双凸极电机驱动系统及其多管交错斩波控制技术

摘要

本发明公开了一种双凸极电机驱动系统及其交错斩波控制方法，即：多管交错斩波控制技术，通过对三相桥和前级斩波器中功率管的分时交错斩波，降低了单个功率管的开关频率，均衡了桥臂上、下功率管的发热损耗，提高了系统的可靠性，尤其适合于高速高频电机的应用。

权利要求

1.一种双凸极电机驱动系统的多管交错斩波控制方法，其特征在于，所述双凸极电机驱动系统包括三相桥式变换器、双凸极电机和电机控制单元，所述三相桥式变换器每相的上桥臂和下桥臂各设置有一个功率管；

所述多管交错斩波控制方法为：在每个周期的各状态区间内，采用三相桥的上桥臂和下桥臂各一个功率管分时交错斩波，连续的三个状态区间分别使用三相桥上的六个功率管各一次，使得每个功率管的最高工作频率降低为系统最高斩波频率的1/2。

2.一种带有前级斩波器的双凸极电机驱动系统，其特征在于，包括前级斩波器、三相桥式变换器、双凸极电机和电机控制单元；所述前级斩波器包括X个串行或者并行联接的功率管，串联于母线支路，所述X＝1～N；所述三相桥式变换器每相的上桥臂和下桥臂各设置有一个功率管。

3.根据权利要求2所述的一种带有前级斩波器的双凸极电机驱动系统，其特征在于，X为1到4中的任意自然数。

4.一种利用权利要求2所述的一种带有前级斩波器的双凸极电机驱动系统实现的多管交错斩波控制方法，其特征在于，在每个周期的各状态区间内，采用三相桥的上桥臂和下桥臂各一个功率管以及T个前级斩波器的功率管进行分时交错斩波，连续的三个状态区间分别使用三相桥上的六个功率管各一次，使得每个功率管的最高工作频率降低为系统最高斩波频率的1/(2+T)，T小于等于X。

5.一种计算双凸极电机驱动系统中功率管使用个数的方法，其特征在于，根据双凸极电机驱动系统所需最高斩波频率A以及功率管最高工作频率B，计算最低交错斩波功率管数量C；则：C等于A除以B取整后加1；则权利要求4中所述的T大于等于C-2小于等于X。

说明书

双凸极电机驱动系统及其多管交错斩波控制技术

技术领域

[0001] 本发明涉及双凸极电机驱动系统的一种多管交错斩波控制技术，属于电机控制领域。

背景技术

[0002] 双凸极电机由于转子上无绕组，结构简单，可靠性高，具有高的功率密度等优点，受到了国内外学者的广泛关注和研究，其设计和控制技术日趋成熟，应用日渐广泛，已经在航空起动/发电系统、风力发电系统、电动汽车驱动系统等领域得到了应用。

[0003] 双凸极电机一般通过对功率管进行PWM调制来调速，主要分为单管PWM斩波与双管PWM斩波控制。其中，单管斩波控制在每个周期的各状态区间内，始终只对上桥臂或下桥臂的一个功率管进行PWM斩波控制；双管斩波在每个周期的各状态区间内，上桥臂和下桥臂各有一个功率管同时进行PWM斩波控制。相对于双管斩波，单管斩波控制的优点是开关次数减少一倍，开关损耗小，且电流波动较小，电机转矩脉动小。所以，单管斩波的PWM控制是目前双凸极电机驱动系统最为常用的电流斩波调制技术。

[0004] 然而单管斩波存在功率管损耗不均衡引起的局部过热等问题，降低了整个系统的可靠性。尤其对于高速双凸极电机驱动系统，由于开关频率要求高，单管斩波引起的发热不均衡问题更为严重，且高开关频率要求为功率管的选取、驱动电路及散热装置的设计带来较大的困难。

发明内容

[0005] 针对上述问题，本发明的目的是在不影响控制效果的基础上，寻找一种新的斩波控制方式，降低功率管的最高工作频率。

[0006] 本发明为实现上述目的采取以下技术方案：一种双凸极电机驱动系统的多管交错斩波控制方法，其特征在于，所述双凸极电机驱动系统包括三相桥式变换器、双凸极电机和电机控制单元，所述三相桥式变换器每相的上桥臂和下桥臂各设置有一个功率管；

[0007] 所述多管交错斩波控制方法为：在每个周期的各状态区间内，采用三相桥的上桥臂和下桥臂各一个功率管分时交错斩波，连续的三个状态区间分别使用三相桥上的六个功率管各一次，使得每个功率管的最高工作频率降低为系统最高斩波频率的1/2。

[0008] 本发明还提供一种带有前级斩波器的双凸极电机驱动系统，包括前级斩波器、三相桥式变换器、双凸极电机和电机控制单元；所述前级斩波器包括X个串行或者并行联接的功率管，串联于母线支路，所述X＝1～N；所述三相桥式变换器每相的上桥臂和下桥臂各设置有一个功率管。

