CN102412773B - 双斩波限开关磁阻电机控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双斩波限开关磁阻电机控制电路，包括微处理器、双相开通区间判别电路、2选1数据选择器、位置信号检测电路、二输入与门、功率变换器、电流采样电路、放大电路、数模转换电路和迟滞比较电路。本发明解决开关磁阻电机在双相启动时因为电流在双相开通区间上升速度过快而出现电流超过斩波上限的问题。
Description
技术领域
本发明属于电机控制领域，特别涉及一种开关磁阻电机控制电路。
背景技术
开关磁阻电机结构简单坚固，工作可靠，效率高，由其构成的开关磁阻电动机驱动系统与传统交直流调速系统相比，具有许多优点，如：起动转矩大，调速范围宽，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，在宽广的转速和功率范围内都具有高效率，有利于节能降耗；可工作于极高转速；可缺相运行，容错能力强等。
开关磁阻电机由于在启动时旋转电势为零，因此相电流上升非常快，需要控制器在启动过程中对电流进行控制。传统的电流控制方法通常都是利用专用硬件斩波电路实现斩波控制，即在控制器的功率变换器中串联电流传感器后进行相电流信号的采样和放大，并利用迟滞放大电路实现相电流斩波上限和下限控制。基于硬件的斩波电路具有高实时性的优点，在重载启动和运行的时候能够精确的控制电流的斩波限。但是硬斩波动作会受到前级采样放大信号中毛刺的影响，可能会发生误斩波的现象，即在电机相电流未达到斩波上限而开关管误关闭，或者电流达到斩波上限后而开关管拒绝关闭，前者会导致开关管开关频率比正常增加，并减小输出力矩，后者会导致电机相电流超出开关管的承受范围，从而对开关管的寿命和系统的功耗造成影响。另一种常用的斩波方式是软件斩波，即通过软件滤波算法滤除前级采样放大信号中的毛刺，更加准确判断相电流值，从而实现准确的斩波控制。但是由于软件运行需要一定的时间，因此实时性较差，当启动电流急速上升的时候，软斩波来不及发送关闭开关管信号而导致电流过大损坏开关管。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种双斩波限开关磁阻电机控制电路，解决开关磁阻电机在双相启动时因为电流在双相开通区间上升速度过快而出现电流超过斩波上限的问题。
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双斩波限开关磁阻电机控制电路，包括微处理器(CPU)、双相开通区间判别电路、2选1数据选择器、位置信号检测电路、二输入与门、功率变换器、电流采样电路、放大电路、数模转换电路(DAC)和迟滞比较电路，其中位置信号检测电路检测电机的各相位置信号信息并将各相位置信号信息输送给双相开通区间判别电路，根据判别结果输出脉宽调制基准信号选通信号给2选1数据选择器来选择由微处理器输出的高斩波限脉宽调制基准信号和低斩波限脉宽调制基准信号中的一路来输出给数模转换电路的输入端；电流采样电路测量电机的各相电流，通过放大电路放大后输出给迟滞比较电路的输入端，与数模转换电路输出的基准电压进行比较，输出斩波信号，斩波信号与由微处理器输出的脉宽调制驱动信号作为二输入与门的输入，二输入与门的输出给功率变换器的上开关管，作为上开关管控制信号，从而实现对开关磁阻电机的双斩波限控制。
所述微处理器可包括脉宽调制(PWM)模块和输入输出(IO)模块，其中输入输出模块向功率变换器输出下开关管换相信号，脉宽调制模块向二输入与门输出脉宽调制驱动信号，并且向2选1数据选择器的数据输入端输出高斩波限脉宽调制基准信号和低斩波限脉宽调制基准信号；
所述位置信号检测电路可包括第一位置信号传感器、第二位置信号传感器和第三位置信号传感器，检测电机的三相位置信号信息并将三相位置信号输出给双相开通区间判别电路；
