用于双电机的逆变器拓扑结构的制作方法

本发明涉及电机控制技术领域，具体地，涉及一种用于双电机的逆变器拓扑结构。

背景技术：

近年来，在很多工业领域的应用中，例如：石油开采、电动/混合动力汽车、航空航天等，常常需要对多台电机进行高性能的控制，单台电机的逆变器拓扑已经不能满足实际需求，双电机的逆变器拓扑以及控制策略成为近年来研究的热点，考虑到成本以及控制的效果，目前都是两台电机公用几个开关管或是电容，然后对普通的SPWM或SVPWM进行相应的改进。

经过检索发现：

史婷娜、张必军、刘涛等在《中国电机工程学报》(2015,35(6):1498-1507)中发表的《五桥臂逆变器驱动的双永磁同步电机系统占空比优化调制策略[J]》，这篇论文提到了一种五桥臂拓扑，如图1所示。这种拓扑共有五个桥臂，两台电机公用其中一个桥臂，这种拓扑因为公用一个桥臂所以不能使用普通的SPWM或SVPWM，需对SPWMM或SVPWM做出相应的改变，控制比较复杂。

Ledezma E,Munoz-Garcia A,Lipo T A.A dual three-phase drive system with a reduced switch count[J].1998,1:781-788vol.1，这篇论文提到了一种四桥臂的拓扑，如图2所示。这种拓扑采用的是两个传统四开关逆变器公用直流母线电容的方式，这样带来的问题是单台电机只能通过控制两个桥臂来进行三个桥臂的控制，控制两个桥臂显然比控制三个桥臂要难且效果更差，且电容上的电流是由两台电机的公用相电流之和决定的所以电容上的电压波动会比较大。

Gao F,Zhang L,Li D,et al.Optimal pulsewidth modulation of nine-switch inverter[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2010,25(9):2331-2343，这篇论文提出了一种九开关拓扑，如图3所示。这种拓扑次采用三个桥臂，每个桥臂上有三个开关管，两个电机公用中间三个开关管Q2、Q5、Q8，电机1使用上面六个开关管Q1、Q4、Q7、Q2、Q5、Q8，电机2使用下面六个开关管Q2、Q5、Q8、Q3、Q6、Q9。这种拓扑带来的问题是，当电机1工作时，下三开关管Q3、Q6、Q9必须全部导通，电机2就失控，相应电机2工作时上三开关管Q1、Q4、Q7必须全部开通，电机1就失控。总的来说，控制难度较高，难以独立控制。

现有的双电机的拓扑缺点是都需要公用开关管或者电容，所以使用传统的SPWM或SVPWM电机是不能正常运行的，需要对SPWM或SVPWM做相应的更改，这样的话控制难度变高，且控制效果不如使用传统的SPWM或SVPWM。

经过检索发现：专利申请号为201510032368.0，发明名称为《双电机驱动逆变器》的中国专利申请，提出了一种新的双电机拓扑，如图10所示。其中，第一电机的第一中心线与正母线连接，第一电机的三相分别连接三个开关管桥臂的中点，第二电机的第二中心线与负母线连接，第二电机的三相分别连接另外三个开关管桥臂的中点，每个开关管桥臂由一个晶体管和一个二极管组成，每个开关管管导通与否，决定了与该开关管桥臂相连的电机的相电压，再利用各个开关管桥臂的占空比，来控制电机的运转。该专利申请提出的拓扑虽然所用的开关管数量只有6个，但是这种拓扑牺牲了两台电机运转的独立性，两台电机因为公用三个桥臂所以很难独立运转。

目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中存在的传统的双电机的逆变器拓扑两台电机通常公用开关管或者电容带来的控制复杂、难以真正实现独立控制等问题，提出了一种用于双电机的逆变器拓扑结构，该拓扑结构真正实现了两台电机不共用开关管或电容，真正达到了两台电机的独立控制，控制难度也大大减小。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的。

一种用于双电机的逆变器拓扑结构，包括正母线、负母线、第一电容、第二电容、第一开关管桥臂、第二开关管桥臂、第三开关管桥臂、第四开关管桥臂以及第五开关管桥臂，所述第一开关管桥臂、第二开关管桥臂、第三开关管桥臂、第四开关管桥臂以及第五开关管桥臂连接于正母线、负母线之间，并且五个桥臂之间互为并联关系；所述第一电容和第二电容串联连接于正母线和负母线之间，所述第一电容和第二电容形成的串联支路与五个桥臂之间形成并联关系；

