CN102291064A - 开关磁阻电机驱动系统的快速斩波电路及方法 - Google Patents

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开关磁阻电机驱动系统的快速斩波电路及方法中，电流采样电路（4）采集电机相绕组电流的瞬时值，并实时传送给微处理器（1），微处理器（1）判断该电机相绕组电流的瞬时值是否需要斩波，并根据判断结果输出脉宽调制信号和斩波信号，上述两个信号传送给二输入与门（2）后，向功率变换器（3）输出上管控制信号以控制其上开关管。微处理器（1）进行内部判断后，通过脉宽调制模块（11）和输入输出模块（12）向二输入与门（2）输出脉宽调制信号和斩波信号：若电流高于斩波上限则将斩波信号置低，从而关断功率变换器（3）的上管控制信号；若电流低于斩波下限则将斩波信号置高，从而开启功率变换器（3）的上管控制信号；实现对功率变换器的快速斩波控制。

Description

开关磁阻电机驱动系统的快速斩波电路及方法
技术领域
本发明涉及一种开关磁阻电机驱动系统的快速斩波电路及方法，能够在开关磁阻电机控制器工作在脉宽调制（PWM）加电流斩波（CCC）组合控制模式时，快速关断功率变换器的上开关管控制信号，从而达到快速斩波效果，且不需要关闭微处理器CPU的PWM模块。该发明解决了因微处理器CPU的PWM模块输出信号的开、关存在较大的延时，从而导致软件斩波动作响应不及时，而可能使功率变换器的开关管烧毁的问题。属于电机控制领域。
背景技术
开关磁阻电机是一种新型调速电机，兼具直流，交流两类调速系统的优点，是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统的最新一代无极调速系统。它的结构简单坚固，调速范围宽，调速性能优异，且在整个调速范围内都具有较高效率，系统可靠性高。开关磁阻电机结构简单，性能优越，可靠性高，覆盖功率范围广。
开关磁阻电机有三种控制模式，即电流斩波控制（CCC）、角度位置控制（APC）和电压控制(VC)。其中，电流斩波控制一般应用于低速运行区，因为此时旋转电动势较小，必须限制系统的最大工作电流。
传统的电流斩波控制主要采用的是硬件斩波方法，其电路结构主要包括微处理器、逻辑门电路、电流采样电路、放大电路、迟滞比较电路和功率变换器等，其缺点在于电路结构复杂，成本较高；而若采用软件斩波方法，则电路结构会简单，但由于实现斩波动作时需要通过关闭微处理器CPU中的PWM模块完成，而微处理器CPU在关闭PWM模块通常会存在较大的延时，从而延缓电流斩波动作实施的时间，导致本该减小的相电流反而继续快速上升，从而可能会烧毁MOS管。有技术采用专用集成电路（ASIC）进行电流斩波控制，但该技术需要微处理器CPU与ASIC之间通过同步串行总线（SPI）进行通讯实施，而通讯过程同样会存在较大延时，且微处理器加ASIC的系统方案成本较高。还有报道使用了逻辑处理芯片和D触发器相结合的技术来实现上、下开关管的交替斩波。其各相开关信号分两路分别送给逻辑处理芯片，一路直接连接逻辑处理芯片，另一路先接三个D触发器，经D触发器输出的脉冲信号送给逻辑处理芯片，逻辑处理芯片输出各相的上、下开关管控制信号，其中一路为换相信号，另一路为斩波信号，实现了上、下开关管的交替斩波控制。该方法电路比较复杂，由逻辑芯片加D触发器的系统成本也相对较高。
本发明采用了微处理器CPU加二输入与门的快速控制方法和电路，在开关磁阻电机控制器工作在PWM加CCC（加电流斩波）组合控制模式时，将CPU中的PWM模块产生的PWM信号和IO（输入输出）模块产生的斩波信号分开输出给与门，使得CPU在需要电流斩波的时候不必关闭PWM模块，而利用IO模块的快速中断响应特性和二输入与门的快速信号翻转特性来缩短软件斩波反应时间，从而使得MOS管不会因为关闭PWM模块的延时而烧毁，适用于3相或者3相以上结构的功率变换器。
