CN112532144A - 一种多模态柔性切换的电机驱动器及拓扑切换控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多模态柔性切换的电机驱动器及拓扑切换控制方法，其包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂以及第一双向晶闸管、第二双向晶闸管、第三双向晶闸管、第四双向晶闸管。通过控制切换电路中四个双向晶闸管的导通与关断，电机驱动器可以切换四种拓扑结构，分别对应三相半桥拓扑、三相四桥臂拓扑、单相反接的三相四桥臂拓扑和串联绕组拓扑。本发明的电机驱动器在不同的工况需求下，可以采用不同的拓扑结构，从而提升电机驱动器的控制自由度和容错能力，并实现电机工作区间的最大化。同时，所提出的柔性切换电路及其控制方法实现了四种拓扑的柔性切换，使电机驱动器切换拓扑的过程短暂迅速，不对电机的转速和转矩造成任何影响。

Description

一种多模态柔性切换的电机驱动器及拓扑切换控制方法

技术领域

本发明属于交流电机与驱动控制领域，更具体地，涉及一种多模态柔性切换的电机驱动器及拓扑切换控制方法。

背景技术

采用电力电子变换器作为电机驱动器控制交流电机是现代电力传动的主要方法。电力电子变换器的拓扑结构，对电机驱动***的动态控制能力、转矩输出能力、调速范围大小、容错运行能力以及可靠性等关键性能具有决定性的影响。而目前不存在一种各项性能指标均完美的拓扑结构。因此，针对不同类型的电机和应用领域要求，业界会根据重点需求选择不同的电力电子变换器拓扑结构。譬如目前工业界应用最广泛的三相半桥拓扑结构，其性能优势在于损耗低、低速转矩输出能力强，但调速范围窄，无容错能力。三相四桥臂拓扑为电机提供了零序电流通路，因此可以实现电机的断线容错，但其他性能没有改进。而三相全桥拓扑结构，其性能优势在于调速范围广，容错性能好，但需要六个桥臂，成本高、损耗大，功率密度低。近年来，一种三相串联绕组拓扑结构被提出，其优势与三相全桥拓扑相同，且只需要四个桥臂，克服了其功率密度低等缺陷，但该拓扑导致部分桥臂电流应力增加，限制了电机在低速时的转矩输出能力。

可见，目前的电机驱动器拓扑结构均存在自身难以克服的性能缺陷，尤其是电驱***最重视的转矩输出能力和调速范围，在同一种拓扑中无法实现同时优化。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提出一种多模态柔性切换的电机驱动器及拓扑切换控制方法，旨在不影响电机工作的情况下，实现多种拓扑的切换，从而同时保证低速时的转矩输出能力和高速时的转速输出能力，实现电机工作区间的最大化，并提升电机驱动***的控制自由度和容错能力。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种多模态柔性切换的电机驱动器，包括用于组成电机驱动器拓扑的第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂以及用于组成切换电路的第一双向晶闸管、第二双向晶闸管、第三双向晶闸管、第四双向晶闸管；每个桥臂包含一个上桥臂功率开关器件和一个下桥臂功率开关器件，每个桥臂的上桥臂功率开关器件的上节点连接直流母线电压，下桥臂功率开关器件的下节点连接电源地，上桥臂功率开关器件的下节点与下桥臂功率开关器件的上节点连接，作为桥臂的输出节点；

