CN215010077U - 一种电机的逆变***和电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电机的逆变***和电机，该***包括：三电平逆变单元，包括：第一功率开关管模块至第十二功率开关管模块；驱动单元，包括：第一驱动模块至第十二驱动模块；第一驱动模块至第十二驱动模块中的一个驱动模块，被配置为对第一功率开关管模块至第十二功率开关管模块中对应的一个功率开关管模块进行驱动；电源单元，包括：第一驱动电源至第五驱动电源；第一驱动电源至第五驱动电源，被配置为第一驱动模块至第十二驱动模块提供驱动电源。该方案，通过使高速电机在高转速下采用三电平逆变器进行高速电机控制，能够降低高速电机的损耗。

Description

一种电机的逆变***和电机

技术领域

本实用新型属于电机技术领域，具体涉及一种电机的逆变***和电机，尤其涉及一种基于三电平逆变器的超高速电机控制***、具有该基于三电平逆变器的超高速电机控制***的超高速电机、以及该超高速电机的控制方法。

背景技术

高速电机，如空压机(即空气压缩机)用高速电机，在高转速(如10万转/分钟以上)下，采用两电平逆变器进行高速电机控制，使得高速电机的损耗较大。

上述内容仅用于辅助理解本实用新型的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，提供一种电机的逆变***和电机，以解决高速电机在高转速下采用两电平逆变器进行高速电机控制，使得空压机损耗较大的问题，达到通过使高速电机在高转速下采用三电平逆变器进行高速电机控制，能够降低高速电机的损耗的效果。

本实用新型提供一种电机的逆变***，包括：三电平逆变单元，所述三电平逆变单元的驱动单元，以及所述驱动单元的电源单元；其中，所述三电平逆变单元，包括：第一功率开关管模块至第十二功率开关管模块；所述驱动单元，包括：第一驱动模块至第十二驱动模块；所述第一驱动模块至所述第十二驱动模块中的一个驱动模块，被配置为对所述第一功率开关管模块至所述第十二功率开关管模块中对应的一个功率开关管模块进行驱动；所述电源单元，包括：第一驱动电源至第五驱动电源；所述第一驱动电源至所述第五驱动电源，被配置为所述第一驱动模块至所述第十二驱动模块提供驱动电源。

在一些实施方式中，所述三电平逆变单元，包括：U相逆变单元、V相逆变单元和W相逆变单元；在所述第一驱动模块至所述第十二驱动模块中，第一驱动模块、第二驱动模块、第三驱动模块和第四驱动模块，为所述三电平逆变单元中U相逆变单元的驱动模块；第五驱动模块、第六驱动模块、第七驱动模块和第八驱动模块，为所述三电平逆变单元中V相逆变单元的驱动模块；第九驱动模块、第十驱动模块、第十一驱动模块和第十二驱动模块，为所述三电平逆变单元中W相逆变单元的驱动模块；所述第一驱动电源至所述第五驱动电源，为所述第一驱动模块至所述第十二驱动模块提供驱动电源，包括：在所述第一驱动电源至所述第五驱动电源中，第一驱动电源，为所述第一驱动模块和所述第三驱动模块提供驱动电源；第二驱动电源，为所述第五驱动模块和所述第七驱动模块提供驱动电源；第三驱动电源，为所述第九驱动模块和所述第十一驱动模块提供驱动电源；第四驱动模块，为所述第二驱动模块、所述第六驱动模块和所述第十驱动模块提供驱动电源；第五驱动模块，为所述第四驱动模块、所述第八驱动模块和所述第十二驱动模块提供驱动电源。

在一些实施方式中，所述电源单元，设置在第一电路板上；所述驱动单元，设置在第二电路板上；安装时，所述第一电路板和所述第二电路板，对插安装，以实现所述电源单元和所述驱动单元的连接。

在一些实施方式中，还包括：控制***和检测单元；所述控制***，包括：DSP***和FPGA***；所述DSP***和所述FPGA***，设置在所述电机的逆变***的供电电源与所述驱动单元之间；其中，所述DSP***，被配置为给出电流指令；所述检测单元，被配置为检测所述三电平逆变单元输出的电流参数；所述FPGA***，被配置为根据所述电流指令和所述三电平逆变单元输出的电流参数，进行电流环计算，得到PWM信号，并将所述PWM信号发送至所述驱动单元。

在一些实施方式中，还包括：故障处理单元；其中，所述故障处理单元，被配置为确定所述驱动单元的故障参数；所述FPGA***，还被配置为根据所述驱动单元的故障参数，控制所述驱动单元使所述三电平逆变单元中的功率开关管模块关断。

与上述装置相匹配，本实用新型再一方面提供一种电机，包括：以上所述的电机的逆变***。

由此，本实用新型的方案，通过在高速电机的电平驱动部分，采用三电平逆变器，并对三电平逆变器的隔离驱动电源的数量进行优化；从而，通过使高速电机在高转速下采用三电平逆变器进行高速电机控制，能够降低高速电机的损耗；如通过使空压机用高速电机，在高转速下采用三电平逆变器进行高速电机控制，能够显著降低电机控制***的谐波含量，进而提高整机的效率，能够降低空压机损耗。同时，由于对三电平逆变器的隔离驱动电源的数量进行优化，能够减少隔离驱动电源的数量，还能够使三电平逆变器的整体结构得到简化，有利于降低三电平逆变器的硬件成本，并提高三电平逆变器的工作可靠性。

