CN102077460A - Pm电动机驱动电源装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种PM电动机驱动电源装置，其通过直流电源(1)驱动三相PM电动机，其特征在于，控制单元(7)以脉冲电压产生单元(2)的反向导通型半导体开关(S1～S4)的位于对角线上的对同时进行导通/截止动作的方式进行控制，且以上述极性切换单元(5)的由3列构成的开关的导通/截止动作交替且按照与上述脉冲电压产生单元(2)的反向导通型半导体开关(S1～S4)相同的定时进行的方式进行控制，同时根据旋转位置信号选择极性切换单元(5)的开关，将脉冲电压产生单元(2)的直流脉冲输出转换为三相交流电流的极性，作为驱动电流提供给PM电动机(4)。

Description

PM电动机驱动电源装置
技术领域
本发明涉及通过电池驱动永磁式同步电动机(以下称之为PM电动机)的PM电动机驱动电源装置，尤其涉及能够使用磁能再生开关，通过电压较低的电池以高电压和高电流驱动PM电动机的PM电动机驱动电源装置。
背景技术
电动机与发电机同样，旋转就会产生正比于转速的反电动势，因而，当通过电压源进行驱动时，为了与之对抗地使电流流过，就需要正比于转速而提高电源电压。
另一方面，在通过超过1万kW的大容量晶闸管转换器进行驱动的晶闸管电动机中，由于在电动机侧产生电压，因此能实现自然转流方式的电流型驱动，而且开关的导通/截止属于软开关(soft switching)。
如果以高速驱动电动机，则电压型逆变器就需要高电压的电压源，有电压源电容器的电容和尺寸变大的缺点。
另外，在近些年来推进开发的汽车用PM电动机中，必要扭矩被要求到全速域，在高速情况下，同时需要高电压与其相应的大电流。关于不使用电压源电容器的电流型逆变器而言，切断时的缓冲(snubber)功率大，由于该缓冲功率的处理导致效率降低。
为了用于高速所需的高电压的电压源，采用了将DC升压转换器连接到电压源上，将升压后的电源提供给电动机的系统。
另外，在高速情况下，有时还采取被称作弱磁场运转的运转方法。这是一种使无效电流流过来减弱磁场，以相同电压源来进行高速域运转的方法，然而却无法否认效率下降的事实。
对于汽车，期待实现短时间的峰值输出和小型轻量化，谋求提出一种符合该要求的电动机驱动电源装置。
通过电池驱动的汽车所采用的高压层叠电池存在性能恶化的问题，还具有触电等危险性，因而存在希望将多个低电压电池并联连接来使用的要求。
发明内容
本发明就是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种能够使用较低电压的电池以高电压且大电流驱动PM电动机的PM电动机驱动电源装置。
本发明涉及一种PM电动机驱动电源装置，其通过直流电源1驱动具有N个(N是大于等于3的自然数)相的永磁式同步电动机(以下称之为PM电动机)，本发明的上述目的通过具有如下特征的PM电动机驱动电源装置来实现，其具有：脉冲电压产生单元2，在其交流输入端子a、b上从上述直流电源1经由电抗器3来进行输入；极性切换单元5，其与上述脉冲电压产生单元2的直流输出端子c、d连接，按照上述PM电动机4的每个相来切换通过上述脉冲电压产生单元2产生的脉冲电压，作为交流电流提供给上述PM电动机；平滑电感，其使上述极性切换单元5的输出变得平滑；旋转位置传感器6，其检测上述PM电动机4的旋转位置并输出旋转位置信号；以及控制单元7，其对上述脉冲电压产生单元2和极性切换单元5的开关进行导通/截止控制，并且，上述脉冲电压产生单元2具有：连接成电桥的4个反向导通型半导体开关S1、S2、S3、S4；以及电容器，其与上述电桥的直流输出端子c、d连接，使电流切断时的电流的磁能再生而进行蓄积，上述控制单元7以上述脉冲电压产生单元2的反向导通型半导体开关S1～S4的位于对角线上的对同时进行导通/截止动作的方式进行控制，且以上述极性切换单元5的由N列构成的开关的导通/截止动作按照与上述脉冲电压产生单元2的反向导通型半导体开关S1～S4相同的定时进行的方式进行控制，同时根据上述旋转位置信号选择上述极性切换单元5的开关，将上述脉冲电压产生单元2的直流脉冲输出转换为N相交流电流的极性，作为驱动电流提供给上述PM电动机4。
