CN221103211U - 四桥臂拓扑拖双电机电路 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种四桥臂拓扑拖双电机电路，电路包括：包括直流母线电容和电机之间依次设置的第一电路单元和第三电路单元，第一电路单元包括串联的IGBT1和IGBT2，第三电路单元包括串联的IGBT3和IGBT4，直流母线电容包括两个串联的电解电容，电路还包括：第一选择开关，第一选择开关用于使第一电机的绕组a或第二电机的绕组f连接至IGBT1和IGBT2之间；第二选择开关，第二选择开关用于使第一电机的绕组c或第二电机的绕组d连接至IGBT3和IGBT4之间；第一开关，用于控制第一电机的绕组c和预设位置之间的线路通断，其中，预设位置位于两个串联的电解电容之间；第二开关，用于控制第二电机的绕组f和预设位置之间的线路通断。本申请增加电路的工况适用场景。

Description

四桥臂拓扑拖双电机电路

技术领域

本申请涉及电路技术领域，尤其涉及一种四桥臂拓扑拖双电机电路。

背景技术

近年来随着现代工业技术的发展，多电机驱动控制技术已经被应用到多个行业，在诸如数控机床、电动汽车、工业机器人及一些工业生产场合常需要驱动两台或者多台电机运行。多电机协同控制是一门跨学科的研究课题，它涉及到电力电子技术、机械工程技术、控制理论及计算机技术等众多研究领域。多台电机协同控制主流控制方式是通过电控传动方式，通过控制算法对各台电机的转角、转速、转矩等参数进行耦合约束，以此来实现多台电机之间的协同运行。

在双永磁同步电机两电平控制中，提出了一种四桥臂的拓扑，图1所示的是现有技术中的四桥臂拓扑，整流桥采用单相不控整流，由4个二极管组成，直流母线电容采用两个电解电容串联的形式，逆变桥使用四个桥臂，由8个IGBT构成，用来驱动两台电机M1和M2，这两台电机可以是同步电机或者异步电机，两台电机的a、b两相各自连接一个桥臂，两台电机的c相都连接在直流母线电容中点，可以看成是两个传统四开关逆变器共用直流母线电容。因为两台逆变器都是三相四开关逆变器，所以两个逆变器的控制方式一样，都是采用三相四开关逆变器的SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制)控制，实现四桥臂拖双电机拓扑结构。四桥臂拓扑中两台电机的驱动较为独立，控制效果较好，且相对五桥臂拓扑节省了一个桥臂两个开关管，成本有所降低。

但目前四桥臂拖双电机拓扑结构简单，无法适用于不同工况。

实用新型内容

本申请提供了一种四桥臂拓扑拖双电机电路，以解决当前拓扑结构无法适用于不同工况的问题。

本申请提供了一种四桥臂拓扑拖双电机电路，包括直流母线电容和电机之间依次设置的第一电路单元和第三电路单元，所述第一电路单元包括串联的IGBT1和IGBT2，所述第三电路单元包括串联的IGBT3和IGBT4，所述直流母线电容包括两个串联的电解电容，所述电路还包括：

第一选择开关，所述第一选择开关用于使第一电机的绕组a或第二电机的绕组f连接至所述IGBT1和所述IGBT2之间；

第二选择开关，所述第二选择开关用于使所述第一电机的绕组c或所述第二电机的绕组d连接至所述IGBT3和所述IGBT4之间；

第一开关，用于控制所述第一电机的绕组c和预设位置之间的线路通断，其中，所述预设位置位于所述两个串联的电解电容之间；

第二开关，用于控制所述第二电机的绕组f和所述预设位置之间的线路通断。

可选地，所述第一选择开关为第一双路选择断路器；

所述第一双路选择断路器，设于所述IGBT1和所述IGBT2之间，所述第一双路选择断路器的第一动触点用于连接所述第一电机的绕组a，所述第一双路选择断路器的第二动触点用于连接所述第二电机的绕组f。

