一种电机驱动系统及电机驱动控制方法与流程

[0001]
本发明涉及交流电机驱动控制领域，尤其涉及可变磁通磁阻的电机驱动系统及电机驱动控制方法。


背景技术：

[0002]
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。
[0003]
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：
[0004]
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，因此需要驱动器能提供可以调节的直流母线电压。
[0005]
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。
[0006]
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。
[0007]
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。
[0008]
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。
[0009]
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。
[0010]
传统的驱动电路存在的不足为：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。
[0011]
另外，在混合动力和全电动汽车等应用中，电机驱动控制方案一般为：储能电池一般通过升压型直流-直流变换器升到固定直流电压，由于电机运行在不同速度下的反电动势不同，逆变器的调制比也会不同。因此，现有的电机驱动控制方案存在以下问题：低调制比下电力电子器件仍然要承受全母线电压的应力和对应的开关损耗。
[0012]
术语含义说明：
[0013]
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；
[0014]
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；
[0015]
桥式电路的正输入端：桥臂用于输入正电源电压的一端；
[0016]
桥式电路的负输入端：桥臂用于输入负电源电压的一端；
[0017]
ccm模式：连续导通模式(continuous conduction mode)，即在一个开关周期内电感电流从不会到o。


技术实现要素：

[0018]
有鉴如此，本发明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，且直流母线电压可根据电机的转速进行调节；进一步地，还能实现电机驱动系统的结构更加紧凑。
[0019]
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的直流母线电压，使得电机的速度调节能力更加灵活，且直流母线电压可根据电机的转速进行调节；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。
[0020]
基于上述发明构思，本发明的技术方案如下：
[0021]
提供一种电机驱动系统，用于驱动电励磁双凸极电机，所述电机驱动系统包括dc-dc调压电路、桥式电路以及电机驱动控制系统；
[0022]
dc-dc调压电路的输入端用于与主电源的输出端连接，dc-dc调压电路的输出端与直流母线连接；
[0023]
桥式电路与直流母线连接，且桥式电路的输入端与dc-dc调压电路的输出端连接，桥式电路各桥臂的中点分别用于与电励磁双凸极电机中的电枢绕组连接；
[0024]
电机驱动控制系统与dc-dc调压电路连接，用于根据电励磁双凸极电机的转速调节输送至dc-dc调压电路的功率管的pwm信号的占空比来对直流母线电压进行调节；
[0025]
当电励磁双凸极电机的转速达到额定转速或超过额定转速时，调节直流母线电压，使得直流母线电压维持在额度电压；当电励磁双凸极电机的转速下降且低于额定转速时，调节直流母线电压，使得直流母线电压随电机的转速下降而线性下降；当电励磁双凸极电机的转速下降到某一低速拐点值时，调节直流母线电压，使得直流母线电压维持在电源电压。
[0026]
优选地，dc-dc调压电路为同步升压电路，dc-dc调压电路包括功率管、电感以及电容；其中，功率管由第一功率管和第二功率管组成；电感的一端为dc-dc调压电路的正输入端，第二功率管的一端为dc-dc调压电路的正输出端，电感的另一端同时连接第二功率管的另一端和第一功率管的一端，第一功率管的另一端同时为dc-dc调压电路的负输入端和负输出端；电容的一端连接dc-dc调压电路的正输出端，电容的另一端连接dc-dc调压电路的负输出端。
[0027]
优选地，电机驱动控制系统包括：直流电压计算模块、电压采样模块以及直流电压控制器；
