CN116054683A - 一种变拓扑电机驱动器及其柔性变拓扑切换控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于交流电机驱动领域，并具体公开了一种变拓扑电机驱动器及其柔性变拓扑切换控制方法，其包括功率开关桥臂L1、L2、L3、L4，以及单刀双掷切换开关K1、K2、K3；单刀双掷切换开关包括动端和不动端X、Y；A相绕组的左节点连接L1的输出节点，右节点连接K1的动端；B相绕组的左节点连接L2的输出节点和K1的不动端X，右节点连接K1的不动端Y和K2的动端；C相绕组的左节点连接L3的输出节点和K2的不动端X，右节点连接K2的不动端Y和K3的不动端X；K3的动端连接L4，不动端Y连接L1。本发明电路结构最大化利用了桥臂的容量，减少了开关数量，同时避免了因开关同时导通导致的桥臂短路。

Description

一种变拓扑电机驱动器及其柔性变拓扑切换控制方法
技术领域
本发明属于交流电机驱动领域，更具体地，涉及一种变拓扑电机驱动器及其柔性变拓扑切换控制方法。
背景技术
当前，新能源汽车、工业机器人和数控机床等新兴应用场景的复杂变化环境要求电机驱动***具备宽广的高效运行区间，而传统电机驱动***由于三相半桥拓扑结构的性能限制，无法适应大范围的转速转矩变化要求。为解决这个问题，专利CN110707989A公开了一种三相半桥-串联绕组拓扑结构切换的逆变器及其切换方法。该专利所设计的切换电路结构，可以实现逆变器三种模式拓扑的切换，并实现电机工作区间的扩大。该专利利用了双向晶体管电流过零关断的特性，实现了拓扑结构的柔性过渡。但该专利所采用的切换电路和方法存在三个问题：一是在向高速拓扑切换过程中，会出现直流电压利用率下降的情况，从而容易造成拓扑切换失败；二是在低速拓扑时，存在一个桥臂闲置不使用的情况，没有充分利用功率器件容量；三是该方案需要4个双向晶体管，由于半导体的恒定导通压降较大，会导致驱动***正常运行时的效率降低。
因此，专利CN112532144A在此基础上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，其可以实现四种拓扑结构的切换，在实现电机工作区间扩大的同时，还改善了驱动器的控制自由度和容错能力。该专利解决了专利CN110707989A的第一个问题，保证了在切换过程中直流电压利用率不下降，但问题二和问题三仍然存在。
专利CN115102458A公开了一种星-三角柔性切换的电机驱动器、驱动***及控制方法，其可以实现星型拓扑和三角形拓扑结构的柔性切换，实现了电机工作区间的扩大。该专利解决了专利CN110707989A的问题二，但由于控制自由度不够且需要6个切换开关，问题一和问题三仍然存在，且三角形拓扑存在零序环流不可控的问题，导致高速下的运行损耗、转矩脉动和失磁风险增加。
可见目前的拓扑切换电路还存在一些缺陷，无法在保证切换效果的同时，兼顾功率器件容量的最大化利用和运行效率的改善。因此，针对现有切换技术的缺陷，亟需一种新型变拓扑电机驱动器及其柔性变拓扑切换策略，同时改善上述三个问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种变拓扑电机驱动器及其柔性变拓扑切换控制方法，其目的在于，在保证切换效果的同时，兼顾功率器件容量的最大化利用和运行效率的改善。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提出了一种变拓扑电机驱动器，包括四个功率开关桥臂L1、L2、L3、L4，以及三个单刀双掷切换开关K1、K2、K3；每个单刀双掷切换开关包括一个动端M和两个不动端X、Y；
