专利名称：基于h桥实现电机气隙圆形磁场控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种基于电力电子技术的H桥结构分别控制电机三相电流使得 电机气隙磁场按圆形轨迹旋转，且与转子磁场正交的控制器，属于电机控制技术领域。
背景技术：
交流电机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合、多变量的系统，交流电机的高 性能控制一直是电机控制领域的研究内容，其主要控制方式有标量控制、矢量控制和六边 形的直接转矩控制。 标量控制有压频比控制和转差频率控制，其控制方式都是基于电机稳态模型，所 以标量控制的动态性能差； 矢量控制是一种解耦控制。通过坐标变换，将定子电流分解为磁链分量和转矩分 量，分别进行控制，因而大大提高了交流电机的调速性能。由于交流电机参数在运行中是变 化的，而矢量控制又严重依赖这些参数，使得矢量控制效果难以达到理论分析的结果，而且 控制过程的计算复杂； 六边形的直接转矩控制是以定子磁链定向来建立交流电机的数学模型，虽然可以 获得较好的控制性能，但是转矩脉动大、调速范围不宽，特别是低速时性能明显下降，是六 边形的直接转矩控制应用的制约因素。 对于交流电机的控制关键在于气隙圆形磁场转速控制以及气隙磁场与转子磁场 的正交控制。三相对称绕组通以三相对称电流，则在气隙中形成同步旋转的圆形磁场，只要 能够精确对转子磁场定位，则可以通过控制三相电流的大小来实现定子磁场与转子磁场正 交，使得交流电机获得与直流电机相同的性能。电力电子技术和现代电机控制理论的发展， 为实现高性能控制交流电机提供了物质基础和理论支撑。通过对电力电子器件组成功率变 换拓扑进行变化，可以实现交流电机预期的控制。
实用新型内容本实用新型为了解决现有交流电机控制技术中对于气隙圆形磁场转速控制以及 气隙磁场与转子磁场的正交控制难于解决和控制精度不高问题，而提出基于H桥实现电机 气隙圆形磁场控制器。 本实用新型的基于H桥实现电机气隙圆形磁场控制器包括启动模块A、整流模块、 开关控制电路、滤波电容、第一电流检测传感器至第三电流检测传感器和第一功率转换器 件至第十二功率转换器件； 第二功率转换器件、第四功率转换器件、第六功率转换器件、第八功率转换器件、 第十功率转换器件和第十二功率转换器件的正向导通输入端同时与直流母线负端连接； 第二功率转换器件、第四功率转换器件、第六功率转换器件、第八功率转换器件、 第十功率转换器件和第十二功率转换器件的正向导通输出端分别与第七功率转换器件、第 九功率转换器件、第十一功率转换器件、第一功率转换器件、第三功率转换器件和第五功率转换器件的正向导通输入端连接； 第一功率转换器件、第三功率转换器件、第五功率转换器件、第七功率转换器件、 第九功率转换器件和第十一功率转换器件的正向导通输出端同时与直流母线正端连接； 启动模块串联在直流母线正端上，直流母线负端和直流母线正端之间并联有滤波 电容和整流模块； 开关控制电路的十二个控制端分别连接第一功率转换器件至第十二功率转换器 件的受控端；开关控制电路的三个电流信号输入端分别连接第一电流检测传感器至第三电 流检测传感器的信号输出端。 本实用新型的优点以三相电流为控制目标来实现电机气隙的圆形旋转磁场，算 法简单，可以实现交流电机的高性能控制。对于定子磁场的控制不受电机参数变化的影响。 可以大大降低相关产品开发的综合成本。
图1是U相磁势与三相合成磁势的示意图；图2和图3是基于H桥实现电机气隙 圆形磁场控制器的电路结构示意图，图2中的基于H桥实现电机气隙圆形磁场控制器的整 流模块B采用整流二极管时的电路结构示意图，图3中的基于H桥实现电机气隙圆形磁场 控制器的整流模块B采用IGBT时的电路结构示意图；图4是转子位置传感器信号与反电动 势关系示意图。
具体实施方式具体实施方式