[0009] 进一步的，X为1到4中的任意自然数。

[0010] 本发明还提供一种利用所述的一种带有前级斩波器的双凸极电机驱动系统实现的多管交错斩波控制方法，在每个周期的各状态区间内，采用三相桥的上桥臂和下桥臂各一个功率管以及T个前级斩波器的功率管进行分时交错斩波，连续的三个状态区间分别使用三相桥上的六个功率管各一次，使得每个功率管的最高工作频率降低为系统最高斩波频率的1/(2+T)，T小于等于X。

[0011] 本发明还提供一种计算双凸极电机驱动系统中功率管使用个数的方法，根据双凸极电机驱动系统所需最高斩波频率A以及功率管最高工作频率B，计算最低交错斩波功率管数量C；则：C等于A除以B取整后加1；则T大于等于C-2小于等于X。

[0012] 本发明的优点：

[0013] (1)大幅度降低了单个功率管的开关频率，增强了系统的可靠性；

[0014] (2)各桥臂功率管发热均衡，避免了局部过热问题；

[0015] (3)高速场合，采用多管交错斩波，可实现硅器件替代碳化硅器件，降低功率器件成本；

[0016] (4)三相桥前串联斩波器的拓扑结构提高了系统的容错性。

附图说明

[0017] 图1是本发明所涉及的带有前级斩波器的双凸极电机驱动系统结构示意图；

[0018] 图2是本发明所涉及带有前级串联斩波器的主电路拓扑图；

[0019] 图3是本发明所涉及的带有前级并联斩波器的主电路拓扑图；

[0020] 图4为采用传统的单管斩波控制时功率管的驱动逻辑图；

[0021] 图5为采用本发明中四管交错斩波控制时功率管的驱动逻辑图。

具体实施方式

[0022] 下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

[0023] 图1所示为本发明涉及的多管交错斩波控制技术所基于的双凸极电机驱动系统结构示意图，包括前级斩波器1、桥式变换器2、双凸极电动机3和电机控制单元4。其中，前级斩波器1用于配合桥式变换器2实现交错斩波；电机控制单元4用于计算双凸极电机驱动系统的斩波驱动信号和各交错斩波功率管的驱动信号，控制前级斩波器1和桥式变换器2中的功率器件工作。

[0024] 图2所示为本发明所采用的带有前级串联斩波器的主电路拓扑结构图，前级斩波器1采用多管串联结构，Q7～QN为串联结构的功率管，用于斩波；D7～DN分别为Q7～QN的反并联二极管，用于续流。多管交错斩波控制时，三相桥的上桥臂和下桥臂各有一个功率管与Q7～QN进行分时交错斩波。

[0025] 图3所示为本发明所采用的带有前级并联斩波器的主电路拓扑结构图，前级斩波器1采用多管并联结构，功率管Q7～QN及D7～DN并联构成前级斩波器1，功率管Q7～QN用于斩波，D7～DN用于续流。多管交错斩波控制时，三相桥的上桥臂和下桥臂各有一个功率管与Q7～QN进行分时交错斩波。

[0026] 图4以双凸极电机的标准角度控制为例，给出了采用传统单管斩波控制时功率管的驱动逻辑图。单管斩波的基本思想是始终对上桥臂或下桥臂一个功率管进行PWM斩波控制。图中，ea，eb，ec分别为双凸极电机的三相反向电动势，VQ1～VQ6分别为桥式变换器上的功率管Q1～Q6的驱动信号波形，每个状态区间内，只有上桥臂中一个功率管高频斩波。

[0027] 由图4可见，采用单管斩波时，桥式变换器上、下桥臂开关频率不等，开关损耗不同，功率桥发热不均衡，降低了系统的可靠性。采用单管斩波控制时，桥式变换器中功率管最高工作频率等于系统最高斩波频率，在对斩波频率要求很高的高速大功率双凸极电机驱动系统中，功率管选取极为困难。

[0028] 图5以双凸极电机三管交错斩波控制为例，给出了标准三状态控制时功率管的驱动逻辑图。三管交错斩波控制的基本思想如下：任意时刻总有三相桥上的两个功率管与前级斩波器的任意一个功率管分时交错斩波，本实施例选取Q7，实现三管交错斩波控制。图中，ea～ec分别为双凸极电机的三相绕组反向电动势，VQ1～VQ6分别为桥式变换器上的功率管Q1～Q6的驱动信号波形，VQ7为前级斩波器上的驱动信号波形。

[0029] 由图5可见，采用三管交错斩波控制时，桥式变换器上、下桥臂功率管的开关频率相等，开关损耗相同，功率桥发热均衡，系统可靠性高。采用三管交错斩波时，各功率管最高工作频率降低为系统最高斩波频率的三分之一，方便了功率管的选取。

[0030] 同理，采用M管交错斩波控制时，任意时刻都有M个功率管交错斩波，包括桥式变换器中上、下桥臂各一个功率管以及前级斩波器上的(M-2)个功率管，每个功率管的最高工作频率降低为系统最高斩波频率的1/M。

[0031] 另外，采用带有前级斩波器的拓扑结构时，系统的容错性能好。当前级斩波器中任意并联功率管发生短路或开路故障时，改变驱动控制方式后，系统仍然能够可靠工作；当前级斩波器中任意串联功率管发生短路故障时，改变驱动控制方式后，系统仍然能够可靠工作。

[0032] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。