所述第一电容、第二电容、第一开关管桥臂和第二开关管桥臂构成三相四开关逆变器，所述第三开关管桥臂、第四开关管桥臂和第五开关管桥臂构成三相电压型全桥逆变器；

双电机中的第一电机的三相电源线分别与第一电容和第二电容的串联支路、第一开关管桥臂、第二开关管桥臂相连，形成第一电机与三相四开关逆变器的控制连接；

双电机中的第二电机三相电源线分别与第三开关管桥臂、第四开关管桥臂、第五开关管桥臂连接，形成第二电机与三相电压型全桥逆变器控制连接。

优选地：

所述第一开关管桥臂，包括第一开关管和第二开关管，所述第一开关管和第二开关管串联连接于正母线和负母线之间；

所述第二开关管桥臂，包括第三开关管和第四开关管，所述第三开关管和第四开关管串联连接于正母线和负母线之间；

第一电机的三相电源线，分别连接在第一电容和第二电容之间、第一开关管和第二开关管之间、第三开关管和第四开关管之间。

优选地，所述第三开关管桥臂，包括第五开关管和第六开关管，所述第五开关管和第六开关管串联连接于正母线和负母线之间；

所述第四开关管桥臂，包括第七开关管和第八开关管，所述第七开关管和第八开关管串联连接于正母线和负母线之间；

所述第五开关管桥臂，包括第九开关管和第十开关管，所述第九开关管和第十开关管串联连接于正母线和负母线之间；

第二电机的三相电源线，分别连接在第五开关管和第六开关管之间、第七开关管和第八开关管之间、第九开关管和第十开关管之间。

优选地，所述第一电容和第二电容分别为电解电容。

优选地，所述第一～第十开关管采用MOS管、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)或双极性晶体管(bipolar transistor)。

本发明提供的用于双电机的逆变器拓扑结构，采用两个串联电容以及五个开关管桥臂，可以看成第一电机由三相四开关逆变器控制，第二电机由三相电压型全桥逆变器控制。

本发明提供的用于双电机的逆变器拓扑结构，其拓扑结构看似和现有五桥臂拓扑结构一样，其实有很大区别：在现有五桥臂拓扑结构中两台电机公用一个桥臂，而本发明中的拓扑结构两台电机并没有共用一个桥臂，第一电机与三相四开关逆变器相连，第二电机与三相电压型全桥逆变器相连，两台电机之间的控制不会相互影响，控制更加简单并且效果更好，但是采用的开关数量却和现有五桥臂拓扑结构的一样，所以这种拓扑结构相比之前的双电机拓扑是很大的改进。

具体在控制时，可以按照对普通三相四开关逆变器的控制对第一电机进行控制，按照对三相电压型逆变器的控制对第二电机进行控制。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提供的用于双电机的逆变器拓扑结构，可以真正实现独立控制，控制更简单，且控制效果更好。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为现有五桥臂主电路结构；

图2为现有四桥臂主电路结构；

图3为现有九开关主电路结构；

图4为本发明提供的用于双电机的逆变器拓扑结构示意图；

图5为本发明实施例中第一电机/第二电机的逆变侧控制方法示意图；

图6为第一电机的转速跟踪波形；

图7为第二电机的转速跟踪波形；

图8为第一电机的转矩跟踪波形；

图9为第二电机的转矩跟踪波形；

图10为背景技术中双电机驱动逆变器的拓扑结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

实施例

本实施例提供了一种用于双电机的逆变器拓扑结构，包括正母线、负母线、第一电容C1、第二电容C2、第一开关管桥臂、第二开关管桥臂、第三开关管桥臂、第四开关管桥臂以及第五开关管桥臂，所述第一开关管桥臂、第二开关管桥臂、第三开关管桥臂、第四开关管桥臂以及第五开关管桥臂连接与正母线、负母线之间，并且五个桥臂之间互为并联关系；所述第一电容C1和第二电容C2串联连接于正母线和负母线之间，两电容形成的串联支路与五个桥臂之间形成并联关系；

双电机中的第一电机分别与第一电容C1、第二电容C2、第一开关管桥臂和第二开关管桥臂相连，形成第一电机与三相四开关逆变器的控制连接，双电机中的第二电机分别与第三开关管桥臂、第四开关管桥臂和第五开关管桥臂连接，形成第二电机与三相电压型全桥逆变器控制连接。

其中：

第一电容C1和第二电容C2串联连接于所述正母线和所述负母线之间；第一电机的a相电源线连接在第一电容C1和第二电容C2之间；

第一开关管桥臂，连接于所述正母线和所述负母线之间，主要由串联连接的第一开关管Q1和第二开关管Q2组成；第一电机的b相电源线连接在第一开关管Q1和第二开关管Q2之间；

第二开关管桥臂，连接于所述正母线和所述负母线之间，主要由串联连接的第三开关管Q3和第四开关管Q4组成；第一电机的c相电源线连接在第三开关管Q3和第四开关管Q4之间；

