基于五桥臂变换器的开绕组永磁同步电机驱动系统及方法技术方案

本发明专利技术公开一种基于五桥臂变换器的开绕组永磁同步电机驱动系统，五桥臂变换器包含相互并联的6开关三相变换器和4开关单相变换器，6开关三相变换器的输出端与开绕组永磁同步电机的左端绕组ABC相连，4开关单相变换器的输出端与右端绕组A′C′相连，右端绕组B′与左端绕组A相连；电流信号采集模块用于采集开绕组永磁同步电机的电流信号，位置信号采集模块用于采集开绕组永磁同步电机的电压信号，且前述电流、电压信号均送入控制器，实现转速电流双闭环控制，由驱动模块输出PWM信号，实现对五桥臂变换器的控制。此系统成本低，调速性能好。本发明专利技术还公开一种基于五桥臂变换器的开绕组永磁同步电机驱动方法。

【技术实现步骤摘要】
基于五桥臂变换器的开绕组永磁同步电机驱动系统及方法
本专利技术属于电机系统及控制领域，特别涉及一种开绕组永磁同步电机驱动系统的变换器拓扑结构及控制方法。
技术介绍
开绕组结构电机是将传统三相交流电机的中性点打开，构成具有双端口的绕组开放式结构，电机的磁路及结构没有任何改变，开绕组结构电机不改变传统电机的基本性能，并且由于中性点打开之后传统各相电机绕组之间的约束关系不再存在，各相绕组独立，可以在一定程度上提高电机本体的可靠性，并且其两个端口可以分别连接变换器，通过两端口的变换器可以协调控制各变换器承担一半的功率，并且两端口的变换器在相同绕组电流纹波的条件下，降低其开关频率，很好地满足了大功率电机系统的变换器的需求，因此开绕组结构及其控制技术的研究成为当前交流电机研究的重要拓展方向。开绕组结构电机通常与双逆变器组成驱动系统，双逆变器分别连接在开绕组电机的两个端口，双逆变器可以分别采用各自的电源供电，即双电源供电方式，通过设置两侧电源的电压等级，可以方便实现三电平、四电平的调制方式，有效抑制驱动电机绕组的电流谐波，在此基础上，将两侧逆变器扩展为三电平、五电平、七电平等等，可以衍生出多种类型的多电平开绕组电机驱动，极大地丰富了开绕组电机的研究内容。另外，为降低驱动系统的成本并减小驱动系统的复杂程度，还可以将双逆变器的直流侧并联，即电源供电方式，该拓扑结构也可以看作电机三相绕组分别连接一套H桥变换器，每相绕组可以独立控制，使得驱动系统的可靠性大幅提高，相比较单电源供电方式，系统的成本有了大幅缩减，但是共直流母线的连接方式，使得开绕组结构电机内部存在零序通路，因此其零序电流的抑制及双逆变器的矢量调制技术等成为研究热点。可见开绕组结构由于其双端口的特性使其具有极大的灵活性，辅以合适的功率变换器能够具备优良的驱动性能。目前，永磁同步电机作为电机驱动系统首选高功率密度、高效率、高性能结构类型电机，开绕组结构永磁同步电机结合相应的功率变换器能够构成具备优良特性的驱动系统，然而，现有的适合开绕组结构电机的双逆变器及其衍生的多电平逆变器拓扑结构，虽然能够很好地实现驱动控制功能，但是超过12个开关器件的变换器拓扑，大大增加了驱动系统的成本，并且控制系统的复杂程度也较高，因此针对开绕组永磁同步电机驱动系统，研究一种简化的变换器拓扑结构及其控制技术成为推广其应用领域的重要途径。
技术实现思路
本专利技术的目的，在开绕组永磁同步电机与单电源供电的双逆变器拓扑构成的驱动系统的基本工作原理基础上，提供一种基于五桥臂变换器的开绕组永磁同步电机驱动系统及方法，其成本低，调速性能好。