电机A相绕组的左节点连接桥臂L1的输出节点，A相绕组的右节点连接切换开关K1的动端；
电机B相绕组的左节点连接桥臂L2的输出节点和切换开关K1的不动端X，B相绕组的右节点连接切换开关K1的不动端Y和切换开关K2的动端；
电机C相绕组的左节点连接桥臂L3的输出节点和切换开关K2的不动端X，C相绕组的右节点连接切换开关K2的不动端Y和切换开关K3的不动端X；
切换开关K3的动端连接桥臂L4，不动端Y连接桥臂L1。
作为进一步优选的，桥臂的输出节点具体为：每个桥臂包括一个上桥臂功率开关器件和一个下桥臂功率开关器件，其中，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。
作为进一步优选的，桥臂中的功率开关器件为电流全控型开关。
作为进一步优选的，桥臂中的功率开关器件为MOSFET或带反并联二极管的IGBT。
作为进一步优选的，单刀双掷开关为机械开关或由半导体器件组成的功率开关。
按照本发明的第二方面，提供了一种变拓扑电机驱动器，包括四个功率开关桥臂L1、L2、L3、L4，以及两个单刀双掷切换开关K1、K2；每个单刀双掷切换开关包括一个动端M和两个不动端X、Y；
电机A相绕组的左节点连接桥臂L1的输出节点，A相绕组的右节点连接切换开关K1的动端；
电机B相绕组的左节点连接桥臂L2的输出节点和切换开关K1的不动端X，B相绕组的右节点连接切换开关K1的不动端Y和切换开关K2的动端；
电机C相绕组的左节点连接桥臂L3的输出节点和切换开关K2的不动端X，C相绕组的右节点连接切换开关K2的不动端Y和桥臂L4的输出节点。
按照本发明的第三方面，提供了一种柔性变拓扑切换控制方法，基于上述变拓扑电机驱动器实现，变拓扑电机驱动器具有四种拓扑结构：三相半桥拓扑结构，称为A拓扑；三相四桥臂拓扑结构，称为B拓扑；半六相四桥臂拓扑结构，称为C拓扑；三相串联绕组拓扑结构，称为D拓扑；
从A拓扑切换为B拓扑，包括步骤：关闭L4驱动信号；切换K3为高阻态，将电压调制算法从A拓扑改为B拓扑；切换K3为X导通态，打开L4驱动信号，从而切换成为B拓扑；
从B拓扑切换为C拓扑，包括步骤：控制电机零轴电流为0.5倍的C相电流，使K2中的电流降为零；生成零轴电压查找表，基于前馈零轴电压注入实现零轴电流开环运行；切换K2为高阻态，将电压调制算法从B拓扑改为C拓扑；切换K2为X导通态；关闭前馈零轴电压注入，开启零轴电流闭环控制，控制电机零轴电流为零，从而切换成为C拓扑；
从C拓扑切换为D拓扑，包括步骤：控制电机零轴电流为负A相电流，使K1中的电流降为零；生成零轴电压查找表，基于前馈零轴电压注入实现零轴电流开环运行；切换K1为高阻态，将电压调制算法从C拓扑改为D拓扑；切换K1为X导通态；关闭前馈零轴电压注入，开启零轴电流闭环控制，控制电机零轴电流为零，从而切换成为D拓扑。
按照本发明的第四方面，提供了一种柔性变拓扑切换控制***，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，执行上述柔性变拓扑切换控制方法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1、本发明提出的新型驱动器电路结构最大化地利用了功率开关桥臂的容量，减少了切换开关的数量，从而降低了驱动***的整体成本和体积。同时，基于该结构和单刀双掷开关的设计，避免了因切换开关同时导通所导致的桥臂短路故障，保障了电机驱动器的可靠性。
2、本发明提出的可切换拓扑的新型电机驱动器电路结构，可以在不同的电机运行工况下，采用对应适合的拓扑结构，实现电机工作区间的扩大、控制自由度和容错能力的提升。
