CN114070166A - 基于无线电能传输的n型开关磁阻电机驱动系统及方法 - Google Patents

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Abstract

基于无线电能传输的N型开关磁阻电机驱动系统及方法，包括原边电能发射装置、副边电能接收装置、N型驱动电路和开关磁阻轮毂电机，原边电能发射装置、副边电能接收装置、N型驱动电路和开关磁阻轮毂电机依次连接；本发明采用一对一无线电能传输的方式给开关磁阻电机供电，实现了原副边的完全隔离。采用对称的T型LCC补偿网络后，当负载变化时系统电压增益不变，但是在实际情况下，当负载变轻时系统电压增益会变大，当绕组处在导通阶段电流较小，等效负载较轻，电压增益变大，绕组可以快速励磁，减小了转矩脉动。

Description

基于无线电能传输的N型开关磁阻电机驱动系统及方法
技术领域
本发明属于开关磁阻电机控制技术领域，特别涉及基于无线电能传输的N型开关磁阻电机驱动系统及方法。
背景技术
电动汽车现在发展的非常迅猛，无线电能传输与轮毂电机均引入到了电动汽车的应用当中。电动汽车采用轮毂电机后省略了大量的传动机构，让车辆变得更简单，而且可实现多种复杂的驱动方式，便于采用多种新能源车技术。传统的轮毂电机采用有线的方式连接，但是线缆所处环境比较恶劣，容易断线和老化，所以产生了无线轮毂电机，车身通过无线的方式给轮毂电机供电，避免了这一问题。而现在常用的轮毂电机是永磁同步电机，但是永磁同步电机的制造成本高，控制复杂，在电机侧用到的有源器件较多。
发明内容
本发明的目的在于提供基于无线电能传输的N型开关磁阻电机驱动系统及方法，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
基于无线电能传输的N型开关磁阻电机驱动系统，包括原边电能发射装置、副边电能接收装置、N型驱动电路和开关磁阻轮毂电机，原边电能发射装置、副边电能接收装置、N型驱动电路和开关磁阻轮毂电机依次连接；
原边电能发射装置包括全桥逆变器、控制器、逆变器MOSFET驱动电路、LCC补偿网络和线圈；全桥逆变器一端与直流电源连接，另一端与LCC补偿网络连接，控制器发出两路PWM信号，一路经过逆变器MOSFET驱动后控制全桥逆变器；直流电经过全桥逆变器后经过LCC补偿网络后连接线圈一端；
副边电能接收装置包括S补偿网络和单相不可控整流桥，S补偿网络和单相不可控整流桥连接，S补偿网络连接线圈另一端。
进一步的，N型驱动电路有三相绕组，每相绕组包括MOSFET、二极管和续流回路；MOSFET、二极管和续流回路依次连接。
进一步的，续流回路包括电阻续流、原边直流电源续流和电池续流。
进一步的，开关磁阻轮毂电机为三相18/24开关磁阻轮毂电机，每相绕组均设置有电流传感器和位置传感器。
进一步的，位置传感器连接控制器，控制器连接N型MOSFET驱动，N型MOSFET驱动连接N型驱动电路驱动开关磁阻轮毂电机。
进一步的，控制器包括电子换向器和电流调节器，电流调节器连接电子换向器产生另一路PWM信号到N型MOSFET驱动。
进一步的，线圈包括发射线圈与接收线圈，发射线圈与接收线圈相对设置，且均为大小相同的圆形线圈。
进一步的，在发射线圈下面与接收线圈上面放置铁氧体；发射线圈与接收线圈之间的间隙为100mm
进一步的，LCC补偿网络采用对称的T型LCC补偿网络，在理论上保证当负载变化时系统电压增益不变。
进一步的，LCC补偿网络中的电感Ls、发射线圈和接收线圈均由利兹线绕制而成，单股直径为0.1mm，股数为300股。
进一步的，基于无线电能传输的N型开关磁阻电机驱动系统的驱动方法，包括以下步骤：
位置传感器检测转子当前位置，电流传感器检测当前绕组的电流，产生的位置信号和电流信号分别输入到控制器中的电子换向器和电流调节器中，产生PWM信号，经过MOSFET驱动电路后控制N型驱动电路；
