CN106452218B - 一种模块化三相多端电机及其驱动控制方法 - Google Patents

一种模块化三相多端电机及其驱动控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模块化三相多端电机及其驱动控制方法，包括：三相多端电机本体，用于驱动该电机的载波移相脉宽调制电路、控制器及驱动电路；三相多端电机本体由两相对布置且同心的定子和转子构成；嵌放于电机定子槽中的线圈按空间位置构成多套三相对称绕组，每套三相绕组模块连接独立的三相逆变器。各三相逆变器的PWM载波按顺序依次移相，所有逆变器按照一定的方式驱动，为整个电机***提供电流，电机运行时，每套绕组模块产生的对应电磁转矩叠加在转子上形成总电磁转矩。本发明通过将电机本体设计为多三相模块结构，使其具备更好的容错性能。通过将多逆变器共同驱动模式与PWM载波移相控制方法结合，显著降低了电机***总电磁转矩中由PWM引入的转矩脉动。

Description

一种模块化三相多端电机及其驱动控制方法
技术领域
本发明属于交流电机与驱动控制领域，更具体地，涉及一种模块化三相多端电机及其驱动控制方法。
背景技术
随着现代电机与电力电子与控制技术的发展，基于电力电子逆变器驱动的交流电机变频调速***，已广泛应用于伺服和交通牵引领域。在大功率交流电机应用场合，由于开关管功率等级有限，单个三相逆变器难以满足驱动要求，在这种情况下，多逆变器并联结构往往被采用，而这种结构通常又会引入桥臂间环流等新问题。此外，用于驱动交流电机的电力电子逆变器工作在脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)模式下，PWM带来的开关电流纹波会对应产生开关频率的电磁转矩纹波，从而给电机带来与PWM相关的转矩脉动和振动噪声。交流电机调速***中存在的这两个问题都阻碍了其在高性能场合中的应用。
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新的模块化三相多端电机及其驱动控制方法，旨在实现大功率电机驱动要求的同时解决现有技术中会产生与PWM相关的转矩脉动和振动噪声的问题。
本发明提供了一种模块化三相多端电机，包括：三相多端电机本体，用于驱动电机的驱动控制结构；三相多端电机本体包括：n个模块化定子和一个转子；定子的极对数和所述转子的极对数一致；每个模块化定子各包括一套完整的三相绕组，绕组通电流时能够在转子上产生对应的电磁转矩，各定子模块产生的电磁转矩在转子上叠加得到总电磁转矩；驱动控制结构包括：驱动电路、载波移相脉宽调制电路和控制器；所述三相多端电机本体中多个绕组中的交流电流分别产生旋转磁场共同与转子永磁体作用产生需要的电磁转矩；所述驱动电路输入端接直流母线电源，输出端接电机的各个绕组，每个驱动电路由载波移相脉宽调制电路和控制器给出开关动作控制信号；所述载波移相脉宽调制电路用于产生需要的多个移相载波信号；所述控制器包括：速度控制器和电流控制器，分别用于电机转速和电流的控制调节。
更进一步地，所述转子为永磁式转子或绕线式转子。
更进一步地，定子绕组为分数槽集中绕组或整数槽分布绕组。
更进一步地，n个三相定子模块对应相的反电势的波形一致，每个驱动电路对应的载波信号都是载波周期为Ts的对称三角波序列；各载波信号波形相同，相位不同，即根据要消除的转矩m次开关纹波，按照模块1～n的顺序，PWM载波依次移相Ts/n/m时间。
更进一步地，载波移相脉宽调制电路包括：三角波发生器和移相控制器，三角波发生器用于产生调制需要的载波；所述移相控制器用于对三角波的初始相位做相应的调整。
本发明还提供了一种基于上述的模块化三相多端电机的驱动控制方法，包括下述步骤：
将参考速度与电机实测转速相减后通过速度控制器处理后产生转矩参考电流；
将转矩参考电流均分为n等份后分别作为n个电流控制器的电流指令值，并将实测的三相电流反馈至电流控制器；
n个电流控制器输出n套三相绕组的电压占空比，并将电压占空比与每套三相绕组对应的移相后的载波进行比较后获得与每套三相绕组对应的PWM开关信号；
通过将PWM开关信号给三相逆变器并控制模块化三相多端电机按要求旋转。
更进一步地，根据要消除的转矩m次开关纹波，每两个相邻的电流控制器的载波信号移相1/n/m个载波周期。
通过将三相多端电机***设计为多三相模块结构，使其具备更好的容错性能。同时，通过将多逆变器共同驱动模式与PWM载波移相控制方法结合，可显著降低电机***总电磁转矩中由PWM引入的转矩脉动。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，把电机做成多端模块化并用多个逆变器同时驱动，由于各个逆变器可以单独控制电流纹波，因而能够在实现大功率驱动的同时降低转矩纹波和振动噪声。
附图说明
图1是按照本发明实现的模块化三相多端电机本体的基本拓扑结构示意图；
图2是按照本发明实现的模块化三相多端电机本体的典型设计结果；
图3是模块化三相多端电机的磁力线分布及绕组接线方式示意图；
图4是按照本发明实现的单模块电机的驱动电路结构图；
图5是按照本发明实现的电机***控制驱动电路框图；
图6是按照本发明实现的模块化三相多端电机控制框图；
图7是按照本发明实现的载波移相PWM方法；
图8是各个驱动电路采用统一载波情况下，转矩脉动的合成图；
图9是按照本发明实现的载波移相PWM方法下，转矩脉动空间矢量合成图；
图10是本发明提供的模块化三相多端电机的驱动控制方法实现流程示意图。
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。