进一步地，本实用新型的方案，将三电平逆变器的隔离驱动电源的电源部分和驱动部分分别设置在不同的电路板上，并分上下层，通过对插方式连接，使得隔离驱动电源的整体结构紧凑，有利于提升空间利用率，还有利于降低隔离驱动电源的电源部分和驱动部分之间布线带来的电磁干扰。

进一步地，本实用新型的方案，对三电平逆变器的控制部分，采用DSP(数字信号处理)和FPGA(现场可编程逻辑门阵列)相结合的架构，有利于提高电流环带宽，实现可靠地超高速电机控制。FPGA本身能进行高速计算，运算速度很快，用于电机控制中的电流环控制，能提高运算速度和带宽。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型的电机的逆变***的一实施例的结构示意图；

图2为三电平逆变***的一实施例的结构示意图；

图3为三电平逆变***中两级滤波电路的一实施例的结构示意图；

图4为三电平逆变***中IGBT的隔离驱动单元的一实施例的结构示意图；

图5为三电平逆变***中驱动电源电路的一实施例的结构示意图；

图6为三电平逆变***中单个三电平IGBT模块的一实施例的结构示意图；

图7为三电平逆变***中三电平逆变单元的一实施例的结构示意图；

图8为三电平逆变***中单个驱动故障信号处理单元的一实施例的结构示意图；

图9为三电平逆变***中驱动电源板与驱动板的一实施例的连接结构示意图；

图10为本实用新型的电机的逆变控制方法中控制电流环的一实施例的流程示意图；

图11为本实用新型的电机的逆变控制方法中故障控制的一实施例的流程示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型具体实施例及相应的附图对本实用新型技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

氢能源汽车行业，越来越受到广泛的关注。随着氢能源汽车行业的不断发展，整车对氢能源燃料电池供电***的效率要求越来越高。这样，就要求作为氢能源燃料电池的重要部件之一的空压机用高速电机的损耗，要尽可能地减小。燃料电池的空压机的转速，一般高达10万转/分钟以上，这样的高转速下，采用两电平逆变器进行高速电机控制，由于两电平逆变器的拓扑在高开关频率下具有谐波含量很高，会导致空压机损耗大，也会导致空压机发热严重、效率低。

相关方案中，采用三电平拓扑构建逆变器，进行高速电机控制，能够显著降低电机控制***的谐波含量，进而提高整机的效率。为了确保三电平逆变器长期、稳定、可靠地运行，需要针对三电平拓扑中的IGBT(绝缘栅双极型晶体管)设计可靠的高速驱动***和高速控制***。两电平逆变器中有6个IGBT，三电平逆变器中有12个IGBT，因此，三电平逆变器的***十分复杂。如何安全可靠地控制超高速电机是难点之一。

相关方案中，采用基于QP12W05S-37(混合集成门极驱动器)的三电平IGBT驱动电路，其中QP12W05S-37是一种专用的单个IGBT驱动器，内部集成驱动电源(即对驱动的供电部分)、以及对逆变部分的驱动等，该驱动方案所需要的***电路很少，可简化驱动设计；但将该方案应用于三电平逆变***需要12个QP12W05S-37，由于QP12W05S-37是专用的驱动集成模块，其成本高，且由于外形等限制，不便于***的整体布局，空间利用率低。

相关方案中，采用一种带有隔离电源和短路保护的三电平驱动电路，该方案中每个IGBT用一个驱动电路和一个驱动电源，整体上驱动电源复杂，强弱电交叉，不便于布线，可靠性较差。另外，相对比两电平***，三电平逆变器软件上要多出十几个控制信号，采用单DSP方案进行高速软件算法控制，限制了电流环带宽，难以实现输出频率高、载波高的电机控制信号，很难安全可靠地控制超高速电机。

根据本实用新型的实施例，提供了一种电机的逆变***。参见图1所示本实用新型的装置的一实施例的结构示意图。该电机的逆变***可以包括：三电平逆变单元，所述三电平逆变单元的驱动单元(如隔离驱动单元)，以及所述驱动单元的电源单元(如隔离驱动电源)。

其中，所述三电平逆变单元，包括：第一功率开关管模块至第十二功率开关管模块，一个功率开关管模块，可以包括：一个IGBT。第一功率开关管模块至第十二功率开关管模块，如图7所示的IGBT UT1至IGBT WT4。

所述驱动单元，包括：第一驱动模块至第十二驱动模块。一个驱动模块，可以包括一个驱动芯片，如隔离驱动芯片U101。所述第一驱动模块至所述第十二驱动模块中的一个驱动模块，被配置为对所述第一功率开关管模块至所述第十二功率开关管模块中对应的一个功率开关管模块进行驱动。

