CN1008496B - 开关式磁阻电机的驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明阐述一种开关式磁阻电机的驱动电路，它适用于四相四线星形联接的开关式磁阻电机。本电路的特征是采用相邻二相串联通电的方式工作，可以为电机提供大功率高能量的励磁脉冲电流。采用本发明的电路工作，电流既可以从电源的正极流出，也可以从电源的正极流入，控制电能的流向可以改变振荡电压调节励磁电流。本电路的控制方式非常灵活，既可作正弦波控制也可作准方波控制，还能以二并一串三相通电的交叉重迭换相方式工作。

Description

发明范围

本发明阐述一种开关式磁阻电机的驱动电路，具体地说是阐述一种用于四相四线星形联接的开关式磁阻电机的驱动电路。本发明电路的特征是采用二相串联同时通电的方式工作。

发明背景

在诸多实际应用场合，希望采用无刷的变速电机，为满足这一需要，各种电子-电机系统被研制出来，目前仍在不断地探索，改进与发展之中。开关式磁阻电机，作为一个电子电机的新品种。在这一技术领域出现之后，也得到了迅速的进步、提高与完善。

就电机的作用原理而言，开关式磁阻电机与步进电机作用原理相同，但前者用于大功率变速驱动，后者用于位置增量控制。不同的用途提出了不同的要求，从而导致其控制方式与驱动电路方面的独立发展方向。

目前，用于开关式磁阻电机的驱动电路已有数种相继问世。但是这些电路有一个共同的特点，就是采用各相分别通电的方式运行。工作时，电机的各相绕组，根据转子位置信息，按照一定顺序逐次接通。

本发明提出的驱动电路，是针对只有四根引出线的四相绕组星形联接的开关式磁阻电机的工作特点而研制的。说它新颖是指本电路采用了二相绕组串联通电的方式运行。用这种方式工作时，由于电机绕组的星中点没有外接引线，因此，单独导通一相，线圈不能通电，只有当二相同时导通时，电路才能接通。

采用本发明提出的电路工作，不仅可以为电机提供大功率高能量的励磁脉冲，而且还改进了电机的接线方式，使电机的运行特性也有明显提高。

发明目的

本发明的目的之一是为了提供一种传递功率大、控制简单、运行可靠、适合于驱动四相可变磁阻电机的电子开关电路。

本发明的另一目的是为了提供一种可以灵活地改变电流电压幅值，具有双向控制作用，适合于电机的正反转与变速变矩运行要求的简单而有效的电子开关电路。

本发明的进一步目的是为了提供一种有利于改进电机的接线型式，有利于提高电机的运行特性，既可作正弦波控制，也可作准方波控制和便于用交叉重迭换相方式运行的开关式磁阻电机的改进电路。

发明概述

本发明适用于四相四线星形联接的开关式磁阻电机。

本发明的特点是利用电机四相绕组的线圈电感，二个电容和连接在电感、电容与电源的正负极之间轮流导通的晶闸管形成振荡电路。

根据本发明提出的电路，电机每相引出线接有2-3个晶闸管。电流既可以从电源正极流出，也可以从电源正极流入，控制电能的流向就可以调节系统的振荡电压。

本发明的另一特点是控制方式灵活，既可作正弦波控制，也可作准方波控制。改变晶闸管的导通顺序与组合形式便能够得到一系列不同的速度转矩特性。

本发明的再一个特点是相邻二相晶闸管的连接方向相反，采用二相串联同时通电的方式工作。电流由一相引线流入，从相邻的另一相引线流出。经过线圈的电流是单方向的，相邻二相磁极的极性方向相反。

本发明的进一步描述与附图配合进行，图中显示了本发明电路的工作原理。

附图简介

在附图中，

图1是可利用本电路驱动的开关式磁阻电机原理图。

图2是本发明电路的结构图。

图3是图2电路的简化原理图。

图4是采用正弦波控制方式工作的电流波形图。

图5是采用准方波控制方式工作的电流波形图。

图6是采用钳位二极管抑制振荡电压的一种改进电路图，它是图2电路的一种变化形式。

具体描述

如图所示，图1是适合用本发明电路驱动的开关式磁阻电机原理图，有二种不同的极性排列方式。一种是按照N-S-N-S-N-S-N-S方式排列，径向对面同相磁极的极性方向相同;另一种是按照N-S-N-S-S-N-S-N方式排列，径向对面同相磁极的极性方向相反。二种极性排列方式的电机原理与各自的特点在我的另一件专利申请“四相四线星形联接的开关式磁阻电机”中有详细描述，此不重叙。