本发明提供了一种模块化三相多端电机***，包括：三相多端电机本体，用于驱动电机的驱动控制结构，其中驱动控制结构包括：驱动电路、载波移相脉宽调制电路和控制器；其中，三相多端电机本体包括定子侧被分成多个相同的绕组和一个永磁转子，多个绕组中的交流电流分别产生旋转磁场共同与转子永磁体作用产生需要的电磁转矩；驱动电路输入端接直流母线电源，输出端接电机的各个绕组，每个驱动电路由载波移相脉宽调制电路和控制器给出开关动作控制信号；载波移相脉宽调制电路包括：三角波发生器和移相控制器，用于产生需要的多个移相载波信号；控制器包括：速度控制器和电流控制器，控制器采用PI调节器结构，分别用于电机转速和电流的控制调节；
本发明将交流电机设计为多三相模块结构，使其具备更好的模块化结构和容错性能。在此基础上，采用多逆变器独立驱动模式，在控制方法上将各支路逆变器的PWM载波顺次移相，从而使各逆变器相同相的开关电流纹波在相位上依次移相，最终使得转子上的合成电磁转矩开关纹波在空间上合成时，有彼此对消的效果，大大降低由PWM调制引入的电机转矩脉动和振动噪声。
本发明中，电机由多个彼此独立的三相模块组合而成；电机各三相模块之间电磁耦合弱，并且各三相模块由独立的逆变器驱动控制，在故障条件下可以切除故障模块，其余模块继续工作，能够实现良好的容错性能。各个三相模块的逆变器载波顺次移相，使合成的电磁转矩的PWM纹波彼此对消，转矩脉动得到明显降低。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的模块化三相多端电机及其驱动控制方法，现结合附图及具体实例详述如下：
如图1所示，模块化三相多端电机包括：n个模块化定子1(n为任意自然数)和一个转子2。转子2可以是永磁转子，也可以是其他形式的交流电机转子。定子极对数和转子极对数一致。每个模块化定子各包括一套完整的三相绕组，绕组通电流时能够在转子上产生对应的电磁转矩，各定子模块产生的电磁转矩在转子上叠加得到总电磁转矩。n个三相定子模块对应相的反电势波形是一致的。n个三相定子模块彼此间的电磁耦合非常小。
如图2所示，以n＝4为例，设计了一个模块化三相多端电机拓扑的具体实施例。该实施例由具有12槽的定子1和具有4对极永磁体的转子2构成。围绕定子1的12个齿，嵌放有12个彼此独立的非重叠线圈。这些独立线圈构成4套三相对称绕组，每套绕组的对应相之间无电磁耦合，因而可将定子1视作4个独立的模块化定子。该电机拓扑的4套三相绕组分别由4套三相逆变器驱动。
如图3所示，为图2给出的三相多端电机拓扑实施例的一种具体的绕组分相方式，以及在特定转子位置下的磁场分布示意图，其中A1，B1，C1为第一套绕组的三相线圈，A2，B2，C2为第二套绕组的三相线圈，以此类推。从磁场分布可以清晰地看出，四套绕组对应相的线圈所交链的磁场完全相同，使得各对应相的反电势波形也完全一致，因而四套绕组可采用四套三相逆变器共同的驱动控制方式。
如图4所示，n相电机，第k模块，1≤k≤n；每个模块化定子由一个三相半桥逆变器驱动。每个逆变器包括三个桥臂，每个桥臂由两个电力电子双向开关器件串联组成，桥臂中点连接接到对应模块对应相的端子。每个驱动电路可在对应定子模块中产生三相正弦电流与转子作用从而并产生对应的电磁转矩。
如图5所示，模块化三相多端电机的整体驱动控制结构包括：n个驱动电路、控制器和相应的载波移相脉宽调制电路。n个驱动电路的直流侧可以是独立的直流电源，也可以是共用的直流电源。n个驱动电路的交流输出侧与模块化三相多端电机的n套三相定子绕组连接，产生n组三相电流。由于各定子模块的反电动势一致，稳态下各个模块的三相电流也对应一致。控制器采集电机的转速和转子位子信息，以及各绕组的电流，实现转速、电流双闭环控制后将脉宽调制(PWM)信号发送给各个驱动电路实现控制功能。
如图6所示，模块化三相多端电机的控制器包括：速度控制器和电流控制器，其中控制信号组成两个闭环，即由速度控制器、电流控制器、驱动电路以及电机速度反馈信号组成的外环速度闭环和由电流控制器、驱动电路以及电机电流反馈信号组成的内环电流闭环。在外环中，参考速度与电机实测转速相减后通过速度控制器产生转矩参考电流。参考电流均分为n等份后，分别作为n个电流控制器的电流指令值。n个电流控制器输出的PWM信号用于驱动n个驱动电路。其中，每组PWM由电流控制器输出的占空比与对应的载波比较实现。
图7是模块化三相多端电机n个定子模块的载波控制分布示意图。每个载波都是开关周期为Ts的对称三角波序列。按照顺序定义的1～n套绕组，根据要消除的转矩m次开关纹波，PWM载波依次移相Ts/n/m，即n套驱动电路的载波是等距移相的。由于各套绕组对应电流控制器的参考电流时刻保持一致，使得各电流控制器输出占空比也保持一致，只是各驱动电路的载波发生移相。因此，每套绕组输出的基波电流一致，只有开关次谐波依次移相。对应电机上各套绕组产生的电磁转矩，其平均转矩都相同，而由于PWM产生的m次转矩纹波实现了移相，从而最终叠加使总的电磁转矩纹波大大下降。
图8是模块化三相多端电机各模块对应的载波没有移相时，各模块开关频率的电磁转矩脉动的合成示意图。由于各模块采用同一载波，转矩脉动Tq1～Tqn在时间相位上一致。因此各模块转矩脉动通过代数相加得到总转矩脉动，即总转矩脉动等于各个模块转矩脉动的n倍。
图9是模块化三相多端电机载波在本发明提出的移相方式下(图7)得到的PWM开关频率的转矩脉动合成示意图。由于各个模块的载波依次移相了Ts/n/m时间，在开关频率下等效于移相了2π/n/m，因此Tq1～Tqn依次移相2π/n/m，在空间上进行矢量合成后的m次转矩脉动理论上等于零。因此转矩脉动得到明显的抑制。
图10为整个程序工作流程图，速度指令与反馈回来的速度信号做差后输入速度控制器，经过计算后给出转矩电流参考值。转矩电流的参考值经过n等分后作为每个电流控制器的指令值，与电流反馈值做差输入电流控制器，经过计算后每个电流控制器分别给出每套绕组三相电压的占空比，这些占空比与对应的移相后的载波比较后得到逆变器的开关信号输出给驱动电路产生对应的电压作用于电机从而实现对电机转速转矩的控制。
本发明中的模块化三相多端电机结构及其载波移相控制方法适用于中大功率、高容错要求，以及对转矩脉动和振动噪声要求严格的应用场合。
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。

