一种多模态柔性切换的电机驱动器及其切换方法技术

本发明专利技术提出一种多模态柔性切换的电机驱动器及其切换方法，包括第一桥臂

【技术实现步骤摘要】
一种多模态柔性切换的电机驱动器及其切换方法


[0001]本专利技术涉及交流电机与驱动控制
，尤其是一种多模态柔性切换的电机驱动器及其切换方法
。

技术介绍

[0002]电机驱动系统是电动汽车
、
无人机
、
工业机器人等应用的关键核心，电力电子变换器的拓扑结构直接关系着电机驱动系统的性能
。
目前应用较多的交流电机驱动拓扑主要有常规三相逆变器接
Y
型电机的三相半桥拓扑
、
双逆变器开绕组电机拓扑
[1
‑
2]、
三相四桥臂拓扑
[3]。
三相半桥拓扑，单逆变器连接
Y
型电机负载，包含了三个桥臂，它的拓扑结构简单，但无容错运行能力；双逆变器开绕组电机拓扑，将
Y
型连接电机定子绕组的中性点打开，绕组两端分别由两个逆变器供电，逆变器利用率高
、
可输出多电平，而且拓扑结构具有冗余性，具备容错运行能力，但是开关数量多
、
成本较高
、
控制复杂；三相四桥臂拓扑为电机提供了零序电流通路，可以实现电机的断线容错，但其他性能没有改进
。
近年来，一种三相串联绕组拓扑结构
[4]被提出，该结构将电机三相定子绕组中性点打开，并将三相绕组串联，并四桥臂变换器驱动该电机，三相串联绕组拓扑结构直流母线电压利用率高
、
恒转矩调速范围宽
、
开关器件需求量更少，但该拓扑导致部分桥臂电流应力增加，功率损耗变大，限制了电机在低速时的转矩输出能力，难以同时保证转矩输出能力和转速输出范围，不能最大化的利用电机的工作区间
。
[0003]可见，目前应用较多的几种电机驱动器拓扑结构均存在自身难以克服的性能缺陷
。
为了克服以上缺陷，文献
[5]提出一种三相半桥
‑
串联绕组拓扑结构切换的逆变器及其切换方法，在三相串联绕组拓扑结构基础上增加四个双向晶闸管，使得低速时逆变器变换为三相半桥拓扑结构
、
电机定子绕组为星型接线方式，高速时逆变器变换为三相串联绕组拓扑结构
、
电机定子绕组为串联绕组接线方式，从而保证电机在全速范围内转矩输出能力和转速输出范围，但是该拓扑使用双向晶闸管器件较多，切换时存在暂态过程，必然影响电机驱动性能
。
文献
[6]提出一种多模态柔性切换的电机驱动器及拓扑切换控制方法，在不影响电机工作的情况下，实现多种拓扑的切换，保证低速时的转矩输出能力和高速时的转速输出能力，实现电机工作区间的最大化，并提升电机驱动系统的控制自由度和容错能力，但是该拓扑使用双向晶闸管器件较多，损耗增加
。
[0004]为弥补三相半桥拓扑
、
双逆变器开绕组电机拓扑
、
三相四桥臂拓扑
、
三相串联绕组拓扑等电机驱动方法的不足，现有基于四桥臂变换器的拓扑结构切换方法，虽然可以保证电机在全速范围内转矩输出能力和转速输出范围，但是拓扑使用了较多双向晶闸管器件，切换过程存在暂态过渡过程，必然影响电机驱动性能
。
[0005]参考文献
[1]Takahashi I
，
Ohmori Y
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Neutral Modulation for Trapezoidal
‑
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9(2) ：
232
‑
239.[4]蒋栋，李安，曲荣海
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一种开绕组电机驱动器拓扑及其调制方法
[P].
中国专利：
CN108258976A,2018.07.06[5]三相半桥
‑
串联绕组拓扑结构切换的逆变器及其切换方法
[P]，
CN
，专利技术授权，
CN201910866276.0
，
2021.[6]蒋栋
,
李安
,
刘自程等
. 一种多模态柔性切换的电机驱动器及拓扑切换控制方法
[P]. 湖北省：
CN112532144B,2021
‑
12
‑
17。

