CN212588282U - 一种电机驱动系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电机驱动系统，用于驱动两相或三相及以上电励磁双凸极电机。本申请的发明构思为在现有技术的基础上增加包括一个桥臂和一个电感的DC‑DC调压电路，该DC‑DC调压电路介于外接的主电源与桥式电路之间，通过调节DC‑DC调压电路桥臂中两个功率管的导通时间能改变桥式电路输入侧直流母线电压，使得电机的速度调节能力更加灵活，进一步地，将该DC‑DC调压电路的电感集成于电机的励磁绕组，从而能进一步提高电机驱动系统的功率密度。

Description

一种电机驱动系统

技术领域

本实用新型涉及交流电机驱动控制领域，尤其涉及可变磁通磁阻电机驱动系统。

背景技术

目前，永磁电机因在转矩密度、效率和功率因数等指标上具有显著的优势，被广泛应用于电动汽车、数控机床、风力发电、伺服驱动等场合。永磁电机成为了研究人员关注的热点，各种拓扑结构和性能优越的永磁电机被提出并深入研究，尤其是三相永磁电机在实际应用中得到了广泛的应用。但是永磁电机存在失磁和短路故障无法灭磁的问题。此外，永磁材料价格偏贵，永磁电机在对成本敏感的场合应用受到限制。传统开关磁阻电机虽然结构简单、成本低廉，但是其特有的运行方式决定了电机的噪声、振动较大，而且转矩脉动也很大。这些缺陷影响了开关磁阻电机的应用。

为了消除永磁体的退磁风险以及价格高的劣势，有学者提出一种可变磁通磁阻电机，优势在于省去昂贵的稀土永磁材料或其他永磁材料，因此具有较低成本。目前对于该可变磁通磁阻电机电机驱动系统需要满足以下两个条件：

①需要宽调速范围。传统电机驱动系统直流母线电压一般恒定，电机的速度调节范围受到逆变器的直流电压利用率约束，常规半桥逆变器拓扑最高只能提供1.15倍直流电压利用率。而全桥逆变器拓扑可提供2倍的直流母线电压利用率，但该拓扑桥臂较多，成本高。电机在调速运行时，希望调速范围不会受到逆变器利用率的影响，因此需要驱动系统能提供可以调节的直流母线电压。

②需要控制器结构简单。与传统电机不同，譬如可变磁通磁阻电机、电励磁双凸极电机中包含了电枢绕组和励磁绕组，电枢绕组主要提供旋转磁场，励磁绕组主要形成励磁磁场，要求该驱动控制器需要满足电枢绕组中交流电流控制以及励磁绕组中直流量的控制，因此需要电机控制系统的成本、体积受到一定限制。

因此，目前大多数可变磁通磁阻电机控制器分为电枢绕组控制器和励磁绕组控制器，控制单元共用直流母线电压，电枢绕组控制器一般采用传统半桥式或全桥式逆变器，励磁绕组控制器采用了桥式结构，控制器结构较复杂，大大提高了电机驱动系统的成本、体积，且电机的调速范围有限。

图1所示为传统的两相电励磁双凸极电机的结构示意图，包括定子1、转子2、励磁绕组 3、电枢绕组4以及转轴、机壳、端盖、位置编码器等电机的其他通用结构件。

该电机的特点为：定子绕组包含电枢绕组4和励磁绕组3，其中电枢绕组4中通入互为正交(互差90°)的正弦交流电流，励磁绕组3中通入直流电流，正弦交流电流用于产生旋转磁势，直流电流用于产生励磁磁场。

传统的驱动电路如图2所示，用于驱动电励磁双凸极电机104，包括桥式电路101、励磁绕组控制器105；桥式电路101由功率管M1、功率管M2、功率管M3和功率管M4组成，电励磁双凸极电机104的两个电枢绕组串联后的两端分别和桥式电路的两个桥臂的中点对应相连；励磁绕组控制器105为功率管V1、功率管V2、功率管V3和功率管V4组成的桥式电路, 电励磁双凸极电机104的励磁绕组的两端与励磁绕组控制器105桥式电路的两个桥臂的中点对应相连；两相电励磁双凸极电机所需要的直流电流分量需要单独的直流电源提供，故桥式电路101的输入端和输出端需要连接外部的主电源100。另外，为了得到更平滑的直流母线电压，在主电源100的正输出端和负输出端之间还连接有电容C；为了减小开关谐波对电机性能的影响，在桥式电路101的输入端和输出端之间还连接有滤波电路103，滤波电路103由电容Cx和电容Cy串联组成。

