本發(fā)明屬于交流電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制領(lǐng)域，更具體地，涉及一種模塊化三相多端電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制方法。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代電機(jī)與電力電子與控制技術(shù)的發(fā)展，基于電力電子逆變器驅(qū)動(dòng)的交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，已廣泛應(yīng)用于伺服和交通牽引領(lǐng)域。在大功率交流電機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合，由于開(kāi)關(guān)管功率等級(jí)有限，單個(gè)三相逆變器難以滿足驅(qū)動(dòng)要求，在這種情況下，多逆變器并聯(lián)結(jié)構(gòu)往往被采用，而這種結(jié)構(gòu)通常又會(huì)引入橋臂間環(huán)流等新問(wèn)題。此外，用于驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)的電力電子逆變器工作在脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)模式下，PWM帶來(lái)的開(kāi)關(guān)電流紋波會(huì)對(duì)應(yīng)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)頻率的電磁轉(zhuǎn)矩紋波，從而給電機(jī)帶來(lái)與PWM相關(guān)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和振動(dòng)噪聲。交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中存在的這兩個(gè)問(wèn)題都阻礙了其在高性能場(chǎng)合中的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種新的模塊化三相多端電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制方法，旨在實(shí)現(xiàn)大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)要求的同時(shí)解決現(xiàn)有技術(shù)中會(huì)產(chǎn)生與PWM相關(guān)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和振動(dòng)噪聲的問(wèn)題。

本發(fā)明提供了一種模塊化三相多端電機(jī)，包括：三相多端電機(jī)本體，用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)；三相多端電機(jī)本體包括：n個(gè)模塊化定子和一個(gè)轉(zhuǎn)子；定子的極對(duì)數(shù)和所述轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)一致；每個(gè)模塊化定子各包括一套完整的三相繞組，繞組通電流時(shí)能夠在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩，各定子模塊產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩在轉(zhuǎn)子上疊加得到總電磁轉(zhuǎn)矩；驅(qū)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)包括：驅(qū)動(dòng)電路、載波移相脈寬調(diào)制電路和控制器；所述三相多端電機(jī)本體中多個(gè)繞組中的交流電流分別產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)共同與轉(zhuǎn)子永磁體作用產(chǎn)生需要的電磁轉(zhuǎn)矩；所述驅(qū)動(dòng)電路輸入端接直流母線電源，輸出端接電機(jī)的各個(gè)繞組，每個(gè)驅(qū)動(dòng)電路由載波移相脈寬調(diào)制電路和控制器給出開(kāi)關(guān)動(dòng)作控制信號(hào)；所述載波移相脈寬調(diào)制電路用于產(chǎn)生需要的多個(gè)移相載波信號(hào)；所述控制器包括：速度控制器和電流控制器，分別用于電機(jī)轉(zhuǎn)速和電流的控制調(diào)節(jié)。

更進(jìn)一步地，所述轉(zhuǎn)子為永磁式轉(zhuǎn)子或繞線式轉(zhuǎn)子。

更進(jìn)一步地，定子繞組為分?jǐn)?shù)槽集中繞組或整數(shù)槽分布繞組。

更進(jìn)一步地，n個(gè)三相定子模塊對(duì)應(yīng)相的反電勢(shì)的波形一致，每個(gè)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)應(yīng)的載波信號(hào)都是載波周期為T(mén)s的對(duì)稱(chēng)三角波序列；各載波信號(hào)波形相同，相位不同，即根據(jù)要消除的轉(zhuǎn)矩m次開(kāi)關(guān)紋波，按照模塊1～n的順序，PWM載波依次移相Ts/n/m時(shí)間。

更進(jìn)一步地，載波移相脈寬調(diào)制電路包括：三角波發(fā)生器和移相控制器，三角波發(fā)生器用于產(chǎn)生調(diào)制需要的載波；所述移相控制器用于對(duì)三角波的初始相位做相應(yīng)的調(diào)整。

本發(fā)明還提供了一種基于上述的模塊化三相多端電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制方法，包括下述步驟：

將參考速度與電機(jī)實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速相減后通過(guò)速度控制器處理后產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩參考電流；

