一种多相永磁纯方波电机控制系统的制作方法

本发明涉及一种永磁电机控制系统，特别是涉及一种多相永磁纯方波电机控制系统。

背景技术：

三相永磁方波电机的理想工作条件是：相反电势平顶宽度不小于120⁰e(电角度)，相电流是60⁰e方波。绕组相带是60⁰e，由于永磁体极弧宽度不可能达到180⁰e,再加上枢间漏磁，——磁密的平顶部分，在空间的宽度充其量是157⁰e，对于每极每项槽数q=1的定子来说，为了克服齿槽转矩，定子铁芯或转子磁极需沿轴向扭斜一个磁矩，对于数十千瓦以上的电机，每极每项槽数q=2，虽然仍只需沿轴向扭斜一个磁矩，但由于绕组的分布效应，与q=1，扭斜1个磁矩的效果相同，即相反电势平顶部分宽度仅有上述的157⁰e-60⁰e=97⁰e。充其量108⁰e见图3；由于相反电势平顶宽度（97⁰e）距理想的120⁰相差甚大，因而电机在工作当中将产生较大的转矩脉动，并产生噪声；因为电磁转矩（te）与两相相电流（iφ），相反电势eφ和电机角速度(ω)有如下关系：

；

因此在同一角速度，同样相电流情况下，由于eφ只有97⁰e范围内是理论值，其余23⁰e的反电势小于eφ，这样就会形成iφ不变，绕组铜耗不变，而转矩（功率）降低，电机的效率也降低。

在控制方法上，目前无刷直流电动机所采用的控制策略，多是通过改变加在电机两相间的输入电压来改变电机转速的，而改变等效输入电压则是要改变占空比。使相电流平均值跟踪指令电流，达到改变或维持电磁转矩的目的。但由于大功率的方波电机，其定子绕组的电感一般都比较小，导致电机运行时电流的变化率较大，这就对相电流的控制带来了一定的难度，从而对控制器的要求比较高。同时，电机定子中电感和换相得存在，使得电流不能达到理想的矩形波。见图4；三相方波电机是工作在两相通电60°电角度换向一次的的状态，每次换相都会产生换相转矩脉动，这种脉动也会产生噪声。三相方波电机每经过360°电角度会产生六次转矩脉动。同样功率的电机，改成六相后，脉动次数增加到12次，但脉冲的幅值却减了一半，这对系统运行的平稳性和噪声减小却大有好处。方波电机工作在六相状态时电机的转矩大，输出功率随转速的升高而升高，到达额定转速时在随转速的升高电机逐渐工作在三相状态，此时电机转速较高。为了适应这种方波电机的工作状态，本发明提出如下多相永磁纯方波电机与控制系统的发明。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种多相永磁纯方波电机控制系统，该发明能使电机相反电势平顶宽度超过120°以上；相电流波形达到理论纯方波；同时让多相纯方波电机工作在多相运行状态也能使其工作在三相运行状态；在多相运行状态，能使电机输出较大转矩，工作在三相运行状态可高速运行，解决方波电机既要低速大扭矩，又能高速运行运行兼顾的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种多相永磁纯方波电机与控制系统，所述系统包括六相永磁纯方波电机及控制器和驱动装置；电机包括电机轴，转子组件、定子组件、后端盖、前端盖、位置传感器、壳体；其特征在于，所述永磁方波电机定子绕组采用六相绕组，两组三相绕组u、v、w与r、s、t各自独立，其对应绕组在空间相差30⁰e；六相永磁纯方波电机的绕组星形连接，转子磁钢表贴式粘接；磁钢外表面贴一层紫铜箔，紫铜箔外部再紧绕一层不锈钢钢丝，固定；其驱动装置包括变流模块、六相切换模块；控制器通过检测电机转子位置及电机绕组电流，以此为变流模块提供pwm信号，以及根据检测电机转子的速度，进而生成开关控制信号以驱动三、六相切换模块；变流模块包括一直流电源和两逆变器，逆变器由两个逆变器并接构成，每个逆变器均采用三相全桥式逆变电路，其中每一个桥臂上有两个功率开关管串联组成并且每个功率开关管都反并联一个二极管；每个逆变器的直流侧均与直流电源连接，交流侧均与各自对应的三相定子绕组相连接；其三、六相切换模块包括两个并接的逆变器，以及连接在两并接逆变器之间的直流接触器；每一个逆变器均对应一套相应的电机定子绕组。

