CN110224657A - 一种三相全桥绕组复用式开关磁阻电机驱动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三相全桥绕组复用式开关磁阻电机驱动系统，基于三相电压型全控整流器，通过复用开关磁阻电机的绕组和开关器件对电池进行充电，适用于开关磁阻电机驱动的插电式大功率混合动力汽车等应用场合。该系统主电路为三路全桥逆变器，采用双母线设计，通过增加两个继电器用以实现电动模式和充电模式的切换。当切换至充电模式时，利用全桥逆变器和电机的三相绕组进行三相电压型全控整流，获得稳定的直流电压用以电池充电，可以避免充电时产生的电流谐波对电网的污染，实现高功率因数。复用开关磁阻电机的三相绕组和控制器的开关器件用作整流控制，可降低成本，缩小充电系统体积。且采用三相交流电供电将获得更大的功率，更快的充电速度。

Description

一种三相全桥绕组复用式开关磁阻电机驱动系统
技术领域
本发明涉及电机技术领域，更具体地，涉及一种三相全桥绕组复用式开关磁阻电机驱动系统。
背景技术
在人类社会日益进步和发展的今天，全世界的人们越来越关心环境问题，保护环境、开发和使用清洁能源已成为大势所趋。非可再生能源，如煤、石油等，的大量使用将导致一系列环境问题的出现，甚至严重影响人们的生活质量和身体健康。城市里私家车占有量大，使用传统内燃机的汽车将排放大量的尾气，造成环境的污染。电动汽车和混合动力汽车以清洁的电能作为驱动能源，对环境的污染远远小于传统的内燃机，除此之外电动汽车和混合动力汽车非常适用于城市交通出行，大规模的电动汽车的应用，可以有效地减少城市汽车尾气排放，实现绿色、经济、健康、环保的城市低碳出行。当前，电动汽车用主流电机为永磁电机，永磁电机虽然具有更高的效率，但制造永磁电机需用到稀土永磁体，其制造工艺和成本相较开关磁阻电机更高。此外永磁体在高温等恶劣环境下，会产生退磁现象，严重影响电机系统的可靠性。开关磁阻电机无需稀土永磁体，电机结构简单，造价更为低廉，可靠性更高。同样适合用作电动汽车和混合动力汽车的驱动电机。
电池的充电装置是混合动力汽车和纯电动汽车的重要组成部分。传统不控整流方式充电效率低，功率因数低，而且将会产生大量的电流谐波，对电网造成污染。三相电压型全控整流器控制系统可以有效地抑制电流谐波的产生，实现高功率因数，与此同时也能得到稳定的输出电压，目前已在各种应用场合得到了大量的运用。加入额外的充电控制系统用以对电池充电，必然会在一定程度上增加整个控制系统的体积、复杂度和成本。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有技术中开关磁阻电机应用到电动车领域后，加入额外的充电控制系统用以对电池充电，会在一定程度上增加整个控制系统的体积、复杂度和成本的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种三相全桥绕组复用式开关磁阻电机驱动系统，包括：开关磁阻电机和两个继电器；
所述开关磁阻电机包括三相定子绕组，由三相全桥逆变器控制；所述开关磁阻电机通过双母线结构与母线电压连接，所述两个继电器分别接入两条母线；
当两个继电器均闭合时，所述开关磁阻电机工作在电动模式；所述电动模式为各相定子绕组工作在零电压续流状态，或直流母线电压与各相定子绕组形成回路使得各相定子绕组工作在激励状态或退磁状态；
当一个继电器关断，另一个继电器闭合时，所述开关磁阻电机工作在充电模式；所述充电模式为所述开关磁阻电机外接三相交流电，通过三相全桥逆变器整流得到直流电用以充电。
可选地，该驱动系统还包括：交流电压传感器和直流母线电压传感器；
所述交流电压传感器，在开关磁阻电机工作在充电模式时，用于实时检测充电的电网三相交流电压的幅值和相位，所得三相交流电压的幅值和相位作为控制信息，进入控制闭环，实现电网侧充电电流谐波的消除与功率因数的提升，以满足充电模式下开关磁阻电机驱动系统的工作需求；
所述直流母线电压传感器，在开关磁阻电机工作在电动模式时，用于实时检测输入开关磁阻电机的直流母线电压，以确保驱动系统稳定正常运行；