所述电源单元，包括：第一驱动电源至第五驱动电源。所述第一驱动电源至所述第五驱动电源，被配置为所述第一驱动模块至所述第十二驱动模块提供驱动电源。

图2为三电平逆变***的一实施例的结构示意图。如图2所示，一种基于三电平逆变器的超高速电机控制***，其主要包括：低压电源(如低压直流电源)及其滤波电路(如两级滤波电路)，主控部分电源(如主控电源转换单元)和5路隔离驱动电源(如隔离驱动电源1、隔离驱动电源2、隔离驱动电源3、隔离驱动电源4和隔离驱动电源5)，控制***，PWM(脉宽调制)缓冲单元(如多路PWM信号缓冲单元)，隔离驱动单元和逆变器单元(如所述三电平逆变单元)，故障处理单元(如驱动故障信号处理单元)及电流采样部分(如相电流检测单元)等。低压直流电源的正负输出端子，经两级滤波电路后，分别连接至主控电源转换单元、隔离驱动电源1、隔离驱动电源2、隔离驱动电源3、隔离驱动电源4和隔离驱动电源5。两级滤波电路的第一端输出电压VIN，两级滤波电路的第二端接地GND。主控电源转换单元，分别连接至控制***、多路PWM信号缓冲单元和隔离驱动单元。隔离驱动电源1、隔离驱动电源2、隔离驱动电源3、隔离驱动电源4和隔离驱动电源5，均连接至隔离驱动单元。控制***、多路PWM信号缓冲单元、隔离驱动单元、三电平逆变单元和高速电机依次相连。隔离驱动单元的反馈端，经驱动故障信号处理单元反馈至控制***。所述三电平逆变单元的输出端，经相电流检测单元后，反馈至控制***。

在如图2所示的例子中，采用5路隔离驱动电源(如隔离驱动电源1、隔离驱动电源2、隔离驱动电源3、隔离驱动电源4和隔离驱动电源5)，与相关方案相比，将隔离驱动电源的数量由12个减少到5个，大大降低了隔离驱动电源的成本。且由于隔离驱动单元的数量减少了，也能够提高所述三电平逆变单元驱动的可靠性。电源数量减少，元器件数量减少，整体电路复杂度降低，故障率会低很多，可以理解为低故障率或者电路可靠运行。

图3为三电平逆变***中两级滤波电路的一实施例的结构示意图。如图3所示，三电平逆变***中的两级滤波电路，其包含：两个共模电感，即共模电感L1和共模电感L2。以及电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8和电容C29等。共模电感L1的一侧的两端与电容C3连接。共模电感L1的另一侧的两端，与电容C4连接，并与共模电感L2的一侧的两端连接。共模电感L2的另一侧的两端，与电容C29连接。电容C5、电容C6、电容C7、电容C8的一端，分别与共模电感L2的四个引脚连接。电容C5、电容C6、电容C7、电容C8的另一端，连接到机壳地。自低压直流电源输入的输入电源，通过两级滤波电路后，能有效地滤除共模干扰等，提高整个高速电机控制***的抗干扰能力。

图4为三电平逆变***中IGBT的隔离驱动单元的一实施例的结构示意图。如图4所示，隔离驱动单元，主要围绕隔离驱动芯片U101进行搭建，能够实现驱动电路的软关断、短路保护、IGBT驱动光耦的有源钳位、IGBT驱动光耦的米勒钳位、欠压保护等功能。

在如图4所示的例子中，在隔离驱动芯片U101的信号输入侧，电容C9为电源的滤波电容。PWM信号通过电阻R2和电容C10构成的低通滤波器后，进入隔离驱动芯片U101中，该低通滤波器能够抑制信号传输过程中随机干扰产生的窄脉冲，有一定的保护功能。

在如图4所示的例子中，隔离驱动芯片U101的故障输出信号，经电阻R1上拉后输入到驱动故障信号处理单元。

在如图4所示的例子中，在隔离驱动芯片U101的驱动侧，VISO是驱动正电源(一般为15V)，VEE是驱动负电源(一般为-8至-10V)，GNDCOM是驱动侧的参考地。电容C11、电容C13和电容C14，是驱动供电电源的稳压滤波电容，电容值可根据不同的IGBT进行选择。

在如图4所示的例子中，二极管D2的阳极，连接到IGBT的集电极。二极管D1与二极管D2、电阻R3、电容C12和隔离驱动芯片U101的DESAT引脚，共同构成退饱和检测电路，能够实现IGBT的短路保护，防止IGBT因电流过大损坏。

在如图4所示的例子中，电阻R6是IGBT的门极驱动电阻，其一端连接隔离驱动芯片U101的驱动信号输出(OUT)引脚，另一端与IGBT的门极相连，二极管D3和电阻R4相连并与电阻R6并联，能够在关断时加快IGBT的关断。

在如图4所示的例子中，电阻R5、电容C15和瞬态抑制二极管D4，并联在IGBT的门极和IGBT的发射极，能够有效地保护门极。

在如图4所示的例子中，隔离驱动芯片U101的CLAMP引脚，是用于实现IGBT的隔离驱动单元的有源米勒钳位功能，将该引脚连接到IGBT门极，能够防止IGBT在关断期间因干扰等导致其误导通，避免此类短路情况发生。所述三电平逆变单元，共需要12片隔离驱动芯片U101构成的IGBT的隔离驱动单元。

