一种两相开关磁阻电机的驱动拓扑电路

1.本发明涉及电机技术领域，更具体地，涉及一种两相开关磁阻电机的驱动拓扑电路。


背景技术：

2.开关磁阻电机(switched reluctance motor,srm)具有坚固耐用、调速范围广、启动转矩大等一系列优点，在宽转速与高功率范围内均具有高输出与高效率，非常适合应用于高速运行及恶劣的环境中。两相开关磁阻电机作为整个开关磁阻电机系列的一种，具有很多突出优势，在结构进一步简化的同时，减少了电机与驱动电路间的连线，此外，非对称大气隙结构也提高了电感比值，因此，在不要求同时具备正、反转向的场合中，具有自启动能力的两相开关磁阻电机具有突出优势。如图1所示，两相开关磁阻电机的驱动拓扑电路中，a为电枢绕组，f为励磁绕组， 、﹣分别表示规定的绕组电流正负方向，该电机能实现正常运行的驱动要求是：在一个电周期内，励磁绕组单向持续导通，电枢绕组双向交替导通。
3.在户外、舰船等没有相应等级电源的情况下，会限制两相开关磁阻电机的正常运行。例如经过交流整流后出现的馒头波与电池满容量及半容量时，母线电压波动较大，会影响开关磁阻电机的输出性能。传统拓扑电路无法直接应用于两相开关磁阻电机驱动，从而必须增加电源调压环节，给整个系统增加额外成本，且限制了两相开关磁阻电机的供电电源的电压范围。
4.有鉴于此，本发明提出一种两相开关磁阻电机的驱动拓扑电路，在保持两相开关磁阻电机本体造价低廉的基础上，同时还能够使得开关磁阻电机可以在无相应等级电源的情况下正常运行且消除母线电压变化的影响，拓宽了两相开关磁阻电机的应用领域。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，提供一种两相开关磁阻电机的驱动拓扑电路，其通过对开关磁阻电机绕组进行复用，不增加额外的电感，仅采用二极管、开关管与电容组成的升降压斩波电路，无额外电感设备，极大简化电路结构，实现电源端电压可调，从而使得电源与负载端电压等级平衡。不但可以保证两相开关磁阻电机的驱动效果，同时还能在不牺牲两相开关磁阻电机结构优势的同时进一步降低控制系统成本，拓宽了两相开关磁阻电机的应用领域。
6.一种两相开关磁阻电机的驱动拓扑电路，其包括五个桥臂，五个桥臂分别和电源正负母线相连，其中，第一桥臂上设有第五开关管vt5,第一桥臂与正母线通过第一连接点1连接；第二桥臂上设有第二二极管vd2，第二二极管vd2的方向为正母线指向负母线，第二桥臂与正母线通过第二连接点2连接；第三桥臂上设有第二稳压电容c2，第三桥臂与正母线通过第三连接点3连接，第三连接点3与第二连接点2之间设有第三二极管vd3，第三二极管vd3的方向为第三连接点3指向第二连接点2；第四桥臂上设有第一开关管vt1和第三开关管vt3，且第一开关管vt1和第三开关管vt3串联组成，第四桥臂与正母线通过第三连接点3连
接；第五桥臂上设有第二开关管vt2和第四开关管vt4，且第二开关管vt2和第四开关管vt4串联组成，第五桥臂与正母线通过第三连接点3连接；其特征在于：第四桥臂的第一开关管vt1和第三开关管vt3之间设有第四连接点4，第五桥臂的第二开关管vt2和第四开关管vt4之间设有第五连接点5，第四连接点4和第五连接点5之间设有电枢绕组，电枢绕组双向交替导通；所述的两相开关磁阻电机的驱动拓扑电路还包括第一励磁绕组和第二励磁绕组，第一励磁绕组与第一二极管vd1和稳压二极管vt并联，且第一二极管vd1与稳压二极管vt反向串联；第一励磁绕组位于电源正母线与第一连接点之间、或负母线与五个桥臂的连接点之间，第二励磁绕组位于第三二极管vd3正极与第三连接点之间、或第二桥臂与负母线的连接点和第三桥臂与负母线的连接点之间，第一励磁绕组和第二励磁绕组持续导通，保证第一励磁绕组和第二励磁绕组的总磁势基本维持不变。