所述双相开通区间判别电路可包括第一异或门和第二异或门，其中第一异或门的输入为A相位置信号和B相位置信号，第一异或门的输出与C相位置信号作为第二异或门的输入，第二异或门输出脉宽调制基准信号选通信号给2选1数据选择器的通道选择端；
所述2选1数据选择器的数据输入端可接入由微处理器的脉宽调制模块输出的高斩波限脉宽调制基准信号和低斩波限脉宽调制基准信号，通道选择端接双相开通区间判别电路输出的脉宽调制基准信号选通信号，输出端接数模转换电路的输入端；
所述功率变换器可包括上开关管(简称“上管”)和下开关管(简称“下管”)，上开关管的栅极接入由二输入与门输出的上开关管控制信号，下开关管的栅极接入由微处理器输出的下开关管换相信号；
所述二输入与门可输入来自微处理器的脉宽调制驱动信号和来自迟滞比较电路的斩波信号，向功率变换器输出上开关管控制信号；
所述电流采样电路可包括第一电阻，所述第一电阻的一端连接功率变换器中的下开关管的源极，另一端接地(GND)；
所述放大电路可包括第二电阻、第三电阻和第一运算放大器，其中第一运算放大器的正端与电流采样电路中的第一电阻的一端及下开关管的源极相连，第一运算放大器的负端与第二电阻和第三电阻的连接点相连，第二电阻的另一端接地，第一运算放大器的输出端与第三电阻的另一端相连后形成采样放大信号，并向迟滞比较电路输出；
所述数模转换电路可包括第四电阻、第一电容和第二运算放大器，其中第二运算放大器的正端与第四电阻和第一电容的连接处相连，第一电容的另一端与地相连，第四电阻的另一端连接从2选1数据选择器输出的脉宽调制基准信号，第二运算放大器的负端与其自身输出端相连后形成基准电压，并向迟滞比较电路输出；
所述迟滞比较电路可包括第五电阻、第六电阻和比较器，所述比较器的正端与第五电阻和第六电阻的连接处相连，比较器的负端连接采样放大信号，第五电阻的另一端与基准电压相连接，比较器的输出端与第六电阻的另一端相连后，形成斩波信号，并向二输入与门输出。
所述第一电阻可为采样电阻。所述采样电阻优选采用高精度低温度系数导电金属材料制备的康铜丝。
有益效果：本发明能够实现当开关磁阻电机在双相启动的时候使用硬件斩波来实现双斩波限，在单相开通区间使用高斩波限，而在双相开通区间使用低斩波限来降低脉宽调制配置的延迟，并且提高了电流利用效率。既为开关磁阻电机调速控制系统提供重要的效率和安全保障，又能够在启动时刻提供较大的启动转矩。具有原理和电路简单，易于实现，工作稳定，且成本低廉等优点。
附图说明
图1为双斩波限开关磁阻电机控制电路的结构框图；
图2为双斩波限开关磁阻电机控制电路的内部结构图；
图3为双斩波限开关磁阻电机控制电路的电流控制波形示意图，图中A、B、C表示双斩波限开关磁阻电机的A相、B相、C相；
图4为双斩波限开关磁阻电机在工作时的A相电流波形。
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，位置信号检测电路输出位置信号给双相开通区间判别电路，并根据判别结果选择高、低斩波限的基准电压，同时，电流采样电路测量电机各相电流后通过放大电路放大后输出给迟滞比较电路的输入端，与基准电压进行比较，输出斩波信号，斩波信号同由微处理器输出的脉宽调制信号作为二输入与门的输入，二输入与门的输出给功率变换器的上管，作为上管控制信号，从而实现对开关磁阻电机的双斩波限控制。
如图2所示，位置信号检测电路4检测电机的各相位置信号信息并将各相位置信号信息输送给双相开通区间判别电路2，根据判别结果输出脉宽调制基准信号选通信号给2选1数据选择器3来选择由微处理器1输出的高斩波限脉宽调制基准信号和低斩波限脉宽调制基准信号中的一路来输出给数模转换电路9的输入端；同时，电流采样电路7测量电机的各相电流，通过放大电路8放大后输出给迟滞比较电路10的输入端，与数模转换电路9输出的基准电压进行比较，输出斩波信号，斩波信号与由微处理器1输出的脉宽调制驱动信号作为二输入与门5的输入，二输入与门5的输出给功率变换器6的上开关管，作为上开关管控制信号，从而实现对开关磁阻电机的双斩波限控制。