另外，本发明的上述目的通过如下的PM电动机驱动电源装置而有效地实现，通过将上述反向导通型半导体开关的导通/截止周期设定得长于由上述电容器的静电电容和上述电抗器3的电感确定的谐振周期，使得上述电容器的电压按照每个周期放电而变为零，在上述反向导通型半导体开关截止时成为零电压，在导通时成为零电流，由此实现软开关。
进而，上述极性切换单元5由2N个反向导通型半导体开关构成，在上述反向导通型半导体开关截止时，在上述电容器中再生并蓄积电路上的电感的磁能，这样就能更为有效地实现本发明的上述目的。
再有，PM电动机驱动电源装置的特征在于，以上述直流电源1、上述脉冲电压产生单元2和电抗器3作为1个组，并联连接了多个组，这样能更为有效地实现本发明的上述目的。
附图说明
图1是表示本发明第1实施例的电路图。
图2表示本发明第1实施例的仿真电路。
图3表示反向导通半导体开关S2、S4、S5、S6、S7、S8的栅极序列。未示出的栅极处于截止状态。
图4是表示图2的电路仿真结果的图。
图5是表示本发明第2实施例的图。
图6是表示第2实施例的仿真电路图的详细情况的图。
图7是表示第2实施例的仿真结果的图。
具体实施方式
为了电流脉冲的产生使用磁能再生开关(以下称之为MERS)时，电感所需的电压会自动产生于开关内的电容器中，因此具有电源电压可以不考虑与电抗相应的电压这样的特征。
如果使用应用了MERS的脉冲电压产生电路，向PM电动机提供高电压且大电流的脉冲，则能获得电压比直流电源的电压大的电流脉冲，因此能够在高速域获得所需的电压和电流，电动机处于高速且高输出(扭矩)状态。本发明将使用MERS的脉冲电压产生电路应用于PM电动机驱动电源装置。
在高速情况下，PM电动机的反电动势也会变大，因此必须抵抗该高电压而送入电流脉冲。于是，在本发明中，与PM电动机的反电动势的相位相应地产生高电压的脉冲电流。
由4个电桥连接的反向导通型半导体开关和磁能蓄积电容器(以下称之为电容器)构成的磁能再生开关与电抗器3组合起来，借助于在低电源电压下同步的开关的导通/截止，在电容器上产生与电感相应量所需的电压，将该电压施加给负载，而此时极性切换电路5的开关也与MERS2同步地进行导通/截止，由此使得极性切换电路5的磁能也返回给电容器，从而产生更高的电压。
简单的低速同步式极性切换实现了零开关(zero switching)，而对于基于本方式的全导通状态的开关而言，如果将脉冲产生用的脉冲电压产生电路的脉冲作为同步脉冲，同时进行导通/截止，则能使产生输出加倍。并且，虽然MERS2与脉冲电压产生电路指的是相同的内容，然而从结构方面而言称之为“MERS”，从功能方面而言称之为“脉冲电压产生电路”。
图2表示用于达成上述目的的本装置的仿真图。为了简化说明，表示出了单相的情况。由4个反向导通半导体开关和电容器构成的MERS2与电抗器3、电源1串联连接。具有开关的栅极控制电路(省略图示)，通过与PM电动机同步的开关的导通/截止而产生比电源电压高的电压。通过高电压的脉冲电压而产生方形波电流。在图2的电路例子中，通过48V的直流电源1在负载电阻(10Ω)上产生了单相AC200V左右、200Hz的高速脉冲电流。
能够从作为第1脉冲电压产生电路的由S1、S2、S3、S4这4个开关构成的MERS2经电源1和电抗器3构成回路的电源中引出电力。如果导通开关S2和S4，则电容器的电流会顺向流过电源，从而使得比现有的反激(fly back)电路多的能量蓄积于电感中，通过使S2、S4同时截止，在电容器上产生充电电压，电容器电压上升，直到存在于电路的所有电感的能量蓄积到电容器为止。