A相绕组的左节点连接第一桥臂的输出节点，A相绕组的右节点连接第一双向晶闸管的右节点、第二双向晶闸管的左节点和第四双向晶闸管的右节点；

B相绕组的左节点连接第二桥臂的输出节点，B相绕组的右节点连接第三双向晶闸管的右节点和第四双向晶闸管的左节点；

C相绕组的左节点连接第三桥臂的输出节点，C相绕组的右节点连接第四桥臂的输出节点；

第一双向晶闸管的左节点连接第二桥臂的输出节点，第三双向晶闸管的左节点连接第三桥臂的输出节点，第二双向晶闸管的右节点连接第四桥臂的输出节点。

进一步地，组成切换电路的四个双向晶闸管用于切换电机驱动器的拓扑结构：

当第二双向晶闸管和第四双向晶闸管导通，第一双向晶闸管和第三双向晶闸管关断时，根据第四桥臂的工作状态可分为两种拓扑结构。当第四桥臂不工作时，为三相半桥拓扑结构，可以提供大电流但不能提供高直流电压利用率，因此适用于电机在低速大转矩工况下运行；当第四桥臂工作时，为三相四桥臂拓扑结构，用于低速下的容错运行；

当第一双向晶闸管和第三双向晶闸管导通，第二双向晶闸管和第四双向晶闸管关断时，为串联绕组拓扑结构，用于提高可靠性和提供高直流电压利用率，因此适用于电机在高速工况下运行，但转矩需要降额运行；

当第三双向晶闸管和第四双向晶闸管导通，第一双向晶闸管和第二双向晶闸管关断时，为单向反接的三相四桥臂拓扑结构，其可以作为拓扑切换过程中的中间拓扑，实现拓扑的柔性切换。其还可以作为高速下故障容错运行时的拓扑。

优选地，功率开关器件为电流全控型开关，如MOSFET或带反并联二极管的IGBT。

按照本发明的另一方面，提供了一种针对上述多模态柔性切换的电机驱动器的拓扑切换控制方法，该控制方法的目的是为了平滑地任意地切换四种拓扑结构，使切换过程尽快短暂迅速，且在切换过程中不对电机的转速转矩造成影响，从而避免影响用户的体验。该控制方法包括：

三相半桥拓扑向单相反接的三相四桥臂拓扑切换的控制方法：撤除第二双向晶闸管的驱动信号，等待C相电流自然过零时，关断第二双向晶闸管，驱动第三双向晶闸管导通，拓扑结构切换为单相反接的三相四桥臂拓扑。

单相反接的三相四桥臂拓扑向三相半桥拓扑切换的控制方法：撤除第三双向晶闸管的驱动信号，等待C相电流自然过零时，关断第三双向晶闸管，驱动第二双向晶闸管导通，拓扑结构切换为三相半桥拓扑；

单相反接的三相四桥臂拓扑向三相串联绕组拓扑切换的控制方法：撤除第四双向晶闸管的驱动信号，等待A相电流自然过零后，关断第四双向晶闸管，驱动第一双向晶闸管导通，拓扑结构切换为三相串联绕组拓扑；

三相串联绕组拓扑向单相反接的三相四桥臂拓扑切换的控制方法：撤除第一双向晶闸管的驱动信号，等待A相电流自然过零后，关断第一双向晶闸管，驱动第四双向晶闸管导通，拓扑结构切换为单相反接的三相四桥臂拓扑；

三相半桥拓扑与三相四桥臂拓扑的切换通过控制第四桥臂的工作状态实现。第四桥臂不工作时，为三相半桥拓扑，第四桥臂工作时，为三相四桥臂拓扑。

进一步地，将以上五个控制方法相互组合即可实现四种拓扑结构的任意柔性切换。

按照本发明的第三方面，提供了一种多模态柔性切换的电机驱动器的拓扑切换控制***，包括：计算机可读存储介质和处理器；

所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；

所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行上述多模态柔性切换的电机驱动器的拓扑切换控制方法。

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、本发明所提出的多模态柔性切换的电机驱动器可以切换四种拓扑结构，不同的拓扑结构工作于不同的运行工况，从而发挥其最大的效益。在低速运行时，切换为三相半桥拓扑结构，输出最大转矩，降低运行损耗。在高速运行时，切换为三相串联绕组拓扑，扩大一倍的调速范围，提高可靠性和控制自由度。在桥臂或相绕组故障开路后，切换为三相四桥臂拓扑或单相反接的三相四桥臂拓扑，提供故障后容错运行能力。

