CN101873097B

CN101873097B - 实现串励电机电子换向和四象限工作的控制方法及其装置

Info

Publication number: CN101873097B
Application number: CN2010102021659A
Authority: CN
Inventors: 周斌欣
Original assignee: YANGZHOU ZHONGLING AUTOMATIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Zhejiang Yidong Electronic Co., Ltd
Priority date: 2010-06-18
Filing date: 2010-06-18
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2030-06-18
Also published as: CN101873097A

Abstract

实现串励电机电子换向和四象限工作的控制方法及其装置，属于直流有刷电机控制领域，采用半导体开关元件组成的全桥电路单独控制串励电机的一绕组实现其双向电流控制；采用半导体开关元件组成的互补的两个半桥电路单独控制所述串励电机的的另一绕组的单方向电流；通过电流反馈控制所述串励电机的两绕组的电流大小一致；当电机在发电象限工作运行时控制所述串励电机的电枢绕组所接电路的对应工作象限的供电开关对的导通占空比小于0.5。可以实现电能回馈电源的四象限工作，对于有大扭矩地频繁正反转要求的运用既能实现快速，也能做到重复利用机械动能而提高***效率。

Description

实现串励电机电子换向和四象限工作的控制方法及其装置

技术领域

本发明属于直流有刷电机控制领域，特别涉及直流串励电机的控制技术领域。

背景技术

串励电机在工民业中因其优良的启动特性和成熟的技术常常被应用于大起始扭矩的场合，如电动叉车，电缆绞线机，豆浆机等。但在大功率的应用中，电机的换向旋转需要电磁式的换向接触器从而不能做到频繁和快速地正反转；同时传统的控制方式受制于电枢绕组与励磁绕组串接的思路限制导致电机的反向电动势总是小于机端电压而不能做到电机的发电运行，无论是反接制动还是电阻制动都实际上是能耗型制动；且电机原则上只工作在第一或第三象限，对于有频繁正反转要求的运用既不能做到快速也不能做到重复利用机械动能提高***效率。

传统型的串励电机调速***如图1、2所示。图1为传统型的串励电机接线示意图，直流电压U经过接触器Km可提供+U或-U给电机，同时常闭接点接触器Kz可断开串入制动电阻R_Ω。所对应的速度力矩特性曲线如图2所示。其稳态时力矩与转速在励磁不饱和时理想方程式为

R为R_a或为制动时的(R_a+R_Ω)。

由于串励电机的励磁绕组与电枢绕组的电流相等，在电机的转速增加时，电流减小导致励磁磁场减小导致力矩以更快速度减小。在输出力矩接近0时，电流接近0，去平衡电机机端电压，串励电机表现出的是速度接近无穷大，俗称飞车的现象。这种现象导致电机不能穿越第Ⅰ(Ⅲ)象限进入第Ⅱ(Ⅳ)象限以负输出力矩对正速度或正输出力矩对负速度的特性来反馈电能给电源。注意图1中加制动电阻导致曲线进入第Ⅱ和Ⅳ象限并非反馈电能给电源，而是电机发电电能加电源电能消耗能量于制动电阻上。普通的因高转速(如车辆下坡)导致高反电动势来使电流反向对于串励电机不会在传统接线中发生，因为转速增高却带来励磁减少，反电动势永不超过电源电压。所以传统上，串励电机被认为是不可被用来进行发电运行的。归根结底，这是由于接线上励磁绕组和电枢绕组的串接方式导致的。若将励磁和电枢绕组分开接线分开控制，如他励式电机，虽然此时电机的反电动势可大于电源，电机原则上可进行四象限操作，但串励电机电刷与集电极间的点火花可能过大导致换向失败的问题也因此可能出现。因此简单他励式接线和控制用于串励电机也不能解决问题。

发明内容

本发明第一目的在于提供能实现直流串励电机的电子换向和四象限工作的控制方法。

本发明采用半导体开关元件组成的全桥电路单独控制串励电机的一绕组实现其双向电流控制；采用半导体开关元件组成的互补的两个半桥电路单独控制所述串励电机的的另一绕组的单方向电流；通过电流反馈控制所述串励电机的两绕组的电流大小一致；当电机在发电象限工作运行时控制所述串励电机的电枢绕组所接电路的对应工作象限的供电开关对的导通占空比小于0.5。