所述直流母线电压传感器，在开关磁阻电机为充电模式时，用于实时检测三相全桥逆变器输出的充电电压，所得充电电压作为控制信息，进入控制闭环，实现充电电压闭环控制，以满足充电模式下开关磁阻电机驱动系统的工作需求。
可选地，该驱动系统还包括：电流传感器、位置传感器以及控制器；
所述电流传感器，用于检测三相定子绕组上对应的三相绕组电流；
所述位置传感器，用于检测电机转子的位置；
所述控制器，用于根据三相绕组电流、转子位置以及所述开关磁阻电机的工作需求为三相全桥逆变器驱动电路中的功率开关器件提供控制信号。
可选地，所述三相全桥逆变器包括三相全桥电路；所述三相全桥电路与三相定子绕组分别对应连接；
每相全桥电路均包括四个开关管，每相全桥电路的第一开关管的一端连接第一继电器的一端，第二开关管的一端连接第二继电器的一端，第三开关管的一端和第四开关管的一端连接，第一开关管的另一端和第三开关管的另一端连接该相定子绕组的一端，第二开关管的另一端和第四开关管的另一端连接该相定子绕组的另一端；
第一继电器的另一端和第二继电器的另一端共接于直流母线电压的一端，第三开关管和第四开关管的连接点共接于直流母线电压的另一端；
当第一继电器和第二继电器均闭合时，所述开关磁阻电机的各相均工作于电动模式；
当第一继电器闭合，第二继电器关断时，三相交流电分别从三相定子绕组中连接第一开关管另一端的一端输入，三相交流电的另一端均接地，三相交流电经过每相全桥电路的第一开关管和第三开关管整流为直流电压后用于充电，所述开关磁阻电机工作于充电模式。
需要说明的是，本发明中的第一、第二…仅用于区分不同位置的部件，并不具有其他任何限定作用。
可选地，当开关磁阻电机工作在电动模式时，所述直流母线电压为外界储能单元提供的电压；
当开关磁阻电机工作在充电模式时，所述直流母线电压为对三相交流电整流后的直流电压，所述整流后的直流电压可用于为储能单元充电。
可选地，所述直流母线电压并联有母线电容，用于稳压。
可选地，每相全桥电路均包括四个开关管均反向并联一个二极管。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本申请通过控制额外加入的两个继电器实现电动状态和充电模式的切换。电动状态和一般开关磁阻电机控制没有本质区别；当进入充电模式时，利用全桥绕组复用式开关磁阻电机驱动系统中电机自身的三相绕组和各相全桥逆变器中的一个桥臂构成三相全控电压型逆变器，与此同时，复用系统电动模式下的母线电容用作输出稳压电容。通过绕组和系统开关器件的复用可以极大程度的减少整个电动、充电一体化系统的体积和成本，此外也能在充电时满足高功率因数，低电流谐波的要求。
附图说明
图1(a)为本发明提供的三相全桥绕组复用式开关磁阻电机驱动系统电动模式电路图；
图1(b)为本发明提供的三相全桥绕组复用式开关磁阻电机驱动系统充电模式电路图；
图2(a)为本发明提供的电动模式时C相全桥逆变器工作状态1：激励状态电路图；
图2(b)为本发明提供的电动模式时C相全桥逆变器工作状态2：零电压续流状态电路图；
图2(c)为本发明提供的电动模式时C相全称逆变器工作状态3：退磁状态电路图；
图3为本发明提供的驱动系统充电模式下全控整流控制示意图；
图4为本发明提供的锁相环原理示意图；
图5(a)为本发明提供的空间矢量调制基本电压空间矢量分布图；
图5(b)为本发明提供的空间矢量合成示意图；
图6(a)为本发明提供的七段式空间矢量合成示意图；
图6(b)为本发明提供的空间矢量调制七段式开关函数波形。
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，以下结合附图及实施例，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
然而，开关磁阻电机三相绕组可以单独独立控制，充分利用这一特点和三相全桥控制器，可以在电动模式下和充电模式下，实现绕组电感和全桥逆变器开关器件的复用。在充电模式下，电机自身绕组和全桥逆变器的开关管可构成三相电压型全控整流电路用以充电，能有效地减少电流谐波的产生和对电网的污染，获得稳定的输出电压，提高充电系统的功率因数。