將轉(zhuǎn)矩參考電流均分為n等份后分別作為n個(gè)電流控制器的電流指令值，并將實(shí)測(cè)的三相電流反饋至電流控制器；

n個(gè)電流控制器輸出n套三相繞組的電壓占空比，并將電壓占空比與每套三相繞組對(duì)應(yīng)的移相后的載波進(jìn)行比較后獲得與每套三相繞組對(duì)應(yīng)的PWM開(kāi)關(guān)信號(hào)；

通過(guò)將PWM開(kāi)關(guān)信號(hào)給三相逆變器并控制模塊化三相多端電機(jī)按要求旋轉(zhuǎn)。

更進(jìn)一步地，根據(jù)要消除的轉(zhuǎn)矩m次開(kāi)關(guān)紋波，每?jī)蓚€(gè)相鄰的電流控制器的載波信號(hào)移相1/n/m個(gè)載波周期。

通過(guò)將三相多端電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為多三相模塊結(jié)構(gòu)，使其具備更好的容錯(cuò)性能。同時(shí)，通過(guò)將多逆變器共同驅(qū)動(dòng)模式與PWM載波移相控制方法結(jié)合，可顯著降低電機(jī)系統(tǒng)總電磁轉(zhuǎn)矩中由PWM引入的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，把電機(jī)做成多端模塊化并用多個(gè)逆變器同時(shí)驅(qū)動(dòng)，由于各個(gè)逆變器可以單獨(dú)控制電流紋波，因而能夠在實(shí)現(xiàn)大功率驅(qū)動(dòng)的同時(shí)降低轉(zhuǎn)矩紋波和振動(dòng)噪聲。

附圖說(shuō)明

圖1是按照本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的模塊化三相多端電機(jī)本體的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是按照本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的模塊化三相多端電機(jī)本體的典型設(shè)計(jì)結(jié)果；

圖3是模塊化三相多端電機(jī)的磁力線分布及繞組接線方式示意圖；

圖4是按照本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的單模塊電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)圖；

圖5是按照本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的電機(jī)系統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)電路框圖；

圖6是按照本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的模塊化三相多端電機(jī)控制框圖；

圖7是按照本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的載波移相PWM方法；

圖8是各個(gè)驅(qū)動(dòng)電路采用統(tǒng)一載波情況下，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的合成圖；

圖9是按照本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的載波移相PWM方法下，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)空間矢量合成圖；

圖10是本發(fā)明提供的模塊化三相多端電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制方法實(shí)現(xiàn)流程示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明提供了一種模塊化三相多端電機(jī)系統(tǒng)，包括：三相多端電機(jī)本體，用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)，其中驅(qū)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)包括：驅(qū)動(dòng)電路、載波移相脈寬調(diào)制電路和控制器；其中，三相多端電機(jī)本體包括定子側(cè)被分成多個(gè)相同的繞組和一個(gè)永磁轉(zhuǎn)子，多個(gè)繞組中的交流電流分別產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)共同與轉(zhuǎn)子永磁體作用產(chǎn)生需要的電磁轉(zhuǎn)矩；驅(qū)動(dòng)電路輸入端接直流母線電源，輸出端接電機(jī)的各個(gè)繞組，每個(gè)驅(qū)動(dòng)電路由載波移相脈寬調(diào)制電路和控制器給出開(kāi)關(guān)動(dòng)作控制信號(hào)；載波移相脈寬調(diào)制電路包括：三角波發(fā)生器和移相控制器，用于產(chǎn)生需要的多個(gè)移相載波信號(hào)；控制器包括：速度控制器和電流控制器，控制器采用PI調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，分別用于電機(jī)轉(zhuǎn)速和電流的控制調(diào)節(jié)；

本發(fā)明將交流電機(jī)設(shè)計(jì)為多三相模塊結(jié)構(gòu)，使其具備更好的模塊化結(jié)構(gòu)和容錯(cuò)性能。在此基礎(chǔ)上，采用多逆變器獨(dú)立驅(qū)動(dòng)模式，在控制方法上將各支路逆變器的PWM載波順次移相，從而使各逆變器相同相的開(kāi)關(guān)電流紋波在相位上依次移相，最終使得轉(zhuǎn)子上的合成電磁轉(zhuǎn)矩開(kāi)關(guān)紋波在空間上合成時(shí)，有彼此對(duì)消的效果，大大降低由PWM調(diào)制引入的電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和振動(dòng)噪聲。

