專利名稱：基于h橋?qū)崿F(xiàn)電機(jī)氣隙圓形磁場控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于電力電子技術(shù)的H橋結(jié)構(gòu)分別控制電機(jī)三相電流使得電機(jī) 氣隙磁場按圓形軌跡旋轉(zhuǎn)，且與轉(zhuǎn)子磁場正交的控制器，屬于電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一個高階、非線性、強(qiáng)耦合、多變量的系統(tǒng)，交流電機(jī)的高 性能控制一直是電機(jī)控制領(lǐng)域的研究內(nèi)容，其主要控制方式有標(biāo)量控制、矢量控制和六邊 形的直接轉(zhuǎn)矩控制。 標(biāo)量控制有壓頻比控制和轉(zhuǎn)差頻率控制，其控制方式都是基于電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型，所 以標(biāo)量控制的動態(tài)性能差； 矢量控制是一種解耦控制。通過坐標(biāo)變換，將定子電流分解為磁鏈分量和轉(zhuǎn)矩分 量，分別進(jìn)行控制，因而大大提高了交流電機(jī)的調(diào)速性能。由于交流電機(jī)參數(shù)在運(yùn)行中是變 化的，而矢量控制又嚴(yán)重依賴這些參數(shù)，使得矢量控制效果難以達(dá)到理論分析的結(jié)果，而且 控制過程的計算復(fù)雜； 六邊形的直接轉(zhuǎn)矩控制是以定子磁鏈定向來建立交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，雖然可以 獲得較好的控制性能，但是轉(zhuǎn)矩脈動大、調(diào)速范圍不寬，特別是低速時性能明顯下降，是六 邊形的直接轉(zhuǎn)矩控制應(yīng)用的制約因素。 對于交流電機(jī)的控制關(guān)鍵在于氣隙圓形磁場轉(zhuǎn)速控制以及氣隙磁場與轉(zhuǎn)子磁場 的正交控制。三相對稱繞組通以三相對稱電流，則在氣隙中形成同步旋轉(zhuǎn)的圓形磁場，只要 能夠精確對轉(zhuǎn)子磁場定位，則可以通過控制三相電流的大小來實現(xiàn)定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場正 交，使得交流電機(jī)獲得與直流電機(jī)相同的性能。電力電子技術(shù)和現(xiàn)代電機(jī)控制理論的發(fā)展， 為實現(xiàn)高性能控制交流電機(jī)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)和理論支撐。通過對電力電子器件組成功率變 換拓?fù)溥M(jìn)行變化，可以實現(xiàn)交流電機(jī)預(yù)期的控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有交流電機(jī)控制技術(shù)中對于氣隙圓形磁場轉(zhuǎn)速控制以及氣隙 磁場與轉(zhuǎn)子磁場的正交控制難于解決和控制精度不高問題，而提出基于H橋?qū)崿F(xiàn)電機(jī)氣隙 圓形磁場控制器。 本發(fā)明的基于H橋?qū)崿F(xiàn)電機(jī)氣隙圓形磁場控制器包括啟動模塊A、整流模塊、開關(guān) 控制電路、濾波電容、第一電流檢測傳感器至第三電流檢測傳感器和第一功率轉(zhuǎn)換器件至 第十二功率轉(zhuǎn)換器件； 第二功率轉(zhuǎn)換器件、第四功率轉(zhuǎn)換器件、第六功率轉(zhuǎn)換器件、第八功率轉(zhuǎn)換器件、 第十功率轉(zhuǎn)換器件和第十二功率轉(zhuǎn)換器件的正向?qū)ㄝ斎攵送瑫r與直流母線負(fù)端連接；
第二功率轉(zhuǎn)換器件、第四功率轉(zhuǎn)換器件、第六功率轉(zhuǎn)換器件、第八功率轉(zhuǎn)換器件、 第十功率轉(zhuǎn)換器件和第十二功率轉(zhuǎn)換器件的正向?qū)ㄝ敵龆朔謩e與第七功率轉(zhuǎn)換器件、第 九功率轉(zhuǎn)換器件、第十一功率轉(zhuǎn)換器件、第一功率轉(zhuǎn)換器件、第三功率轉(zhuǎn)換器件和第五功率
3轉(zhuǎn)換器件的正向?qū)ㄝ斎攵诉B接； 第一功率轉(zhuǎn)換器件、第三功率轉(zhuǎn)換器件、第五功率轉(zhuǎn)換器件、第七功率轉(zhuǎn)換器件、 第九功率轉(zhuǎn)換器件和第十一功率轉(zhuǎn)換器件的正向?qū)ㄝ敵龆送瑫r與直流母線正端連接；