本申请提出了一种用于电动汽车的三相全桥绕组复用式开关磁阻电机驱动系统，适用于开关磁阻电机驱动的插电式大功率混合动力汽车等各种应用场合。通过控制额外加入的两个继电器实现电动状态和充电模式的切换。电动状态和一般开关磁阻电机控制没有本质区别；当进入充电模式时，利用全桥绕组复用式开关磁阻电机驱动系统中电机自身的三相绕组和各相全桥逆变器中的一个桥臂构成三相全控电压型逆变器，与此同时，复用系统电动模式下的母线电容用作输出稳压电容。通过绕组和系统开关器件的复用可以极大程度的减少整个电动、充电一体化系统的体积和成本，此外也能在充电时满足高功率因数，低电流谐波的要求。
本发明提供的三相全桥绕组复用式开关磁阻电机驱动系统，可用于电动汽车领域。其主电路包括开关磁阻电机、交流电压传感器、直流母线电压传感器、电流传感器、位置传感器以及控制器，除此之外还需额外加入两个继电器，直流母线采用双母线结构。
具体地，开关磁阻电机具有三相定子绕组La、Lb和Lc；开关磁阻电机控制器为三相全桥逆变器。
具体地，额外加入的两个继电器，在直流母线上，靠近直流输入输出端，通过控制两个继电器的通断，使开关磁阻电机实现电动运行模式和充电模式；
具体地，交流电压传感器，在驱动系统为充电模式时，用于实时检测三相交流电中两相的电压；直流母线电压传感器，在驱动系统为电动模式时，用于实时检测输入控制器的直流母线电压；在驱动系统为充电模式时，用于实时检测三相全控整流输出的充电电压。
具体地，电流传感器用于检测电机三相定子绕组上对应的三相绕组电流；位置传感器用于检测电机转子位置；控制器根据三相绕组电流、转子位置以及运行模式需求为三相逆变驱动电路中的功率开关器件提供控制信号。
具体地，三相全桥逆变器由四个开关管组成，每个开关管均带有反并联的二极管。所有带反并联二极管的开关管均采用反并联快速恢复二极管的CoolMOS管或IGBT。续流二极管均采用快速恢复二极管。
图1(a)给出了用于电动汽车的三相全桥绕组复用式开关磁阻电机驱动系统电动模式示意图，三相全桥绕组复用式开关磁阻电机驱动系统主要由开关磁阻电机、三相全桥逆变器构成，除此之外需采用双母线设计，要额外加入的两个母线继电器。
具体连接关系为：每相全桥电路均包括四个开关管，每相全桥电路的第一开关管的一端连接第一继电器的一端，第二开关管的一端连接第二继电器的一端，第三开关管的一端和第四开关管的一端连接，第一开关管的另一端和第三开关管的另一端连接该相定子绕组的一端，第二开关管的另一端和第四开关管的另一端连接该相定子绕组的另一端；第一继电器的另一端和第二继电器的另一端共接于直流母线电压的一端，第三开关管和第四开关管的连接点共接于直流母线电压的另一端。
其中，结合图1(a)中，对于A相，第一开关管为S3，第二开关管为S1，第三开关管为S4，第四开关管为S2；对于B相，第一开关管为S7，第二开关管为S5，第三开关管为S8，第四开关管为S6；对于C相，第一开关管为S11，第二开关管为S9，第三开关管为S12，第四开关管为S10。
第一继电器为J1，第二继电器为J2。当继电器J1和J2同时闭合时，系统处于电动模式。
图1(b)给出了用于电动汽车的三相全桥绕组复用式开关磁阻电机驱动系统充电模式示意图，当继电器J1闭合，继电器J2关断时，系统处于充电模式，三相交流电经开关磁阻电机的三相绕组和各相全桥逆变器的一个桥臂，即A相开关管S3和S4，B相开关管S7和S8，C相开关管S11和S12，三相全控整流后成为直流电，用以充电。这种控制方法可以有效地减少电流谐波，提高功率因数，减少对电网的污染。
在用于电动汽车的三相全桥绕组复用式开关磁阻电机驱动系统处于电动模式下，全桥逆变器每相根据开关状态有三种工作状态：激励状态、零电压续流状态和退磁状态。图2(a)、图2(b)以及图2(c)以C相为例，描述了全桥逆变器的三种工作状态。在电动模式下，S9和S12用作控制开关管，S10和S11开关管的反并联二极管用作续流二极管，S10和S11开关管处于关断状态。此外，说明了继电器J1和J2同时闭合时，该系统处于电动模式。