7.进一步的，第二开关管vt2与第三开关管vt3打开可以控制电枢绕组正向导通。
8.进一步的，第一开关管vt1与第四开关管vt4打开可以控制电枢绕组反向导通。
9.进一步的，第一开关管vt1、第二开关管vt2、第三开关管vt3和第四开关管vt4的内部反向并联内部二极管。
10.进一步的，第一励磁绕组位于电源正母线与第一连接点之间，第二励磁绕组位于第三二极管vd3正极与第三连接点之间。具体的，第一励磁绕组的一端与电源输入端高压侧相连，第一励磁绕组的另一端与第一连接点1相连，第一二极管vd1阳极与稳压二极管vt正极相连，稳压二极管vt负极与第一连接点1相连，第二励磁绕组设置在第三二极管vd3与第三连接点3之间，第三二极管vd3的方向为第三连接点3指向第二连接点2，第三二极管vd3的阴极与连接点2相连。
11.进一步的，第一励磁绕组位于电源正母线与第一连接点之间，第二励磁绕组位于第二桥臂与负母线的连接点和第三桥臂与负母线的连接点之间。具体的，第一励磁绕组的一端与电源输入端高压侧相连，第一励磁绕组的另一端与第一连接点1相连，第一二极管vd1阳极与稳压二极管vt正极相连，稳压二极管vt负极与第一连接点1相连，第二励磁绕组位于第二桥臂与负母线的连接点和第三桥臂与负母线的连接点之间。
12.进一步的，第一励磁绕组位于负母线与五个桥臂的连接点之间，第二励磁绕组位于第二桥臂与负母线的连接点和第三桥臂与负母线的连接点之间。
13.进一步的，第一励磁绕组位于负母线与五个桥臂的连接点之间，第二励磁绕组位于第二桥臂与负母线的连接点和第三桥臂与负母线的连接点之间。具体的，具体的，第一励磁绕组位于负母线与五个桥臂的连接点之间，第二励磁绕组设置在第三二极管vd3与第三连接点3之间，第三二极管vd3的方向为第三连接点3指向第二连接点2，第三二极管vd3的阴极与连接点2相连。
14.进一步的，在第一连接点和第二连接点之间连接有第一稳压电容c1，其作用在于储能并提高电压。
15.进一步的，第二稳压电容c2的正极与第三连接点3相连，第二稳压电容c2的负极与负母线相连，第二稳压电容c2的作用在于储能并给电枢绕组供能稳压。
16.进一步的，所述两相开关磁阻电机的驱动拓扑电路不但适用于额定电压范围内的电源电压，同时还能适用于低于额定电压的电源电压，以及高于额定电压的电源电压。
17.进一步的，通过调节第五开关管vt5占空比调节第二稳压电容c2两端电压进而调
节电枢绕组电压使得输出电压与电机绕组电压相匹配，具体调节的公式为：其中，电源电压为vdc、第五开关管vt5占空比为α、第二稳压电容c2两端电压为u0，u0的方向为图6a、6b、6c所示，即第二稳压电容c2靠近负母线一端为正电压，靠近正母线一端为负电压。
18.进一步的，通过电枢绕组的是双向交替的电流。
19.本发明提出的两相开关磁阻电机的驱动拓扑电路的工作原理为：在一个电周期内，第一励磁绕组和第二励磁电阻持续导通，电枢绕组双向交替导通，电枢绕组通过第二开关管vt2内部反向并联的内部二极管进行续流；第一励磁绕组通过与其反向并联的第一二极管vd1与稳压二极管vt进行续流，第二励磁绕组通过第二二极管vd2、第二二极管vd2的内部反向并联的内部二极管与第二稳压电容c2进行续流，从而综合控制第一励磁绕组和第二励磁绕组的总磁势尽可能维持不变。这样可以保证两相开关磁阻电机可以在电压电源不可调的情况下正常运行，解决由于多种原因导致的母线电压波动的问题，且由于输入电源电压电流和输出负载电流都是连续的，无阶跃变化，因此有利于对输入、输出进行滤波；同时还具有结构简单、成本低廉，控制容易等突出优势，有利于两相开关磁阻电机能进一步拓宽应用领域。
