CN111525847A - 一种双通道开关磁阻电机磁场调制驱动拓扑及其控制方法 - Google Patents

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CN111525847A CN202010435650.4A CN202010435650A CN111525847A CN 111525847 A CN111525847 A CN 111525847A CN 202010435650 A CN202010435650 A CN 202010435650A CN 111525847 A CN111525847 A CN 111525847A
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Abstract

本发明公开了一种双通道开关磁阻电机磁场调制驱动拓扑及其控制方法，包括直流电源、十二开关双通道逆变器、驱动信号发生模块、两台磁场调制开关磁阻电机、位置传感器、电流传感器。驱动信号发生模块用于根据电流与位置传感器采集到的磁场调制开关磁阻电机绕组电流和转子位置，为所述逆变器中的开关管产生驱动信号；所述逆变器与两台磁场调制开关磁阻电机的三相绕组连接，所述逆变器中的开关管根据驱动信号改变开关状态，为所述两台磁场调制开关磁阻电机各相绕组注入带有直流偏置的正弦电流，驱动磁场调制开关磁阻电机运行。相对于传统大量使用开关管的驱动拓扑，本发明减少了开关管的使用数量，大大降低了成本与体积，提高了变换器的功率密度。

Description

一种双通道开关磁阻电机磁场调制驱动拓扑及其控制方法
技术领域
本发明属于电机技术领域，更具体地，涉及一种双通道开关磁阻电机磁场调制驱动拓扑及其控制方法。
背景技术
随着环境污染和能源危机的日益加重，环保、节能的新能源汽车受到人们的广泛关注。
我国将纯电动汽车作为能源短缺和环境污染问题的解决方案，大力发展纯电动汽车并积极推进相关基础设施的建设。近年来，纯电动汽车发展迅速，在续航里程、基础设置建设、动力电池等方面都有明显进步，截止2018年9月，我国纯电动汽车保有量已经达到178万辆。
电机驱动系统是新能源汽车的核心部件之一，对其关键技术的研究具有重要意义。电动汽车驱动电机种类较多，目前应用较广的有直流电机、交流感应电机、交流永磁电机和开关磁阻电机等。开关磁阻电机作为近年来的研究热点，具有环境适应性强、可靠性较高、调速范围较广、结构简单、运行效率高、控制灵活、转子无冷却要求和制造成本较低等优点，被广泛地应用于新能源电动车驱动、焦炭工业、家用电器和纺织机械等领域，未来应用前景广阔。
在电动汽车驱动领域，常常需要多个电机共同运行。传统应用场合下，两台电机需要两套逆变器和两套驱动模块，成本高，体积大。磁场调制开关磁阻电机是近年的研究热点，其绕组通入的是带有直流偏置的正弦电流，电机遵循磁场调制原理。然而，为了实现同时给两台磁场调制开关磁阻电机注入带直流偏置的正弦电流，一般需要两套三相开绕组逆变器，也就是24个开关管。体积大，损耗大，效率低。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种双通道开关磁阻电机磁场调制驱动拓扑及其控制方法，其目的在于提供一种体积更小、成本更低、运行效率更高的驱动系统，为两台磁场调制电机同时注入带有直流偏置正弦电流。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种双通道开关磁阻电机磁场调制驱动拓扑，包括：直流电源、十二开关双通道逆变器、驱动信号发生模块、两台磁场调制开关磁阻电机、位置传感器、电流传感器；
驱动信号发生模块，用于根据采集到的磁场调制开关磁阻电机绕组电流和转子位置，为十二开关双通道逆变器中的开关管产生驱动信号；
十二开关双通道逆变器与两台磁场调制开关磁阻电机的三相绕组连接，用于根据驱动信号发生模块产生的驱动信号控制开关管的导通与关断，为所述两台磁场调制开关磁阻电机提供电能，给各相绕组注入带有直流偏置的正弦电流，驱动两台磁场调制开关磁阻电机运行。
进一步地，所述十二开关双通道逆变器包括并联在同一条直流母线上的四个桥臂；每个桥臂包括上开关管、中开关管、下开关管及其对应的反并联二极管；
每个桥臂上开关管的集电极与正母线相连，下开关管的发射极与负母线相连；
上开关管及其反并联二极管的阳极连接端与所述中开关管及其反并联二极管的阴极连接端构成对应桥臂的上输出端；