本发明所述全桥电路中的半导体开关元件为MOSFET，或IGCT，或与二极管反向并联的IGBT、BJT、GTO、MCT中的任意一种。

全桥电路有两个上臂开关和两个下臂开关。每个上臂开关都有一个下臂开关与其直接相连并且不能同时导通以防止桥短路的事故发生。因此每个上臂开关都有一个不与其相连的下臂开关相对应用来同时导通提供电源电压给接于它们之间的电机绕组。这样一对开关在本说明书中被定义为供电开关对。全桥电路有两个供电开关对，分别从两个方向对电机绕组供电，分别对应同一绕组的两个电流方向。

所述半桥电路中的半导体开关元件为MOSFET，或IGCT，或IGBT、BJT、GTO、MCT中的任意一种。

本发明以上互补的两个半桥电路是指由两组上下臂结构的全桥电路中一组下臂开关为二极管，另一组上臂开关为二极管。也就是说互补的两个半桥电路是指由半导体开关元件组成的全桥电路中一组上下臂结构的下臂开关元件用二极管替代且另一组上下臂结构的上臂开关元件用二极管替代。

本发明用全桥电路来单独控制串励电机的某一绕组实现其双向电流控制，用互补的两个半桥电路单独控制此电机的另一绕组的单方向电流，通过电流反馈控制此两绕组的电流大小一致来确保换向暂态过程不因电子换向带来额外的电火花不利因素，当电机在发电象限工作运行时控制电枢绕组所接电路的对应工作象限的供电开关对的导通占空比小于0.5来确保电源接受能量的平均值为正。

采用本发明方法打破了传统直流串励电机的只有两个象限工作的状态，可以实现电能回馈电源的四象限工作，对于有大扭矩地频繁正反转要求的运用既能实现快速，也能做到重复利用机械动能而提高***效率。本发明极大地拓宽了直流串励电机的应用范围。

当本发明所述全桥电路用来控制串励电机的励磁绕组时，所述互补的两个半桥电路用来控制串励电机的电枢绕组。

该技术方案要点为采用全桥电路来单独接线励磁绕组实现其双向电流的控制，实现力矩换向功能；采用互补的两个半桥电路单独接线电枢绕组的实现其单方向电流控制且确保电能反馈回电源通道；通过电流反馈控制两绕组的电流大小一致，进而确保电机电刷与集电极之间换向成功。

第Ⅰ象限和第Ⅲ象限稳定运行时，励磁绕组的电流由全桥电路斩波控制稳定在单一极性下，并且通过电枢绕组和励磁绕组的电流反馈信息控制励磁电流始终追随电枢电流使两者大小相等，其中第Ⅰ象限运行励磁绕组电流的方向与第Ⅲ象限运行励磁绕组电流的方向相反；电枢绕组的电流由互补双半桥电路斩波控制其大小追随用户与负载要求。互补双半桥中的两开关导通时，电枢电流在电源与电枢反电势之差的正压下增加，电源向电枢绕组供电；关断时反电动势不改变极性，电枢电流在电源电压与反电动势之和的负压下减小，是电机磁场能量同时向电源和负载供能，没有机械能向电源供电。以高频开关频率来控制双半桥的开关占空比可准确控制电枢电流大小来控制电机力矩大小和速度大小，满足应用要求。注意第Ⅰ象限的转速方向和励磁电流方向与第Ⅲ象限相比同时改变因此电枢反电势的极性在此两象限不变。