Claims (6)

1.一种模块化三相多端电机，其特征在于，包括：三相多端电机本体，用于驱动电机的驱动控制结构；
所述三相多端电机本体包括：n个模块化定子(1)和一个转子(2)；所述定子的极对数和所述转子的极对数一致；每个模块化定子各包括一套完整的三相绕组，绕组通电流时能够在转子上产生对应的电磁转矩，各定子模块产生的电磁转矩在转子上叠加得到总电磁转矩；n个三相定子模块对应相的反电势的波形一致，n为任意自然数；
所述驱动控制结构包括：驱动电路、载波移相脉宽调制电路和控制器；所述三相多端电机本体中多个绕组中的交流电流分别产生旋转磁场共同与转子永磁体作用产生需要的电磁转矩；所述驱动电路输入端接直流母线电源，输出端接电机的各个绕组，每个驱动电路由载波移相脉宽调制电路和控制器给出开关动作控制信号，每个驱动电路对应的载波信号都是载波周期为Ts的对称三角波序列；各载波信号波形相同，相位不同，按照模块1～n的顺序，根据要消除的转矩m次开关纹波，各路PWM载波依次移相Ts/n/m时间；所述载波移相脉宽调制电路用于产生需要的多个移相载波信号；所述控制器包括：速度控制器和电流控制器，分别用于电机转速和电流的控制调节，m为任意自然数。
2.如权利要求1所述的模块化三相多端电机，其特征在于，所述转子(2)为永磁式转子或绕线式转子。
3.如权利要求1或2所述的模块化三相多端电机，其特征在于，所述定子绕组为分数槽集中绕组或整数槽分布绕组。
4.如权利要求1或2所述的模块化三相多端电机，其特征在于，所述载波移相脉宽调制电路包括：三角波发生器和移相控制器，三角波发生器用于产生调制需要的载波；所述移相控制器用于对三角波的初始相位做相应的调整。
5.一种基于权利要求1所述的模块化三相多端电机的驱动控制方法，其特征在于，包括下述步骤：
将参考速度与电机实测转速相减后通过速度控制器处理后产生转矩参考电流；
将转矩参考电流均分为n等份后分别作为n个电流控制器的电流指令值，并将实测的三相电流反馈至电流控制器；
n个电流控制器输出n套三相绕组的电压占空比，并将电压占空比与每套三相绕组对应的移相后的载波进行比较后获得与每套三相绕组对应的PWM开关信号；
通过将PWM开关信号给三相逆变器并控制模块化三相多端电机按要求旋转。
6.如权利要求5所述的驱动控制方法，其特征在于，根据要消除的转矩m次开关纹波，按照模块1～n的顺序，相应的载波信号依次移相1/n/m个载波周期，m、n均为任意自然数。
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