3、本发明还设计了简化版的电机驱动器电路结构，节省了一个切换开关的使用，同时通过控制L4驱动信号开启/闭合，其同样具有四个可切换的拓扑结构。
4、本发明提出的柔性切换方法使拓扑切换过程不对电机转角、转速和转矩等机械运动造成影响，也避免了切换瞬态对切换开关动作时的电压、电流冲击，从而可以在保证切换开关可靠性和负载机械运动稳定性的同时，快速、反复地进行拓扑切换操作，满足复杂和快速变化的运行工况需求。
附图说明
图1为本发明实施例变拓扑电机驱动器电路结构示意图；
图2为本发明实施例变结构电机驱动器在四种拓扑模式时的结构图，其中，(a)处于三相半桥拓扑(A拓扑)时的电机驱动器结构图，(b)是处于三相四桥臂拓扑(B拓扑)时的电机驱动器结构图，(c)是处于半六相四桥臂拓扑(C拓扑)时的电机驱动器结构图，(d)是处于三相串联绕组拓扑(D拓扑)时的电机驱动器结构图；
图3为本发明实施例柔性变结构切换控制方法的模态切换流程图，其中，(a)是A拓扑向B拓扑切换的流程图，(b)是B拓扑向C拓扑切换的流程图，(c)是C拓扑向D拓扑切换的流程图；
图4为本发明实施例变结构电机驱动器进行拓扑切换时电机转速转矩和电压电流测试波形；
图5为本发明另一实施例简化版变拓扑电机驱动器电路结构示意图。
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。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未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供的一种变拓扑电机驱动器，如图1所示，包括用于组成电机驱动器拓扑的四个功率开关桥臂：第一桥臂L1、第二桥臂L2、第三桥臂L3、第四桥臂L4，以及用于组成切换电路的三个单刀双掷切换开关：第一切换开关K1、第二切换开关K2、第三切换开关K3。
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。
组成切换电路的三个单刀双掷切换开关用于切换电机驱动器的拓扑结构，每个单刀双掷切换开关包含一个动端M和两个不动端X和Y，动端M存在三种输出状态：X导通态、Y导通态、高阻态。
具体的，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；单刀双掷开关可以为继电器或接触器等机械开关，也可以为由半导体器件组成的功率开关。
电机的三相绕组与电机驱动器电路结构的具体连接方式如下：
A相绕组的左节点连接桥臂L1的输出节点，A相绕组的右节点连接切换开关K1的动端；
B相绕组的左节点连接桥臂L2的输出节点和切换开关K1的不动端X，B相绕组的右节点连接切换开关K1的不动端Y和切换开关K2的动端；
C相绕组的左节点连接桥臂L3的输出节点和切换开关K2的不动端X，C相绕组的右节点连接切换开关K2的不动端Y和切换开关K3的不动端X。
切换开关K3的动端连接桥臂L4，不动端Y连接桥臂L1。
如图2中(a)所示，当K1、K2、K3均处于Y导通态时，电机驱动器处于三相半桥拓扑结构，称为A拓扑。此时，***正常工作的直流电压利用率为58％，不具备零轴电流控制能力，桥臂L2和L3承担相电流，L1和L4输出节点并联共同承担相电流。
如图2中(b)所示，当K1和K2处于Y导通态、K3处于X导通态时，电机驱动器处于三相四桥臂拓扑结构，称为B拓扑。此时，***正常工作的直流电压利用率为58％，具备零轴电流控制能力，桥臂L1、L2和L3承担相电流，L4不承担电流。
