适用于宽电源电压的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，涉及适用于宽电源电压的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。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.现有的电机驱动拓扑电路无法方便便捷解决电源电压与电机额定电压等级不匹配的问题，电源电压过低时需要额外升压设备，占用空间和额外的元器件增加能耗和降低可靠性，增加成本和损耗等，另外电源电压波动时会对电机输出产生影响，为了稳定电压变化，采用稳压设备或通过控制算法实现，这种方式增加算法复杂度和设备成本，若电源电压与电机额定电压等级不匹配，需要额外调节电源电压，提高了驱动控制成本，且电源电压过高时会增大开关管的导通损耗，降低开关管的寿命与控制系统效率。此外，如果母线电压出现电压波动变化，使用满容量或半容量电池供电，或使用经过整流的交流电源供电时，其电压变化较大，均会导致电机两端供电电压发生变化，影响电机输出性能。
4.有鉴于此，本技术提供适用于宽电源电压的两相开关磁阻电机的驱动拓扑电路，应用于电源电压与电机额定电压等级不匹配的情况以及电源电压波动的情况，消除母线电压变化对后面电机的影响，使得功率电路可以在多种电源电压等级的情况下正常应用，并且电路简单，成本低。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，提供适用于宽电源电压的两相开关磁阻电机的驱动拓扑电路，应用于电源电压与电机额定电压等级不匹配的情况，消除母线电压变化对后面电机的影响，使得功率电路可以在多种电源电压等级的情况下正常应用，并且电路简单，成本低。
6.适用于宽电源电压的两相开关磁阻电机的驱动拓扑电路，所述驱动拓扑电路包括四个桥臂，四个桥臂的两端分别与电源的正负极连接，电源的正极与第一开关管连接再与第一桥臂连接，第一桥臂由励磁绕组组成，第二桥臂由电容组成，第三桥臂由第二开关管和第三开关管串联组成，第四桥臂由第四开关管和第五开关管组成，电枢绕组的一端与第二开关管和第三开关管之间的导线连接、另一端与第四开关管和第五开关管之间的导线连接，第一桥臂的正极与第二桥臂的负极之间设置有二极管，调节第一开关管的占空比来调
节电压至电机的额定电压等级，通过控制第二桥臂和第三桥臂的开关管的导通或关断来实现电枢绕组的正向导通及反向导通。
7.在一些实施方式中，所述二极管的阳极与第二桥臂的负极连接、阴极与第一桥臂的正极连接，二极管起到反向的作用，所述第二开关管的一端与电源正极连接，第三开关管的一端与电源负极连接，第四开关管的一端与电源正极连接，第五开关管的一端与电源负极连接。
8.进一步的，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管和第五开关管为三极管。
9.进一步的，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管和第五开关管为npn型三极管。
10.进一步的，所述第一开关管的集电极与电源正极连接、发射极与第一桥臂的正极连接、基极与调压控制信号输出端连接；励磁绕组的入线端与第一开关管的发射极连接、出线端与电源负极连接；电容的一端与电源正极连接、另一端与电源负极连接；第二开关管的集电极与电源正极连接、发射极与第三开关管的集电极连接、基极与电枢绕组正向导通控制信号输出端连接，第三开关管的发射极与第一开关管的发射极连接、基极与电枢绕组反向导通控制信号输出端连接；第四开关管的集电极与电源正极连接、发射极与第五开关管的集电极连接、基极与电枢绕组反向导通控制信号输出端连接，第五开关管的发射极与第一开关管的发射极连接、基极与电枢绕组正向导通控制信号输出端连接；电枢绕组的一端与第二开关管的发射极连接、另一端与第四开关管的发射极连接。