当第Ⅱ象限和第Ⅳ象限稳定运行时，励磁绕组的电流励磁绕组的电流由全桥电路斩波控制稳定在单一极性下，并且通过电枢绕组和励磁绕组的电流反馈信息控制励磁电流始终追随电枢电流使两者大小相等，但此时第Ⅱ象限运行励磁绕组的电流方向与第Ⅰ象限励磁绕组方向相反而第Ⅳ象限运行励磁绕组的电流方向与第Ⅲ象限励磁绕组电流方向相反，因此第Ⅱ，Ⅳ象限的反电势极性相同但都与第Ⅰ，Ⅲ象限的反电势极性相反；电枢绕组的电流由互补双半桥电路斩波控制其大小追随用户与负载要求。互补双半桥中的两开关导通时，电枢电流在电源与电枢反电势之和的正压下增加，电源和机械能同时向电机磁场供能；互补双半桥中的两开关关断时，电枢电流在电源电压与电枢反电势之差下变化，机械能通过电机磁场向电源供电实现能量回馈。在反电势小于电源电压时，电枢电流可回落.。在高频开关频率时，单个开关周期内电流变化很小可认为不变，在此周期内若占空比是k，电流大小是I，电源电压是U，反电势是E，周期内电源受电平均功率是(1-2k)U×I，电阻消耗功率I²×R_a，机械能释放功率E×I。在k不大于0.5时，电源一个周期内为受电。若需电源持续受电，需持续满足E＝(1-2k)U+I×R_a时持续控制k＜0.5。在供电机械能充足时，k可为0，即互补双半桥的开关持续关断，完全由其两二极管提供馈电通路，电压方程简化为E＝U+I×R_a，同时有限流值防止机械供能过于充足时I过大。在机械供能不充足时，k可在0至0.5范围内波动，控制电枢所见平均电源电压值小于电枢反电势值且控制电枢电流追随外界馈电指令或速度指令。在供电机械能不足不能驱动电机旋转时，E为0而退出第Ⅱ或第Ⅳ象限。

第Ⅰ象限运行模式向第Ⅱ象限运行模式转换或第Ⅲ象限向第Ⅳ象限转换时，需同时减少电枢绕组和励磁绕组的电流直至0来保证电机电刷换向。此后励磁绕组电流由0反向上升而电枢电流由0按原来单方向上升至所需值。一般电机机电时间常数远大于其绕组电气时间常数所以电机速度在这期间基本不变。这样电机实现由电动机运行的某个力矩速度点基本恒速地减少出力至0力矩轴再进入发电反馈运行的第Ⅱ，Ⅳ象限。期间负载力矩和原有的电机储存机械能一起提供能量给电源。若负载力矩在此期间变化极性为提供机械能，电机可以稳定运行在新的象限；若无此供能性负载，电机可在控制占空比k吸收完电机惯性储能后最终停于0速度0力矩点。

第Ⅱ象限运行模式向第Ⅰ象限运行模式转换或第Ⅳ象限向第Ⅲ象限转换时，操作与前述段落相同，电机由发电运行的某个速度力矩点的电磁力矩制动负载力矩驱动状态基本恒速地因励磁电枢电流减少电磁制动减少而变化到0电流0力矩轴；这时电机励磁电流反向上升电磁力矩反向为驱动力矩，在新的负载制动力矩不大于电磁驱动力矩时电机进入新的电动象限，稳定于新的速度和力矩工作点。

第Ⅰ象限和第Ⅲ象限的运行模式互相转换可在前述电动至发电模式转换中再过0力矩轴后因负载驱动力矩不能大于或等于电机的电磁制动力矩的条件下电机减速至0速，这时电机的制动力矩保持极性变为驱动力矩，在负载的新的制动力矩不能大于电机驱动力矩条件下反向旋转进入新的电动象限。

第Ⅱ象限和第Ⅳ象限的运行模式转换可在前述发电至电动模式转换中再过0力矩轴后因负载的制动力矩大于电机的电磁驱动力矩条件下电机减速至0速，这时电机的驱动力矩保持极性变为制动力矩而负载的制动力矩因发电机械能输入变为驱动力矩，在其大于新的电机制动力矩条件下反向旋转进入新的发电象限。

第Ⅰ象限和第Ⅳ象限间的模式转换或第Ⅱ象限与第Ⅲ象限的模式转换不需减少励磁电枢电流至0再反向励磁电流的过程。在保持电机控制不变时，负载力矩的极性和大小变化就可完成这类模式转换。

当本发明所述全桥电路用来控制串励电机的电枢绕组时，所述互补的两个半桥电路用来控制串励电机的励磁绕组。

该技术方案要点为采用全桥电路来单独接线电枢绕组实现其双向电流的控制，实现力矩换向和电能反馈功能；采用互补双半桥电路单独接线励磁绕组的实现其单方向电流大小控制；通过电流反馈控制两绕组的电流大小一致，进而确保电机电刷与集电极之间换向成功。

