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，涉及一種模塊化電機(jī)系統(tǒng)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。由于該系統(tǒng)的調(diào)速變頻功能由脈寬調(diào)制技術(shù)結(jié)合逆變器的高速開關(guān)特性實(shí)現(xiàn)，電機(jī)的繞組端存在以高頻脈沖序列為特征的共模電壓。共模電壓產(chǎn)生的共模電流沿電機(jī)繞組傳導(dǎo)，通過電機(jī)繞組與機(jī)殼或者軸承之間的雜散電容傳導(dǎo)到接地端，不但增加了系統(tǒng)的電磁干擾噪聲，而且會(huì)對(duì)電機(jī)絕緣和軸承等部件形成持續(xù)的損害，是電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的主要問題之一。

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模塊化電機(jī)系統(tǒng)及其驅(qū)動(dòng)控制方法，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)通過電機(jī)繞組與機(jī)殼或者軸承之間的雜散電容傳導(dǎo)到接地端，導(dǎo)致增加了系統(tǒng)的電磁干擾噪聲且會(huì)對(duì)電機(jī)絕緣和軸承等部件形成持續(xù)的損害的問題。

本發(fā)明提供了一種模塊化電機(jī)系統(tǒng)，包括：電機(jī)本體和用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的脈寬調(diào)制電路；所述電機(jī)本體包括：電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子嵌套于所述定子內(nèi)且與其同軸放置，所述定子中的繞組用于接入外部交流電源使其在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生合成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子表貼的磁鋼用于與定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用形成轉(zhuǎn)矩從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)；所述脈寬調(diào)制電路包括：連接于同一個(gè)直流母線電源的兩套三相逆變器，用于控制兩套三相逆變器的控制電路和采樣反饋電路；兩套三相逆變器用于產(chǎn)生交流電壓輸入至電機(jī)定子繞組中；所述控制電路用于產(chǎn)生逆變器的脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號(hào)和反饋信號(hào)；所述采樣反饋電路用于采集電機(jī)定子繞組電流和轉(zhuǎn)子位置信息并送入至所述控制電路中。

更進(jìn)一步地，電機(jī)中兩套三相繞組的對(duì)應(yīng)相之間具有相同的反電動(dòng)勢(shì)，且兩套繞組對(duì)應(yīng)相之間無耦合，兩套繞組產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩疊加在轉(zhuǎn)子上。

更進(jìn)一步地，在電機(jī)的繞組中，一臺(tái)電機(jī)所包含的單元電機(jī)的個(gè)數(shù)為定子槽數(shù)和極數(shù)的最大公約數(shù)。

更進(jìn)一步地，所有單元電機(jī)數(shù)為偶數(shù)的槽極配合。

更進(jìn)一步地，所述電機(jī)本體為三相同步電機(jī)或三相異步電機(jī)。

更進(jìn)一步地，所述電機(jī)轉(zhuǎn)子為繞線式或永磁式；所述定子繞組為分?jǐn)?shù)槽集中繞組或整數(shù)槽分布繞組。

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

通過參考電壓指令V_d，V_q計(jì)算參考合成電壓矢量V*的幅值和相角；

通過參考合成電壓相角θ確定所述參考合成電壓矢量V*所在的扇區(qū)；并根據(jù)V*的幅值和矢量分解原理計(jì)算出兩個(gè)并聯(lián)電壓矢量所需作用的時(shí)間t₁、t₂；

根據(jù)兩個(gè)并聯(lián)電壓矢量所需作用的時(shí)間獲得一個(gè)周期內(nèi)的并聯(lián)電壓零矢量作用時(shí)間t₀＝T_s-t₁-t₂；

根據(jù)所述作用時(shí)間將對(duì)應(yīng)的并聯(lián)電壓矢量的作用均勻分配給兩個(gè)并聯(lián)的逆變器以保證對(duì)應(yīng)相在一個(gè)開關(guān)周期輸出的占空比相同；并將一個(gè)開關(guān)周期分為7段，其時(shí)間排序?yàn)?t₀/4，t₁/2，t₂/2，t₀/2，t₁/2，t₂/2，t₀/4)，將后半周期的t₁/2和t₂/2兩個(gè)時(shí)間分段的順序互換，保證一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)每相開關(guān)狀態(tài)只變換兩次，減小開關(guān)次數(shù)；

