调速电机驱动器的供电电源的制作方法

本实用新型实施例涉及电动机技术领域，具体涉及一种调速电机驱动器的供电电源。

背景技术：

目前，在电动汽车领域应用比较广泛的调速电机主要为异步调速电机、开关磁阻调速电动机、永磁调速电机等，在现有调速系统中，开关磁阻调速电动机的逆变控制器通常采用多组不对称半桥电路，用以分别控制各相电机绕组中的电流。

如图1所示，逆变控制器包括三个不对称半桥电路，分别控制三相电机绕组，虚线框内示出其中一个不对称半桥电路，电池E用于提供直流电压，经C1后输入不对称板桥电路，采用脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，简称PWM)方式对三相绕组内的电流进行控制。经过调制后的电压使电机绕组在正向转矩区间产生电流，继而产生正向转矩驱动电机旋转。开关磁阻调速电机的相电流的建立时间、回零时间及纹波大小对转矩响应、转矩脉动及噪音等性能参数有很重要的影响，因此如何优化这些指标至关重要。

目前，由于开关磁阻调速电动机自身的控制特性，电流在需要励磁段与退磁段快速建立与快速降低，即需要很高的瞬时电压，而在电流稳态阶段又需要较小的纹波，即很小的电压。同时，用于开关磁阻调速电动机的逆变控制器输出的直流电压值为固定值，经过PWM技术输出的电压只有E，0，-E三种。这些问题导致逆变电路对电机的控制不够灵活，特别在电机设计和控制中不能兼顾电机低速状态和高速状态，对于调速范围比较大的车用应用场合，只能对二种状态的控制策略进行折中，以满足综合的性能指标要求。例如，在低速状态下，电机的反电动势很小，仅需要很小的电源电压即可满足控制诉求。此时需要使用PWM技术控制控制开关管Sa1、Sa2的开通和关断，以改变逆变控制器的平均输出电压Va，从而实现对电机转速的控制。由于PWM技术是通过不断使电路导通和截止来实现降低电压平均值，会使电机绕组产生较大的电流纹波，可能造成转矩脉动和电磁干扰等问题，从而对电机的性能造成不良影响。在高速状态下，因电动机的反电动势增大，电压值接近甚至高于电池E的电压。因此，在传统逆变控制器中必须增加电池供电电压或改变电机设计才能满足电机高速高功率输出的诉求。

技术实现要素：

为此，本实用新型实施例提供一种调速电机驱动器的供电电源，以解决现有技术中由于逆变控制器输出的电压值单一以及开关磁阻调速电动机在励磁段、退磁段和电流保持段对电压需求不同而导致的逆变控制器对开关磁阻调速电动机控制不灵活的问题。