可选地，所述第二选择开关为第二双路选择断路器；

所述第二双路选择断路器，设于所述IGBT3和所述IGBT4之间，所述第二双路选择断路器的第三动触点用于连接所述第一电机的绕组c，所述第二双路选择断路器的第四动触点用于连接所述第二电机的绕组d。

可选地，所述第一开关为第一断路器；

所述第一断路器的一端连接所述第一电机的绕组c，所述第一断路器的另一端位于所述直流母线电容的两个电解电容之间。

可选地，所述第二开关为第二断路器；

所述第二断路器的一端连接所述第二电机的绕组f，所述第二断路器的另一端位于所述直流母线电容的两个电解电容之间。

本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：本申请在原电路的基础上增加了开关和选择开关，通过控制第一开关、开关、第一选择开关，以及第二选择开关，在原有四桥臂拖双电机拓扑结构的基础上增加了单电机全桥臂拓扑结构，不同拓扑结构适用于不同工况，增加了该电路的工况适用场景。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本实用新型的实施例，并与说明书一起用于解释本实用新型的原理。

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1为现有技术中的四桥臂拓扑示意图；

图2为现有技术中的三相四开关逆变器拓扑控制方式示意图；

图3为现有技术中的三相四开关逆变器在α、β坐标系下的电压矢量分布示意图；

图4为本申请实施例提供的四桥臂拓扑拖双电机电路示意图；

图5为本申请实施例提供的一种电机驱动方法流程图；

图6为本申请实施例提供的四桥臂拖双电机拓扑示意图；

图7为本申请实施例提供的第一电机全桥臂拓扑示意图；

图8为本申请实施例提供的第二电机全桥臂拓扑示意图；

图9为本申请实施例提供的拓扑结构切换流程示意图；

图1、图4～图7中，D1、D2、D3、D4为不控整流二极管；C1、C2为电解电容；S1-S8为IGBT开关模块；QF1为第一断路器，QF2为第二断路器；QF_D1为为第一双路选择断路器，QF_D2为第二双路选择断路器。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本实用新型的不同结构。为了简化本实用新型的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本实用新型。此外，本实用新型可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。

现有技术中，四桥臂拖双电机拓扑的控制方式可以拆分为两个三相四开关逆变器拓扑控制方式，如图2所示，直流母线电压可由单相不可控整流或三相不可控整流产生。逆变部分将三相交流电机的其中一相绕组直接接到直流母线上的两个电解电容的中点，通过两个电解电容的中点为该相绕组提供电压和电流，同时利用其余两个桥臂对电机另外两相绕组进行控制，以实现四开关运行方式。

由于拓扑结构的限制，只能输出4个基本电压矢量且不存在零电压矢量，在SVPWM中需使用基本电压矢量模拟零电压矢量的效果。三相四开关逆变器在α、β坐标系下的电压矢量分布如图3所示，相邻电压矢量幅值不相等，其关系为同时不存在零矢量，需要使用两个方向相反的电压矢量等效合成零矢量。根据零矢量合成方式的不同得到两种调制方式：U₁和U₃等效零矢量组合为SVPWM1，U₂和U₄等效零矢量组合为SVPWM2。

四开关SVPWM控制技术是从电动机的角度出发，着眼于使电机获得幅值恒定的圆形磁场，即正弦磁通。它以三相对称正弦波电压供电时的理想圆形磁通轨迹为基准，用三相逆变器不同的开关模式产生的实际磁通去逼近基准磁通园，使得磁链的轨迹靠电压空问矢量相加得到，从而达到较高的控制性能。

本申请提出了一种四桥臂拓扑拖双电机电路，如图1所示，包括直流母线电容和电机之间依次设置的第一电路单元、第二电路单元、第三电路单元以及第四电路单元，第一电机的绕组b连接第二电路单元，第二电机的绕组e连接第四电路单元，在图1的基础上，该电路还包括两个选择开关和两个开关，如图4所示，该电路包括：

