一种变拓扑电机驱动器及其柔性变拓扑切换控制方法技术

本发明专利技术属于交流电机驱动领域，并具体公开了一种变拓扑电机驱动器及其柔性变拓扑切换控制方法，其包括功率开关桥臂L1、L2、L3、L4，以及单刀双掷切换开关K1、K2、K3；单刀双掷切换开关包括动端和不动端X、Y；A相绕组的左节点连接L1的输出节点，右节点连接K1的动端；B相绕组的左节点连接L2的输出节点和K1的不动端X，右节点连接K1的不动端Y和K2的动端；C相绕组的左节点连接L3的输出节点和K2的不动端X，右节点连接K2的不动端Y和K3的不动端X；K3的动端连接L4，不动端Y连接L1。本发明专利技术电路结构最大化利用了桥臂的容量，减少了开关数量，同时避免了因开关同时导通导致的桥臂短路。开关同时导通导致的桥臂短路。开关同时导通导致的桥臂短路。

【技术实现步骤摘要】
一种变拓扑电机驱动器及其柔性变拓扑切换控制方法


[0001]本专利技术属于交流电机驱动领域，更具体地，涉及一种变拓扑电机驱动器及其柔性变拓扑切换控制方法。

技术介绍

[0002]当前，新能源汽车、工业机器人和数控机床等新兴应用场景的复杂变化环境要求电机驱动系统具备宽广的高效运行区间，而传统电机驱动系统由于三相半桥拓扑结构的性能限制，无法适应大范围的转速转矩变化要求。为解决这个问题，专利CN110707989A公开了一种三相半桥
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串联绕组拓扑结构切换的逆变器及其切换方法。该专利所设计的切换电路结构，可以实现逆变器三种模式拓扑的切换，并实现电机工作区间的扩大。该专利利用了双向晶体管电流过零关断的特性，实现了拓扑结构的柔性过渡。但该专利所采用的切换电路和方法存在三个问题：一是在向高速拓扑切换过程中，会出现直流电压利用率下降的情况，从而容易造成拓扑切换失败；二是在低速拓扑时，存在一个桥臂闲置不使用的情况，没有充分利用功率器件容量；三是该方案需要4个双向晶体管，由于半导体的恒定导通压降较大，会导致驱动系统正常运行时的效率降低。
[0003]因此，专利CN112532144A在此基础上公开了一种多模态柔性切换的电机驱动器及拓扑切换控制方法，其可以实现四种拓扑结构的切换，在实现电机工作区间扩大的同时，还改善了驱动器的控制自由度和容错能力。该专利解决了专利CN110707989A的第一个问题，保证了在切换过程中直流电压利用率不下降，但问题二和问题三仍然存在。
[0004]专利CN115102458A公开了一种星
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三角柔性切换的电机驱动器、驱动系统及控制方法，其可以实现星型拓扑和三角形拓扑结构的柔性切换，实现了电机工作区间的扩大。该专利解决了专利CN110707989A的问题二，但由于控制自由度不够且需要6个切换开关，问题一和问题三仍然存在，且三角形拓扑存在零序环流不可控的问题，导致高速下的运行损耗、转矩脉动和失磁风险增加。
[0005]可见目前的拓扑切换电路还存在一些缺陷，无法在保证切换效果的同时，兼顾功率器件容量的最大化利用和运行效率的改善。因此，针对现有切换技术的缺陷，亟需一种新型变拓扑电机驱动器及其柔性变拓扑切换策略，同时改善上述三个问题。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种变拓扑电机驱动器及其柔性变拓扑切换控制方法，其目的在于，在保证切换效果的同时，兼顾功率器件容量的最大化利用和运行效率的改善。
[0007]为实现上述目的，按照本专利技术的第一方面，提出了一种变拓扑电机驱动器，包括四个功率开关桥臂L1、L2、L3、L4，以及三个单刀双掷切换开关K1、K2、K3；每个单刀双掷切换开关包括一个动端M和两个不动端X、Y；
[0008]电机A相绕组的左节点连接桥臂L1的输出节点，A相绕组的右节点连接切换开关K1
的动端；
[0009]电机B相绕组的左节点连接桥臂L2的输出节点和切换开关K1的不动端X，B相绕组的右节点连接切换开关K1的不动端Y和切换开关K2的动端；
[0010]电机C相绕组的左节点连接桥臂L3的输出节点和切换开关K2的不动端X，C相绕组的右节点连接切换开关K2的不动端Y和切换开关K3的不动端X；
[0011]切换开关K3的动端连接桥臂L4，不动端Y连接桥臂L1。
[0012]作为进一步优选的，桥臂的输出节点具体为：每个桥臂包括一个上桥臂功率开关器件和一个下桥臂功率开关器件，其中，上桥臂功率开关器件的上节点连接直流母线电压，下桥臂功率开关器件的下节点连接电源地，上桥臂功率开关器件的下节点与下桥臂功率开关器件的上节点连接，作为桥臂的输出节点。
[0013]作为进一步优选的，桥臂中的功率开关器件为电流全控型开关。
[0014]作为进一步优选的，桥臂中的功率开关器件为MOSFET或带反并联二极管的IGBT。
[0015]作为进一步优选的，单刀双掷开关为机械开关或由半导体器件组成的功率开关。
