CN114204878B - 一种开关磁阻电机多模式驱动控制***及控制方法 - Google Patents

一种开关磁阻电机多模式驱动控制***及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种开关磁阻电机多模式驱动控制***和控制方法，包括：多模式功率变换器，包括A、B、C、D、E、F六个半桥臂电路、两个中点开关管Q1和Q2以及S1、S2、S3、S4、S5、S6六组继电器开关；开关磁阻电机，其电机绕组与所述多模式功率变换器连接；控制器，分别与多模式功率变换器和开关磁阻电机连接，用于接收开关磁阻电机的位置信号和电机绕组的电流信号并向多模式功率变换器输出控制信号，控制多模式功率变换器中开关的通断，使得驱动控制***分别在六相、三相串联和三相并联的模式下运行并完成三种运行模式的切换。实现电机在三种运行模式之间、多相和少相之间切换运行，在宽调速范围下实现电机的高效率运行。

Description

一种开关磁阻电机多模式驱动控制***及控制方法
技术领域
本发明属于电机控制领域，具体涉及一种开关磁阻电机多模式驱动控制***及控制方法。
背景技术
开关磁阻电机(Switched Reluctance motor,SRM)具有结构简单，成本低，可靠性高，调速范围广的特点，在航空航天及新能源电动车等领域拥有良好的发展前景。根据SRM定转子极数的不同可以设计成不同相数的电机，传统的三相电机有6/4极，12/8极，四相电机有8/6极，六相电机有12/10极，多相开关磁阻电机相比较传统的少相开关磁阻电机具有转矩脉动小，功率密度高，启动性能好的优势，但由于在高速运行时开关器件频率的增加导致开关损耗增加，因此适合中低速运行，少相开关磁阻电机由于步距角大，开关频率低，控制简单，因此适合高速运行。
传统的SRM通常在不改变相数和绕组连接方式下以单一模式运行，无法同时兼顾多相电机和少相电机的优势，不能在高速和低速，轻载和重载工况下同时获得良好的运行性能。
文献《Implementation of Variable Structure of a Dual-Mode SwitchedReluctance Motor by Using Asymmetric Half-Bridge Topology》和专利《开关磁阻电机双模式驱动控制***及实现方法》研究了两种不同的绕组连接方式下完成多相运行模式和少相运行模式的切换，但没有实现三相串联这一运行模式下的切换；专利《一种开关磁阻电机变绕组驱动***和在线软切换方法》尽管改变了绕组间连接方式，实现了线圈不同绕组之间的串并联，但并没有改变电机的相数，没有将多相电机和少相电机的优势结合起来。
综上所述，目前亟需提供一种驱动控制***，能够充分利用不同绕组连接方式的优点，在宽调速范围下实现电机的高效率运行；同时能够实现绕组间的串并联的同时改变电机的相数，能够实现在宽的调速范围下，根据不同的转速、转矩条件实现驱动***的高效率运行。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本发明旨在提供一种开关磁阻电机多模式驱动控制***及控制方法。
为了实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：
第一方面，一种开关磁阻电机多模式驱动控制***，包括：多模式功率变换器，包括A、B、C、D、E、F六个半桥臂电路、两个中点开关管Q1和Q2以及S1、S2、S3、S4、S5、S6六组继电器开关；开关磁阻电机，其电机绕组与所述多模式功率变换器连接；控制器，分别与多模式功率变换器和开关磁阻电机连接，用于接收开关磁阻电机的位置信号和电机绕组的电流信号并向多模式功率变换器输出控制信号，控制多模式功率变换器中开关的通断，使得驱动控制***分别在六相、三相串联和三相并联的模式下运行并完成三种运行模式的切换。
根据本申请实施例提供的技术方案，还包括位置传感器和电流传感器；其中，所述位置传感器一端与开关磁阻电机连接，另一端与控制器连接，用于将开关磁阻电机的位置信号反馈给控制器；所述电流传感器一端与多模式功率变换器连接，另一端与控制器连接，用于将获得的多模式功率变换器的相电流信号反馈给控制器。
根据本申请实施例提供的技术方案，每个所述半桥臂电路包括一个开关管以及与所述开关管串联的二极管，所述开关管分别为QA、QB、QC、QD、QE、QF，所述二极管分别为DA、DB、DC、DD、DE、DF；每组继电器开关包含一个常开触点开关和一个常闭触点开关，且继电器开关S1、S2同时动作，继电器开关S3、S4同时动作，继电器开关S5、S6同时动作。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述多模式功率变换器与电机绕组的连接方式为：
