CN1960157A - 双凸极电机驱动器 - Google Patents

Abstract

一种双凸极电机驱动器，属于双凸极电机的驱动器。该驱动器包括直流电源(Vdc)、两个分裂式电容(C1、C2)串连成的滤波电路。由两个开关管(T1、T2)串连成的变换器第一桥臂，由两个开关管(T3、T4)串连成的变换器的第二桥臂。电机的A相绕组通过电流传感器(S1)连于第一桥臂两个开关管(T1、T2)的串连点，电机的B相绕组通过电流传感器(S2)连于第二桥臂两个开关管(T3、T4)的串连点，电机的C相绕组连于两个分裂电容(C1、C2)的串连点。该驱动器省去了两个功率开关管，提高了电机驱动系统的可靠性，简化了控制方法，降低了成本，实现了驱动系统的小型化。

Description

双凸极电机驱动器

一、技术领域

本发明涉及双凸极电机的驱动器。

二、背景技术

双凸极电机是在开关磁阻电机基础上发展而来的一种新型电机，其定、转子均为凸极结构，采用硅钢片叠压而成，电枢绕组集中安放在定子齿上，转子无绕组，通过在定子中镶嵌磁钢形成永磁双凸极电机或者在定子齿上嵌入电枢绕组构成电励磁双凸极，双凸极电机具有结构简单、成本低、控制灵活、容错性能好，适合高速运行等优点，因此成为研究的热点。

对于电机驱动系统来说其功率变换器是其最薄弱的环节，其故障率随着管子的个数成指数规律增加，并且管子的个数还影响控制系统的驱动、辅助电源路数、控制的复杂性和系统的体积。

三相双凸极电机常用的驱动器拓扑有两种，图1为基于全桥变换器的电励磁双凸极电机驱动电路图，其组成部分：直流电压Vdc；直流母线滤波电容C；全桥变换器六个开关管T1、T2、T3、T4、T5、T6，反并在功率管两端的用于电机换相的续流的二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6；星形连接的双凸极电机三相电枢绕组A、B、C。图2为基于半桥变换器的电励磁双凸极电机驱动电路图，相比较图1，直流母线滤波采用分裂式电容C1、C2；将电机三相绕组中点N与分裂式电容中点相连。两种驱动器拓扑均具有六个功率管，其控制方法、驱动电路、辅助电源均比较复杂、可靠性差、成本较高并且由于管子个数多散热器占有空间大而使系统体积较大。

双凸极电机成本低是其最大的优势，能够减少驱动器功率管的个数，是提高双凸极电机驱动系统可靠性、降低成本、简化控制方法、使系统小型化最有效的途径，也是将双凸极电机驱动系统推向市场，提高与其他驱动系统竞争力的最热门的研究内容。

三、发明内容

本发明的目的即在提供一种双凸极电机驱动器，以减少电路中功率管的个数，从而实现降低驱动系统成本，提高系统可靠性，简化控制方法，并实现系统小型化。

本发明采用以下技术方案实现上述目的。

省去全桥变换器的一相桥臂的两个管子及其反并二极管，采用半桥变换器的分裂式电容，将该相绕组连接于分裂式电容中点，形成四管三相变换器驱动双凸极电机。电路基本结构为：一种双凸极电机驱动器，其特征在于两个分裂式电容相互串连后正向并联再直流电源正负两端，第一开关管的源极与第二开关管的漏极相连后组成变换器的第一桥臂以及第三开关管的源极与第四开关管的漏极相连后组成变换器的第二桥臂均并联再直流电源正负两端，电机的三相绕组A、B、C采用星形连接，其中电机的A相绕组另一端通过电流传感器连于第一开关管与第二开关管的串连点，电机的B相绕组另一端通过第二电流传感器连于第三开关管与第四开关管的串连点，电机的C相绕组另一端直接连于两个分裂式电容的串连点，第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管各自反向并联一个二极管，分别是二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4。

