开关磁阻电机用模块化双极性功率变换器及其控制策略的制作方法

1.本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种开关磁阻电机用模块化双极性功率变换器及其控制策略。


背景技术：

2.相比于交流感应电机和永磁同步电机来说，开关磁阻电机(switched reluctance motor，srm)具有结构简单、无需稀土永磁材料、制造成本低、调速范围宽、效率高和容错能力强等优势，成为了新能源汽车高性能驱动电机的重要选择之一。但是由于双凸极特性和脉动供电方式，srm也存在着功率密度低和转矩脉动大的缺点，同时高频的不对称开关信号产生不平衡的热应力分布，直接降低了srm系统功率变换器的可靠性，严重制约着srm在新能源汽车领域的进一步应用和发展。为了降低srm的转矩脉动，提高可靠性，国内外学者和工业界专家从电机本体结构、功率变换器拓扑和控制策略入手，进行深入探索，取得了众多创新型成果。主要包括：(1)优化电机电磁参数和所用材料。(2)提出新型srm拓扑结构，主要包括多相结构、轴向磁通结构、模块化结构、混合励磁结构和双定子结构等。(3)研究新型少功率器件拓扑。常规的观点认为减少元器件的数目能够降低功率变换器总的故障率，增强集成度，进而提高可靠性和功率密度。但是只减少元器件数目可能带来容错能力的下降和热应力的增强，无法保证可靠性的增强效果。(4)提出新型控制策略。上述策略均取得了良好的应用效果，但是无法同时实现转矩脉动抑制和可靠性的提高，因此本文硬件电路拓扑和控制策略入手实现srm系统的可靠性运行。


