CN100413201C - 三相全桥电路功率开关器件分频错相斩波控制方法 - Google Patents

三相全桥电路功率开关器件分频错相斩波控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明给出一种三相全桥电路功率开关器件分频错相斩波控制方法，电路包括三相全桥功率开关电路及其主控制器，控制步骤是：A.主控制器产生斩波控制波形PWM，频率为f，占空比是a/(a+b)；B.将波形PWM经过分频错相后输出两路斩波控制波形PWML和PWMH，斩波控制波形PWML和PWMH的频率为f/2，占空比是(2a+b)/2(a+b)；两路波形相位相差90度电角度；C.根据主控制器检测电机状态发出的位置信号，确定斩波控制波形PWML和PWMH的控制对象，即三相全桥功率开关电路中两个功率开关器件，用波形PWML控制一桥臂的功率开关器件的上管，用波形PWMH控制另一对应桥臂的功率开关器件的下管；D.同理，根据主控制器的电机状态位置信号，按C步骤循环控制三相全桥功率开关电路中各个功率开关器件的工作状态。

Description

三相全桥电路功率开关器件分频错相斩波控制方法
技术领域
本发明涉及一种三相全桥电路功率开关器件分频错相斩波控制方法，用于三相全桥开关电路领域。
背景技术
三相全桥开关电路广泛用于作为各种负载电源和控制电路。稀土永磁无刷直流电机就是应用三相全桥开关电路控制。稀土永磁无刷直流电机中线圈电流的通断一般是由控制器中的功率开关器件控制。但当线圈电流达到一定大小时，电流的继续增大会超过功率开关器件的安全容量。尤其在低压大功率的场合，线圈电流增加的速度会很快，此时必须关断功率开关器件，以减小流过功率开关器件的电流，在电流减小到一定值时，再接通功率开关器件。
功率开关器件的接通与关断采用的是斩波控制方法，其常规的关断方式一般有硬关断及软关断两种。现以三相Y形无刷直流电机及三相全桥控制器为例说明，图1是电机及三相全桥功率开关电路原理，采用两相通电方式，以A、B相通电说明如图1：
在电机的A、B相通电时，电流回路为：电源正极→功率管Q1→线圈A→线圈B→功率管Q5→电源负极。现有的功率开关器件的斩波控制方式主要有以下几种：
(1)硬关断方式：即将功率开关器件Q1、Q5都关断，线圈电流通过功率开关器件Q1、Q5的续流二极管向电源回馈能量，线圈两端的电压极性相反，由于线圈电流在反向电压的作用下会很快衰减，因此硬关断方式控制快速。
(2)软关断方式一：即将功率开关器件Q1关断、Q5保持导通，线圈电流通过功率开关器件的续流二极管续流，线圈两端电压等于0，在反电势的作用下线圈电流减小，但线圈电流衰减的速度比硬关断方式要缓慢。
(3)软关断方式二：即将功率开关器件Q5关断、Q1保持导通，线圈电流通过功率开关器件的续流二极管续流，线圈两端电压等于0，在反电势的作用下线圈电流减小，但线圈电流衰减的速度比硬关断方式要缓慢。
以上几种控制方式可以保证功率开关器件的斩波控制，但在电机线圈电流上升快、且电流较大的场合下，不论采用何种控制方式，功率开关器件的斩波频率是固定的，设计中会有以下矛盾：若功率开关器件的斩波频率低，则线圈电流会上升到很高，功率开关器件难以匹配，容易损坏，同时线圈电流波动大，造成电机的转矩波动大；若功率开关器件的斩波频率高，则功率开关器件的开关应力及开关损耗大，还会影响功率开关器件的使用寿命。
在功率开关器件的斩波控制方式中，国内均采用的是上文中论述的控制方式。
发明内容
本发明目的是给出一种三相全桥电路功率开关器件分频错相斩波控制方法，在保证三相全桥电路输出高斩波频率的情况下，三相全桥电路中的功率开关器件的斩波频率只有其一半。
本发明技术方案：为解决线圈需要高斩波频率，功率开关器件需要低斩波频率的矛盾要求，设计分频错相的斩波控制，在保证线圈高斩波频率的基础上，将功率开关器件的斩波频率降至线圈斩波频率的一半。电路包括三相全桥功率开关电路及其主控制器，控制步骤是：
A.主控制器产生斩波控制波形PWM，频率为f，占空比是a/(a+b)；
B.将波形PWM经过分频错相后输出两路斩波控制波形PWML和PWMH，斩波控制波形PWML和PWMH的频率为f/2，占空比是(2a+b)/2(a+b)；两路波形相位相差90度电角度；
C.根据主控制器检测电机状态发出的位置信号，确定斩波控制波形PWML和PWMH的控制对象，即三相全桥功率开关电路中两个功率开关器件，用波形PWML控制一桥臂的功率开关器件的上管，用波形PWMH控制另一对应桥臂的功率开关器件的下管；
D.同理，根据主控制器的电机状态位置信号，按C步骤循环控制三相全桥功率开关电路中各个功率开关器件的工作状态。