当采用电阻续流时，将电阻两端接在f+与f-之间，不分正负，电流下降速度由电路的时间常数决定；
当采用原边直流电源续流时，将原边直流电源的DC+端接在续流回路的f+，原边直流电源的DC-端接在续流回路的f-，续流电流由DC+流向DC-，续流时给原边直流电源充电；
当采用电池续流时，将电池的+端接在续流回路的f+，电池的-端接在续流回路的f-，给电池充电。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明采用一对一无线电能传输的方式给开关磁阻电机供电，实现了原副边的完全隔离。采用对称的T型LCC补偿网络后，当负载变化时系统电压增益不变，但是在实际情况下，当负载变轻时系统电压增益会变大，当绕组处在导通阶段电流较小，等效负载较轻，电压增益变大，绕组可以快速励磁，减小了转矩脉动。
开关磁阻电机的驱动电路采用N型驱动电路，每相绕组由一个MOSFET与一个二极管构成，而开关磁阻电机最经典的不对称半桥驱动电路每相绕组由两个MOSFET与连个二极管构成，与之相比功率器件减少了一半，降低了电路的复杂性，降低了成本。这种驱动电路可以通过三种方式为开关磁阻电机提供续流回路：电阻续流、原边电源续流和电池续流。通过电阻续流时绕组与电阻形成一阶无源电路，绕组电流下降的速度由电路的时间常数决定，选择不同电阻进行多次仿真可选择合适的电阻使得转矩脉动最小，这种续流方式可以用在多负载运行时的情况。通过原边电源和电池续流时绕组与电源或电池形成一阶有源电路，给绕组施加反压，电流迅速下降，绕组中储存的电能回馈给原边直流电源或者电池。由于续流时绕组相当于流源，所以无论电源或电池的电压是多少都可以进行充电。采用电池续流时可以实现电机在运行的同时进行充电的功能。这种驱动电路不仅可以用在本系统当中，还可以用在普通的开关磁阻电机驱动电路当中，N相开关磁阻电机只需要使用N个MOSFET和N个二极管进行控制。这三种续流方式均已经过仿真和实验的验证，实现了开关磁阻电机的基本功能。
附图说明
图1为本发明的基于磁耦合谐振式无线电能传输的开关磁阻电机驱动系统原理框图。
图2为本发明的基于磁耦合谐振式无线电能传输的开关磁阻电机驱动系统控制框图。
其中：1、直流电源；2、全桥逆变器；3、变器MOSFET驱动；4、第一PWM信号；5、LCC补偿网络；6、线圈；61、发射线圈；62、接收线圈；7、S补偿网络；8、单相不可控整流桥；9、N型驱动电路；10、N型MOSFET驱动；11、控制器；12、位置传感器；13、电流传感器；14、开关磁阻轮毂电机；112、电子换向器；113、电流调节器；111、第二PWM信号；91、续流回路；911、电阻续流；912、原边直流电源续流；913、电池续流。
具体实施方式
为了使本发明的技术内容和可实现的技术成果更容易被理解，下面结合附图对本发明的一种基于一对一无线电能传输的N型开关磁阻电机驱动系统技术方案进行详细解释说明：
如图1所示，一种基于一对一无线电能传输的N型开关磁阻电机驱动系统，包括原边电能发射装置、副边电能接收装置、N型驱动电路和开关磁阻轮毂电机，直流电源与电能发射装置相连，电能接收装置与N型驱动电路和开关磁阻轮毂电机依次连接。
原边电能发射装置包括全桥逆变器、控制器、逆变器MOSFET驱动电路、LCC补偿网络和发射线圈；全桥逆变器一端与直流电源连接，另一端与LCC补偿网络连接，控制器发出两路带死区且互补的85kHz的PWM经过逆变器MOSFET驱动电路后控制全桥逆变器；直流电经过全桥逆变器后成为85kHz高频交流电，经过补偿网络后连接发射线圈。
副边电能接收装置包括接收线圈、S补偿和单相不可控整流桥。
N型驱动电路每相绕组由一个MOSFET、一个二极管和续流回路构成。
续流回路有三种方式，分别为电阻续流、原边直流电源续流和电池续流。
开关磁阻电机为三相18/24开关磁阻轮毂电机，每相绕组均有电流传感器；开关磁阻电机连接有位置传感器。