电路结构

图2是本发明的驱动电路结构图。为了清楚起见，省去了如缓冲器之类的保护元件。

图2中，虚线框内是电机内部接线。电感线圈10、20、30、40是电机A、B、C、D各相的励磁线圈。绕组接成四相星形，仅有四根外接引线，线圈10、20、30、40的尾端（A′、B′、C′、D′）与星中点80相连;线圈10、20、30、40的首端（A、B、C、D）用导线14、24、34、44引出，与晶闸管 开关元件相连。

现在观察电路的其它部分，它包括一个直流电源，二个换向电容和12个晶闸管元件。

如图2所示，电机的每相引出线上接有三只晶闸管，其中，一只接到电源正极（或负极），与电源连接方向相同。一只接到电源负极（或正极），与电源连接方向相反。另一只接至两个串联电容的中间接点上。两个串联连接的电容60和70，接在电源50的正负极之间。

仔细观察图2可以看出，错开的二相晶闸管的接法完全相同，相邻二相晶闸管的连接方向相反。为了下面的叙述方便起见把接法相同的合并在一起，把图2的电路简化成图3的形式。

在图3中，各相绕组与晶闸管元件的数字标记与图2中一致，C、D二相各元件的相应标记放在小括号中。另外，在简化电路中，把单电源改用双电源表示，电容60和70也用一只等效电容67代替。

运行

电机旋转时，定转子磁极之间的相对位置发生周期的变化，磁路的磁阻也随之变化，在磁阻减小（或电感上升）期间给励磁线圈供给脉冲电流时，产生的电磁引力与电机旋转方向一致，若使励磁电流作用在磁阻增大（或电感下降）期间，则产生与电机旋转方向相反的电磁转矩。

驱动电路的作用就是根据上述的磁阻变化周期，在产生定向转矩的作用区间及时地开通或关断电路，周期重复地给电机提供励磁脉冲电流，以获得连续的电动机运转或工作于发电运行状态。

正弦波控制

利用电路的谐振性质，交替地导通两对晶闸管，可产生一系列正弦波形的励磁脉冲。图4是采用正弦波控制方式工作时的电流脉冲波形图。现以AB二相通电的情况为例说明电路的工作过程，BC、CD、DA各相 的工作情况与此类似，不一一介绍。

用正弦波控制方式工作，AB二相通电时，晶闸管的导通次序为：15、26-16、27……

参见图3，晶闸管15、26同时导通时，电流的路径是：电源正极端点51-晶闸管15-A相引线14-线圈10-星中点80-线圈20-B相引线24-晶闸管26-电容67-接地端。

由于电路的谐振性质，流过的电流是半个正弦波，正弦脉冲的宽度，由电机绕组电感与电容的数值大小决定。

流过半个正弦波电流之后，晶闸管15、26关断，此时电容67的电压极性为正（电容67的接地端电位为零）

晶闸管15、26关断后，触发脉冲加在晶闸管16、27的控制极上，使晶闸管16、27同时导通。此时电容放电，电流路径是，电容67-晶闸管16-A相引线14-线圈10-星中点80-线圈20-B相引线24-晶闸管27-电源负极端点52。

如前所述，由于电路的谐振性质，流过半个正弦波之后，晶闸管16、27关断。此时，电容67电压极性为负。

晶闸管16、27关断后，又可使晶闸管15、26导通……晶闸管导通一次，电容电压翻转一次，流过半个正弦波的电流。交替地触发晶闸管15、26和晶闸管16、27，使这两对晶闸管轮流导通，电路反复振荡，便可向A相绕组10和B相绕组20提供一系列“馒头”状的正弦励磁脉冲。

图4是采用正弦波控制方式，触发脉冲的间隔时间与电流脉冲的宽度相等，电路在自然换向状态下工作的电流脉冲波形图。

从图4的波形可以看出，采用正弦波控制方式，在自然换向状态工作时，晶闸管导通的起始电流小，这就降低了晶闸管的开通损耗，促进了较佳的效率，并有利于高频运行。在大功率场合采用这种方式工作比 较有利。但是，另一方面，由于电流是一些断续的正弦波，产生了很大的脉动力矩，为了减小力矩脉动，可以采用准方波控制方式工作。