一 结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式的由启动模块A、 整流模块B、开关控制电路C、滤波电容Cl 、第一 电流检测传感器hl 1至第三电流检测传感器 h13和第一功率转换器件VI至第十二功率转换器件V12组成； 第二功率转换器件V2、第四功率转换器件V4、第六功率转换器件V6、第八功率转 换器件V8、第十功率转换器件V10和第十二功率转换器件V12的正向导通输入端同时与直 流母线负端连接； 第二功率转换器件V2、第四功率转换器件V4、第六功率转换器件V6、第八功率转
换器件V8、第十功率转换器件V10和第十二功率转换器件V12的正向导通输出端分别与第
七功率转换器件V7、第九功率转换器件V9、第十一功率转换器件V11、第一功率转换器件
Vl、第三功率转换器件V3和第五功率转换器件V5的正向导通输入端连接； 第一功率转换器件Vl、第三功率转换器件V3、第五功率转换器件V5、第七功率转
换器件V7、第九功率转换器件V9和第十一功率转换器件V11的正向导通输出端同时与直流
母线正端连接； 启动模块A串联在直流母线正端上，直流母线负端和直流母线正端之间并联有滤 波电容C1和整流模块B; 开关控制电路C的十二个控制端分别连接第一功率转换器件V1至第十二功率转 换器件V12的受控端；开关控制电路C的三个电流信号输入端分别连接第一电流检测传感 器hll至第三电流检测传感器h13的信号输出端。 滤波电容C1为直流母线的滤波电容，[0023] 启动模块A，启动模块A由电阻Rl和开关CKM并联组成，Rl和CKM作用是用于整 流初始时的软起动。 U相绕组由第一功率转换器件Vl、第二功率转换器件V2和第七功率转换器件V7、 第八功率转换器件V8控制； V相绕组由第三功率转换器件V3、第四功率转换器件V4和第九功率转换器件V9、 第十功率转换器件V10控制； W相绕组由第五功率转换器件V5、第六功率转换器件V6和第十一功率转换器件 Vll、第十二功率转换器件V12控制； 所述的第一功率转换器件V1至第十二功率转换器件V12为IGBT、IGCT或MOSFET。 第一电流检测传感器hll、第二电流检测传感器hl2、第三电流检测传感器h13分 别用于测量U相、V相和W相的电流信号，第一电流检测传感器hll至第三电流检测传感器 h13为霍尔电流传感器或分流器。 整流模块B采用整流二极管或IGBT ;图2中的整流模块B为IGBT可控整流以调 节不同运行频率时的直流母线电压。 图2和图3中三相绕组U、V、W的控制方式相同，电流环采用滞环控制方式，以U相 为例进行说明 以第一功率转换器件VI和第二功率转换器件V2导通为U相绕组正向通电，以第
七功率转换器件V7和第八功率转换器件V8导通为U相绕组反向通电。 正向通电时，由开关控制电路C控制第一功率转换器件V1和第二功率转换器件V2
导通，同时通过第一电流检测传感器hl检测U相电流，当所述电流大于给定值加一误差量
时，第二功率转换器件V2截止，此时电流将通过U相绕、第一功率转换器件Vl、第七功率转
换器件V7的反向二极管和直流母线正端组形成回路，此时电流开始下降，当所述电流降至
给定值减去一误差量时第二功率转换器件V2恢复导通，完成一个正向控制周期。 反向通电时，由开关控制电路C控制第七功率转换器件V7和第八功率转换器件V8
导通，同时通过第一电流检测传感器hl检测U相电流，当所述电流大于给定值加一误差量
时，第八功率转换器件V8截止，此时电流将通过U相绕组、第七功率转换器件V7、直流母线
正端、第一功率转换器件V1的反向二极管形成回路，此时电流开始下降，当所述电流降至
给定值减去一误差量时第八功率转换器件V8恢复导通，完成一个反向控制周期。 在整个控制周期中只需控制一个功率转换器件导通与截止来控制电流，而另一个