20.本发明的驱动电路所适用的两相开关磁阻电机的工作原理较常规的开关磁阻电机srm有所不同，又可称为磁通切换型磁阻电机(flux-switching reluctance motor,fsm)，磁通切换型磁阻电机是一种典型的双凸极磁阻电机，磁阻电机产生电磁转矩的依据都是磁阻最小原理。磁通切换型磁阻电机的气隙磁场由电枢绕组产生的交变磁场和励磁绕组产生的恒定磁场共同产生。以图3b所示的电流方向为正方向，设此时的转子位置角为起始角，当励磁绕组和电枢绕组通过如图3a所示的电流时，对于相邻的两极定子铁芯，一极定字铁芯由于两绕组磁势相同而相互增强显示出强磁性，另外的一极定子铁芯由于两绕组磁势相反且大小基本相同而基本不产生磁性，磁通切换型磁阻电机最终主磁通如图3a所示。由磁阻最小原理，磁通切换型磁阻电机受到了逆时针方向作用的磁阻转矩最终运动至如图3b所示位置。转子如果需要连续旋转，电枢绕组的电流方向则需要变化，此时原先无极性的定子铁芯由于电枢磁势方向的改变而显示出极性，而有极性的定子铁芯则极性消失，如图3c所示，此时磁通切换型磁阻电机将在磁阻转矩的作用下继续旋转至3c位置，如此，便完成了前半个电周期的运动。在后半个电周期内，通过根据转子位置改变电枢绕组电流方向便可控制电机持续旋转，从而完成一整个周期的运动。之后按此规律不断进行控制，磁通切换型磁阻电机将持续不断地旋转运动。相较于常规两相开关磁阻电机，磁通切换型磁阻电机中绕组利用率更高，控制方式更简单。
附图说明
21.结合以下附图一起阅读时，将会更加充分地描述本技术内容的上述和其他特征。可以理解，这些附图仅描绘了本技术内容的若干实施方式，因此不应认为是对本技术内容范围的限定。通过采用附图，本技术内容将会得到更加明确和详细地说明。
22.图1为两相开关磁阻电机的驱动拓扑电路结构示意图。
23.图2为本发明提出的两相开关磁阻电机的驱动拓扑电路的示意图。
24.图3a为本发明提出的两相开关磁阻电机的转子位置角为-22.5
°
时电枢电流和励
磁电流产生的合成磁场示意图。
25.图3b为本发明提出的两相开关磁阻电机的转子位置角为起始角时电枢电流和励磁电流产生的合成磁场示意图。
26.图3c为本发明提出的两相开关磁阻电机的转子位置角为45
°
时电枢电流和励磁电流产生的合成磁场示意图。
27.图4为第五开关管vt5关断时的电流回路示意图。
28.图5为第五开关管vt5导通时的电流回路示意图。
29.图6a为电枢绕组正向导通时第一种状态下的电流回路示意图。
30.图6b为电枢绕组正向导通时第二种状态下的电流回路示意图。
31.图6c为电枢绕组正向导通时第三种状态下的电流回路示意图。
32.图7a为电枢绕组反向导通时第一种状态下的电流回路示意图。
33.图7b为电枢绕组反向导通时第二种状态下的电流回路示意图。
34.图7c为电枢绕组反向导通时第三种状态下的电流回路示意图。
35.图8a为第一励磁绕组的续流回路和第二励磁绕组在电枢绕组正向导通时对电枢绕组进行供电的续流回路示意图。
36.图8b为第一励磁绕组的续流回路和第二励磁绕组在电枢绕组反向导通时对电枢绕组进行供电的续流回路示意图。
37.图9为电枢绕组的正向续流回路示意图。
38.图10为电枢绕组的反向续流回路示意图。
39.附图说明：两相开关磁阻电机的驱动拓扑电路结构中虚线框内总体是第二开关管vt2，第二开关管vt2有内置反向并联的内部二极管，为表示方便，图中将内置二极管标出，实际电路只有第一二极管vd1、第二二极管vd2、第三二极管vd3与稳压管vt。