A、C、E相三个半桥臂电路，位置开关管QA、QC、QE的发射极和二极管DA、DC、DE的阴极串联；B、D、F相三个半桥臂电路，位置开关管QB、QD、QF的集电极和二极管DB、DD、DF的阳极串联；
QA、QC、QE三个位置开关管的集电极接在直流母线正极上，QB、QD、QF三个位置开关管的发射极接在直流母线负极上，DA、DC、DE三个二极管的阳极接在直流母线负极上，DB、DD、DF三个二极管的阴极接在直流母线正极上；
m相绕组(m＝A,C,E)的继电器开关的常闭触点开关一端接在相绕组电流流出的一侧，另一端接在上中点开关管Q1的发射极与下中点开关管Q2的集电极之间；
m相绕组(m＝A,C,E)的继电器开关的常开触点开关一端接在相绕组电流流出的一侧，另一端接在相邻相绕组电流流出的一侧；
n相绕组(n＝B,D,F)的继电器开关的常闭触点开关一端接在相绕组电流流入的一侧，另一端接在上中点开关管Q1的发射极与下中点开关管Q2的集电极之间；
n相绕组(n＝B,D,F)的继电器开关的常开触点开关一端接在相绕组电流流入的一侧，另一端接在相邻相绕组电流流入的一侧。
根据本申请实施例提供的技术方案，驱动控制***处于六相运行模式时，S1、S2、S3、S4、S5、S6六组继电器开关不动作,每相绕组经过一组继电器开关中的常闭触点开关连接在各自相的半桥臂电路和上中点开关管Q1的发射极与下中点开关管Q2的集电极之间；
m相绕组的一端接在Qm的发射极与Dm的阴极之间，同时也接在相邻相继电器开关中常开触点开关的一端，m相绕组的另一端接在m相常开常闭继电器开关的公共端；
n相绕组的一端接在Qn的集电极与Dn的阳极之间，同时也接在相邻相继电器开关中常开触点开关的一端，n相绕组的另一端接在n相常开常闭继电器开关的公共端；
m或n相绕组由位置开关管Qm/n和两个中点开关管Q1,Q2来控制。
根据本申请实施例提供的技术方案，驱动控制***处于三相串联运行模式时，S1、S2、S3、S4、S5、S6六组继电器开关不动作，两个中点开关管Q1,Q2同时关断；
A相绕组经过S1继电器开关中的常闭触点开关、S2继电器开关的常闭触点开关与B相绕组串联，串联之后的绕组由位置开关管QA和位置开关管QB同时控制开通和关断；
C相绕组经过S3继电器开关中的常闭触点开关、S4继电器开关的常闭触点开关与D相绕组串联，串联之后的绕组由位置开关管QC和位置开关管QD同时控制开通和关断；
E相绕组经过S5继电器开关中的常闭触点开关、S6继电器开关的常闭触点开关与F相绕组串联，串联之后的绕组由位置开关管QE和位置开关管QF同时控制开通和关断。
根据本申请实施例提供的技术方案，驱动控制***处于三相并联运行模式时，S1、S2、S3、S4、S5、S6六组继电器开关同时动作，两个中点开关管Q1,Q2同时保持关断；
A相绕组右侧端经过S1继电器开关中的常开触点开关、S2继电器开关的常开触点开关与B相绕组右侧端连接，A相绕组左侧端经过S2继电器开关中的常开触点开关与B相绕组左侧端连接构成A、B两相绕组并联，并联之后的绕组由位置开关管QA和位置开关管QB同时控制开通和关断；
C相绕组右侧端经过S3继电器开关中的常开触点开关、S4继电器开关的常开触点开关与D相绕组右侧端连接，C相绕组左侧端经过S3继电器开关中的常开触点开关与D相绕组左侧端连接构成C、D两相绕组并联，并联之后的绕组由位置开关管QC和位置开关管QD同时控制开通和关断；
E相绕组右侧端经过S5继电器开关中的常开触点开关、S6继电器开关的常开触点开关与F相绕组右侧端连接，E相绕组左侧端经过S6继电器开关中的常开触点开关与F相绕组左侧端连接构成E、F两相绕组并联，并联之后的绕组由位置开关管QE和位置开关管QF同时控制开通和关断。
第二方面，一种开关磁阻电机多模式驱动控制方法，包括如下步骤：接收电流信号和位置信号；分析电流信号，若判断***正常运行，则分析接收的位置信号和电流信号，根据不同的位置信号和电流信号输出使得控制***在相应的模式下运行的控制信号；分析电流信号，若判断***在三相串联或者三相并联运行模式下发生一相绕相故障，则输出使得控制***在六相模式下运行的控制信号。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述控制器分析接收的位置信号和电流信号，当电机转速小于第一临界转速，负载转矩小于第二临界负载转矩时，控制器输出使***工作在三相串联模式的控制信号；当电机转速小于第一临界转速，负载转矩大于第二临界负载转矩时，或者电机转速大于第一临界转速、小于第二临界转速，负载转矩小于第二临界负载转矩时，控制器输出使***工作在六相模式的控制信号；当电机转速大于第一临界转速、小于第二临界转速，负载转矩大于第二临界负载转矩时，或者电机转速大于第二类临界转速时，控制器输出使***工作在三相并联模式的控制信号。