所述的一种多相永磁纯方波电机控制系统，所述控制器根据以下控制策略生成开关信号驱动三、六相切换模块，电机以六相绕组工作，电机转子转速经加速达到额定转速，直流接触器接收到控制器发出的开关信号保持断开状态，电机由六相运行切换到三相运行状态。

所述的一种多相永磁纯方波电机控制系统，所述电机以三相绕组工作，电机转子转速经减速达到额定转速，直流接触器接收到控制器发出信号后闭合，电机由三相运行状态切换到六相运行状态。

所述的一种多相永磁纯方波电机控制系统，所述控制器通过检测外部信号后控制器进行内部处理而生成控制信号，由于六相方波电机控制系统包括直流母线、逆变器、控制器、位置传感器；其中，控制器采用一种针对六相方波电机的控制策略，即给定电流跟踪控制；根据外部电路检测到的电流给定信号与检测到电机绕组反馈电流信号作比较产生开关信号，并与控制器经检测位置传感器信号产生的pwm信号共同做用到逆变器上，最终生成方波电流作用到电机每相绕组。

所述的一种多相永磁纯方波电机控制系统，所述控制器为六相，或3*n相，n=1.2.3.4。

本发明的优点与效果是：

1、该发明能使电机相反电势平顶宽度超过120°以上；在相同条件下能提高电机输出转矩，提高电机输出功率密度。

2、该发明相电流波形达到理论纯方波；这样可以使电机输出的电磁转矩更加平稳，降低转矩脉动和噪声，提高电机的工作效率；电压利用率高，相对于传统波形控制策略更加省电。

3.本发明在方波电机控制系统基础上，增加一组逆变器及一个直流接触器，控制系统能让六相方波电机工作在六相运行状态也能使其工作在三相运行状态；在六相运行状态后，能使电机输出较大转矩，由六相运行状态切换到三相运行状态后能够使电机运行到较大转速，因此本发明解决了目前方波电机不能兼顾既要低速大扭矩，又要高速运行的问题。

4、本发明在电机转子磁钢外表面贴一层紫铜箔，紫铜箔外部再紧绕一层不锈钢钢丝固定。很好的解决了电机在运转时磁钢散热问题。避免磁钢由于过热退磁。

附图说明

图1本发明六相永磁纯方波电机结构图；

图2本发明控制系统的拓扑结构示意图；

图3常规永磁方波电机相反电势平顶宽度波形图（对比技术）；

图4常规永磁方波电机相电流波形图（对比技术）；

图5本发明六相永磁纯方波电机绕组空间分布图；

图6本发明给定点电流跟踪控制法相电流波形图；

图7本发明六相永磁纯方波电机转子结构图；

图8本发明所采用的给定电流跟踪控制法中t1和t6导通时电机定子中电流流通路径示意图

图9本发明所采用的给定电流跟踪控制法中t1导通、t6关断时电机定子中电流流通路径示意图；

图10本发明中电机以六相运行状态工作时的结构示意图；

图11为方波电机在本发明中以六相运行状态工作时绕组中相电流波形示意图；

图12为方波电机在本发明中由六相运行状态切换到三相运行状态后组中相电流波形示意图；

图13本发明中电机以三相运行状态工作时的结构示意图；

图14六相永磁纯方波电机相反电势平顶宽度波形图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明。

本发明为多相永磁纯方波电机控制系统。六相永磁纯方波电机定子绕组采用六相绕组，两组三相绕组u、v、w与r、s、t各自独立，其对应绕组在空间相差30⁰e，绕组空间分布见图5。将相带宽减到30⁰e，eφ的平顶宽度就从97⁰e加大到127⁰e。最大能大于130⁰e，满足了无刷直流电机相反电势大于120⁰e的理想条件，见图14。电机转子在磁钢4，外表面贴一层紫铜箔3，紫铜箔3外部再紧绕一层不锈钢钢丝固定，解决了电机在运转时磁钢散热问题。