位置信号输入到控制器的电子换向器，电流信号输入到控制器的电流控制器，产生PWM信号，经过MOSFET驱动电路后控制N型驱动电路，驱动电机。
发射线圈与接收线圈均采用圆形线圈，并保证大小一致。
在发射线圈下面与接收线圈上面放置铁氧体，增加磁通，保证发射线圈与接收线圈电感大小基本相等。
发射线圈与接收线圈之间的气隙为100mm。
LCC补偿网络采用对称的T型LCC补偿网络，在理论上保证当负载变化时系统电压增益不变。
LCC补偿网络中的电感Ls、发射线圈和接收线圈均由利兹线绕制而成，单股直径为0.1mm，股数为300股。
图1是本发明的一种基于一对一无线电能传输的N型开关磁阻电机驱动系统原理框图。直流电源1给全桥逆变器2提供直流电，控制器产生两路带死区且互补的85kHzPWM信号4经过逆变器MOSFET驱动3控制全桥逆变器2，输出85kHz的高频交流电，经过LCC补偿网络5调节电流的特性，使得逆变器输出电压电流同相位。
线圈6是无线电能传输最重要的装置，发射线圈6 1与LCC补偿网络5相连，从而发射电能。接收线圈6 2接收到电能经过S补偿网络7后与不可控整流桥8相连接，将高频交流电整流为直流电。
发射线圈6 1和接收线圈6 2均由利兹线绕制而成，单股直径为0.1mm，股数选择为300股，为保证互感最大，在发射线圈6 1的下面和接收线圈6 2的上面放置铁氧体，使得线圈电感基本一样。
位置传感器12检测转子当前位置，电流传感器13检测当前绕组的电流，产生的位置信号和电流信号分别输入到控制器11中的电子换向器11 2和电流调节器11 3中，产生PWM信号11 1，经过MOSFET驱动电路10后控制N型驱动电路9。续流回路9 1有三种续流方式，电阻续流9 1 1，原边直流电源续流9 1 2，电池续流9 1 3。当采用电阻续流9 1 1时，将电阻两端接在f+与f-之间，不分正负，电流下降速度由电路的时间常数决定。当采用原边直流电源续流9 1 2时，将原边直流电源1的DC+端接在续流回路9 1的f+，原边直流电源1的DC-端接在续流回路9 1的f-，续流电流由DC+流向DC-，续流时给原边直流电源1充电。同样，当采用电池续流9 1 3时，将电池的+端接在续流回路9 1的f+，电池的-端接在续流回路9 1的f-，给电池充电。原边直流电源与电池均给绕组提供反压，电流迅速下降，由于二极管的存在，当电流下降到零后二极管截止，电流并不会反相增加。
三相18/24开关磁阻轮毂电机14接在N型驱动电路之后。
图2是本发明的控制框图，控制器产生两路互补且带死区85kHz的PWM信号4给全桥逆变器2的驱动电路，将直流电逆变为85kHz的高频交流电。经过LCC谐振网络5和发射线圈61发射电能。接收线圈6 2接收到电能与串联补偿电路7发生谐振，经过不可控整流桥8给N型驱动电路9供电。位置传感器12通过检测位置信号估算转速，与给定转速作差后作为转速调节器的输入。转速调节器的输出为三相电流的给定值，与电流传感器13测得的电流作差，得到电流调节器的输入。电流调节器产生控制信号后经过PWM信号发生器产生三相PWM信号输入给N型驱动电路9控制开关磁阻轮毂电机14。
本发明包括高频逆变器、原边谐振电路、发射线圈、接收线圈、副边谐振电路、不可控整流桥和N型开关磁阻电机驱动电路；高频逆变器与直流电源相连，依次连接；谐振电路采用LCC-S的补偿网络具有一定的负载恒压特性；将开关磁阻电机与无线电能传输结合起来不仅使得原副边电气隔离，而且当绕组导通时由于负载等效电阻较大，电压增益较高，可以实现快速励磁；N型开关磁阻电机驱动系统每相绕组只需要一个有源器件和一个二极管进行控制，并且有电阻续流、原边直流电源续流和电池续流三种方式。本发明使用一个有源器件和一个二极管控制一相绕组，减少了功率器件的数量，实现了原副边的完全隔离，电机在运行的同时还可以进行发电，而且还可以用来给多负载供电，性能上优于传统的开关磁阻电机驱动电路。

Claims (10)