图5为三电平逆变***中驱动电源电路的一实施例的结构示意图。如图5所示，隔离驱动电源的电路中，U102是电源芯片，U103是隔离反馈的光耦，L3是隔离变压器，Z1是三端稳压器。变压器L3输出的一路，经过二极管D6整流后，再经过电容C26、电感L5和电容C27滤波和稳压后，输出正电源VISO。其中，电阻R11和电容C25串联后，与二极管D6并联，用于减小二极管D6上的开通和关断尖峰。同理，变压器L3输出的另一路，经二极管D5整流，经电阻R10、电容C22、电容C23、电感L4和电容C24的滤波和稳压后，输出负电源VEE供给驱动电路。驱动正电源VISO的电压值可根据驱动电路需要，通过调整电阻R13和电阻R14阻值实现，具体可以参见公式(1)。电阻R16和电容C28串联后并在三端稳压器Z1的R引脚和K引脚之间，用于反馈环路的调节。

其中，2.5V是三端稳压器Z1内部的参考电压。电阻R15和光耦LED并联，构成电流源产生器为Z1提供工作电流；电阻R12是光耦限流保护电阻；电阻R8为芯片U102限流电阻；电阻R9为芯片脉冲频率设置电阻；电容C17为U102输入电容；电容C18为滤波电容；电容C19为软启动时间设置电容；电容C20为辅助供电引脚电容；电容C21为自举电容。

这样，本实用新型的方案，提供一种基于三电平逆变器的超高速电机控制***，通过使高速电机在高转速下采用三电平逆变器进行高速电机控制，能够降低高速电机的损耗。并且，在三电平驱动部分设计时，根据三电平逆变单元(即三电平逆变器)的拓扑结构，最大程度地降低隔离驱动电源数量，使整体电路简洁、且成本低。这样，隔离驱动电源数量少，成本低，可靠性高。

在一些实施方式中，所述三电平逆变单元，包括：U相逆变单元、V相逆变单元和W相逆变单元。U相逆变单元，如U相的单个三电平IGBT模块，如IGBT UT1、IGBT UT2、IGBT UT3、IGBT UT4构成的单个三电平IGBT模块。V相逆变单元，如V相的单个三电平IGBT模块，如IGBTVT1、IGBT VT2、IGBT VT3、IGBT VT4构成的单个三电平IGBT模块。W相逆变单元，如W相的单个三电平IGBT模块，如IGBT WT1、IGBT WT2、IGBT WT3、IGBT WT4构成的单个三电平IGBT模块。

在所述第一驱动模块至所述第十二驱动模块中，第一驱动模块、第二驱动模块、第三驱动模块和第四驱动模块，为所述三电平逆变单元中U相逆变单元的驱动模块。第五驱动模块、第六驱动模块、第七驱动模块和第八驱动模块，为所述三电平逆变单元中V相逆变单元的驱动模块。第九驱动模块、第十驱动模块、第十一驱动模块和第十二驱动模块，为所述三电平逆变单元中W相逆变单元的驱动模块。

所述第一驱动电源至所述第五驱动电源，为所述第一驱动模块至所述第十二驱动模块提供驱动电源，包括：

在所述第一驱动电源至所述第五驱动电源中，第一驱动电源，为所述第一驱动模块和所述第三驱动模块提供驱动电源。

在所述第一驱动电源至所述第五驱动电源中，第二驱动电源，为所述第五驱动模块和所述第七驱动模块提供驱动电源。

在所述第一驱动电源至所述第五驱动电源中，第三驱动电源，为所述第九驱动模块和所述第十一驱动模块提供驱动电源。

在所述第一驱动电源至所述第五驱动电源中，第四驱动模块，为所述第二驱动模块、所述第六驱动模块和所述第十驱动模块提供驱动电源。

在所述第一驱动电源至所述第五驱动电源中，第五驱动模块，为所述第四驱动模块、所述第八驱动模块和所述第十二驱动模块提供驱动电源。

图6为三电平逆变***中单个三电平IGBT模块的一实施例的结构示意图，图7为三电平逆变***中所述三电平逆变单元的一实施例的结构示意图。

如图6所示，单个三电平IGBT模块的内部，有四个IGBT，如IGBTT1、IGBT T2、IGBTT3和IGBT T4，三组单个三电平IGBT模块构成的所述三电平逆变单元，如图7所示。在如图7所示的例子中，电容C1的一端连接到高压正极DC+、电容C1的另一端与电容C2的一端连接。电容C1与电容C2的连接点，构成所述三电平逆变单元的中点，电容C2的另一端与高压电源的负极DC-连接。根据所述三电平逆变单元的特点，进行驱动电源数量减少。其中，IGBT UT1和IGBT UT3共发射极，可以共用隔离驱动电源1，同理IGBT VT1和IGBT VT3共用隔离驱动电源2，IGBT WT1和IGBT WT3共用隔离驱动电源3，IGBT UT2、IGBT VT2、IGBT WT2发射极均连接在逆变单元的中点电位上，可以共用隔离驱动电源4，IGBT UT4、IGBT VT4、IGBT WT4可以共用隔离驱动电源5，通过简化，驱动电源数量由12个减少到5个，降低驱动电路复杂度和成本，使其简洁、可靠。