2、所发明的单相反接的三相四桥臂拓扑作为拓扑切换时的中间拓扑时，直流电压利用率与三相半桥拓扑相同，使电机驱动器在极限运行工况下切换拓扑时，不产生转矩波动，实现了完全工况下的柔性拓扑切换。

3、本发明所提出的多模态柔性切换的电机驱动器成本低、体积小、触发电路简单，可靠性高，具有工业应用的前景。相比于只采用三相串联绕组拓扑，只增加了低成本的晶闸管切换电路，而可靠性、转矩输出能力和容错能力均有效提升。所提出的电机驱动器具有全电压电流控制自由度，因此适用于各类交流电机，包括永磁电机、感应电机和磁阻电机等等。

4、所发明的切换方法使四种拓扑结构间可以相互任意地柔性切换，利用两相电流的过零点，使切换过程短暂迅速，在切换过程中不对电机的转速转矩造成影响，从而不会影响用户的体验。

附图说明

图1是本发明提供的多模态柔性切换的电机驱动器的结构图；

图2(a)是本发明提供的电机驱动器切换为半桥拓扑时的结构图；

图2(b)是本发明提供的电机驱动器切换为三相四桥臂拓扑时的结构图；

图3(a)是本发明提供的电机驱动器切换为单相反接的三相四桥臂拓扑时的结构图；

图3(b)是图3(a)对应简化后的单向反接的三相四桥臂拓扑图；

图4是本发明提供的单相反接的三相四桥臂拓扑的桥臂电压与相电压关系图；

图5(a)是本发明提供的电机驱动器切换为三相串联绕组拓扑时的结构图；

图5(b)是图5(a)对应简化后的三相串联绕组拓扑图；

图6是本发明提供的电机工作区间；

图7是本发明提供的拓扑切换的状态机图。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，提供了一种多模态柔性切换的电机驱动器，包括用于组成电机驱动器拓扑的第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂以及用于组成切换电路的第一双向晶闸管T1、第二双向晶闸管T2、第三双向晶闸管T3、第四双向晶闸管T4。每个桥臂包含一个上桥臂功率开关器件和一个下桥臂功率开关器件，每个桥臂的上桥臂功率开关器件的上节点连接直流母线电压，下桥臂功率开关器件的下节点连接电源地，上桥臂功率开关器件的下节点与下桥臂功率开关器件的上节点连接，作为桥臂的输出节点；具体地，功率开关器件为电流全控型开关，如MOSFET或带反并联二极管的IGBT。

A相绕组的左节点连接第一桥臂的输出节点，A相绕组的右节点连接第一双向晶闸管T1的右节点、第二双向晶闸管T2的左节点和第四双向晶闸管T4的右节点；

B相绕组的左节点连接第二桥臂的输出节点，B相绕组的右节点连接第三双向晶闸管T3的右节点和第四双向晶闸管T4的左节点；

C相绕组的左节点连接第三桥臂的输出节点，C相绕组的右节点连接第四桥臂的输出节点；

第一双向晶闸管T1的左节点连接第二桥臂的输出节点，第三双向晶闸管T3的左节点连接第三桥臂的输出节点，第二双向晶闸管T2的右节点连接第四桥臂的输出节点。

组成切换电路的四个双向晶闸管用于切换电机驱动器的拓扑结构：

如图2(a)和图2(b)所示，当第二双向晶闸管和第四双向晶闸管导通，第一双向晶闸管和第三双向晶闸管关断时，根据第四桥臂的工作状态可分为两种拓扑结构。当第四桥臂不工作时，为三相半桥拓扑结构，可以提供大电流但不能提供高直流电压利用率，因此适用于电机在低速大转矩工况下运行；当第四桥臂工作时，为三相四桥臂拓扑结构，用于低速下的容错运行。

如图3(a)和图3(b)所示，当第三双向晶闸管和第四双向晶闸管导通，第一双向晶闸管和第二双向晶闸管关断时，为单向反接的三相四桥臂拓扑结构，其可以作为拓扑切换过程中的中间拓扑，实现拓扑的柔性切换。其还可以作为高速下故障容错运行时的拓扑。