中开关管及其反并联二极管的阳极连接端与所述下开关管及其反并联二极管的阴极连接端构成对应桥臂的下输出端；
前三个桥臂的上输出端口分别与第一台开关磁阻电机的各相绕组的一端连接；
第一台开关磁阻电机各相绕组另一端连接在一起，构成星型结构的中性点；
第四个桥臂的上输出端口与所述中性点连接，用于为所述正弦电流的直流偏置分量提供流通路径。
前三个桥臂的下输出端口分别与第二台开关磁阻电机的各相绕组的一端连接；
第二台开关磁阻电机各相绕组另一端连接在一起，构成星型结构的中性点；
第四个桥臂的下输出端口与所述中性点连接，用于为所述正弦电流的直流偏置分量提供流通路径。
进一步地，四个桥臂的上开关管、中开关管共八个开关管，用于为第一台磁场调制开关磁阻电机注入带直流偏置的正弦电流；
四个桥臂的中开关管、下开关管共八个开关管，用于为第二台磁场调制开关磁阻电机注入带直流偏置的正弦电流。
进一步地，所述十二开关双通道逆变器运行时满足以下要求：
上开关管、中开关管和下开关管有且仅有两个同时开通。
进一步地，十二开关双通道逆变器正常工作时，每个桥臂有以下工作状态：
2状态，上开关管、中开关管开通，下开关管关断，桥臂上输出端电位与下输出端电位均与正直流母线相同；
1状态，上开关管、下开关管开通，中开关管关断，桥臂上输出端电位与正直流母线相同，下输出端电位与负直流母线相同；
0状态，中开关管、下开关管开通，上开关管关断，桥臂上输出端电位与下输出端电位均与负直流母线相同。
进一步地，十二开关双通道逆变器正常工作时，四个桥臂上端口调制波必须始终大于等于下端口调制波。
为保证四个桥臂上端口调制波必须始终大于等于下端口调制波，在上下端口初始调制波中分别添加偏置分量。
前三个桥臂上端口初始调制波
Figure BDA0002502142450000041
中添加偏置分量为uoffset1，第四个桥臂上端口初始调制波
Figure BDA0002502142450000042
中添加偏置分量为uoffset2。uoffset1-uoffset2即为第一台电机绕组两端的的直流电压。uoffset1、uoffset2取值不是唯一解，但二者差值固定，为双闭环计算得出的第一台电机零序电压给定值；
前三个桥臂下端口初始调制波
Figure BDA0002502142450000043
中添加偏置分量为uoffset3，第四个桥臂下端口初始调制波
Figure BDA0002502142450000044
中添加偏置分量为uoffset4。uoffset3-uoffset4即为第二台电机绕组两端的的直流电压。uoffset3、uoffset4取值不是唯一解，但二者差值固定，为双闭环计算得出的第二台电机零序电压给定值。
按照本发明的另一方面，提供了一种用于双通道开关磁阻电机磁场调制驱动拓扑的控制方法，包括：
S1.根据两台开关磁阻电机转速给定值与采集到的转子转速反馈值，经过闭环调节，分别得到两台电机d、q和0轴电流给定值；
S2.根据采集到的两台开关磁阻电机绕组电流和转子位置，分别计算得到两台电机d、q和0轴电流反馈值；
S3.根据两台开关磁阻电机d、q和0轴电流给定值与反馈值，经过闭环调节，分别得到两台电机d、q和0轴电压给定值；
S4.根据两台开关磁阻电机d、q和0轴电压给定值，经过坐标变换，分别得到两台电机三相电压给定值；
S5.根据两台开关磁阻电机三相电压给定值，计算得到第四个桥臂上输出端、下输出端的初始调制波；
S6.根据两台开关磁阻电机三相电压给定值和第四个桥臂上输出端、下输出端的初始调制波，求出前三个桥臂上、下端口初始调制波；
S7.在四个桥臂上，下端口初始调制波中分别添加偏置分量。
S8.通过调制波与载波比较，得到同一桥臂上开关管，下开关管的驱动信号。二者的逻辑异或作为中开关管的驱动信号。并对中开关管设置死区时间防止桥臂直通，得到十二路PWM信号，输出给十二开关双通道逆变器的十二个开关管。
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，传统两台电机如果需要同时运行，需要两套单独的逆变器与驱动信号产生模块，因此需要大量使用IGBT，一般是24个，导致系统成本高，体积大；本发明提出的驱动拓扑能够同时驱动两台磁场调制开关磁阻电机，同时减少了IGBT的使用量，降低至12个，降低了成本，减小了体积，提高了运行效率。
附图说明
图1是本发明提供的一种双通道开关磁阻电机磁场调制驱动拓扑的示意图；
图2(a)是本发明提供的双通道开关磁阻电机磁场调制驱动拓扑桥臂2状态示意图；
