CN102857162B

CN102857162B - 一种大电流无刷直流电机的主电路及控制方法

Info

Publication number: CN102857162B
Application number: CN201210334043.4A
Authority: CN
Inventors: 黄声华; 邓衍贵; 杨青; 苏洪昌; 曾昭国
Original assignee: YICHANG QINGJIANG ELECTRIC CO Ltd
Current assignee: YICHANG QINGJIANG ELECTRIC CO Ltd
Priority date: 2012-09-11
Filing date: 2012-09-11
Publication date: 2015-04-15
Anticipated expiration: 2032-09-11
Also published as: CN102857162A

Abstract

一种大电流无刷直流电机的主电路及控制方法，采用半可控功率器件：晶闸管，取代全可控功率器件，作为大电流无刷直流电机各个绕组的换流的开关器件；采用大功率可关断器件：IGBT，调节无刷直流电机的电流，本发明实现大电流无刷直流电机的电磁转矩连续可控和电机的四象限运行。

Description

一种大电流无刷直流电机的主电路及控制方法

技术领域

本发明一种大电流无刷直流电机的主电路及控制方法，属于电动机控制和电力电子技术应用领域。

背景技术

目前，无刷直流电机均采用可关断功率器件，如：IGBT等，来实现电机绕组的换流。但是，对于大电流（大于等于100A）无刷直流电机，采用可关断器件实现电机绕组换流，具有功率器件的成本高，耐电流冲击能力弱，造成大电流无刷直流电机运行可靠性降低等缺点。但是采用晶闸管作为大电流无刷直流电机绕组换流的开关器件，存在晶闸管关断困难、电机绕组电流连续调节困难等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种大电流无刷直流电机的主电路及控制方法，通过触发辅助晶闸管和换向电容强迫关断主电路晶闸管，实现电机绕组换流，通过控制辅助功率器件IGBT的导通占空比，实现电机绕组电流的连续调节，达到大电流无刷直流电机换流可靠、转矩连续可控、四象限运行的目的。

本发明的上述目的是通过这样的技术方案来实现的：一种大电流无刷直流电机的主电路，电源P端连接第一IGBT集电极，第一IGBT发射极连接储能电感L1一端、第一二极管D1一端，第一二极管D1另一端连接第二IGBT发射极，第二IGBT集电极连接电源N端；储能电感L1另一端分别连接第一晶闸管S1、第三晶闸管S3、第五晶闸管S5、第七晶闸管S7的阳极，所述第一晶闸管S1、第三晶闸管S3、第五晶闸管S5、第七晶闸管S7的阴极分别连接第四晶闸管S4、第六晶闸管S6、第二晶闸管S2、第八晶闸管S8的阳极，所述第四晶闸管S4、第六晶闸管S6、第二晶闸管S2、第八晶闸管S8的阴极连接电源N端；所述第一晶闸管S1、第三晶闸管S3、第五晶闸管S5的阴极分别连接无刷直流电机的三相绕组，无刷直流电机的三相绕组公共端D端通过换向电容C1连接第八晶闸管S8的阳极。

所述第二IGBT的发射极、集电极之间连接有耗能电阻R1。所述第二IGBT的发射极、集电极之间连接有续流二极管。所述第一IGBT的发射极、集电极之间连接有续流二极管。一种大电流无刷直流电机的控制方法，采用半可控功率器件：晶闸管，取代全可控功率器件，作为大电流无刷直流电机各个绕组的换流的开关器件；采用大功率可关断器件：IGBT，调节无刷直流电机的电流，实现大电流无刷直流电机的电磁转矩连续可控和电机的四象限运行。

一种大电流无刷直流电机的控制方法，在无刷直流电机处于电动状态时，控制第一IGBT导通时，电机电流增加，且一部分电能储存在储能电感L1中；当控制第一IGBT关断时，存储在电感L1中的能量继续可以继续向电机提供电流，电机电流缓慢下降，通过调节第一IGBT导通占空比，控制无刷直流电机绕组中的电流大小；在无刷直流电机处于制动状态时，控制第二IGBT导通时，电机电流通过第二IGBT、第一二极管D1、晶闸管S1、S2、S3、S4、S5、S6和电机绕组构成回路；当控制第二IGBT关断时，电机电流通过耗能电阻R1、第一二极管D1、晶闸管S1、S2、S3、S4、S5、S6和电机绕组构成回路，电机制动时的机械能转变成电能消耗在制动耗能电阻R1中，通过调节第二IGBT导通占空比，控制无刷直流电机制动时电流的大小。

本发明一种大电流无刷直流电机的主电路及控制方法，采用半可控功率器件：晶闸管，取代全可控功率器件，如IGBT等，作为大电流无刷直流电机各个绕组的换流的开关器件，可以大幅度降低大电流无刷直流电机驱动控制器的成本。采用大功率可关断器件调节无刷直流电机的电流，实现大电流无刷直流电机的电磁转矩连续可控和电机的四象限运行。六个主晶闸管和两个辅助晶闸管以及换向电容共同实现电机三相绕组的可靠换流，达到大电流无刷直流电机可以运转的基本条件。调节功率器件第一IGBT的导通占空比，就可以有效控制无刷直流电机绕组中的电流大小，实现大电流无刷直流电机电磁转矩的连续可控。调节第二IGBT导通占空比，就可以有效控制无刷直流电机制动时电流的大小，实现大电流无刷直流电机制动转矩的连续可控和四象限运行。