根據(jù)每相的開關(guān)狀態(tài)和時(shí)間生成并聯(lián)逆變器所需的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)所需的參考電壓輸出。

更進(jìn)一步地，確定V*所在的扇區(qū)具體為：當(dāng)空間向量圖中合成向量角度-30°≤θ≤30°時(shí)，參考合成電壓矢量V*落在扇區(qū)1的區(qū)間內(nèi)，選擇扇區(qū)1對(duì)應(yīng)的相鄰的兩個(gè)并聯(lián)電壓矢量(210)和(201)作為合成V*的基本矢量。

更進(jìn)一步地，所述參考合成電壓矢量V*的幅值所述相角

更進(jìn)一步地，兩個(gè)并聯(lián)電壓矢量所需作用的時(shí)間t₁、t₂通過如下公式計(jì)算；其中θ為參考電壓矢量與扇區(qū)開始的并聯(lián)電壓矢量的夾角，V_c為并聯(lián)電壓矢量的幅值，t₁、t₂為扇區(qū)的兩個(gè)并聯(lián)電壓矢量的作用時(shí)間，T_s為開關(guān)周期。

通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于消除了逆變器輸出到負(fù)載的共模電壓，同時(shí)省去了應(yīng)用于并聯(lián)逆變器的耦合電感部件，能夠取得保護(hù)電機(jī)絕緣和軸承，簡(jiǎn)化逆變器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性有益效果。

附圖說明

圖1是按照本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的模塊化電機(jī)的結(jié)構(gòu)；

圖2是按照本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的模塊化電機(jī)的典型設(shè)計(jì)結(jié)果；

圖3是按照本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的模塊化電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路；

圖4是按照本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的模塊化電機(jī)控制框圖；

圖5是按照本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的逆變器零共?？臻g矢量PWM的并聯(lián)電壓矢量圖；

圖6是按照本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的模塊化電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器考慮了反電動(dòng)勢(shì)相等效果后的等效電路圖；

在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：1為定子模塊；2為永磁轉(zhuǎn)子。

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)明提供的模塊化電機(jī)系統(tǒng)包括：模塊化電機(jī)本體及用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的脈寬調(diào)制電路；其中模塊化電機(jī)本體包括電機(jī)定子及轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子嵌套于定子內(nèi)與其同軸放置，定子中的繞組用于接入外部交流電源使其在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生合成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子表貼的磁鋼用于與定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用形成轉(zhuǎn)矩從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)；脈寬調(diào)制電路包括連接于同一個(gè)直流母線電源的兩套三相逆變器，控制兩套三相逆變器的控制電路及采樣反饋電路，其中兩套三相逆變器用于產(chǎn)生交流電壓輸入到電機(jī)定子繞組中，控制電路用于產(chǎn)生逆變器的脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號(hào)和反饋信號(hào)的處理，采樣反饋電路用于采集電機(jī)定子繞組電流和轉(zhuǎn)子位置等信息送入到控制電路中。

本發(fā)明通過將電機(jī)設(shè)計(jì)為模塊化并聯(lián)結(jié)構(gòu)；其中電機(jī)兩套三相繞組的對(duì)應(yīng)相之間具有相同的反電動(dòng)勢(shì)，且兩套繞組對(duì)應(yīng)相之間的耦合可忽略不計(jì)，兩套繞組產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩疊加在轉(zhuǎn)子上。本發(fā)明的另一主要內(nèi)容，是在調(diào)制方法方面，即在傳統(tǒng)三相逆變器電壓空間矢量調(diào)制的基礎(chǔ)上，應(yīng)用并聯(lián)電壓矢量來合成參考電壓，并將并聯(lián)參考電壓在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)均分給兩個(gè)逆變器。通過這種特殊的調(diào)制方法，可以保證逆變器輸出的共模電壓保持為零，并利用電機(jī)的繞組電感抑制兩個(gè)逆變器對(duì)應(yīng)相之間的環(huán)流。