具体地，本实用新型的方案，根据逆变***(如所述三电平逆变单元)的拓扑特点，隔离驱动电源，根据拓扑结构进行数量优化。很大程度简化驱动电源数量，使驱动电路简洁，降低成本，提高可靠性。这样，本实用新型的方案，隔离驱动电源很少，使得驱动电路简洁、成本低。

在一些实施方式中，所述电源单元，设置在第一电路板上。所述驱动单元，设置在第二电路板上。安装时，所述第一电路板和所述第二电路板，对插安装，以实现所述电源单元和所述驱动单元的连接。

具体地，驱动电源板与驱动板安装方式，分开在两块板上，通过对插方式连接。主控方案，分开在两块板上，通过对插方式连接。这样，将隔离驱动电源部分(即电源单元)集成在一块板上，并通过对插连接器驱动部分(即驱动单元)进行可靠连接，减小干扰、使结构更加紧凑。对插方式连接，干扰小，结构紧凑。也就是说，驱动电源(即隔离驱动电源的电源部分)与驱动部分分别放置在不同的电路板上，通过对插方式连接，使整体结构紧凑，降低干扰。这样，本实用新型的方案，通过电源和驱动部分上、下层对插连接形式，使整体结构紧凑、干扰小。从而，驱动电路整体简单且具有多种保护功能，能够有效、可靠地驱动三电平逆变***。

图9为三电平逆变***中驱动电源板与驱动板的一实施例的连接结构示意图。由于三电平逆变***有12个IGBT，需要12个驱动芯片，加上隔离驱动电源，驱动部分电路板面积大，且高压电部分和低压电部分不可避免地有交叉情况，相互之间会有干扰。本实用新型的方案，将驱动部分(如隔离驱动单元)和隔离驱动电源放在不同的电路板上，两块电路板通过对插连接器进行可靠连接，连接示意图如图9所示，这样可以充分利用空间，使驱动部分整机结构更加紧凑，避免了强弱电交叉情况出现，能够降低相互之间的干扰，提高驱动***的可靠性。如图9所示，隔离驱动电源的电路板和隔离驱动单元的电路板采用对插方式，能够减小高压电部分和低压电部分之间较差时产生的干扰，还能使隔离驱动电源和隔离驱动单元的结构更加紧凑。

在一些实施方式中，还包括：控制***和检测单元(如相电流检测单元)。所述控制***，包括：DSP***和FPGA***。所述DSP***和所述FPGA***，设置在所述电机的逆变***的供电电源与所述驱动单元之间。所述电机的逆变***的供电电源，包括：依次相连的低压直流电源、两级滤波电路和主控电源转换单元。所述FPGA***，设置在所述主控电源转换单元与所述隔离驱动单元之间，具体是设置在所述主控电源转换单元与所述隔离驱动单元的多路PWM信号缓冲单元之间。

其中，所述DSP***，被配置为给出电流指令。

所述检测单元，被配置为检测所述三电平逆变单元输出的电流参数(如当前相电流信号)。

所述FPGA***，被配置为根据所述电流指令和所述三电平逆变单元输出的电流参数，进行电流环计算，得到PWM信号，并将所述PWM信号发送至所述驱动单元。

在图2所示的例子中，控制***，包括：DSP***和FPGA***。在如图2所示的例子中，超高速电机控制***运行过程中，FPGA***，接收DSP***给出的电流指令，并从高速电机的相电流检测单元获得高速电机的当前相电流信号，进行电流环计算，得到PWM信号。然后，将PWM信号发送至多路PWM信号缓冲单元。由于所述三电平逆变单元需要12路PWM信号，所以，多路PWM信号缓冲单元的主要作用，是将FPGA发出的PWM信号(一般是3.3V的逻辑电平)进行转换，生成12路某一逻辑电平(比如5V的逻辑电平)的PWM信号，并提高信号的驱动能力，然后将生成的PWM信号发给隔离驱动单元。隔离驱动单元的主要作用，是实现所述三电平逆变单元的可靠驱动和保护。所述三电平逆变单元根据驱动电路信号，输出高频电压和电流至高速电机，实现可靠驱动。

这样，本实用新型的方案，在控制部分，软件和硬件采用DSP和FPGA相结合的架构，利用FPGA进行电流计算等，提高电流环带宽，输出高频控制信号，实现可靠地超高速电机控制。能够实现可靠控制。通过采用DSP加FPGA控制方案，即采用DSP***和FPGA***相结合的架构，提高电流环带宽，实现可靠地超高速电机控制。

在一些实施方式中，还包括：故障处理单元(如驱动信号故障处理单元)。

其中，所述故障处理单元，被配置为确定所述驱动单元的故障参数(如驱动故障信号)。

所述FPGA***，还被配置为根据所述驱动单元的故障参数，控制所述驱动单元使所述三电平逆变单元中的功率开关管模块关断。

在图2所示的例子中，隔离驱动单元的主要作用，是实现所述三电平逆变单元的可靠驱动和保护，如果驱动出现故障，隔离驱动单元保护所述三电平逆变单元中的IGBT可靠关断，并将故障信号发给驱动故障信号处理单元，最终到FPGA***进行故障信号处理。