具体实施方式
40.描述以下实施例以辅助对本技术的理解，实施例不是也不应当以任何方式解释为限制本技术的保护范围。
41.在以下描述中，本领域的技术人员将认识到，在本论述的全文中，组件可描述为单独的功能单元(可包括子单元)，但是本领域的技术人员将认识到，各种组件或其部分可划分成单独组件，或者可整合在一起(包括整合在单个的系统或组件内)。
42.同时，组件或系统之间的连接并不旨在限于直接连接，相反，在这些组件之间的数据可由中间组件修改、重格式化、或以其它方式改变。另外，可使用另外或更少的连接。还应注意，术语“联接”、“连接”、或“输入”应理解为包括直接连接、通过一个或多个中间设备来进行的间接连接、和无线连接。
43.实施例1：
44.一种两相开关磁阻电机的驱动拓扑电路，其包括五个桥臂，五个桥臂分别和电源正负母线相连，其中，第一桥臂上设有第五开关管vt5,第一桥臂与正母线通过第一连接点1连接；第二桥臂上设有第二二极管vd2，第二二极管vd2的方向为正母线指向负母线，第二桥臂与正母线通过第二连接点2连接；第三桥臂上设有第二稳压电容c2，第三桥臂与正母线通过第三连接点3连接，第三连接点3与第二连接点2之间设有第三二极管vd3，第三二极管vd3
的方向为第三连接点3指向第二连接点2；第四桥臂上设有第一开关管vt1和第三开关管vt3，且第一开关管vt1和第三开关管vt3串联组成，第四桥臂与正母线通过第三连接点3连接；第五桥臂上设有第二开关管vt2和第四开关管vt4，且第二开关管vt2和第四开关管vt4串联组成，第五桥臂与正母线通过第三连接点3连接；其特征在于：第四桥臂的第一开关管vt1和第三开关管vt3之间设有第四连接点4，第五桥臂的第二开关管vt2和第四开关管vt4之间设有第五连接点5，第四连接点4和第五连接点5之间设有电枢绕组，电枢绕组双向交替导通，电枢绕组通过第二开关管vt2内部反向并联的内部二极管进行续流；所述的两相开关磁阻电机的驱动拓扑电路还包括第一励磁绕组和第二励磁绕组，第一励磁绕组与第一二极管vd1和稳压二极管vt并联，且第一二极管vd1与稳压二极管vt反向串联；第一励磁绕组位于电源正母线与第一连接点之间、或负母线与五个桥臂的连接点之间，第二励磁绕组位于第三二极管vd3正极与第三连接点之间、或第二桥臂与负母线的连接点和第三桥臂与负母线的连接点之间，第一励磁绕组和第二励磁绕组持续导通，保证第一励磁绕组和第二励磁绕组的总磁势基本维持不变。
45.其中，第一励磁绕组位于电源正母线与第一连接点之间，第二励磁绕组位于第三二极管vd3正极与第三连接点之间。具体的，第一励磁绕组的一端与电源输入端高压侧相连，第一励磁绕组的另一端与第一连接点1相连，第一二极管vd1阳极与稳压二极管vt正极相连，稳压二极管vt负极与第一连接点1相连，第二励磁绕组设置在第三二极管vd3与第三连接点3之间，第三二极管vd3的方向为第三连接点3指向第二连接点2，第三二极管vd3的阴极与连接点2相连。
46.在第一连接点和第二连接点之间连接有第一稳压电容c1，其作用在于储能并提高电压。第二稳压电容c2的正极与第三连接点3相连，第二稳压电容c2的负极与负母线相连，第二稳压电容c2的作用在于储能并给电枢绕组供能稳压。
47.实施例1中所提出相应控制驱动拓扑电路的工作原理如下：
48.如图4所示，在第五开关管vt5关断时，电源通过正母线-第一励磁绕组-第一稳压电容c1-第二二极管vd2回路对第一稳压电容c1充电，此时第一稳压电容c1靠近第一连接点端为正极性；
