CN102832860B - 一种基于同步驱动的双开关磁阻电机系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于同步驱动的双开关磁阻电机系统，包括功率变换器、直流电源、位置检测器、控制器、主开关磁阻电机和从开关磁阻电机；位置检测器用于检测获取主开关磁阻电机转子的位置状态信息，控制器用于根据位置状态信息构造产生一组驱动信号，以控制功率变换器，功率变换器用于根据驱动信号控制两台开关磁阻电机各定子绕组的通断电。本发明系统只需一套功率变换器即可实现双电机的同步驱动，主从电机天然同步运行且无净差；所用功率变换器为最简结构，每相仅需要一开关管和一续流二极管；主电机工作在发电状态时，从电机处于电动状态时不需要额外的中间能量解耦装置和功率变换器即可直接驱动从电机。
Description
技术领域
本发明属于电机技术领域，具体涉及一种基于同步驱动的双开关磁阻电机系统。
背景技术
电动机是将电能转化为机械能的装置，根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机，开关磁阻电动机(SRM)即为一种采用直流供电的新型电动机。开关磁阻电动机系双凸极可变磁阻电动机，其定、转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成，转子上既无绕组也无永磁体，定子凸极上绕有绕组。SRM可以设计成多种不同相数结构，且定、转子的极数有多种不同的搭配。图1所示了四相8/6结构SRM及其功率变换器连接示意图，图中只画出A相绕组及其供电电路。
SRM的运行遵循“磁阻最小原理”，即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，使转子铁心在移动到磁阻最小位置时，转子的主轴线与磁场的轴线重合。如图1所示，当标有1-1’的转子极对的中心线和A-A’相定子极对的中心线重合时，转子极对1-1’处于磁阻最小位置，此时A相绕组电感是最大的。当给B-B’相通电时，转子极对2-2’根据“磁阻最小原理”就会产生逆时针方向的转矩，依次给A-B-C-D相绕组通电，SRM就可以实现逆时针方向转动；同理，如果依次给A-D-C-B相绕组通电，那么SRM就可以实现顺时针方向转动。由此可见，SRM的转向取决于相绕组通电的顺序，而与相绕组的电流方向无关。
在实际工作中，为了能够承载大的负荷或者为了保证系统运行的可靠性，往往采用双电机并联系统。此外，由伺服系统控制的机械往往要求能够进行曲线运动(包括三自由度运动)，例如机器人的手臂关节，这些复杂运动很难由单台电机独立实现，因此也要采用双电机并联系统。在相同的输出情况下，相对于单电机系统，双电机的总转动惯量更小，运行时的电能消耗也响应减少。例如，针对雷达系统的回程误差，基本上都采用机械消隙的方法，但机械消隙要么会增加机械部分的复杂性，要么不适用于较大功率的动力传动，且常规的机械消隙也不大可靠，若使用双电机驱动，同样可以达到消隙的目的，并能够提高系统精度。
传统的双开关磁阻电机并联运行框图如图2所示，图中需要两台功率变换器，为做到两台电机同步运行需要两个控制器之间高速通信，由于需要两个控制器之间的高速通信，若两台电机的控制器距离较远则系统的可靠性会大大降低。该系统结构不能实现零误差同步，因为主电机检测到的速度给从电机控制器存在控制时间上的延时，因此传统的双机并联系统存在天然的同步误差。同时，传统的双机并联系统需要各自的电源和功率变换器，这些都极大的增加了系统的成本和故障点。
在风力发电或者其它具有发电和电动系统背景情况下，需要图3所示的结构，传统的电机发电需要整流然后再通过功率变换器给电机供电，这种应用背景下需要较多的电力电子器件和能量存储装置如母线电容等，由于开关器件多从而导致系统复杂，母线电容的存在不但增加了系统的成本和体积，也会对整个系统的装置寿命产生影响。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种基于同步驱动的双开关磁阻电机系统，只需一套功率变换器就能实现双电机同步驱动，亦可实现主电机发电从电机电动，且主电机发电能量控制和转速可控，从而实现从电机的转速和转矩可控。
一种基于同步驱动的双开关磁阻电机系统，包括：一功率变换器、一直流电源、一位置检测器、一控制器、主开关磁阻电机和从开关磁阻电机；
两台开关磁阻电机相数相同，且均具有n个绕制于定子凸极上的定子绕组，n为开关磁阻电动机的相数；
所述的位置检测器用于检测获取主开关磁阻电机转子的位置状态信息；
所述的控制器用于根据所述的位置状态信息构造产生一组驱动信号，以控制所述的功率变换器；
