一种三相三线制开关磁阻电机驱动系统、控制方法及应用与流程

本发明属于电力电子与微机控制技术为基础的磁机电一体化技术领域，尤其涉及一种三相三线制开关磁阻电机驱动系统、控制方法及应用。

背景技术：

目前，开关磁阻电机由于其可靠性高、节能效果好、电机成本相对较低，得到行业的广泛认可。对于开关磁阻电机驱动器功率转换电路的拓扑结构而言，目前所采用的是非对称桥式功率转换电路进行电流变换。控制器需要用12个开关管独立控制电机的三相绕组。此种控制方式需要使用更多的功率原件，增加了制造成本。这种控制方式，每相绕组的两个端头需要同时与驱动器连接，这样就需要使用六根电缆。与目前工业普遍采用的3相3线制接线方法不兼容，通用性不好。由于相绕组独立控制工作，在励磁关断瞬间会产生很大的径向力，使电机噪声增大。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

（1）现有的开关磁阻电机驱动器功率转换电路需要使用更多的功率原件，增加了制造成本

（2）现有的开关磁阻电机驱动器功率转换电路与目前工业普遍采用的3相3线制接线方法不兼容，通用性不好。

（3）由于相绕组独立控制工作，在励磁关断瞬间会产生很大的径向力，使电机噪声增大。

解决以上问题及缺陷的难度为：由于开关磁阻电机的磁链具有高度非线性的特征，不同的励磁方式，磁链特性会发生较大改变，采用上述三线绕组励磁方式工作，由于是两相绕组同时励磁产生转矩，要对两相绕组合成磁链进行分析，其磁链特性较6线控制的单相励磁控制方式发生较大改变，控制器软件需对磁链特征进行匹配，以达到较优的工作状态。

解决以上问题及缺陷的意义为：降低控制器制造成本，提高易用性，改善电机的噪音与振动。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种三相三线制开关磁阻电机驱动系统、控制方法及应用。

本发明是这样实现的，一种三相三线制开关磁阻电机驱动系统，设置开关磁阻电机定子，开关磁阻电机定子有n个定子凸极，每个凸极上绕有独立的凸极线圈；

6个开关管组成的三相全桥功率转换电路，所述三相全桥功率转换电路与直流电源相连；

控制器，控制所述三相全桥功率转换电路中的6个开关管开通或关闭。

进一步，把在定子圆周平均分布的4个凸极线圈a1、a2、a3、a4，4个凸极线圈的端部连接在一起，组成电机的a相绕组。

进一步，当有电流从a1线圈的正极端流进从a4线圈的负极端流出时，电流在线圈中产生的磁场使得所对应的4个凸极线圈a1、a2、a3、a4的磁极应按n、s、n、s排列。

进一步，与所述a相绕组中的各个凸极线圈相邻的4个凸极线圈b1、b2、b3、b4的端部连接在一起，组成电机的b相绕组。

进一步，当有电流从b1线圈的正极端流进从b4线圈的负极端流出时，电流在线圈中产生的磁场使得所对应的4个凸极b1、b2、b3、b4的磁极应按n、s、n、s排列。

进一步，与所述b相绕组中的各个凸极线圈相邻的4个凸极线圈c1、c2、c3、c4连接在一起，组成电机的c相绕组。

进一步，当有电流从c1线圈的正极端流进从c4线圈的负极端流出时，电流在线圈中产生的磁场使得所对应的4个凸极c1、c2、c3、c4的磁极应按n、s、n、s排列。

进一步，所述开关磁阻电机定子对应的转子的初始角度设定为θ=0°；

当0°≤θ≤15°，控制开关管q1和开关管q4导通；

当15°≤θ≤30°，控制开关管q5和开关管q4导通；

当30°≤θ≤45°，控制开关管q5和开关管q2导通；

当45°≤θ≤60°，控制开关管q3和开关管q2导通；

当60°≤θ≤75°，控制开关管q3和开关管q6导通；

当75°≤θ≤90°，控制开关管q1和开关管q6导通。

本发明的另一目的在于提供一种所述三相三线制开关磁阻电机驱动系统的控制方法，所述三相三线制开关磁阻电机驱动系统的控制方法的控制程序依照所述导通控制顺序以机械角度90°为一个电周期，输出控制波形，高电平为导通，低电平为关断，控制相应开关管的开通与关断。形成连续的旋转磁阻转矩使电机运转。控制程序通过pwm调制信号控制相电流的大小，起到控制电机转速的目的。