对于励磁绕组电流方向不变的串励电机，全桥电路所接电枢绕组的这两个电流方向对应着电机的两个电磁力矩方向，从而对应电机稳定电动运行状态时第Ⅰ和第Ⅲ象限，或稳定发电运行状态时第Ⅱ和第Ⅳ象限。

第Ⅰ象限和第Ⅲ象限稳定运行时，励磁绕组的电流由互补双半桥电路斩波控制稳定在单一极性下，并且通过电枢绕组和励磁绕组的电流反馈信息控制励磁电流始终追随电枢电流使两者大小相等；电枢绕组的电流由全桥电路斩波控制其大小追随用户与负载要求。全桥中的与运行象限对应的供电开关对导通时，电枢电流在电源与电枢反电势之差的正压下增加，电源向电枢绕组供电；供电开关对关断时反电动势不改变极性，电枢电流通过全桥电路中另一供电开关对所含二极管的路径在电源电压与反电动势之和的负压下减小，是电机磁场能量同时向电源和负载供能，没有机械能向电源供电。以高频开关频率来控制全桥的供电开关对占空比可准确控制电枢电流大小来控制电机力矩大小和速度大小，满足应用要求。注意第Ⅰ象限的转速方向与第Ⅲ象限相比极性相反而励磁电流方向相同因此电枢反电势的极性在此两象限相反。

第Ⅱ象限和第Ⅳ象限稳定运行时，励磁绕组的电流励磁绕组的电流由互补双半桥电路斩波控制稳定在单一极性下，并且通过电枢绕组和励磁绕组的电流反馈信息控制励磁电流始终追随电枢电流使两者大小相等。此时第Ⅱ象限运行电枢绕组的电流方向与第Ⅰ象限电枢绕组电流方向相反而第Ⅳ象限运行电枢绕组的电流方向与第Ⅲ象限电枢绕组电流方向相反；第Ⅱ，Ⅳ象限的反电势极性彼此相反但与第Ⅰ，Ⅲ象限的反电势极性分别相同；电枢绕组的电流由全桥电路斩波控制其大小追随用户与负载要求。全桥中的与Ⅱ或Ⅳ运行象限对应的供电开关对导通时，电枢电流在电源与电枢反电势之和的正压下增加，电源和机械能同时向电机磁场供能；全桥中的与运行象限对应的供电开关对关断时，电枢电流在电源电压与电枢反电势之差下变化，机械能通过电机磁场向电源供电实现能量回馈。在反电势小于电源电压时，电枢电流可回落.。在高频开关频率时，单个开关周期内电流变化很小可认为不变，在此周期内若占空比是k，电流大小是I，电源电压是U，反电势是E，周期内电源受电平均功率是(1-2k)U×I，电阻消耗功率I²×R_a，机械能释放功率E×I。在k不大于0.5时，电源一个周期内为受电。若需电源持续受电，需持续满足E＝(1-2k)U+I×R_a时持续控制k＜0.5。在供电机械能充足时，k可为0，即全桥的所有开关持续关断，完全由与运行象限不对应的供电开关对所含的逆导二极管提供馈电通路，电压方程简化为E＝U+I×R_a，同时有限流值防止机械供能过于充足时I过大。在机械供能不充足时，k可在0至0.5范围内波动控制电枢所见平均电源电压值小于电枢反电势值且控制电枢电流追随外界馈电指令或速度指令。在供电机械能不足不能驱动电机旋转时，E为0而退出第Ⅱ或第Ⅳ象限。

第Ⅰ象限运行模式向第Ⅱ象限运行模式转换或第Ⅲ象限向第Ⅳ象限转换时，需同时减少电枢绕组和励磁绕组的电流直至0来保证电机电刷换向。此后电枢绕组电流由0反向上升而励磁电流由0按原来单方向上升至所需值。一般电机机电时间常数远大于其绕组电气时间常数所以电机速度在这期间基本不变。这样电机实现由电动机运行的某个力矩速度点基本恒速地减少出力至0力矩轴再进入发电反馈运行的第Ⅱ，Ⅳ象限。期间负载力矩和原有的电机储存机械能一起提供能量给电源。若负载力矩在此期间变化极性为提供机械能，电机可以稳定运行在新的象限；若无此供能性负载，电机可在控制占空比k吸收完电机惯性储能后最终停于0速度0力矩点。