在使用现有的MERS的软开关电力转换装置中，在电容器中产生脉冲状电压，使用后级的开关来以低速对其进行切换，而在本发明中，其特征是，与MERS的开关脉冲同步地，重复极性切换电路5的导通/截止。由此能够切断极性切换电路5所具有的电感(L3)的电流，还能将该磁能蓄积于电容器中。因此，在电容器中，除了MERS的电压上升之外，电动机的极性切换电路5成为第二MERS电路，在电容器上产生高于以往的电压，其放电电流返流到电源上，能从电源获取更多的能量。
根据本发明，在所有开关导通/截止时，进行在零电压下的截止和在零电流下的导通，因此能降低开关损失，最适合于能高频驱动即高速驱动电动机的驱动电源。
在PM电动机的驱动中，如果通过极性切换器5将来自直流电压源的一个方向脉冲电流的极性变换为6相交流脉冲，则能与旋转相位的检测协作来获得顺畅的旋转。
对于由电动机的反电动势来对电池进行的逆转换而言，可代替S2、S4而对S1、S3进行导通/截止。由于电池电压低，因而通过使用S1、S3对电动机反电动势进行断路控制，来进行电压控制，相比于现有的电压型逆变器，能逆转换至低转速。
【实施例】
下面参照附图说明本发明的实施例。
图1是应用了本发明的MERS的PM电动机驱动电源装置(以下称之为本装置)的实施例。如图1所示，在本装置中，直流电源1、由4个反向导通半导体开关和电容器构成的MERS2和电抗器3串联连接，在MERS2中产生的脉冲电流通过电流的极性切换器5被提供给PM电动机4的各相。
本装置具有控制开关S1～S10的导通/截止的栅极控制电路7，按照比PM电动机的反电动势的频率Fm高的频率Fs进行开关控制。如式1所示，对于Fs而言，在单相情况下，可以是电动机频率的2倍以上，在三相情况下，可以是6的整数倍，按照与直流脉冲输出、PM电动机输入相应的占空比对MERS2进行导通/截止，在电容器上产生脉冲状电压，进而通过电流的极性切换器5将与电动机同步的频率Fm叠加到高的频率Fs的导通/截止上，从而在PM电动机上产生高于电源电压的电动机驱动电压。
Fs＝n×Fm  n＝2、3、...(式1)
电动机的频率Fm是通过来自电动机的旋转位置传感器6的信号而产生于控制装置7的，旋转位置传感器6可应用霍尔传感器式、旋转编码器式等方式。
图2是用于确认实施例的基本动作的仿真图，假设单相的交流电压产生，仅考虑8个开关。可以认为将单相电流脉冲注入单相感应电动机的结构。以仿真方式示出了尽管电源电压仅有48V，却在负载10欧姆上产生了200Vrms。仿真中，电抗器3的电感是1mH。MERS2的电容器是40μF，开关是IGBT(绝缘栅双极晶体管)。有向IGBT的栅极提供导通/截止信号以产生脉冲的控制电路7。该导通/截止信号与脉冲产生用的高速频率Fs和电动机频率Fm同步，并且按照直流脉冲输出、PM电动机输入的输出改变占空比和相位。为了简化仿真，PM电动机作为10Ω的纯电阻具有用于平滑的100μF的平滑用电容器。电感L2、L3均为1mH。其中，Fs是1200Hz，导通时间为500微秒。Fm为电动机的转速即200Hz。
图3表示栅极信号的一个例子，所有栅极都与Fs的频率同步，这是本发明的特征。可知，输出侧的开关S5、S6、S7、S8与Fs同步地导通/截止，以(S5、S7)和(S6、S8)来交替选择与Fm同步导通的栅极对。图3的栅极是假设产生单相交流电压的单相情况，而三相的情况下逐次改变120度。
图4表示图2的仿真计算结果。图4的第1轨迹是电感L2的电流。电流每次为零时，切换开关的导通/截止。由此实现基于零电流零电压的软开关。第2轨迹是电容器的电压Vc。最大会产生超过600V的电压。第3轨迹表示输出侧电感L3的电流波形。电流波形呈现电容器电压峰值时电流为零点的情况表示磁能回归到电容器。第4轨迹表示输出电压Vout，在10Ω的纯电阻负载中产生200Vrms的电压。输出电流通过100μF的平滑用电容器得以平滑而被施加给电动机，成为大约4kW的输出功率。
另外，在图5的其他实施例中，表示了将电池和脉冲电流产生器并联连接了3组的例子。并且，该图举例表示了将电池和脉冲电流产生器连接3组的例子，而通过并联连接多组并使用电感L2来分流低电压的电池，能并联多个电池。通过并联低电压的蓄电池，即便每个蓄电池中电流不大也能整体构成为大电流的电池，因此可期待停止状态下对安全的保证。