技术实现思路

[0006]本专利技术提出一种多模态柔性切换的电机驱动器及其切换方法，能保证电机驱动器拓扑可以根据运行需要切换为三相半桥拓扑
、
三相四桥臂拓扑
、
三相串联绕组拓扑等三种模态，切换所用双向晶闸管少，切换时无暂态过渡过程，能提升电机在全速范围内的驱动性能
。
[0007]本专利技术采用以下技术方案
。
[0008]一种多模态柔性切换的电机驱动器，所述电机驱动器拓扑包括第一桥臂
、
第二桥臂
、
第三桥臂
、
第四桥臂
、
第一双向晶闸管
S1、
第二双向晶闸管
S2
；每个桥臂均包括上桥臂功率开关器件和下桥臂功率开关器件；每个桥臂的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；电机驱动器拓扑中，
A
相绕组的左节点连接第一桥臂的输出节点，
A
相绕组的右节点连接第二桥臂的输出节点，
B本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种多模态柔性切换的电机驱动器，其特征在于：所述电机驱动器拓扑包括第一桥臂
、
第二桥臂
、
第三桥臂
、
第四桥臂
、
第一双向晶闸管
S1、
第二双向晶闸管
S2
；每个桥臂均包括上桥臂功率开关器件和下桥臂功率开关器件；每个桥臂的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；电机驱动器拓扑中，
A
相绕组的左节点连接第一桥臂的输出节点，
A
相绕组的右节点连接第二桥臂的输出节点，
B
相绕组的左节点连接第二桥臂的输出节点，
B
相绕组的右节点连接第三桥臂的输出节点，
C
相绕组的左节点连接第一双向晶闸管
S1
的右节点和第二双向晶闸管
S2
的右节点，
C
相绕组的右节点连接第四桥臂的输出节点；第一双向晶闸管
S1
的左节点连接第三桥臂的输出节点，第二双向晶闸管
S2
的左节点连接第二桥臂的输出节点；所述电机驱动器拓扑的电机定子绕组极性和相序可变，第一双向晶闸管
S1、
第二双向晶闸管
S2
用于切换电机驱动器的拓扑结构；电机驱动器的拓扑结构包括单相反接的三相半桥拓扑
、
单相反接的三相四桥臂拓扑切换
、
三相串联绕组拓扑
。2.
根据权利要求1所述的一种多模态柔性切换的电机驱动器，其特征在于：所述电机驱动器拓扑中，第一桥臂包含上桥臂功率开关器件
T1
和下桥臂功率开关器件
T2
，第二桥臂包含上桥臂功率开关器件
T3
和下桥臂功率开关器件
T4
，第三桥臂包含上桥臂功率开关器件
T5
和下桥臂功率开关器件
T6
，第四桥臂包含上桥臂功率开关器件
T7
和下桥臂功率开关器件
T8。3.
根据权利要求1所述的一种多模态柔性切换的电机驱动器，其特征在于：所述电机驱动器中，功率开关器件为全控型功率开关器件，包括
MOSFET
或
IGBT
；电机驱动器中第一双向晶闸管
S1、
第二双向晶闸管
S2
的可替代器件包括具有灭弧能力的开关电器，或是整流电路与
IGBT
构成的具备导通和关断电流能力的开关
。4.
一种多模态柔性切换的电机驱动器拓扑的切换方法，用于权利要求2所述的电机驱动器，其特征在于：所述切换方法包括：方法
A1、
第一双向晶闸管
S1
关断和第二双向晶闸管
S2
导通
、
第二桥臂的功率开关器件关断，由第一桥臂
、
第三桥臂
、
第四桥臂构成单相反接的三相半桥拓扑结构，电机绕组星型联结；电机驱动器切换为电机相电压低电压模式，用于电机低速工况运行；方法
A2、
第一双向晶闸管
S1
导通和第二双向晶闸管
S2
关断，第一桥臂
、
第二桥臂
、
第三桥臂
、
第四桥臂构成三相串联绕组拓扑结构，电机绕组串联联结；电机驱动器切换为电机相电压高电压模式，用于电机在高速工况运行；方法
A3、
第一双向晶闸管
S1
关断和第二双向晶闸管
S2
导通，第一桥臂
、
第二桥臂
、
第三桥臂
、
第四桥臂构成单相反接的三相四桥臂拓扑结构，电机绕组星型联结，电机驱动器提供零序电流通路用于电机容错运行
。5.
根据权利要求4所述的一种多模态柔性切换的电机驱动器拓扑的切换方法，其特征在于：所述单相反接的三相半桥拓扑
、
单相反接的三相四桥臂拓扑切换
、
三相串联绕组拓扑
之间平滑切换的切换方法包括；方法
B1、
单相反接的三相半桥拓扑向...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏志从，刘孝锋，谢清来，李全法，庄加福，胡宝法，朱雪萍，罗梦汾，朱绍龙，
申请(专利权)人：泉州师范学院，
类型：发明
国别省市：