第Ⅱ象限运行模式向第Ⅰ象限运行模式转换或第Ⅳ象限向第Ⅲ象限转换时，操作与前述段落相同，电机由发电运行的某个速度力矩点的电磁力矩制动负载力矩驱动状态基本恒速地因励磁电枢电流减少电磁制动减少而变化到0电流0力矩轴；这时电机电枢电流反向上升电磁力矩反向为驱动力矩，在新的负载制动力矩不大于电磁驱动力矩时电机进入新的电动象限，稳定于新的速度和力矩工作点。

第Ⅰ象限和第Ⅳ象限间的模式转换或第Ⅱ象限与第Ⅲ象限的模式转换不需减少励磁电枢电流至0再反向电枢电流的过程。在保持电机控制不变时，负载力矩的极性和大小变化就可完成这类模式转换。

本发明另一目的是提供以上控制方法的装置。

本发明装置包括：一个接于直流母线正极和负极之间的由半导体开关为基本单元的全桥电路、一个接于直流母线正极和负极之间的上臂为半导体开关元件下臂为二极管的半桥电路、一个接于直流母线正极和负极之间的下臂为半导体开关元件上臂为二极管的另一半桥电路、一个中央信号处理单元、一个门极驱动电路、一个励磁绕组电流传感器和一个电枢绕组电流传感器。所述两个半桥电路为一个互补的半桥电路，所述励磁绕组电流传感器和电枢绕组电流传感器的信号输出端分别连接在中央信号处理单元上，所述中央信号处理单元还设有串励电机的速度、力矩信号输入端，所述中央信号处理单元的输出端连接所述门极驱动电路的信号输入端，所述门极驱动电路的输出端分别与所述全桥电路和两个半桥电路连接；在所述全桥电路的另两端设有可与串励电机的一绕组连接的接线端，在所述两个半桥电路的上、下臂之间分别设有可与串励电机的另一绕组连接的接线端。

本发明所述全桥电路中的半导体开关元件可以为MOSFET，也可以为IGCT，还可以为与二极管反向并联的IGBT、BJT、GTO、MCT中的任意一种。

本发明所述半桥电路中的半导体开关元件可以为MOSFET，也可以为IGCT，还可以为IGBT、BJT、GTO、MCT中的任意一种。

使用时，可将全桥电路的两端分别连接在励磁绕组的两端，将两个半桥电路的另两端分别连接在电枢绕组的两端；也可将全桥电路的两端分别连接在电枢绕组的两端，将两个半桥电路的两端分别连接在励磁绕组的两端。控制装置在电机绕组接线改变时不变，为同一装置。本发明改进了传统的用电磁式接触器进行力矩换向的方法，从而实现其不能实现的频繁快速地力矩换向。

所述半桥电路中的二极管为分离式二极管，或半导体开关MOSFET或IGCT，或与二极管反向并联在一起的IGBT、BJT、GTO或MCT中的任意一种。

本发明中两个互补的半桥电路也可由全桥电路替代以减少二极管导通损耗，但从控制通路和络扑角度，双全桥电路技术方案隶属于前述全桥加互补双半桥结构。

附图说明

图1为传统串励电机控制接线原理图。

图2为传统串励电机速度力矩曲线示意图。

图3为本发明的第一种四象限工作串励电机控制接线图。

图4为第一种接线Ⅰ象限电枢回路电气分析图。

图5为第一种接线Ⅲ象限电枢回路电气分析图。

图6为第一种接线Ⅱ象限电枢回路电气分析图。

图7为第一种接线Ⅳ象限电枢回路电气分析图。

图8为本发明的第二种四象限工作串励电机控制接线图。

图9为第二种接线Ⅰ象限电枢回路电气分析图。

图10为第二种接线Ⅲ象限电枢回路电气分析图。

图11为第二种接线Ⅱ象限电枢回路电气分析图。

图12为第二种接线Ⅳ象限电枢回路电气分析图。

图13为本发明的第三种四象限工作串励电机控制接线图。

具体实施方式

例一：如图3所示，本发明设有：

1、一个由半导体开关元件M1、M2、M3和M4构成的接于直流母线正极和负极之间的全桥电路。其中M1、M2、M3和M4可以为MOSFET，也可以为IGCT，还可以为与二极管反向并联的IGBT、BJT、GTO、MCT中的任意一种。