本發(fā)明提出了一種模塊化電機(jī)的結(jié)構(gòu)；電機(jī)按照模塊化設(shè)計(jì)成兩個(gè)三相結(jié)構(gòu)，分別由兩個(gè)并聯(lián)的逆變器驅(qū)動(dòng)，可將定子視作由兩模塊構(gòu)成，通過特定的槽極配合設(shè)計(jì)，保證兩定子模塊對(duì)應(yīng)相的反電動(dòng)勢(shì)一致。在電機(jī)的繞組中，一臺(tái)電機(jī)所包含的單元電機(jī)的個(gè)數(shù)，定義為定子槽數(shù)和極數(shù)的最大公約數(shù)。所有單元電機(jī)數(shù)為偶數(shù)的槽極配合，均為滿足本發(fā)明的電機(jī)定子槽極配合。電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)為兩對(duì)極的表貼式永磁結(jié)構(gòu)。每個(gè)模塊產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩作用在轉(zhuǎn)子上后，通過疊加產(chǎn)生總電磁轉(zhuǎn)矩。在控制方面，兩套逆變器采用統(tǒng)一的控制器，通過矢量控制的方法產(chǎn)生d-q坐標(biāo)下的旋轉(zhuǎn)參考電壓矢量。在每個(gè)逆變器基本電壓矢量(100，110，010，011，001，101)的基礎(chǔ)上，將相鄰兩個(gè)電壓矢量合成為并聯(lián)電壓矢量(210，120，021，012，102，201)，采用并聯(lián)電壓矢量合成參考電壓矢量，并按照合成結(jié)果在一個(gè)開關(guān)周期之內(nèi)均分給兩個(gè)逆變器，保證了任何時(shí)刻兩個(gè)逆變器總有三個(gè)橋臂接入正母線，另外三個(gè)橋臂接入負(fù)母線，使得共模電壓保持為零。同時(shí)，兩套繞組的電感可以用于抑制逆變器對(duì)應(yīng)相瞬時(shí)電壓不同帶來的環(huán)流。

本發(fā)明提供一種模塊化電機(jī)的設(shè)計(jì)方法，使電機(jī)由兩個(gè)三相模塊組合而成。電機(jī)各模塊之間耦合小，并且各三相模塊由獨(dú)立的逆變器驅(qū)動(dòng)控制。在兩個(gè)三相逆變器模塊的統(tǒng)一控制下，通過并聯(lián)電壓矢量合成的方法實(shí)現(xiàn)逆變器零共模電壓輸出，同時(shí)完成電機(jī)矢量控制的功能。利用電機(jī)繞組自身電感抑制環(huán)流，省去額外的耦合電感。

為了更進(jìn)一步的說明本發(fā)明提供的模塊化電機(jī)系統(tǒng)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，模塊化電機(jī)包括定子和轉(zhuǎn)子兩部分。定子在圓周上均分為兩部分，每部分包括三相模塊化定子鐵心及其繞組，即分為了A1-B1-C1和A2-B2-C2模塊。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)包括了多對(duì)極的永磁轉(zhuǎn)子，通過特定的槽極配合設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)方法為一臺(tái)電機(jī)所包含的單元電機(jī)的個(gè)數(shù)，定義為定子槽數(shù)和極數(shù)的最大公約數(shù)，例如此電機(jī)結(jié)構(gòu)中槽數(shù)為12，極數(shù)為8，則單元電機(jī)個(gè)數(shù)為4,其他滿足偶數(shù)個(gè)單元電機(jī)槽極配合的電機(jī)設(shè)計(jì)方案均適用于此模塊化電機(jī)設(shè)計(jì)的要求。同時(shí)由于空間布局上的隔離，兩套繞組之間的互感耦合非常小，可以視為獨(dú)立。使電機(jī)的單元電機(jī)數(shù)目為偶數(shù)，在A1-B1-C1和A2-B2-C2繞組中有相同的反電動(dòng)勢(shì)。