本发明的关键点在于利用高速32位微处理器CPU中IO模块的快速中断响应特性和二输入与门的快速信号翻转特性来提高软件斩波的实时性，在接近传统硬件斩波的响应时间的同时，极大的降低了硬件成本，而且软件斩波具有可以精确控制斩波的阈值的优点，可结合后续处理算法提高系统性能，如降低转矩脉动等。
发明内容
技术问题：本发明提出一种开关磁阻电机驱动系统的快速斩波电路及方法，能够在开关磁阻电机控制器工作在脉宽调制（PWM）加电流斩波（CCC）组合控制模式时，快速关断功率变换器的上开关管控制信号，从而达到快速斩波效果，且不需要关闭微处理器CPU的PWM模块。该发明解决了因微处理器CPU的PWM模块输出信号的开、关存在较大的延时，从而导致软件斩波动作响应不及时，而可能使功率变换器的开关管烧毁的问题。本发明的关键点在于利用高速32位微处理器CPU中IO模块的快速中断响应特性和二输入与门的快速信号翻转特性来提高软件斩波的实时性，在接近传统硬件斩波的响应时间的同时，极大的降低了硬件成本。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提出一种开关磁阻电机驱动系统的快速斩波电路，该电路包括微处理器、二输入与门、功率变换器、电流采样电路、滤波放大电路；其中：
电流采样电路的输入端接电机绕组的信号输出端，采集电机相绕组电流的瞬时值；电流采样电路的输出端通过滤波放大电路接微处理器中的模数转换模块，将电机相绕组电流的瞬时值实时传送给微处理器；微处理器判断该电机相绕组电流的瞬时值是否需要斩波，并根据判断结果通过脉宽调制模块输出脉宽调制信号，通过输入输出模块输出斩波信号；脉宽调制模块的输出端和输入输出模块的输出端分别接二输入与门的两个输入端，将上述两个信号传送给二输入与门；二输入与门的输出端接功率变换器的一个输入端，向功率变换器输出上管控制信号以控制其上开关管，输入输出模块的第二个输出端接功率变换器的另一个输入端，向功率变换器输出下管换相信号以控制其下开关管；输出功率变换器输出驱动信号接电机绕组，以驱动电机。
优选的，微处理器包括脉宽调制模块、输入输出模块和模数转换模块；微处理器用于根据内部脉宽调制模块产生用于调节电机转速的脉宽调制信号，利用输入输出模块产生斩波信号和下管换相信号，并向后级电路输出； 
脉宽调制模块向二输入与门输出脉宽调制信号，输入输出模块分别向二输入与门输出斩波信号和向功率变换器输出下管换相信号，模数转换模块接受来自滤波放大电路的采样放大信号；
二输入与门接受来自微处理器的脉宽调制信号和斩波信号，向功率变换器输出上管控制信号；
功率变换器的每一相包括上开关管和下开关管；功率变换器的上开关管的栅极接入由二输入与门输出的上管控制信号，下开关管的栅极接入由微处理器输出的下管换相信号，上开关管的漏极接电源，电机绕组串接在上开关管的源极和下开关管的漏极之间，下开关管的源极接地；
电流采样电路包括第一电阻，电流采样电路与由功率变换器中的下开关管的源极和地分别连接；
滤波放大电路包括第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第一电容、第二电容、第三电容以及运算放大器；
第二电阻的一端与电流采样电路中的第一电阻的一端及下开关管的源端相连，第一电阻的另一端和第三电阻及第一电容的一端相连，第三电阻的另一端与第二电容的一端及运算放大器的正端相连，第一电容和第二电容的另一端均接地；运算放大器的负端与第四电阻、第五电阻和第三电容相连，运算放大器的输出端与第五电阻和第三电容的另一端相连，并形成采样放大信号，向微处理器输出，第四电阻的另一端接地；下管换相信号用于控制功率变换器中的下开关管，以实现电机绕组通电顺序切换。
优选的，微处理器为高速32位单片机。
优选的，功率变换器中的上、下开关管均为金属-氧化物-半导体场效应晶体管。
优选的，电流采样电路的第一电阻采用高精度低温度系数康铜丝。
