设置有一相交流电源输入接口，各交流电源输入接口分别用于与三相交流电源的其中一相电源对应独立连接；所述第一相交流转直流模块的输出端与所述第一级功率变换模块的电源输入接口连接、所述第二相交流转直流模块的输出端与第二级功率变换模块的电源输入接口连接、所述第三相交流转直流模块的输出端与第三级功率变换模块的电源输入接口连接。

该控制器在使用时，将三相380V交流电源分成三路转换成直流，则每一路都是310V直流，相比传统设计的集中转换成一路540V直流，电压等级得到降低，从而可以选择更低电压等级的功率变换器件。功率变换器件主要是MOSFET、IGBT等。

进一步地，该控制器如采用电池电源作为能源，则连接时，第一级功率变换模块、第二级功率变换模块、…、第k级功率变换模块的各电源输入接口分别用于与多组电池电源的其中一组电池电源对应独立连接。该控制器如应用在电动汽车上时，如电动汽车一组电池串联电压是600V，若等分成k＝3组，则每组电压是200V，电压等级得到降低，一方面可以选择更低电压等级的功率变换器件。另一方面，电池组的串联数降低，这对电池管理系统是非常有利的，可靠性也会大幅提高。

在上述控制装置的基础上，本发明还保护一种驱动系统，即包括多级开关磁阻电机和上述的控制器，所述多级开关磁阻电机是指k个定子铁芯同轴设置的k级开关磁阻电机，其中，每个定子铁芯的相数为q，q≥3并为自然数，k≥2并为自然数；所述第一级功率变换模块、第二级功率变换模块、…、第k级功率变换模块的各个q相电源输出接口分别用于与多级开关磁阻电机的其中一个定子铁芯的q相绕组对应独立连接。

进一步地，在上述驱动系统的基础上，本发明还提供带有多组电池电源的驱动系统，即该驱动系统还包括多组电池电源，所述第一级功率变换模块、第二级功率变换模块、…、第 k级功率变换模块各自的电源输入接口分别与多组电池电源的其中一组电池电源对应独立连接。其中，上述多组电池电源中，优选每组电池电源的电压等级相同，可以使每一路的功率变换器件规格一致，便于生产和管理。

进一步地，在上述驱动系统的基础上，本发明还提供以三相交流电作为能源的驱动系统，该驱动系统中，所述定子铁芯个数k和开关磁阻电机的级数k均为k＝3，所述控制器还包括第一相交流转直流模块、第二相交流转直流模块、第三相交流转直流模块；所述第一相交流转直流模块、第二相交流转直流模块、第三相交流转直流模块相互独立，并且均设置有一相交流电源输入接口，各交流电源输入接口并分别用于与三相交流电源的其中一相电源对应独立连接；所述第一相交流转直流模块的输出端与所述第一级功率变换模块的电源输入接口连接、所述第二相交流转直流模块的输出端与第二级功率变换模块的电源输入接口连接、所述第三相交流转直流模块的输出端与第三级功率变换模块的电源输入接口连接。

进一步地，所述多级开关磁阻电机的转子铁芯凸极数为n，所述多级开关磁阻电机的多级定子铁芯或转子铁芯错位安装形成相间机械角，相间机械角为360°/kqn，进而形成可按kq相控制的多级开关磁阻电机，从而利用增相和转矩叠加改善转矩脉动。

进一步地，所述多级开关磁阻电机的任一级定子铁芯为各相凸极集中布置的定子铁芯，任一级中，定子铁芯极数/转子铁芯极数＝2q/(2q+1)。从而利用增相、转矩叠加、减少相间互感来改善转矩脉动。

由于采用上述技术方案，本发明的有益效果为：

1、本发明提供的控制器及驱动系统通过多路电源、多路功率变换模块、多级定子铁芯相绕组相互对应独立连接，降低了各个功率变换模块电压等级要求，使功率变换器件选型更加容易。