1.基于无线电能传输的N型开关磁阻电机驱动系统，其特征在于，包括原边电能发射装置、副边电能接收装置、N型驱动电路(9)和开关磁阻轮毂电机(14)，原边电能发射装置、副边电能接收装置、N型驱动电路(9)和开关磁阻轮毂电机(14)依次连接；
原边电能发射装置包括全桥逆变器(2)、控制器、逆变器MOSFET驱动电路(3)、LCC补偿网络(5)和线圈(6)；全桥逆变器(2)一端与直流电源(1)连接，另一端与LCC补偿网络(5)连接，控制器发出两路带死区且互补的PWM信号，经过逆变器MOSFET驱动(3)后控制全桥逆变器(2)；直流电经过全桥逆变器(2)后经过LCC补偿网络(5)后连接线圈(6)一端；
副边电能接收装置包括S补偿网络(7)和单相不可控整流桥(8)，S补偿网络(7)和单相不可控整流桥(8)连接，S补偿网络(7)连接线圈(6)另一端。
2.根据权利要求1所述的基于无线电能传输的N型开关磁阻电机驱动系统，其特征在于，N型驱动电路(9)有三相绕组，每相绕组包括MOSFET、二极管和续流回路；MOSFET、二极管和续流回路(91)依次连接。
3.根据权利要求2所述的基于无线电能传输的N型开关磁阻电机驱动系统，其特征在于，续流回路(91)包括电阻续流(911)、原边直流电源续流(912)和电池续流(913)。
4.根据权利要求1所述的基于无线电能传输的N型开关磁阻电机驱动系统，其特征在于，开关磁阻轮毂电机(14)为三相18/24开关磁阻轮毂电机，每相绕组均设置有电流传感器(13)和位置传感器(12)。
5.根据权利要求4所述的基于无线电能传输的N型开关磁阻电机驱动系统，其特征在于，位置传感器(12)连接控制器(11)，控制器(11)连接N型MOSFET驱动(10)，N型MOSFET驱动(10)连接N型驱动电路驱动开关磁阻轮毂电机(14)。
6.根据权利要求5所述的基于无线电能传输的N型开关磁阻电机驱动系统，其特征在于，控制器(11)包括电子换向器(112)和电流调节器(113)，电流调节器(113)连接电子换向器(112)产生PWM信号到N型MOSFET驱动(10)。
7.根据权利要求1所述的基于无线电能传输的N型开关磁阻电机驱动系统，其特征在于，线圈(6)包括发射线圈(61)与接收线圈(62)，发射线圈(61)与接收线圈(62)相对设置，且均为大小相同的圆形线圈。
8.根据权利要求7所述的基于无线电能传输的N型开关磁阻电机驱动系统，其特征在于，在发射线圈下面与接收线圈上面放置铁氧体；发射线圈与接收线圈之间的间隙为100mm。
9.根据权利要求1所述的基于无线电能传输的N型开关磁阻电机驱动系统，其特征在于，LCC补偿网络采用对称的T型LCC补偿网络，在理论上保证当负载变化时系统电压增益不变；
LCC补偿网络(5)中的电感Ls、发射线圈(61)和接收线圈(62)均由利兹线绕制而成，单股直径为0.1mm，股数为300股。
10.基于无线电能传输的N型开关磁阻电机驱动系统的驱动方法，其特征在于，基于权利要求1至9任意一项所述的基于无线电能传输的N型开关磁阻电机驱动系统，包括以下步骤：
位置传感器(12)检测转子当前位置，电流传感器(13)检测当前绕组的电流，产生的位置信号和电流信号分别输入到控制器(11)中的电子换向器(112)和电流调节器(113)中，产生PWM信号(111)，经过MOSFET驱动电路(10)后控制N型驱动电路(9)；
当采用电阻续流(911)时，将电阻两端接在f+与f-之间，不分正负，电流下降速度由电路的时间常数决定；
当采用原边直流电源续流(912)时，将原边直流电源(1)的DC+端接在续流回路(91)的f+，原边直流电源(1)的DC-端接在续流回路(91)的f-，续流电流由DC+流向DC-，续流时给原边直流电源(1)充电；
当采用电池续流(913)时，将电池的+端接在续流回路(91)的f+，电池的-端接在续流回路(91)的f-，给电池充电。
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