如圖2所示，設(shè)計(jì)了一套模塊化電機(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)立線圈按圖所示連接成兩套三相對(duì)稱繞組，每套繞組的對(duì)應(yīng)相之間無電磁耦合，因而可將定子1視作兩個(gè)獨(dú)立的模塊化定子。該電機(jī)拓?fù)涞膬商兹嗬@組分別由兩套三相逆變器并聯(lián)驅(qū)動(dòng)。

如圖3所示，模塊化電機(jī)由兩套并聯(lián)于同一直流電源的電壓型逆變器驅(qū)動(dòng)。每套三相逆變器包括三個(gè)橋臂，由上下兩個(gè)開關(guān)管串聯(lián)組成，橋臂中點(diǎn)與模塊化電機(jī)對(duì)應(yīng)相連接。模塊化電機(jī)六相繞組一側(cè)連接六個(gè)橋臂輸出中點(diǎn)，通過電機(jī)的六相繞組電感和另一側(cè)的交流側(cè)中點(diǎn)O2連接，其中對(duì)應(yīng)相的繞組電感生成相同的反電動(dòng)勢(shì)可以合并為一個(gè)反電動(dòng)勢(shì)，最后六相繞組生成的反電勢(shì)化簡(jiǎn)為三相等效反電動(dòng)勢(shì)(EA，EB，EC)。在這種繞組連接下，逆變器通過開關(guān)模式向模塊化電機(jī)每相繞組注入控制電流。六個(gè)橋臂輸出開關(guān)電壓的平均值即為共模電壓。如果共模電壓不為零，其產(chǎn)生的共模電流通過交流側(cè)中點(diǎn)O2對(duì)地的雜散電容傳導(dǎo)入地。

如圖4所示，模塊化電機(jī)采用傳統(tǒng)的矢量控制方法?？刂葡到y(tǒng)由內(nèi)環(huán)(電流環(huán))與外環(huán)(速度環(huán))組成。速度環(huán)通過速度控制器調(diào)節(jié)參考速度與反饋速度之差得到轉(zhuǎn)矩電流分量的指令值i_qref。參考電流在d-q坐標(biāo)下與反饋電流比較，由電流控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，產(chǎn)生參考電壓V_d，V_q，再代入零共模空間矢量PWM模塊，產(chǎn)生兩個(gè)逆變器各六組PWM信號(hào)(PWM1，PWM2)來驅(qū)動(dòng)兩個(gè)逆變器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)兩套三相繞組的電流和速度的控制。電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置用于坐標(biāo)變換，將六組電流由三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到d-q坐標(biāo)系，電機(jī)的轉(zhuǎn)速用于速度環(huán)反饋。轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速可以由位置傳感器得到，也可以由位置觀測(cè)器通過電壓電流得到。

如圖5所示，模塊化電機(jī)的零共?？臻g矢量PWM調(diào)制方法是基于并聯(lián)電壓矢量。并聯(lián)電壓矢量是由兩個(gè)相鄰的普通三相電壓型逆變器電壓空間矢量(100，110，010，011，001，101)合成得到(210，120，021，012，102，201)。對(duì)于所發(fā)明的模塊化電機(jī)零共模空間矢量PWM調(diào)制方法，任意一組并聯(lián)電壓矢量都滿足三個(gè)橋臂接正母線，三個(gè)橋臂接負(fù)母線的情況。另外還有兩組并聯(lián)電壓零矢量(111+000，000+111)用于填補(bǔ)開關(guān)周期內(nèi)除去并聯(lián)電壓矢量作用時(shí)間剩下的時(shí)間。由這六個(gè)并聯(lián)電壓矢量以及并聯(lián)電壓零矢量對(duì)參考電壓合成，就能保證得到的輸出電壓中的共模電壓分量為零。根據(jù)合成得到的各個(gè)并聯(lián)電壓矢量作用時(shí)間，將電壓矢量分配給兩個(gè)逆變器，就能實(shí)現(xiàn)有效的零共?？臻g矢量PWM占空比控制。

