CN102130643A

CN102130643A - 开关磁阻电机电容自举式驱动电路和驱动方法

Info

Publication number: CN102130643A
Application number: CN2010106070599A
Authority: CN
Inventors: 钟锐; 徐宇柘; 项国富; 孙伟锋; 陆生礼; 时龙兴
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2011-07-20

Abstract

本发明公开了一种开关磁阻电机电容自举式驱动电路，包括上开关管驱动电路和下开关管驱动电路；所述上开关管驱动电路包括第一充电电路、第一放电电路和自举电容电路；所述下开关管驱动电路包括第二充电电路和第二放电电路。本发明还公开了利用上述电路的驱动方法。本发明利用先使自举电容在仅下开关管打开时充电到驱动电源电压，然后用自举电容上的电压导通上开关管，避免了在电机相绕组导通工作时，因端点b的电压抬高而使上开关管上的栅极电压不足导致上开关管导通失败，而导致电机工作异常的问题。本发明利用了以自举电容、二极管结合常用的电阻、三极管等元件构成的自举式驱动电路可以实时的跟随驱动信号驱动开关管。电路结构简单，实用性强。

Description

开关磁阻电机电容自举式驱动电路和驱动方法

技术领域

本发明涉及一种开关磁阻电机，尤其是开关磁阻电机的驱动电路和驱动方法。

背景技术

开关磁阻电机具有一些独特的优点，如电机结构简单、坚固、免维护，启动及低速时转矩大、电流小；高速恒功率区范围宽、性能好，在宽广转速和功率范围内都具有高输出和高效率；可缺相运行，容错能力强；控制灵活，可方便实现四象限运行；具有较强的再生制动能力等。这使得开关磁阻电动机系统在家用电器、通用工业、伺服与调速系统、牵引电动机、高转速电动机、航空航天等领域得到广泛应用。开关磁阻电动机是一种机电能量转换装置。根据可逆原理，开关磁阻电动机和传统电动机一样，它既可将电能转换为机械能-电动运行，也可将机械能转换为电能-发电运行。

开关磁阻电机控制系统可大致分为处理部分和开关主电路部分两个部分，处理部分包括采样电路及处理电路，分别负责信号采样、分析处理及控制信号输出；开关主电路部分则包括驱动电路及功率变换器，分别负责弱电信号增强驱动及功率信号开关控制。

传统的驱动方法主要为多电源驱动方法，也有专利报道采用自举二极管的单电源驱动方法。

在多电源驱动方法中，上、下功率开关管使用相互独立的电源，避免了因电机工作中线圈电压的升高从而使上开关管电压无法达到所需的开通电压。上、下开关管上驱动电压均由各自的电源提供。这种电路的缺陷在于，多电源电路结构复杂，电路成本高。而采用自举二极管形成的单电源驱动电路，其原理是设计了自举二极管和上、下管相对延时电路，利用二极管反向截止的原理，结合延时信号实现了先打开下开关管，然后打开上开关管的控制时序，以避免上、下开关管同时打开时电机线圈中将产生高电压，导致上开关管的基准电压比控制电源电压大，从而无法正常驱动上开关管的问题。这种电路的关键点在于利用了二极管的反向截止原理，但是问题是只能实现一次上开关管的打开动作，如果电机工作在脉宽调制(PWM)模式下，需要在一个换相周期内多次频繁打开上开关管时，由于二极管不是储能元件，因此无法提供后续的上开关管打开的电荷，从而不能正常连续工作。

发明内容

发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种开关磁阻电机电容自举式驱动电路和驱动方法，能够使电机上开关管在只有单电源工作方式下也能正常工作，且在PWM模式下短时间频繁打开上开关管时能够利用电容储能原理持续提供多次开通电荷。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种开关磁阻电机电容自举式驱动电路，包括上开关管驱动电路、下开关管驱动电路和自举电容电路；所述上开关管驱动电路连接第一开关管M1，下开关管电路连接第二开关管M2，第一开关管M1和第二开关管M2的漏极间连接相绕组L；所述上开关管驱动电路包括用于使上开关管栅极电压达到驱动电压的要求，从而导通上开关管的第一充电电路和用于使上开关管栅极电压下降到零，从而关闭上开关管的第一放电电路；所述下开关管驱动电路包括用于使下开关管栅极电压达到驱动电源电压值，从而导通下开关管的第二充电电路和用于使下开关管栅极电压下降到零，从而关闭下开关管的第二放电电路；所述自举电容电路用来使自举电容在下开关管导通，上开关管尚未导通时向上开关管的栅极充电到驱动电源电压，驱动上开关管导通。