图8为三电平逆变***中单个驱动故障信号处理单元的一实施例的结构示意图。如图8所示，在单个驱动故障信号处理单元中，驱动故障信号FAULT经过电阻R6、电阻R7分压后，转成合适的电平的信号FO输入到FPGA***。其中，电容C16与电阻R7并联，可防止窄脉冲等导致故障信号电平出现跳变，导致误报驱动故障。

这样，利用FPGA进行故障处理等，能够实现可靠地超高速电机控制。主控方案，DSP+FPGA方案，可以解决驱动电源数量多、可靠性低、成本高、高速控制不稳定的关键技术型问题，同时实现降低电路复杂度、降低成本、减小干扰、实现可靠控制的目的。也就是说，采用DSP和FPGA相结合的架构，利用FPGA进行电流计算、故障处理等，提高电流环带宽，输出高频控制信号，实现可靠地超高速电机控制。

需要说明的是，本实用新型的方案中的高速电机控制***，也适合其它类型的电机控制(如除空压机外的其他高速电机)，驱动方案也适合其它拓扑的三电平逆变***。

经大量的试验验证，采用本实用新型的技术方案，通过在高速电机的电平驱动部分，采用三电平逆变器，并对三电平逆变器的隔离驱动电源的数量进行优化。从而，通过使空压机用高速电机，在高转速下采用三电平逆变器进行高速电机控制，能够显著降低电机控制***的谐波含量，进而提高整机的效率，能够降低空压机损耗。同时，由于，通过对三电平逆变器的隔离驱动电源的数量进行优化，能够减少隔离驱动电源的数量，还能够使三电平逆变器的整体结构得到简化，有利于降低三电平逆变器的硬件成本，并提高三电平逆变器的工作可靠性。

根据本实用新型的实施例，还提供了对应于电机的逆变***的一种电机。该电机可以包括：以上所述的电机的逆变***。

由于本实施例的电机所实现的处理及功能基本相应于前述电机的逆变***的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。

经大量的试验验证，采用本实用新型的技术方案，通过在高速电机的电平驱动部分，采用三电平逆变器，并对三电平逆变器的隔离驱动电源的数量进行优化，隔离驱动电源数量少，成本低，可靠性高。

根据本实用新型的实施例，还提供了对应于电机的一种电机的控制方法。该电机的控制方法可以包括：采用第一驱动电源至第五驱动电源，形成电源单元，为所述电机的所述三电平逆变单元的驱动单元提供驱动电源。所述驱动单元，包括：第一驱动模块至第十二驱动模块。

其中，所述三电平逆变单元，包括：第一功率开关管模块至第十二功率开关管模块，一个功率开关管模块，可以包括：一个IGBT。第一功率开关管模块至第十二功率开关管模块，如图7所示的IGBT UT1至IGBT WT4。

所述驱动单元，包括：第一驱动模块至第十二驱动模块。一个驱动模块，可以包括一个驱动芯片，如隔离驱动芯片U101。所述第一驱动模块至所述第十二驱动模块中的一个驱动模块，被配置为对所述第一功率开关管模块至所述第十二功率开关管模块中对应的一个功率开关管模块进行驱动。所述电源单元，包括：第一驱动电源至第五驱动电源。

在如图2所示的例子中，采用5路隔离驱动电源(如隔离驱动电源1、隔离驱动电源2、隔离驱动电源3、隔离驱动电源4和隔离驱动电源5)，与相关方案相比，将隔离驱动电源的数量由12个减少到5个，大大降低了隔离驱动电源的成本。且由于隔离驱动单元的数量减少了，也能够提高所述三电平逆变单元驱动的可靠性。

在一些实施方式中，所述三电平逆变单元，包括：U相逆变单元、V相逆变单元和W相逆变单元。U相逆变单元，如U相的单个三电平IGBT模块，如IGBT UT1、IGBT UT2、IGBT UT3、IGBT UT4构成的单个三电平IGBT模块。V相逆变单元，如V相的单个三电平IGBT模块，如IGBTVT1、IGBT VT2、IGBT VT3、IGBT VT4构成的单个三电平IGBT模块。W相逆变单元，如W相的单个三电平IGBT模块，如IGBT WT1、IGBT WT2、IGBT WT3、IGBT WT4构成的单个三电平IGBT模块。

在所述第一驱动模块至所述第十二驱动模块中，第一驱动模块、第二驱动模块、第三驱动模块和第四驱动模块，为所述三电平逆变单元中U相逆变单元的驱动模块。第五驱动模块、第六驱动模块、第七驱动模块和第八驱动模块，为所述三电平逆变单元中V相逆变单元的驱动模块。第九驱动模块、第十驱动模块、第十一驱动模块和第十二驱动模块，为所述三电平逆变单元中W相逆变单元的驱动模块。

