基于單個功率變換器驅動的雙開關磁阻電機運行控制系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于單個功率變換器驅動的雙開關磁阻電機運行控制系統，包括一個直流電源、兩臺開關磁阻電機、一個傳統結構的不對稱半橋功率變換器、一個位置檢測器、六個電流傳感器以及一個控制器。本發明系統只需要一個功率變換器即可實現兩臺開關磁阻電機的運行驅動，兩臺電機獨立控制，由于各相定子線圈接入不同橋臂，各相電流不會相互影響。同時，本發明在不增加系統成本和故障的情況下，能夠輸出更大的轉矩來承載更大的負荷，保證了電機運行系統的穩定性和可靠性。
【專利說明】
基于單個功率變換器驅動的雙開關磁阻電機運行控制系統
技術領域
[0001]本發明屬于電機技術領域，具體涉及一種基于單個功率變換器驅動的雙開關磁阻電機運行控制系統。
【背景技術】
[0002]開關磁阻電機(SRM)是一種新型的電機，其定子上無繞組，不需要永磁材料，由于其結構簡單、堅固，具有效率高、可靠性好、起動轉矩大、容錯性能好等一系列優點而成為一種極具競爭力的電機。近幾十年來，開關磁阻電機發展迅速，得到了越來越多的關注，并且已經在電動汽車、家用電器、航空、通用工業等領域中得到了不同程度的應用。
[0003]SRM的運行遵循“磁阻最小原理”，即磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合，使轉子鐵心在移動到磁阻最小位置，此時轉子的主軸線與磁場的軸線重合。開關磁阻電機可以根據實際的需求而被設計成不同的相數結構，并且定、轉子的極數有多種不同的搭配，圖1所示為三相12/8結構的開關磁阻電機，圖2則為及最常采用的不對稱半橋式功率變換器示意圖。開關磁阻電機在運行過程中，繞組電壓有三種運行狀態，以A相繞組導通區間為例:當上管S1和下管52均開通時，電源向繞組供電，繞組兩端承受正電壓Udc，此為勵磁狀態，如圖3(a)所示；當上管S1關斷下管&開通時，繞組兩端電壓為零，為零電壓續流狀態，如圖3(b)所示；當開關管51、S2均關斷，電流通過續流二極管01和02進行續流，繞組兩端承受負電壓_Ud。，為負電壓續流狀態，如圖3(c)所示。
[0004]隨著現代工業技術的不斷發展，對電機系統的性能和可靠性要求越來越高。在實際工作中，有時候為了能夠輸出更大的轉矩以承載更大的負荷，或者為了保證系統運行的可靠性，往往采用雙電機系統。此外，類似機器人的手臂關節等需要三自由度運動的復雜動作僅僅依靠單臺電機是很難實現的，因此也要采用雙電機系統。即使是在相同的輸出轉矩情況下，雙電機的總轉動慣量要比單電機系統小的多，有助于電機系統運行時的電能消耗減少。
[0005]傳統的雙開關磁阻電機運行系統往往需要兩套功率變換器以及各自的電源分別實現對兩臺電機的控制，極大的增加了系統的成本和故障點。如果采用一個功率變換器，而將兩臺開關磁阻電機的各相對應定子繞組簡單串聯或者并聯起來進行控制，又會引起兩臺電機定子線圈之間的互相干擾，影響電機在運行時的穩定性和可靠性。
【發明內容】
[0006]針對現有技術所存在的上述技術缺陷，在傳統的開關磁阻電機驅動拓撲的基礎上，本發明提出了一種基于單個功率變換器驅動的雙開關磁阻電機運行控制系統，只需要一個功率變換器就能實現對兩臺開關磁阻電機運行驅動控制。
[0007]基于單個功率變換器驅動的雙開關磁阻電機運行控制系統，其特征在于，包括一個直流電源、兩臺開關磁阻電機、一個功率變換器、一個位置檢測器、六個電流傳感器以及一個控制器;其中:
[0008]所述的直流電源為兩臺開關磁阻電機提供勵磁；
[0009]所述的兩臺開關磁阻電機均為三相12/8結構電機且處于同步運行狀態，定義第一臺電機的三相定子繞組分別，第二臺電機的三相定子繞組分別為A2、B#PC2;
[0010]所述的功率變換器控制兩臺開關磁阻電機各相定子繞組的通斷；
[0011 ]所述的位置檢測器用于檢測獲取開關磁阻電機的轉子位置信息；