2、本发明提供的控制器及驱动系统在应用在交流电供电的场合时，可将三相交流电源的分成三路分别转换成直流，降低了使用三相电源时的电压等级要求，并通过多级功率变换模块和多级相绕组分担电流从而可以不增加任一级功率变换模块的电流等级要求，功率变换器件选型更加容易。

3、本发明提供的控制器及驱动系统在应用电池电源的场合时，将一组电池电源通过减少串联数量分成多组电池供电，降低电池组电源电压等级，电池组可靠性得到提高，并通过多级功率变换模块和多级相绕组分担电流从而可以不增加任一级功率变换模块的电流等级要求，功率变换器件选型更加容易。

4、本发明提供的控制器及驱动系统采用多级开关磁阻电机，其能按kq相控制来改善转矩脉动，也能按k个q相电机单元来控制通过转矩叠加来改善转矩脉动，并进一步通过采用各相凸极集中布置的定子铁芯通过减少相间互感来改善转矩脉动，并且任一级电机单元有故障，其余级电机单元还可以正常工作，驱动可靠性得到提高。

【附图说明】

图1是本发明的一种实施例的原理框图。

图2是本发明的另一种实施例的原理框图。

图中标记的含义是：10-三相交流电源，11-第一相交流电源，12-第二相交流电源，13-第三相交流电源，20-多级开关磁阻电机控制器，21-第一相交流转直流模块，22-第二相交流转直流模块，23-第三相交流转直流模块，24-第一级功率变换模块，25-第二级功率变换模块，26-第三级功率变换模块，27-控制模块，30-多级开关磁阻电机，31-第一级定子铁芯相绕组， 32-第二级定子铁芯相绕组，33-第三级定子铁芯相绕组；40-多组电池电源，41-第一组电池电源，42-第二组电池电源，43-第k组电池电源，50-多级开关磁阻电机控制器，51-第一级功率变换模块，52-第二级功率变换模块，53-第k级功率变换模块，54-控制模块，60-多级开关磁阻电机，61-第一级定子铁芯相绕组，62-第二级定子铁芯相绕组，63-第k级定子铁芯相绕组。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过具体实施例并结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种多级开关磁阻电机的控制器，本发明所述的多级开关磁阻电机是指k个定子铁芯同轴设置的k级开关磁阻电机，其中，每个定子铁芯的相数为q，q≥3并为自然数， k≥2并为自然数。所述控制器包括第一级功率变换模块、第二级功率变换模块、…、第k级功率变换模块、控制模块，所述第一级功率变换模块、第二级功率变换模块、…、第k级功率变换模块相互独立，并且均设置有用于与相互不同的电源连接的电源输入接口；所述第一级功率变换模块、第二级功率变换模块、…、第k级功率变换模块还各设置有q相电源输出接口，分别用于与多级开关磁阻电机的其中一级定子铁芯的q相绕组对应独立连接；所述第一级功率变换模块、第二级功率变换模块、…、第k级功率变换模块分别与所述控制模块连接并受控工作。

在上述控制装置的基础上，本发明的一些具体实施方式中，该控制装置应用在使用交流电的场合，增加交流转直流的模块。

在上述控制装置的基础上，本发明的另一些具体实施方式中，该控制装置应用在使用电池电源的场合。

在上述控制装置的基础上，本发明还提供一种驱动系统，即包括多级开关磁阻电机和上述的控制器，所述多级开关磁阻电机是指k个定子铁芯同轴设置的k级开关磁阻电机，其中，每个定子铁芯的相数为q，q≥3并为自然数，k≥2并为自然数；所述第一级功率变换模块、第二级功率变换模块、…、第k级功率变换模块的各个q相电源输出接口分别用于与多级开关磁阻电机的其中一个定子铁芯的q相绕组对应独立连接。