如图4所示，可以看到在所发明的单相反接的三相四桥臂拓扑中，桥臂电压与相电压的幅值关系为

因此直流电压利用率与三相半桥拓扑相同，均可达到1.15倍。这使得电机驱动器在极限运行工况下采用该拓扑作为中间拓扑进行拓扑切换时，不产生转矩波动，实现了所有工况下的无缝平滑拓扑切换。

如图5(a)和图5(b)所示，当第一双向晶闸管和第三双向晶闸管导通，第二双向晶闸管和第四双向晶闸管关断时，为串联绕组拓扑结构，用于提高可靠性和提供高直流电压利用率，因此适用于电机在高速工况下运行，但转矩需要降额运行。

按照本发明的另一方面，提供了一种针对上述多模态柔性切换的电机驱动器的拓扑切换控制方法，该控制方法的目的是为了平滑地任意地切换四种拓扑结构，使切换过程尽快短暂迅速，且在切换过程中不对电机的转速转矩造成影响，从而避免影响用户的体验。该控制方法包括：

三相半桥拓扑向单相反接的三相四桥臂拓扑切换的控制方法：撤除第二双向晶闸管T2的驱动信号，等待C相电流自然过零时，关断第二双向晶闸管T2，驱动第三双向晶闸管T3导通，拓扑结构切换为单相反接的三相四桥臂拓扑。

单相反接的三相四桥臂拓扑向三相半桥拓扑切换的控制方法：撤除第三双向晶闸管T3的驱动信号，等待C相电流自然过零时，关断第三双向晶闸管T3，驱动第二双向晶闸管T2导通，拓扑结构切换为三相半桥拓扑。

单相反接的三相四桥臂拓扑向三相串联绕组拓扑切换的控制方法：撤除第四双向晶闸管T4的驱动信号，等待A相电流自然过零后，关断第四双向晶闸管T4，驱动第一双向晶闸管T1导通，拓扑结构切换为三相串联绕组拓扑；

三相串联绕组拓扑向单相反接的三相四桥臂拓扑切换的控制方法：撤除第一双向晶闸管T1的驱动信号，等待A相电流自然过零后，关断第一双向晶闸管T1，驱动第四双向晶闸管T4导通，拓扑结构切换为相反接的三相四桥臂拓扑；

三相半桥拓扑与三相四桥臂拓扑的切换通过控制第四桥臂的工作状态实现。第四桥臂不工作时，为三相半桥拓扑，第四桥臂工作时，为三相四桥臂拓扑。

进一步地，将以上五个控制方法相互组合即可实现四种拓扑结构的任意柔性切换。

如图6所示为多模态柔性切换的电机驱动器控制电机可以达到的工作范围。可以看到，通过拓扑切换，三相电机在低速下为三相半桥拓扑对应的运行区间，在高速下为三相串联拓扑的运行区间。因此同时保证了电机在低速时的转矩输出并扩展了一倍的高转速区间，大大提升了电机的运行范围。

多模态柔性切换的电机驱动器的另一个重要的优势在于切换过程平滑迅速。在切换过程中，电流和转矩均不会产生波动或暂态过程，从而不会对用户产生影响。该平滑的切换过程一方面得益于该拓扑结构切换时，每次只切换一相绕组的连接方式，且在该拓扑结构下，三相绕组的控制相互不影响，从而可以等待绕组中的相电流过零时进行平滑切换，同时单向反接的三相四桥臂拓扑的直流电压利用率与三相半桥的一致，均为1.15倍，因此在调制波满幅值输出的极端情况下，切换过程始终可以平滑过渡，不会出现电压畸变和转矩波动的情况；另一方面，还得益于对双向晶闸管的控制特性的利用。由于双向晶闸管开通可控而关断不可控，关断时需要电流自然过零关断，因此可以在任意时刻撤除双向晶闸管的驱动信号而不用改变控制方法，再等待相电流自然过零即可关断。其具体的模式切换状态机流程图如图7所示。

