基于三相九开关变换器的双定子双凸极电机驱动系统技术方案

本发明专利技术公开了基于三相九开关变换器的双定子双凸极电机驱动系统，属于双凸极电机控制技术领域。双定子双凸极电机为共轴的两段式转子互错角度的六相双凸极电机。三相九开关变换器由三相桥臂构成，每个桥臂有上中下三个开关管，双定子双凸极电机的第一段电机三相绕组分别连接于三相九开关变换器的第一桥臂上、中管之间、第二桥臂的上、中管之间、第三桥臂的上、中管之间；第二段电机U、V、W三相绕组分别连接于三相九开关逆变器的第一桥臂的中、下管之间、第二桥臂的中、下管之间、第三桥臂的中、下管之间。本发明专利技术相比于传统双定子双凸极电机驱动系统用采用的双三相逆变器拓扑，开关器件的个数可以削减25％，并且不存在桥臂直通的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电机系统及控制领域，涉及一种双定子双凸极电机驱动系统拓扑结构及其控制方法。
技术介绍
双凸极电机是在开关磁阻电机的基础上发展出来的一种新型电机。该电机的结构外形与开关磁阻电机类似，转子上没有永磁体和电枢绕组，适合高速运行；由于双凸极电机能在一个周期的正负半周均能出力，使得电机单位体积的出力大大增加。双凸极电机结构具有交流电机的结构简单、运行可靠的优点，同时又具有直流电机的调速性能好、运行效率高的诸多特点，使得双凸极电机具有很广泛的应用前景。越来越多的国内外学者不断的对双凸极电机的本体设计、和控制算法进行优化。由于双凸极电机能够在高速、高温等恶劣条件下稳定运行，这也使它有很宽的应用领域：电动汽车，风力发电，航空航天。随着人们对电机体积、容量、可靠性以及容错性等提出了更高的要求，双定子双凸极电机应运而生。相对于传统双凸极电机，该电机采用双定子的结构，即每段电机有不同的定子、转子，两段电机的转子共轴并互错60°电角度。这样的双定子结构的双凸极电机不但可以增加输出转矩、减小转矩脉动，而且可以提高电机的容量和运行的可靠性。
技术实现思路
本专利技术的目的是在双定子双凸极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，提出的一种基于三相九开关变换的双定子双凸极电机驱动系统拓扑结构及其控制方法。上述目的是通过如下技术方案实现的：一种基于三相九开关变换器的双定子双凸极电机驱动系统，包括双定子双凸极电机、三相九开关变换器、控制器、采样电路和直流电源；所述双定子双凸极电机为12/8结构，定子分为两段，并行放置，第一段定子具有独立的三相电枢绕组A、B、C，第二段定子具有独立的三相电枢绕组U、V、W，转子共轴并错开60°电角度，所述三相九开关变换器包括IGBT开关管Q1～Q9，其中，Q1-Q4-Q7依次连接构成第一桥臂，Q2-Q5-Q8连接构成第二桥臂，Q3-Q6-Q9连接构成第三桥臂，第一、第二、第三桥臂并联连接直流电源；所述三相九开关变换器具有两个三相功率输出端，分别与双定子双凸极电机的第一段电机定子三相电枢绕组A、B、C和第二段电机定子三相电枢绕组U、V、W相连；采样电路将采集到的双定子双凸极电机的六相电流信号、转子位置信号送入控制器中，控制器输出九路PWM信号驱动三相九开关变换器，将直流电源转换为交流电驱动双定子双凸极电机，实现对转速外环和电流内环的双闭环控制。