2、一个由半导体开关元件M5为上臂、二极管D1为下臂的半桥电路。M5可以为MOSFET，也可以为IGCT，还可以为IGBT、BJT、GTO、MCT中的任意一种。

3、一个由半导体开关元件M6为下臂、二极管D2为上臂的半桥电路。M6可以为MOSFET，也可以为IGCT，还可以为IGBT、BJT、GTO、MCT中的任意一种。

4、一个中央信号处理单元。

5、一个门极驱动电路。

6、一个励磁绕组电流传感器CT1；

7、一个电枢绕组电流传感器CT2。

两个互补的半桥电路也可由全桥电路替代以减少二极管导通损耗，但从控制通路和络扑角度，双全桥电路技术方案隶属于前述全桥加互补双半桥结构，亦属于本发明的权利保护之内。

全桥电路、两个半桥电路分别接于直流母线正极和负极之间，中央信号处理单元设有串励电机的速度、力矩信号输入端、励磁绕组电流传感器信号输入端和电枢绕组电流传感器的信号输入端，中央信号处理单元的输出端连接门极驱动电路的信号输入端，门极驱动电路的输出端分别与半导体开关元件M1、M2、M3、M4、M5和M6连接。

在半导体开关元件M5和二极管D1之间引出接线端A1，在半导体开关元件M6和二极管D2之间引出接线端A2，在接线端A1和A2之间连接直流串励电机的电枢绕组，并将电枢绕组电流传感器CT2连接在其中的一根线出线上，电枢绕组电流传感器CT2的信号输出端连接中央信号处理单元。

在半导体开关元件M1和M3之间引出接线端F1，半导体开关元件M4和M2之间引出接线端F2，在接线端F1和F2之间连接直流串励电机的励磁绕组，并将励磁绕组电流传感器CT1连接在其中的一根线出线上，励磁绕组电流传感器CT1的信号输出端连接中央信号处理单元。

在励磁绕组和电枢绕组接线上的电流传感器CT1和CT2，分别经过(模数)电路转换此两路电流信号给控制装置内的中央信号处理控制单元，通过控制软件或硬件电路可比较这两个电流再通过斩波来控制协调和实现励磁绕组及电枢绕组的电流大小一致。

如图4、5所示，Ⅰ、Ⅲ象限中励磁绕组的电流极性不同，电枢电流极性相同，电机旋转方向不同电枢反电势的极性相同；M1和M2同时导通同时关断，为一对供电开关对；M3、M4同时导通同时关断，为另一对供电开关对；M5、M6同时导通同时关断，为一对供电开关对。M5、M6导通时，电枢绕组电流在(U-E)的正压下上升，电机磁场和机械轴同时接受电源能量；M5、M6关断时，D1、D2导通，电枢电流在(-U-E)的反压下下降，电源和机械轴同时接受电机磁场能量。调节导通与关断占空比可调节电机电枢绕组所见实际电压从而控制电枢电流大小和电磁力矩大小，在其大于负载的制动力矩下使电机加速，在小于负载力矩下使电机减速，在等于负载力矩下使电机匀速，满足工作要求，这和传统的串励电机调压调速控制方式相比特性一样。

如图6、7所示，Ⅱ象限中励磁绕组的电流极性与Ⅰ象限极性不同，电机旋转方向相同，电枢反电势相反；Ⅳ象限励磁绕组电流极性与Ⅲ象限极性不同，电机旋转方向相同，电枢反电势相反，但反电势极性与Ⅱ象限相同。M5、M6导通时，电枢绕组电流在(U+E)的正压下上升，电机磁场同时接受电源和机械轴输入能量；M5、M6关断时，D1、D2导通，电枢电流在(E-U)的压差下变化，电源接受机械轴能量。在0-0.5范围内调节导通与关断占空比可使电源平均受电为正。在E大于U时，电机磁场受能，否则电机磁场也释放能量，电枢电流下降。电流大小决定电磁制动力矩大小和速度一起决定发电功率。在电磁力矩小于负载轴驱动力矩下使电机加速，在大于负载驱动力矩下使电机减速，等于时使电机匀速。在无负载驱动力矩时可控制电机平滑减速至0、力矩为0工作点而驻动。这对于电动车辆应用而言可以在城市交通需频繁停车时每次都回收其机械储能而增加电池的巡航里程数。这样的串励电机操作模式不是传统的调压调速控制能给予的。