如图2(a)所示，当全桥逆变器C相开关管S9和S12开通，直流母线电压Udc经上母线直接加至C相绕组两端，使C相电流上升，此时，C相工作在激励状态。
如图2(b)所示，当全桥逆变器C相开关管S12开通，S9关断，电感的续流的电流将流经C相绕组、开关管S12和开关管S10的反并联二极管构成零电压回路，C相电压为零。此时，C相工作在零电压续流状态。当时间足够长，电流将下降至零。
如图2(c)所示，当全桥逆变器C相开关管S9和S12全部关断，由于电感的续流作用，C相电流将通过C相绕组、开关管S10和S11的反并联二极管经下母线流回电源，C相电压为负直流母线电压-Udc。此时，C相工作在退磁状态。当时间足够长，电流将下降至零，下降速度远快于零电压续流状态。
上述三种工作模式相电压平衡方程描述如下：
其中Un为相电压，Rn为相绕组的电阻，in为相电流，θ是转子位置角，Ln是相绕组的电感值。下标n表示相序号，n为a，b或c分别对应A相，B相或C相。
图3说明了用于电动汽车的三相全桥绕组复用式开关磁阻电机驱动系统在充电模式下，如何进行三相全控整流，其中ea，eb，ec为三相电网电压，L为电机理想绕组电感，R为电机绕组阻抗，利用锁相环(Phase-Locked Loop，PLL)得知电网电压的角度信息。锁相环原理示意图，如图4。其中锁相环生成正弦波y(t)有如下形式：
y(t)＝A(t)sin(φ0+∫2πf(t)dt) (2)
其中，φ0表示初始相位，f(t)表示转速信号，输入信号和反馈模拟输入信号输入鉴相器得到误差信号eφ，同时输出幅度A的估计值，环路滤波器滤除相位差eφ的高频分量获得估计的角频率ω，而后转换为以Hz为单位的频率，电压控制振荡器对角速度进行积分获得估计相位φ，同时将y(t)/A反馈回鉴相器形成闭环。
与此同时利用交流电压传感器和绕组电流传感器测得的电网侧的电压和电流，用以进行电网侧电压和电流的Park变换，变换公式如下：
其中，Ud表示三相电网电压的d轴分量，Uq表示三相电网电压的q轴分量，Uac表示电网A相和C相的相电压，Ubc表示电网B相和C相的相电压。经Park变换后所得参数ed，eq，id，iq即为电流内环反馈量，此外利用直流母线电压传感器，检测整流输出电压Udc用作电压外环的反馈量。电压型PWM整流器在dq坐标系下的数学模型如下：
式中id表示三相电网电流的d轴分量，iq表示三相电网电流的q轴分量，ed，eq分别为电网电压的dq分量，D为微分算子。
电流环采用PI控制器，控制后的控制器输出方程如下：
式中KiP，KiI为电流内环PI控制器的比例参数和积分参数。s为积分算子，表示三相电网电流d轴分量的给定参考值，表示三相电网电流q轴分量的给定参考值，可以发现dq轴变量相互耦合，利用前馈解耦控制将电流的dq分量解耦。前馈解耦后，将(4)式带入(3)式简化可得解耦后的状态方程。
从(5)式可以看出dq轴分量经解耦控制后不再耦合，即有功电流iq，无功电流iq不再耦合，可以进行单独控制。但是考虑到开关磁阻电机三相绕组电感并非完全相等，故针对三相全桥绕组复用式开关磁阻电机驱动系统，前馈解耦控制只能减少耦合对控制造成的影响。
电压外环用以控制输出电压的大小，同样采用PI控制器，其输出值即为有功电流分量id的参考值id_ref。
电流内环所得ud，uq经过2r-2s坐标变换转换到静止坐标系上，得到用以进行空间矢量调制(SVPWM)的uα，uβ，经空间矢量调制后得到各开关管的开关信号。
空间矢量调制用到A相开关管S3和S4、B相开关管S7和S8和C相开关管S11和S12，根据空间矢量调制矢量算法，整流器的六个不同开关管，可组8种不同的开关矢量。为了方便表示8种状态，引入开关函数Sa，Sb，Sc。
其空间矢量分布图如图5(a)所示，空间矢量合成示意图如图5(b)所示。根据目标电压空间矢量，即可得各电压矢量的作用时间，即各开关管的作用时间。采用7段式开关方式，其七段式矢量合成示意图如图6(a)所示，开关函数波形示意图如图6(b)所示。由此可以确定各开关在一个周期的作用时间，即完成SVPWM调制。最终完成三相全控整流。