本专利技术的进一步设计在于：双定子双凸极电机中的A相电枢绕组超前U相电枢绕组60°电角度，B相电枢绕组超前V相电枢绕组60°电角度，C相电枢绕组超前W相电枢绕组60°电角度；所述采样电路包括电流采样电路和转子位置采样电路。所述第一桥臂的上管Q1和中管Q4相连，第二桥臂的上管Q2和中管Q5相连，第三桥臂的上管Q3和中管Q6相连，构成上三相功率输出端；第一桥臂的中管Q4和下管Q7相连，第二桥臂的中管Q5和下管Q8相连，第三桥臂的中管Q6和下管Q9相连，构成下三相功率输出端；双定子双凸极电机的两段电机分别连接于三相九开关变换器的上、下三相功率输出端，其中，双定子双凸极电机第一段电机的A、B、C三相电枢绕组分别连接于三相九开关变换器第一桥臂的上管Q1和中管Q4之间、第二桥臂的上管Q2和中管Q5之间、第三桥臂的上管Q3和中管Q6之间；双定子双凸极电机第二段电机的U、V、W三相电枢绕组分别连接于三相九开关变换器第一桥臂的中管Q4和下管Q7之间、第二桥臂的中管Q5和下管Q8之间、第三桥臂的中管Q6和下管Q9之间。采用上述双定子双凸极电机驱动系统的控制方法，该方法中，根据双定子双凸极电机电枢绕组磁链变化，将一个周期分成6个不同工作模态，分别如下：模态Ⅰ：A相电枢绕组磁链增大，U相电枢绕组磁链不变，B相电枢绕组磁链不变，V相电枢绕组磁链减小，C相电枢绕组磁链减小，W相电枢绕组磁链增大；模态Ⅱ：A相电枢绕组磁链增大，U相电枢绕组磁链增大，B相电枢绕组磁链不变，V相电枢绕组磁链不变，C相电枢绕组磁链减小，W相电枢绕组磁链减小；模态Ⅲ：A相电枢绕组磁链减小，U相电枢绕组磁链增大，B相电枢绕组磁链增大，V相电枢绕组磁链不变，C相电枢绕组磁链不变，W相电枢绕组磁链减小；模态Ⅳ：A相电枢绕组磁链减小，U相电枢绕组磁链减小，B相电枢绕组磁链增大，V相电枢绕组磁链增大，C相电枢绕组磁链不变，W相电枢绕组磁链不变；模态Ⅴ：A相电枢绕组磁链不变，U相电枢绕组磁链减小，B相电枢绕组磁链减小，V相电枢绕组磁链增大，C相电枢绕组磁链增大，W相电枢绕组磁链不变；模态Ⅵ：A相电枢绕组磁链不变，U相电枢绕组磁链不变，B相电枢绕组磁链减小，V相电枢绕组磁链减小，C相电枢绕组磁链增大，W相电枢绕组磁链增大；由于第二段定子UVW三相电枢绕组在换相续流过程中，会使第一段定子ABC三相电枢绕组处于不导通状态的电枢绕组流过一个正向电流，为了消除该正向电流，并对上述模态Ⅱ、Ⅳ和Ⅵ进一步划分如下：将模态Ⅱ分成两部分：在Iv(V相电流)续流到0之前称模态Ⅱ-1；在Iv续流到0后称模态Ⅱ-2；将模态Ⅳ分成两部分：在Iw(W相电流)续流到0之前称模态Ⅳ-1；在Iw续流到0后称模态Ⅳ-2；将模态Ⅵ分成两部分：在Iu(U相电流)续流到0之前称模态Ⅵ-1；在Iu续流到0后称模态Ⅵ-2；该控制方法包括以下步骤：第一，控制器实时采集转子位置信号，判断电机在哪种模态下运行，得到对应上述9种模态下开关管的导通逻辑和电机的运行方式的基本控制信号：模态Ⅰ：开关管Q1、Q6、Q8处于导通状态，A相电枢绕组通正电，C相电枢绕组通负电，W相电枢绕组通正电，V相电枢绕组通负电，且A、C、W、V四相电枢绕组处于串联状态；模态Ⅱ-1：开关管Q1、Q4、Q9处于导通状态，A相电枢绕组、C相电枢绕组处于续流状态，W相电枢绕组、