采用第一驱动电源至第五驱动电源，形成电源单元，为所述电机的三电平逆变单元的驱动单元提供驱动电源，包括：

在所述第一驱动电源至所述第五驱动电源中，采用第一驱动电源，为所述第一驱动模块和所述第三驱动模块提供驱动电源。

在所述第一驱动电源至所述第五驱动电源中，采用第二驱动电源，为所述第五驱动模块和所述第七驱动模块提供驱动电源。

在所述第一驱动电源至所述第五驱动电源中，采用第三驱动电源，为所述第九驱动模块和所述第十一驱动模块提供驱动电源。

在所述第一驱动电源至所述第五驱动电源中，采用第四驱动模块，为所述第二驱动模块、所述第六驱动模块和所述第十驱动模块提供驱动电源。

在所述第一驱动电源至所述第五驱动电源中，采用第五驱动模块，为所述第四驱动模块、所述第八驱动模块和所述第十二驱动模块提供驱动电源。

图6为三电平逆变***中单个三电平IGBT模块的一实施例的结构示意图，图7为三电平逆变***中所述三电平逆变单元的一实施例的结构示意图。

如图6所示，单个三电平IGBT模块的内部，有四个IGBT，如IGBTT1、IGBT T2、IGBTT3和IGBT T4，三组单个三电平IGBT模块构成的所述三电平逆变单元，如图7所示。在如图7所示的例子中，电容C1的一端连接到高压正极DC+、电容C1的另一端与电容C2的一端连接。电容C1与电容C2的连接点，构成所述三电平逆变单元的中点，电容C2的另一端与高压电源的负极DC-连接。根据所述三电平逆变单元的特点，进行驱动电源数量减少。其中，IGBT UT1和IGBT UT3共发射极，可以共用隔离驱动电源1，同理IGBT VT1和IGBT VT3共用隔离驱动电源2，IGBT WT1和IGBT WT3共用隔离驱动电源3，IGBT UT2、IGBT VT2、IGBT WT2发射极均连接在逆变单元的中点电位上，可以共用隔离驱动电源4，IGBT UT4、IGBT VT4、IGBT WT4可以共用隔离驱动电源5，通过简化，驱动电源数量由12个减少到5个，降低驱动电路复杂度和成本，使其简洁、可靠。

具体地，本实用新型的方案，根据逆变***(如三电平逆变单元)的拓扑特点，隔离驱动电源，根据拓扑结构进行数量优化。很大程度简化驱动电源数量，使驱动电路简洁，降低成本，提高可靠性。这样，本实用新型的方案，隔离驱动电源很少，使得驱动电路简洁、成本低。

在一些实施方式中，还包括：控制电流环的过程。

下面结合图10所示本实用新型的方法中控制电流环的一实施例流程示意图，进一步说明控制电流环的具体过程，包括：步骤S110至步骤S130。

步骤S110，通过DSP***，给出电流指令。

步骤S120，通过检测单元，检测所述三电平逆变单元输出的电流参数(如当前相电流信号)。

步骤S130，通过FPGA***，根据所述电流指令和所述三电平逆变单元输出的电流参数，进行电流环计算，得到PWM信号，并将所述PWM信号发送至所述驱动单元。

具体地，控制***和检测单元(如相电流检测单元)。所述控制***，包括：DSP***和FPGA***。所述DSP***和所述FPGA***，设置在所述电机的逆变***的供电电源与所述驱动单元之间。所述电机的逆变***的供电电源，包括：依次相连的低压直流电源、两级滤波电路和主控电源转换单元。所述FPGA***，设置在所述主控电源转换单元与所述隔离驱动单元之间，具体是设置在所述主控电源转换单元与所述隔离驱动单元的多路PWM信号缓冲单元之间。

在图2所示的例子中，控制***，包括：DSP***和FPGA***。在如图2所示的例子中，超高速电机控制***运行过程中，FPGA***，接收DSP***给出的电流指令，并从高速电机的相电流检测单元获得高速电机的当前相电流信号，进行电流环计算，得到PWM信号。然后，将PWM信号发送至多路PWM信号缓冲单元。由于所述三电平逆变单元需要12路PWM信号，所以，多路PWM信号缓冲单元的主要作用，是将FPGA发出的PWM信号(一般是3.3V的逻辑电平)进行转换，生成某一逻辑电平(比如5V的逻辑电平)的PWM信号，并提高信号的驱动能力，然后将生成的PWM信号发给隔离驱动单元。隔离驱动单元的主要作用，是实现所述三电平逆变单元的可靠驱动和保护。所述三电平逆变单元根据驱动电路信号，输出高频电压和电流至高速电机，实现可靠驱动。

这样，本实用新型的方案，在控制部分，软件和硬件采用DSP和FPGA相结合的架构，利用FPGA进行电流计算等，提高电流环带宽，输出高频控制信号，实现可靠地超高速电机控制。能够实现可靠控制。通过采用DSP加FPGA控制方案，即采用DSP***和FPGA***相结合的架构，提高电流环带宽，实现可靠地超高速电机控制。

在一些实施方式中，还包括：故障控制的过程。

下面结合图11所示本实用新型的方法中故障控制的一实施例流程示意图，进一步说明故障控制的具体过程，包括：步骤S210和步骤S220。

步骤S210，通过故障处理单元，确定所述驱动单元的故障参数(如驱动故障信号)。故障处理单元(如驱动信号故障处理单元)。

步骤S220，通过FPGA***，根据所述驱动单元的故障参数，控制所述驱动单元使所述三电平逆变单元中的功率开关管模块关断。

在图2所示的例子中，隔离驱动单元的主要作用，是实现所述三电平逆变单元的可靠驱动和保护，如果驱动出现故障，隔离驱动单元保护所述三电平逆变单元中的IGBT可靠关断，并将故障信号发给驱动故障信号处理单元，最终到FPGA***进行故障信号处理。

