开绕组永磁同步电机紧凑型驱动系统及其驱动方法技术方案

本发明专利技术公开一种开绕组永磁同步电机紧凑型驱动系统，四桥臂紧凑型变换器的第一至第三桥臂的中点分别与开绕组永磁同步电机的左端绕组ABC相连，第一至第三桥臂构成左三相功率输出端，第四桥臂的中点与开绕组永磁同步电机的右端绕组A′相连，右端绕组B′C′与左端绕组AB相连，第一、第二及第四桥臂构成右三相功率输出端；电流信号采集模块采集开绕组永磁同步电机的电流信号，位置信号采集模块采集开绕组永磁同步电机的电压信号，电流、电压信号均送入控制器，实现转速电流双闭环控制，由驱动模块输出PWM信号，实现对四桥臂紧凑型变换器的控制。此系统成本低，调速性能好。本发明专利技术还公开一种开绕组永磁同步电机紧凑型驱动方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电机系统及控制领域，特别涉及一种基于四桥臂紧凑型变换器的开绕组永磁同步电机驱动系统及其驱动方法。
技术介绍
永磁同步电机具有功率密度大、结构简单、效率高、可靠性好等优点，在以电动汽车、舰船电力推进、高速铁路为代表的新型电力牵引技术中具有广阔的应用前景。但是传统永磁同步电机调速系统无法实现电机的宽转速范围运行。为了解决这个问题，将传统三相交流电机的中性点打开，构成具有双端口的绕组开放式结构电机。在这种情况下，只改变了电机定子绕组的连接方式，不改变电机的磁路及结构，因此，开绕组结构电机不改变传统电机的基本性能。开绕组电机因为中性点打开，存在两个三相端口，其两个端口可以分别连接变换器，通过两个变换器的协调控制实现电机的宽转速范围运行。因为两个变换器同时为电机提供三相交流电，两侧逆变器可以各自承担电机一半的功率，并且由于其多电平特性，在相同电机绕组电流纹波的条件下能够降低变换器的开关频率，很好地满足了大功率电机系统的变换器的需求，因此开绕组结构及其控制技术的研究成为当前交流电机研究的重要拓展方向。开绕组结构电机由于其两端都可以接变换器，因此其驱动结构较为灵活，通常两个变换器都为三相逆变器，根据其直流母线相连方式分为并联式结构和串联式结构。串联式结构两个逆变器的直流母线不相连，双逆变器可以分别采用各自的电源供电，可以通过设置两端电源的电压，实现电机的三、四电平调制。并联式结构两个逆变器的直流母线相连，双逆变器采用单电源供电，可以降低驱动系统的成本并减小驱动系统的复杂程度，该拓扑结构也可以看作电机三相绕组分别连接一套H桥变换器，每相绕组可以独立控制，使得驱动系统的可靠性大幅提高，相比于串联式结构，系统的成本有了大幅缩减，但是共直流母线的连接方式，使得开绕组结构电机内部存在的零序通路，因此其零序电流的抑制及双逆变器的矢量调制技术等成为研究热点。因为基于双逆变器的开绕组永磁同步电机具有多电平特性以及双端口连接的灵活性，可以将两侧逆变器扩展为三电平、五电平、七电平等等，可以衍生出多种类型的电机驱动，极大地丰富了开绕组永磁同步电机的研究内容。随着电平数的提高，开绕组结构永磁同步电机结合相应的功率变换器能够构成具备优良特性的驱动系统，然而，现有的适合开绕组结构电机的双逆变器及其衍生的多电平逆变器拓扑结构，虽然能够很好地实现驱动控制功能，但是超过12个开关器件的变换器拓扑，大大增加了驱动系统的成本，并且控制系统的复杂程度也较高，因此针对开绕组永磁同步电机驱动系统，研究其简化的变换器拓扑结构及其控制技术成为推广其应用领域的重要途径。
技术实现思路
本专利技术的目的，在开绕组永磁同步电机与单电源供电的双逆变器拓扑构成的驱动系统的基本工作原理基础上，提供一种开绕组永磁同步电机紧凑型驱动系统及其驱动方法，其成本低，调速性能好。为了达成上述目的，本专利技术的解决方案是：一种开绕组永磁同步电机紧凑型驱动系统，包括开绕组永磁同步电机、四桥臂紧凑型变换器、控制模块及直流电源，其中，四桥臂紧凑型变换器包含相互并联的第一至第四桥臂，4条桥臂的直流侧均并联连接直流电源，第一至第三桥臂的中点分别与开绕组永磁同步电机的左端绕组ABC相连，第一至第三桥臂构成左三相功率输出端，四桥臂紧凑型变换器中第四桥臂的中点与三相开绕组永磁同步电机有如下6种连接方式：①第四桥臂的中点与开绕组永磁同步电机的右端绕组A′相连，右端绕组B′C′与左端绕组AB相连，第一、第二及第四桥臂构成右三相功率输出端；②第四桥臂的中点与开绕组永磁同步电机的右端绕组A′相连，右端绕组B′C′与左端绕组CA相连，第一、第三及第四桥臂构成右三相功率输出端；③第四桥臂的中点与开绕组永磁同步电机的右端绕组B′相连，右端绕组A′C′与左端绕组CB相连，第二、第三及第四