[0012]所述的電流傳感器用于檢測兩臺電機的三相定子繞組電流；
[0013]所述的控制器根據轉子位置和繞組電流給功率變換器中的功率開關管提供控制信號，實現對兩臺開關磁阻電機的控制。
[0014]所述的功率變換器包括一直流母線電容、六個二極管和六個開關管;其中，直流母線電容的一端與開關管Si的一端、開關管S3的一端、開關管S5的一端、二極管Di的陰極、二極管D3的陰極以及二極管D5的陰極共連并連接外部直流電源的正極，開關管51的另一端與定子繞組A1的一端、定子繞組C2的一端以及二極管D2的陰極相連，開關管S3的另一端與定子繞組仏的一端、定子繞組A2的一端以及二極管D4的陰極相連，開關管S5的另一端與定子繞組C1的一端、定子繞組B2的一端以及二極管D6的陰極相連，二極管0!的陽極與定子繞組A1的另一端、定子繞組A2的另一端以及開關管S2的一端相連，二極管D3的陽極與定子繞組B1的另一端、定子繞組B2的另一端以及開關管S4的一端相連，二極管05的陽極與定子繞組C1的另一端、定子繞組C2的另一端以及開關管S6的一端相連，直流母線電容的另一端與開關管S2的另一端、開關管S4的另一端、開關管S6的另一端、二極管02的陽極、二極管D4的陽極以及二極管D6的陽極共連并接外部直流電源的負極，六個開關管S1-S6的控制極接收控制器提供的驅動信號。
[0015]所述的開關管Si?S6均采用CoolMOS管或IGBT。
[0016]所述的二極管D1?D6均采用快恢復二極管。
[0017]基于單個功率變換器驅動的雙開關磁阻電機運行控制系統，電機運行控制原理如下:
[0018]根據位置檢測器的電機轉子位置信息，在開關磁阻電機的某一相最小電感位置處即電機定轉子不對齊位置，開通兩電機相對應的開關管，以電機^和如相為例，此時開關管S^SdPS3導通，控制器根據電流斬波控制策略或者電壓PffM控制策略的需求控制三個開關管的通斷直至電機轉子運行到該相最大電感位置處即電機定轉子對齊位置，開關管S^S2關斷，而S3、S4和S5導通，此時電機Bi和B2相導通。同樣，當電機轉子運行到下一個最大電感位置處即電機定轉子對齊位置，開關管S3、S4關斷，而S5、S6和Si導通，電機Cl和C2相導通，電機周期運行。
[0019]本發明系統提出了一種基于單個功率變換器驅動的雙開關磁阻電機運行控制系統，需要一個功率變換器便可以實現對兩臺開關磁阻電機的運行驅動，并且在保證兩臺電機的獨立控制的同時，由于各相定子線圈接入不同橋臂，各相電流不會相互影響。本發明在不增加系統成本和故障的情況下，能夠輸出更大的轉矩來承載更大的負荷，保證了電機運行系統的穩定性和可靠性。
【附圖說明】
[0020]圖1為三相12/8結構開關磁阻電機示意圖。
[0021]圖2為不對稱半橋功率變換器拓撲示意圖。
[0022]圖3(a)為A相運行時勵磁狀態示意圖。
[0023]圖3(b)為A相運行時零電壓續流狀態示意圖。
[0024]圖3(c)為A相運行時負電壓續流狀態示意圖。
[0025]圖4為基于單功率變換器的雙開關磁阻電機控制系統示意圖。
[0026]圖5為的雙開關磁阻電機定子繞組連接示意圖。
[0027]圖6(a)為雙開關磁阻電機運行狀態1:&、知均導通。
[0028]圖6(b)為雙開關磁阻電機運行狀態I時^勵磁環路。
[0029 ]圖6 (c)為雙開關磁阻電機運行狀態I時如勵磁環路。
[0030]圖7(a)為雙開關磁阻電機運行狀態2:&導通、A2零電壓續流。
[0031]圖7(b)為雙開關磁阻電機運行狀態2時&勵磁環路。
[0032]圖7(c)為雙開關磁阻電機運行狀態2時如零電壓續流環路。
[0033]圖8(a)為雙開關磁阻電機運行狀態3:A2導通、A1零電壓續流。
[0034]圖8(b)為雙開關磁阻電機運行狀態3時如勵磁環路。
[0035]圖8(c)為雙開關磁阻電機運行狀態3時&零電壓續流環路。
[0036]圖9(a)為雙開關磁阻電機運行狀態3:&、知均零電壓續流。
[0037]圖9(b)為雙開關磁阻電機運行狀態3時&零電壓續流環路。