11.在一些实施方式中，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管及第五开关管设置有内部二极管，电枢绕组通过第二桥臂和第三桥臂的开关管的内部二极管进行续流。
12.进一步的，所述内部二极管与开关管反向并联，内部二极管的阳极与开关管的发射极连接、阴极与开关管的集电极连接。
13.进一步的，在电力电子管中，所有的开关管无论igbt还是mosfet，其工艺和原理决定了这些管子只能控制单相导通关断，反向是二极管，因此，开关管内部天然内置有反并联的内部二极管。
14.在一些实施方式中，所述第一开关管关断，且第二开关管与第五开关管导通、第三开关管与第四开关管关断，电枢绕组正向导通；所述第一开关管关断，且第三开关管与第四开关管导通、第二开关管与第五开关管关断，电枢绕组反向导通；在一个电周期内，励磁绕组持续单向导通，通过励磁绕组的电流方向不变，电枢绕组双向交替导通，通过第一开关管控制对励磁绕组充放电。
15.进一步的，电枢绕组正向导通时，正向电流回路依次为：电容、第二开关管、电枢绕组和第五开关管；电枢绕组反向导通时，反向电流回路依次为：电容、第四开关管、电枢绕组和第三开关管。
16.进一步的，电枢绕组从正向导通状态转化为正向续流状态，电枢绕组通过电容、第三和第四开关管的内部二极管形成续流回路，第一开关管、第二开关管和第五开关管关断，其正向续流回路依次为：电容、第三开关管的内部二极管、电枢绕组和第四开关管的内部二极管；电枢绕组从反向导通状态转化为反向续流状态，电枢绕组通过电容、第二和第五开关
管的内部二极管形成续流回路，第一开关管、第三开关管和第四开关管关断，其反向续流回路依次为：电容、第五开关管的内部二极管、电枢绕组和第二开关管的内部二极管。
17.在一些实施方式中，通过调节第一开关管的占空比来调节电容电压进而调节电枢绕组电压，电源电压为v
dc
、第一开关管的占空比为α、电枢绕组两端电压为u0，则电源电压与电枢绕组电压的关系为：其中，α》0.5时升压，α《0.5时降压。因此当电源电压与电机电压等级不匹配时，该电路可以调节电源电压以使得输出电压与电机绕组电压相匹配。
18.在一些实施方式中，当第一开关管导通时，第一开关管与励磁绕组组成充电回路，电流方向依次为：电源正极、第一开关管、励磁绕组和电源负极，直流电源为励磁绕组充电；同时，电容通过第三桥臂和第四桥臂的开关管对电枢绕组进行供电，其中，电枢绕组正向导通的电流回路为：电容、第二开关管、电枢绕组和第五开关管，第二开关管和第五开关管导通、第三开关管和第四开关管关断；电枢绕组反向导通的电流回路为：电容、第四开关管、电枢绕组和第三开关管，第二开关管和第五开关管关断、第三开关管和第四开关管导通；电枢绕组正向续流状态的电流回路为：电容、第三开关管的内部二极管、电枢绕组和第四开关管的内部二极管，第二开关管和第五开关管关断、第三开关管和第四开关管导通；电枢绕组反向续流状态的电流回路为：电容、第五开关管的内部二极管、电枢绕组和第二开关管的内部二极管，第二开关管和第五开关管导通、第三开关管和第四开关管关断。
19.在一些实施方式中，当第一开关管关断时，励磁绕组通过二极管和电容形成续流回路，励磁绕组续流回路依次为：励磁绕组、电容和二极管电容为滤波电容，起到稳定开关管两侧电压的作用，二极管的作用是防止电容对励磁绕组放电；励磁绕组对电容进行充电的同时为电机供电，其中，电枢绕组正向导通的电流回路为：电容、第二开关管、电枢绕组和第五开关管，第二开关管和第五开关管导通、第三开关管和第四开关管关断；电枢绕组反向导通的电流回路为：电容、第四开关管、电枢绕组和第三开关管，第二开关管和第五开关管关断、第三开关管和第四开关管导通；电枢绕组正向续流状态的电流回路为：电容、第三开关管的内部二极管、电枢绕组和第四开关管的内部二极管，第二开关管和第五开关管关断、第三开关管和第四开关管导通；电枢绕组反向续流状态的电流回路为：电容、第五开关管的内部二极管、电枢绕组和第二开关管的内部二极管，第二开关管和第五开关管导通、第三开关管和第四开关管关断。