桥臂构成右三相功率输出端；④第四桥臂的中点与开绕组永磁同步电机的右端绕组B′相连，右端绕组A′C′与左端绕组BA相连，第一、第二及第四桥臂构成右三相功率输出端；⑤第四桥臂的中点与开绕组永磁同步电机的右端绕组C′相连，右端绕组B′A′与左端绕组AC相连，第一、第三及第四桥臂构成右三相功率输出端；⑥第四桥臂的中点与开绕组永磁同步电机的右端绕组C′相连，右端绕组B′A′与左端绕组CB相连，第二、第三及第四桥臂构成右三相功率输出端；控制模块包括控制器及分别与之连接的电流信号采集模块、位置信号采集模块和驱动模块，电流信号采集模块用于采集开绕组永磁同步电机的电流信号，位置信号采集模块用于采集开绕组永磁同步电机的电压信号，且前述电流、电压信号均送入控制器，实现转速电流双闭环控制，由驱动模块输出PWM信号，实现对四桥臂紧凑型变换器的控制。上述第一至第四桥臂均包含相互串联的上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和下桥臂均采用反并联二极管的IGBT开关。一种开绕组永磁同步电机紧凑型驱动方法，包括如下内容：采集开绕组永磁同步电机的转子位置信息，获得电机转子转速反馈值，将给定转速与反馈转速作差后经过PI调节器后获得电机q轴电流给定值；采集开绕组永磁同步电机的三相绕组电流，结合转子位置信息经ABC-dq坐标变换后获得d、q轴反馈电流值，电流环给定与反馈值作差后经过PI调节器输出d、q轴电压值，通过dq-αβ变换得到α、β轴电压值，合成旋转电压矢量，经SVPWM调制后产生八路PWM信号，控制四桥臂紧凑型变换器驱动开绕组永磁同步电机实现转速、电流双闭环控制。上述四桥臂紧凑型变换器中各桥臂的驱动信号具有如下限制：(1)各桥臂中的上、下桥臂的驱动信号存在严格的约束关系，上、下桥臂不能够同时开通；(2)各桥臂驱动信号存在严格的约束关系，根据四桥臂紧凑型变换器中第四桥臂的中点与三相开绕组永磁同步电机的连接方式，有如下6种情况：①第一、第二桥臂驱动信号独立，第三桥臂驱动信号与第四桥臂驱动信号相同；②第一、第三桥臂驱动信号独立，第二桥臂驱动信号与第四桥臂驱动信号相同；③第二、第三桥臂驱动信号独立，第一桥臂驱动信号与第四桥臂驱动信号相同；④第一、第二桥臂驱动信号独立，第三桥臂驱动信号与第四桥臂驱动信号相同；⑤第一、第三桥臂驱动信号独立，第二桥臂驱动信号与第四桥臂驱动信号相同；⑥第二、第三桥臂驱动信号独立，第一桥臂驱动信号与第四桥臂驱动信号相同。针对四桥臂紧凑型变换器中第四桥臂的中点与三相开绕组永磁同步电机的第①种连接方式，上述SVPWM调制的具体过程是：(1)定义每个桥臂的开关状态：上桥臂开、下桥臂关为1状态，上桥臂关本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种开绕组永磁同步电机紧凑型驱动系统，其特征在于：包括开绕组永磁同步电机、四桥臂紧凑型变换器、控制模块及直流电源，其中，四桥臂紧凑型变换器包含相互并联的第一至第四桥臂，4条桥臂的直流侧均并联连接直流电源，第一至第三桥臂的中点分别与开绕组永磁同步电机的左端绕组ABC相连，第一至第三桥臂构成左三相功率输出端，四桥臂紧凑型变换器中第四桥臂的中点与三相开绕组永磁同步电机有如下6种连接方式：①第四桥臂的中点与开绕组永磁同步电机的右端绕组A′相连，右端绕组B′C′与左端绕组AB相连，第一、第二及第四桥臂构成右三相功率输出端；②第四桥臂的中点与开绕组永磁同步电机的右端绕组A′相连，右端绕组B′C′与左端绕组CA相连，第一、第三及第四桥臂构成右三相功率输出端；③第四桥臂的中点与开绕组永磁同步电机的右端绕组B′相连，右端绕组A′C′与左端绕组CB相连，第二、第三及第四桥臂构成右三相功率输出端；④第四桥臂的中点与开绕组永磁同步电机的右端绕组B′相连，右端绕组A′C′与左端绕组BA相连，第一、第二及第四桥臂构成右三相功率输出端；⑤第四桥臂的中点与开绕组永磁同步电机的右端绕组C′相连，右端绕组B′A′与左端绕组AC相连，第一、第三及第四桥臂构成右三相功率输出端；⑥第四桥臂的中点与开绕组永磁同步电机的右端绕组C′相连，右端绕组B′A′与左端绕组CB相连，第二、第三及第四桥臂构成右三相功率输出端；控制模块包括控制器及分别与之连接的电流信号采集模块、位置信号采集模块和驱动模块，电流信号采集模块用于采集开绕组永磁同步电机的电流信号，位置信号采集模块用于采集开绕组永磁同步电机的电压信号，且前述电流、电压信号均送入控制器，实现转速电流双闭环控制，由驱动模块输出PWM信号，实现对四桥臂紧凑型变换器的控制。...