本发明省去了传统的双凸极电机驱动系统的两个功率管，及其驱动、控制电路，简化了系统控制方法，降低了由于功率管产生的系统故障率与成本，实现了系统的小型化。

四、附图说明

图1基于全桥变换器的电励磁双凸极电机驱动电路图。

图2基于半桥变换器的电励磁双凸极电机驱动电路图。

图3本发明四管三相双凸极电机驱动器电路图。

图4双凸极电机导通逻辑。

图5本发明双凸极电机驱动器状态(state)1导通电路图。

图6本发明双凸极电机驱动器状态(state)2导通电路图。

图7直接电流控制框图

图8本发明双凸极电机驱动器状态(state)3导通电路图。

图9三相电流实验波形。其中图9(a)为A、B相电流示意图，图9(b)为A、C相电流示意图。

上述图中的符号名称：Udc为直流电源，C1、C2为分裂式电容，T1～T4为开关管，D1～D4为二极管，S1、S2为电流传感器，A、B、C为电机的三相绕组。ψ_a、ψ_b、ψ_c分别为电机的三相绕组磁链，i_a、i_b、i_c分别为电机的三相绕组电流，ωt为电机转子转过的电角度。

五、具体实施方式

参考图3所示，本发明双凸极电机驱动器主要由以下各部分组成：输入电源滤波并向电机提高直流电压的分裂式电容C1、C2；星形连接的三相电机绕组A、B、C；A相绕组连接的变换器桥臂T1、T2及其反并二极管D1、D2；B相绕组连接的变换器桥臂T3、T4及其反并二极管D3、D4；C相绕组连接于分裂式电容中点0；分别测量A、B两相电流的传感器S1、S2，以及电机位置传感器。

以下参照附图，详细说明本发明双凸极电机驱动器的工作原理：

根据双凸极电机的导通逻辑，如图4所示，三相三状态换流模式，即每相绕组通过位置信号的检测，在该相电枢绕组磁链的上升沿通正电，在电枢绕组磁链的下降沿通负电，整个磁链周期内有三个状态，驱动双凸极电机连续旋转。

以电励磁双凸极电机正向旋转为例，电机三相绕组磁链分别A相绕组磁链超前B相绕组磁链120度电角度，B相绕组磁链超前C相绕组磁链120度电角度。

状态1：A相绕组磁链ψ_a处于上升沿，C相绕组磁链ψ_c处于下降沿，B相绕组磁链ψ_b恒定在最小值，根据导通逻辑，A相通正电流，C相通负电流，本状态只需导通T1管，T2、T3、T4管均关断，如图5所示，通过S1检测A相正电流i_a控制T1管斩波，即可控制C相负电流i_c。此时

$\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{dc}}=(L_a+L_c)\frac{{\mathrm{di}}_a}{\mathrm{dt}}+i_a\frac{d(L_a+L_c)}{\mathrm{dt}}+i_f\frac{d(L_{\mathrm{af}}-L_{\mathrm{cf}})}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

式中：Vdc为直流母线电压；La、Lc为A、C相绕组自感；Laf、Lcf为A、C相绕组与励磁绕组间的互感；if为励磁绕组电流；ia为相绕组电流。在该区间La+Lc为常数设为m，设定 $\frac{d(L_{\mathrm{af}}-L_{\mathrm{cf}})}{\mathrm{dt}}=k,$ 额定转速下该值也为常数，可以解得该状态电流变化率为

$\frac{{\mathrm{di}}_2}{\mathrm{dt}}=\frac{\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{dc}}-{\mathrm{ki}}_f}{m}---\left(2\right)$