20.在一些实施方式中，在两相电机中，所述励磁绕组和电枢绕组分别由两套绕组组成，同一相中的两套绕组进行串联或并联，电机所有绕组中的电流由各绕组标号为纯数字端流入为正方向，因此，当绕组以端部连接方式缠绕于电机上可以使得电机中规定的正电流方向与拓扑电路中规定的正电流方向一致。
21.进一步的，通过励磁绕组的电流方向不变，因此通过绕组端部1、1’、2、2’的电流方向是不变的，通过电枢绕组的电流方向在一个电周期内变化两次，电枢绕组正向导通及反向导通的变化，绕组端部3、3’、4、4’中的电流方向同步变化。
22.本发明第一方面，励磁绕组通电时能够产生磁场给电机旋转提供能量，同时将励磁绕组中磁场能量进行复用，充当与第一开关管配合的电感(；本技术将励磁绕组进行复用，合理利用励磁绕组的磁储能和磁共能，励磁绕组在位置不变的同时实现电感功能，实现
调整电压至电机的额定电压等级，并且励磁绕组的续流回路使得输出电压稳定；电路元器件简单，极大简化电路结构，在不牺牲电机结构优势的同时进一步降低成本，拓宽其应用领域。第二方面，通过采用二极管实现电能向电容传输，，使得电枢绕组在换相或关断续流时的电压稳定，，提高驱动系统的效率。通过将高低压转换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，在不牺牲电机结构优势的同时进一步降低控制系统成本，拓宽其应用领域。第三方面该电路电压调节灵活，范围宽，在电源电压变化的同时可以通过调整占空比实现电机电枢电压稳定输出，具有高稳定性。
附图说明
23.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。
24.图1为本技术实施例1的适用于宽电源电压的两相开关磁阻电机的驱动拓扑电路的电路示意图。
25.图2为本技术的整距式srm运行一个电周期的原理图，其中，图2a为绕组电流为正方向的示意图，图2b为电机正电流方向与驱动拓扑电路正电流方向一致的示意图。
26.图3为本技术的驱动拓扑电路在电枢绕组正向导通时电流回路示意图。
27.图4为本技术的驱动拓扑电路在电枢绕组反向导通时电流回路示意图。
28.图5为本技术的驱动拓扑电路中电枢绕组的正向续流回路示意图。
29.图6为本技术的驱动拓扑电路中电枢绕组的反向续流回路示意图。
30.图7(a)为本技术的驱动拓扑电路中励磁绕组充电回路示意图；图7(b)为励磁绕组充电的同时电枢绕组正向导通的电流回路示意图；图7(c)为励磁绕组充电的同时电枢绕组反向导通的电流回路示意图；图7(d)为励磁绕组充电的同时电枢绕组正向续流状态的电流回路示意图；图7(e)为励磁绕组充电的同时电枢绕组反向续流状态的电流回路示意图。
31.图8(a)为本技术的驱动拓扑电路中励磁绕组续流回路示意图；图8(b)为励磁绕组续流的同时电枢绕组正向导通的电流回路示意图；图8(c)为励磁绕组续流的同时电枢绕组反向导通的电流回路示意图；图8(d)为励磁绕组续流的同时电枢绕组正向续流状态的电流回路示意图；图8(e)为励磁绕组续流的同时电枢绕组反向续流状态的电流回路示意图。
32.在图中，为了表示方便，部分开关管的内部二极管有绘出，虚线框内的开关管及内部二极管实际为一个总体的开关管，实际的驱动拓扑电路只有二极管vd。
具体实施方式
33.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。
34.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)。
35.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。
36.实施例1：