图2(b)是本发明提供的双通道开关磁阻电机磁场调制驱动拓扑桥臂1状态示意图；
图2(c)是本发明提供的双通道开关磁阻电机磁场调制驱动拓扑桥臂0状态示意图；
图3(a)是本发明提供的双通道开关磁阻电机磁场调制驱动拓扑第一个桥臂为2状态，第四个桥臂为0状态时A相电流的直流偏置分量流动路径示意图；
图3(b)是本发明提供的双通道开关磁阻电机磁场调制驱动拓扑第一个桥臂为1状态，第四个桥臂为1状态时A相电流的直流偏置分量流动路径示意图；
图3(c)是本发明提供的双通道开关磁阻电机磁场调制驱动拓扑第一个桥臂为0状态，第四个桥臂为0状态时A相电流的直流偏置分量流动路径示意图；
图4是本发明提供的一种双通道开关磁阻电机磁场调制驱动拓扑控制方法的框图；
图5是初始调制波叠加偏置分量得到调制波，及绕组零序电压示意图；
图6是调制波与载波比较产生开关管驱动信号的示意图；
图7是同一桥臂上、中、下管开关状态与桥臂状态的示意图。
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。
针对现有技术的缺陷或改进需求，本发明提供了一种双通道开关磁阻电机磁场调制驱动拓扑及其控制方法，其目的在于提供一种体积更小、成本更低、运行效率更高的驱动系统，为两台磁场调制电机同时注入带有直流偏置正弦电流。
为实现上述目的，如图1所示，按照本发明的一个方面，提供了一种双通道开关磁阻电机磁场调制驱动拓扑，包括：直流电源、十二开关双通道逆变器、驱动信号发生模块、两台磁场调制开关磁阻电机、位置传感器、电流传感器；其中驱动信号发生模块，用于根据采集到的磁场调制开关磁阻电机绕组电流和转子位置，为十二开关双通道逆变器中的开关管产生驱动信号。
十二开关双通道逆变器与两台磁场调制开关磁阻电机的三相绕组连接，用于根据驱动信号发生模块产生的驱动信号控制开关管的导通与关断，为所述两台磁场调制开关磁阻电机提供电能，给各相绕组注入带有直流偏置的正弦电流，驱动两台磁场调制开关磁阻电机运行。
具体地，十二开关双通道逆变器包括并联在同一条直流母线上的四个桥臂；每个桥臂上开关管的集电极与正母线相连，下开关管的发射极与负母线相连；每个桥臂包括上开关管(图1中S1u、S2u、S3u、S4u)、中开关管(图1中S1m、S2m、S3m、S4m)、下开关管(图1中S1l、S2l、S3l、S4l)及其对应的反并联二极管；其中，上开关管的发射极与所述中开关管的集电极构成对应桥臂的上输出端；中开关管的发射极与所述下开关管的集电极构成对应桥臂的下输出端；如图1中，第一台电机的A相绕组一端接在第一个桥臂的上输出端口；B相绕组一端接在第二个桥臂的上输出端口；C相绕组一端接在第三个桥臂的上输出端口；各相绕组另一端连接在一起，构成星型结构的中性点，连接到第四个桥臂的上输出端口。第二台电机的A相绕组一端接在第一个桥臂的下输出端口；B相绕组一端接在第二个桥臂的下输出端口；C相绕组一端接在第三个桥臂的下输出端口；各相绕组另一端连接在一起，构成星型结构的中性点，连接到第四个桥臂的下输出端口。
四个桥臂的上开关管(图1中S1u、S2u、S3u、S4u)、中开关管(图1中S1m、S2m、S3m、S4m)共八个开关管，用于为第一台磁场调制开关磁阻电机注入带直流偏置的正弦电流；四个桥臂的中开关管(图1中S1m、S2m、S3m、S4m)、下开关管(图1中S1l、S2l、S3l、S4l)共八个开关管，用于为第二台磁场调制开关磁阻电机注入带直流偏置的正弦电流。
为了满足桥臂不直通，且上下输出端口电位为确定值，十二开关双通道逆变器运行时必须满足以下要求：上开关管、中开关管和下开关管有且仅有两个同时开通。
十二开关双通道逆变器正常工作时，每个桥臂存在以下工作状态：本发明实施例以第一个桥臂为例进行说明，各个状态的开关管状态如图2(a)至图2(c)所示；
2状态，上开关管、中开关管开通，下开关管关断，桥臂上输出端电位与下输出端电位均与正直流母线相同；
1状态，上开关管、下开关管开通，中开关管关断，桥臂上输出端电位与正直流母线相同，下输出端电位与负直流母线相同；
0状态，中开关管、下开关管开通，上开关管关断，桥臂上输出端电位与下输出端电位均与负直流母线相同。
如图3(a)至图3(c)所示，分别以第一个桥臂为2状态，第四个桥臂为0状态；第一个桥臂为1状态，第四个桥臂为1状态；第一个桥臂为0状态，第四个桥臂为0状态，画出两台电机A相电流的直流偏置分量流动路径，箭头方向表明直流偏置电流的流动方向。