啟動模塊串聯(lián)在直流母線正端上，直流母線負(fù)端和直流母線正端之間并聯(lián)有濾波 電容和整流模塊； 開關(guān)控制電路的十二個控制端分別連接第一功率轉(zhuǎn)換器件至第十二功率轉(zhuǎn)換器 件的受控端；開關(guān)控制電路的三個電流信號輸入端分別連接第一電流檢測傳感器至第三電 流檢測傳感器的信號輸出端。 本發(fā)明的優(yōu)點以三相電流為控制目標(biāo)來實現(xiàn)電機(jī)氣隙的圓形旋轉(zhuǎn)磁場，算法簡 單，可以實現(xiàn)交流電機(jī)的高性能控制。對于定子磁場的控制不受電機(jī)參數(shù)變化的影響。可 以大大降低相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)的綜合成本。


圖1是U相磁勢與三相合成磁勢的示意圖；圖2和圖3是基于H橋?qū)崿F(xiàn)電機(jī)氣隙 圓形磁場控制器的電路結(jié)構(gòu)示意圖，圖2中的基于H橋?qū)崿F(xiàn)電機(jī)氣隙圓形磁場控制器的整 流模塊B采用整流二極管時的電路結(jié)構(gòu)示意圖，圖3中的基于H橋?qū)崿F(xiàn)電機(jī)氣隙圓形磁場 控制器的整流模塊B采用IGBT時的電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是轉(zhuǎn)子位置傳感器信號與反電動 勢關(guān)系示意圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一 結(jié)合圖2和圖3說明本實施方式，本實施方式的由啟動模塊A、 整流模塊B、開關(guān)控制電路C、濾波電容Cl 、第一 電流檢測傳感器hl 1至第三電流檢測傳感器 h13和第一功率轉(zhuǎn)換器件VI至第十二功率轉(zhuǎn)換器件V12組成； 第二功率轉(zhuǎn)換器件V2、第四功率轉(zhuǎn)換器件V4、第六功率轉(zhuǎn)換器件V6、第八功率轉(zhuǎn) 換器件V8、第十功率轉(zhuǎn)換器件V10和第十二功率轉(zhuǎn)換器件V12的正向?qū)ㄝ斎攵送瑫r與直 流母線負(fù)端連接； 第二功率轉(zhuǎn)換器件V2、第四功率轉(zhuǎn)換器件V4、第六功率轉(zhuǎn)換器件V6、第八功率轉(zhuǎn)
換器件V8、第十功率轉(zhuǎn)換器件V10和第十二功率轉(zhuǎn)換器件V12的正向?qū)ㄝ敵龆朔謩e與第
七功率轉(zhuǎn)換器件V7、第九功率轉(zhuǎn)換器件V9、第十一功率轉(zhuǎn)換器件V11、第一功率轉(zhuǎn)換器件
Vl、第三功率轉(zhuǎn)換器件V3和第五功率轉(zhuǎn)換器件V5的正向?qū)ㄝ斎攵诉B接； 第一功率轉(zhuǎn)換器件Vl、第三功率轉(zhuǎn)換器件V3、第五功率轉(zhuǎn)換器件V5、第七功率轉(zhuǎn)
換器件V7、第九功率轉(zhuǎn)換器件V9和第十一功率轉(zhuǎn)換器件V11的正向?qū)ㄝ敵龆送瑫r與直流
母線正端連接； 啟動模塊A串聯(lián)在直流母線正端上，直流母線負(fù)端和直流母線正端之間并聯(lián)有濾 波電容C1和整流模塊B; 開關(guān)控制電路C的十二個控制端分別連接第一功率轉(zhuǎn)換器件V1至第十二功率轉(zhuǎn) 換器件V12的受控端；開關(guān)控制電路C的三個電流信號輸入端分別連接第一電流檢測傳感 器hll至第三電流檢測傳感器h13的信號輸出端。
濾波電容C1為直流母線的濾波電容，
啟動模塊A，啟動模塊A由電阻Rl和開關(guān)CKM并聯(lián)組成，Rl和CKM作用是用于整 流初始時的軟起動。 U相繞組由第一功率轉(zhuǎn)換器件Vl、第二功率轉(zhuǎn)換器件V2和第七功率轉(zhuǎn)換器件V7、 第八功率轉(zhuǎn)換器件V8控制； V相繞組由第三功率轉(zhuǎn)換器件V3、第四功率轉(zhuǎn)換器件V4和第九功率轉(zhuǎn)換器件V9、 第十功率轉(zhuǎn)換器件V10控制； W相繞組由第五功率轉(zhuǎn)換器件V5、第六功率轉(zhuǎn)換器件V6和第十一功率轉(zhuǎn)換器件 Vll、第十二功率轉(zhuǎn)換器件V12控制； 所述的第一功率轉(zhuǎn)換器件V1至第十二功率轉(zhuǎn)換器件V12為IGBT、IGCT或MOSFET。