例二：如图8所示，本发明设有：

4、一个中央信号处理单元。

5、一个门极驱动电路。

6、一个励磁绕组电流传感器CT2；

7、一个电枢绕组电流传感器CT1。

与例一不同的是：

在半导体开关元件M5和二极管D1之间引出接线端F1，在半导体开关元件M6和二极管D2之间引出接线端F2，在接线端F1和F2之间连接直流串励电机的励磁绕组，并将励磁绕组电流传感器CT2连接在其中的一根线出线上。

在半导体开关元件M1和M3之间引出接线端A1，半导体开关元件M4和M2之间引出接线端A2，在接线端A1和A2之间连接直流串励电机的电枢绕组，并将电枢绕组电流传感器CT1连接在其中的一根线出线上。

如图9、10所示，Ⅰ、Ⅲ象限中电枢绕组的电流极性不同，励磁绕组电流极性相同，电机旋转方向不同电枢反电势的极性相反；M1和M2同时导通同时关断，为一对供电开关对，与Ⅰ象限对应；M3、M4同时导通同时关断，为另一对供电开关对，与Ⅲ象限对应；M5、M6同时导通同时关断，为一对供电开关对。在与象限对应的供电开关对导通时，电枢绕组电流在(U-E)的正压下上升，电机磁场和机械轴同时接受电源能量；在与象限对应的供电开关对关断时，另一供电开关对所含的逆导二极管导通，电枢电流在(-U-E)的反压下下降，电源和机械轴同时接受电机磁场能量。调节导通与关断占空比可条件电机电枢绕组所见实际电压从而控制电枢电流大小和电磁力矩大小，在其大于负载的制动力矩下使电机加速，在小于负载力矩下使电机减速，在等于负载力矩下使电机匀速，满足工作要求，这和传统的串励电机调压调速控制方式原理一样。

如图11、12所示，Ⅱ象限中电枢绕组的电流极性与Ⅰ象限极性不同，电机旋转方向相同，电枢反电势极性相同；Ⅳ象限励磁绕组电流极性与Ⅲ象限极性不同，电机旋转方向相同，电枢反电势相同，但反电势极性与Ⅱ象限相反。与运行象限对应的供电开关对导通时，电枢绕组电流在(U+E)的正压下上升，电机磁场同时接受电源和机械轴输入能量；与运行象限对应的供电开关对关断时，另一供电开关对所含的逆导二极管导通，电枢电流在(E-U)的压差下变化，电源接受机械轴能量。在0-0.5范围内调节导通与关断占空比可使电源平均受电为正。在E大于U时，电机磁场受能，否则电机磁场也释放能量，电枢电流下降。电流大小决定电磁制动力矩大小和速度一起决定发电功率。在电磁力矩小于负载轴驱动力矩下使电机加速，在大于负载驱动力矩下使电机减速，等于时使电机匀速。在无负载驱动力矩时可控制电机平滑减速至0速0力矩工作点而驻动。这对于电动车辆应用而言可以在城市交通需频繁停车时每次都回收其机械储能而增加电池的巡航里程数。这样的串励电机操作模式不是传统的调压调速控制能给予的。

如图13所示，本发明的两个半桥电路中的二极管可分别为分离式二极管，或半导体开关MOSFET或IGCT，或与二极管反向并联在一起的IGBT、BJT、GTO或MCT中的任意一种。