图2所示电路存在的不足为：需要增加额外励磁电源，用于提供励磁电流，且不能提供可调节的直流母线电压。

申请号为201910289038.8的发明专利《一种电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统》，公开了一种电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统及其方法，利用双凸极电机分裂式励磁绕组与DC/DC变换器电感相集成，将电励磁双凸极电机的励磁控制电路和系统升压电路结合到一起，减小系统体积和重量，使其结构更加紧凑，但本身系统升压电路结构复杂，增加了故障发生率和成本。另外，对于电动汽车以及工业应用的其他领域，电机驱动系统的体积、成本和可靠性提出更高要求，因此有必要提供一种低成本小体积的电机驱动系统。

术语含义说明：

桥臂：由两个或多个功率管串联，其串联节点连接控制对象的结构；

桥臂的中点：桥臂中的串联节点，也可称为桥式电路的输出端；

桥式电路的正输入端：桥臂用于输入正电源电压的一端；

桥式电路的负输入端：桥臂用于输入负电源电压的一端。

实用新型内容

有鉴如此，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种电机驱动系统，无需增加额外的驱动电路，且直流母线电压可调；进一步地，还能实现电机驱动系统的结构更加紧凑。

本申请的发明构思为在现有技术的基础上增加包括一个桥臂和一个电感的DC-DC调压电路，该DC-DC调压电路介于外接的主电源与桥式电路之间，通过调节DC-DC调压电路桥臂中两个功率管的导通时间能改变桥式电路输入侧直流母线电压，使得电机的速度调节能力更加灵活，进一步地，将该DC-DC调压电路的电感集成于电机的励磁绕组，从而能进一步提高电机驱动系统的功率密度。

基于上述发明构思，本实用新型的技术方案如下：

一种电机驱动系统，用于驱动两相或三相及以上电励磁双凸极电机，其特征在于：包括 DC-DC调压电路和桥式电路；

DC-DC调压电路包括功率管S1、功率管S2和电感L，其连接关系为如下两种情况之一：

(1)功率管S1的一端为DC-DC调压电路的正输入端，功率管S1的另一端同时连接电感 L的一端和功率管S2的一端，电感L的另一端为DC-DC调压电路的正输出端，功率管S2的另一端同时为DC-DC调压电路的负输入端和负输出端；

(2)电感L的一端为DC-DC调压电路的正输入端，功率管S1的一端为DC-DC调压电路的正输出端，电感L的另一端同时连接功率管S1的另一端和功率管S2的一端，功率管S2的另一端同时为DC-DC调压电路的负输入端和负输出端；

DC-DC调压电路的正输入端引出用于连接主电源的正输出端，DC-DC调压电路的正输出端连接桥式电路的正输入端，DC-DC调压电路的负输入端、DC-DC调压电路的负输出端和桥式电路的负输入端连接在一起后引出用于连接主电源的负输出端，桥式电路各桥臂的中点分别引出用于与电机各电枢绕组一端连接。

作为上述技术方案的改进，其特征在于：电感L复用电机的励磁绕组。

作为上述技术方案的改进，其特征在于：DC-DC调压电路还包括电容C，电容C的一端连接DC-DC调压电路的正输出端，电容C的另一端连接DC-DC调压电路的负输出端。

优选地，桥式电路为N相半桥或全桥逆变器，其中N≥2。

优选地，功率管S1为MOSFET或者IGBT。

优选地，功率管S2为功率二极管、MOSFET或者IGBT。

优选地，功率管S1和功率管S2互补导通。

优选地，所述DC-DC调压电路工作在CCM模式。

本实用新型的工作原理在实施例进行分析说明，在此不赘述，本实用新型有益效果如下：

(1)本实用新型提供的电机驱动系统由DC-DC调压电路和桥式电路组成，相对于传统电机驱动电路来说，电机驱动逆变器电路的直流母线电压可以通过DC-DC调压电路进行调节，拓宽了电机的调速范围，提高了电机的调速灵活性；

(2)本实用新型提供的电机驱动系统中DC-DC调压电路的电感不仅作为调压电路的储能电感，还作为电机的励磁绕组，使得驱动系统的结构更加紧凑，大大减少驱动系统的体积，提高了驱动系统的功率密度；

(3)本实用新型提供的电机驱动系统，电机励磁绕组通过DC-DC调压电路控制，该电路为半桥拓扑，通过两个功率管对直流母线电压以及励磁电流进行控制，使得控制器成本大大减小，结构简单，提高了电机驱动系统的功率密度。

附图说明

图1为传统的两相电励磁双凸极电机的结构示意图；

图2为传统的两相电励磁双凸极电机驱动电路的结构示意图；

图3为本实用新型第一实施例的电机驱动系统的应用原理图；

图4为本实用新型第一实施例DC-DC调压电路关键波形图；

图5为本实用新型第二实施例桥式电路关键波形图；

图6为本实用新型第二实施例的电机驱动系统系统的应用原理图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