49.如图5所示，在第五开关管vt5导通时，电源通过正母线-第一励磁绕组-第五开关管vt5形成电流回路，第一稳压电容c1通过第五开关管vt5-负母线-第二稳压电容c2-第二励磁绕组回路进行放电，此时第二稳压电容c2靠近负母线端为正极性。
50.电枢绕组的导通方向由转子位置和第一开关管vt1、第二开关管vt2、第三开关管vt3、第四开关管vt4的导通和关断控制。
51.当第五开关管vt5导通时，电枢绕组导通需要的电流由第二励磁绕组、第一稳压电容c1和第二稳压电容c2共同提供。
52.运行时，规定电枢绕组的电流方向为第四连接点4-第五连接点5为正方向，则电枢绕组正向导通时的电流回路如图6a，6b和6c所示；规定电枢绕组的电流方向为第五连接点5-第四连接点4为反方向，则电枢绕组反向导通时的电流回路如图7a，7b，7c所示。
53.在一个电周期内，励磁绕组始终单向导通，通过第二开关管vt2与第三开关管vt3的导通控制电枢绕组正向导通，通过控制第一开关管vt1与第四开关管vt4控制电枢绕组反向导通。
54.如图6a所示，为电枢绕组正向导通时第一种状态下的电流回路示意图。此时，第五开关管vt5导通，第一开关管vt1关断，第二开关管vt2导通，第三开关管vt3导通，第四开关管vt4关断，电源通过正母线-第一励磁绕组-第五开关管vt5形成电流回路，第一稳压电容c1通过第五开关管vt5-负母线-第二稳压电容c2-第二励磁绕组回路进行放电，此时第二稳压电容c2靠近负母线端为正极性，第二稳压电容c2通过第三开关管vt3-电枢绕组-第二开关管vt2回路进行放电，此时电枢绕组正向导通。
55.如图7a所示，为电枢绕组反向导通时第一种状态下的电流回路示意图。此时，第五开关管vt5导通，第一开关管vt1导通，第二开关管vt2关断，第三开关管vt3关断，第四开关管vt4导通，电源通过正母线-第一励磁绕组-第五开关管vt5形成电流回路，第一稳压电容c1通过第五开关管vt5-负母线-第二稳压电容c2-第二励磁绕组回路进行放电，此时第二稳压电容c2靠近负母线端为正极性，第二稳压电容c2通过第四开关管vt4-电枢绕组-第一开关管vt1回路进行放电，此时电枢绕组反向导通。
56.当第五开关管vt5关断时，电枢绕组导通需要的电流由第二励磁绕组、第二稳压电容c2提供。
57.如图6b所示，为电枢绕组正向导通时第二种状态下的电流回路示意图。此时，第五开关管vt5关断，第一开关管vt1关断，第二开关管vt2导通，第三开关管vt3导通，第四开关管vt4关断，电源通过正母线-第一励磁绕组-第一稳压电容c1-第二二极管vd2回路对第一稳压电容c1充电，此时第一稳压电容c1靠近第一连接点端为正极性；第一稳压电容c1通过第二稳压电容c2-第二励磁绕组回路进行放电，此时第二稳压电容c2靠近负母线端为正极性，第二稳压电容c2通过第三开关管vt3-电枢绕组-第二开关管vt2回路进行放电；第一稳压电容c1通过第三开关管vt3-电枢绕组-第二开关管vt2-第二励磁绕组回路进行放电，此时电枢绕组正向导通。
58.如图7b所示，为电枢绕组反向导通时第二种状态下的电流回路示意图。此时，第五开关管vt5关断，第一开关管vt1导通，第二开关管vt2关断，第三开关管vt3关断，第四开关管vt4导通，电源通过正母线-第一励磁绕组-第一稳压电容c1-第二二极管vd2回路对第一稳压电容c1充电，此时第一稳压电容c1靠近第一连接点端为正极性；第一稳压电容c1通过第二稳压电容c2-第二励磁绕组回路进行放电，此时第二稳压电容c2靠近负母线端为正极性，第二稳压电容c2通过第四开关管vt4-电枢绕组-第一开关管vt1回路进行放电；第一稳压电容c1通过第四开关管vt4-电枢绕组-第一开关管vt1-第二励磁绕组回路进行放电，此时电枢绕组反向导通。
