CN114465548A - 一种开关磁阻电机用低成本自升压功率变换器及其控制策略 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电机技术领域，提出一种开关磁阻电机用低成本自升压功率变换器及其控制策略，所提功率变换器包括直流电源单元、储能电容、8个可控开关管、6个二极管和2个电流传感器组成；所提功率变换器具有高电压励磁模式，低电压励磁模式、上零电压续流模式、下零电压续流模式和负高电压续流模式等5种工作模式；所提功率变换器控制策略采用两个电流传感器实现四相电流的检测，同时依据导通区间、储能电容电压和器件结点温度有效调整5种工作模式，实现功率变换器的有序正常运行；同时高压励磁模式和低压励磁模式的同时存在能够有效提高容错能力，具有良好的工程应用价值。

Description

一种开关磁阻电机用低成本自升压功率变换器及其控制策略
技术领域
本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种开关磁阻电机用低成本自升压功率变换器及其控制策略。
背景技术
随着开关磁阻电机在新能源汽车应用场合的逐渐推广，其自身存在的转矩脉动大和***效率低的问题成为了制约其自身发展的决定性因素。为了解决转矩脉动大和***效率低的问题，国内外学者通过设计新型电机结构、新型功率变换器拓扑和新型控制算法的方式，取得了良好的应用效果。其中新型功率变换器和新型控制算法相结合的方式无需改变电机拓扑，具有良好的应用前景。但是由于开关磁阻电机的高度非线性特性和脉冲供电方式，新型功率变换器和控制策略逐渐成为了开关磁阻电机性能提升的一个挑战。虽然国内外学者研究表明增加母线电压能够提高开关磁阻电机***的运行效率，增加控制的灵活性，降低转矩脉动。但是现有的升压型功率变换器均需要增加额外的功率器件和无源器件，增加***的运行成本。因此如何在泵升功率变换器母线电压的同时降低***元器件使用数目和成本是一个值得研究的问题。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种开关磁阻电机用低成本自升压功率变换器及其控制策略，以降低元器件使用数目和***成本，提高响应速度、远行效率和功率密度。
为达上述目的，本发明一方面实施例提出一种开关磁阻电机用低成本自升压功率变换器及其控制策略，包括：由直流电源单元、储能电容、8个可控开关管、 6个二极管和2个霍尔电流传感器组成；其中直流电源单元可以接入蓄电池或者开关电源；储能电容阴极与直流电源正极、可控开关管S1和S2的漏极相连，S1的源极与二极管D1阴极、S7的源极以及A相和C相绕组的正极相连，S2 的源极与二极管D2的阴极、S8的源极以及B相和D相绕组的正极相连，储能电容阳极与二极管D3、D4、D5和D6阴极以及可控开关管S7和S8漏极连接在一块，电源负极与二极管D1阳极、D2阳极、可控开关管S3源极、S4源极、 S5源极和S6源极相连，可控开关管S3漏极与二极管D3阳极和A相绕组负极相连，可控开关管S4漏极与二极管D4阳极和C相绕组负极相连，可控开关管 S5漏极与二极管D5阳极和B相绕组负极相连，可控开关管S6漏极与二极管 D6阳极和D相绕组负极相连；霍尔电流传感器L1用来测量A相和C相电流，霍尔电流传感器L2用来测量B相和D相电流；其中可控开关管为常用的 MOSFET或者IGBT。
工作原理说明：所提变换器具有高压励磁模式、低压励磁模式、上管零电压续流模式、下管零电压续流模式和负高压续流模式五种工作模式。以A相为例，具体如下所示。当A相高压励磁时，通过开通S7和S3向A相励磁，使A相电流快速增加。当A相低压励磁时，关断S7，通过开通S1和S3向A相励磁。当 A相上管零电压续流时，通过开通S7，导通D3，使A相电流通过零电压续流减小。当A相下管零电压续流时，通过开通S3，导通D1，使A相电流通过零电压续流减小。当A相负高压续流时，通过导通D1和D3使A相电流快速见效到零。
同时通过两个霍尔电流传感器L1和L2能够实现四相电流的检测。为了有效说明相电流检测过程，首先当转子位置位于开通角和关断角之间时，定义为导通区间；当转子位置位于导通区间之外且相电流不为零时，定义为关断区间。电流检测的过程分为两种情况，第一种为单相工作模式，同一时刻只有一相有电流；第二种为两相工作模式，同义时刻有两相有电流。当为单相工作模式时，以A 相为例，当转子位置位于A相导通区间和关断区间时，A相相电流(ia)在高压励磁模式、低压励磁模式、上零电压续流模式、下零电压续流模式和负高压续流模式中均只通过L1，具体值如式(1)所示。