所述第一充电电路可由第一三极管Q1、第二二极管D2和第三电阻R3构成，其中第一三极管Q1的集电极依次串联第二二极管D2和第三电阻R3。

所述第一放电电路可由第二三极管Q2和第四电阻R4构成，其中第四电阻R4两端分别连接第二三极管Q2的基极和集电极。第一电阻R1和第三开关管M3用于使能充电电路或者放电电路。

所述第二充电电路可由第三三极管Q3和第八电阻R8构成，其中第八电阻R8的一端连接第三三极管Q3的集电极。

所述第二放电电路可由第五三极管Q5构成。第四三极管Q4用于使能充电电路或者放电电路。

上述电路使得上、下开关管均能实时的跟随驱动信号实现开关动作，使电机能够正常工作。

本发明还公开了一种开关磁阻电机电容自举式驱动方法，包括如下步骤：

(1)先使下开关管驱动信号为低电平，下开关管打开一定时间，电源通过电机相绕组和下开关管对自举电容充电，使其达到驱动电源电压值；

(2)当上开关管驱动信号为高电平时，第一充电电路工作，自举电容上的电压加到上开关管栅极上使其导通；

(3)当上开关管驱动信号为低电平时，第一放电电路工作，对应上开关管的栅极电荷放电，上开关管关闭；

(4)当电机换相时，该相绕组上、下开关管均关断，此时下开关管驱动信号为高电平，第二放电电路开始工作，对应下开关管的栅极电荷放电，下开关管关闭。

如果电机工作在PWM模式下，在一个换相周期内，下开关管保持常开状态，上开关管可以利用电容储存的电荷反复进行开关。

有益效果：本发明利用先使自举电容在仅下开关管打开时充电到驱动电源电压，然后用自举电容上的电压导通上开关管，避免了在电机相绕组导通工作时，因端点b的电压抬高而使上开关管上的栅极电压不足导致上开关管导通失败，而导致电机工作异常的问题，且能够利用电容储能原理实现PWM模式下短时间频繁开关上开关管的功能。本发明利用了以自举电容、二极管结合常用的电阻、三极管等元件构成的自举式驱动电路可以实时的跟随驱动信号驱动开关管。电路结构简单，实用性强。

附图说明

图1是开关磁阻电机电容自举式驱动电路图；

图2是开关磁阻电机下开关管驱动信号DOWN和下开关管M2上的开关信号对比图；

图3是开关磁阻电机上开关管驱动信号UP和上开关管M1上的开关信号对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，上开关管驱动电路1接受上开关管驱动信号UP，下开关管驱动电路2接受下开关管驱动信号DOWN，分别控制开关磁阻电机的上、下开关管。上开关管驱动信号UP接到第一电阻R1上，电阻另一端接到第三MOS开关管M3的栅极，M3的源级通过第五电阻R5接到端点b；驱动电源电压通过第一二极管D1接到端点a，端点a通过第二电阻R2分别接到第一三极管Q1的基极和第三MOS开关管M3的漏级；第一三极管Q1的发射极接到端点a，其集电极通过串联第二二极管D2和第三电阻R3接到第三电容C3和上开关管M1的栅极；第二三极管Q2的基极、发射极和集电极分别接到第一三极管Q1发射极、上开关管M1的栅极和端点b，第四电阻R4两端分别接到第二三极管Q2的基极和集电极。自举电容C2的正极接到端点a，负极接到端点b。下开关管驱动信号DOWN分别通过第七电阻R7、第九电阻R9和第四三极管Q4的发射极、第五三极管Q5的基极相连；内部弱电电源电压加到第四三极管Q4的基极，并且第三三极管Q3的基极和Q4的集电极相连；一个电阻R6并联接在第三三极管Q3的发射极和基极的两端。第三三极管Q3的发射极接到驱动电源电压上，其集电极通过第八电阻R8分别接到第五三极管Q5的发射极、第三电容C3的一端和下开关管M2的栅极。第五三极管Q5的发射极和第四电容C4的另一端均接到GND上。