第一電流檢測傳感器hll、第二電流檢測傳感器hl2、第三電流檢測傳感器h13分 別用于測量U相、V相和W相的電流信號，第一電流檢測傳感器hll至第三電流檢測傳感器 h13為霍爾電流傳感器或分流器。 整流模塊B采用整流二極管或IGBT ;圖2中的整流模塊B為IGBT可控整流以調(diào) 節(jié)不同運(yùn)行頻率時的直流母線電壓。 圖2和圖3中三相繞組U、V、W的控制方式相同，電流環(huán)采用滯環(huán)控制方式，以U相 為例進(jìn)行說明 以第一功率轉(zhuǎn)換器件VI和第二功率轉(zhuǎn)換器件V2導(dǎo)通為U相繞組正向通電，以第
七功率轉(zhuǎn)換器件V7和第八功率轉(zhuǎn)換器件V8導(dǎo)通為U相繞組反向通電。 正向通電時，由開關(guān)控制電路C控制第一功率轉(zhuǎn)換器件V1和第二功率轉(zhuǎn)換器件V2
導(dǎo)通，同時通過第一電流檢測傳感器hl檢測U相電流，當(dāng)所述電流大于給定值加一誤差量
時，第二功率轉(zhuǎn)換器件V2截止，此時電流將通過U相繞、第一功率轉(zhuǎn)換器件Vl、第七功率轉(zhuǎn)
換器件V7的反向二極管和直流母線正端組形成回路，此時電流開始下降，當(dāng)所述電流降至
給定值減去一誤差量時第二功率轉(zhuǎn)換器件V2恢復(fù)導(dǎo)通，完成一個正向控制周期。 反向通電時，由開關(guān)控制電路C控制第七功率轉(zhuǎn)換器件V7和第八功率轉(zhuǎn)換器件V8
導(dǎo)通，同時通過第一電流檢測傳感器hl檢測U相電流，當(dāng)所述電流大于給定值加一誤差量
時，第八功率轉(zhuǎn)換器件V8截止，此時電流將通過U相繞組、第七功率轉(zhuǎn)換器件V7、直流母線
正端、第一功率轉(zhuǎn)換器件V1的反向二極管形成回路，此時電流開始下降，當(dāng)所述電流降至
給定值減去一誤差量時第八功率轉(zhuǎn)換器件V8恢復(fù)導(dǎo)通，完成一個反向控制周期。 在整個控制周期中只需控制一個功率轉(zhuǎn)換器件導(dǎo)通與截止來控制電流，而另一個
功率轉(zhuǎn)換器件為常通狀態(tài)。功率轉(zhuǎn)換器件的開關(guān)頻率依據(jù)選擇器件不同和控制器的容量不
同而不同，IGBT最大開關(guān)頻率可達(dá)30kHz， M0SFET最大開關(guān)頻率可達(dá)100kHz。為控制氣隙
旋轉(zhuǎn)磁場的圓形度提供了有利條件，而且在控制電流時，只需控制一個功率轉(zhuǎn)換器件導(dǎo)通
與截止，可以降低器件的開關(guān)損耗。與電機(jī)其它控制器結(jié)構(gòu)不同，采用本發(fā)明的H橋結(jié)構(gòu)不
存在開關(guān)器件控制過程中的死區(qū)問題，也為獲得理想的氣隙磁場提供了有利條件。 控制脈振磁場的幅值和基波合成磁場的幅值由電流幅值決定，各相磁場脈振頻率
和基波合成磁場旋轉(zhuǎn)頻率由電流的頻率決定。在電流變化一個時間周期內(nèi)，電流調(diào)節(jié)由正
向增加到正向減小、由負(fù)向增加到負(fù)向減小是按照四分之一周期逐漸變化，這對電流平滑
控制有利，從而也為獲得理想的氣隙磁場提供了有利條件。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一不同點在于增加了轉(zhuǎn)子位置傳感
5器，轉(zhuǎn)子位置傳感器的轉(zhuǎn)子位置信號輸出端連接開關(guān)控制電路C的轉(zhuǎn)子位置信號輸入端。 其它組成和連接方式與具體實施方式
一相同。 轉(zhuǎn)子位置傳感器選擇絕對位置編碼器、增量式編碼器或霍爾位置傳感器，圖4為 增量式編碼器，其中未畫出A和B信號，Z信號為每周出現(xiàn)一次。以增量式編碼器為例說明 轉(zhuǎn)子位置x的確定，編碼器每周線數(shù)為K，利用A和B方波信號的上升沿和下降沿將每周線 數(shù)K四倍頻得每周4K線數(shù)，則每對極下脈沖數(shù)為4K/p，每個脈沖的電角度為Ji p/2K。電機(jī) 定子內(nèi)徑Di，轉(zhuǎn)子初始位置為x。，自初始位置所經(jīng)過的脈沖數(shù)為Kn，則轉(zhuǎn)子位置x可由式(5) 計算。x-x。+Kn!D, (5) 為減少轉(zhuǎn)子位置的累積誤差，利用霍爾信號的每次躍變重新校正轉(zhuǎn)子位置x。圖4 中的霍爾信號Uh、Vh、Wh把每對極分為6各區(qū)，即101、100、110、010、011、001?；魻栃盘柮?br> 電角度出現(xiàn)一次躍變，由該躍變重新確定x。，再按式(5)計算轉(zhuǎn)子磁極位置。