技术实现要素：

3.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。
4.为此，本发明的一个目的在于提出一种开关磁阻电机用高可靠性驱动系统，克服转矩脉动和热应力分布不均衡带来可靠性降低的问题，提高驱动系统的可靠运行性能。
5.为达上述目的，本发明一方面提出一种开关磁阻电机用模块化双极性功率变换器及其控制策略，包括硬件电路拓扑和控制策略两个方面，硬件电路拓扑为双极性模块化拓扑，包含两个三相全桥功率变换器，分别为三相全桥1和三相全桥2，三相全桥1的第一桥臂中点接a相绕组的输入端，三桥全桥1的第二个桥臂中点接a相绕组的输出端和c相绕组的输入端，三相全桥1的第三个桥臂中点接c相绕组的输出端，三相全桥2的第一桥臂中点接b相绕组的输入端，三桥全桥2的第二个桥臂中点接b相绕组的输出端和d相绕组的输入端，三相全桥2的第三个桥臂中点接d相绕组的输出端。所提模块化双极性功率变换器具有正向和反向两种工作状态，其中正向为相电流从绕组的输入端流到输出端，反向是相电流从绕组的输出端流到输入端。正向工作状态包含正向励磁、正向上零电压续流、正向下零电压续流和正向负电压续流四种工作模式，反向工作状态包含反向励磁、反向上零电压续流、反向下零电压续流和反向负电压续流四种工作模式。正常运行时通过结点温度和可靠度选择正向工作状态中正向上零电压续流和正向下零电压续流的一种，选择负向工作状态中负向上零电
压续流和负向下零电压续流的一种。
6.控制策略实施原理说明：在srm控制中，传统的单极性励磁会使多偶数相开关磁阻电机出现磁路不平衡和热应力分布不平衡的现象，严重影响驱动系统的可靠性。例如四相srm系统，在单极性励磁时有两种磁极分布情况nnnnssss或者nsnssnsn，但是上述两种情况均有磁路不平衡情况。得益于模块化双极性功率变换器，提出一种采用正向工作状态和反向工作状态相结合的双周期控制策略，通常情况下在第一周期采用正向工作状态，在第二周期采用反向工作状态。其中，一个周期为一个转子周期。采用提出的控制策略后磁路分布情况会变为nsnsnsns的情况，从而能够保证整个周期的短磁路运行。
7.同时所提功率变换器具有良好的容错能力，若任意可控开关管发生开路故障，能够通过屏蔽正向工作状态或者双向工作状态的一种，由双极性运行转为单极性运行，保证系统的有效输出。
8.针对正常和故障运行下的热应力分布不均衡状态，本专利以器件的电压和电流为输入，采用三维热路模型进行结点温度的实时预计，同时采用计算量小的一阶markov模型计算可靠度，进行工作状态和工作模式的条件。在正常运行情况下，优先调节工作模式，次调节工作状态。而在故障运行情况下，只能进行工作模式中上零电压续流和下零电压续流工作模式的调整，从而结点温度的平衡和可靠性的提高。
附图说明
9.图1是本发明实施例1的模块化双极性功率变换器拓扑结构图。
10.图2是本发明实施例1的正向励磁工作状态示意图。
11.图3是本发明实施例1的低压励磁模式电流路径示意图。
12.图4是本发明实施例1的正常运行控制示意图。
13.图5是本发明实施例1的正常运行磁路分布示意图。
14.图6是本发明实施例1的波形示意图。
具体实施方式
15.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。
16.下面结合附图描述本发明实施例的一种开关磁阻电机用高可靠性驱动系统。
17.图1为根据本发明实施例的四相模块化双极性功率变换器拓扑结构图。如图1所示，本发明实施例的四相开关磁阻模块化双极性功率变换器拓扑包括：包含两个三相全桥功率变换器，分别为三相全桥1和三相全桥2，三相全桥1的第一桥臂中点接a相绕组的输入端，三桥全桥1的第二个桥臂中点接a相绕组的输出端和c相绕组的输入端，三相全桥1的第三个桥臂中点接c相绕组的输出端，三相全桥2的第一桥臂中点接b相绕组的输入端，三桥全桥2的第二个桥臂中点接b相绕组的输出端和d相绕组的输入端，三相全桥2的第三个桥臂中点接d相绕组的输出端。所提模块化双极性功率变换器具有正向和反向两种工作状态，其中正向为相电流从绕组的输入端流到输出端，反向是相电流从绕组的输出端流到输入端。正向工作状态包含正向励磁、正向上零电压续流、正向下零电压续流和正向负电压续流四种
工作模式，如图2所示。反向工作状态包含反向励磁、反向上零电压续流、反向下零电压续流和反向负电压续流四种工作模式，如图3所示。正常运行时通过结点温度和可靠度选择正向工作状态中正向上零电压续流和正向下零电压续流的一种，选择负向工作状态中负向上零电压续流和负向下零电压续流的一种。
18.在srm控制中，传统的单极性励磁会使多偶数相开关磁阻电机出现磁路不平衡和热应力分布不平衡的现象，严重影响驱动系统的可靠性。例如四相srm系统，在单极性励磁时有两种磁极分布情况nnnnssss或者nsnssnsn，但是上述两种情况均有磁路不平衡情况。得益于模块化双极性功率变换器，提出一种采用正向工作状态和反向工作状态相结合的双周期控制策略，通常情况下在第一周期采用正向工作状态，在第二周期采用反向工作状态，如图4所示。其中，一个周期为一个转子周期。采用提出的控制策略后磁路分布情况会变为nsnsnsns的情况，从而能够保证整个周期的短磁路运行，如图5所示。
19.同时所提功率变换器具有良好的容错能力，若任意可控开关管发生开路故障，能够通过屏蔽正向工作状态或者双向工作状态的一种，由双极性运行转为单极性运行，保证系统的有效输出。
20.针对正常和故障运行下的热应力分布不均衡状态，本专利以器件的电压和电流为输入，采用三维热路模型进行结点温度的实时预计，同时采用计算量小的一阶markov模型计算可靠度，进行工作状态和工作模式的条件。在正常运行情况下，优先调节工作模式，次调节工作状态。而在故障运行情况下，只能进行工作模式中上零电压续流和下零电压续流工作模式的调整，从而结点温度的平衡和可靠性的提高。在上述控制策略下，srm系统的运行波形如图6所示。
21.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。