第三开关管桥臂，连接于所述正母线和所述负母线之间，主要由串联连接的第五开关管Q5和第六开关管Q6组成；第二电机的a相电源线连接在第五开关管Q5和第六开关管Q6之间；

第四开关管桥臂，连接于所述正母线和所述负母线之间，主要由串联连接的第七开关管Q7和第八开关管Q8组成；第一电机的b相电源线连接在第七开关管Q7和第八开关管Q8之间；

第五开关管桥臂，连接于所述正母线和所述负母线之间，主要由串联连接的第九开关管Q9和第十开关管Q10组成，第一电机的c相电源线连接在第九开关管Q9和第十开关管Q10之间；

进一步地，所述第一电容C1和第二电容C2分别为电解电容。

进一步地，所述第一开关管Q1～第十开关管Q10采用MOS管、IGBT或双极性晶体管。

本实施例提出一种用于双电机的逆变器拓扑结构，主要包括两个串联电容以及五个开关管桥臂，结构类似于现有五桥臂逆变器拓扑，但控制却比现有五桥臂逆变器简单且控制效果会比五桥臂逆变器更好。

本实施例所提出的用于双电机的逆变器拓扑结构，如图4所示，可以看成第一电机1由三相四开关逆变器控制，第二电机2是由三相电压型全桥逆变器控制。

如图4所示，三相四开关逆变器由第一电容C1、第二电容C2、第一开关管～第四开关管Q1、Q2、Q3、Q4构成；三相电压型全桥逆变器由图4中的第五开关管～第十开关管Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10构成。

本实施例的用于双电机的逆变器拓扑结构看似和现有五桥臂拓扑结构一样，其实有很大区别。在现有五桥臂拓扑结构中两台电机公用一个桥臂，而本实施例的拓扑结构两台电机并没有共用一个桥臂，第一电机1与三相四开关逆变器相连，第二电机2与三相电压型全桥逆变器相连，两台电机之间的控制不会相互影响，控制更加简单并且效果更好，但是采用的开关数量却和五桥臂是一样的，所以这种拓扑相比之前的双电机拓扑是很大的改进。

具体在控制时，按照对普通三相四开关逆变器的控制对第一电机1进行控制，按照对三相电压型逆变器的控制对第二电机2进行控制。

本实施例可以真正实现独立控制，控制更简单，且控制效果更好。

本实施例经过试验验证，结果符合预期。

本实施例采用的网侧电压为幅值为311V工频正弦波，各硬件参数分别如下：输入电感L为1mH，电容组选用两个470μF进行串联，开关器件为600V，25A的IGBT，开关频率设置为10kHz。电机1为内置式永磁同步电机，电机参数如下：直轴电感为6.9mH，交轴电感为10.7mH，定子相电阻为0.8Ω，永磁磁链为0.088366Wb，电机极对数为3，额定功率为1.35kW，额定转速为5400rpm；电机2为表贴式永磁同步电机，电机参数如下：直轴电感为67.5mH，交轴电感为67.5mH，定子相电阻为7.1Ω，永磁磁链为0.421Wb，电机极对数为4，额定功率为560W，额定转速为850rpm。

为了证明两个电机可以任意使用SPWM或者SVPWM，本实施例对第一电机1的逆变器使用SVPWM，对第二电机2的逆变器使用SPWM。使用如图5所示的电流内环转速外环的双闭环控制策略，同时两台电机都是用弱磁，所以i_q的给定来自于转速环的输出，i_d的给定采用下式：

其中，Ψ_m是转子磁链，L_d是d轴电感，V_om是第一电机1或第二电机2可以达到的相电压基波幅值，ω是第一电机1或第二电机2的电角速度，L_q是q轴电感，i_q是q轴电流，i_d是d轴电流。

第一电机1的转速环PI调节器参数设置为Kp＝100，Ki＝0.1，输出限幅为±15A。dq轴电流PI调节器参数设置为Kp＝50，Ki＝10，输出限幅为±300V。

第二电机2的转速环PI调节器参数设置为Kp＝0.1，Ki＝1，输出限幅为±15A。dq轴电流PI调节器参数设置为Kp＝5000，Ki＝1000，输出限幅为±300V。

第一电机1的参考转速为5400rpm，转速跟踪波形如图6所示；

第二电机2的参考转速为850rpm，转速跟踪波形如图7所示。

第一电机1的额定转矩为6.3N.m，转矩跟踪波形如图8所示；

第二电机2的额定转矩为2.38N.m，转矩跟踪波形如图9所示。

试验结果表明电机能够最终稳定在给定转速以及给定的负载转矩，验证了本实施例的可行性。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。