V相电枢绕组处于续流状态；模态Ⅱ-2：开关管Q1、Q4、Q6、Q9处于导通状态，A相电枢绕组通正电，C相电枢绕组通负电，U相电枢绕组通正电，W相电枢绕组通负电，A、C两相电枢绕组与U、W两相电枢绕组处于并联状态；模态Ⅲ：开关管Q2、Q4、Q9处于导通状态，B相电枢绕组通正电，A相电枢绕组通负电，U相电枢绕组通正电，W相电枢绕组通负电，且B、A、U、W四相电枢绕组处于串联状态；模态Ⅳ-1：开关管Q2、Q5、Q7处于导通状态，B相电枢绕组、A相电枢绕组处于续流状态，U相电枢绕组、W相电枢绕组处于续流状态；模态Ⅳ-2：开关管Q2、Q4、Q5、Q7处于导通状态，B相电枢绕组通正电，A相电枢绕组通负电，V相电枢绕组通正电，U相电枢绕组通负电，B、A两相电枢绕组与V、U两相电枢绕组处于并联状态；模态Ⅴ：开关管Q3、Q5、Q7处于导通状态，C相电枢绕组通正电，B相电枢绕组通负电，V相电枢绕组通正电，U相电枢绕组通负电，且C、B、V、U四相电枢绕组处于串联状态；模态Ⅵ-1：开关管Q3、Q6、Q8处于导通状态，C相电枢绕组、B相电枢绕组处于续流状态，V相电枢绕组、U相电枢绕组处于续流状态；模态Ⅵ-2：开关管Q3、Q5、Q6、Q8处于导通状态，C相电枢绕组通正电，B相电枢绕组通负电，W相电枢绕组通正电，V相电枢绕组通负电，C、B两相电枢绕组与W、V两相电枢绕组处于并联状态；第二，控制器根据采集的转子位置信号，通过计算获得电机反馈本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于三相九开关变换器的双定子双凸极电机驱动系统，其特征在于：包括双定子双凸极电机、三相九开关变换器、控制器、采样电路和直流电源；所述双定子双凸极电机为12/8结构，定子分为两段，并行放置，第一段定子具有独立的三相电枢绕组A、B、C，第二段定子具有独立的三相电枢绕组U、V、W，转子共轴并错开60°电角度，所述三相九开关变换器包括IGBT开关管Q1～Q9，其中，Q1‑Q4‑Q7依次连接构成第一桥臂，Q2‑Q5‑Q8连接构成第二桥臂，Q3‑Q6‑Q9连接构成第三桥臂，第一、第二、第三桥臂并联连接直流电源；所述三相九开关变换器具有两个三相功率输出端，分别与双定子双凸极电机的第一段电机定子三相电枢绕组A、B、C和第二段电机定子三相电枢绕组U、V、W相连；采样电路将采集到的双定子双凸极电机的六相电流信号、转子位置信号送入控制器中，控制器输出九路PWM信号驱动三相九开关变换器，将直流电源转换为交流电驱动双定子双凸极电机，实现对转速外环和电流内环的双闭环控制。

【技术特征摘要】
1.一种基于三相九开关变换器的双定子双凸极电机驱动系统，其特征在于：包括双定子双凸极电机、三相九开关变换器、控制器、采样电路和直流电源；所述双定子双凸极电机为12/8结构，定子分为两段，并行放置，第一段定子具有独立的三相电枢绕组A、B、C，第二段定子具有独立的三相电枢绕组U、V、W，转子共轴并错开60°电角度，所述三相九开关变换器包括IGBT开关管Q1～Q9，其中，Q1-Q4-Q7依次连接构成第一桥臂，Q2-Q5-Q8连接构成第二桥臂，Q3-Q6-Q9连接构成第三桥臂，第一、第二、第三桥臂并联连接直流电源；所述三相九开关变换器具有两个三相功率输出端，分别与双定子双凸极电机的第一段电机定子三相电枢绕组A、B、C和第二段电机定子三相电枢绕组U、V、W相连；采样电路将采集到的双定子双凸极电机的六相电流信号、转子位置信号送入控制器中，控制器输出九路PWM信号驱动三相九开关变换器，将直流电源转换为交流电驱动双定子双凸极电机，实现对转速外环和电流内环的双闭环控制。