本发明还提供了一种开关磁阻电机驱动系统的快速斩波方法，该方法包括如下步骤：开关磁阻电机在低速运行时，驱动系统采用脉宽调制加电流斩波的组合控制模式，微处理器内部的模数转换模块模块通过由电流采样电路对电机相电流的瞬时值进行实时采集，微处理器进行内部判断后，通过脉宽调制模块和输入输出模块向二输入与门输出脉宽调制信号和斩波信号：若电流高于斩波上限则将斩波信号置低，从而关断功率变换器的上管控制信号；若电流低于斩波下限则将斩波信号置高，从而开启功率变换器的上管控制信号；利用输入输出模块输出信号快速响应的特点，实现对功率变换器的快速斩波控制。
有益效果：本发明提出了一种开关磁阻电机驱动系统的快速斩波电路及方法。利用采样电阻采集电流，通过滤波放大电路后产生放大信号传送给微处理器的ADC模块，微处理器经过判别后输出PWM信号和斩波信号，两者经过二输入与门后产生上管控制信号，控制功率变换器对电机绕组进行斩波控制。本发明斩波动作响应较快，接近传统硬件斩波的响应时间，可有效保护MOS管；电路结构简单可靠，易于实现，极大的降低了电路复杂性和成本；另外，软件斩波具有可以精确控制斩波的阈值的优点，可结合后续处理算法提高系统性能，如降低转矩脉动等。
附图说明
图1是开关磁阻电机驱动系统快速斩波控制方法的结构框图。
图2是开关磁阻电机驱动系统和本发明的控制电路。
图3是开关磁阻电机驱动系统在使用与门前后的波形示意图。
微处理器1，二输入与门2，功率变换器3，电流采样电路4，滤波放大电路5；
PWM 11（脉宽调制模块）、IO模块12（输入输出模块）、ADC13（模数转换模块）；
上开关管T1、下开关管T2；
第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3以及运算放大器51。
具体实施方式
下面将参照附图对本发明进行说明。
本发明公开了一种开关磁阻电机驱动系统的快速斩波电路及方法，能够在开关磁阻电机控制器工作在脉宽调制（PWM）加电流斩波（CCC）组合控制模式时，快速关断功率变换器的上开关管控制信号，从而达到快速斩波效果，且不需要关闭微处理器CPU的PWM模块。该方法及电路解决了因微处理器CPU的PWM模块输出信号的开、关存在较大的延时，从而导致软件斩波动作响应不及时，而可能使功率变换器的开关管烧毁的问题。本方法和电路结构简单可靠，易于实现。
以三相开关磁阻电机其中功率变换器的一相及其相关控制电路为例，箭头所示为信号的流通方向。
如图1所示为整个开关磁阻电机调速系统的结构框图。采样电阻采得电机相绕组电流的瞬时值，经过滤波放大电路后实时传送给微处理器CPU，微处理器CPU判断此时是否需要斩波，并根据判断结果输出斩波信号，同时输出PWM信号，上述两个信号传送给二输入与门后，向功率变换器输出上管控制信号以控制上开关管，从而实现快速斩波过程，同时微处理器CPU根据当前的位置信息输出下管换相信号给功率变换器的下开关管，最终实现对电机的PWM加CCC的组合控制。
本发明装置包括下列组成部分：微处理器1，二输入与门2，功率变换器3，电流采样电路4，滤波放大电路5。
如图2所示，微处理器CPU1内部包含脉宽调制模块（PWM）11、输入输出模块（IO）12和模数转换模块（ADC）13，PWM模块11向二输入与门2输出PWM信号，IO模块12分别向二输入与门2输出斩波信号和向功率变换器3输出下管换相信号，ADC模块13接受来自滤波放大电路5的采样放大信号。二输入与门2接受来自微处理器1的PWM信号和斩波信号，向功率变换器3输出上管控制信号。功率变换器3的每一相由上开关管T1和下开关管T2构成，上开关管T1的栅极接入由二输入与门2输出的上管控制信号，下开关管T2的栅极接入由微处理器1输出的下管换相信号，上开关管的漏极接电源Udc，电机绕组串接在上开关管的源极和下开关管的漏极之间，下开关管的源极接地GND。电流采样电路4主要由高精度低温度系数康铜丝第一电阻R1构成（或其它材料的低温度系数功率电阻），并与由功率变换器3中的下开关管T2的源极和地GND分别连接。滤波放大电路5由第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3以及运算放大器51组成。