[0028]
直流电压计算模块用于接收上位机输出的参考速度信号，并根据参考速度信号计算出参考直流电压；
[0029]
电压采样模块与直流母线连接，用于采集直流母线电压；
[0030]
直流电压控制器分别与直流电压计算模块和电压采样模块连接，用于根据参考直流电压和直流母线电压调节输出的pwm信号的占空比以实现对直流母线电压进行调节。
[0031]
优选地，dc-dc调压电路工作在ccm模式。
[0032]
优选地，电感与电励磁双凸极电机的励磁绕组复用。
[0033]
优选地，第一功率管为mosfet或者igbt；第二功率管为功率二极管、mosfet或者igbt。
[0034]
优选地，桥式电路为n相半桥或全桥逆变器，其中n≥2。
[0035]
优选地，第一功率管和第二功率管互补导通。
[0036]
本发明再提供一种电机驱动系统，用于驱动电励磁双凸极电机，电机驱动系统包括dc-dc调压电路、桥式电路以及电机驱动控制系统；
[0037]
dc-dc调压电路的输入端与主电源的输出端连接，dc-dc调压电路的输出端与直流母线连接；
[0038]
桥式电路与直流母线连接，且桥式电路的输入端与dc-dc调压电路的输出端连接，桥式电路各桥臂的中点分别与电励磁双凸极电机中的电枢绕组连接；
[0039]
电机驱动控制系统与dc-dc调压电路连接，用于根据电励磁双凸极电机的转速调节输送至dc-dc调压电路的功率管的pwm信号的占空比来对直流母线电压进行调节；
[0040]
当电励磁双凸极电机的转速达到额定转速时，调节直流母线电压，使得直流母线电压维持在电源电压；当电励磁双凸极电机的转速下降且低于所述额定转速时，调节直流母线电压，使得直流母线电压随电机的转速下降而线性下降；当电励磁双凸极电机的转速下降到某一低速拐点值时，调节直流母线电压，使得直流母线电压降低至某一最小值电压。
[0041]
本发明还提供一种可变直流母线电压的电机驱动控制方法，其包括：
[0042]
接收上位机输出的参考速度信号，并将参考速度信号计算出参考直流电压；
[0043]
用于采集直流母线电压；
[0044]
根据所述参考直流电压和直流母线电压调节输出的pwm信号的占空比对直流母线电压进行调节；
[0045]
当电机的转速达到额定转速或超过额定转速时，调节直流母线电压，使得直流母线电压维持在电源电压；当电机的转速下降且低于额定转速时，调节直流母线电压，使得直流母线电压随电机的转速下降而线性下降；当电机的转速下降到某一低速拐点值时，调节直流母线电压，使得直流母线电压降低至某一电压最小值。
[0046]
本发明还提供一种电机系统，其包括电机驱动系统以及电励磁双凸极电机；
[0047]
电励磁双凸极电机具有多个电枢绕组和励磁绕组；
[0048]
电机驱动系统中的dc-dc调压电路包括功率管、电感以及电容，电感集成于励磁绕组。
[0049]
本发明的工作原理在实施例进行分析说明，在此不赘述，本发明有益效果如下：
[0050]
(1)本发明提供的电机驱动系统和控制方法，能根据电机驱动需求动态的改变直流母线电压，保持电机在不同转速下都有相同的高调制比，有利于降低电机低转速下电力电子器件的电压应力和开关损耗；
[0051]
(2)本发明根据所述参考直流电压和所述直流母线电压调节输出的pwm信号的占空比以实现对所述直流母线电压进行调节，可以调节和提高直流母线电压值，使逆变器输出电压不受逆变器本身的直流电压利用率约束，可以拓宽电机的调速范围；
[0052]
(3)本发明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；
[0053]
(4)本发明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，提高了驱动器系统的功率密度；
[0054]
(5)本发明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
[0055]
图1为传统的两相电励磁双凸极电机的结构示意图；
[0056]
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；
[0057]
图3为本发明第一实施例的电机驱动系统的应用原理图；
[0058]
图4为本发明第一实施例dc-dc调压电路关键波形图；
[0059]
图5为本发明第一实施例桥式电路关键波形图；
[0060]
图6为本发明电机驱动系统中的电机驱动控制系统框图；
[0061]
图7为本发明第一实施例电机驱动控制方法实现的直流母线电压随转速的改变曲线图；
[0062]
图8为本发明第二实施例的电机驱动系统的应用原理图；
[0063]
图9为第二实施例直流母线电压随转速的改变的曲线图。
具体实施方式
[0064]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
[0065]
第一实施例
[0066]