准方波控制

为了得到近似的方波电流脉冲波形，在正弦波控制工作方式的基础上，利用电机绕组电感的续流特性，采用补脉冲的方法、打开相应的续流回路，可得到准方波控制的工作方式。

仍以AB二相通电的情况为例介绍电路的工作过程。

用准方波控制方式工作、AB二相通电时，晶闸管的导通次序为：15、26-26、16-16、27-26、16……与此对应的工作状态为：谐振-续流-谐振-续流……

如前所述，晶闸管15、26导通时，电路工作在谐振状态，绕组电流按照正弦曲线上升，在电流上升到峰值之后开始下降时，给晶闸管16补一个触发脉冲，于是进入续流状态，续流回路沿晶闸管16-引线14-线圈10-星中点80-线圈20-引线24-晶闸管26-晶闸管16而闭合。在电机绕组自感电势作用下，绕组电流按照指数规律衰减。

与此相仿，晶闸管16    27导通时，在电流上升到峰值之后，只要给晶闸管26补一个触发脉冲，电路也会进入续流状态工作。电流按照指数规律衰减，直至再次触发晶闸管15、26时电路重新转向谐振状态工作。如此反复，就会得到如图5所示的励磁脉冲波形。

从图5电流波形可以看出，用准方波控制方式工作，通过线圈的电流是波动量较小的不间断的连续电流，这对减小力矩的脉动有利。但另一方面，由于电路用强迫换向的方式换流，晶闸管开通时，电流变化率很大。为了避免晶闸管损坏，保证电路可靠工作，需要串入适当的电感（图中未示出）进行保护，把通过晶闸管的电流变化率限制在允许的范围之内。

同步驱动与交叉重迭换相

电机旋转时，每经过一个换相点，位置传感器信号改变一次状态。按照运行要求，转子经过第一个换相点后，晶闸管15、26、16、27工作，AB二相通电;转子经过第二个换相点后，晶闸管35、26、36、27工作，BC二相通电;转子经过第三个换相点后，晶闸管35、46、36、47工作，CD二相通电;转子经过第四个换相点后，晶闸管15、46、16、47工作，DA二相通电……此后，则重复上述过程，同步地给各相提供励磁电流，驱动电机旋转。

根据电机的同步驱动特点，应该在位置检测信号改变状态时刻及时进行换相。希望无级变速时，转速是连续变量，电机的换相频率与各相的励磁接通周期是时间的连续函数。因此要求驱动电路在宽广的调速范围内，也能跟随转速变化，连续地改变励磁脉冲宽度。

采用普通晶闸管作为开关元件，可以提供高能量的励磁脉冲电流，有利于大功率运行。但是普通晶闸管无自关断能力，用于开关式磁阻电机，在位置检测信号改变状态的时刻，瞬时换相有困难。另一方面，为了提高电机的运行特性，则希望换相期间也能输出高转矩，保持电流连续，供电不得中断。这些问题如何处理？本电路采用连续供电，交叉重迭换相方式运行，使问题得到妥善解决，并提高了电机的运行特性。

现以转子位置经过第一个换相点的工作情况为例介绍电路的控制方法。

在第一个换相点之前，晶闸管15、46、16、47轮流导通，DA二相通电。当转子位置接近第一个换相点时，增加一个插入脉冲，在触发晶闸管15、46的同时也触发晶闸管26，使晶闸管15、26、46同时导通;或者，在触发晶闸管16、47的同时也触发晶闸管27，使晶闸管16、27、47同时导通。于是D、A、B三相绕组同时通电，以二並一串的方式工作。励磁电流 从A相流入，由B、D二相流出，A相电流等于B、D二相电流之和。通过第一个换相点之后，位置传感器信号改变状态，AB二相通电，D相停止工作。

经过其它几个换相点的工作情况与此相同，插入脉冲的提前时间由时限控制电路给定，驱动电路以二並一串三相同时通电的方式越过换相点，电机用交叉重迭换相，不间断的连续供电方式运行。

电压控制与电流调节

为了有效地控制振荡电压调节励磁电流，电机的每相引出线上都接有一只用于仰制振荡电压的反接晶闸管。如图2所示，晶闸管17、25、37、45的接法与电源方向相反，利用它们可使振荡回路的储能返回直流电源。