本发明的另一目的在于提供一种开关磁阻电机，所述开关磁阻电机安装有所述的三相三线制开关磁阻电机驱动系统。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：

第一、本发明采用6个开关管组成的三相全桥式功率转换电路拓扑结构，电机绕组按一定磁极顺序以星形型或者三角接法相连接并引出三根接线。与采用12个开关管的结构相比，此种结构功率元件少了一倍，降低了生产成本。

第二、电机接线与目前工业通用三相三线的接线方法兼容，极大提高了开关磁阻电机的通用性和易用性。

第三、本发明绕组励磁方式为三相中的两相交替同时励磁，这种励磁方式在换相时只关断其中一相绕组，产生的瞬时反电动势为负的1/2电源电压，而传统6线制励磁模式下，关断绕组励磁时产生的瞬时反电动势为负的电源电压，这样缓解了开关管关断时径向力的瞬间突然变化，降低了电机的振动与噪音。

本发明励磁方式在换相时被关断的绕组产生的反电动势为二分之一电源电压。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的三相三线制开关磁阻电机驱动系统的原理图。

图2是本发明实施例提供的三相三线制开关磁阻电机驱动系统的电路结构连接示意图。

图3是本发明实施例提供的开关管控制时序逻辑波形示意图。

图4是本发明实施例提供的转子机械角度与通电状态示意图。

图5是本发明实施例提供的转子机械角度与通电状态示意图。

图6是本发明实施例提供的转子机械角度与通电状态示意图。

图7是本发明实施例提供的转子机械角度与通电状态示意图。

图8是本发明实施例提供的转子机械角度与通电状态示意图。

图9是本发明实施例提供的转子机械角度与通电状态示意图。

图1和图2中：1、a相绕组；2、b相绕组；3、c相绕组；4、开关管；5、定子凸极线圈；6、定子凸极；7、开关管。

图10是本发明实施例提供的仿真结果示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种三相三线制开关磁阻电机驱动系统、控制方法及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。

该三相三线制开关磁阻电机驱动系统设置开关磁阻电机定子共有n个定子凸极，每个凸极上绕有独立的凸极线圈，本发明以n=12为例。

把在定子圆周平均分布的4个凸极线圈a1、a2、a3、a4的端部连接在一起，组成电机的a相绕组。上述4个凸极线圈a1、a2、a3、a4连接方式要求：当有电流从a1线圈的正极端流进从a4线圈的负极端流出时，电流在线圈中产生的磁场使得所对应的4个凸极a1、a2、a3、a4的磁极应按n、s、n、s排列。

与上述a相绕组中的各个凸极线圈相邻的4个凸极线圈b1、b2、b3、b4的端部连接在一起，组成电机的b相绕组。进一步的，上述4个凸极线圈b1、b2、b3、b4连接方式要求：当有电流从b1线圈的正极端流进从b4线圈的负极端流出时，电流在线圈中产生的磁场使得所对应的4个凸极b1、b2、b3、b4的磁极应按n、s、n、s排列。

与上述b相绕组中的各个凸极线圈相邻的4个凸极线圈c1、c2、c3、c4连接在一起，组成电机的c相绕组。进一步的，上述4个凸极线圈c1、c2、c3、c4连接方式要求：当有电流从c1线圈的正极端流进从c4线圈的负极端流出时，电流在线圈中产生的磁场使得所对应的4个凸极c1、c2、c3、c4的磁极应按n、s、n、s排列。