请参考图3、图6，为本发明提供一种电机驱动系统，其包括：桥式电路101、dc-dc调压电路102以及电机驱动控制系统(未标号)。其中，电机驱动控制系统包括用于控制桥式电路101的逆变器控制部(未标号)以及用于控制dc-dc调压电路102的dc-dc变换器控制部(未标号)；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、电励磁双凸极电机104和滤波电路103。
[0067]
本实施例中，电机驱动系统驱动的是两相电励磁双凸极电机104(以下简称为电机)，电励磁双凸极电机104包括电枢绕组la、电枢绕组lb和励磁绕组。
[0068]
dc-dc调压电路的输入端连接主电源的正输出端，dc-dc调压电路的输出端与直流母线连接，桥式电路与所述直流母线连接，且桥式电路的输入端与dc-dc调压电路的输出端连接，桥式电路各桥臂的中点分别与电枢绕组la和电枢绕组lb一端连接。
[0069]
本实施例中，dc-dc调压电路为同步升压电路，其包括第一功率管s1、第二功率管s2、电感l和电容c，其连接关系为：电感l的一端为dc-dc调压电路的正输入端，第二功率管s2的一端为dc-dc调压电路的正输出端，电感l的另一端同时连接第二功率管s2的另一端和第一功率管s1的一端，第一功率管s1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。
[0070]
桥式电路101用于驱动电机104，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。
[0071]
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。
[0072]
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。
[0073]
由于电机104绕组本身具有储能作用，故电机104中励磁绕组可与dc-dc调压电路102中电感l复用，本实施例中，dc-dc调压电路的电感l集成于励磁绕组中，电机104中励磁绕组兼作dc-dc调压电路102中电感l。由于dc-dc调压电路的电感l集成于励磁绕组中，因此无需单独设计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。
[0074]
逆变器控制部由速度控制器108、电流控制器109和逆变器pwm模块110组成。
[0075]
速度控制器108用于将上位机指令的参考速度信号和转速传感器的反馈速度信号进行比较，以及用于通过速度调节算法实现电机104的输出转速的控制，并输出相应的参考
电流；电流控制器109用于将参考电流变换成输出参考电压，并将参考电压输入到逆变器pwm模块110，从而实现电机转速的控制。
[0076]
dc-dc变换器控制部由直流电压计算模块106、电压采样模块(未图示)以及直流电压控制器107组成。
[0077]
直流电压计算模块106用于接收所述上位机输出的参考速度信号，并根据参考速度信号计算出参考直流电压；电压采样模块与直流母线连接，用于采集直流母线电压；直流电压控制器107分别与直流电压计算模块和电压采样模块连接，用于根据参考直流电压和直流母线电压调节输出的pwm信号的占空比以实现对直流母线电压vo进行调节。
[0078]
以下结合图3中电机驱动系统来讲述本实施例的工作原理：
[0079]
主电源100的电源电压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，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为本实施例桥式电路调制波波形和绕组电流波形。
[0080]
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：
[0081][0082]
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：
[0083][0084]
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：
[0085][0086]
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：
[0087]
具体地，电机104中励磁绕组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。
[0088]
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vo，而且能提供电机工作所需励磁磁场。在电机高速运行时，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，本发明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vo来提供电机高速运行时所需的绕组电压。