第二电阻R2的一端与电流采样电路4中的第一电阻R1的一端及下开关管T2的源端相连，第一电阻R1的另一端和第三电阻R3及第一电容C1的一端相连，第三电阻R3的另一端与第二电容C2的一端及运算放大器51的正端+相连，第一电容C1和第二电容C2的另一端均接地GND。运算放大器51的负端-与第四电阻R4、第五电阻R5和第三电容C3相连，运算放大器51的输出端与第五电阻R5和第三电容C3的另一端相连，并形成采样放大信号，向微处理器1输出，第四电阻R4的另一端接地GND。微处理器1为高速32位单片机，其功能是利用内部PWM模块产生用于调节电机转速的PWM信号，利用内部IO模块产生斩波信号和下管换相信号，并向后级电路输出。下管换相信号用于控制功率变换器3中的下开关管T2，以实现电机绕组通电顺序切换。功率变换器中的上、下开关管均为金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOS管）。
图3所示为本发明中所述电路的关键波形示意图，并给出未使用二输入与门的电路的软斩波电流波形。图中电流波形中虚线所示为未使用二输入与门的软斩波电流波形，实线为本发明中使用二输入与门之后电路的软斩波电流波形。如图中所示，PWM信号和斩波信号经过二输入与门后得到上管控制信号，当相电流达到斩波上限l1时，斩波信号为低电平，经与门输出的上管控制信号为低电平，此时上开关管关闭，电流开始斩波，当电流减小到斩波下限l2时，斩波信号为高电平，上管控制信号同PWM信号相同。由图所示，在使用与门前后，在微处理器检测到电流大于斩波上限l1后到开始斩波，两者之间存在一个时间差△t，这段时间内传统的方法电流会继续上升，而这将增加MOS管的热量积累，从而增加了MOS管因热击穿导致损坏的可能性。
本例中的开关磁阻电机为三相12/8极双凸极结构，当电机低速运行时，调速系统采用PWM加CCC的组合控制模式，此时微处理器CPU根据内置程序开始输出PWM信号和下管换相信号以使功率变换器的上、下开关管导通，从而电机绕组电流上升，开始励磁以启动电机。电流采样电路中的采样电阻R1开始采集相电流信号，经滤波放大电路后将采样放大信号实时传送给微处理器CPU中的ADC模块，再由微处理器CPU内置程序对采样放大信号进行判别，若电流高于斩波上限l1则将微处理器CPU的IO模块输出的斩波信号置低，从而使二输入与门输出给功率变换器的上管控制信号置低，关断上开关管；若电流低于斩波下限l2则将微处理器CPU的IO模块输出的斩波信号置高，从而使二输入与门输出给功率变换器的上管控制信号置高，导通上开关管。微处理器还会定期输出换相信号给功率变换器的下开关管，以此进行开关磁阻电机换相控制。
开关磁阻电机驱动系统的快速斩波方法，该方法包括如下步骤：开关磁阻电机在低速运行时，驱动系统采用脉宽调制加电流斩波的组合控制模式，微处理器1内部的模数转换模块13模块通过由电流采样电路4对电机相电流的瞬时值进行实时采集，微处理器1进行内部判断后，通过脉宽调制模块11和输入输出模块12向二输入与门2输出脉宽调制信号和斩波信号：若电流高于斩波上限则将斩波信号置低，从而关断功率变换器3的上管控制信号；若电流低于斩波下限则将斩波信号置高，从而开启功率变换器3的上管控制信号；利用输入输出模块12输出信号快速响应的特点，实现对功率变换器的快速斩波控制。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (6)

1.一种开关磁阻电机驱动系统的快速斩波电路，其特征在于：该电路包括微处理器（1）、二输入与门（2）、功率变换器（3）、电流采样电路（4）、滤波放大电路（5）；其中，
电流采样电路（4）的输入端接电机绕组的信号输出端，采集电机相绕组电流的瞬时值；电流采样电路（4）的输出端通过滤波放大电路（5）接微处理器（1）中的模数转换模块（13），将电机相绕组电流的瞬时值实时传送给微处理器（1）；微处理器（1）判断该电机相绕组电流的瞬时值是否需要斩波，并根据判断结果通过脉宽调制模块（11）输出脉宽调制信号，通过输入输出模块（12）输出斩波信号；脉宽调制模块（11）的输出端和输入输出模块（12）的输出端分别接二输入与门（2）的两个输入端，将上述两个信号传送给二输入与门（2）；二输入与门（2）的输出端接功率变换器（3）的一个输入端，向功率变换器（3）输出上管控制信号以控制其上开关管，输入输出模块（12）的第二个输出端接功率变换器（3）的另一个输入端，向功率变换器（3）输出下管换相信号以控制其下开关管；输出功率变换器（3）输出驱动信号接电机绕组，以驱动电机。