37.适用于宽电源电压的两相开关磁阻电机的驱动拓扑电路，所述驱动拓扑电路包括四个桥臂，四个桥臂的两端分别与电源的正负极连接，电源的正极与第一开关管连接再与第一桥臂连接，第一桥臂由励磁绕组组成，第二桥臂由电容组成，第三桥臂由第二开关管和第三开关管串联组成，第四桥臂由第四开关管和第五开关管组成，电枢绕组的一端与第二开关管和第三开关管之间的导线连接、另一端与第四开关管和第五开关管之间的导线连接，第一桥臂的正极与第二桥臂的负极之间设置有二极管，调节第一开关管的占空比来调节电压至电机的额定电压等级，通过控制第二桥臂和第三桥臂的开关管的导通或关断来实现电枢绕组的正向导通及反向导通。所述二极管的阳极与第二桥臂的负极连接、阴极与第一桥臂的正极连接，二极管起到反向的作用，所述第二开关管的一端与电源正极连接，第三开关管的一端与电源负极连接，第四开关管的一端与电源正极连接，第五开关管的一端与电源负极连接。所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管和第五开关管为三极管。所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管和第五开关管为npn型三极管。所述第一开关管的集电极与电源正极连接、发射极与第一桥臂的正极连接、基极与调压控制信号输出端连接；励磁绕组的入线端与第一开关管的发射极连接、出线端与电源负极连接；电容的一端与电源正极连接、另一端与电源负极连接；第二开关管的集电极与电源正极连接、发射极与第三开关管的集电极连接、基极与电枢绕组正向导通控制信号输出端连接，第三开关管的发射极与第一开关管的发射极连接、基极与电枢绕组反向导通控制信号输出端连接；第四开关管的集电极与电源正极连接、发射极与第五开关管的集电极连接、基极与电枢绕组反向导通控制信号输出端连接，第五开关管的发射极与第一开关管的发射极连接、基极与电枢绕组正向导通控制信号输出端连接；电枢绕组的一端与第二开关管的发射极连接、另一端与第四开关管的发射极连接，如图1所示。
38.所述第一开关管vt1、第二开关管vt2、第三开关管vt3、第四开关管vt4及第五开关管vt5设置有内部二极管vd1，电枢绕组a通过第二桥臂和第三桥臂的开关管的内部二极管vd1进行续流。所述内部二极管vd1与开关管反向并联，内部二极管vd1的阳极与开关管的发射极连接、阴极与开关管的集电极连接。在电力电子管中，所有的开关管无论igbt还是mosfet，其工艺和原理决定了这些管子只能控制单相导通关断，反向是二极管vd1，因此，开关管内部天然内置有反并联的内部二极管vd1。所述第一开关管vt1关断，且第二开关管vt2与第五开关管vt5导通、第三开关管vt3与第四开关管vt4关断，电枢绕组a正向导通；所述第一开关管vt1关断，且第三开关管vt3与第四开关管vt4导通、第二开关管vt2与第五开关管vt5关断，电枢绕组a反向导通；在一个电周期内，励磁绕组f持续单向导通，通过励磁绕组f的电流方向不变，电枢绕组a双向交替导通，通过第一开关管vt1控制对励磁绕组f充放电。电枢绕组a正向导通时，正向电流回路依次为：电容c1、第二开关管vt2、电枢绕组a和第五开关管vt5(如图3所示)；电枢绕组a反向导通时，反向电流回路依次为：电容c1、第四开关管vt4、电枢绕组a和第三开关管vt3(如图4所示)。电枢绕组a从正向导通状态转化为正向续流状态，电枢绕组a通过电容c1、第三和第四开关管vt4的内部二极管vd1形成续流回路，第一开关管vt1、第二开关管vt2和第五开关管vt5关断，其正向续流回路依次为：电容c1、第三开
关管vt3的内部二极管vd1、电枢绕组a和第四开关管vt4的内部二极管vd1(如图5所示)；电枢绕组a从反向导通状态转化为反向续流状态，电枢绕组a通过电容c1、第二和第五开关管vt5的内部二极管vd1形成续流回路，第一开关管vt1、第三开关管vt3和第四开关管vt4关断，其反向续流回路依次为：电容c1、第五开关管vt5的内部二极管vd1、电枢绕组a和第二开关管vt2的内部二极管vd1(如图6所示)。