本发明的优点：该控制方式有两点好处：一是单个功率开关的斩波频率只有线圈电流斩波频率的一半，降低了功率开关斩波频率，降低了功率开关的应力水平和开关损耗，并且同一回路中控制线圈的两个功率开关器件轮流关断，发热及开关应力较均衡。同时保证了线圈的高斩波频率，使其电流及电机的转矩波动较小。二是当上管(如图1所示A、B相通电时的Q1)关断而下管(如图1所示A、B相通电时的Q5)未关断时，为绕组提供了一个无源小衰减的自续流通道，较之将续流能量返回电源电容，绕组电流的波动将减小，则电机的力矩波动随之减小。
附图说明
图1是负载是电机时三相全桥功率开关电路原理图；
图2是本发明方法逻辑框图；
图3是分频错相控制波形图。
具体实施方式
为解决负载及功率开关器件对斩波控制中斩波频率的需求矛盾，设计分频错相的斩波控制方法。
如图1负载是电机时三相全桥功率开关电路原理图：包括由Q1～Q6组成的三相全桥功率开关电路及其主控制器；A、B、C是负载电机线圈及其检测电路；直流供电电源BATERY及电容CAP1。
图2是本发明方法逻辑框图，其具体控制步骤是：
A.主控制器产生斩波控制波形PWM，频率为f，占空比是a/(a+b)；
B.将波形PWM经过分频错相后输出两路斩波控制波形PWML和PWMH，斩波控制波形PWML和PWMH的频率为f/2，占空比是(2a+b)/2(a+b)；两路波形相位相差90°电角度；
C.主控制器根据位置传感器检测的电机状态及位置信号，确定斩波控制波形PWML和PWMH的控制对象，即三相全桥功率开关电路中两个功率开关器件，用波形PWML控制一桥臂的功率开关器件的上管，用波形PWMH控制另一对应桥臂的功率开关器件的下管；
D.同理，主控制器根据位置传感器检测的电机状态及位置信号，按C步骤循环控制三相全桥功率开关电路中各个功率开关器件的工作状态。
图3是分频错相控制逻辑图：
现以图1中A、B相通电为例说明：主控制器产生PWM斩波控制波形，见图3中PWM波形，频率为f，占空比是a/(a+b)。经过分频错相后输出两路斩波控制波形，见图3中PWML、PWMH。图3中PWML、PWMH的斩波频率只有PWM的一半(f/2)，占空比是(2a+b)/2(a+b)。其中PWMH控制图1所示的功率开关器件Q1，PWML控制图1所示的功率开关器件Q5。这样就保证了线圈电流的高斩波频率f，同时功率开关器件Q1、Q5的斩波频率只有其一半(f/2)。由于PWML与PWMH错90°电角度的相位。当通路中上管及下管同时接通时，线圈才通电，这样就保证了线圈的斩波频率的同时，使功率开关器件的斩波频率降低一半。
若功率开关器件的斩波频率高，则开关的应力及开关损耗大；若功率开关器件的斩波频率低，则绕组的电流波动大，电机的转矩波动大。为解决这一矛盾，在本发明的斩波控制中，采用了两路分频错相的控制方式：主控制器(MCU)根据电机状态发出19.53kHz的PWM信号送至FPGA，FPGA对该信号分频错相，产生9.765kHz的两路PWM信号，根据位置信号，确定两个功率开关器件(一相上管及另一相下管)的工作状态，其中一路控制上管，另一路控制下管，两路PWM信号互错90°相位，轮流关断，上下管均开通时则对电机绕组供电，产生电磁转矩。
以图1为例，电机工作方式为三相六状态说明：若此时电机的A、B相绕组通电，Q1、Q5斩波控制，Q1、Q5同时导通时，电源对电机A、B相绕组供电，Q1关断时，功率开关器件处于硬关断方式；Q5关断时，功率开关器件处于软关断方式。MCU输出PWM控制波形，经过FPGA分频错相产生两路PWM波形：PWMH及PWML，PWMH控制Q1、PWML控制Q5。电流通路为：电源正极→Q1→A相绕组→B相绕组→Q5→电源负极。采用分频错相控制方式后可以看出：在电机A、B相绕组工作时，保证绕组较高的斩波频率的同时，还能保证Q1、Q5只有绕组一半的斩波频率
本发明的核心利用两路分频错相的控制信号，分别控制桥式开关电路中各组对应上、下管的导通关断关系，因此，凡是采用了两路分频错相的控制波形，控制桥式开关电路工作状态的，均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1. 一种三相全桥电路功率开关器件分频错相斩波控制方法，包括三相全桥功率开关电路及其主控制器，其特征在于控制步骤是：
A.主控制器产生斩波控制波形PWM，频率为f，占空比是a/(a+b)；
B.将波形PWM经过分频错相后输出两路斩波控制波形PWML和PWMH，斩波控制波形PWML和PWMH的频率为f/2，占空比是(2a+b)/2(a+b)；两路波形相位相差90度电角度；
C.主控制器根据位置传感器检测的电机状态及位置信号，确定斩波控制波形PWML和PWMH的控制对象，即三相全桥功率开关电路中两个功率开关器件，用波形PWML控制一桥臂的功率开关器件的上管，用波形PWMH控制另一对应桥臂的功率开关器件的下管；
D.同理，主控制器根据位置传感器检测的电机状态及位置信号，按C步骤循环控制三相全桥功率开关电路中各个功率开关器件的工作状态。
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