第一选择开关、第二选择开关、第一开关和第二开关，第一选择开关用于使第一电机的绕组a或第二电机的绕组f连接至IGBT1和IGBT2之间；第二选择开关用于使第一电机的绕组c或第二电机的绕组d连接至IGBT5和IGBT6之间；第一开关用于控制第一电机的绕组c和预设位置之间的线路通断，其中，预设位置位于两个串联的电解电容之间；第二开关用于控制第二电机的绕组f和预设位置之间的线路通断。

具体来说，第一选择开关为第一双路选择断路器QF_D1，QF_D1设于第一电路单元中的S1-S2之间，第一双路选择断路器的第一动触点1用于连接第一电机M1的绕组a，第一双路选择断路器的第二动触点2用于连接第二电机M2的绕组f。也就是说，第一双路选择断路器QF_D1的静触点可以选择连接第一动触点1或连接第二动触点2，若连接第一动触点1，那么第一电机的绕组a连接至第一电路单元；若连接第二动触点2，那么第二电机的绕组f连接至第一电路单元。

第二选择开关为第二双路选择断路器QF_D2，QF_D2设于第三电路单元的S5-S6之间，第二双路选择断路器的第三动触点3用于连接第一电机的绕组c，第二双路选择断路器的第四动触点4用于连接第二电机的绕组d。也就是说，第二双路选择断路器QF_D2的静触点可以选择连接第三动触点3或连接第四动触点4，若连接第三动触点3，那么第一电机的绕组c连接至第三电路单元；若连接第四动触点4，那么第二电机的绕组d连接至第三电路单元。

第一开关为第一断路器QF1，QF1的一端连接第一电机的绕组c，第一断路器QF1的另一端位于直流母线电容的两个电解电容之间，第一断路器QF1用于控制第一电机和直流母线电容之间连接的通断。

第二开关为第二断路器QF2，QF2的一端连接第二电机的绕组f，第二断路器QF2的另一端位于直流母线电容的两个电解电容之间，第二断路器QF2用于控制第二电机和直流母线电容之间连接的通断。

本申请在原电路的基础上增加了开关和选择开关，通过控制QF1、QF2、QF_D1以及QF_D2，在原有四桥臂拖双电机拓扑结构的基础上增加了单电机全桥臂拓扑结构，不同拓扑结构适用于不同工况，增加了该电路的工况适用场景。

由于开关和选择开关的成本较小，本申请在硬件成本几乎一致情况下能够实现不同拓扑结构的控制，后续可通过不同工况灵活切换控制驱动算法，满足不同机组下需求。

基于上述增加了断路器和双路选择断路器的四桥臂拓扑拖双电机电路，本申请还提供了一种电机驱动方法，应用于控制器，用于实现四桥臂拖双电机拓扑结构或单电机全桥臂拓扑结构，不同拓扑结构适用于不同工况，如图5所示，方法包括：

步骤501：通过控制第一开关、第二开关的闭合与断开，以及第一选择开关和第二选择开关的动触点的切换，实现四桥臂拖双电机拓扑结构或单电机全桥臂拓扑结构。

控制器控制第一开关、第二开关的闭合与断开，以及第一选择开关和第二选择开关的动触点的切换，实现四桥臂拖双电机拓扑结构或单电机全桥臂拓扑结构。电机包括第一电机或第二电机，那么单电机全桥臂拓扑结构包括第一电机全桥臂拓扑结构或第二电机全桥臂拓扑结构。

控制器通过控制QF1、QF2、QF_D1以及QF_D2，可实现三种拓扑结构之间的灵活切换，三种拓扑结构包括：四桥臂拖双电机拓扑结构、电机M1全桥臂拓扑结构和电机M2全桥臂拓扑结构。

步骤502：根据拓扑结构匹配对应算法进行电机驱动。

不同的拓扑结构匹配不同的算法，该算法用于进行电机驱动，其中，四桥臂拖双电机拓扑结构采用三相四开关的空间矢量脉宽调制算法，单电机全桥臂拓扑结构采用三相空间矢量脉宽调制的全桥控制算法。