2.根据权利要求1所述的开关磁阻电机驱动系统的快速斩波电路，其特征在于：微处理器（1）包括脉宽调制模块（11）、输入输出模块（12）和模数转换模块（13）；微处理器（1）用于根据内部脉宽调制模块（11）产生用于调节电机转速的脉宽调制信号，利用输入输出模块（12）产生斩波信号和下管换相信号，并向后级电路输出； 
脉宽调制模块（11）向二输入与门（2）输出脉宽调制信号，输入输出模块（12）分别向二输入与门（2）输出斩波信号和向功率变换器（3）输出下管换相信号，模数转换模块（13）接受来自滤波放大电路（5）的采样放大信号；
二输入与门（2）接受来自微处理器（1）的脉宽调制信号和斩波信号，向功率变换器（3）输出上管控制信号；
功率变换器（3）的每一相包括上开关管（T1）和下开关管（T2）；功率变换器（3）的上开关管（T1）的栅极接入由二输入与门（2）输出的上管控制信号，下开关管（T2）的栅极接入由微处理器（1）输出的下管换相信号，上开关管（T1）的漏极接电源（Udc），电机绕组串接在上开关管（T1）的源极和下开关管（T2）的漏极之间，下开关管（T2）的源极接地；
电流采样电路（4）包括第一电阻（R1），电流采样电路（4）与由功率变换器（3）中的下开关管（T2）的源极和地分别连接；
滤波放大电路（5）包括第二电阻（R2）、第三电阻（R3）、第四电阻（R4）、第五电阻（R5）、第一电容（C1）、第二电容（C2）、第三电容（C3）以及运算放大器（51）；
第二电阻（R2）的一端与电流采样电路（4）中的第一电阻（R1）的一端及下开关管（T2）的源端相连，第一电阻（R1）的另一端和第三电阻（R3）及第一电容（C1）的一端相连，第三电阻(R3)的另一端与第二电容(C2)的一端及运算放大器(51)的正端（+）相连，第一电容（C1）和第二电容（C2）的另一端均接地；运算放大器（51）的负端（-）与第四电阻（R4）、第五电阻（R5）和第三电容（C3）相连，运算放大器（51）的输出端与第五电阻（R5）和第三电容（C3）的另一端相连，并形成采样放大信号，向微处理器（1）输出，第四电阻（R4）的另一端接地；下管换相信号用于控制功率变换器（3）中的下开关管（T2），以实现电机绕组通电顺序切换。
3.根据权利要求2所述的开关磁阻电机驱动系统的快速斩波电路，其特征在于：微处理器（1）为高速32位单片机。
4.根据权利要求2所述的开关磁阻电机驱动系统的快速斩波电路，其特征在于：功率变换器（3）中的上、下开关管均为金属-氧化物-半导体场效应晶体管。
5. 根据权利要求2所述的开关磁阻电机驱动系统的快速斩波电路，其特征在于：电流采样电路（4）的第一电阻（R1）采用高精度低温度系数康铜丝。
6.一种开关磁阻电机驱动系统的快速斩波方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：开关磁阻电机在低速运行时，驱动系统采用脉宽调制加电流斩波的组合控制模式，微处理器（1）内部的模数转换模块（13）模块通过由电流采样电路（4）对电机相电流的瞬时值进行实时采集，微处理器（1）进行内部判断后，通过脉宽调制模块（11）和输入输出模块（12）向二输入与门（2）输出脉宽调制信号和斩波信号：若电流高于斩波上限则将斩波信号置低，从而关断功率变换器（3）的上管控制信号；若电流低于斩波下限则将斩波信号置高，从而开启功率变换器（3）的上管控制信号；利用输入输出模块（12）输出信号快速响应的特点，实现对功率变换器的快速斩波控制。
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