为了达成上述目的，本专利技术的解决方案是：一种基于五桥臂变换器的开绕组永磁同步电机驱动系统，包括开绕组永磁同步电机、五桥臂变换器、控制模块及直流电源，其中，五桥臂变换器包含相互并联的6开关三相变换器和4开关单相变换器，6开关三相变换器和4开关单相变换器的直流侧均并联连接直流电源，6开关三相变换器的输出端与开绕组永磁同步电机的左端绕组ABC相连，开绕组永磁同步电机的右端绕组A′B′C′有如下6种连接方式：①开绕组永磁同步电机的右端绕组A′C′与4开关单相变换器的输出端相连，右端绕组B′与左端绕组A相连；②开绕组永磁同步电机的右端绕组A′B′与4开关单相变换器的输出端相连，右端绕组C′与左端绕组B相连；③开绕组永磁同步电机的右端绕组B′C′与4开关单相变换器的输出端相连，右端绕组A′与左端绕组C相连；④开绕组永磁同步电机的右端绕组A′C′与4开关单相变换器的输出端相连，右端绕组B′与左端绕组C相连；⑤开绕组永磁同步电机的右端绕组B′C′与4开关单相变换器的输出端相连，右端绕组A′连接左端绕组B；⑥开绕组永磁同步电机的右端绕组A′B′与4开关单相变换器的输出端相连，右端绕组C′连接左端绕组A；控制模块包括控制器及分别与之连接的电流信号采集模块、位置信号采集模块和驱动模块，电流信号采集模块用于采集开绕组永磁同步电机的电流信号，位置信号采集模块用于采集开绕组永磁同步电机的电压信号，且前述电流、电压信号均送入控制器，实现转速电流双闭环控制，由驱动模块输出PWM信号，实现对五桥臂变换器的控制。上述6开关三相变换器包含相互并联的第一至第三桥臂，4开关单相变换器包含相互并联的第四与第五桥臂，各桥臂均包含相互串联的上桥臂和下桥臂，定义上桥臂与下桥臂的连接点为该桥臂的中点，第一至第五桥臂的直流侧均并联连接直流电源，开绕组永磁同步电机的左端绕组ABC分别连接第一至第三桥臂的中点，开绕组永磁同步电机的右端绕组A′B′C′有如下6种连接方式：①开绕组永磁同步电机的右端绕组A′C′分别连接第五、第四桥臂的中点，而右端绕组B′连接左端绕组A；②开绕组永磁同步电机的右端绕组A′B′分别连接第五、第四桥臂的中点，而右端绕组C′连接左端绕组B；③开绕组永磁同步电机的右端绕组B′C′分别连接第四、第五桥臂的中点，而右端绕组A′连接左端绕组C；④开绕组永磁同步电机的右端绕组A′C′分别连接第五、第四桥臂的中点，而右端绕组B′连接左端绕组C；⑤开绕组永磁同步电机的右端绕组B′C′分别连接第四、第五桥臂的中点，而右端绕组A′连接左端绕组B；⑥开绕组永磁同步电机的右端绕组A′B′分别连接第五、第四桥臂的中点，而右端绕组C′连接左端绕组A。上述上桥臂和下桥臂均采用反并联二极管的IGBT开关。一种基于五桥臂变换器的开绕组永磁同步电机驱动方法，包括如下内容：采集开绕组永磁同步电机的转子位置信息，获得电机转子转速反馈值，将给定转速与反馈转速作差后经过PI调节器后获得电机q轴电流给定值；采集开绕组永磁同步电机的三相绕组电流，结合转子位置信息经ABC-dq坐标变换后获得d、q轴反馈电流值，电流环给定与反馈值作差后经过PI调节器输出d、q轴电压值，通过dq-αβ变换得到α、β轴电压值，合成旋转电压矢量，经SVPWM调制后产生十路PWM信号，控制五桥臂变换器中6开关三相变换器和4开关单相变换器驱动开绕组永磁同步电机实现转速、电流双闭环控制。上述五桥臂变换器中各桥臂的驱动信号具有如下限制：(1)各桥臂中的上、下桥臂的驱动信号存在严格的约束关系，上、下桥臂不能够同时开通；(2)各桥臂驱动信号存在严格的约束关系，根据开绕组永磁同步电机右端绕组的连接方式，有如下6种情况：①第一桥臂驱动信号独立，第二桥臂驱动信号与第四桥臂驱动信号相同，第三桥臂驱动信号与第五桥臂驱动信号相同；②第二桥臂驱动信号独立，第一桥臂驱动信号与第四桥臂驱动信号相同，第三桥臂驱动信号与第五桥臂驱动信号相同；③第三桥臂驱动信号独立，第一桥臂驱动信号与第四桥臂驱动信号相同，第二桥臂驱动信号与第五桥臂驱动信号相同；④第三桥臂驱动信号独立，第一桥臂驱动信号与第四桥臂驱动信号相同，第二桥臂驱动信号与第五桥臂驱动信号相同；⑤第二桥臂驱动信号独立，第三桥臂驱动信号与第四桥臂驱动信号相同，第一桥臂驱动信号与第五桥臂驱动信号相同；⑥第一桥臂驱动信号独立，第三桥臂驱动信号与第四桥臂驱动信号相同，第二桥臂驱动信号与第五桥臂驱动信号相同。