下面介绍本发明的具体实施应用方案。
为解决三相开关磁阻电机启动转矩不足的问题，在电机启动过程中需要进行双相开通，由于在双相开通区间，电流提供的力矩较小，因此，可以通过降低电流斩波限来提高效率。双相启动的具体开通方式如图3所示。图中的低电平为各相的开通区间，则在A、B、C三相位置信号为011、101、110时为单相开通区间，在001、010、100时为双相开通区间，其中0代表位置信号为低电平，1代表位置信号为高电平。
图4所示为双斩波限开关磁阻电机在工作时的相电流波形。以A相为例，启动时，A相刚开通时A、B、C三相位置信号处在001状态，为双相开通区间，双相开通区间判别电路输出判别信号，选择低斩波限脉宽调制基准信号，输出给数模转换电路产生基准电压；当A相刚开通时A、B、C三相位置信号处在011状态，为双相开通区间，双相开通区间判别电路输出判别信号，选择高斩波限脉宽调制基准信号，输出给数模转换电路产生基准电压；A相刚开通时A、B、C三相位置信号处在010状态，为双相开通区间，双相开通区间判别电路输出判别信号，选择低斩波限脉宽调制基准信号，输出给数模转换电路产生基准电压。
下面介绍双斩波限开关磁阻电机控制电路的详细组成。
如图2所示，微处理器包括脉宽调制模块11和输入输出模块12，其中输入输出模块向功率变换器输出下开关管换相信号，脉宽调制模块向二输入与门输出脉宽调制驱动信号，并且向2选1数据选择器的第一数据输入端I1和第二数据输入端I2分别输出高斩波限脉宽调制基准信号和低斩波限脉宽调制基准信号；
位置信号检测电路包括第一位置信号传感器41、第二位置信号传感器42和第三位置信号传感器43，检测电机的三相位置信号信息并将三相位置信号输出给双相开通区间判别电路；
双相开通区间判别电路包括第一异或门21和第二异或门22，其中第一异或门的输入为A相位置信号和B相位置信号，第一异或门的输出与C相位置信号作为第二异或门的输入，第二异或门输出脉宽调制基准信号选通信号给2选1数据选择器的通道选择端S；
2选1数据选择器的第一数据输入端I1和第二数据输入端I2分别接入由微处理器的脉宽调制模块输出的高斩波限脉宽调制基准信号和低斩波限脉宽调制基准信号，通道选择端S接双相开通区间判别电路输出的脉宽调制基准信号选通信号，输出端Y接数模转换电路的输入端；
硬件斩波电路包括二输入与门5、功率变换器6、电流采样电路7、放大电路8、数模转换电路9和迟滞比较电路10；
功率变换器包括上开关管T1和下开关管T2，上开关管的栅极接入由二输入与门输出的上开关管控制信号，下开关管的栅极接入由微处理器输出的下开关管换相信号；上开关管的源极接+48V功率电源，漏极串联某相电机绕组后连接下开关管的源极；下开关管的漏极接地GND；
二输入与门输入来自微处理器的脉宽调制驱动信号和来自迟滞比较电路的斩波信号，向功率变换器输出上开关管控制信号；
电流采样电路包括康铜丝材料的第一电阻R1，第一电阻的一端连接功率变换器中的下开关管的源极，另一端接地GND；
放大电路包括第二电阻R2、第三电阻R3和第一运算放大器81，其中第一运算放大器的正端与电流采样电路中的第一电阻的一端及下开关管的源极相连，第一运算放大器的负端与第二电阻和第三电阻的连接点相连，第二电阻的另一端接地，第一运算放大器的输出端与第三电阻的另一端相连后形成采样放大信号，并向迟滞比较电路输出；
数模转换电路包括第四电阻R4、第一电容C1和第二运算放大器91，其中第二运算放大器的正端与第四电阻和第一电容的连接处相连，第一电容的另一端与地相连，第四电阻的另一端连接从2选1数据选择器输出的脉宽调制基准信号，第二运算放大器的负端与其自身输出端相连后形成基准电压，并向迟滞比较电路输出；