为了实现上述目的，本实用新型的实施方式提供如下技术方案：

在本实用新型的实施方式的第一方面中，提供了一种调速电机驱动器的供电电源，其特征在于，所述电源包括动力电池、蓄能器、二极管D1、二极管D2以及控制开关S1，其中，

所述动力电池的正极电连接二极管D1的正极，二极管D1的负极电连接该电源的第一输出端，所述动力电池的负极电连接该电源的第二输出端；

所述蓄能器的第一端电连接该电源的第一输出端，所述蓄能器的第二端电连接二极管D2的负极；

二极管D2的正极电连接该电源的第二输出端；

所述控制开关S1的第一端电连接所述动力电池的正极，所述控制开关S1的第二端电连接蓄能器的第二端。

其中，所述蓄能器为动力电池，所述蓄能器的第一端为所述动力电池的正极，所述蓄能器的第二端为所述动力电池的负极。

其中，所述蓄能器为超级电容。

在本实用新型的一个实施例中，所述电源还包括支撑电容C1和支撑电容C2，其中，

所述支撑电容C1的第一端电连接所述动力电池的正极，所述支撑电容C1的第二端电连接动力电池的负极；

所述支撑电容C2的第一端电连接电源的第一输出端，所述支撑电容C2的第二端电连接所述蓄能器的第二输出端。

在本实用新型的另一实施例中，所述控制开关包括场效应管和二极管D3，所述二极管D3的正极电连接所述场效应管的源极，所述二极管D3的负极电连接所述场效应管的漏极；

或者，所述控制开关包括IGBT和二极管D3，所述二极管D3的正极电连接所述IGBT的源极，所述二极管D3的负极电连接所述IGBT的漏极。

根据本实用新型的实施方式，调速电机驱动器的供电电源具有如下优点：调速电机驱动器的供电电源通过动力电池和蓄能器提供能量，控制开关S1的第一端电连接所述动力电池的正极，所述控制开关S1的第二端电连接蓄能器的第二端，二极管D1的正极和负极分别电连接动力电池的正极和电源的第一输出端，二极管D2的正极和负极分别电连接动力电池的负极和蓄能器的第二端。当控制开关S断开时，动力电池E1和动力电池E2并联，输出的最大电压为动力电池的最大电压U(假设动力电池E1和动力电池E2的最大输出电压为U)。当控制开关S1闭合时，动力电池E1和动力电池E2串联，电源输出的最大电压接近两倍动力电池E1的电压U，即2×U。因此，通过PWM技术控制，该电源可以提供四种电压，即2×U、U、0以及-2×U。该电源输出更多种电压，新增了双倍输出电压快速励磁和退磁，提升了逆变控制器的控制能力；而且加快了电流上升、下降的速度，实现了输出电压的快速变换，有效地减小了电流的拖尾现象，防止电流进入制动区域，降低了损耗转矩脉动，提升了电磁兼容性，提高调速电机的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1为本实用新型背景技术中提及的逆变控制器的拓扑图；

图2为本实用新型的一实施例提供的调速电机驱动器的供电电源的拓扑图；

图3为本实用新型的另一实施例提供的调速电机驱动器的供电电源的拓扑图；

图4为本实用新型的另一实施例提供的调速电机在一个控制周期的电流与电感变化曲线。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

本实施例提供一种调速电机驱动器的供电电源。如图2所示，电源包括动力电池、蓄能器、二极管D1、二极管D2以及控制开关S1，其中，

动力电池的正极电连接二极管D1的正极，二极管D1的负极电连接该电源的第一输出端，动力电池的负极电连接该电源的第二输出端；蓄能器的第一端电连接该电源的第一输出端，蓄能器的第二端电连接二极管D2的负极；二极管D2的正极电连接该电源的第二输出端；控制开关S1的第一端电连接动力电池的正极，控制开关S1的第二端电连接蓄能器的第二端。

控制开关S1包括场效应管和二极管D3，二极管D3的正极电连接场效应管的源极，二极管D3的负极电连接场效应管的漏极。

在本实施例中，蓄能器为动力电池E2，蓄能器的第一端为动力电池E2的正极，蓄能器的第二端为动力电池E2的负极。即，本实施例的电源采用双电池结构。

当控制开关S1断开时，动力电池E1和动力电池E2并联，输出的最大电压为动力电池的最大电压U(假设动力电池E1和动力电池E2的最大输出电压为U)。

当控制开关S1闭合时，动力电池E1和动力电池E2串联，电源输出的最大电压接近两倍动力电池E1的电压U，即2×U。因此，在驱动器控制中，该电源可以提供四种电压，即2×U、U、0以及-2×U。相对于现有驱动器供电电源技术输出三种电压而言，该电源输出更多种电压，提升了逆变控制器的控制能力，可以兼顾电机在低速和高速状态下对供电电压的不同要求；而且电压的最大输出值提高了两倍，加快了电流上升、下降的速度，实现了输出电压的快速变换，有效地减小了电流的拖尾现象，防止电流进入制动区域，降低了损耗转矩脉动，提升了电磁兼容性，提高调速电机的效率。

作为本实施例的一个优选实施例，电源还包括支撑电容C1和支撑电容C2，其中，支撑电容C1的第一端电连接动力电池的正极，支撑电容C1的第二端电连接动力电池的负极；支撑电容C2的第一端电连接电源的第一输出端，支撑电容C2的第二端电连接蓄能器的第二输出端。支撑电容C1和支撑电容C2能够缓冲充电时电压的冲击。