本發(fā)明中，電機(jī)由多個(gè)彼此獨(dú)立的三相模塊組合而成；電機(jī)各三相模塊之間電磁耦合弱，并且各三相模塊由獨(dú)立的逆變器驅(qū)動(dòng)控制，在故障條件下可以切除故障模塊，其余模塊繼續(xù)工作，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的容錯(cuò)性能。各個(gè)三相模塊的逆變器載波順次移相，使合成的電磁轉(zhuǎn)矩的PWM紋波彼此對(duì)消，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)得到明顯降低。

為了更進(jìn)一步的說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例提供的模塊化三相多端電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制方法，現(xiàn)結(jié)合附圖及具體實(shí)例詳述如下：

如圖1所示，模塊化三相多端電機(jī)包括：n個(gè)模塊化定子1(n為任意自然數(shù))和一個(gè)轉(zhuǎn)子2。轉(zhuǎn)子2可以是永磁轉(zhuǎn)子，也可以是其他形式的交流電機(jī)轉(zhuǎn)子。定子極對(duì)數(shù)和轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)一致。每個(gè)模塊化定子各包括一套完整的三相繞組，繞組通電流時(shí)能夠在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩，各定子模塊產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩在轉(zhuǎn)子上疊加得到總電磁轉(zhuǎn)矩。n個(gè)三相定子模塊對(duì)應(yīng)相的反電勢(shì)波形是一致的。n個(gè)三相定子模塊彼此間的電磁耦合非常小。

如圖2所示，以n＝4為例，設(shè)計(jì)了一個(gè)模塊化三相多端電機(jī)拓?fù)涞木唧w實(shí)施例。該實(shí)施例由具有12槽的定子1和具有4對(duì)極永磁體的轉(zhuǎn)子2構(gòu)成。圍繞定子1的12個(gè)齒，嵌放有12個(gè)彼此獨(dú)立的非重疊線圈。這些獨(dú)立線圈構(gòu)成4套三相對(duì)稱(chēng)繞組，每套繞組的對(duì)應(yīng)相之間無(wú)電磁耦合，因而可將定子1視作4個(gè)獨(dú)立的模塊化定子。該電機(jī)拓?fù)涞?套三相繞組分別由4套三相逆變器驅(qū)動(dòng)。

如圖3所示，為圖2給出的三相多端電機(jī)拓?fù)鋵?shí)施例的一種具體的繞組分相方式，以及在特定轉(zhuǎn)子位置下的磁場(chǎng)分布示意圖，其中A1，B1，C1為第一套繞組的三相線圈，A2，B2，C2為第二套繞組的三相線圈，以此類(lèi)推。從磁場(chǎng)分布可以清晰地看出，四套繞組對(duì)應(yīng)相的線圈所交鏈的磁場(chǎng)完全相同，使得各對(duì)應(yīng)相的反電勢(shì)波形也完全一致，因而四套繞組可采用四套三相逆變器共同的驅(qū)動(dòng)控制方式。

如圖4所示，n相電機(jī)，第k模塊，1≤k≤n；每個(gè)模塊化定子由一個(gè)三相半橋逆變器驅(qū)動(dòng)。每個(gè)逆變器包括三個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由兩個(gè)電力電子雙向開(kāi)關(guān)器件串聯(lián)組成，橋臂中點(diǎn)連接接到對(duì)應(yīng)模塊對(duì)應(yīng)相的端子。每個(gè)驅(qū)動(dòng)電路可在對(duì)應(yīng)定子模塊中產(chǎn)生三相正弦電流與轉(zhuǎn)子作用從而并產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩。

如圖5所示，模塊化三相多端電機(jī)的整體驅(qū)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)包括：n個(gè)驅(qū)動(dòng)電路、控制器和相應(yīng)的載波移相脈寬調(diào)制電路。n個(gè)驅(qū)動(dòng)電路的直流側(cè)可以是獨(dú)立的直流電源，也可以是共用的直流電源。n個(gè)驅(qū)動(dòng)電路的交流輸出側(cè)與模塊化三相多端電機(jī)的n套三相定子繞組連接，產(chǎn)生n組三相電流。由于各定子模塊的反電動(dòng)勢(shì)一致，穩(wěn)態(tài)下各個(gè)模塊的三相電流也對(duì)應(yīng)一致?？刂破鞑杉姍C(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位子信息，以及各繞組的電流，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制后將脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)發(fā)送給各個(gè)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)控制功能。