功率转换器件为常通状态。功率转换器件的开关频率依据选择器件不同和控制器的容量不
同而不同，IGBT最大开关频率可达30kHz， M0SFET最大开关频率可达100kHz。为控制气隙
旋转磁场的圆形度提供了有利条件，而且在控制电流时，只需控制一个功率转换器件导通
与截止，可以降低器件的开关损耗。与电机其它控制器结构不同，采用本实用新型的H桥结
构不存在开关器件控制过程中的死区问题，也为获得理想的气隙磁场提供了有利条件。 控制脉振磁场的幅值和基波合成磁场的幅值由电流幅值决定，各相磁场脉振频率
和基波合成磁场旋转频率由电流的频率决定。在电流变化一个时间周期内，电流调节由正
向增加到正向减小、由负向增加到负向减小是按照四分之一周期逐渐变化，这对电流平滑
控制有利，从而也为获得理想的气隙磁场提供了有利条件。
具体实施方式
二 本实施方式与具体实施方式
一不同点在于增加了转子位置传感器，转子位置传感器的转子位置信号输出端连接开关控制电路C的转子位置信号输入端。 其它组成和连接方式与具体实施方式
一相同。 转子位置传感器选择绝对位置编码器、增量式编码器或霍尔位置传感器，图4为 增量式编码器，其中未画出A和B信号，Z信号为每周出现一次。以增量式编码器为例说明 转子位置x的确定，编码器每周线数为K，利用A和B方波信号的上升沿和下降沿将每周线 数K四倍频得每周4K线数，则每对极下脉冲数为4K/p，每个脉冲的电角度为Ji p/2K。电机 定子内径Di，转子初始位置为x。，自初始位置所经过的脉冲数为Kn，则转子位置x可由式(5) 计算。x二x。+K。^D, (5) 为减少转子位置的累积误差，利用霍尔信号的每次跃变重新校正转子位置x。图4 中的霍尔信号Uh、Vh、Wh把每对极分为6各区，即101、100、110、010、011、001。霍尔信号每
电角度出现一次跃变，由该跃变重新确定x。，再按式(5)计算转子磁极位置。 转子磁极位置可以精确定位的前提下，采用H桥的拓扑结构，通过电力变换技术 控制交流电机三线绕组具有一定幅值电流的实时值，使得三相电流产生的合成磁场与转子 磁场正交或在一定的稳定运行区范围内来控制交流电机的电磁转矩，通过改变电流的频率 来调节交流电机的转速。 定子磁场与转子磁场的正交关系确定，交流电机的三相绕组在空间上对称分布， 通过的电流在时间上对称，三相U、 V、 W电流在各自绕组内生成的脉振磁场分解的到基波磁 势为式(1): fui = F小,cos①t cos三xfvl =cos(cot - cos(- x _与) (1)
4tc 7i 4兀 fwl =F^cos(cot —丁)cos(—x — ~
3 T 3 当t = 0和x = 0时U相磁势最大，此时三相基波合成磁势在空间分布最大值在 U相绕组的轴线上图1中的^，其表达式为式(2):f, =F, cos(①t一二x) (2) 其中Fl = 1. 5F$1。图1中^为t = 0时气隙中三相基波合成磁势在对极下的空 间分布，x = 0点为幅值正向最大处。 转子磁极初始位置未知，在开始运行前，按照运行指令顺时针旋转时，给U相通以 给定磁势幅值F$1的电流，V和W相分别滞后U相电流2 Ji /3和4 Ji /3确定的值施加电流， 则转子磁极将转动至图1位置，即x = 0处。 按照图l，转子要顺时针旋转，则此时给三相绕组通电产生的磁场幅值最大处与转 子磁场正交的条件是"t二 Ji/2。此时^在x二0处值应当等于零。转子转动后x值发 生变化，且x > O，此时控制定子绕组在气隙中磁场幅值的位置由式(2)可以得出确定三相 电流实时值的规则为式(3):cot=^ + ^x (3) 2T \ 7[0051] 同样可以得出转子逆时针旋转时确定三相电流实时值的规则为式(4):
