[发明专利]电机驱动主电路结构及其信号调制方法、控制器

说明书

本发明涉及电力电子技术领域，公开了一种电机驱动主电路结构及其信号调制方法、控制器。其包括：容抗相同的第一电容和第二电容、2n个第一功率开关管以及2n个第二功率开关管；每两个第一功率开关管构成一电源桥臂，各电源桥臂中两个第一功率开关管的连接点为每相的负载接入点；第一电容和第二电容串接形成直流分压支路，各电源桥臂和直流分压支路均并联于直流电源两端；第一电容和第二电容的连接点为中性点；各第二功率开关管的一端均连接于中性点，另一端均连接于各相负载接入点，且各相负载接入点连接有2个第二功率开关管。本实施方式能够提高电机正常运行时电机驱动装置对扭矩与速度的控制精度，并且降低电机驱动装置中功率器件所承受的电压应力。

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种电机驱动主电路结构及其信号调制方法、控制器。

背景技术

随着电力电子技术的飞速发展，正弦波输出的变压变频电源等的电驱动器已被广泛应用于各个领域之中，与此同时对其电压波形质量也提出了越来越高的要求。对逆变器输出的波形质量的要求一般包含两个方面：一是稳态精度，二是动态性能。因此，能同时兼顾两者的逆变结构与控制策略成为了电力电子的研究热点之一。

对于电机驱动器而言，逆变电路是驱动器设计的核心部分，其性能直接决定驱动器的好坏。按照功率器件类型，可分为半控型逆变电路和全控型逆变电路。半控型逆变电路采用晶闸管为功率器件，全控型逆变电路采用GTO(Gate Turn-Off Thyristor，可关断晶闸管，亦称门控晶闸管，简称GTO)、电力MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管，简称MOSFET)或IGBT(Insulated GateBipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管，简称IGBT)。

“多相半桥逆变电路”作为一种全控型逆变电路被广泛应用于多相感应电机与多相无刷电机的驱动器电力变换电路中。当电机处在“启动”或“加速”等需要大扭矩输出的时刻，相应的电机驱动主电路结构输出功率较大，而正常运行时所需的输出功率则相对较小。提高直流侧电压等级可以增加功率的输出范围，使“启动”或“加速”时电机能更快地达到转速控制目标值。但提高直流侧电压等级同时也意味着减小了电机在正常运行时的控制精度。这一稳态与动态性能之间的矛盾使“多相半桥逆变电路”作为电机驱动器已经逐渐不能满足现代工业生产制造的精度要求，随着功率半导体器件性能的提升以及DSP(DigitalSignal Pro)、FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列，简称FPGA)等微处理器的应用和发展，驱动器功率拓扑结构慢慢朝着更为复杂的结构发展。

发明人在实现本发明的过程中发现：作为电机驱动器功率拓扑，虽然有诸多不足，但“多相半桥逆变电路”结构应用仍最为广泛。针对不同的应用场合，也涌现出许多新型电机驱动功率拓扑。其中“二极管中性点钳位(NPC)三电平拓扑”最为突出，多电平的拓扑结构使得高精度控制的优点明显，常用于精密工件台，如光刻机。但由于该拓扑结构相较“多相半桥逆变结构”功率器件增加较多，调制复杂，并存在电容电压平衡等新问题。作为产品应用范围狭窄且价格昂贵。

作为上述拓扑结构的变形之一，徐殿国等人的专利《一种新型模块化多电平换流器拓扑》提出了一种模块化多电平新型拓扑，但该拓扑各电容充放电时间的不同造成电容电压不平衡，增加了系统动态控制的难度。

作为上述拓扑结构的变形之二：吴海波等人的专利《级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统及其控制方法》所提出的新型拓扑，从一定程度上解决了谐波问题，提高了功率质量但是仍然存在于钳位电容或二极管耐压要求较高，且随着功率单元数增多，钳位电容或二极管数量将成倍增长，导致电路复杂。

作为上述拓扑结构的变形之三：曾翔君等人的专利《一种带有自平衡辅助桥臂的五电平中点钳位逆变器拓扑》在二极管钳位五电平逆变拓扑之上，加入了电容自平衡模块，解决了电容均压问题。但是电容自平衡模块额外增加了8个功率开关管，提高了成本。