本实施方式中，控制器采用一种针对六相纯方波电机的控制方法：给定电流跟踪控制法。该控制方法中通过控制器产生一个给定值，并与反馈电流—检测到的电机相电流做比较，若反馈电流小于给定时，产生的pwm作用到igbt上使其持续导通；若反馈电流大于给定时，产生的pwm作用到igbt上使其关断；以此连续进行下去，能够使电机定子绕组中的相电流跟踪电流给定。达到方波电流控制见图6。方波电机控制系统包括控制器和驱动装置。该控制系统特征的驱动装置包括变流模块，用于为方波电机绕组提供交流电能；六相切换模块，用于选择六相电机绕组的运行状态；控制器通过检测电机转子位置及电机绕组电流，以此为变流模块提供pwm信号，以及根据检测电机转子的速度，进而生成开关控制信号以驱动三、六相切换模块。变流模块包括一直流电源和两逆变器，逆变器是由两个逆变器并接构成，每个逆变器均采用三相全桥式逆变电路，其中每一个桥臂上有两个功率开关管串联组成并且每个功率开关管都反并联一个二极管;每个逆变器的直流侧均与直流电源连接，交流侧均与各自对应的三相定子绕组相连接。

所述三、六相切换模块包括两个并接的逆变器，以及连接在两组并接逆变器之间的一直流接触器；每一组逆变器均对应一套相应的电机定子绕组。控制器根据以下控制策略生成开关信号以驱动三、六相切换模块：当电机以六相绕组工作时，电机转子转速经加速达到设定的响应转速时，直流接触器接收到控制器发出的开关信号后保持断开状态，使电机由六相运行状态切换到三相运行状态；当电机以三相绕组工作时，电机转子转速经减速达到设定的响应转速时，直流接触器接收到控制器发出的开关信号后保持闭合状态，使电机由三相运行状态切换到六相运行状态。

实施例

六相永磁纯方波电机结构包括电机轴1，转子组件2定子组件10，后端盖6，前端盖8，位置传感器7，壳体9等。其特殊之处在于转子组件散热系统见图7。电机转子磁钢4，结构经过磁路设计，特将电机转子磁钢4为表贴式粘接。磁钢4，外表面贴一层紫铜箔3，紫铜箔3外部再紧绕一层不锈钢钢丝5，固定。解决了电机在运转时磁钢散热问题。