第一实施例

图3为本实用新型第一实施例的电机驱动系统的应用原理图，本实施例的电机驱动系统包括：桥式电路101、DC-DC调压电路102；图3中还绘制了本实施例在应用时相关的外接组件，包括主电源100、电机104和滤波电路103。

本实施例驱动的是两相电励磁双凸极电机，包括的电枢绕组1有两个，即图3中的电枢绕组La和电枢绕组Lb。

本实施例的DC-DC调压电路包括功率管S1、功率管S2、电感L和电容C，其连接关系为：功率管S1的一端为DC-DC调压电路的正输入端，功率管S1的另一端同时连接电感L 的一端和功率管S2的一端，电感L的另一端为DC-DC调压电路的正输出端，功率管S2的另一端同时为DC-DC调压电路的负输入端和负输出端，电容C连接在DC-DC调压电路的正输出端和负输出端之间。

DC-DC调压电路的正输入端连接主电源的正输出端，DC-DC调压电路的正输出端连接桥式电路的正输入端，DC-DC调压电路的负输入端、DC-DC调压电路的负输出端和桥式电路的负输入端连接在一起后连接主电源的负输出端，桥式电路各桥臂的中点分别引出用于与电机电枢绕组La和电枢绕组Lb一端连接。

桥式电路101用于驱动电机104，电机电枢绕组La和电枢绕组Lb中的交流电流由桥式电路101提供，用于产生电机旋转所需旋转磁场，电机励磁绕组中的直流电流由DC-DC调压电路102提供，用于产生电机所需励磁磁场。

桥式电路101包括：功率管M1、功率管M2、功率管M3、功率管M4；

滤波电路103包括：电容Cx、电容Cy；

功率管M1与功率管M2串联后连接在DC-DC调压电路102的的正输出端和负输出端之间，功率管M3与功率管M4串联后连接在DC-DC调压电路的正输出端和负输出端之间，电容Cx与电容Cy串联后连接在DC-DC调压电路102的的正输出端和负输出端之间，电枢绕组La的一端连接功率管M1与所述功率管M2的连接点，电枢绕组La的另一端连接在电容Cx与电容Cy的连接点，电枢绕组Lb的一端连接在功率管M3与功率管M4的连接点，电枢绕组Lb的另一端连接在电容Cx与电容Cy的连接点。

由于电机104绕组本身具有储能作用，故电机104中励磁绕组3可与DC-DC调压电路102 中电感L复用，即电机104中励磁绕组3兼作DC-DC调压电路102中电感L，图3中无需单独设计DC-DC调压电路102的电感L，从而使得电机驱动系统的功率密度得到提高。

以下结合图3中电机驱动电路来讲述本实施例的工作原理：

主电源100电压Vin经过DC-DC调压电路102变换后形成桥式电路101的直流母线电压 Vo，通过桥式电路101的调制形成电机104的驱动电流信号，其中DC-DC调压电路102为同步降压电路，为了提高电路的整体效率和控制简单，本实施例第一功率管S1与第二功率管S2采用互补驱动方式，图4为DC-DC调压电路102关键波形；桥式电路101中功率管M1与功率管M2驱动互补，功率管M3与功率管M4驱动互补，且两桥臂调制波为相互正交(互差 90°)的正弦波，图5为第一实施例桥式电路调制波波形和绕组电流波形。

具体地，由主电源100与DC-DC调压电路102构成的电压变换电路，第一功率管S1导通时间为Ton，第二功率管导通时间为Toff，PWM周期为Ts，即满足Ton+Toff＝Ts，设D＝Ton/Ts 为PWM波的占空比。在Ton时间，第一功率管S1导通，第二功率管S2截止，此时电感电流增量为：

同理可得，Toff时间，第一功率管S1截止，第二功率管S2导通，此时电感电流减小量：

当电路处于稳态时，电感电流必然周期性重复，根据伏秒平衡可得：

即主电源100与DC-DC调压电路102以及第一功率管S1占空比D之间的关系为： Vo＝D*Vin,D∈(0,1)；

具体地，电机104中励磁绕组3直流电流需要为连续状态，故所述DC-DC调压器102需要工作在CCM模式。

由上述关系式可知，当电机稳定工作时，DC-DC调压电路102中的电感L不仅能够提供电机工作所需直流母线电压，而且能提供电机工作所需励磁磁场。

本实施例的桥式电路为两相半桥逆变器，可驱动两相电励磁双凸极电机。桥式电路也可以为两相全桥逆变器，可以进一步提高逆变器的直流电压利用率，但增加了功率管，使得电机系统体积、成本都增加。