根据本申请实施例提供的技术方案，控制器输出使***工作在六相模式的控制信号时，控制器先输出切换信号，使得每组继电器开关常开触点断开，常闭触点闭合，然后再输出控制信号，通过控制位置开关管Qm/n和两个中点开关管Q1,Q2来控制m或n相绕组，实现***运行在六相模式；
控制器输出使***工作在三相串联模式的控制信号时，控制器先输出切换信号，使得每组继电器开关常开触点断开，常闭触点闭合，两个中点开关管Q1、Q2关断，然后再输出控制信号，通过控制对应相的位置开关管Qm/n来控制对应串联的绕组，实现***运行在三相串联模式；控制器输出使***工作在三相并联模式的控制信号时，控制器先输出切换信号，使得每组继电器开关常开触点闭合，常闭触点断开，两个中点开关管Q1,Q2关断，然后再输出控制信号，通过控制对应相的位置开关管Qm/n来控制对应并联的绕组，实现***运行在三相并联模式。
本发明具有如下有益效果：
本申请所述的驱动控制***在不改变电机本体结构下，通过改变驱动信号来改变电机绕组的连接方式，实现电机驱动***的三种模式运行，能够发挥三种运行模式的优点，将六相电机转矩脉动小，启动性能好的优势和三相电机步距角大，开关频率低，开关损耗小，控制简单的优势结合起来，提高电机驱动***的利用率；本申请所述的驱动控制方法可以根据不同的转速、负载转矩工况下，选择效率最高的运行模式来驱动电机，在低速和轻载的工况下，三相串联运行模式能够驱动电机以较高的效率运行，在高速和重载的工况下，三相并联模式能够驱动电机以较高的效率运行，在电机中速运行时，六相运行模式能够驱动电机以较高的效率运行。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本申请实施方式中12/10极SRM采用改进的半桥功率变换器实现多模式运行的绕组与功率变换器的接线原理图；
图2为六相运行模式下A相绕组的励磁状态的电路结构示意图；
图3为六相运行模式下A相绕组的续流状态的电路结构示意图；
图4为六相运行模式下第一次A相绕组续流且B相绕组励磁状态的电路结构示意图；
图5为六相运行模式下A相绕组励磁且B相绕组续流状态的电路结构示意图；
图6为六相运行模式下第二次A相绕组续流且B相绕组励磁状态的电路结构示意图；
图7为六相运行模式下A相绕组续流且B相绕组续流状态的电路结构示意图；
图8为三相串联运行模式下A相绕组的励磁状态的电路结构示意图；
图9为三相串联运行模式下A相绕组的续流状态的电路结构示意图；
图10为三相串联联运行模式下A相绕组去磁且B相绕组励磁状态的电路结构示意图；
图11为三相并联运行模式下A相绕组的励磁状态的电路结构示意图；
图12为三相并联运行模式下A相绕组的续流状态的电路结构示意图；
图13为三相并联运行模式下A相绕组去磁且B相绕组励磁状态的电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本公开的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“前端”、“后端”、“侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该公开产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本公开的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”、“对接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
一种开关磁阻电机多模式驱动控制***，包括：多模式功率变换器，包括A、B、C、D、E、F六个半桥臂电路、两个中点开关管Q1和Q2以及S1、S2、S3、S4、S5、S6六组继电器开关；开关磁阻电机，其电机绕组与所述多模式功率变换器连接；控制器，分别与多模式功率变换器和开关磁阻电机连接，用于接收开关磁阻电机的位置信号和电机绕组的电流信号并向多模式功率变换器输出控制信号，控制多模式功率变换器中开关的通断，使得驱动控制***分别在六相、三相串联和三相并联的模式下运行并完成三种运行模式的切换。