調(diào)制控制方法流程如下：首先通過參考電壓指令V_d，V_q計(jì)算出參考合成電壓矢量V*的幅值和相角通過參考合成電壓相角θ確定V*所在的扇區(qū)，如圖5所示空間向量圖中合成向量角度-30°≤θ≤30°，則參考合成電壓矢量V*落在扇區(qū)1的區(qū)間內(nèi)，可以選擇扇區(qū)1對(duì)應(yīng)的相鄰的2個(gè)并聯(lián)電壓矢量(210)和(201)作為合成V*的基本矢量，其他扇區(qū)都是60°的區(qū)間劃分，扇區(qū)判斷方法相同。同時(shí)根據(jù)V*的幅值和矢量分解原理計(jì)算出2個(gè)并聯(lián)電壓矢量所需作用的時(shí)間，其公式為其中θ為參考電壓矢量與扇區(qū)開始的并聯(lián)電壓矢量的夾角，V_c為并聯(lián)電壓矢量的幅值，t₁、t₂為扇區(qū)的2個(gè)并聯(lián)電壓矢量的作用時(shí)間，T_s為開關(guān)周期。除去并聯(lián)電壓矢量作用的時(shí)間，一個(gè)周期內(nèi)的并聯(lián)電壓零矢量作用時(shí)間為t₀＝T_s-t₁-t₂。根據(jù)計(jì)算出來的作用時(shí)間將對(duì)應(yīng)的并聯(lián)電壓矢量的作用均勻分配給兩個(gè)并聯(lián)的逆變器以保證對(duì)應(yīng)相在一個(gè)開關(guān)周期輸出的占空比相同，同時(shí)類似于傳統(tǒng)的SVPWM(空間電壓矢量PWM)時(shí)間分段方法，將一個(gè)開關(guān)周期分為7段，其時(shí)間排序?yàn)?t₀/4，t₁/2，t₂/2，t₀/2，t₁/2，t₂/2，t₀/4)，其區(qū)別于SVPWM方法的地方在于將后半周期的t₁/2和t₂/2兩個(gè)時(shí)間分段的順序互換，保證一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)每相開關(guān)狀態(tài)只變換兩次，減小開關(guān)次數(shù)。最后根據(jù)每相的開關(guān)狀態(tài)和時(shí)間生成并聯(lián)逆變器所需的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)所需的參考電壓輸出。

如圖6所示的是改進(jìn)的模塊化電機(jī)與并聯(lián)逆變器簡(jiǎn)化的等效電路。以直流母線中點(diǎn)O1為參考，并聯(lián)逆變器的六個(gè)橋臂輸出電壓相對(duì)O1都是切換在正負(fù)直流母線電壓之間的脈沖電壓序列(VA1，VB1，VC1，VA2，VB2，VC2)，通過六相繞組以及六組反電動(dòng)勢(shì)接入電機(jī)中點(diǎn)O2。如果O1和O2之間存在外部接地回路，共模電流就可以傳導(dǎo)。只有在六組開關(guān)電壓之和保持為零的情況下，才能沒有共模電流的問題?？紤]到兩個(gè)三相繞組對(duì)應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)的一致，可以將對(duì)應(yīng)相的兩個(gè)反電動(dòng)勢(shì)合并為一個(gè)反電動(dòng)勢(shì)，得到圖6所示電路。此時(shí)，兩個(gè)并聯(lián)逆變器對(duì)應(yīng)相的電壓之差(VA1-VA2，VB1-VB2，VC1-VC2)產(chǎn)生的環(huán)流由電機(jī)繞組電感抑制，即并聯(lián)逆變器六相輸出端在接入模塊化電機(jī)后，不需要再設(shè)置額外的耦合電感來并聯(lián)逆變器，而是采用電機(jī)本身實(shí)現(xiàn)并聯(lián)，省去了耦合電感部件。

本發(fā)明中的電機(jī)驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是已經(jīng)在電動(dòng)汽車中得到了應(yīng)用的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明是在其基礎(chǔ)上提出的優(yōu)化和保護(hù)系統(tǒng)的控制方法，屬于調(diào)制方法上的創(chuàng)新。本發(fā)明能夠直接應(yīng)用于主流的電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，應(yīng)用簡(jiǎn)單實(shí)用。

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)。