轉(zhuǎn)子磁極位置可以精確定位的前提下，采用H橋的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過電力變換技術(shù) 控制交流電機(jī)三線繞組具有一定幅值電流的實時值，使得三相電流產(chǎn)生的合成磁場與轉(zhuǎn)子 磁場正交或在一定的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)范圍內(nèi)來控制交流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，通過改變電流的頻率 來調(diào)節(jié)交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場的正交關(guān)系確定，交流電機(jī)的三相繞組在空間上對稱分布， 通過的電流在時間上對稱，三相U、 V、 W電流在各自繞組內(nèi)生成的脈振磁場分解的到基波磁 勢為式(1):

ful = coscotcos三x
fvl =cos(rot —爭cos《x —爭 (1)
f c , + 4兀、,兀 4兀、
fwl = C。S(C0t - ；) COS(— X - 了)
3t 3 當(dāng)t = 0和x = 0時U相磁勢最大，此時三相基波合成磁勢在空間分布最大值在 U相繞組的軸線上圖1中的^，其表達(dá)式為式(2): & = F, cos( t —三x) (2) 其中Fl = 1. 5F$1。圖1中^為t = 0時氣隙中三相基波合成磁勢在對極下的空 間分布，x = 0點為幅值正向最大處。 轉(zhuǎn)子磁極初始位置未知，在開始運(yùn)行前，按照運(yùn)行指令順時針旋轉(zhuǎn)時，給U相通以 給定磁勢幅值F$1的電流，V和W相分別滯后U相電流2 Ji /3和4 Ji /3確定的值施加電流， 則轉(zhuǎn)子磁極將轉(zhuǎn)動至圖1位置，即x = 0處。 按照圖l，轉(zhuǎn)子要順時針旋轉(zhuǎn)，則此時給三相繞組通電產(chǎn)生的磁場幅值最大處與轉(zhuǎn) 子磁場正交的條件是"t二 Ji/2。此時^在x二0處值應(yīng)當(dāng)?shù)扔诹恪＾D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動后x值發(fā) 生變化，且x > O，此時控制定子繞組在氣隙中磁場幅值的位置由式(2)可以得出確定三相 電流實時值的規(guī)則為式(3):cot=s + —x (3) 2t …
同樣可以得出轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)時確定三相電流實時值的規(guī)則為式(4):
cot-—7 + — x (4) 轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)時式(4)中的x < 0。 圖4為轉(zhuǎn)子位置傳感器信號與各相反電動勢對應(yīng)關(guān)系，從這些對應(yīng)關(guān)系可以在電機(jī)運(yùn)行中實時確定轉(zhuǎn)子磁極位置x。利用式(3)可以確定轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)時各相電流的實時值；利用式(4)可以確定轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)時各相電流的實時值。以圖4霍爾信號Uh為例，Uh信號的上升沿正是圖1中的x = 0點。
權(quán)利要求