[0038]圖9(c)為雙開關磁阻電機運行狀態3時如零電壓續流環路。
[0039 ]圖1O (a)為雙開關磁阻電機運行狀態4: A、B換相模式(I)。
[0040]圖10(b)為雙開關磁阻電機運行狀態4時&負電壓續流環路。
[0041]圖10(c)為雙開關磁阻電機運行狀態4時如零電壓續流環路。
[0042]圖10(d)為雙開關磁阻電機運行狀態4時^給扮提供勵磁環路。
[0043 ]圖1O (e)為雙開關磁阻電機運行狀態4時^給出提供勵磁環路。
[0044]圖11(a)為雙開關磁阻電機運行狀態5:A、B換相模式(2)。
[0045]圖11(b)為雙開關磁阻電機運行狀態5時Ud。給仏提供勵磁環路。
[0046]圖11(c)為雙開關磁阻電機運行狀態5時1^給出提供勵磁環路。
[0047]圖11(d)為雙開關磁阻電機運行狀態5時如零電壓續流環路。
[0048]圖11(e)為雙開關磁阻電機運行狀態5時^給扮提供勵磁環路。
[0049]圖11(f)為雙開關磁阻電機運行狀態5時^給出提供勵磁環路。
【具體實施方式】
[0050]為了更為具體地描述本發明，下面結合附圖及【具體實施方式】，以兩臺三相12/8極SRM為例對本發明的技術方案及其相關工作原理進行詳細說明。
[0051]如圖4所示，基于單個功率變換器驅動的雙開關磁阻電機運行控制系統，包括直流電源、兩臺開關磁阻電機、功率變換器、位置檢測裝置、電流檢測裝置以及控制器。直流電源為兩臺開關磁阻電機提供勵磁;兩臺開關磁阻電機均為三相12/8結構電機且處于同步運行狀態，電機I的三相定子繞組分別，電機2的三相定子繞組分別為A2、B#PC2;功率變換器控制兩臺開關磁阻電機各相定子繞組的通斷;位置檢測器用于檢測獲取開關磁阻電機轉子的位置狀態信息；電流傳感器用于檢測兩臺電機的三相定子繞組電流;控制器根據轉子位置和繞組電流為功率變換器中的功率開關器件提供控制信號，實現對兩臺開關磁阻電機的控制。
[0052]雙開關磁阻電機定子繞組與功率變換器的連接如圖5所示，功率變換器包括一直流母線電容、六個二極管Di?D6和六個開關管Si?S6;其中，直流母線電容的一端與開關管Si的一端、開關管S3的一端、開關管S5的一端、二極管Di的陰極、二極管D3的陰極以及二極管D5的陰極共連并連接外部直流電源的正極，開關管&的另一端與定子繞組A1的一端、定子繞組C2的一端以及二極管D2的陰極相連，開關管S3的另一端與定子繞組B1的一端、定子繞組如的一端以及二極管D4的陰極相連，開關管S5的另一端與定子繞組C1的一端、定子繞組B2的一端以及二極管D6的陰極相連，二極管0!的陽極與定子繞組^的另一端、定子繞組A2的另一端以及開關管S2的一端相連，二極管D3的陽極與定子繞組仏的另一端、定子繞組B2的另一端以及開關管S4的一端相連，二極管他的陽極與定子繞組(^的另一端、定子繞組(:2的另一端以及開關管S6的一端相連，直流母線電容的另一端與開關管32的另一端、開關管S4的另一端、開關管S6的另一端、二極管出的陽極、二極管D4的陽極以及二極管D6的陽極共連并接外部直流電源的負極，六個開關管Si?S6的控制極接收控制器提供的驅動信號
[0053]優選的，所述開關管Si?S6均采用CoolMOS管或IGBT;
[0054]優選的，所述的續流二極管m?D6均采用快恢復二極管。
[0055]基于單個功率變換器驅動的雙開關磁阻電機運行控制系統，在兩臺電機運行期間，定子繞組電壓仍然有三種運行狀態:勵磁狀態、零電壓續流狀態以及負電壓續流狀態。圖6(a)?圖11(f)分別為雙開關磁阻電機運行系統在運行期間各相可能處于的狀態，當開關磁阻電機的轉子運行到A相最小電感位置處時，進入圖6(a)所示的雙開關磁阻電機運行狀態I =A^A2均導通，圖6(b)為狀態I時Al?