本申请中，通过控制第一开关、第二开关的闭合与断开，以及第一选择开关和第二选择开关的动触点的切换，实现四桥臂拖双电机拓扑结构或单电机全桥臂拓扑结构，并针对不同拓扑结构采用匹配算法进行电机驱动，本申请增加了拓扑结构，不同拓扑结构适用于不同工况，增加了该电路的工况适用场景。

具体来说，第一开关为第一断路器、第二开关为第二断路器、第一选择开关为第一双路选择断路器、第二选择开关为第二双路选择断路器。

三种拓扑结构的具体实施例为：

在第一种实施例中，控制器控制第一断路器和第二断路器闭合，以及第一双路选择断路器的第一动触点吸合、第二双路选择断路器的第四动触点吸合，实现四桥臂拖双电机拓扑。四桥臂拖双电机拓扑示意图如图6所示。可以看出，图6和图1中的电路结构是相同的，那么四桥臂拖双电机拓扑采用三相四开关的空间矢量脉宽调制，驱动第一电机和第二电机工作。

图6中，针对四桥臂拖双电机拓扑结构，此时断路器QF1、QF2闭合，双路选择断路器QF_D1触点1吸合、QF_D2触点4吸合，系统通过四桥臂调制方式启动，此时C1、C2分别为M1电机、M2电机的驱动母线电容，驱动算法切换成三相四开关SVPWM调制驱动，驱动电机工作。

第二种实施例和第三种实施例，都是采用单电机全桥臂拓扑，具体是控制器控制第一断路器和第二断路器断开，并控制第一双路选择断路器和第二双路选择断路器的动触点的切换，实现单电机全桥臂拓扑。对应的采用三相空间矢量脉宽调制的全桥控制算法驱动第一电机或第二电机工作。

本申请可以实现拓扑结构的切换，一方面，不同拓扑结构适用于不同工况，还可以根据不同工况灵活切换驱动方式。例如，此时负载小，可以只采用一个电机驱动，即切换至单电机全桥臂拓扑结构。另一方面，如果其中一个电机出现故障，本申请可以从四桥臂拖双电机拓扑结构切换至单电机全桥臂拓扑结构，快速将故障电路切除出去，保证系统继续稳定运行，增强了系统的鲁棒性。

在第二种实施例中，控制器控制第一断路器和第二断路器断开，并控制第一双路选择断路器的第一动触点吸合、第二双路选择断路器的第三动触点吸合，实现第一电机全桥臂拓扑。第一电机全桥臂拓扑示意图如图7所示。

如图7所示，第一电机分别连接第一电路单元、第二电路单元以及第三电路单元，那么系统将第一电路单元、第二电路单元以及第三电路单元作为第一电机的第一全桥控制器，然后采用三相空间矢量脉宽调制的全桥控制算法，通过第一全桥控制器驱动第一电机进行全功率输出。

示例性地，当电机M2出现故障时，此时系统控制断路器QF1、QF2断开，双路选择断路器QF_D1触点1吸合、QF_D2触点3吸合，此时IGBTS1、IGBTS2、IGBTS3、IGBTS4、IGBTS5、IGBTS6作为电机M1全桥控制器进行电机驱动，使得电机M1全功率输出，驱动算法由软件切换成三相SVPWM全桥控制算法进行电机驱动。

在第三种实施例中，控制器控制第一断路器和第二断路器断开，并控制第一双路选择断路器的第二动触点吸合、第二双路选择断路器的第四动触点吸合，实现第二电机全桥臂拓扑。第二电机全桥臂拓扑示意图如图8所示。

如图8所示，第二电机分别连接第一电路单元、第三电路单元以及第四电路单元，那么系统将第一电路单元、第三电路单元以及第四电路单元作为第二电机的第二全桥控制器，采用三相空间矢量脉宽调制的全桥控制算法，通过第二全桥控制器驱动第二电机进行全功率输出。