具体地，由于本***所述的多模式功率变换器包括六个半桥臂电路、两个中点开关和六组继电器开关，控制器根据相应的相电流信号，判断***是否正常运行，如果否，则控制器切换为六相模式运行，提高了***的容错能力。控制器分析位置信号和电流信号，并据此得到电机当前运行的转速和负载转矩，选择效率最高的运行模式驱动电机，并完成不同运行模式间的切换，使得本***可以根据不同的转速和负载转矩选择效率高的运行模式。实现了电机的多模式驱动控制，结合了多相电机和少相电机的优点，；例如当***切换为三相并联模式运行时，电机转速可以达到六相模式运行时电机不能达到的转速值，拓宽了电机的调速范围；当***切换为三相串联模式运行时，可以在电机低速时提高***的运行效率。所用功率开关器件少，控制灵活方便，驱动控制***适用范围广。
具体地，所述控制器通过驱动电路与所述多模式功率变换器连接，所述驱动电路用于将控制器发送的控制信号变为驱动多模式功率变换器中相应开关通断的驱动信号，以便通过改变多模式功率变换器中开关的通断改变本驱动控制***的工作模式。
进一步的，还包括位置传感器和电流传感器；其中，
所述位置传感器一端与开关磁阻电机连接，另一端与控制器连接，用于将开关磁阻电机的位置信号反馈给控制器；
所述电流传感器一端与多模式功率变换器连接，另一端与控制器连接，用于将获得的多模式功率变换器的相电流信号反馈给控制器。
具体地，位置传感器用于获得开关磁阻电机转子的位置信息，并将其反馈给控制器。控制器由位置传感器传递的位置信息编程获得相应的电机转速信息。
在本申请一具体实施例中，所述位置传感器采用编码器，所述控制器由编码器中获取电机转子的位置信息进而编程得到电机的转速信息。
具体地，控制器根据电流信号可以判断***的工作状态，并输出相应的控制信号，使得***在正常的情况下运行并在不同的工作模式之间切换。控制器通过位置信号和电流信号得到***运行的实时负载转矩。负载转矩采用有限元仿真并通过二维数据查表实现，具体地，输入当前时刻各相位置信号和相电流值，即可得到当前时刻相转矩值，总的负载转矩为当前时刻各相转矩之和。二维数据表为瞬时转矩的数据库，该数据通过有限元软件仿真获取的。
进一步的，每个所述半桥臂电路包括一个开关管以及与所述开关管串联的二极管，所述开关管分别为QA、QB、QC、QD、QE、QF，所述二极管分别为DA、DB、DC、DD、DE、DF；每组继电器开关包含一个常开触点开关和一个常闭触点开关，且继电器开关S1、S2同时动作，继电器开关S3、S4同时动作，继电器开关S5、S6同时动作。
请具体地参考图1所示的改进的半桥功率变换器与电机绕组接线原理图，QA,QC,QE为上桥臂的三个位置开关管，DA,DC,DE为上桥臂的三个二极管；QB,QD,QF为下桥臂的三个位置开关管，DB,DD,DF为下桥臂的三个二极管。Q1,Q2为两个中点开关管。S1,S2,S3,S4,S5,S6为六组继电器开关，每组继电器开关包含一个常开继电器开关和一个常闭继电器开关。PhA,PhB,PhC,PhD,PhE,PhF,分别为六个相绕组。继电器开关S1、S2同时动作，继电器开关S3、S4同时动作，继电器开关S5、S6同时动作，保证相邻两相绕组在较短时间内构成新的一相绕组。
进一步的，所述多模式功率变换器与电机绕组的连接方式为：
A、C、E相三个半桥臂电路，位置开关管QA、QC、QE的发射极和二极管DA、DC、DE的阴极串联；B、D、F相三个半桥臂电路，位置开关管QB、QD、QF的集电极和二极管DB、DD、DF的阳极串联；
QA、QC、QE三个位置开关管的集电极接在直流母线正极上，QB、QD、QF三个位置开关管的发射极接在直流母线负极上，DA、DC、DE三个二极管的阳极接在直流母线负极上，DB、DD、DF三个二极管的阴极接在直流母线正极上；
m相绕组(m＝A,C,E)的继电器开关的常闭触点开关一端接在相绕组电流流出的一侧，另一端接在上中点开关管Q1的发射极与下中点开关管Q2的集电极之间；
m相绕组(m＝A,C,E)的继电器开关的常开触点开关一端接在相绕组电流流出的一侧，另一端接在相邻相绕组电流流出的一侧；
n相绕组(n＝B,D,F)的继电器开关的常闭触点开关一端接在相绕组电流流入的一侧，另一端接在上中点开关管Q1的发射极与下中点开关管Q2的集电极之间；
n相绕组(n＝B,D,F)的继电器开关的常开触点开关一端接在相绕组电流流入的一侧，另一端接在相邻相绕组电流流入的一侧。
具体地，本***所用的功率开关器件少，控制灵活方便，与现有的双模式切换相比，在同一本体结构下，通过驱动信号改变绕组的连接方式，能够实现三种运行模式的自由切换，切换更加灵活，能够更好地结合三种运行方式的优点，进一步拓宽了传统电机的应用范围，能够使驱动***在不同的转速和负载转矩下选择最优的工作模式运行，使电机在更宽调速范围内实现电机的高效率运行。
进一步的，驱动控制***处于六相运行模式时，S1、S2、S3、S4、S5、S6六组继电器开关不动作,每相绕组经过一组继电器开关中的常闭触点开关连接在各自相的半桥臂电路和上中点开关管Q1的发射极与下中点开关管Q2的集电极之间；