图6是图5所示实施例的仿真电路图。此处假想的是代替PM电动机而具有励磁电路的他励式同步电动机。电路常数与图2相同。
图7是表示图6的仿真结果的图。图7的第1轨迹表示电感L3和L4的电流。L3的电流是400A的梯形波。第2轨迹表示电动机的各相(a相、b相、c相)的输入电压Va、Vb、Vc，200Hz时表示出350Vrms。第3轨迹表示MERS的电容器的电压VP6，峰值约为2300V。即示出能通过48V的电源获得2300V的电压。
产业上的可利用性
在从直流获得交流的电力转换器中，能够通过MERS利用零电压使半导体开关截止，利用零电流使半导体开关导通，对于电汽车驱动电动机所需的高速下的高电压，能通过电源电压低的电池获得高频高电压的交流电压。电压高的电池危险，而且能防止单位电池层叠时的性能恶化。MERS不仅能使脉冲电压产生电路的磁能再生到电容器，还能将蓄积于输出电路的电感的电流能量再生于电容器，使其大于现有的电容器电压。由此能对至此以上的大电力进行转换。

Claims (5)

1.一种PM电动机驱动电源装置，其通过直流电源(1)驱动具有N个(N是大于等于3的自然数)相的永磁式同步电动机(以下称之为PM电动机)，其特征在于，该装置具有：
脉冲电压产生单元(2)，对其交流输入端子(a、b)，从上述直流电源(1)经由电抗器(3)来进行输入；
极性切换单元(5)，其与上述脉冲电压产生单元(2)的直流输出端子(c、d)连接，按照上述PM电动机(4)的每个相来切换通过上述脉冲电压产生单元(2)产生的脉冲电压，作为交流电流提供给上述PM电动机；
平滑电感，其使上述极性切换单元(5)的输出变得平滑；
旋转位置传感器(6)，其检测上述PM电动机(4)的旋转位置并输出旋转位置信号；以及
控制单元(7)，其对上述脉冲电压产生单元(2)和极性切换单元(5)的开关进行导通/截止控制，并且，
上述脉冲电压产生单元(2)具有：连接成电桥的4个反向导通型半导体开关(S1、S2、S3、S4)；以及电容器，其与上述电桥的直流输出端子(c、d)连接，使电流切断时的电流的磁能再生而进行蓄积，
上述控制单元(7)以上述脉冲电压产生单元(2)的反向导通型半导体开关(S1～S4)的位于对角线上的对同时进行导通/截止动作的方式进行控制，且以上述极性切换单元(5)的由N列构成的开关的导通/截止动作按照与上述脉冲电压产生单元(2)的反向导通型半导体开关(S1～S4)相同的定时进行的方式进行控制，同时根据上述旋转位置信号选择上述极性切换单元(5)的开关，将上述脉冲电压产生单元(2)的直流脉冲输出转换为N相交流电流的极性，作为驱动电流提供给上述PM电动机(4)。
2.根据权利要求1所述的PM电动机驱动电源装置，其特征在于，通过将上述反向导通型半导体开关的导通/截止周期设定得长于由上述电容器的静电电容和上述电抗器(3)的电感确定的谐振周期，使得上述电容器的电压按照每个周期放电而变为零，在上述反向导通型半导体开关截止时成为零电压，在导通时成为零电流，由此实现软开关。
3.根据权利要求1或2所述的PM电动机驱动电源装置，其中，上述极性切换单元(5)由2N个反向导通型半导体开关构成，在上述反向导通型半导体开关截止时，在上述电容器中再生并蓄积电路上的电感的磁能。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的PM电动机驱动电源装置，其特征在于，以上述直流电源(1)、上述脉冲电压产生单元(2)和电抗器(3)为1个组，并联连接了多个组。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的PM电动机驱动电源装置，其中，使上述直流电源为蓄电池，翻转上述控制单元(7)的控制序列，使上述PM电动机为发电机，对上述直流电源进行再生充电。
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