一种电机驱动系统及电机驱动控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种电机驱动系统及控制方法，用于驱动两相或三相及以上电励磁双凸极电机。本申请的发明专利技术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

【技术实现步骤摘要】
一种电机驱动系统及电机驱动控制方法


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[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。

技术实现思路

[0018]有鉴如此，本专利技术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]本申请的专利技术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]基于上述专利技术构思，本专利技术的技术方案如下：
[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；电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电机驱动系统，用于驱动电励磁双凸极电机，其特征在于：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；所述DC-DC调压电路的输入端用于与主电源的输出端连接，所述DC-DC调压电路的输出端与直流母线连接；所述桥式电路与所述直流母线连接，且所述桥式电路的输入端与所述DC-DC调压电路的输出端连接，所述桥式电路各桥臂的中点分别用于与所述电励磁双凸极电机中的电枢绕组连接；所述电机驱动控制系统与所述DC-DC调压电路连接，用于根据所述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；当所述电励磁双凸极电机的转速达到额定转速或超过所述额定转速时，调节所述直流母线电压，使得所述直流母线电压维持在额度电压；当所述电励磁双凸极电机的转速下降且低于所述额定转速时，调节所述直流母线电压，使得所述直流母线电压随所述电励磁双凸极电机的转速下降而线性下降；当所述电励磁双凸极电机的转速下降到某一低速拐点值时，调节所述直流母线电压，使得所述直流母线电压维持在电源电压。2.根据权利要求1所述的电机驱动系统，其特征在于：所述DC-DC调压电路为同步升压电路，所述DC-DC调压电路包括所述功率管、电感以及电容；其中，所述功率管由第一功率管和第二功率管组成；所述电感的一端为DC-DC调压电路的正输入端，所述第二功率管的一端为DC-DC调压电路的正输出端，所述电感的另一端同时连接所述第二功率管的另一端和所述第一功率管的一端，所述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；所述电容的一端连接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。3.根据权利要求1所述的电机驱动系统，其特征在于：所述电机驱动控制系统包括：直流电压计算模块，所述直流电压计算模块用于接收上位机输出的参考速度信号，并将所述参考速度信号计算出参考直流电压；电压采样模块，所述电压采样模块与所述直流母线连接，用于采集直流母线电压；直流电压控制器，所述直流电压控制器分别与所述直流电压计算模块和所述电压采样模块连接，用于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。4.根据权利要求1所述的电机驱动系统，其特征在于：所述DC-DC调压电路工作在CCM模式。5.一种电机驱动系统，用于驱动电励磁双凸极电机，其特征在于：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；所述DC-DC调压电路的输入端用于与主电源的输出端连接，所述DC-DC调压电路的输出端与直流母线连接；所述桥式电路与所述直流母线连接，且所述桥式电路的输入端与所述DC-DC调压电路的输出端连接，所述桥式电路各桥臂的中点分别用于与所述电励磁双凸极电机中的电枢绕组连接；所述电机驱动控制系统与所述DC-DC调压电路连接，所述电机驱动控制系统通过控制
DC-DC调压电路来对直流母线电压进行控制；当所述电励磁双凸极电机的转速达到额定转速或超过所述额定转速时，控制所述直流母线电压维持在额度电压；当所述电励磁双凸极电机的转速下降且低于所述额定转速时，控制所述直流母线电压随所述电励磁双凸极电机的转速下降而线性下降；当所述电励磁双凸极电机的转速下降到某一低速拐点值时，控制所述直流母线电压维持在电源电压。6.一种可变直流母线电压的电机驱动控制方法，其特征在于，包括：接收上位机输出的...

【专利技术属性】
技术研发人员：江清辉，尹智群，郭启利，王志燊，
申请(专利权)人：广州金升阳科技有限公司，
类型：发明
国别省市：