m相绕组的一端接在Qm的发射极与Dm的阴极之间，同时也接在相邻相继电器开关中常开触点开关的一端，m相绕组的另一端接在m相常开常闭继电器开关的公共端；
n相绕组的一端接在Qn的集电极与Dn的阳极之间，同时也接在相邻相继电器开关中常开触点开关的一端，n相绕组的另一端接在n相常开常闭继电器开关的公共端；
m或n相绕组由位置开关管Qm/n和两个中点开关管Q1,Q2来控制。
具体地，本***在六相模式运行时，S1、S2、S3、S4、S5、S6六组继电器开关不动作，即，每组继电器开关常开触点断开，常闭触点闭合。每相绕组经过一组继电器开关中的常闭触点开关连接在各自相的半桥臂电路和上中点开关管Q1的发射极与下中点开关管Q2的集电极之间。每相有四种工作状态，当其中的一相位置开关管导通，有励磁和续流两种状态，即相绕组两端所加电压为直流母线电压和零电压；当其中的一相位置开关管关断，有去磁和续流两种状态，即相绕组两端所加电压为负的直流母线电压和零电压。
图2所示为***作六相模式运行时A相绕组的励磁状态，继电器开关不动作，当给绕组两端加直流母线电压时，电流通过上桥臂的位置开关管QA依次流经A相绕组和常闭触点S1的切换开关、下中点开关管Q2、最后返回电源负极。
图3所示为***作六相模式运行时A相绕组的续流状态，A相绕组两端所加的电压为零，下中点开关管Q2关断，上中点开关管Q1开通，电流依次流经上桥臂的位置开关管QA、A相绕组、上中点开关管Q1、最后返回到电源正极。
图4所示为***作六相模式运行时第一次A相绕组续流且B相绕组励磁状态。A、B两相位置开关管同时开通，上中点开关管Q1开通，下中点开关管Q2关断。A相绕组两端所加的电压为零，B相绕组两端所加电压为直流母线电压。电流从电源正极流经母线在A相位置开关管和上中点开关管Q1之间分流最后电流汇总流经B相绕组、B相位置开关管、最后返回到电源负极。
图5所示为***作六相模式运行时A相绕组励磁且B相绕组续流状态。A、B两相位置开关管同时开通，上中点开关管Q1关断，下中点开关管Q2开通。A相绕组两端所加的电压为直流母线电压，B相绕组两端所加电压为零。电流从电源正极流经直流母线、A相位置开关管、A相绕组、在B相绕组和下中点开关管Q2之间分流，最后电流汇总返回到电源负极。
图6所示为***作六相模式运行时第二次A相绕组续流且B相绕组励磁状态。A相位置开关管关断，B相位置开关管开通，上中点开关管Q1开通，下中点开关管Q2关断。A相绕组两端所加的电压为零，B相绕组两端所加电压为直流母线电压。电流从电源正极流经直流母线、上中点开关管Q1与A相绕组的电流汇总流经B相绕组、B相位置开关管，最后返回到电源负极。
图7所示为***作六相模式运行时A相绕组续流且B相绕组续流状态。A相位置开关管关断，B相位置开关管开通，上中点开关管Q1关断，下中点开关管Q2开通。A、B两相绕组所加电压均为零。电流流经A相绕组电流与下中点开关管Q2电流汇总流入B相绕组，A、B两相绕组在两个零点压回路之间进行续流。
进一步的，驱动控制***处于三相串联运行模式时，S1、S2、S3、S4、S5、S6六组继电器开关不动作，两个中点开关管Q1,Q2同时关断；
A相绕组经过S1继电器开关中的常闭触点开关、S2继电器开关的常闭触点开关与B相绕组串联，串联之后的绕组由位置开关管QA和位置开关管QB同时控制开通和关断；
C相绕组经过S3继电器开关中的常闭触点开关、S4继电器开关的常闭触点开关与D相绕组串联，串联之后的绕组由位置开关管QC和位置开关管QD同时控制开通和关断；
E相绕组经过S5继电器开关中的常闭触点开关、S6继电器开关的常闭触点开关与F相绕组串联，串联之后的绕组由位置开关管QE和位置开关管QF同时控制开通和关断。
具体地，驱动控制***在三相串联运行模式时，保持S1、S2、S3、S4、S5、S6六组继电器开关不动作，即，每组继电器开关常开触点断开，常闭触点闭合，两个中点开关管Q1,Q2同时关断。模式切换完成之后构成传统的不对称半桥功率变换器结构，每相绕组有三种工作状态，分别为励磁、续流和去磁，即相绕组两端所加电压为直流母线电压、零点压和负的直流母线电压。
图8所示为***作三相串联运行时A相绕组的励磁状态，继电器开关不动作，两个中点开关管Q1、Q2同时关断，上下两个桥臂位置开关管QA1、QA2同时开通，新的绕组两端所加电压为直流母线电压，电流通过上桥臂的位置开关管QA1依次流经新的A相绕组、下桥臂的位置开关管QA2、最后返回电源负极。
图9所示为***作三相串联运行时A相绕组的续流状态。上桥臂位置开关管QA1开通，下桥臂位置开关管QA2关断。电流经过上桥臂位置开关管QA1依次流经新的A相绕组、下桥臂的二极管形成零电压续流回路。