59.当第五开关管vt5关断时，电枢绕组导通需要的电流由第二稳压电容c2单独提供。
60.如图6c所示，为电枢绕组正向导通时第三种状态下的电流回路示意图。此时，第五开关管vt5关断，第一开关管vt1关断，第二开关管vt2导通，第三开关管vt3导通，第四开关管vt4关断，电源通过正母线-第一励磁绕组-第一稳压电容c1-第二二极管vd2回路对第一稳压电容c1充电，此时第一稳压电容c1靠近第一连接点端为正极性；第一稳压电容c1通过第二稳压电容c2-第二励磁绕组回路进行放电，此时第二稳压电容c2靠近负母线端为正极性，第二稳压电容c2通过第三开关管vt3-电枢绕组-第二开关管vt2回路进行放电，此时电枢绕组正向导通。
61.如图7c所示，为电枢绕组反向导通时第二种状态下的电流回路示意图。此时，第五
开关管vt5关断，第一开关管vt1导通，第二开关管vt2关断，第三开关管vt3关断，第四开关管vt4导通，电源通过正母线-第一励磁绕组-第一稳压电容c1-第二二极管vd2回路对第一稳压电容c1充电，此时第一稳压电容c1靠近第一连接点端为正极性；第一稳压电容c1通过第二稳压电容c2-第二励磁绕组回路进行放电，此时第二稳压电容c2靠近负母线端为正极性，第二稳压电容c2通过第四开关管vt4-电枢绕组-第一开关管vt1回路进行放电，此时电枢绕组反向导通。
62.通过调节第五开关管vt5占空比调节第二稳压电容c2两端电压进而调节电枢绕组电压使得输出电压与电机绕组电压相匹配，具体调节的公式为：
63.其中，电源电压为vdc、第五开关管vt5占空比为α、第二稳压电容c2两端电压为u0，u0的方向为图6a、6b、6c所示，即第二稳压电容c2靠近负母线一端为正电压，靠近正母线一端为负电压。
64.该两相开关磁阻电机的驱动拓扑电路中，通过第一励磁绕组和第二励磁绕组的电流方向不变，该两相开关磁阻电机换向过程中续流回路如图8a和8b所示，图8a为第一励磁绕组的续流回路和第二励磁绕组在电枢绕组正向导通时对电枢绕组进行供电的续流回路示意图，图8b为第一励磁绕组的续流回路和第二励磁绕组在电枢绕组反向导通时对电枢绕组进行供电的续流回路示意图。第一励磁绕组通过与其并联的第一二极管vd1与稳压二极管vt形成续流回路，稳压二极管vt的作用是稳定续流时第一励磁绕组的电压，防止第一稳压电容c1的电压不稳定；第二励磁绕组通过第三二极管vd3-第二二极管vd2-第二稳压电容c2形成续流回路对第二稳压电容c2充电的同时，可以为电枢绕组供电。
65.通过电枢绕组的是双向交替的电流，电流从正向续流时续流回路如图9所示，电枢绕组通过第一开关管vt1内部二极管、第四开关管vt4内部二极管与第二稳压电容c2形成续流回路；电流从反方向续流时续流回路如图10所示，电枢绕组通过第二开关管vt2内部二极管、第三开关管vt3内部二极管、与第二稳压电容c2形成续流回路。
66.此外，在该结构中，在降压时，第一开关管vt1和第二开关管vt2不直接与电源相连，选型时耐压等级可相应降低；第三开关管vt3和第四开关管vt4位于负母线，因此对应驱动可以不采用隔离措施，便于安全操作。
67.尽管本技术已公开了多个方面和实施方式，但是其它方面和实施方式对本领域技术人员而言将是显而易见的，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。本技术公开的多个方面和实施方式仅用于举例说明，其并非旨在限制本技术，本技术的实际保护范围以权利要求为准。