<formula>formula see original document page 7</formula>[0053] 转子逆时针旋转时式(4)中的x < 0。 图4为转子位置传感器信号与各相反电动势对应关系，从这些对应关系可以在电 机运行中实时确定转子磁极位置x。利用式(3)可以确定转子顺时针旋转时各相电流的实 时值；利用式(4)可以确定转子逆时针旋转时各相电流的实时值。以图4霍尔信号Uh为 例，Uh信号的上升沿正是图1中的x = 0点。
权利要求基于H桥实现电机气隙圆形磁场控制器，其特征在于它包括启动模块(A)、整流模块(B)、开关控制电路(C)、滤波电容C1、第一电流检测传感器(hl1)至第三电流检测传感器(hl3)和第一功率转换器件(V1)至第十二功率转换器件(V12)；第二功率转换器件(V2)、第四功率转换器件(V4)、第六功率转换器件(V6)、第八功率转换器件(V8)、第十功率转换器件(V10)和第十二功率转换器件(V12)的正向导通输入端同时与直流母线负端连接；第二功率转换器件(V2)、第四功率转换器件(V4)、第六功率转换器件(V6)、第八功率转换器件(V8)、第十功率转换器件(V10)和第十二功率转换器件(V12)的正向导通输出端分别与第七功率转换器件(V7)、第九功率转换器件(V9)、第十一功率转换器件(V11)、第一功率转换器件(V1)、第三功率转换器件(V3)和第五功率转换器件(V5)的正向导通输入端连接；第一功率转换器件(V1)、第三功率转换器件(V3)、第五功率转换器件(V5)、第七功率转换器件(V7)、第九功率转换器件(V9)和第十一功率转换器件(V11)的正向导通输出端同时与直流母线正端连接；启动模块(A)串联在直流母线正端上，直流母线负端和直流母线正端之间并联有滤波电容C1和整流模块(B)；开关控制电路(C)的十二个控制端分别连接第一功率转换器件(V1)至第十二功率转换器件(V12)的受控端；开关控制电路(C)的三个电流信号输入端分别连接第一电流检测传感器(hl1)至第三电流检测传感器(hl3)的信号输出端。
2. 根据权利要求1所述的基于H桥实现电机气隙圆形磁场控制器，其特征在于还包括 转子位置传感器，转子位置传感器的转子位置信号输出端连接开关控制电路(C)的转子位 置信号输入端。
3. 根据权利要求2所述的基于H桥实现电机气隙圆形磁场控制器，其特征在于转子位 置传感器采用绝对位置编码器、增量式编码器或霍尔位置传感器。
4. 根据权利要求1或3所述的基于H桥实现电机气隙圆形磁场控制器，其特征在于启 动模块(A)由电阻Rl和开关CKM并联组成。
5. 根据权利要求4所述的基于H桥实现电机气隙圆形磁场控制器，其特征在于所述的 第一功率转换器件(VI)至第十二功率转换器件(V12)为IGBT、IGCT或MOSFET。
6. 根据权利要求5所述的基于H桥实现电机气隙圆形磁场控制器，其特征在于第一电 流检测传感器(hll)至第三电流检测传感器(hl3)为霍尔电流传感器或分流器。
专利摘要基于H桥实现电机气隙圆形磁场控制器，它涉及电机控制技术领域。它解决了现有交流电机控制技术中对于气隙圆形磁场转速控制以及气隙磁场与转子磁场的正交控制难于解决和控制精度不高的问题。第二、四、六、八、十和十二功率转换器件正向导通输入端同连直流母线负端；其正向导通输出端分别连第七、九、十一、一、三和五功率转换器件正向导通输入端；其正向导通输出端同连直流母线正端；启动模块串联直流母线正端上，直流母线正负端之间分别连滤波电容和整流模块；开关控制电路十二个控制端分别连第一至十二功率转换器件受控端；并且其信号输入端分别连第一至三电流检测传感器信号输出端。以电流为控制目标来实现电机气隙的圆形旋转磁场和正交控制。
文档编号H02P23/00GK201550074SQ200920292830
公开日2010年8月11日 申请日期2009年12月14日 优先权日2009年12月14日
发明者卫爱平, 康尔良 申请人:哈尔滨理工大学