下面以AB两相通电为例，介绍利用反接晶闸管向电源回馈电能，仰制振荡电压调节励磁电流的工作情况。

参见图3，晶闸管15、26与晶闸管16、27轮流导通时电路在谐振状态工作，电流方向与电源电势方向相同，振荡回路“吞入”电源提供的能量，振荡电压上升，振荡电流增长，单一采用15、26-16、27轮流导通的方式工作，振荡的稳态电压由电路的Q值决定。电路的Q值是与转速有关的变量，低速时，振荡电压的峰值可达电源电势的5-8倍。

需要降低振荡电压时，可使晶闸管16、25和晶闸管17、26轮流导通。此时，电容对电源放电，电流方向与电源电势方向相反。电路在电源仰制振荡状态工作，振荡回路“吐出”能量。振荡电压减小，振荡电流下降，单一采用16、25-17、26轮流导通的方式工作，可使振荡电流迅速衰减到零，直至停止振荡。

将上述两种方式联合使用，改变晶闸管的导通顺序与组合形式，灵活地控制电路“吞入-吐出”的能量比率，就可以方便地调节振荡电压，改变励磁电流，在宽广的范围实现变速变矩运行。

以上叙述了用反接晶闸管控制荡振电压调节励磁电流的方法，下面进一步阐述一种不用反接晶闸管，依靠钳位二极管限制振荡电压，通过改变触发脉冲频率调节励磁电流的控制方法。

图6是采用钳位二极管仰制振荡电压的一种改进电路。在图6中，电机绕组改用双线並绕，分为主付两套。付绕组通过钳位二极管接在电源的正负极之间构成钳位回路。如果付绕组的感应电势超过电源电势，就通过钳位二极管把电流反馈到直流电源中去。

图6是图2电路的一种变化形式，仔细观察图6电路可以发现，如果主、付绕组线圈匝数相等，只要把主、付绕组的同相引出线相互连接（即把引线14与140、24与240、34与340、44与440相连），再把四只二极管换成晶闸管，就可以把图6电路还原成图2的形式。

由于图6电路与图2电路基本原理相同，所以图2电路的基本工作方式同样适用于图6电路。不过由于图6电路改用钳位二极管仰制振荡电压，振荡电压的上限由主付绕组的线圈匝比决定，不能借助控制振荡电压调节励磁电流，而是采用另一种简单有效的办法，即通过改变触发脉冲的频率、控制进入电机绕组的电流脉冲数量，进而调节电流。

除了上面介绍的两种方法之外，还有一些控制电流有效值的方法。

例如，采用准方波控制，电路按照谐振-续流的方式工作。谐振时电源提供电能，续流时，电感释放电能维持电流。因此，改变谐振-续流的周期比率也可以调节电流。

总之，本电路的控制方式非常灵活，晶闸管的使用数量根据工作方式决定，不考虑再生制动和发电运行时，四只反接晶闸管可以不用或者只用二只。采用双电源供电时只需要一个换向电容。

Claims (4)

1、一种用于开关型磁阻电机的驱动电路，电机的绕组接成四相星形，无星中点引出线，二个电容和连接在电感、电容与电源的正负极之间轮流导通的晶闸管形成振荡电路。

2、根据权利要求1所述的驱动电路，其特征是：所说的电机每相绕组引出线上接有3只晶闸管，其中，一只接到电源的正极（或负极），与电源的连接方向相同;一只接电源的负极（或正极），与电源连接方向相反;还有一只接至二个串联所说的电容的中间接点上;所说的二个串联连接的电容接在直流电源的正负极之间。

3、根据权利要求1所述的驱动电路，其特征是：所说的电机每相绕组由主（励磁）付（钳位）绕组组成，所说的励磁绕组的每相引出线上接2只晶闸管，其中，一只接到电源的正极（或负极），与电源的连接方向相同;一只接至二个串联所说的电容的中接点上;所说的二个串联连接电容接在直流电源的正负极之间;所说的钳位绕组的每相引出线通过一只钳位二极管接到电源的正极或负极，当所说的钳位绕组的感应电势超过电源电势时，就通过该钳位二极管把电流回输到直流电源中去。

4、根据权利要求2或3所述的驱动电路，其特征是：错开的二相所述的晶闸管的接法完全相同，相邻的二相所述的晶闸管的连接方向相反;电流由A相或C相流入，从B相或D相流出;线圈流过单方向的电流，相邻二相的电流方向相反。

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