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 (5)

1.一种多模态柔性切换的电机驱动器，其特征在于，包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂以及第一双向晶闸管、第二双向晶闸管、第三双向晶闸管、第四双向晶闸管；每个桥臂包含一个上桥臂功率开关器件和一个下桥臂功率开关器件，每个桥臂的上桥臂功率开关器件的上节点连接直流母线电压，下桥臂功率开关器件的下节点连接电源地，上桥臂功率开关器件的下节点与下桥臂功率开关器件的上节点连接，作为桥臂的输出节点；

A相绕组的左节点连接第一桥臂的输出节点，A相绕组的右节点连接第一双向晶闸管的右节点、第二双向晶闸管的左节点和第四双向晶闸管的右节点；

B相绕组的左节点连接第二桥臂的输出节点，B相绕组的右节点连接第三双向晶闸管的右节点和第四双向晶闸管的左节点；

C相绕组的左节点连接第三桥臂的输出节点，C相绕组的右节点连接第四桥臂的输出节点；

第一双向晶闸管的左节点连接第二桥臂的输出节点，第三双向晶闸管的左节点连接第三桥臂的输出节点，第二双向晶闸管的右节点连接第四桥臂的输出节点。

2.根据权利要求1所述的电机驱动器，其特征在于，所述四个双向晶闸管用于切换电机驱动器的拓扑结构：

当第二双向晶闸管和第四双向晶闸管导通，第一双向晶闸管和第三双向晶闸管关断时，根据第四桥臂的工作状态分为两种拓扑结构：当第四桥臂不工作时，为三相半桥拓扑结构；当第四桥臂工作时，为三相四桥臂拓扑结构；

当第一双向晶闸管和第三双向晶闸管导通，第二双向晶闸管和第四双向晶闸管关断时，为串联绕组拓扑结构；

当第三双向晶闸管和第四双向晶闸管导通，第一双向晶闸管和第二双向晶闸管关断时，为单向反接的三相四桥臂拓扑结构。

3.根据权利要求1所述的电机驱动器，其特征在于，所述功率开关器件为MOSFET或带反并联二极管的IGBT。

4.一种基于权利要求1至3任一项所述的多模态柔性切换的电机驱动器的拓扑切换控制方法，其特征在于，包括：

三相半桥拓扑向单相反接的三相四桥臂拓扑切换：撤除第二双向晶闸管的驱动信号，等待C相电流自然过零时，关断第二双向晶闸管，驱动第三双向晶闸管导通，拓扑结构切换为单相反接的三相四桥臂拓扑；

单相反接的三相四桥臂拓扑向三相半桥拓扑切换：撤除第三双向晶闸管的驱动信号，等待C相电流自然过零时，关断第三双向晶闸管，驱动第二双向晶闸管导通，拓扑结构切换为三相半桥拓扑；

单相反接的三相四桥臂拓扑向三相串联绕组拓扑切换的控制方法：撤除第四双向晶闸管的驱动信号，等待A相电流自然过零后，关断第四双向晶闸管，驱动第一双向晶闸管导通，拓扑结构切换为三相串联绕组拓扑；

三相串联绕组拓扑向单相反接的三相四桥臂拓扑切换：撤除第一双向晶闸管的驱动信号，等待A相电流自然过零后，关断第一双向晶闸管，驱动第四双向晶闸管导通，拓扑结构切换为单相反接的三相四桥臂拓扑；

第四桥臂不工作时，拓扑结构切换为三相半桥拓扑；

第四桥臂工作时，拓扑结构切换为三相四桥臂拓扑。

5.一种多模态柔性切换的电机驱动器的拓扑切换控制***，其特征在于，包括：计算机可读存储介质和处理器；

所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；

所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行权利要求4所述的多模态柔性切换的电机驱动器的拓扑切换控制方法。

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