如图2中(c)所示，当K1处于Y导通态、K2和K3处于X导通态时，电机驱动器处于半六相四桥臂拓扑结构，称为C拓扑。此时，***正常工作的直流电压利用率为58％，具备零轴电流控制能力，桥臂L1、L2和L4承担相电流，L3承担2倍相电流。
如图2中(d)所示，当K1、K2、K3均处于X导通态时，电机驱动器处于三相串联绕组拓扑结构，称为D拓扑。此时，***正常工作的直流电压利用率为100％，桥臂L2和L3承担线电流，L1和L4承担相电流。
可以看到，通过每次只改变一个切换开关的状态，A、B、C、D四种拓扑结构可以依次实现相互转换，这种特性提供了在电机运行期间在线切换驱动器结构的基础。通过拓扑结构的在线切换，电机驱动器可以满足电机运行的不同工况需求，从而自适应扩大电机工作区间，提高运行效率，并提供容错运行的能力。
基于上述变拓扑电机驱动器，本发明提出了一种柔性变拓扑切换方法，该切换方法的目的是实现所述驱动器的四种拓扑之间快速平滑的在线相互切换。以下内容以拓扑编号正序切换为例，介绍所述柔性变拓扑切换方法。对于拓扑编号逆序切换，只需将步骤反向操作即可。
如图3中(a)所示，对于A拓扑切换为B拓扑时，包括如下步骤：①关闭L4驱动信号；②切换K3为高阻态，将电压调制算法从A拓扑改为B拓扑；②切换K3为X导通态，打开L4驱动信号，从而切换成为B拓扑。
如图3中(b)所示，对于B拓扑切换为C拓扑时，包括如下步骤：①控制电机零轴电流为0.5倍的C相电流，使K2中的电流降为零；②生成零轴电压查找表，基于前馈零轴电压注入实现零轴电流开环运行；③切换K2为高阻态，将电压调制算法从B拓扑改为C拓扑；④切换K2为X导通态；⑤关闭前馈零轴电压注入，开启零轴电流闭环控制，控制电机零轴电流为零，从而切换成为C拓扑。
如图3中(c)所示，对于C拓扑切换为D拓扑时，包括如下步骤：①控制电机零轴电流为负A相电流，使K1中的电流降为零；②生成零轴电压查找表，基于前馈零轴电压注入实现零轴电流开环运行；③切换K1为高阻态，将电压调制算法从C拓扑改为D拓扑；④切换K1为X导通态；⑤关闭前馈零轴电压注入，开启零轴电流闭环控制，控制电机零轴电流为零，从而切换成为D拓扑。
如图4所示，基于该柔性变拓扑切换方法，拓扑切换过程不会对电机转角、转速和转矩等机械运动造成影响，也避免了切换瞬态对切换开关的电压、电流冲击，从而保证了***运行的柔顺性和可靠性。
本发明另一实施例提供了一种简化版的变拓扑电机驱动器，如图5所示，其包括用于组成电机驱动器拓扑的四个功率开关桥臂：第一桥臂L1、第二桥臂L2、第三桥臂L3、第四桥臂L4，以及用于组成切换电路的两个单刀双掷切换开关：第一切换开关K1、第二切换开关K2；连接方式为：
A相绕组的左节点连接桥臂L1的输出节点，A相绕组的右节点连接切换开关K1的动端；
B相绕组的左节点连接桥臂L2的输出节点和切换开关K1的不动端X，B相绕组的右节点连接切换开关K1的不动端Y和切换开关K2的动端；
C相绕组的左节点连接桥臂L3的输出节点和切换开关K2的不动端X，C相绕组的右节点连接切换开关K2的不动端Y和桥臂L4的输出节点。
在L4驱动信号开启情况下，该简化版电路结构的连接方式等效于将前述变拓扑电机驱动器电路结构的K3切换开关的动端固定连接为X导通态；而在L4驱动信号关闭情况下，则等效于K3切换开关的动端固定连接为Y导通态，此时驱动器电路处于A拓扑结构；其他拓扑结构与前述实施例类似，在此不再赘述。
该简化版的变拓扑电机驱动器，可以节省一个切换开关的使用；而前述实施例与该简化版相比，有切换开关K3之后，桥臂L1和桥臂L4可以合并，增强了电流输出能力，从而提升了转矩输出能力。