[0089]
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。
[0090]
下面结合图3、图6和图7，来对本发明可变直流母线电压的电机驱动控制方法进行说明。电机驱动系统的直流母线电压vo随电机104转速改变而改变，在本实施中，根据电机转速来调节输送至dc-dc调压电路的第一功率管s1和第二功率管s2的pwm信号的占空比，来实现对直流母线电压vo的调节。具体步骤如下：
[0091]
步骤s1:将上位机输出的参考速度信号送入直流电压计算模块106，直流电压计算模块106根据接收到的参考速度信号计算出直流电压参考值，并将直流电压参考值送入直流电压控制器；
[0092]
步骤s2：通过直流电压控制器107将直流电压参考值与通过电压采样模块采集获得的直流母线电压vo作相减运算，并根据相减的结果调节输送至dc-dc调压电路102的第一功率管s1和第二功率管s2的pwm信号的占空比，以实现对直流母线电压vo的调节；
[0093]
当电机的转速处于额定转速时，调节直流母线电压vo，使得直流母线电压vo维持在电机的额定电压，此时，桥式电路101的调制比接近1，满足空间矢量pwm驱动的要求；当转速下降时，电机端电压随转速线性下降，调节直流母线电压vo，使得直流母线电压vo随电机104的转速下降同步线性下降，以维持桥式电路101的调制比不变。直到速度下降到低速拐点值，调节直流母线电压vo，使得直流母线电压vo下降到和主电源的电源电压相同，并控制dc-dc调压电路102停止开关，由电源电压直接驱动桥式电路101，使得直流母线电压vo维持在电源电压。
[0094]
在转速下降的过程中，由于直流母线电压vo同步地线性下降，使得与固定直流母线电压vo的系统相比电力电子器件承受的电压应力减小，开关过程中电力电子器件的开关损耗也同步下降，而其他部分损耗基本不变，因此系统的总损耗得到了有效的减少。
[0095]
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。
[0096]
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。
[0097]
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管的漏极，功率管s2的一端为mosfet管的源极；当功率管s1为igbt时,功率管s1的一端为igbt的漏极，功率管s2的一端为igbt的源极。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的一端为二极管的阳极，功率管s2的另一端为二极管的阴极；当功率管s2为mosfet管时,功率管s1的一端为mosfet管的漏极，功率管s2的一端为mosfet管的源极；当功率管s2为igbt时,功率管s1的一端为igbt的漏极，功率管s2的一端为igbt的源极。
[0098]
第二实施例
[0099]
请参考图8，提供一种用于电励磁双凸极电机的电机驱动系统，其包括dc-dc调压电路、桥式电路以及电机驱动控制系统。第二实施例与第一实施例的区别在于：第二实施例中的dc-dc调压电路为同步降压电路。
[0100]
下面结合图6、图8和图9，来对本发明可变直流母线电压vo的电机驱动控制方法进行说明，具体包括如下步骤：
[0101]
步骤s1:将上位机输出的参考速度信号送入直流电压计算模块106，直流电压计算
模块106根据接收到的参考速度信号计算出直流电压参考值，并将直流电压参考值送入直流电压控制器107。
[0102]
步骤s2：通过直流电压控制器107将直流电压参考值与通过电压采样模块采集获得的直流母线电压vo做相减运算，并根据相减的结果调节输出至dc-dc调压电路的第一功率管s1和第二功率管s2的pwm信号的占空比，以实现对直流母线电压vo的调节。
[0103]
当电机的转速达到额定转速或超过额定转速时，调节直流母线电压vo，使得直流母线电压vo维持在电源电压；当电机的转速下降且低于额定转速时，调节直流母线电压vo，使得直流母线电压vo随电机的转速下降而线性下降；当电机的转速下降到某一低速拐点值时，调节直流母线电压vo，使得直流母线电压vo降低至某一最小值电压。
[0104]
在其它实施例中，dc-dc调压电路还可以为传统buck-boost电路，或者具有四个功率管的buck-boost电路，具体实施方式与本实施例分析思路一致，此处不再赘述。
[0105]
以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的发明构思，并不用以限制本发明，对于本技术领域的普通技术人员来说，凡在不脱离本发明原理的前提下，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。