关于控制系统，结合附图2对工作原理进行详细说明。驱动装置包括变流模块、三、六相切换模块；其中：变流模块与电机六相定子绕组相连，其作用是为六相方波电机提供以方波形式输出的交流电能；本实施方式中，变流模块包括直流电源dc和逆变器，如图2所示本逆变器是由两个逆变器10、及20并接构成，每个逆变器均采用三相全桥式逆变电路，其中每一个桥臂上有两个功率开关管串联组成并且每个功率开关管都反并联一个二极管；每个逆变器的直流侧均与直流电源dc连接，交流侧：逆变器10与u、v、w三相定子绕组连接,逆变器20与r、s、t三相定子绕组连接；6个桥臂上的12个igbt均采用型号为ff600r12me4的模块化igbt，并且该管内部集成有反并联的二极管。三、六相切换模块包括两个并接的逆变器，以及连接在两组并接逆变器之间的直流接触器km，其中km一侧与逆变器10连接，另一侧与逆变器20连接；通过直流接触器km控制逆变器的接入，以此控制电机的工作运行方式。本实施方式中，非换相期间电机定子电流的流向分别如图8、图9所示，控制周期为恒定值。控制器采用给定电流跟踪控制法，该控制方法中通过控制器产生一个电流给定值，并与反馈电流即检测到的电机定子电流做比较，若电机定子电流小于给定电流时，同时导通开关管t1和开关管t6，电流的流向如图8所示，电流在母线电压ud的作用下不断上升。经过一段时间后，当电机定子电流大于给定电流时，关断开关管t6，电流的流向如图9所示。由图9可以看出，由于开关管t6已经处于关断状态，电流通过与开关管t3反向并联的二极管续流，此时电流不经过电源，所以电机定子中的电流开始衰减。由于定子绕组电感的作用，电流不能突然衰减到零，只是逐渐衰减。当电流衰减到某一时刻，且此时已经达到一个控制周期，此时再次开通开关管t6，此后的定子绕组电流工作过程同上文所述。就这样，当电流给定大于电机定子绕组中的电流时，同时开通上下桥臂的两个开关管，使电流上升。当电流给定小于电机定子绕组中的电流时，关断其中一个开关管，使电流下降，当时间达到一个控制周期时再次开通开关管。通过给定电流跟踪控制，以此连续进行下去，能够使电机定子绕组中的电流跟踪电流给定。达到方波电流控制。本实施方式中，控制器采用一种针对六相方波电机的控制方法：即给定电流跟踪控制法，更能快速响应本发明中三、六相切换模块，让三、六相切换模块快速，准确的动作。本实施方式中，控制器通过以下控制策略生成开关信号以驱动三、六相切换模块；本实施方式中，电机启动时通过控制器输出开关信号s作用到直流接触器km上使逆变器10和逆变器20同时工作，进而使电机工作在六相运行状态，即电机的六相定子绕组全部接入同时工作；在本实施方式中电机转子从零开始升速，并且控制器通过位置传感器检测转子位置，并根据该信号计算出电机转子速度，当转子速度达到设定的响应速度时，根据控制器中设定的程序，控制器向直流接触器km输出一开关信号s作用到直流接触器km，使km由闭合转为断开，并且一直保持断开状态直到下一次开关信号s到来。当直流接触器km断开后只有逆变器10接入工作，相应的电机绕组只有u、v、w三相接入运行，故电机由六相运行状态切换到三相运行状态。三相单独运行时的结构示意图如图13所示，为保证完全切换到三相运行状态此时控制器不在向逆变器20输出pwm波，通过软件、硬件同时保证切换状态的稳定。由于电机启动时电机工作在六相运行状态，六相切三相在加速的过程中完成，所以本实施方式中，电机从三相运行状态切换到六相运行状态在减速的过程中完成。当电机由六相运行状态切换到三相运行状态后，电机转子速度逐渐增加；若此后电机开始减速运行并且控制器通过位置传感器检测转子位置，并根据该信号计算出电机转子速度，当转子速度达到设定的响应速度时，根据控制器中设定的程序，控制器向直流接触器km输出一开关信号s作用到直流接触器km，使km由断开转为闭合，并且一直保持闭合状态直到下一次开关信号s到来。当直流接触器km闭合后逆变器10和逆变器20都接入工作，相应的电机绕组u、v、w三相与r、s、t三相都接入运行，故电机由三相运行状态切换到六相运行状态。六相绕组运行时的结构示意图如图10所示直流接触器km闭合，与六相切三相后pwm输出状态不同，当直流接触器km闭合后确定三相运行状态切换到六相运行状态后，控制器向逆变器10输出pwm波的同时也向逆变器20输出pwm波，使u、v、w三相定子绕组与r、s、t三相定子绕组都接入运行。根据本实施方式中提出的新型拓扑结构可知，新拓扑增加了一直流接触器和一逆变器，通过该新型拓扑可以实现电机定子绕组的三、六相切换，既能使电机工作在三相运行状态又能使电机工作在六相运行状态，为了快速响应本发明中三、六相切换模块，本实施方式中，控制器采用一种针对六相方波电机的控制方法，即给定电流跟踪控制法；通过本实施方式可以看到，当电机工作在六相运行状态时，u、v、w三相定子绕组与r、s、t三相定子绕组都接入运行，如图11所示，其中u、v、w三相定子绕组中方波电流为图11波型1，r、s、t三相定子绕组中方波电流为图11波型3；进而分析可知两套绕组通电后同时工作使电机输出转矩相比于传统三相电机输出转矩大很多，实现了六相运行时输出大转矩的发明要求；当电机工作在三相运行状态时，仅有u、v、w三相定子绕组接入运行，如图12所示，其中u、v、w三相定子绕组电流为图12波型1，r、s、t三相定子绕组中电流为图12波型3，故通过图12可以直接看出六相切三相后只有u、v、w三相定子绕组中有方波电流，而r、s、t三相定子绕组中电流为零，由于六相切三相前电机绕组产生的反电势较大，切换后绕组反电势减小而电机输出转矩不变，此时可以使电机加速运行能快速达到电机极速，实现了三相运行时转子速度响应较快，提高了电机转子的极速的发明要求。由图11和图12电流波形的对比，直接反应出切换后绕组运行状态，表明切换的过程不影响电机的基本运行，证明了本发明拓扑结构的可行性、正确性。并且本发明实施方式实现了使方波电机输出大转矩以及提高了电机转子运行转速。