如圖6所示，模塊化三相多端電機(jī)的控制器包括：速度控制器和電流控制器，其中控制信號(hào)組成兩個(gè)閉環(huán)，即由速度控制器、電流控制器、驅(qū)動(dòng)電路以及電機(jī)速度反饋信號(hào)組成的外環(huán)速度閉環(huán)和由電流控制器、驅(qū)動(dòng)電路以及電機(jī)電流反饋信號(hào)組成的內(nèi)環(huán)電流閉環(huán)。在外環(huán)中，參考速度與電機(jī)實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速相減后通過(guò)速度控制器產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩參考電流。參考電流均分為n等份后，分別作為n個(gè)電流控制器的電流指令值。n個(gè)電流控制器輸出的PWM信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)n個(gè)驅(qū)動(dòng)電路。其中，每組PWM由電流控制器輸出的占空比與對(duì)應(yīng)的載波比較實(shí)現(xiàn)。

圖7是模塊化三相多端電機(jī)n個(gè)定子模塊的載波控制分布示意圖。每個(gè)載波都是開(kāi)關(guān)周期為T(mén)s的對(duì)稱(chēng)三角波序列。按照順序定義的1～n套繞組，根據(jù)要消除的轉(zhuǎn)矩m次開(kāi)關(guān)紋波，PWM載波依次移相Ts/n/m，即n套驅(qū)動(dòng)電路的載波是等距移相的。由于各套繞組對(duì)應(yīng)電流控制器的參考電流時(shí)刻保持一致，使得各電流控制器輸出占空比也保持一致，只是各驅(qū)動(dòng)電路的載波發(fā)生移相。因此，每套繞組輸出的基波電流一致，只有開(kāi)關(guān)次諧波依次移相。對(duì)應(yīng)電機(jī)上各套繞組產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，其平均轉(zhuǎn)矩都相同，而由于PWM產(chǎn)生的m次轉(zhuǎn)矩紋波實(shí)現(xiàn)了移相，從而最終疊加使總的電磁轉(zhuǎn)矩紋波大大下降。

圖8是模塊化三相多端電機(jī)各模塊對(duì)應(yīng)的載波沒(méi)有移相時(shí)，各模塊開(kāi)關(guān)頻率的電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的合成示意圖。由于各模塊采用同一載波，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)Tq1～Tqn在時(shí)間相位上一致。因此各模塊轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)通過(guò)代數(shù)相加得到總轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，即總轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等于各個(gè)模塊轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的n倍。

圖9是模塊化三相多端電機(jī)載波在本發(fā)明提出的移相方式下(圖7)得到的PWM開(kāi)關(guān)頻率的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)合成示意圖。由于各個(gè)模塊的載波依次移相了Ts/n/m時(shí)間，在開(kāi)關(guān)頻率下等效于移相了2π/n/m，因此Tq1～Tqn依次移相2π/n/m，在空間上進(jìn)行矢量合成后的m次轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)理論上等于零。因此轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)得到明顯的抑制。

圖10為整個(gè)程序工作流程圖，速度指令與反饋回來(lái)的速度信號(hào)做差后輸入速度控制器，經(jīng)過(guò)計(jì)算后給出轉(zhuǎn)矩電流參考值。轉(zhuǎn)矩電流的參考值經(jīng)過(guò)n等分后作為每個(gè)電流控制器的指令值，與電流反饋值做差輸入電流控制器，經(jīng)過(guò)計(jì)算后每個(gè)電流控制器分別給出每套繞組三相電壓的占空比，這些占空比與對(duì)應(yīng)的移相后的載波比較后得到逆變器的開(kāi)關(guān)信號(hào)輸出給驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的電壓作用于電機(jī)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的控制。

本發(fā)明中的模塊化三相多端電機(jī)結(jié)構(gòu)及其載波移相控制方法適用于中大功率、高容錯(cuò)要求，以及對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和振動(dòng)噪聲要求嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)合。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。