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 (8)

1.一种变拓扑电机驱动器，其特征在于，包括四个功率开关桥臂L1、L2、L3、L4，以及三个单刀双掷切换开关K1、K2、K3；每个单刀双掷切换开关包括一个动端M和两个不动端X、Y；
电机A相绕组的左节点连接桥臂L1的输出节点，A相绕组的右节点连接切换开关K1的动端；
电机B相绕组的左节点连接桥臂L2的输出节点和切换开关K1的不动端X，B相绕组的右节点连接切换开关K1的不动端Y和切换开关K2的动端；
电机C相绕组的左节点连接桥臂L3的输出节点和切换开关K2的不动端X，C相绕组的右节点连接切换开关K2的不动端Y和切换开关K3的不动端X；
切换开关K3的动端连接桥臂L4，不动端Y连接桥臂L1。
2.如权利要求1所述的变拓扑电机驱动器，其特征在于，桥臂的输出节点具体为：每个桥臂包括一个上桥臂功率开关器件和一个下桥臂功率开关器件，其中，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。
3.如权利要求2所述的变拓扑电机驱动器，其特征在于，桥臂中的功率开关器件为电流全控型开关。
4.如权利要求3所述的变拓扑电机驱动器，其特征在于，桥臂中的功率开关器件为MOSFET或带反并联二极管的IGBT。
5.如权利要求1-4任一项所述的变拓扑电机驱动器，其特征在于，单刀双掷开关为机械开关或由半导体器件组成的功率开关。
6.一种变拓扑电机驱动器，其特征在于，包括四个功率开关桥臂L1、L2、L3、L4，以及两个单刀双掷切换开关K1、K2；每个单刀双掷切换开关包括一个动端M和两个不动端X、Y；
电机A相绕组的左节点连接桥臂L1的输出节点，A相绕组的右节点连接切换开关K1的动端；
电机B相绕组的左节点连接桥臂L2的输出节点和切换开关K1的不动端X，B相绕组的右节点连接切换开关K1的不动端Y和切换开关K2的动端；
电机C相绕组的左节点连接桥臂L3的输出节点和切换开关K2的不动端X，C相绕组的右节点连接切换开关K2的不动端Y和桥臂L4的输出节点。
7.一种柔性变拓扑切换控制方法，其特征在于，基于如权利要求1-5任一项所述的变拓扑电机驱动器实现，变拓扑电机驱动器具有四种拓扑结构：三相半桥拓扑结构，称为A拓扑；三相四桥臂拓扑结构，称为B拓扑；半六相四桥臂拓扑结构，称为C拓扑；三相串联绕组拓扑结构，称为D拓扑；
从A拓扑切换为B拓扑，包括步骤：关闭L4驱动信号；切换K3为高阻态，将电压调制算法从A拓扑改为B拓扑；切换K3为X导通态，打开L4驱动信号，从而切换成为B拓扑；
从B拓扑切换为C拓扑，包括步骤：控制电机零轴电流为0.5倍的C相电流，使K2中的电流降为零；生成零轴电压查找表，基于前馈零轴电压注入实现零轴电流开环运行；切换K2为高阻态，将电压调制算法从B拓扑改为C拓扑；切换K2为X导通态；关闭前馈零轴电压注入，开启零轴电流闭环控制，控制电机零轴电流为零，从而切换成为C拓扑；
从C拓扑切换为D拓扑，包括步骤：控制电机零轴电流为负A相电流，使K1中的电流降为零；生成零轴电压查找表，基于前馈零轴电压注入实现零轴电流开环运行；切换K1为高阻态，将电压调制算法从C拓扑改为D拓扑；切换K1为X导通态；关闭前馈零轴电压注入，开启零轴电流闭环控制，控制电机零轴电流为零，从而切换成为D拓扑。
8.一种柔性变拓扑切换控制***，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，执行如权利要求7所述的柔性变拓扑切换控制方法。
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