实施例2

本实施例提供一种调速电机驱动器的供电电源。如图3所示，电源包括动力电池、蓄能器、二极管D1、二极管D2以及控制开关S1，其中，蓄能器为超级电容C3，也就是说，本实施例是利用超级电容代替实施例1中的动力电池E2。本实施例的其它结构与实施例1相同。

具体地，动力电池的正极电连接二极管D1的正极，二极管D1的负极电连接该电源的第一输出端，动力电池的负极电连接该电源的第二输出端；蓄能器的第一端电连接该电源的第一输出端，蓄能器的第二端电连接二极管D2的负极；二极管D2的正极电连接该电源的第二输出端；控制开关S1的第一端电连接动力电池的正极，控制开关S1的第二端电连接蓄能器的第二端。

控制开关S1包括场效应管和二极管D3，二极管D3的正极电连接场效应管的源极，二极管D3的负极电连接场效应管的漏极。

在车辆开启时，动力电池E1接入系统，此时该电源进入准备阶段。动力电池E1的能量经二极管D1和二极管D2给超级电容C3充电。直到动力电池E1的电压与超级电容C3两端的电压相等时进入平衡状态，此时电源准备阶段结束。

当控制开关S断开时，动力电池E1和超级电容C3并联，输出的最大电压为动力电池E1的最大电压U(假设动力电池E1的最大输出电压为U)。控制开关S1闭合时，动力电池E1和超级电容C3串联，电源输出的最大电压接近两倍动力电池E1的电压U，即2×U。因此，在驱动器控制中，该电源可以提供四种电压，即2×U、U、0以及-2×U。该电源输出更多种电压，提升了逆变控制器的控制能力；而且电压的最大输出值提高了两倍，加快了电流上升、下降的速度，实现了输出电压的快速变换，有效地减小了电流的拖尾现象，防止电流进入制动区域，降低了损耗转矩脉动，提升了电磁兼容性，提高调速电机的效率。

在制动过程中，由于二极管D1和二极管D2的存在，逆变制动器中的励磁电路产生的制动能量全部回收给超级电容C3充电，当再次电动时，由于超级电容C3的电压超过动力电池E1的电压，此时动力全部由超级电容C3输出。即在频繁制动电动的过程中，逆变控制器只使用超级电容作为充放电的蓄能器，动力电池E1几乎不参与频繁充放电的过程。该电源充分的利用了超级电容C3适用于频繁充放电过程的优势，减少了动力电池E1在频繁制动电动时的损耗，提升了电源的性能，改善了动力电池频繁充放电的使用环境，延长了动力电池使用寿命。

作为本实施例的一个优选实施例，电源还包括支撑电容C1和支撑电容C2，其中，支撑电容C1的第一端电连接动力电池的正极，支撑电容C1的第二端电连接动力电池的负极；支撑电容C2的第一端电连接电源的第一输出端，支撑电容C2的第二端电连接蓄能器的第二输出端。支撑电容C1和支撑电容C2能够缓冲充电时电压的冲击。

实施例3

本实施例提供一种逆变控制器。如图1所示，逆变控制器包括电源和励磁电路，电源的第一输出端和第二输出端分别与励磁电路的第一输入端和第二输入端电连接。电源采用实施例1中提供的电源。

在本实施例中，逆变控制器适用于单路励磁电路，也适用于两路、三路或更多路励磁电路。下面以并联的三个励磁电路为例，分别为电动机的三相A、B、C提供电能，为便于描述，以下仅对A相对应的励磁电路进行介绍，B相和C相的励磁电路与之相同。

A相对应的励磁电路包括场效应管Sa1、场效应管Sa2、二极管Da1和二极管Da2，其中，场效应管Sa1的漏极电连接励磁电路的第一输入端，场效应管Sa1的源极电连接励磁电路的第一输出端；