【技术特征摘要】
1.一种开绕组永磁同步电机紧凑型驱动系统，其特征在于：包括开绕组永
磁同步电机、四桥臂紧凑型变换器、控制模块及直流电源，其中，四桥臂紧凑型
变换器包含相互并联的第一至第四桥臂，4条桥臂的直流侧均并联连接直流电源，
第一至第三桥臂的中点分别与开绕组永磁同步电机的左端绕组ABC相连，第一至
第三桥臂构成左三相功率输出端，四桥臂紧凑型变换器中第四桥臂的中点与三相
开绕组永磁同步电机有如下6种连接方式：①第四桥臂的中点与开绕组永磁同步
电机的右端绕组A′相连，右端绕组B′C′与左端绕组AB相连，第一、第二及第四
桥臂构成右三相功率输出端；②第四桥臂的中点与开绕组永磁同步电机的右端绕
组A′相连，右端绕组B′C′与左端绕组CA相连，第一、第三及第四桥臂构成右三
相功率输出端；③第四桥臂的中点与开绕组永磁同步电机的右端绕组B′相连，
右端绕组A′C′与左端绕组CB相连，第二、第三及第四桥臂构成右三相功率输出
端；④第四桥臂的中点与开绕组永磁同步电机的右端绕组B′相连，右端绕组A′
C′与左端绕组BA相连，第一、第二及第四桥臂构成右三相功率输出端；⑤第四
桥臂的中点与开绕组永磁同步电机的右端绕组C′相连，右端绕组B′A′与左端绕
组AC相连，第一、第三及第四桥臂构成右三相功率输出端；⑥第四桥臂的中点
与开绕组永磁同步电机的右端绕组C′相连，右端绕组B′A′与左端绕组CB相连，
第二、第三及第四桥臂构成右三相功率输出端；控制模块包括控制器及分别与之
连接的电流信号采集模块、位置信号采集模块和驱动模块，电流信号采集模块用
于采集开绕组永磁同步电机的电流信号，位置信号采集模块用于采集开绕组永磁
同步电机的电压信号，且前述电流、电压信号均送入控制器，实现转速电流双闭
环控制，由驱动模块输出PWM信号，实现对四桥臂紧凑型变换器的控制。
2.如权利要求1所述的一种开绕组永磁同步电机紧凑型驱动系统，其特征
在于：所述第一至第四桥臂均包含相互串联的上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和下
桥臂均采用反并联二极管的IGBT开关。
3.一种开绕组永磁同步电机紧凑型驱动方法，其特征在于包括如下内容：
采集开绕组永磁同步电机的转子位置信息，获得电机转子转速反馈值，将给定转
速与反馈转速作差后经过PI调节器后获得电机q轴电流给定值；采集开绕组永

\t磁同步电机的三相绕组电流，结合转子位置信息经ABC-dq坐标变换后获得d、
q轴反馈电流值，电流环给定与反馈值作差后经过PI调节器输出d、q轴电压值，
通过dq-αβ变换得到α、β轴电压值，合成旋转电压矢量，经SVPWM调制后产
生八路PWM信号，控制四桥臂紧凑型变换器驱动开绕组永磁同步电机实现转速、
电流双闭环控制。
4.如权利要求3所述的一种开绕组永磁同步电机紧凑型驱动方法，其特征
在于：所述四桥臂紧凑型变换器中各桥臂的驱动信号具有如下限制：
(1)各桥臂中的上、下桥臂的驱动信号存在严格的约束关系，上、下桥臂
不能够同时开通；
(2)各桥臂驱动信号存在严格的约束关系，根据四桥臂紧凑型变换器中第
四桥臂的中点与三相开绕组永磁同步电机的连接方式，有如下6种情况：①第一、
第二桥臂驱动信号独立，第三桥臂驱动信号与第四桥臂驱动信号相同；②第一、
第三桥臂驱动...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴胜男，魏佳丹，周波，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32