迟滞比较电路包括第五电阻R5、第六电阻R6和比较器101，比较器的正端与第五电阻和第六电阻的连接处相连，比较器的负端连接采样放大信号，第五电阻的另一端与基准电压相连接，比较器的输出端与第六电阻的另一端相连后，形成斩波信号，并向二输入与门输出。
Claims (4)
1.一种双斩波限开关磁阻电机控制电路，其特征在于：包括微处理器、双相开通区间判别电路、2选1数据选择器、位置信号检测电路、二输入与门、功率变换器、电流采样电路、放大电路、数模转换电路和迟滞比较电路，其中位置信号检测电路检测电机的各相位置信号信息并将各相位置信号信息输送给双相开通区间判别电路，根据判别结果输出脉宽调制基准信号选通信号给2选1数据选择器来选择由微处理器输出的高斩波限脉宽调制基准信号和低斩波限脉宽调制基准信号中的一路来输出给数模转换电路的输入端；电流采样电路测量电机的各相电流，通过放大电路放大后输出给迟滞比较电路的输入端，与数模转换电路输出的基准电压进行比较，输出斩波信号，斩波信号与由微处理器输出的脉宽调制驱动信号作为二输入与门的输入，二输入与门的输出给功率变换器的上开关管，作为上开关管控制信号。
2.根据权利要求1所述双斩波限开关磁阻电机控制电路，其特征在于：
所述微处理器包括脉宽调制模块和输入输出模块，其中输入输出模块向功率变换器输出下开关管换相信号，脉宽调制模块向二输入与门输出脉宽调制驱动信号，并且向2选1数据选择器的数据输入端输出高斩波限脉宽调制基准信号和低斩波限脉宽调制基准信号；
所述位置信号检测电路包括第一位置信号传感器、第二位置信号传感器和第三位置信号传感器，检测电机的三相位置信号信息并将三相位置信号输出给双相开通区间判别电路；
所述双相开通区间判别电路包括第一异或门和第二异或门，其中第一异或门的输入为A相位置信号和B相位置信号，第一异或门的输出与C相位置信号作为第二异或门的输入，第二异或门输出脉宽调制基准信号选通信号给2选1数据选择器的通道选择端；
所述2选1数据选择器的数据输入端接入由微处理器的脉宽调制模块输出的高斩波限脉宽调制基准信号和低斩波限脉宽调制基准信号，通道选择端接双相开通区间判别电路输出的脉宽调制基准信号选通信号，输出端接数模转换电路的输入端；
所述功率变换器包括上开关管和下开关管，上开关管的栅极接入由二输入与门输出的上开关管控制信号，下开关管的栅极接入由微处理器输出的下开关管换相信号；
所述二输入与门输入来自微处理器的脉宽调制驱动信号和来自迟滞比较电路的斩波信号，向功率变换器输出上开关管控制信号；
所述电流采样电路包括第一电阻，所述第一电阻的一端连接功率变换器中的下开关管的源极，另一端接地；
所述放大电路包括第二电阻、第三电阻和第一运算放大器，其中第一运算放大器的正端与电流采样电路中的第一电阻的一端及下开关管的源极相连，第一运算放大器的负端与第二电阻和第三电阻的连接点相连，第二电阻的另一端接地，第一运算放大器的输出端与第三电阻的另一端相连后形成采样放大信号，并向迟滞比较电路输出；
所述数模转换电路包括第四电阻、第一电容和第二运算放大器，其中第二运算放大器的正端与第四电阻和第一电容的连接处相连，第一电容的另一端与地相连，第四电阻的另一端连接从2选1数据选择器输出的脉宽调制基准信号，第二运算放大器的负端与其自身输出端相连后形成基准电压，并向迟滞比较电路输出；
所述迟滞比较电路包括第五电阻、第六电阻和比较器，所述比较器的正端与第五电阻和第六电阻的连接处相连，比较器的负端连接采样放大信号，第五电阻的另一端与基准电压相连接，比较器的输出端与第六电阻的另一端相连后，形成斩波信号，并向二输入与门输出。
3.根据权利要求2所述双斩波限开关磁阻电机控制电路，其特征在于：所述第一电阻为采样电阻。
4.根据权利要求3所述双斩波限开关磁阻电机控制电路，其特征在于：所述采样电阻的材料为康铜丝。
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