图10所示为***作三相串联运行时A相绕组的去磁且B相绕组励磁状态。A相绕组的上下两个桥臂位置开关管QA1、QA2同时关断，A相绕组所加电压为负的直流母线电压。B相绕组上下两个桥臂位置开关管QB1、QB2同时开通，B相绕组所加电压直流母线电压。电流流经B相绕组的上桥臂位置开关管QB1、新的B相绕组、B相绕组的下桥臂位置开关管QB2、最后返回到电源负极。电流同时流经A相绕组的下桥臂二极管、新的A相绕组、A相绕组的下桥臂二极管、最后返回到电源正极。
进一步的，驱动控制***处于三相并联运行模式时，S1、S2、S3、S4、S5、S6六组继电器开关同时动作，两个中点开关管Q1，Q2同时保持关断；
A相绕组右侧端经过S1继电器开关中的常开触点开关、S2继电器开关的常开触点开关与B相绕组右侧端连接，A相绕组左侧端经过S2继电器开关中的常开触点开关与B相绕组左侧端连接构成A、B两相绕组并联，并联之后的绕组由位置开关管QA和位置开关管QB同时控制开通和关断；
C相绕组右侧端经过S3继电器开关中的常开触点开关、S4继电器开关的常开触点开关与D相绕组右侧端连接，C相绕组左侧端经过S3继电器开关中的常开触点开关与D相绕组左侧端连接构成C、D两相绕组并联，并联之后的绕组由位置开关管QC和位置开关管QD同时控制开通和关断；
E相绕组右侧端经过S5继电器开关中的常开触点开关、S6继电器开关的常开触点开关与F相绕组右侧端连接，E相绕组左侧端经过S6继电器开关中的常开触点开关与F相绕组左侧端连接构成E、F两相绕组并联，并联之后的绕组由位置开关管QE和位置开关管QF同时控制开通和关断。
具体地，驱动控制***在三相并联模式运行时S1、S2、S3、S4、S5、S6六组继电器开关同时动作，即，每组继电器开关常开触点闭合，常闭触点断开，两个中点开关管Q1，Q2同时保持关断。模式切换完成之后构成传统的不对称半桥功率变换器结构，每相绕组有三种工作状态，分别为励磁、续流和去磁，即相绕组两端所加电压为直流母线电压、零点压和负的直流母线电压。
图11所示为***作三相并联运行时A相绕组的励磁状态，继电器开关S1、S2同时动作，S1、S2两组继电器开关的常开触点开关闭合，常闭触点开关断开，上下两个桥臂位置开关管QA1、QA2同时开通，新的绕组两端所加电压为直流母线电压，电流通过上桥臂的位置开关管QA1依次流经新的A相绕组、下桥臂的位置开关管QA2、最后返回电源负极。
图12所示为***作三相并联运行时A相绕组的续流状态，上桥臂位置开关管QA1开通，下桥臂位置开关管QA2关断。电流经过上桥臂位置开关管QA1依次流经新的A相绕组、下桥臂的二极管形成零电压续流回路。
图13所示为***作三相并联运行时A相绕组的去磁且B相绕组励磁状态，A相绕组的上下两个桥臂位置开关管QA1、QA2同时关断，A相绕组所加电压为负的直流母线电压。B相绕组上下两个桥臂位置开关管QB1、QB2同时开通，B相绕组所加电压直流母线电压。电流流经B相绕组的上桥臂位置开关管QB1、新的B相绕组、B相绕组的下桥臂位置开关管QB2、最后返回到电源负极。电流同时流经A相绕组的下桥臂二极管、新的A相绕组、A相绕组的下桥臂二极管、最后返回到电源正极。
一种开关磁阻电机多模式驱动控制方法，包括如下步骤：
接收电流信号和位置信号；
分析电流信号，若判断***正常运行，则分析接收的位置信号和电流信号，根据不同的位置信号和电流信号输出使得控制***在相应的模式下运行的控制信号；
分析电流信号，若判断***在三相串联或者三相并联运行模式下发生一相绕相故障，则输出使得控制***在六相模式下运行的控制信号。
具体地，在不改变电机本体结构下，通过改变驱动信号来改变电机绕组的连接方式，实现电机驱动***的三种模式运行，能够发挥三种运行模式的优点，将六相电机转矩脉动小、启动性能好的优势和三相电机步距角大、开关频率低、开关损耗小、控制简单的优势结合起来，提高电机驱动***的利用率。
进一步的，所述控制器分析接收的位置信号和电流信号，
当电机转速小于第一临界转速，负载转矩小于第二临界负载转矩时，控制器输出使***工作在三相串联模式的控制信号；
当电机转速小于第一临界转速，负载转矩大于第二临界负载转矩时，或者电机转速大于第一临界转速、小于第二临界转速，负载转矩小于第二临界负载转矩时，控制器输出使***工作在六相模式的控制信号；
当电机转速大于第一临界转速、小于第二临界转速，负载转矩大于第二临界负载转矩时，或者电机转速大于第二类临界转速时，控制器输出使***工作在三相并联模式的控制信号。