在状态2：A相绕组磁链ψ_a处于下降沿，B相绕组磁链ψ_b处于上升沿，C相绕组磁链ψ_c恒定在最小值，根据导通逻辑，A相通负电流，B相通正电流，本状态应导通T3、T2管，T1、T4管关断，如图6所示，由于该状态C相绕组直接连接在分裂式电容中点0，为防止在该状态由于0点与电机中点N点之间的电位差，引起C相电流i_c的变化，因此通过S1、S2检测A相负电流i_a、B相正电流i_b，并对这两相电流直接控制，如图7所示，保证-i_a＝i_b，由于电机三相绕组星形连接，即i_a+i_b+i_c＝0，使该状态C相绕组无电流，此时

$V_{\mathrm{dc}}=(L_a+L_b)\frac{{\mathrm{di}}_b}{\mathrm{dt}}+i_b\frac{d(L_a+L_b)}{\mathrm{dt}}+i_f\frac{d(L_{\mathrm{bf}}-L_{\mathrm{af}})}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

式中：Lb为B相绕组自感；Lbf为B相绕组与励磁绕组的互感，并且La+Lb也为常数m，并且 $\frac{d(L_{\mathrm{bf}}-L_{\mathrm{af}})}{\mathrm{dt}}=k,$ 解得该状态电流变化率为

$\frac{{\mathrm{di}}_b}{\mathrm{dt}}=\frac{V_{\mathrm{dc}}-{\mathrm{ki}}_f}{m}---\left(4\right)$

在状态3：A相绕组磁链ψ_a恒定在最小值，B相绕组磁链ψ_b处于下降沿，C相绕组磁链ψ_c处于上升沿，根据导通逻辑，B相通负电流，C相通正电流，本状态只需导通T4管，T1、T2、T3管均关断，如图8所示，通过S2检测B相负电流i_b控制T4管斩波，即可控制C相正电流i_c。此时

$\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{dc}}=(L_d+L_c)\frac{{\mathrm{di}}_c}{\mathrm{dt}}+i_c\frac{d(L_b+L_c)}{\mathrm{dt}}+i_f\frac{d(L_{\mathrm{cf}}-L_{\mathrm{bf}})}{\mathrm{dt}}---\left(5\right)$

式中：Lc为C相绕组自感；Lcf为C相绕组与励磁绕组互感，并且Lb+Lc也为常数m，并且 $\frac{d(L_{\mathrm{cf}}-L_{\mathrm{bf}})}{\mathrm{dt}}=k,$ 解得该状态的电流变化率为

$\frac{{\mathrm{di}}_c}{\mathrm{dt}}=\frac{\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{dc}}-{\mathrm{ki}}_f}{m}---\left(6\right)$

可见，在状态1、状态3导通相电流变化率是相一致的，即在这两个状态相电路通过斩波控制，其电流纹波大小相同；在状态2，导通相电流变化率明显大于状态1、3，因此通过的电流控制方式下，状态2中两相电流的纹波要稍大些，但是通过限定电流环宽的方式，可以将三相电流的纹波均控制在要求之内。三相电流波形如图9(a)、(b)所示，可见本发明驱动器相比较双凸极传统驱动器在减少变换器功率管个数，降低系统成本的同时能够保证驱动系统特性。

Claims (1)

1、一种双凸极电机驱动器，其特征在于两个分裂式电容(C1、C2)相互串连后正向并联再直流电源(Vdc)正负两端，第一开关管(T1)的源极与第二开关管(T2)的漏极相连后组成变换器的第一桥臂以及第三开关管(T3)的源极与第四开关管(T4)的漏极相连后组成变换器的第二桥臂均并联再直流电源(Vdc)正负两端，电机的三相绕组A、B、C采用星形连接，其中电机的A相绕组另一端通过电流传感器(S1)连于第一开关管(T1)与第二开关管(T2)的串连点，电机的B相绕组另一端通过第二电流传感器(S2)连于第三开关管(T3)与第四开关管(T4)的串连点，电机的C相绕组另一端直接连于两个分裂式电容(C1、C2)的串连点，第一开关管(T1)、第二开关管(T2)、第三开关管(T3)、第四开关管(T4)各自反向并联一个二极管，分别是二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4。

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