在上述驱动系统的基础上，本发明的一些具体实施方式中，该驱动系统应用在使用交流电的场合，增加交流转直流的模块。

在上述驱动系统的基础上，本发明的一些具体实施方式中，该驱动系统应用在使用直流电的场合。

实施例1

如图1所示，为本发明的第一种实施方式的原理框图。图中中间的部分为控制器，该控制器应用于连接三相交流电源并驱动一台三级(三个定子铁芯)开关磁阻电机，即k＝3。

该控制器包括第一相交流转直流模块、第二相交流转直流模块、第三相交流转直流模块、第一级功率变换模块、第二级功率变换模块、第三级功率变换模块、控制模块，所述第一相交流转直流模块、第二相交流转直流模块、第三相交流转直流模块相互独立，并且均设置有一相交流电源输入接口，并分别用于与三相交流电源的其中一相电源对应独立连接；所述第一相交流转直流模块的输出端与所述第一级功率变换模块的电源输入接口连接、所述第二相交流转直流模块的输出端与第二级功率变换模块的电源输入接口连接、所述第三相交流转直流模块的输出端与第三级功率变换模块的电源输入接口连接；所述第一级功率变换模块、第二级功率变换模块、第三级功率变换模块相互独立，并且均设置有q相电源输出接口，q≥3 并为自然数，并分别用于与三级开关磁阻电机的其中一级定子铁芯的q相相绕组对应独立连接；所述第一级功率变换模块、第二级功率变换模块、第三级功率变换模块分别与所述控制模块连接并受控工作。

该控制器中，交流转直流模块主要是利用全波桥式整流再配合滤波电容转换成直流，是一种常规技术，因此不作详细描述；功率变换模块主要是利用MOSFET、IGBT的可控开关特性生成驱动电源以驱动电机，也是一种常规技术，因此不作详细描述；控制模块主要是利用DSP芯片、MCU芯片技术接收和发出开关控制指令，以控制功率变换模块工作，进而控制电机工作，也是一种常规技术，因此不作详细描述。控制模块可以采用MOTOROLA公司的DSPS6000系列和Analog Devices公司的ADSP2100系列电机运动控制芯片。

图2中，还示出了该控制器分别与交流电源和多级开关磁阻电机连接组成的驱动系统，该系统包括第一相交流转直流模块、第二相交流转直流模块、第三相交流转直流模块、第一级功率变换模块、第二级功率变换模块、第三级功率变换模块、控制模块，所述第一相交流转直流模块、第二相交流转直流模块、第三相交流转直流模块相互独立，并且均设置有一相交流电源输入接口，并分别用于与三相交流电源的其中一相电源对应独立连接；所述第一相交流转直流模块的输出端与所述第一级功率变换模块的电源输入接口连接、所述第二相交流转直流模块的输出端与第二级功率变换模块的电源输入接口连接、所述第三相交流转直流模块的输出端与第三级功率变换模块的电源输入接口连接；所述第一级功率变换模块、第二级功率变换模块、第三级功率变换模块相互独立，并且均设置有q相电源输出接口，q≥3并为自然数，并分别与三级开关磁阻电机的其中一级定子铁芯的q相相绕组对应独立连接；所述第一级功率变换模块、第二级功率变换模块、第三级功率变换模块分别与所述控制模块连接并受控工作。

上述驱动系统中，所述多级开关磁阻电机的转子铁芯凸极数为n，所述多级开关磁阻电机的多级定子铁芯或转子铁芯错位安装形成相间机械角，相间机械角为360°/kqn，进而形成可按kq相控制的多级开关磁阻电机(具体可参考专利号为CN 201620465468.2中国实用新型专利中的方案)，从而利用增相和转矩叠加改善转矩脉动。更优地是，多级开关磁阻电机的任一级定子铁芯为各相凸极集中布置的定子铁芯(具体可参考专利号为CN201720871843.8 的中国实用新型专利中的方案)，任一级中，定子铁芯极数/转子铁芯极数＝2q/(2q+1)。从而利用增相、转矩叠加、减少相间互感改善转矩脉动。