图8为三电平逆变***中单个驱动故障信号处理单元的一实施例的结构示意图。如图8所示，在单个驱动故障信号处理单元中，驱动故障信号FAULT经过电阻R6、电阻R7分压后，转成合适的电平的信号FO输入到FPGA***。其中，电容C16与电阻R7并联，可防止窄脉冲等导致故障信号电平出现跳变，导致误报驱动故障。

这样，利用FPGA进行故障处理等，能够实现可靠地超高速电机控制。主控方案，DSP+FPGA方案，可以解决驱动电源数量多、可靠性低、成本高、高速控制不稳定的关键技术型问题，同时实现降低电路复杂度、降低成本、减小干扰、实现可靠控制的目的。也就是说，采用DSP和FPGA相结合的架构，利用FPGA进行电流计算、故障处理等，提高电流环带宽，输出高频控制信号，实现可靠地超高速电机控制。

需要说明的是，本实用新型的方案中的高速电机控制***，也适合其它类型的电机控制，驱动方案也适合其它拓扑的三电平逆变***。

由于本实施例的方法所实现的处理及功能基本相应于前述电机的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。

经大量的试验验证，采用本实施例的技术方案，通过在高速电机的电平驱动部分，采用三电平逆变器，并对三电平逆变器的隔离驱动电源的数量进行优化，驱动电路整体简单且具有多种保护功能，能够有效、可靠地驱动三电平逆变***。

综上，本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上所述仅为本实用新型的实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种电机的逆变***，其特征在于，包括：三电平逆变单元，所述三电平逆变单元的驱动单元，以及所述驱动单元的电源单元；其中，

所述三电平逆变单元，包括：第一功率开关管模块至第十二功率开关管模块；

所述驱动单元，包括：第一驱动模块至第十二驱动模块；所述第一驱动模块至所述第十二驱动模块中的一个驱动模块，被配置为对所述第一功率开关管模块至所述第十二功率开关管模块中对应的一个功率开关管模块进行驱动；

所述电源单元，包括：第一驱动电源至第五驱动电源；所述第一驱动电源至所述第五驱动电源，被配置为所述第一驱动模块至所述第十二驱动模块提供驱动电源。

2.根据权利要求1所述的电机的逆变***，其特征在于，所述三电平逆变单元，包括：U相逆变单元、V相逆变单元和W相逆变单元；

在所述第一驱动模块至所述第十二驱动模块中，第一驱动模块、第二驱动模块、第三驱动模块和第四驱动模块，为所述三电平逆变单元中U相逆变单元的驱动模块；第五驱动模块、第六驱动模块、第七驱动模块和第八驱动模块，为所述三电平逆变单元中V相逆变单元的驱动模块；第九驱动模块、第十驱动模块、第十一驱动模块和第十二驱动模块，为所述三电平逆变单元中W相逆变单元的驱动模块；

所述第一驱动电源至所述第五驱动电源，为所述第一驱动模块至所述第十二驱动模块提供驱动电源，包括：

在所述第一驱动电源至所述第五驱动电源中，第一驱动电源，为所述第一驱动模块和所述第三驱动模块提供驱动电源；

第二驱动电源，为所述第五驱动模块和所述第七驱动模块提供驱动电源；

第三驱动电源，为所述第九驱动模块和所述第十一驱动模块提供驱动电源；

第四驱动模块，为所述第二驱动模块、所述第六驱动模块和所述第十驱动模块提供驱动电源；

第五驱动模块，为所述第四驱动模块、所述第八驱动模块和所述第十二驱动模块提供驱动电源。

3.根据权利要求1或2所述的电机的逆变***，其特征在于，所述电源单元，设置在第一电路板上；所述驱动单元，设置在第二电路板上；安装时，所述第一电路板和所述第二电路板，对插安装，以实现所述电源单元和所述驱动单元的连接。

4.根据权利要求1或2所述的电机的逆变***，其特征在于，还包括：控制***和检测单元；所述控制***，包括：DSP***和FPGA***；所述DSP***和所述FPGA***，设置在所述电机的逆变***的供电电源与所述驱动单元之间；其中，

所述DSP***，被配置为给出电流指令；

所述检测单元，被配置为检测所述三电平逆变单元输出的电流参数；

所述FPGA***，被配置为根据所述电流指令和所述三电平逆变单元输出的电流参数，进行电流环计算，得到PWM信号，并将所述PWM信号发送至所述驱动单元。

5.根据权利要求4所述的电机的逆变***，其特征在于，还包括：故障处理单元；其中，

所述故障处理单元，被配置为确定所述驱动单元的故障参数；

所述FPGA***，还被配置为根据所述驱动单元的故障参数，控制所述驱动单元使所述三电平逆变单元中的功率开关管模块关断。

6.一种电机，其特征在于，包括：如权利要求1至5中任一项所述的电机的逆变***。

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