[0016]按照本专利技术的第二方面，提供了一种变拓扑电机驱动器，包括四个功率开关桥臂L1、L2、L3、L4，以及两个单刀双掷切换开关K1、K2；每个单刀双掷切换开关包括一个动端M和两个不动端X、Y；
[0017]电机A相绕组的左节点连接桥臂L1的输出节点，A相绕组的右节点连接切换开关K1的动端；
[0018]电机B相绕组的左节点连接桥臂L2的输出节点和切换开关K1的不动端X，B相绕组的右节点连接切换开关K1的不动端Y和切换开关K2的动端；
[0019]电机C相绕组的左节点连接桥臂L3的输出节点和切换开关K2的不动端X，C相绕组的右节点连接切换开关K2的不动端Y和桥臂L4的输出节点。
[0020]按照本专利技术的第三方面，提供了一种柔性变拓扑切换控制方法，基于上述变拓扑电机驱动器实现，变拓扑电机驱动器具有四种拓扑结构：三相半桥拓扑结构，称为A拓扑；三相四桥臂拓扑结构，称为B拓扑；半六相四桥臂拓扑结构，称为C拓扑；三相串联绕组拓扑结构，称为D拓扑；
[0021]从A拓扑切换为B拓扑，包括步骤：关闭L4驱动信号；切换K3为高阻态，将电压调制算法从A拓扑改为B拓扑；切换K3为X导通态，打开L4驱动信号，从而切换成为B拓扑；
[0022]从B拓扑切换为C拓扑，包括步骤：控制电机零轴电流为0.5倍的C相电流，使K2中的电流降为零；生成零轴电压查找表，基于前馈零轴电压注入实现零轴电流开环运行；切换K2为高阻态，将电压调制算法从B拓扑改为C拓扑；切换K2为X导通态；关闭前馈零轴电压注入，开启零轴电流闭环控制，控制电机零轴电流为零，从而切换成为C拓扑；
[0023]从C拓扑切换为D拓扑，包括步骤：控制电机零轴电流为负A相电流，使K1中的电流降为零；生成零轴电压查找表，基于前馈零轴电压注入实现零轴电流开环运行；切换K1为高阻态，将电压调制算法从C拓扑改为D拓扑；切换K1为X导通态；关闭前馈零轴电压注入，开启零轴电流闭环控制，控制电机零轴电流为零，从而切换成为D拓扑。
[0024]按照本专利技术的第四方面，提供了一种柔性变拓扑切换控制系统，包括计算机可读存储介质和处理器，所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行上述柔性变拓扑切换控制方法。
[0025]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
[0026]1、本专利技术提出的新型驱动器电路结构最大化地利用了功率开关桥臂的容量，减少了切换开关的数量，从而降低了驱动系统的整体成本和体积。同时，基于该结构和单刀双掷开关的设计，避免了因切换开关同时导通所导致的桥臂短路故障，保障了电机驱动器的可靠性。
[0027]2、本专利技术提出的可切换拓扑的新型电机驱动器电路结构，可以在不同的电机运行工况下，采用对应适合的拓扑结构，实现电机工作区间的扩大、控制自由度和容错能力的提升。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种变拓扑电机驱动器，其特征在于，包括四个功率开关桥臂L1、L2、L3、L4，以及三个单刀双掷切换开关K1、K2、K3；每个单刀双掷切换开关包括一个动端M和两个不动端X、Y；电机A相绕组的左节点连接桥臂L1的输出节点，A相绕组的右节点连接切换开关K1的动端；电机B相绕组的左节点连接桥臂L2的输出节点和切换开关K1的不动端X，B相绕组的右节点连接切换开关K1的不动端Y和切换开关K2的动端；电机C相绕组的左节点连接桥臂L3的输出节点和切换开关K2的不动端X，C相绕组的右节点连接切换开关K2的不动端Y和切换开关K3的不动端X；切换开关K3的动端连接桥臂L4，不动端Y连接桥臂L1。2.如权利要求1所述的变拓扑电机驱动器，其特征在于，桥臂的输出节点具体为：每个桥臂包括一个上桥臂功率开关器件和一个下桥臂功率开关器件，其中，上桥臂功率开关器件的上节点连接直流母线电压，下桥臂功率开关器件的下节点连接电源地，上桥臂功率开关器件的下节点与下桥臂功率开关器件的上节点连接，作为桥臂的输出节点。3.如权利要求2所述的变拓扑电机驱动器，其特征在于，桥臂中的功率开关器件为电流全控型开关。4.如权利要求3所述的变拓扑电机驱动器，其特征在于，桥臂中的功率开关器件为MOSFET或带反并联二极管的IGBT。5.如权利要求1
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4任一项所述的变拓扑电机驱动器，其特征在于，单刀双掷开关为机械开关或由半导体器件组成的功率开关。6.一种变拓扑电机驱动器，其特征在于，包括四个功率开关桥臂L1、L2、L3、L4，以及两个单刀双掷切换开关K1、K2；每个单刀双掷切换开关包括一个动端M和两个不动端X、Y；电机A相绕组的左节点连接桥臂L1的输出节点，A相绕组的右节点连接切换开关K1的动端；电机B相绕组的左节点连接桥臂L2的输出节点和切...

【专利技术属性】
技术研发人员：李安，陶波，丁汉，卢洪磊，龚泽宇，赵兴炜，范亚军，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：