将线圈a4、b4、c4的负极端连接在一起（星形接法），或者将线圈a4、b4、c4的负极分别与线圈c1、a1、b1的正极端连接在一起（三角形接法）。

本发明设有6个开关管q1~q6组成的3相全桥功率转换电路，所述3相全桥功率转换电路与直流电源相连。将所述线圈a1、b1、c1的正极端用三根电机接线分别与所述三相全桥功率转换电路的三个桥臂中心点相连接。

本发明设有控制器，控制器控制所述三相全桥中的6个开关管开通或关闭。控制器内设有控制程序，控制程序根据转子位置传感器的位置信息，控制电机绕组按一定角度和次序通电或关断。

以12-8极电机为例：

1）设定将转子的相邻两个凸极与定子a、c相绕组凸极对齐，将此时转子角度设定为初始角度为θ=0°。如图4所示：当0°≤θ≤15°，控制开关管q1和q4导通，电流由a相绕组流进，b相绕组流出，导通方向为a-b。此时a、b两相绕组励磁，由于转子相邻的两个凸极要与a、b两相的定子凸极对齐磁链磁阻最小，转子产生逆时针磁阻转矩。

2）如图5所示，当15°≤θ≤30°，控制开关管q5和q4导通，电流由c相绕组流进，b相绕组流出，导通方向为c-b。此时c、b两相绕组励磁，由于转子相邻的两个凸极要与c、b两相的定子凸极对齐磁链磁阻最小，转子产生逆时针磁阻转矩。

3）如图6所示：当30°≤θ≤45°，控制开关管q5和q2导通，电流由c相绕组流进，a相绕组流出，导通方向为c-a。此时c、a两相绕组励磁，由于转子相邻的两个凸极要与c、a两相的定子凸极对齐磁链磁阻最小，转子产生逆时针磁阻转矩。

4）如图7所示：当45°≤θ≤60°，控制开关管q3和q2导通，电流由b相绕组流进，a相绕组流出，导通方向为b-a。此时b、a两相绕组励磁，由于转子相邻的两个凸极要与b、a两相的定子凸极对齐磁链磁阻最小，转子产生逆时针磁阻转矩。

5）如图8所示：当60°≤θ≤75°，控制开关管q3和q6导通，电流由b相绕组流进，c相绕组流出，导通方向为b-c。此时b、c两相绕组励磁，由于转子相邻的两个凸极要与b、c两相的定子凸极对齐磁链磁阻最小，转子产生逆时针磁阻转矩。

6）如图9所示：当75°≤θ≤90°，控制开关管q1和q6导通，电流由a相绕组流进，c相绕组流出，导通方向为a-c。此时a、c两相绕组励磁，由于转子相邻的两个凸极要与a、c两相的定子凸极对齐磁链磁阻最小，转子产生逆时针磁阻转矩。

以上步骤只是列举了控制逻辑的一种情况，根据实际运用，调整初始位置的角度，也可以达到相同的目的。

如图3所示：控制程序依照所述导通控制顺序以机械角度90°为一个电周期，输出控制波形，高电平为导通，低电平为关断，控制相应开关管的开通与关断。形成连续的旋转磁阻转矩使电机运转。控制程序通过pwm调制信号控制相电流的大小，起到控制电机转速的目的。

下面结合仿真对本发明的技术效果作详细的描述。

仿真结果如图10所示，指出了a、b相绕组励磁的一种工作原理：电流由a相绕组流进，b相绕组流出，导通方向为a-b。此时a、b两相绕组励磁，磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合。因此，当转子凸极与定子凸极不重合时，便会有磁阻力作用在转子上并产生转矩使其趋向于磁阻最小的位置，由于转子相邻的两个凸极要与a、b两相的定子凸极对齐磁链磁阻最小，转子产生逆时针磁阻转矩。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。