根据本发明，上、下开关管在控制电路给出的驱动信号下相应的打开、关闭工作。当开关磁阻电机某相开始工作时，在本发明电路中应先使该相下开关管先导通。此时DOWN信号应先为低，使得三极管Q4导通、三极管Q3导通、三极管Q5关闭，此时驱动电源电压通过Q3、R8加到下开关管M2的栅极上，使下开关管打开。上开关管驱动电路接着开始工作，此时端点a的电压接近驱动电源电压，端点b通过相绕组L和下开关管接到GND。由于本相绕组尚未导通励磁，绕组L上的电压降为零，从而自举电容C2被充电至驱动电源电压值。上开关管驱动信号UP为高时，MOS开关管M3导通，自举电容通过端点a、电阻R2、电阻R4和端点b形成导电回路。当电阻R2上的压降抬高到一定值时将使三极管Q3导通，此时自举电容通过三极管Q1、二级管D2和电阻R3给开关管M1的栅极充电，使其栅极电压达到驱动电源电压值，从而使上开关管打开。此时控制该相绕组的上、下开关管均已打开，电机进入励磁工作模式。当UP为低时，此时MOS开关管M3关闭，三极管Q1关闭，Q2打开，开关管M1和电容C3上的电荷通过由三极管Q2构成的放电电路放电，使M1上的栅极电压迅速下降到零，从而关闭上开关管M1，电机进入续流工作模式。当电机换相时，该相绕组上、下开关管均关断，进入回流工作模式。此时驱动信号DOWN为高电平，使Q3关闭、Q5打开，下开关管充电电路关断，放电电路工作。开关管M2和电容C4上的电荷通过由三极管Q5构成的放电电路放电，从而达到使M2上的栅极电压下降到0，关闭上开关管M2。上驱动信号UP同时也为低，使M1管关闭。接着下一相开始进入如上所述的工作方式。

图2是开关磁阻电机下开关管驱动信号DOWN和下开关管M2上的开关信号对比图。

Claims

1.一种开关磁阻电机电容自举式驱动电路，其特征在于：包括上开关管驱动电路和下开关管驱动电路；所述上开关管驱动电路连接第一开关管M1，下开关管电路连接第二开关管M2，第一开关管M1和第二开关管M2的漏极间连接相绕组L；所述上开关管驱动电路包括第一充电电路、第一放电电路和自举电容电路，其中第一充电电路用于使上开关管栅极电压达到驱动电压的要求从而导通上开关管，第一放电电路用于使上开关管栅极电压下降到零从而关闭上开关管，自举电容电路用来使自举电容在下开关管导通，上开关管尚未导通时向上开关管的栅极充电到驱动电源电压，驱动上开关管导通；所述下开关管驱动电路包括用于使下开关管栅极电压达到驱动电源电压值从而导通下开关管的第二充电电路和用于使下开关管栅极电压下降到零从而关闭下开关管的第二放电电路。

2.根据权利要求1所述开关磁阻电机电容自举式驱动电路，其特征在于：所述第一充电电路由第一三极管Q1、第二二极管D2和第三电阻R3构成，其中第一三极管Q1的集电极依次串联第二二极管D2和第三电阻R3。

3.根据权利要求1所述开关磁阻电机电容自举式驱动电路，其特征在于：所述第一放电电路由第二三极管Q2和第四电阻R4构成，其中第四电阻R4两端分别连接第二三极管Q2的基极和集电极。

4.根据权利要求1所述开关磁阻电机电容自举式驱动电路，其特征在于：所述第二充电电路由第三三极管Q3和第八电阻R8构成，其中第八电阻R8的一端连接第三三极管Q3的集电极。

5.根据权利要求1所述开关磁阻电机电容自举式驱动电路，其特征在于：所述第二放电电路由第五三极管Q5构成。

6.一种利用如权利要求1所述电路的驱动方法，其特征在于包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述驱动方法，其特征在于：如果所述开关磁阻电机工作在PWM模式下，在一个换相周期内，下开关管保持常开状态，上开关管利用电容储存的电荷反复进行开关。