示例性地，当电机M1出现故障时，此时系统控制断路器QF1、QF2断开，双路选择断路器QF_D1触点2吸合、QF_D2触点2吸合，此时拓扑等效为图7拓扑3，此时IGBTS1、IGBTS2、IGBTS5、IGBTS6、IGBTS7、IGBTS8作为电机M2全桥控制器进行电机驱动，使得电机M2全功率输出，驱动算法由软件切换成三相SVPWM全桥控制算法进行电机驱动。

由上述图7和图8可以看出，在单电机全桥臂拓扑结构中，电机M1和电机M2没有共用IGBT开关模块，电机M1和电机M2采用三相电压型全桥逆变器的控制方式进行控制，真正实现了完全的独立控制。

图9为拓扑结构切换流程示意图。可以看出，系统启动后，先是断路器QF1、QF2闭合，双路选择断路器QF_D1触点1吸合、QF_D2触点4吸合，系统以四桥臂拖双电机拓扑启动。如果电机M2出现故障或电机M2需要停机，那么断路器QF1、QF2断开，双路选择断路器QF_D1触点1吸合、QF_D2触点3吸合，M1电机全功率运行，M2电机停机。如果电机M1出现故障或电机M1需要停机，那么断路器QF1、QF2断开，双路选择断路器QF_D1触点2吸合、QF_D2触点4吸合，M2电机全功率运行，M1电机停机。

四桥臂拓扑相当于是两个四开关逆变器的组合，两个四开关逆变器都是使用SVPWM控制策略，所以每台电机的直流电压利用率只能达到50％，电机带载能力降低。若采用不控整流，则直流母线电压确定，而四开关拓扑的最大线电压仅为六开关拓扑的一半，故电机的带载能力会有明显降低。此时若有其中一台电机损坏，则系统无法满足电机拖动需求，导致系统停机。

本申请通过全新的拓扑结构，当存在系统中某一电机损坏或不需要使用该电机时，能够快速从四桥臂拖双电机拓扑结构切换至单电机全桥臂拓扑结构，同时结合控制程序快速切换不同模式下的控制参数和算法，此时单个电机能够全速域运行，满足负载需求，在负载较低时能够有效保证系统继续正常运行，不会导致机组停机。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

以上所述仅是本实用新型的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种四桥臂拓扑拖双电机电路，其特征在于，包括直流母线电容和电机之间依次设置的第一电路单元和第三电路单元，所述第一电路单元包括串联的IGBT1和IGBT2，所述第三电路单元包括串联的IGBT5和IGBT6，所述直流母线电容包括两个串联的电解电容，所述电路还包括：

第一选择开关，所述第一选择开关用于使第一电机的绕组a或第二电机的绕组f连接至所述IGBT1和所述IGBT2之间；

第二选择开关，所述第二选择开关用于使所述第一电机的绕组c或所述第二电机的绕组d连接至所述IGBT5和所述IGBT6之间；

第一开关，用于控制所述第一电机的绕组c和预设位置之间的线路通断，其中，所述预设位置位于所述两个串联的电解电容之间；

第二开关，用于控制所述第二电机的绕组f和所述预设位置之间的线路通断。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第一选择开关为第一双路选择断路器；

所述第一双路选择断路器，设于所述IGBT1和所述IGBT2之间，所述第一双路选择断路器的第一动触点用于连接所述第一电机的绕组a，所述第一双路选择断路器的第二动触点用于连接所述第二电机的绕组f。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第二选择开关为第二双路选择断路器；

所述第二双路选择断路器，设于所述IGBT3和所述IGBT4之间，所述第二双路选择断路器的第三动触点用于连接所述第一电机的绕组c，所述第二双路选择断路器的第四动触点用于连接所述第二电机的绕组d。

4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第一开关为第一断路器；

所述第一断路器的一端连接所述第一电机的绕组c，所述第一断路器的另一端位于所述直流母线电容的两个电解电容之间。

5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第二开关为第二断路器；

所述第二断路器的一端连接所述第二电机的绕组f，所述第二断路器的另一端位于所述直流母线电容的两个电解电容之间。