针对开绕组永磁同步电机右端绕组的第①种连接方式，上述SVPWM调制的具体过程是：(1)定义每个桥臂的开关状态：上桥臂开、下桥臂关为1状态，上桥臂关、下桥臂开本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于五桥臂变换器的开绕组永磁同步电机驱动系统，其特征在于：包括开绕组永磁同步电机、五桥臂变换器、控制模块及直流电源，其中，五桥臂变换器包含相互并联的6开关三相变换器和4开关单相变换器，6开关三相变换器和4开关单相变换器的直流侧均并联连接直流电源，6开关三相变换器的输出端与开绕组永磁同步电机的左端绕组ABC相连，开绕组永磁同步电机的右端绕组A′B′C′有如下6种连接方式：①开绕组永磁同步电机的右端绕组A′C′与4开关单相变换器的输出端相连，右端绕组B′与左端绕组A相连；②开绕组永磁同步电机的右端绕组A′B′与4开关单相变换器的输出端相连，右端绕组B′与左端绕组B相连；③开绕组永磁同步电机的右端绕组B′C′与4开关单相变换器的输出端相连，右端绕组A′与左端绕组C相连；④开绕组永磁同步电机的右端绕组A′C′与4开关单相变换器的输出端相连，右端绕组B′与左端绕组C相连；⑤开绕组永磁同步电机的右端绕组B′C′与4开关单相变换器的输出端相连，右端绕组A′连接左端绕组B；⑥开绕组永磁同步电机的右端绕组A′B′与4开关单相变换器的输出端相连，右端绕组C′连接左端绕组A；控制模块包括控制器及分别与之连接的电流信号采集模块、位置信号采集模块和驱动模块，电流信号采集模块用于采集开绕组永磁同步电机的电流信号，位置信号采集模块用于采集开绕组永磁同步电机的电压信号，且前述电流、电压信号均送入控制器，实现转速电流双闭环控制，由驱动模块输出PWM信号，实现对五桥臂变换器的控制。...

【技术特征摘要】
1.一种基于五桥臂变换器的开绕组永磁同步电机驱动系统，其特征在于：包括开绕组永磁同步电机、五桥臂变换器、控制模块及直流电源，其中，五桥臂变换器包含相互并联的6开关三相变换器和4开关单相变换器，6开关三相变换器和4开关单相变换器的直流侧均并联连接直流电源，6开关三相变换器的输出端与开绕组永磁同步电机的左端绕组ABC相连，开绕组永磁同步电机的右端绕组A′B′C′有如下6种连接方式：①开绕组永磁同步电机的右端绕组A′C′与4开关单相变换器的输出端相连，右端绕组B′与左端绕组A相连；②开绕组永磁同步电机的右端绕组A′B′与4开关单相变换器的输出端相连，右端绕组C′与左端绕组B相连；③开绕组永磁同步电机的右端绕组B′C′与4开关单相变换器的输出端相连，右端绕组A′与左端绕组C相连；④开绕组永磁同步电机的右端绕组A′C′与4开关单相变换器的输出端相连，右端绕组B′与左端绕组C相连；⑤开绕组永磁同步电机的右端绕组B′C′与4开关单相变换器的输出端相连，右端绕组A′连接左端绕组B；⑥开绕组永磁同步电机的右端绕组A′B′与4开关单相变换器的输出端相连，右端绕组C′连接左端绕组A；控制模块包括控制器及分别与之连接的电流信号采集模块、位置信号采集模块和驱动模块，电流信号采集模块用于采集开绕组永磁同步电机的电流信号，位置信号采集模块用于采集开绕组永磁同步电机的电压信号，且前述电流、电压信号均送入控制器，实现转速电流双闭环控制，由驱动模块输出PWM信号，实现对五桥臂变换器的控制。2.