阅读说明：本技术 基于磁场调制的开关磁阻电机开绕组驱动拓扑与控制方法 (Open winding driving topology and control method of switched reluctance motor based on magnetic field modulation ) 是由 甘醇 高瑞卿 曲荣海 孔武斌 孙剑波 于 2019-10-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于磁场调制的开关磁阻电机开绕组驱动拓扑与控制方法,拓扑包括开关磁阻电机、开绕组结构逆变器、逆变器驱动模块、电流传感器、位置传感器,逆变器驱动模块接收电流传感器采集的电流反馈值和位置传感器采集的转速与位置信号反馈值,利用电压载波比较的方式,产生驱动信号,开绕组结构逆变器根据所述驱动信号,对直流母线电压进行调制,产生开关磁阻电机所需要的交流电能,开关磁阻电机绕组中流过电流,使电机产生转矩。相对于传统大量使用IGBT的开绕组驱动拓扑,大大降低了成本。并且本控制方法通过关断IGBT,使得流过晶闸管的电流小于维持电流,达到晶闸管关断目的,无需添加换向电路,减小了设备体积,提高了效率。(The invention discloses a switched reluctance motor open winding driving topology and a control method based on magnetic field modulation, wherein the topology comprises a switched reluctance motor, an open winding structure inverter, an inverter driving module, a current sensor and a position sensor, the inverter driving module receives a current feedback value acquired by the current sensor and a rotating speed and position signal feedback value acquired by the position sensor, a driving signal is generated by using a voltage carrier comparison mode, the open winding structure inverter modulates the voltage of a direct current bus according to the driving signal to generate alternating current electric energy required by the switched reluctance motor, and current flows through a winding of the switched reluctance motor to enable the motor to generate torque. Compared with the traditional open winding driving topology which uses a large number of IGBTs, the cost is greatly reduced. In addition, the control method enables the current flowing through the thyristor to be smaller than the maintaining current by turning off the IGBT, achieves the purpose of turning off the thyristor, does not need to add a reversing circuit, reduces the volume of equipment and improves the efficiency.)

基于磁场调制的开关磁阻电机开绕组驱动拓扑与控制方法

技术领域

本发明属于电机技术领域，更具体地，涉及一种基于磁场调制的开关磁阻电机开绕组驱动拓扑与控制方法。

背景技术

电能作为清洁能源，发展前景光明。在电能与其他形式能量的转换过程中，电机是至关重要的一个环节。无论是高铁、电动汽车，还是电厂、水电站，甚至智能机器人等新兴行业的发展都离不开电机的支持。目前，电机正朝着高速、高可靠性、高功率密度、高调速性能的趋势发展。因此，研究新型电机驱动拓扑与控制方法便十分必要。

开关磁阻电机结构简单坚固，不需要昂贵的永磁体，在较宽的转速范围内能够保持较高的运行效率。经过几十年的研究和改进，开关磁阻电机的应用领域也已经从最初的牵引运输发展到通用工业、航空工业、电动汽车、家用电器等各个领域。但是，现有逆变器结构的开关磁阻电机驱动系统一般需要十二个IGBT，成本高，不利于大规模推广。另外，现有的晶闸管驱动系统关断时往往需要附加换向电路，不仅使设备的体积重量增大，而且会降低效率，产生波形失真和噪声。为了降低系统成本与提高效率，现有的开关磁阻电机驱动系统仍然有许多可以改进的地方。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于磁场调制的开关磁阻电机开绕组驱动拓扑与控制方法，旨在解决目前开绕组结构逆变器由于采用IGBT而导致的成本高，与晶闸管使用场合中附加换向电路使得设备体积大效率低的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种基于磁场调制的开关磁阻电机开绕组驱动拓扑，包括：开关磁阻电机、开绕组结构逆变器、逆变器驱动模块、电流传感器、位置传感器；

逆变器驱动模块，包括过零检测模块、晶闸管触发脉冲模块和脉宽调制波发生模块，用于接收电流传感器采集的电流反馈值和位置传感器采集的转速与位置信号反馈值，利用电压载波比较的方式，为开绕组结构逆变器中的开关管提供驱动信号；

开绕组结构逆变器与开关磁阻电机的三相绕组连接，用于根据逆变器驱动模块产生的驱动信号，对直流母线电压进行调制，产生开关磁阻电机所需要的交流电能；

开关磁阻电机绕组中流过电流，使电机产生转矩。

进一步地，开绕组结构逆变器包括：并联在同一条直流母线上的三个全桥逆变单元；

每个全桥逆变单元包括：构成对称全桥电路的第一开关管、第二开关管和对应的反并联二极管，第一晶闸管、第二晶闸管、第三晶闸管、第四晶闸管和对应的反并联二极管，以及第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管；