为了满足十二开关双通道逆变器正常工作的要求，四个桥臂上端口调制波必须始终大于等于下端口调制波。为保证这一点，四个桥臂上端口调制波必须始终大于等于下端口调制波，在上下端口初始调制波中分别添加偏置分量。
前三个桥臂上端口初始调制波
Figure BDA0002502142450000081
中添加偏置分量为uoffset1，第四个桥臂上端口初始调制波
Figure BDA0002502142450000082
中添加偏置分量为uoffset2。uoffset1-uoffset2即为第一台电机绕组两端的的直流电压。uoffset1、uoffset2取值不是唯一解，但二者差值固定，为双闭环计算得出的第一台电机零序电压给定值；
前三个桥臂下端口初始调制波
Figure BDA0002502142450000083
中添加偏置分量为uoffset3，第四个桥臂下端口初始调制波
Figure BDA0002502142450000084
中添加偏置分量为uoffset4。uoffset3-uoffset4即为第二台电机绕组两端的的直流电压。uoffset3、uoffset4取值不是唯一解，但二者差值固定，为双闭环计算得出的第二台电机零序电压给定值。
本发明提供了一种用于双通道开关磁阻电机磁场调制驱动拓扑的控制方法，包括以下步骤，控制框图如图4所示：
S1.根据两台电机转速给定值与采集到的转子转速反馈值，经过闭环调节，分别得到两台电机d、q和0轴电流给定值idq01 *，idq02 *；
S2.根据采集到的两台开关磁阻电机绕组电流和转子位置，分别计算得到两台电机d、q和0轴电流反馈值idq01，idq02；
S3.根据两台电机d、q和0轴电流给定值与反馈值，经过闭环调节，分别得到两台电机d、q和0轴电压给定值
Figure BDA0002502142450000091
S4.根据两台电机d、q和0轴电压给定值
Figure BDA0002502142450000092
经过坐标变换，分别得到两台电机三相电压给定值
Figure BDA0002502142450000093
S5.根据两台电机三相电压给定值
Figure BDA0002502142450000094
计算得到第四个桥臂上输出端、下输出端的初始调制波
Figure BDA0002502142450000095
以第一台电机为例，
Figure BDA0002502142450000096
S6.根据两台电机三相电压给定值和第四个桥臂上输出端、下输出端的初始调制波，求出前三个桥臂上、下端口初始调制波
Figure BDA0002502142450000097
以第一台电机为例，
Figure BDA0002502142450000098
S7.在前三个桥臂上端口初始调制波
Figure BDA0002502142450000099
中添加偏置分量uoffset1，得到前三个桥臂上端口调制波
Figure BDA00025021424500000910
第四个桥臂上端口初始调制波
Figure BDA00025021424500000911
中添加偏置分量uoffset2，得到第四个桥臂上端口调制波
Figure BDA00025021424500000912
前三个桥臂下端口初始调制波
Figure BDA00025021424500000913
中添加偏置分量uoffset3，得到前三个桥臂下端口调制波
Figure BDA00025021424500000914
第四个桥臂下端口初始调制波
Figure BDA00025021424500000915
中添加偏置分量uoffset4，得到第四个桥臂下端口调制波
Figure BDA00025021424500000916
以第一台电机为例，如图5所示，
Figure BDA00025021424500000917
S8.以第一个桥臂为例，将上端口调制波
Figure BDA00025021424500000918
与三角载波比较，如图6所示，当调制波大于三角载波时，令信号X1为高电平，信号X2为低电平；当调制波小于三角载波时，令信号X1为低电平，信号X2为高电平；
以第一个桥臂为例，将下端口调制波
Figure BDA0002502142450000101
与三角载波比较，当调制波大于三角载波时，令信号Z1为高电平，信号Z2为低电平；当调制波小于三角载波时，令信号Z1为低电平，信号Z2为高电平；