Claims

1.实现串励电机电子换向和四象限工作的控制方法，其特征在于：采用半导体开关元件组成的全桥电路单独控制串励电机的一绕组实现其双向电流控制；采用半导体开关元件组成的互补的两个半桥电路单独控制所述串励电机的的另一绕组的单方向电流；通过电流反馈控制所述串励电机的两绕组的电流大小一致；当电机电枢绕组接于互补的两个半桥电路，励磁绕组接于全桥电路时：电枢绕组电流方向不变，控制励磁绕组的电流方向从而控制电枢的反向电动势方向和电磁力矩方向；使电机工作在发电象限II或IV的特征是：使反向电动势方向负极指向正极的方向和互补的两个半桥电路的单方向电流方向一致；同时电枢绕组的供电开关对导通占空比小于0.5；使电机工作在电动象限I或III的特征是：使反向电动势方向负极指向正极的方向和互补的两个半桥电路的单方向电流方向相反；或者使反向电动势负极指向正极的方向和互补的两个半桥电路的单方向电流方向一致但电枢绕组的供电开关对导通占空比不小于0.5；当电机电枢绕组接于全桥电路，励磁绕组接于互补的两个半桥电路时，励磁绕组电流方向不变从而对于所在象限电机转速方向电枢绕组的反向电动势方向不变，通过全桥电路控制电枢电流的方向来控制电磁力矩方向；使电机工作在发电象限II或IV的特征是：使电枢电流方向和电枢反向电动势负极指向正极方向一致；同时使供电方向和电枢反向电动势负极指向正极方向一致的供电开关对的导通占空比小于0.5；电机工作在电动象限I或III的特征是：使电枢电流的方向和反向电动势负极指向正极的方向相反；或者使电枢电流的方向和反向电动势负极指向正极的方向一致但全桥电路中供电方向和电枢反向电动势方向一致的供电开关对的导通占空比不小于0.5。

2.根据权利要求1所述实现串励电机电子换向和四象限工作的控制方法，其特征在于所述全桥电路中的半导体开关元件为MOSFET，或IGCT，或与二极管反向并联的IGBT、BJT、GTO、MCT中的任意一种。

3.根据权利要求1所述实现串励电机电子换向和四象限工作控制方法的装置，其特征在于所述半桥电路中的半导体开关元件为MOSFET，或IGCT，或IGBT、BJT、GTO、MCT中的任意一种。

4.根据权利要求1或2或3所述实现串励电机电子换向和四象限工作的控制方法，其特征在于所述全桥电路控制串励电机的励磁绕组，所述互补的两个半桥电路控制串励电机的电枢绕组。

5.根据权利要求1或2或3所述实现串励电机电子换向和四象限工作的控制方法，其特征在于所述全桥电路控制串励电机的电枢绕组，所述互补的两个半桥电路控制串励电机的励磁绕组。

6.如权利要求1所述实现串励电机电子换向和四象限工作控制方法的装置，其特征在于包括一个接于直流母线正极和负极之间的由半导体开关为基本单元的全桥电路、一个接于直流母线正极和负极之间的上臂为半导体开关元件下臂为二极管的半桥电路、一个接于直流母线正极和负极之间的下臂为半导体开关元件上臂为二极管的另一半桥电路、一个中央信号处理单元、一个门极驱动电路、一个励磁绕组电流传感器和一个电枢绕组电流传感器，所述两个半桥电路为两个互补的半桥电路，所述励磁绕组电流传感器和电枢绕组电流传感器的信号输出端分别连接在中央信号处理单元上，所述中央信号处理单元还设有串励电机的速度、力矩信号输入端，所述中央信号处理单元的输出端连接所述门极驱动电路的信号输入端，所述门极驱动电路的输出端分别与所述全桥电路和两个半桥电路连接；在所述全桥电路的两组上下臂串联连接的两处设有可与串励电机的一绕组连接的接线端，在所述两个半桥电路的上、下臂之间分别设有可与串励电机的另一绕组连接的接线端。

7.根据权利要求6所述实现串励电机电子换向和四象限工作控制方法的装置，其特征在于所述全桥电路中的半导体开关元件为MOSFET，或IGCT，或与二极管反向并联的IGBT、BJT、GTO、MCT中的任意一种。

8.根据权利要求6或7所述实现串励电机电子换向和四象限工作控制方法的装置，其特征在于所述半桥电路中的半导体开关元件为MOSFET，或IGCT，或IGBT、BJT、GTO、MCT中的任意一种。

9.根据权利要求8所述实现串励电机电子换向和四象限工作控制方法的装置，其特征在于所述半桥电路中的二极管为分离式二极管，或半导体开关MOSFET或IGCT，或与二极管反向并联的IGBT、BJT、GTO或MCT中的任意一种。