磁環路，圖6(c)為狀態I時A2勵磁環路;再電機運行過程中，控制器將根據電流斬波控制策略或者電壓PWM控制策略的需求對開關管的通斷進行控制，圖7(a)為雙開關磁阻電機運行狀態2:Ai導通、A2零電壓續流，圖7(b)為狀態2時^勵磁環路，圖7(c)為狀態2時如零電壓續流環路；圖8(a)為雙開關磁阻電機運行狀態3:A2導通、A1零電壓續流，圖8(b)為狀態3時A2勵磁環路，圖8(c)為狀態3時六1零電壓續流環路；圖9(a)為雙開關磁阻電機運行狀態S-A1J2均零電壓續流，圖9(b)為狀態3時六1零電壓續流環路，圖9(c)為狀態3時如零電壓續流環路；電機在換相時，根據繞組A1和繞組B132電流的大小關系會出現兩種換相狀態，當A1相電流較大時，由A1相給仏上提供勵磁，出現如圖10(a)所示的雙開關磁阻電機運行狀態4:A、B換相模式(I)，圖10(b)為狀態負電壓續流環路，圖10 (c)為狀態4時A2零電壓續流環路，圖10 (d)為狀態4時^給&提供勵磁環路，圖10 (e)為狀態4時^給出提供勵磁環路;當^相電流較小時，圖11(a)為雙開關磁阻電機運行狀態5:A、B換相模式(2)，圖11 (b)為狀態5時Udc^B1提供勵磁環路，圖11 (c)為狀態5時Udc^B2提供勵磁環路，圖11(d)為狀態5時如零電壓續流環路，圖11(e)為狀態5時^給仏提供勵磁環路，圖11(f)為狀態5時^給出提供勵磁環路。狀態I?狀態5為一個周期，電機接下來將進入與狀態I相似狀態的Βι、Β2導通狀態，開始新一個周期。
【主權項】
1.基于單個功率變換器驅動的雙開關磁阻電機運行控制系統，其特征在于，包括一個直流電源、兩臺開關磁阻電機、一個功率變換器、一個位置檢測器、六個電流傳感器以及一個控制器;其中: 所述的直流電源為兩臺開關磁阻電機提供勵磁； 所述的兩臺開關磁阻電機均為三相12/8結構電機且處于同步運行狀態； 所述的功率變換器控制兩臺開關磁阻電機各相定子繞組的通斷； 所述的位置檢測器用于檢測獲取開關磁阻電機的轉子位置信息； 所述的電流傳感器用于檢測兩臺電機的三相定子繞組電流； 所述的控制器根據轉子位置和繞組電流給功率變換器中的功率開關管提供控制信號，實現對兩臺開關磁阻電機的控制。2.根據權利要求1所述的基于單個功率變換器驅動的雙開關磁阻電機運行控制系統，定義第一臺電機的三相定子繞組分別為A^BdPC1，第二臺電機的三相定子繞組分別為A2、B2和(:2，其特征在于:所述的功率變換器包括一直流母線電容、六個二極管和六個開關管;直流母線電容的一端與開關管Si的一端、開關管S3的一端、開關管S5的一端、二極管Di的陰極、二極管D3的陰極以及二極管D5的陰極共連并連接外部直流電源的正極，開關管另一端與定子繞組A1的一端、定子繞組C2的一端以及二極管D2的陰極相連，開關管S3的另一端與定子繞組B1的一端、定子繞組A2的一端以及二極管D4的陰極相連，開關管S5的另一端與定子繞組(^的一端、定子繞組B2的一端以及二極管D6的陰極相連，二極管0!的陽極與定子繞組^的另一端、定子繞組A2的另一端以及開關管S2的一端相連，二極管D3的陽極與定子繞組B1的另一端、定子繞組B2的另一端以及開關管S4的一端相連，二極管他的陽極與定子繞組C1的另一端、定子繞組C2的另一端以及開關管S6的一端相連，直流母線電容的另一端與開關管S2的另一端、開關管S4的另一端、開關管S6的另一端、二極管02的陽極、二極管D4的陽極以及二極管D6的陽極共連并接外部直流電源的負極，六個開關管的控制極接收控制器提供的驅動信號。3.根據權利要求2所述的基于單個功率變換器驅動的雙開關磁阻電機運行控制系統，其特征在于:所述的六個開關管均采用CoolMOS管或IGBT。4.根據權利要求2所述的基于單個功率變換器驅動的雙開關磁阻電機運行控制系統，其特征在于:所述的六個二極管均采用快恢復二極管。
【文檔編號】H02P25/092GK105939134SQ201610422147
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年6月15日
【發明人】甘醇, 吳建華, 孫慶國, 胡義華, 王寧, 楊仕友
【申請人】浙江大學