将X1作为上开关管S1u的驱动信号，将Z2作为下开关管S1l的驱动信号，将X1和Z1的逻辑异或作为中开关管S1m的驱动信号。并对中开关管设置死区时间防止桥臂直通。以第一个桥臂三个开关管的驱动信号为例，三者状态如图7所示。最后共得到十二路PWM信号，输出给十二开关双通道逆变器的十二个开关管。
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 (8)

1.一种双通道开关磁阻电机磁场调制驱动拓扑，其特征在于，包括十二开关双通道逆变器和逆变器驱动信号发生模块；
驱动信号发生模块，用于根据采集到的磁场调制开关磁阻电机绕组电流和转子位置，为十二开关双通道逆变器中的开关管产生驱动信号；
十二开关双通道逆变器与两台磁场调制开关磁阻电机的三相绕组连接，用于根据驱动信号发生模块产生的驱动信号控制开关管的导通与关断，为所述两台磁场调制开关磁阻电机提供电能，给各相绕组注入带有直流偏置的正弦电流，驱动两台磁场调制开关磁阻电机运行。
2.根据权利要求1所述的一种双通道开关磁阻电机磁场调制驱动拓扑，其特征在于，所述十二开关双通道逆变器包括并联在同一条直流母线上的四个桥臂；每个桥臂包括上开关管、中开关管、下开关管及其对应的反并联二极管；所述上开关管的集电极与正母线相连，下开关管的发射极与负母线相连；
所述上开关管的发射极与所述中开关管的集电极构成对应桥臂的上输出端口；
所述中开关管的发射极与所述下开关管的集电极构成对应桥臂的下输出端口。
3.根据权利要求2所述的一种双通道开关磁阻电机磁场调制驱动拓扑，其特征在于，所述前三个桥臂的上输出端口分别与第一台开关磁阻电机的各相绕组的一端连接；所述第一台开关磁阻电机各相绕组另一端连接在一起，构成星型结构的中性点；所述第四个桥臂的上输出端口与所述中性点连接，用于为所述正弦电流的直流偏置分量提供流通路径。
4.根据权利要求2所述的一种双通道开关磁阻电机磁场调制驱动拓扑，其特征在于，所述前三个桥臂的下输出端口分别与第二台开关磁阻电机的各相绕组的一端连接；所述第二台开关磁阻电机各相绕组另一端连接在一起，构成星型结构的中性点；所述第四个桥臂的下输出端口与所述中性点连接，用于为所述正弦电流的直流偏置分量提供流通路径。
5.根据权利要求2所述的一种双通道开关磁阻电机磁场调制驱动拓扑，其特征在于，所述十二开关双通道逆变器运行时满足以下要求：
上开关管、中开关管和下开关管有且仅有两个同时开通。
6.根据权利要求5所述的一种双通道开关磁阻电机磁场调制驱动拓扑，其特征在于，所述十二开关双通道逆变器正常工作时，每个桥臂有以下工作状态：
2状态，上开关管、中开关管开通，下开关管关断，桥臂上输出端电位与下输出端电位均与正直流母线相同；
1状态，上开关管、下开关管开通，中开关管关断，桥臂上输出端电位与正直流母线相同，下输出端电位与负直流母线相同；
0状态，中开关管、下开关管开通，上开关管关断，桥臂上输出端电位与下输出端电位均与负直流母线相同。
7.根据权利要求5所述的一种双通道开关磁阻电机磁场调制驱动拓扑，其特征在于，所述十二开关双通道逆变器正常工作时，四个桥臂在上下端口初始调制波中分别添加偏置分量，使得上端口调制波始终大于等于下端口调制波。
8.一种基于权利要求1至7任一项所述的双通道开关磁阻电机磁场调制驱动拓扑的控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1.根据两台开关磁阻电机的转速给定值与采集到的转子转速反馈值，经过闭环调节，分别得到两台开关磁阻电机d、q和0轴电流给定值；
S2.根据采集到的两台开关磁阻电机绕组电流和转子位置，分别计算得到两台开关磁阻电机d、q和0轴电流反馈值；
S3.根据两台开关磁阻电机d、q和0轴电流给定值与反馈值，经过闭环调节，分别得到两台开关磁阻电机d、q和0轴电压给定值；
S4.根据两台开关磁阻电机d、q和0轴电压给定值，经过坐标变换，分别得到两台开关磁阻电机三相电压给定值；
S5.根据两台开关磁阻电机三相电压给定值，计算得到第四个桥臂上输出端、下输出端的初始调制波；
S6.根据两台开关磁阻电机三相电压给定值和第四个桥臂上输出端、下输出端的初始调制波，求出前三个桥臂上、下端口初始调制波；
S7.在四个桥臂上，下端口初始调制波中分别添加偏置分量；
S8.通过调制波与载波比较，得到同一桥臂上开关管和下开关管的驱动信号，二者的逻辑异或作为中开关管的驱动信号，并对中开关管设置死区时间防止桥臂直通，得到十二路PWM信号，输出给十二开关双通道逆变器的十二个开关管。
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