第一晶闸管及其反并联二极管的阳极连接端与所述第三晶闸管及其反并联二极管的阳极连接端构成所述全桥逆变单元的总输出端；

三个全桥逆变单元的总输出端分别与所述开关磁阻电机的三相绕组连接。

进一步地，全桥逆变单元有以下四种工作模式：

正电流模式，所述开关磁阻电机绕组内流过正向电流且第一开关管、第二开关管均处于开通状态；

正续流模式，所述开关磁阻电机绕组内续流流过正向电流且第一开关管、第二开关管均处于关断状态；

负电流模式，所述开关磁阻电机绕组内流过反向电流且第一开关管、第二开关管均处于开通状态；

负续流模式，所述开关磁阻电机绕组内续流流过反向电流且第一开关管、第二开关管均处于关断状态。

其中，当所述全桥逆变单元工作于正电流模式时，绕组电压为正直流母线电压，绕组电流正向增大；当所述全桥逆变单元工作于正续流模式时，绕组电压为负直流母线电压，绕组电流正向减少；当所述全桥逆变单元工作于负电流模式时，绕组电压为负直流母线电压，绕组电流反向增大；当所述全桥逆变单元工作于负续流模式时，绕组电压为正直流母线电压，绕组电流反向减少。

按照本发明的另一方面，提供了一种基于上述开关磁阻电机开绕组驱动拓扑的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

逆变器驱动模块接收电流传感器采集的电流反馈值和位置传感器采集的转速与位置信号反馈值，利用电压载波比较的方式，产生驱动信号；

开绕组结构逆变器根据所述驱动信号，对直流母线电压进行调制，产生开关磁阻电机所需要的交流电能；

开关磁阻电机绕组中流过电流，使电机产生转矩。

进一步地，驱动信号的产生具体包括：

逆变器驱动模块接收电流传感器采集的电流反馈值和位置传感器采集的转速与位置信号反馈值，利用电压载波比较的方式，产生控制信号，所述控制信号一路经过脉宽调制波发生模块，另一路经过过零检测模块和晶闸管触发脉冲产生模块，产生驱动信号。

其中，在控制信号由负到正过零时，拉低全桥逆变单元的第一开关管，第二开关管的触发脉冲，使得流过全桥逆变单元第二晶闸管，第三晶闸管的电流小于维持电流，达到关断第二晶闸管，第三晶闸管的目的；给全桥逆变单元的第一晶闸管，第四晶闸管发触发脉冲，触发脉冲宽度与相位要与负载情况、全桥逆变单元的第一开关管，第二开关管的触发脉冲宽度相配合。

在控制信号由正到负过零时，拉低全桥逆变单元的第一开关管，第二开关管的触发脉冲，使得流过全桥逆变单元第一晶闸管，第四晶闸管的电流小于维持电流，达到关断第一晶闸管，第四晶闸管的目的；给全桥逆变单元的第二晶闸管，第三晶闸管发触发脉冲，触发脉冲宽度与相位要与负载情况、全桥逆变单元的第一开关管，第二开关管的触发脉冲宽度相配合。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

1、传统开关磁阻电机的开绕组驱动拓扑由于大量使用IGBT，导致系统成本高，不利于大规模推广，传统三相开绕组驱动拓扑需用12个IGBT，本发明提出的拓扑减少了IGBT的使用量，降低至6个，降低了成本；

2、相比于传统晶闸管使用场合，由于附加换向电路的存在，导致设备体积大，效率低下，波形失真，噪声大，本发明提出的控制方法可以代替换向电路的作用，通过关断IGBT，使得流过晶闸管的电流小于维持电流，达到晶闸管关断目的，无需添加换向电路，减小了设备体积，提高了效率。

附图说明

图1是本发明提供的基于磁场调制的开关磁阻电机开绕组驱动拓扑的示意图；

图2(a)是本发明提供的开关磁阻电机A相绕组的正电流工作模式的示意图；

图2(b)是本发明提供的开关磁阻电机A相绕组的正续流工作模式的示意图；

图2(c)是本发明提供的开关磁阻电机A相绕组的负电流工作模式的示意图；

图2(d)是本发明提供的开关磁阻电机A相绕组的负续流工作模式的示意图；

图3是本发明提供的基于磁场调制的开关磁阻电机开绕组驱动拓扑的控制方法的框图；

图4是本发明的逆变器驱动模块产生的触发脉冲示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供的一种基于磁场调制的开关磁阻电机低成本开绕组驱动拓扑，包括：开关磁阻电机、开绕组结构逆变器、逆变器驱动模块、电流传感器、位置传感器；

开绕组结构逆变器与开关磁阻电机的三相绕组连接；

逆变器驱动模块，包括过零检测模块、晶闸管触发脉冲模块和脉宽调制波发生模块，用于接收电流传感器采集的电流反馈值和位置传感器采集的转速与位置信号反馈值，并根据针对此种拓扑的控制方法，利用电压载波比较的方式，为开绕组结构逆变器中的开关管提供驱动信号；