ia＝iL1 (1)
式(1)中iL1为霍尔电流传感器L1的测量值。
当为两相工作模式时，以A相和B相同时导通为例，此时A相电流(ia)在高压励磁模式、低压励磁模式、上零电压续流模式、下零电压续流模式和负高压续流模式中均只通过L1，B相电流(ib)在高压励磁模式、低压励磁模式、上零电压续流模式、下零电压续流模式和负高压续流模式中均只通过L2，因此ia和ib具体值如式(2)所示。
Figure RE-GDA0003589988080000021
所提控制策略包含转速控制环、电流控制环和电容电压控制环，电流控制环和电压控制环均采用滞环控制，通过转速控制输出参考电流，参考电流与两个电流传感器测得的各相电流输入电流滞环控制器输出各相的驱动信号；各相的驱动信号的高电平信号，通过电压环的输出来选择高压励磁和低压励磁，高压励磁模式用来降压，防止电容电压过高，低压励磁可以保证电容电压不变，实现快速退磁；通过退磁的能量给电容充电，实现电压的泵升；各相驱动信号为低电平时，利用三维热路模型或者实测的各个功率器件的温度来确定上零电压续流模式或者下零电压续流模式，若S7温度大于S3和S4选择上零电压续流模式，否则选择下零电压续流模式，从而提高***的可靠性。
所提变换器能够提高***的容错能力，由于所提功率变换器具有高压励磁和低压励磁两种工作模式，因此可以通过低压励磁和高压励磁的相互转换，保证各相绕组在可控开关管S1、S2、S7或S8开路时保证***的正常运行，提高***的容错能力。例如当S1开路时，为了保证给A相的励磁，可以开通S7保证A 相的正常励磁。
本发明的有益效果为：本发明所提出的低成本自升压型功率变换器拓扑能够降低元器件使用数目和***成本，提高响应速度、远行效率和可靠性。
附图说明
图1是本发明实施例1的低成本自升压功率变换器拓扑结构图。
图2是本发明实施例1的高压励磁模式电流路径示意图。
图3是本发明实施例1的低压励磁模式电流路径示意图。
图4是本发明实施例1的上管零电压续流模式电流路径示意图。
图5是本发明实施例1的下管零电压续流模式电流路径示意图。
图6是本发明实施例1的负高压续流模式电流路径示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图描述本发明实施例的一种开关磁阻电机用增强型米勒功率变换器。
图1为根据本发明实施例的四相开关磁阻电机用低成本自升压型功率变换器。如图1所示，本发明实施例的四相开关磁阻电机用低成本自升压型功率变换器包括：由直流电源单元、储能电容、8个可控开关管、6个二极管和2个霍尔电流传感器组成；其中直流电源单元可以接入蓄电池或者开关电源；储能电容阴极与直流电源正极、可控开关管S1和S2的漏极相连，S1的源极与二极管D1 阴极、S7的源极以及A相和C相绕组的正极相连，S2的源极与二极管D2的阴极、S8的源极以及B相和D相绕组的正极相连，储能电容阳极与二极管D3、 D4、D5和D6阴极以及可控开关管S7和S8漏极连接在一块，电源负极与二极管D1阳极、D2阳极、可控开关管S3源极、S4源极、S5源极和S6源极相连，可控开关管S3漏极与二极管D3阳极和A相绕组负极相连，可控开关管S4漏极与二极管D4阳极和C相绕组负极相连，可控开关管S5漏极与二极管D5阳极和B相绕组负极相连，可控开关管S6漏极与二极管D6阳极和D相绕组负极相连；霍尔电流传感器L1用来测量A相和C相电流，霍尔电流传感器L2用来测量B相和D相电流；其中可控开关管为常用的MOSFET或者IGBT。
工作原理说明：所提变换器具有高压励磁模式、低压励磁模式、上管零电压续流模式、下管零电压续流模式和负高压续流模式五种工作模式。以A相为例，具体如下所示。当A相高压励磁时，通过开通S7和S3向A相励磁，使A相电流快速增加，如图2所示。当A相低压励磁时，关断S7，通过开通S1和S3向 A相励磁，如图3所示。当A相上管零电压续流时，通过开通S7，导通D3，使 A相电流通过零电压续流减小，如图4所示。当A相下管零电压续流时，通过开通S3，导通D1，使A相电流通过零电压续流减小，如图5所示。当A相负高压续流时，通过导通D1和D3使A相电流快速见效到零，如图6所示。