具体地，根据不同的转速、负载转矩工况下，选择效率最高的运行模式来驱动电机，在低速和轻载的工况下，三相串联运行模式能够驱动电机以较高的效率运行，在高速和重载的工况下，三相并联模式能够驱动电机以较高的效率运行，在电机中速(第一临界转速和第二临界转速之间的速度)运行时，六相运行模式能够驱动电机以较高的效率运行。
进一步的，控制器输出使***工作在六相模式的控制信号时，控制器先输出切换信号，使得每组继电器开关常开触点断开，常闭触点闭合，然后再输出控制信号，通过控制位置开关管Qm/n和两个中点开关管Q1，Q2来控制m或n相绕组，实现***运行在六相模式；
控制器输出使***工作在三相串联模式的控制信号时，控制器先输出切换信号，使得每组继电器开关常开触点断开，常闭触点闭合，两个中点开关管Q1、Q2关断，然后再输出控制信号，通过控制对应相的位置开关管Qm/n来控制对应串联的绕组，实现***运行在三相串联模式；
控制器输出使***工作在三相并联模式的控制信号时，控制器先输出切换信号，使得每组继电器开关常开触点闭合，常闭触点断开，两个中点开关管Q1，Q2关断，然后再输出控制信号，通过控制对应相的位置开关管Qm/n来控制对应并联的绕组，实现***运行在三相并联模式。
此处可以理解的是，控制器向驱动电路发送控制信号，驱动电路将控制信号转换为控制开关管的开通或者关断的驱动信号，实现***运行模式的切换。这样通过改变驱动信号来达到改变绕组连接方式的目的，使得电机在三种运行模式之间灵活切换，使得电机在多相和少相之间切换运行，在宽调速范围下实现电机的高效率运行。
以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本发明中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (8)

1.一种开关磁阻电机多模式驱动控制***，其特征在于，包括：
多模式功率变换器，包括A、B、C、D、E、F六个半桥臂电路、两个中点开关管Q1和Q2以及S1、S2、S3、S4、S5、S6六组继电器开关；
开关磁阻电机，其电机绕组与所述多模式功率变换器连接；
控制器，分别与多模式功率变换器和开关磁阻电机连接，用于接收开关磁阻电机的位置信号和电机绕组的电流信号并向多模式功率变换器输出控制信号，控制多模式功率变换器中开关的通断，使得驱动控制***分别在六相、三相串联和三相并联的模式下运行并完成三种运行模式的切换;
每个所述半桥臂电路包括一个开关管以及与所述开关管串联的二极管，所述开关管分别为QA、QB、QC、QD、QE、QF，所述二极管分别为DA、DB、DC、DD、DE、DF；每组继电器开关包含一个常开触点开关和一个常闭触点开关，且继电器开关S1、S2同时动作，继电器开关S3、S4同时动作，继电器开关S5、S6同时动作;
所述多模式功率变换器与电机绕组的连接方式为：
A、C、E相三个半桥臂电路，位置开关管QA、QC、QE的发射极和二极管DA、DC、DE的阴极串联；B、D、F相三个半桥臂电路，位置开关管QB、QD、QF的集电极和二极管DB、DD、DF的阳极串联；
QA、QC、QE三个位置开关管的集电极接在直流母线正极上，QB、QD、QF三个位置开关管的发射极接在直流母线负极上，DA、DC、DE三个二极管的阳极接在直流母线负极上，DB、DD、DF三个二极管的阴极接在直流母线正极上；
m相绕组的继电器开关的常闭触点开关一端接在相绕组电流流出的一侧，另一端接在上中点开关管Q1的发射极与下中点开关管Q2的集电极之间；
m相绕组的继电器开关的常开触点开关一端接在相绕组电流流出的一侧，另一端接在相邻相绕组电流流出的一侧；
n相绕组的继电器开关的常闭触点开关一端接在相绕组电流流入的一侧，另一端接在上中点开关管Q1的发射极与下中点开关管Q2的集电极之间；
n相绕组的继电器开关的常开触点开关一端接在相绕组电流流入的一侧，另一端接在相邻相绕组电流流入的一侧;
其中，m=A, C, E;n=B, D, F;
驱动控制***处于六相运行模式时，S1、S2、S3、S4、S5、S6六组继电器开关不动作,每相绕组经过一组继电器开关中的常闭触点开关连接在各自相的半桥臂电路和上中点开关管Q1的发射极与下中点开关管Q2的集电极之间;
驱动控制***处于三相串联运行模式时，S1、S2、S3、S4、S5、S6六组继电器开关不动作，两个中点开关管Q1,Q2同时关断；
驱动控制***处于三相并联运行模式时，S1、S2、S3、S4、S5、S6六组继电器开关同时动作，两个中点开关管Q1,Q2同时保持关断。
2.根据权利要求1所述的一种开关磁阻电机多模式驱动控制***，其特征在于，还包括位置传感器和电流传感器；其中，
所述位置传感器一端与开关磁阻电机连接，另一端与控制器连接，用于将开关磁阻电机的位置信号反馈给控制器；