基于H橋?qū)崿F(xiàn)電機(jī)氣隙圓形磁場控制器，其特征在于它包括啟動模塊(A)、整流模塊(B)、開關(guān)控制電路(C)、濾波電容C1、第一電流檢測傳感器(hl1)至第三電流檢測傳感器(hl3)和第一功率轉(zhuǎn)換器件(V1)至第十二功率轉(zhuǎn)換器件(V12)；第二功率轉(zhuǎn)換器件(V2)、第四功率轉(zhuǎn)換器件(V4)、第六功率轉(zhuǎn)換器件(V6)、第八功率轉(zhuǎn)換器件(V8)、第十功率轉(zhuǎn)換器件(V10)和第十二功率轉(zhuǎn)換器件(V12)的正向?qū)ㄝ斎攵送瑫r與直流母線負(fù)端連接；第二功率轉(zhuǎn)換器件(V2)、第四功率轉(zhuǎn)換器件(V4)、第六功率轉(zhuǎn)換器件(V6)、第八功率轉(zhuǎn)換器件(V8)、第十功率轉(zhuǎn)換器件(V10)和第十二功率轉(zhuǎn)換器件(V12)的正向?qū)ㄝ敵龆朔謩e與第七功率轉(zhuǎn)換器件(V7)、第九功率轉(zhuǎn)換器件(V9)、第十一功率轉(zhuǎn)換器件(V11)、第一功率轉(zhuǎn)換器件(V1)、第三功率轉(zhuǎn)換器件(V3)和第五功率轉(zhuǎn)換器件(V5)的正向?qū)ㄝ斎攵诉B接；第一功率轉(zhuǎn)換器件(V1)、第三功率轉(zhuǎn)換器件(V3)、第五功率轉(zhuǎn)換器件(V5)、第七功率轉(zhuǎn)換器件(V7)、第九功率轉(zhuǎn)換器件(V9)和第十一功率轉(zhuǎn)換器件(V11)的正向?qū)ㄝ敵龆送瑫r與直流母線正端連接；啟動模塊(A)串聯(lián)在直流母線正端上，直流母線負(fù)端和直流母線正端之間并聯(lián)有濾波電容C1和整流模塊(B)；開關(guān)控制電路(C)的十二個控制端分別連接第一功率轉(zhuǎn)換器件(V1)至第十二功率轉(zhuǎn)換器件(V12)的受控端；開關(guān)控制電路(C)的三個電流信號輸入端分別連接第一電流檢測傳感器(hl1)至第三電流檢測傳感器(hl3)的信號輸出端。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于H橋?qū)崿F(xiàn)電機(jī)氣隙圓形磁場控制器，其特征在于還包括 轉(zhuǎn)子位置傳感器，轉(zhuǎn)子位置傳感器的轉(zhuǎn)子位置信號輸出端連接開關(guān)控制電路(C)的轉(zhuǎn)子位 置信號輸入端。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于H橋?qū)崿F(xiàn)電機(jī)氣隙圓形磁場控制器，其特征在于轉(zhuǎn)子位 置傳感器采用絕對位置編碼器、增量式編碼器或霍爾位置傳感器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的基于H橋?qū)崿F(xiàn)電機(jī)氣隙圓形磁場控制器，其特征在于啟 動模塊(A)由電阻Rl和開關(guān)CKM并聯(lián)組成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于H橋?qū)崿F(xiàn)電機(jī)氣隙圓形磁場控制器，其特征在于所述的 第一功率轉(zhuǎn)換器件(VI)至第十二功率轉(zhuǎn)換器件(V12)為IGBT、IGCT或MOSFET。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于H橋?qū)崿F(xiàn)電機(jī)氣隙圓形磁場控制器，其特征在于第一電 流檢測傳感器(hll)至第三電流檢測傳感器(hl3)為霍爾電流傳感器或分流器。
全文摘要
基于H橋?qū)崿F(xiàn)電機(jī)氣隙圓形磁場控制器，它涉及電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域。它解決了現(xiàn)有交流電機(jī)控制技術(shù)中對于氣隙圓形磁場轉(zhuǎn)速控制以及氣隙磁場與轉(zhuǎn)子磁場的正交控制難于解決和控制精度不高的問題。第二、四、六、八、十和十二功率轉(zhuǎn)換器件正向?qū)ㄝ斎攵送B直流母線負(fù)端；其正向?qū)ㄝ敵龆朔謩e連第七、九、十一、一、三和五功率轉(zhuǎn)換器件正向?qū)ㄝ斎攵?；其正向?qū)ㄝ敵龆送B直流母線正端；啟動模塊串聯(lián)直流母線正端上，直流母線正負(fù)端之間分別連濾波電容和整流模塊；開關(guān)控制電路十二個控制端分別連第一至十二功率轉(zhuǎn)換器件受控端；并且其信號輸入端分別連第一至三電流檢測傳感器信號輸出端。以電流為控制目標(biāo)來實現(xiàn)電機(jī)氣隙的圓形旋轉(zhuǎn)磁場和正交控制。
文檔編號H02P6/16GK101707470SQ20091025050
公開日2010年5月12日 申請日期2009年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月14日
發(fā)明者衛(wèi)愛平, 康爾良 申請人:哈爾濱理工大學(xué)