该控制器在使用时，将三相380V交流电源分成三路转换成直流，则每一路都是310V直流，相比传统设计的集中转换成一路540V直流，电压等级得到降低，从而可以选择更低电压等级的功率变换器件。

实施例2

如图2所示，为本发明的另一种实施方式的原理框图。图中中间的部分为控制器，该控制器应用于连接多组电池电源并驱动一台k级(k个定子铁芯)开关磁阻电机。多组是指k 组，多级是指k级，k≥2并为自然数，其包括第一级功率变换模块、第二级功率变换模块、…、第k级功率变换模块、控制模块，所述第一级功率变换模块、第二级功率变换模块、…、第k级功率变换模块相互独立，并且均设置有一组电池电源输入接口，并分别用于与多组电池电源的其中一组电池电源对应独立连接；所述第一级功率变换模块、第二级功率变换模块、…、第k级功率变换模块相互独立，并且均设置有q相电源输出接口，q≥3并为自然数，并分别用于与多级开关磁阻电机的其中一级定子铁芯的q相相绕组对应独立连接；所述控制模块分别与所述第一级功率变换模块、第二级功率变换模块、…、第k级功率变换模块连接并控制其工作。优选每组电池电源的电压等级相同，可以使每一路的功率变换器件规格一致，便于生产和管理。

该控制器中，功率变换模块主要是利用MOSFET、IGBT的可控开关特性生成驱动电源以驱动电机，是一种常规技术，因此不作详细描述；控制模块主要是利用DSP芯片、MCU 芯片技术接收和发出开关控制指令，以控制功率变换模块工作，进而控制电机工作，也是一种常规技术，因此不作详细描述。控制模块可以采用MOTOROLA公司的DSPS6000系列和 AnalogDevices公司的ADSP2100系列电机运动控制芯片。

图2中，还示出了该控制器分别与多组电池电源和多级开关磁阻电机连接组成的驱动系统，多组是指k组，多级是指k级，k≥2并为自然数，第一级功率变换模块、第二级功率变换模块、…、第k级功率变换模块分别与多组电池电源的其中一组电池电源对应独立连接；所述多级开关磁阻电机同轴设置有k级定子铁芯，每一级定子铁芯均设置有q相相绕组，q ≥3并为自然数，所述一种多级开关磁阻电机控制器的第一级功率变换模块、第二级功率变换模块、…、第k级功率变换模块分别与所述多级开关磁阻电机的其中一级定子铁芯的q相相绕组对应独立连接。

上述驱动系统中，所述多级开关磁阻电机的转子铁芯凸极数为n，所述多级开关磁阻电机的多级定子铁芯或转子铁芯错位安装形成相间机械角，相间机械角为360°/kqn，进而形成可按kq相控制的多级开关磁阻电机(具体可参考专利号为CN 201620465468.2中国实用新型专利中的方案)，从而利用增相和转矩叠加改善转矩脉动。更优地是，多级开关磁阻电机的任一级定子铁芯为各相凸极集中布置的定子铁芯(具体可参考专利号为CN201720871843.8 的中国实用新型专利中的方案)，任一级中，定子铁芯极数/转子铁芯极数＝2q/(2q+1)。从而利用增相、转矩叠加、减少相间互感改善转矩脉动。

该驱动系统如应用在电动汽车上时，如电动汽车一组电池串联电压是600V，若等分成 k＝3组，则每组电压是200V，电压等级得到降低，一方面可以选择更低电压等级的功率变换器件。另一方面，由于电池组的串联数降低，这对电池管理系统是非常有利的，可靠性也会大幅提高。

以上所述仅是本发明优选的实施方式的描述，应当指出由于文字表达的有限性，而在客观上存在无限的具体结构，对于本领域普通的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种多级开关磁阻电机的控制器，所述多级开关磁阻电机是指k个定子铁芯同轴设置的k级开关磁阻电机，其中，每个定子铁芯的相数为q，q≥3并为自然数，k≥2并为自然数，其特征在于：