开绕组结构逆变器用于根据逆变器驱动模块产生的驱动信号，对直流母线电压进行调制，产生开关磁阻电机所需要的交流电能；

开关磁阻电机绕组中流过电流，使电机产生转矩。

开绕组结构逆变器包括：并联在同一条直流母线上的三个全桥逆变单元；

以A相为例，每个全桥逆变单元包括：构成对称全桥电路的第一开关管Sa1、第二开关管Sa2和对应的反并联二极管，第一晶闸管Scr1、第二晶闸管Scr2、第三晶闸管Scr3、第四晶闸管Scr4和对应的反并联二极管，以及第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4；

所述第一晶闸管Scr1及其反并联二极管的阳极连接端与所述第三晶闸管Scr3及其反并联二极管的阳极连接端构成所述全桥逆变单元的总输出端；三个全桥逆变单元的总输出端分别与所述开关磁阻电机的三相绕组A、B、C连接；

根据所述晶闸管的通断，以A相为例，所述全桥逆变单元有以下四种工作模式：

正电流模式，所述开关磁阻电机绕组内流过正向电流且第一开关管Sa1、第二开关管Sa2均处于开通状态；

正续流模式，所述开关磁阻电机绕组内续流流过正向电流且第一开关管Sa1、第二开关管Sa2均处于关断状态；

负电流模式，所述开关磁阻电机绕组内流过反向电流且第一开关管Sa1、第二开关管Sa2均处于开通状态；

负续流模式，所述开关磁阻电机绕组内续流流过反向电流且第一开关管Sa1、第二开关管Sa2均处于关断状态。

如图2(a)所示，当全桥逆变单元工作于正电流模式，正直流母线电压Udc加到开关磁阻电机A相绕组两端，使A相绕组电流正向增大。

如图2(b)所示，当全桥逆变单元工作于正续流模式，负直流母线电压-Udc加到开关磁阻电机A相绕组两端，使A相绕组电流正向减少。

如图2(c)所示，当全桥逆变单元工作于负电流模式，负直流母线电压-Udc加到开关磁阻电机A相绕组两端，使A相绕组电流反向增大。

如图2(d)所示，当全桥逆变单元工作于负续流模式，正直流母线电压Udc加到开关磁阻电机A相绕组两端，使A相绕组电流反向减少。

为了对开关磁阻电机进行有效的控制，本实施例中的逆变器驱动模块采用转速电流双闭环的逻辑对开绕组结构逆变器进行控制，控制框图如图3所示。位置传感器用于采集转速反馈值ω^r，输入速度环PI调节器，并经过电流分配器分配d,q,0轴电流给定值i_dq0 ^*；位置传感器采集的位置信号反馈值θ_r输入第二旋转坐标模块。第二旋转坐标模块用于将电流传感器采集的三相绕组电流反馈值转换至abc坐标系。电流环PI调节器根据比例积分算法，得到d,q,0轴电压的给定值udq0*，经过第一旋转坐标模块转换至abc坐标系，参考电压u_abc ^*输入脉宽调制波发生模块，通过特定的控制逻辑产生PWM波用以控制第一开关管Sa1与第二开关管Sa2。参考电压u_abc ^*输入过零检测模块，产生触发脉冲用以驱动第一晶闸管Scr1、第二晶闸管Scr2、第三晶闸管Scr3、第四晶闸管Scr4。

如图4所示，以电机的A相为例，将第一旋转坐标模块给出的A相电压参考值的绝对值|U_a ^*|，与一个频率为50kHz、最大值为直流母线电压U_dc、最小值为负直流母线电压-U_dc的三角载波进行比较。需要说明的是，为了更清晰的描述开关状态，图4所示的三角载波为500Hz，但更高的载波频率可以达到更好的调制效果。当A相电压参考值绝对值大于三角载波时，令第一开关管Sa1与第二开关管Sa2的驱动信号均为高电平；当A相电压参考值绝对值小于三角载波时，令第一开关管Sa1与第二开关管Sa2的驱动信号均为低电平。对于B相和C相也采用同样的方法，分别获得B相和C相开关管的驱动信号。

图4中斜线部分代表把第一开关管Sa1与第二开关管Sa2强制关断，关断期间晶闸管电流降低至小于维持电流，实现自关断，无需附加换向电路。关断时间视负载情况与晶闸管而定。

当A相电压参考值由负变正过零时，给第一晶闸管Scr1与第四晶闸管Scr4发驱动脉冲；当A相电压参考值由正变负过零时，给第二晶闸管Scr2与第三晶闸管Scr3发驱动脉冲；驱动脉冲宽度视负载情况与晶闸管而定。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。