同时通过两个霍尔电流传感器L1和L2能够实现四相电流的检测。为了有效说明相电流检测过程，首先当转子位置位于开通角和关断角之间时，定义为导通区间；当转子位置位于导通区间之外且相电流不为零时，定义为关断区间。电流检测的过程分为两种情况，第一种为单相工作模式，同一时刻只有一相有电流；第二种为两相工作模式，同义时刻有两相有电流。当为单相工作模式时，以A 相为例，当转子位置位于A相导通区间和关断区间时，A相相电流(ia)在高压励磁模式、低压励磁模式、上零电压续流模式、下零电压续流模式和负高压续流模式中均只通过L1，具体值如式(1)所示。
ia＝iL1 (1)
式(1)中iL1为霍尔电流传感器L1的测量值。
当为两相工作模式时，以A相和B相同时导通为例，此时A相电流(ia)在高压励磁模式、低压励磁模式、上零电压续流模式、下零电压续流模式和负高压续流模式中均只通过L1，B相电流(ib)在高压励磁模式、低压励磁模式、上零电压续流模式、下零电压续流模式和负高压续流模式中均只通过L2，因此ia和ib具体值如式(2)所示。
Figure RE-GDA0003589988080000051
所提控制策略包含转速控制环、电流控制环和电容电压控制环，电流控制环和电压控制环均采用滞环控制，通过转速控制输出参考电流，参考电流与两个电流传感器测得的各相电流输入电流滞环控制器输出各相的驱动信号；各相的驱动信号的高电平信号，通过电压环的输出来选择高压励磁和低压励磁，高压励磁模式用来降压，防止电容电压过高，低压励磁可以保证电容电压不变，实现快速退磁；通过退磁的能量给电容充电，实现电压的泵升；各相驱动信号为低电平时，利用三维热路模型或者实测的各个功率器件的温度来确定上零电压续流模式或者下零电压续流模式，若S7温度大于S3和S4选择上零电压续流模式，否则选择下零电压续流模式，从而提高***的可靠性。
所提变换器能够提高***的容错能力，由于所提功率变换器具有高压励磁和低压励磁两种工作模式，因此可以通过低压励磁和高压励磁的相互转换，保证各相绕组在可控开关管S1、S2、S7或S8开路时保证***的正常运行，提高***的容错能力。例如当S1开路时，为了保证给A相的励磁，可以开通S7保证A 相的正常励磁。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种开关磁阻电机用低成本自升压功率变换器及其控制策略，其特征在于：所提低成本自升压功率变换器由直流电源单元、储能电容、8个可控开关管、6个二极管和2个霍尔电流传感器组成；其中直流电源单元可以接入蓄电池或者开关电源；储能电容阴极与直流电源正极、可控开关管S1和S2的漏极相连，S1的源极与二极管D1阴极、S7的源极以及A相和C相绕组的正极相连，S2的源极与二极管D2的阴极、S8的源极以及B相和D相绕组的正极相连，储能电容阳极与二极管D3、D4、D5和D6阴极以及可控开关管S7和S8漏极连接在一块，电源负极与二极管D1阳极、D2阳极、可控开关管S3源极、S4源极、S5源极和S6源极相连，可控开关管S3漏极与二极管D3阳极和A相绕组负极相连，可控开关管S4漏极与二极管D4阳极和C相绕组负极相连，可控开关管S5漏极与二极管D5阳极和B相绕组负极相连，可控开关管S6漏极与二极管D6阳极和D相绕组负极相连；霍尔电流传感器L1用来测量A相和C相电流，霍尔电流传感器L2用来测量B相和D相电流；其中可控开关管为常用的MOSFET或者IGBT。
2.所提变换器具有高压励磁模式、低压励磁模式、上管零电压续流模式、下管零电压续流模式和负高压续流模式五种工作模式，通过两个霍尔电流传感器能够实现四相电流的实时监测，有效减少电流传感器的使用数目。
3.所提控制策略包含转速控制环、电流控制环和电容电压控制环，电流控制环和电压控制环均采用滞环控制，通过转速控制输出参考电流，参考电流与两个电流传感器测得的各相电流输入电流滞环控制器输出各相的驱动信号；各相的驱动信号的高电平信号，通过电压环的输出来选择高压励磁和低压励磁，高压励磁模式用来降压，防止电容电压过高，低压励磁可以保证电容电压不变，实现快速退磁；通过退磁的能量给电容充电，实现电压的泵升；各相驱动信号为低电平时，利用三维热路模型或者实测的各个功率器件的温度来确定上零电压续流模式或者下零电压续流模式，若S7温度大于S3和S4选择上零电压续流模式，否则选择下零电压续流模式，从而提高***的可靠性。
4.所提变换器能够提高***的容错能力，由于所提功率变换器具有高压励磁和低压励磁两种工作模式，因此可以通过低压励磁和高压励磁的相互转换，保证各相绕组在可控开关管S1、S2、S7或S8开路时保证***的正常运行，提高***的容错能力。
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