所述控制器包括第一级功率变换模块、第二级功率变换模块、…、第k级功率变换模块、控制模块，所述第一级功率变换模块、第二级功率变换模块、…、第k级功率变换模块相互独立，并且均设置有用于与相互不同的电源连接的电源输入接口；所述第一级功率变换模块、第二级功率变换模块、…、第k级功率变换模块还各设置有q相电源输出接口，并分别用于与多级开关磁阻电机的其中一级定子铁芯的q相绕组对应独立连接；所述第一级功率变换模块、第二级功率变换模块、…、第k级功率变换模块分别与所述控制模块连接并受控工作。

2.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于：所述定子铁芯个数k和开关磁阻电机的级数k均为k＝3，所述控制器还包括第一相交流转直流模块、第二相交流转直流模块、第三相交流转直流模块；所述第一相交流转直流模块、第二相交流转直流模块、第三相交流转直流模块相互独立，并且均设置有一相交流电源输入接口，各交流电源输入接口分别用于与三相交流电源的其中一相电源对应独立连接；所述第一相交流转直流模块的输出端与所述第一级功率变换模块的电源输入接口连接、所述第二相交流转直流模块的输出端与第二级功率变换模块的电源输入接口连接、所述第三相交流转直流模块的输出端与第三级功率变换模块的电源输入接口连接。

3.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于：所述第一级功率变换模块、第二级功率变换模块、…、第k级功率变换模块的各个电源输入接口分别用于与多组电池电源的其中一组电池电源对应独立连接。

4.一种驱动系统，其特征在于：包括多级开关磁阻电机和权利要求1所述的控制器，所述多级开关磁阻电机是指k个定子铁芯同轴设置的k级开关磁阻电机，其中，每个定子铁芯的相数为q，q≥3并为自然数，k≥2并为自然数；所述第一级功率变换模块、第二级功率变换模块、…、第k级功率变换模块的各个q相电源输出接口分别与多级开关磁阻电机的其中一个定子铁芯的q相绕组对应独立连接。

5.根据权利要求4所述的一种驱动系统，其特征在于：还包括多组电池电源，所述第一级功率变换模块、第二级功率变换模块、…、第k级功率变换模块各自的电源输入接口分别与多组电池电源的其中一组电池电源对应独立连接。

6.根据权利要求4所述的一种驱动系统，其特征在于：所述定子铁芯个数k和开关磁阻电机的级数k均为k＝3，所述控制器还包括第一相交流转直流模块、第二相交流转直流模块、第三相交流转直流模块；所述第一相交流转直流模块、第二相交流转直流模块、第三相交流转直流模块相互独立，并且均设置有一相交流电源输入接口，各交流电源输入接口分别用于与三相交流电源的其中一相电源对应独立连接；所述第一相交流转直流模块的输出端与所述第一级功率变换模块的电源输入接口连接、所述第二相交流转直流模块的输出端与第二级功率变换模块的电源输入接口连接、所述第三相交流转直流模块的输出端与第三级功率变换模块的电源输入接口连接。

7.根据权利要求5所述的驱动系统，其特征在于：所述多组电池电源中，每组电池电源的电压等级相同。

8.根据权利要求4-7中任一项所述的驱动系统，其特征在于：所述多级开关磁阻电机的转子铁芯凸极数为n，所述多级开关磁阻电机的多级定子铁芯或多级转子铁芯错位安装形成相间机械角，相间机械角为360°/kqn，进而形成可按kq相控制的多级开关磁阻电机。

9.根据权利要求8所述的驱动系统，其特征在于：所述多级开关磁阻电机的任一级定子铁芯为各相凸极集中布置的定子铁芯，任一级中，定子铁芯极数/转子铁芯极数＝2q/(2q+1)。