所述的功率变换器用于根据所述的驱动信号控制两台开关磁阻电机各定子绕组的通断电。
所述的功率变换器由n个功率变换单元组成；其中，所述的功率变换单元的第一连接端与主开关磁阻电机对应定子绕组的一端相连，第二连接端与从开关磁阻电机对应定子绕组的一端相连，第三连接端与直流电源的负极相连；直流电源的正极与主开关磁阻电机各定子绕组的另一端以及从开关磁阻电机各定子绕组的另一端相连。
所述的功率变换单元由一续流二极管和一开关管组成；其中，开关管的输入端与续流二极管的阳极相连且为功率变换单元的第一连接端，续流二极管的阴极为功率变换单元的第二连接端，开关管的输出端为功率变换单元的第三连接端，开关管的控制端接收控制器提供的驱动信号。
优选地，所述的直流电源采用蓄电池，其输出电压稳定且可控。
优选地，所述的直流电源并联有电容，能够消除纹波，稳定电压。
所述的位置检测器采用增量式编码器，其固定在主开关磁阻电机的机座上，其轴通过联轴器与主开关磁阻电机的主轴相连。
本发明的工作原理为：
(1)两开关磁阻电机都工作在电动状态；
根据位置检测器的信息，在主开关磁阻电机某一相最小电感位置处即定子极轴线对齐转子槽轴线，开通该相对应的开关管，此时直流电源直接给主电机对应定子绕组供电，在此过程中电能一部分转化为转子的机械能输出，另一部分转化为磁能存储在定子绕组中；在开关磁阻电机某一相最大电感处即定子极中线对齐转子极中线处，关断该相对应的开关管；主电机定子绕组的磁能通过续流二极管给从电机的定子绕组供电，在此过程中既实现了主电机定子绕组的续流，同时也实现了从电机的励磁过程，从电机在此过程中将脉冲电能转化为机械能输出。
为增加主电机每相的导通时间，本发明采用六步导通法(对于三相开关磁阻电机)即A相导通-A、C相导通-C相导通-C、B相导通-B相导通-B、A相导通。通过增加主电机每相的导通时间可以增加从电机的励磁电流，通过控制主电机的开通、关断角度来调节从电机的励磁电流的大小。故本发明通过一套结构简单的功率变换器实现了双机严格同步运行。
(2)主开关磁阻电机工作在发电状态，从开关磁阻电机工作在电动状态；
根据位置检测器的信息，在主开关磁阻电机某一相最小电感位置处即定子极轴线对齐转子槽轴线，开通该相对应的开关管，此时直流电源直接给主电机对应定子绕组励磁供电，根据从电机的转速反馈控制主电机的开通关断角度。
本发明系统只需一套功率变换器即可实现双电机的同步驱动，主从电机天然同步运行且无净差；所用功率变换器为最简结构，每相仅需要一个开关管和一个续流二极管；主电机工作在发电状态时，从电机处于电动状态时不需要额外的中间能量解耦装置和功率变换器即可直接驱动从电机。
附图说明
图1为开关磁阻电动机的电路结构示意图。
图2为现有双开关磁阻电机系统的结构示意图。
图3为现有发电电动系统的结构示意图。
图4为本发明双开关磁阻电机系统的结构示意图。
图5为本发明系统中功率变换器的结构示意图。
图6(a)电池向主电机输送能量的电路原理示意图。
图6(b)为主电机绕组向从电机释放能量的电路原理示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关原理进行详细说明。
如图4所示，一种基于同步驱动的双开关磁阻电机系统，包括：功率变换器、蓄电池、位置检测器、控制器、主开关磁阻电机和从开关磁阻电机，两台开关磁阻电机均为三相12/8结构的开关磁阻电机，该结构的开关磁阻电机具有三个定子绕组。
位置检测器用于检测获取主开关磁阻电机转子的位置状态信息；其与控制器相连，本实施方式中位置检测器采用增量式编码器，编码器固定在机座上，通过联轴器将编码器的轴与主电机轴相连，连接时将编码器的零标志位与主电机某一相的最大电感处对齐。编码器将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，对转子位置的脉冲计数可以准确定位转子的位置。
控制器用于根据位置状态信息构造产生一组驱动信号P1～P3，以控制功率变换器；其通过驱动电路与功率变换器中的功率开关器件相连，本实施方式中控制器采用DSP；位置检测器产生的脉冲计数信号输入DSP的编码器捕捉口，DSP根据该脉冲计数信号就可以确定主电机转子所处位置信息，也就可以知道各相的最大电感和最小电感处；当双电机都处于电动状态需要根据主电机转速和转子位置信息以及从电机运行状态选择开关管开通和关断角度，一般将开通和关断角选择在相电感在最小电感和最大电感之间；而发电状态需要在相电感最大电感处开通，在相电感下降区关断开关管，根据从电机带载要求选择合理的关断角度。
功率变换器用于根据驱动信号P1～P3控制两台开关磁阻电机各定子绕组的通断电；如图5所示，本实施方式中功率变换器由三个功率变换单元组成，功率变换单元由一续流二极管和一MOS管串联组成；其中：