2.根据权利要求1所述的基于三相九开关变换器的双定子双凸极电机驱动系统，其特征在于：双定子双凸极电机中的A相电枢绕组超前U相电枢绕组60°电角度，B相电枢绕组超前V相电枢绕组60°电角度，C相电枢绕组超前W相电枢绕组60°电角度。3.根据权利要求2所述的基于三相九开关变换器的双定子双凸极电机驱动系统，其特征在于：采样电路包括电流采样电路和转子位置采样电路。4.根据权利要求3所述的基于三相九开关变换器的双定子双凸极电机驱动系统，其特征在于：第一桥臂的上管Q1和中管Q4相连，第二桥臂的上管Q2和中管Q5相连，第三桥臂的上管Q3和中管Q6相连，构成上三相功率输出端；第一桥臂的中管Q4和下管Q7相连，第二桥臂的中管Q5和下管Q8相连，第三桥臂的中管Q6和下管Q9相连，构成下三相功率输出端；双定子双凸极电机的两段电机分别连接于三相九开关变换器的上、下三相功率输出端，其中，双定子双凸极电机第一段电机的A、B、C三相电枢绕组分别连接于三相九开关变换器第一桥臂的上管Q1和中管Q4之间、第二桥臂的上管Q2和中管Q5之间、第三桥臂的上管Q3和中管Q6之间；双定子双凸极电机第二段电机的U、V、W三相电枢绕组分别连接于三相九开关变换器第一桥臂的中管Q4和下管Q7之间、第二桥臂的中管Q5和下管Q8之间、第三桥臂的中管Q6和下管Q9之间。5.权利要求1-4任一所述双定子双凸极电机驱动系统的控制方法，其中根据双定子双凸极电机电枢绕组磁链变化，将一个周期分成6个不同工作模态：模态Ⅰ：A相电枢绕组磁链增大，U相电枢绕组磁链不变，B相电枢绕组磁链不变，V相电枢绕组磁链减小，C相电枢绕组磁链减小，W相电枢绕组磁链增大；模态Ⅱ：A相电枢绕组磁链增大，U相电枢绕组磁链增大，B相电枢绕组磁链不变，V相电枢绕组磁链不变，C相电枢绕组磁链减小，W相电枢绕组磁链减小；模态Ⅲ：A相电枢绕组磁链减小，U相电枢绕组磁链增大，B相电枢绕组磁链增大，V相电枢绕组磁链不变，C相电枢绕组磁链不变，W相电枢绕组磁链减小；模态Ⅳ：A相电枢绕组磁链减小，U相电枢绕组磁链减小，B相电枢绕组磁链增大，V相电枢绕组磁链增大，C相电枢绕组磁链不变，W相电枢绕组磁链不变；模态Ⅴ：A相电枢绕组磁链不变，U相电枢绕组磁链减小，B相电枢绕组磁链减小，V相电枢绕组磁链增大，C相电枢绕组磁链增大，W相电枢绕组磁链不变；模态Ⅵ：A相电枢绕组磁链不变，U相电枢绕组磁链不变，B相电枢绕组磁链减小，V相电枢绕组磁链减小，C相电枢绕组磁链增大，W相电枢绕组磁链增大；并对上述模态Ⅱ、Ⅳ和Ⅵ进一步划分如下：将模态Ⅱ分成两部分：在Iv续流到0之前称模态Ⅱ-1；在Iv续流到0后称模态Ⅱ-2；将模态Ⅳ分成两部分：在Iw续流到0之前称模态Ⅳ-1；在Iw续流到0后称模态Ⅳ-2；将模态Ⅵ分成两部分：在Iu续流到0之前...

【专利技术属性】
技术研发人员：史立伟，
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