所述电流传感器一端与多模式功率变换器连接，另一端与控制器连接，用于将获得的多模式功率变换器的相电流信号反馈给控制器。
3.根据权利要求1所述的一种开关磁阻电机多模式驱动控制***，其特征在于，驱动控制***处于六相运行模式时：
m相绕组的一端接在Qm的发射极与Dm的阴极之间，同时也接在相邻相继电器开关中常开触点开关的一端，m相绕组的另一端接在m相常开常闭继电器开关的公共端；
n相绕组的一端接在Qn的集电极与Dn的阳极之间，同时也接在相邻相继电器开关中常开触点开关的一端，n相绕组的另一端接在n相常开常闭继电器开关的公共端；
m或n相绕组由位置开关管Qm/n和两个中点开关管Q1,Q2来控制。
4.根据权利要求1所述的一种开关磁阻电机多模式驱动控制***，其特征在于，驱动控制***处于三相串联运行模式时：
A相绕组经过S1继电器开关中的常闭触点开关、S2继电器开关的常闭触点开关与B相绕组串联，串联之后的绕组由位置开关管QA和位置开关管QB同时控制开通和关断；
C相绕组经过S3继电器开关中的常闭触点开关、S4继电器开关的常闭触点开关与D相绕组串联，串联之后的绕组由位置开关管QC和位置开关管QD同时控制开通和关断；
E相绕组经过S5继电器开关中的常闭触点开关、S6继电器开关的常闭触点开关与F相绕组串联，串联之后的绕组由位置开关管QE和位置开关管QF同时控制开通和关断。
5.根据权利要求1所述的一种开关磁阻电机多模式驱动控制***，其特征在于，驱动控制***处于三相并联运行模式时：
A相绕组右侧端经过S1继电器开关中的常开触点开关、S2继电器开关的常开触点开关与B相绕组右侧端连接，A相绕组左侧端经过S2继电器开关中的常开触点开关与B相绕组左侧端连接构成A、B两相绕组并联，并联之后的绕组由位置开关管QA和位置开关管QB同时控制开通和关断；
C相绕组右侧端经过S3继电器开关中的常开触点开关、S4继电器开关的常开触点开关与D相绕组右侧端连接，C相绕组左侧端经过S3继电器开关中的常开触点开关与D相绕组左侧端连接构成C、D两相绕组并联，并联之后的绕组由位置开关管QC和位置开关管QD同时控制开通和关断；
E相绕组右侧端经过S5继电器开关中的常开触点开关、S6继电器开关的常开触点开关与F相绕组右侧端连接，E相绕组左侧端经过S6继电器开关中的常开触点开关与F相绕组左侧端连接构成E、F两相绕组并联，并联之后的绕组由位置开关管QE和位置开关管QF同时控制开通和关断。
6.一种开关磁阻电机多模式驱动控制方法，其特征在于，采用权利要求1-5任意一项所述的一种开关磁阻电机多模式驱动控制***完成，包括如下步骤：
接收电流信号和位置信号；
分析电流信号，若判断***正常运行，则分析接收的位置信号和电流信号，根据不同的位置信号和电流信号输出使得控制***在相应的模式下运行的控制信号；
分析电流信号，若判断***在三相串联或者三相并联运行模式下发生一相绕相故障，则输出使得控制***在六相模式下运行的控制信号。
7.根据权利要求6所述的一种开关磁阻电机多模式驱动控制方法，其特征在于，所述控制器分析接收的位置信号和电流信号，
当电机转速小于第一临界转速，负载转矩小于第二临界负载转矩时，控制器输出使***工作在三相串联模式的控制信号；
当电机转速小于第一临界转速，负载转矩大于第二临界负载转矩时，或者电机转速大于第一临界转速、小于第二临界转速，负载转矩小于第二临界负载转矩时，控制器输出使***工作在六相模式的控制信号；
当电机转速大于第一临界转速、小于第二临界转速，负载转矩大于第二临界负载转矩时，或者电机转速大于第二类临界转速时，控制器输出使***工作在三相并联模式的控制信号。
8.根据权利要求7所述的一种开关磁阻电机多模式驱动控制方法，其特征在于，
控制器输出使***工作在六相模式的控制信号时，控制器先输出切换信号，使得每组继电器开关常开触点断开，常闭触点闭合，然后再输出控制信号，通过控制位置开关管Qm/n和两个中点开关管Q1,Q2来控制m或n相绕组，实现***运行在六相模式；
控制器输出使***工作在三相串联模式的控制信号时，控制器先输出切换信号，使得每组继电器开关常开触点断开，常闭触点闭合，两个中点开关管Q1、Q2关断，然后再输出控制信号，通过控制对应相的位置开关管Qm/n来控制对应串联的绕组，实现***运行在三相串联模式；
控制器输出使***工作在三相并联模式的控制信号时，控制器先输出切换信号，使得每组继电器开关常开触点闭合，常闭触点断开，两个中点开关管Q1,Q2关断，然后再输出控制信号，通过控制对应相的位置开关管Qm/n来控制对应并联的绕组，实现***运行在三相并联模式。
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