主开关磁阻电机定子绕组LA的一端与MOS管S1的漏极和二极管D1的阳极相连，二极管D1的阴极与从开关磁阻电机定子绕组La的一端相连，MOS管S1的源极与蓄电池的负极相连；蓄电池的正极与主开关磁阻电机定子绕组LA的另一端和从开关磁阻电机定子绕组La的另一端相连。
主开关磁阻电机定子绕组LB的一端与MOS管S2的漏极和二极管D2的阳极相连，二极管D2的阴极与从开关磁阻电机定子绕组Lb的一端相连，MOS管S2的源极与蓄电池的负极相连；蓄电池的正极与主开关磁阻电机定子绕组LB的另一端和从开关磁阻电机定子绕组Lb的另一端相连。
主开关磁阻电机定子绕组LC的一端与MOS管S3的漏极和二极管D3的阳极相连，二极管D3的阴极与从开关磁阻电机定子绕组Lc的一端相连，MOS管S3的源极与蓄电池的负极相连；蓄电池的正极与主开关磁阻电机定子绕组LC的另一端和从开关磁阻电机定子绕组Lc的另一端相连。
蓄电池并联有电容C，MOS管S1～S3的栅极分别接收控制器提供的驱动信号P1～P3。
本实施方式的工作状态分为两种：
(1)主从电机都工作在电动状态：
开关管开通电池给主电机励磁，通过控制S1、S2和S3的导通角度来实现电机的转动。以LA为例：当S1导通时如图6(a)所示，电池给LA充电，在电机工作时LA将部分能量转化为机械能，另一部分能量储存为磁能；当S1关断时如图6(b)所示，LA中存储的能量通过由LA、D1、La构成的回路给从电机励磁。
通过固定主电机开通角θon(定子极轴线对齐转子槽轴线为零度)调节关断角θoff，分配主电机和从电机的励磁能量，使得两台电机在各自额定负载之内，达到稳定、同步运行。开通角θon一般选择最小电感处即定子极轴线对齐转子槽轴线处，或者稍微提前位置，关断角θoff最小限值大于θon，最大限制在最大电感之前位置，保证主电机的续流，即从电机的励磁电流，没有进入主电机负转矩区。按照主从电机的实际负载情况在θon优选固定情况下调节θoff，分配各自有效励磁能量。
(2)主电机工作在发电状态、从电机都工作在电动状态：
电池给主电机励磁，原动机拖动主电机旋转，主电机工作在发电状态，发出的电能直接由续流二极管供给从电机相应相励磁，从电机励磁频率和主电机励磁频率相同，从而实现主从电机同步运行。以LA为例：当S1导通时如图6(a)所示，电池给LA励磁，当S1关断时如图6(b)所示，原动机拉动主电机旋转，机械能转换成电能，由LA绕组通过由LA、D1、La构成的回路给从电机励磁。
控制策略优选固定关断角θoff(定子极轴线对齐转子槽轴线为零度)调节开通角θon，主电机在充分励磁的情况下，将原动机的机械能转换成电能，直接供给从电机励磁，使得从电机在与主电机同步运行的同时，其带载能力得到较大提高。关断角θoff根据电机相电感优选电感下降区位置，开通角θon在最大电感附近由调节器实时调节。根据从电机带载要求，调节开通角θon改变主电机励磁情况，得以调节发电性能以及从电机运行性能。
Claims (4)
1.一种基于同步驱动的双开关磁阻电机系统，其特征在于，包括：一功率变换器、一直流电源、一位置检测器、一控制器、主开关磁阻电机和从开关磁阻电机，两台开关磁阻电机相数相同；
所述的位置检测器用于检测获取主开关磁阻电机转子的位置状态信息；
所述的控制器用于根据所述的位置状态信息构造产生一组驱动信号，以控制所述的功率变换器；
所述的功率变换器用于根据所述的驱动信号控制两台开关磁阻电机各定子绕组的通断电；
所述的功率变换器由n个功率变换单元组成，n为开关磁阻电机的相数；其中，所述的功率变换单元的第一连接端与主开关磁阻电机对应定子绕组的一端相连，第二连接端与从开关磁阻电机对应定子绕组的一端相连，第三连接端与直流电源的负极相连；直流电源的正极与主开关磁阻电机各定子绕组的另一端以及从开关磁阻电机各定子绕组的另一端相连；
所述的功率变换单元由一续流二极管和一开关管组成；其中，开关管的输入端与续流二极管的阳极相连且为功率变换单元的第一连接端，续流二极管的阴极为功率变换单元的第二连接端，开关管的输出端为功率变换单元的第三连接端，开关管的控制端接收控制器提供的驱动信号。
2.根据权利要求1所述的基于同步驱动的双开关磁阻电机系统，其特征在于：所述的直流电源采用蓄电池。
3.根据权利要求1所述的基于同步驱动的双开关磁阻电机系统，其特征在于：所述的直流电源并联有电容。
4.根据权利要求1所述的基于同步驱动的双开关磁阻电机系统，其特征在于：所述的位置检测器采用增量式编码器，其固定在主开关磁阻电机的机座上，其轴通过联轴器与主开关磁阻电机的主轴相连。
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