综上所述，用于电动汽车的三相全桥绕组复用式开关磁阻电机驱动系统运行在电动模式下，继电器J1和继电器J2导通，主电路为三相全桥逆变器，用以控制电机电动运行；当系统运行在充电模式下，继电器J1导通，继电器J2关断，外接三相交流电，主电路变换为三相全桥整流器，通过三相全控整流，得到直流电压，用以充电。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种三相全桥绕组复用式开关磁阻电机驱动系统，其特征在于，包括：开关磁阻电机和两个继电器；
所述开关磁阻电机包括三相定子绕组，由三相全桥逆变器控制；所述开关磁阻电机通过双母线结构与母线电压连接，所述两个继电器分别接入两条母线；
当两个继电器均闭合时，所述开关磁阻电机工作在电动模式；所述电动模式为各相定子绕组工作在零电压续流状态，或直流母线电压与各相定子绕组形成回路使得各相定子绕组工作在激励状态或退磁状态；
当一个继电器关断，另一个继电器闭合时，所述开关磁阻电机工作在充电模式；所述充电模式为所述开关磁阻电机外接三相交流电，通过三相全桥逆变器整流得到直流电用以充电。
2.根据权利要求1所述的三相全桥绕组复用式开关磁阻电机驱动系统，其特征在于，还包括：交流电压传感器和直流母线电压传感器；
所述交流电压传感器，在开关磁阻电机工作在充电模式时，用于实时检测充电的电网三相交流电压的幅值和相位，所得三相交流电压的幅值和相位作为控制信息，进入控制闭环，实现电网侧充电电流谐波的消除与功率因数的提升，以满足充电模式下开关磁阻电机驱动系统的工作需求；
所述直流母线电压传感器，在开关磁阻电机工作在电动模式时，用于实时检测输入开关磁阻电机的直流母线电压，以确保驱动系统稳定正常运行；
所述直流母线电压传感器，在开关磁阻电机为充电模式时，用于实时检测三相全桥逆变器输出的充电电压，所得充电电压作为控制信息，进入控制闭环，实现充电电压闭环控制，以满足充电模式下开关磁阻电机驱动系统的工作需求。
3.根据权利要求1所述的三相全桥绕组复用式开关磁阻电机驱动系统，其特征在于，还包括：电流传感器、位置传感器以及控制器；
所述电流传感器，用于检测三相定子绕组上对应的三相绕组电流；
所述位置传感器，用于检测电机转子的位置；
所述控制器，用于根据三相绕组电流、转子位置以及所述开关磁阻电机的工作需求为三相全桥逆变器驱动电路中的功率开关器件提供控制信号。
4.根据权利要求1至3任一项所述的三相全桥绕组复用式开关磁阻电机驱动系统，其特征在于，所述三相全桥逆变器包括三相全桥电路；所述三相全桥电路与三相定子绕组分别对应连接；
每相全桥电路均包括四个开关管，每相全桥电路的第一开关管的一端连接第一继电器的一端，第二开关管的一端连接第二继电器的一端，第三开关管的一端和第四开关管的一端连接，第一开关管的另一端和第三开关管的另一端连接该相定子绕组的一端，第二开关管的另一端和第四开关管的另一端连接该相定子绕组的另一端；
第一继电器的另一端和第二继电器的另一端共接于直流母线电压的一端，第三开关管和第四开关管的连接点共接于直流母线电压的另一端；
当第一继电器和第二继电器均闭合时，所述开关磁阻电机的各相均工作于电动模式；
当第一继电器闭合，第二继电器关断时，三相交流电分别从三相定子绕组中连接第一开关管另一端的一端输入，三相交流电的另一端均接地，三相交流电经过每相全桥电路的第一开关管和第三开关管整流为直流电压后用于充电，所述开关磁阻电机工作于充电模式。
5.根据权利要求4所述的三相全桥绕组复用式开关磁阻电机驱动系统，其特征在于，当开关磁阻电机工作在电动模式时，所述直流母线电压为外界储能单元提供的电压；
当开关磁阻电机工作在充电模式时，所述直流母线电压为对三相交流电整流后的直流电压，所述整流后的直流电压可用于为储能单元充电。
6.根据权利要求1至3任一项所述的三相全桥绕组复用式开关磁阻电机驱动系统，其特征在于，所述直流母线电压并联有母线电容，用于稳压。
7.根据权利要求1至3任一项所述的三相全桥绕组复用式开关磁阻电机驱动系统，其特征在于，每相全桥电路均包括四个开关管均反向并联一个二极管。
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