如权利要求1所述的基于五桥臂变换器的开绕组永磁同步电机驱动系统，其特征在于：所述6开关三相变换器包含相互并联的第一至第三桥臂，4开关单相变换器包含相互并联的第四与第五桥臂，各桥臂均包含相互串联的上桥臂和下桥臂，定义上桥臂与下桥臂的连接点为该桥臂的中点，第一至第五桥臂的直流侧均并联连接直流电源，开绕组永磁同步电机的左端绕组ABC分别连接第一至第三桥臂的中点，开绕组永磁同步电机的右端绕组A′B′C′有如下6种连接方式：①开绕组永磁同步电机的右端绕组A′C′分别连接第五、第四桥臂的中点，而右端绕组B′连接左端绕组A；②开绕组永磁同步电机的右端绕组A′B′分别连接第五、第四桥臂的中点，而右端绕组C′连接左端绕组B；③开绕组永磁同步电机的右端绕组B′C′分别连接第四、第五桥臂的中点，而右端绕组A′连接左端绕组C；④开绕组永磁同步电机的右端绕组A′C′分别连接第五、第四桥臂的中点，而右端绕组B′连接左端绕组C；⑤开绕组永磁同步电机的右端绕组B′C′分别连接第四、第五桥臂的中点，而右端绕组A′连接左端绕组B；⑥开绕组永磁同步电机的右端绕组A′B′分别连接第五、第四桥臂的中点，而右端绕组C′连接左端绕组A。3.如权利要求2所述的基于五桥臂变换器的开绕组永磁同步电机驱动系统，其特征在于：所述上桥臂和下桥臂均采用反并联二极管的IGBT开关。4.一种基于五桥臂变换器的开绕组永磁同步电机驱动方法，五桥臂变换器包含相互并联的6开关三相变换器和4开关单相变换器，6开关三相变换器和4开关单相变换器的直流侧均并联连接直流电源，6开关三相变换器的输出端与开绕组永磁同步电机的左端绕组ABC相连，开绕组永磁同步电机的右端绕组A′B′C′有如下6种连接方式：①开绕组永磁同步电机的右端绕组A′C′与4开关单相变换器的输出端相连，右端绕组B′与左端绕组A相连；②开绕组永磁同步电机的右端绕组A′B′与4开关单相变换器的输出端相连，右端绕组C′与左端绕组B相连；③开绕组永磁同步电机的右端绕组B′C′与4开关单相变换器的输出端相连，右端绕组A′与左端绕组C相连；④开绕组永磁同步电机的右端绕组A′C′与4开关单相变换器的输出端相连，右端绕组B′与左端绕组C相连；⑤开绕组永磁同步电机的右端绕组B′C′与4开关单相变换器的输出端相连，右端绕组A′连接左端绕组B；⑥开绕组永磁同步电机的右端绕组A′B′与4开关单相变换器的输出端相连，右端绕组C′连接左端绕组A；控制模块包括控制器及分别与之连接的电流信号采集模块、位置信号采集模块和驱动模块，电流信号采集模块用于采集开绕组永磁同步电机的电流信号，位置信号采集模块用于采集开绕组永磁同步电机的电压信号，且前述电流、电压信号均送入控制器，实现转速电流双闭环控制，由驱动模块输出PWM信号，实现对五桥臂变换器的控制；所述6开关三相变换器包含相互并联的第一至第三桥臂，4开关单相变换器包含相互并联的第四与第五桥臂，各桥臂均包含相互串联的上桥臂和下桥臂，定义上桥臂与下桥臂的连接点为该桥臂的中点，第一至第五桥臂的直流侧均并联连接直流电源，开绕组永磁同步电机的左端绕组ABC分别连接第一至第三桥臂的中点，开绕组永磁同步电机的右端绕组A′B′C′有如下6种连接方式：①开绕组永磁同步电机的右端绕组A′C′分别连接第五、第四桥臂的中点，而右端绕组B′连接左端绕组A；②开绕组永磁同步电机的右端绕组A′B′分别连接第五、第四桥臂的中点，而右端绕组C′连接左端绕组B；③开绕组永磁同步电机的右端绕组B′C′分别连接第四、第五桥臂的中点，而右端绕组A′连接左端绕组C；④开绕组永...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏佳丹，戴胜男，周波，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32