39.通过调节第一开关管vt1的占空比来调节电容c1电压进而调节电枢绕组a电压，电源电压为v
dc
、第一开关管vt1的占空比为α、电枢绕组a两端电压为u0，则电源电压与电枢绕组a电压的关系为：其中，α》0.5时升压，α《0.5时降压。因此当电源电压与电机电压等级不匹配时，该电路可以调节电源电压以使得输出电压与电机绕组电压相匹配。当第一开关管vt1导通时，第一开关管vt1与励磁绕组f组成充电回路，电流方向依次为：电源正极、第一开关管vt1、励磁绕组f和电源负极，直流电源为励磁绕组f充电(如图7(a)所示)；同时，电容c1通过第三桥臂和第四桥臂的开关管对电枢绕组a进行供电，其中，电枢绕组a正向导通的电流回路为：电容c1、第二开关管vt2、电枢绕组a和第五开关管vt5，第二开关管vt2和第五开关管vt5导通、第三开关管vt3和第四开关管vt4关断(如图7(b)所示)；电枢绕组a反向导通的电流回路为：电容c1、第四开关管vt4、电枢绕组a和第三开关管vt3，第二开关管vt2和第五开关管vt5关断、第三开关管vt3和第四开关管vt4导通(如图7(c)所示)；电枢绕组a正向续流状态的电流回路为：电容c1、第三开关管vt3的内部二极管vd1、电枢绕组a和第四开关管vt4的内部二极管vd1，第二开关管vt2和第五开关管vt5关断、第三开关管vt3和第四开关管vt4导通(如图7(d)所示)；电枢绕组a反向续流状态的电流回路为：电容c1、第五开关管vt5的内部二极管vd1、电枢绕组a和第二开关管vt2的内部二极管vd1，第二开关管vt2和第五开关管vt5导通、第三开关管vt3和第四开关管vt4关断(如图7(e)所示)。
40.当第一开关管vt1关断时，励磁绕组f通过二极管vd1和电容c1形成续流回路，励磁绕组f续流回路依次为：励磁绕组f、电容c1和二极管vd1(如图8(a)所示)电容c1为滤波电容c1，起到稳定开关管两侧电压的作用，二极管vd1的作用是防止电容c1对励磁绕组f放电；励磁绕组f对电容c1进行充电的同时为电机供电，其中，电枢绕组a正向导通的电流回路为：电容c1、第二开关管vt2、电枢绕组a和第五开关管vt5，第二开关管vt2和第五开关管vt5导通、第三开关管vt3和第四开关管vt4关断(如图8(b)所示)；电枢绕组a反向导通的电流回路为：电容c1、第四开关管vt4、电枢绕组a和第三开关管vt3，第二开关管vt2和第五开关管vt5关断、第三开关管vt3和第四开关管vt4导通(如图8(c)所示)；电枢绕组a正向续流状态的电流回路为：电容c1、第三开关管vt3的内部二极管vd1、电枢绕组a和第四开关管vt4的内部二极管vd1，第二开关管vt2和第五开关管vt5关断、第三开关管vt3和第四开关管vt4导通(如图8(d)所示)；电枢绕组a反向续流状态的电流回路为：电容c1、第五开关管vt5的内部二极管vd1、电枢绕组a和第二开关管vt2的内部二极管vd1，第二开关管vt2和第五开关管vt5导通、第三开关管vt3和第四开关管vt4关断(如图8(e)所示)。
41.在一些实施方式中，在两相电机中，所述励磁绕组f和电枢绕组a分别由两套绕组组成，同一相中的两套绕组进行串联或并联，电机所有绕组中的电流由各绕组标号为纯数字端流入为正方向(如图2a所示)，因此，当绕组以端部连接方式缠绕于电机上可以使得电机中规定的正电流方向与拓扑电路中规定的正电流方向一致(如图2b所示)。
42.进一步的，通过励磁绕组f的电流方向不变，因此通过绕组端部1、1’、2、2’的电流方向是不变的，通过电枢绕组a的电流方向在一个电周期内变化两次，电枢绕组a正向导通及反向导通的变化，绕组端部3、3’、4、4’中的电流方向同步变化。
43.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。