场效应管Sa2的漏极电连接励磁电路的第二输出端，场效应管Sa2的源极电连接励磁电路的第二输入端；

二极管Da1的正极电连接励磁电路的第二输出端，二极管Da1的负极电连接励磁电路的第一输入端；

二极管Da2的正极电连接励磁电路的第二输入端，二极管Da2的负极电连接励磁电路的第一输出端。

作为本实施例的一个变型实施例，逆变控制器中的电源采用实施例2提供的电源。电源的结构详见实施例2，在此不再赘述。逆变器的其它结构与本实施例相同，在此不再赘述。

本实施例提供的逆变控制器不仅提供了四种输出电压，提升了逆变控制器的控制能力；而且电压的最大输出值提高了两倍，加快了电流上升、下降的速度，在不改变励磁及退磁电压情况下，将母线电压减半，减小电源及母线原件耐压等级的同时，降低电动机低速状态时的电机绕组电流纹波，同时可以解决高速状态下的反电动势接近甚至超过直流电压的问题，实现了输出电压的快速变换，有效地减小了电流的拖尾现象，防止电流进入制动区域，降低了损耗转矩脉动，提升了电磁兼容性，提高调速电机的效率。

实施例4

本实施例提供一种调速电机，包括逆变控制器和电动机，逆变控制器的第一输出端和第二输出端分别与电动机的两个接线端电连接，逆变控制器实施例3及其变型实施例提供的逆变控制器。逆变器的结构详见实施例3，在此不再赘述。

电动机为三相电动机，逆变控制器包括三个励磁电路，三个励磁电路的第一输出端和第二输出端分别电连接电动机其中一相的两接线端。

下面介绍本实施例提供的调速电机在一个控制周期的电流与电感变化的情况。

如图4所示，理想的电流波为θo′n、ias与θoff包围的矩形区域Ⅰ，由于开关磁阻电机的特性可知电流在电感上升的区间内产生正向转矩，在电感下降的区间产生负转矩，在该区域内电流只产生正向平稳的转矩，因此，开关磁阻电机的电流波形越接近该矩形性能越好。由于传统结构只能输出单倍的电压，同样情况下电流上升速度慢，所以产生的实际电流只能为θon、ias与θ2包围的梯形区域，不难看出，电流进入制动区域，在输出轴上可能会产生扭矩，这将严重影响调速电机的效率，而且在一个周期内转矩正负交替容易产生严重的噪声和震动。在图4中，传统结构的上升时间为T1，传统结构的下降时间为T2，本申请提供的逆变控制器的上升时间为t1，下降时间为t2，可以看出本申请的逆变控制器的上升时间和下降时间比传统结构大大降低。在电流下降时间，产生制动扭矩，本申请能够减少、甚至消除负转矩。

本实施例采用了实施例3提供的逆变控制器，通过控制开关S1的闭合和断开，电源输出的最高电压为动力电池的电压的两倍，可以有效提升电流上升及下降速率，实际电流为ias和电流上升、下降速率提升后电流特性更接近理想矩形，有着比传统结构更优的动态特性，从而有效地减小电流拖尾现象，防止电流进入制动区域，进而大幅度提高电机效率。在提高动态特性的同时，在ias区域使用动力电池E1的最大输出电压U与0电压的组合，使电流在稳态区域保持较小的纹波，降低了损耗转矩脉动提升了电磁兼容性。

本实施例提供的调速电机根据四种输出电压，提升了逆变控制器的控制能力；而且电压的最大输出值提高了两倍，加快了电流上升、下降的速度，在不改变励磁及退磁电压情况下，将母线电压减半，减小电源及母线原件耐压等级的同时，降低电动机低速状态时的电机绕组电流纹波，同时可以解决高速状态下的反电动势接近甚至超过直流电压的问题，实现了输出电压的快速变换，有效地减小了电流的拖尾现象，防止电流进入制动区域，降低了损耗转矩脉动，提升了电磁兼容性，从而提高调速电机的效率，优化了调速电机的性能。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。