同样本实施例也可适用于三相及以上电励磁双凸极电机，此时将桥式电路更改为三相及以上电机驱动逆变器即可。

本实施例的DC-DC调压电路中包括电容C，该电容也可以外接，或者由应用场合设置的其它电容复用。

本实施例的功率管S1可以选择MOSFET或者IGBT，当功率管S1为MOSFET管时,功率管 S1的一端为MOSFET管的源极，功率管S2的一端为MOSFET管的漏极；当功率管S1为IGBT时,功率管S1的一端为IGBT的源极，功率管S2的一端为IGBT的漏极。功率管S2可以选择功率二极管、MOSFET或者IGBT，当功率管S2为二极管时,功率管S1的一端为二极管的阴极，功率管S2的另一端为二极管的阳极；当功率管S2为MOSFET管时,功率管S1的一端为MOSFET 管的源极，功率管S2的一端为MOSFET管的漏极；当功率管S2为IGBT时,功率管S1的一端为IGBT的源极，功率管S2的一端为IGBT的漏极。

第二实施例

图6为本实用新型第二实施例的电机驱动系统的应用原理图，与第一实施例的不同之处在于DC-DC调压电路的连接方法不同，本实施例DC-DC调压电路的连接方法如下：

电感L的一端为DC-DC调压电路的正输入端，功率管S1的一端为DC-DC调压电路的正输出端，电感L的另一端同时连接功率管S1的另一端和功率管S2的一端，功率管S2的另一端同时为DC-DC调压电路的负输入端和负输出端，电容C连接在DC-DC调压电路的正输出端和负输出端之间。

本实施例的工作原理较第一实施例不同之处在于：

DC-DC调压电路102为同步升压电路，主电源100与DC-DC调压电路102以及第一功率管S1占空比D之间的关系为：

取值理由与第一实施例分析思路一致，此处不再赘述。

本实施例同样要求DC-DC调压器102需要工作在CCM模式。

由上述关系式可知，当电机稳定工作时，本实施例的DC-DC调压电路102中的电感L同样不仅能够提供电机工作所需直流母线电压，而且能提供电机工作所需励磁磁场。但电机高速运行时，电机反电动势会增加，此时需要提高桥式电路101的输出电压，本实用新型实施例能够在桥式电路101调制比为1的情况下，提高直流母线电压来提供电机高速运行时所需的绕组电压。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的实用新型构思，并不用以限制本实用新型，对于本技术领域的普通技术人员来说，凡在不脱离本实用新型原理的前提下，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电机驱动系统，用于驱动两相或三相及以上电励磁双凸极电机，其特征在于：包括DC-DC调压电路和桥式电路；

DC-DC调压电路包括功率管S1、功率管S2和电感L，其连接关系为如下两种情况之一：

(1)功率管S1的一端为DC-DC调压电路的正输入端，功率管S1的另一端同时连接电感L的一端和功率管S2的一端，电感L的另一端为DC-DC调压电路的正输出端，功率管S2的另一端同时为DC-DC调压电路的负输入端和负输出端；

(2)电感L的一端为DC-DC调压电路的正输入端，功率管S1的一端为DC-DC调压电路的正输出端，电感L的另一端同时连接功率管S1的另一端和功率管S2的一端，功率管S2的另一端同时为DC-DC调压电路的负输入端和负输出端；

DC-DC调压电路的正输入端引出用于连接主电源的正输出端，DC-DC调压电路的正输出端连接桥式电路的正输入端，DC-DC调压电路的负输入端、DC-DC调压电路的负输出端和桥式电路的负输入端连接在一起后引出用于连接主电源的负输出端，桥式电路各桥臂的中点分别引出用于与电机各电枢绕组一端连接。

2.根据权利要求1所述的电机驱动系统，其特征在于：电感L复用电机的励磁绕组。

3.根据权利要求1所述的电机驱动系统，其特征在于：DC-DC调压电路还包括电容C，电容C的一端连接DC-DC调压电路的正输出端，电容C的另一端连接DC-DC调压电路的负输出端。

4.根据权利要求1所述的电机驱动系统，其特征在于：桥式电路为N相半桥或全桥逆变器，其中N≥2。

5.根据权利要求1至4任一项所述的电机驱动系统，其特征在于：功率管S1为MOSFET或者IGBT。

6.根据权利要求1至4任一项所述的电机驱动系统，其特征在于：功率管S2为功率二极管、MOSFET或者IGBT。

7.根据权利要求1至4任一项所述的电机驱动系统，其特征在于：功率管S1和功率管S2互补导通。

8.根据权利要求1至4任一项所述的电机驱动系统，其特征在于：所述DC-DC调压电路工作在CCM模式。

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