本发明采用半可控功率器件：晶闸管，来实现大电流无刷直流电机各绕组的换流，主电路成本可以明显降低，且晶闸管耐电流冲击能力大大高于可关断功率器件，从而可以提高大电流无刷直流电机运行可靠性，无刷直流电机的功率越大。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1是本发明主电路原理图。

图2是本发明无刷直流电机绕组换流的原理图。

图3是本发明换流过程的波形图。

图4是本发明电机电动工况时控制电流的原理图。

图5是本发明电机制动工况时控制电流的原理图。

具体实施方式

如图1所示，一种大电流无刷直流电机的主电路，包括无刷直流电机的电流控制电路、绕组换流电路、制动电路。电源P端连接第一IGBT T1集电极，第一IGBT T1发射极连接储能电感L1一端、第一二极管D1一端，第一二极管D1另一端连接第二IGBT T2发射极，第二IGBT T2集电极连接电源N端。储能电感L1另一端分别连接第一晶闸管S1、第三晶闸管S3、第五晶闸管S5、第七晶闸管S7的阳极，所述第一晶闸管S1、第三晶闸管S3、第五晶闸管S5、第七晶闸管S7的阴极分别连接第四晶闸管S4、第六晶闸管S6、第二晶闸管S2、第八晶闸管S8的阳极，所述第四晶闸管S4、第六晶闸管S6、第二晶闸管S2、第八晶闸管S8的阴极连接电源N端。所述第一晶闸管S1、第三晶闸管S3、第五晶闸管S5的阴极分别连接无刷直流电机的三相绕组，无刷直流电机的三相绕组公共端D端通过换向电容C1连接第八晶闸管S8的阳极。

所述第二IGBT T2的发射极、集电极之间连接有耗能电阻R1。所述第二IGBT T2的发射极、集电极之间连接有续流二极管。所述第一IGBT T1的发射极、集电极之间连接有续流二极管。

一种大电流无刷直流电机的控制方法，采用半可控功率器件：晶闸管，取代全可控功率器件，作为大电流无刷直流电机各个绕组的换流的开关器件；采用大功率可关断器件：IGBT，调节无刷直流电机的电流，实现大电流无刷直流电机的电磁转矩连续可控和电机的四象限运行。

在无刷直流电机处于电动状态时，控制第一IGBT T1导通时，电机电流增加，且一部分电能储存在储能电感L1中；当控制第一IGBT T1关断时，存储在电感L1中的能量继续可以继续向电机提供电流，电机电流缓慢下降，通过调节第一IGBT T1导通占空比，控制无刷直流电机绕组中的电流大小。在无刷直流电机处于制动状态时，控制第二IGBT T2导通时，电机电流通过第二IGBT T2、第一二极管D1、晶闸管S1、S2、S3、S4、S5、S6和电机绕组构成回路；当控制第二IGBT T2关断时，电机电流通过耗能电阻R1、第一二极管D1、晶闸管S1、S2、S3、S4、S5、S6和电机绕组构成回路，电机制动时的机械能转变成电能消耗在制动耗能电阻R1中，通过调节第二IGBT T2导通占空比，控制无刷直流电机制动时电流的大小。

无刷直流电机绕组的换流过程可以分为关断、充电、开通三个过程。关断过程主要是依靠触发导通辅助晶闸管S7或S8，将换向电容C1上的电压加到主晶闸管上，强迫主晶闸管S1、S2、S3、S4、S5、S6中已经导通的晶闸管关断，从而可靠关断已导通的主晶闸管；充电过程主要是将换向电容C1上电压充到设定值，为触发导通下一个晶闸管做必要准备；开通过程即触发待开通相晶闸管，使晶闸管导通，从而使与导通晶闸管相连的电机绕组电流上升到设定值的过程。

以电机A相绕组电流换流到B相绕组为例，说明换流过程，如图2、图3所示。

假设初始时刻t0时A、C两相导通电流，初始电流大小为I0，此时第一晶闸管S1、第二晶闸管S2导通。当电机正向转动到一定角度后，要求将A相电流转移到B相，即要求：关断第一晶闸管S1，并且令第三晶闸管S3、第二晶闸管S2导通。此时先清除第一晶闸管S1的触发信号。由于晶闸管是半可控功率器件，清除第一晶闸管S1的触发信号，并不能令第一晶闸管S1关断，触发第七晶闸管S7。由于电容C1上的电压为左正右负，使得第七晶闸管S7承受正向电压，因此第七晶闸管S7立即导通。第七晶闸管S7导通后，第一晶闸管S1由原先承受的正向电压变成了-(U₀+U_AD)，即反向电压。A相绕组中的电流开始逐渐减小，在t1时刻，A相绕组电流过零，此时的-(U₀+U_AD)小于零，确保第一晶闸管S1可靠关断。关断过程结束后，电路开始向换向电容C1充电，使换向电容C1电压反向，即进入充电过程。在t2时刻，C1上的电压充到-U_th，且U_th-U_BD>0，这时第三晶闸管S3导通的条件已经满足，充电过程结束。开通过程，t2时刻，U_th-U_BD>0，给出第三晶闸管S3触发信号，同时撤除第七晶闸管S7的触发信号。第三晶闸管S3在收到触发信号后立即导通，流过第三晶闸管S3的电流迅速上升至设定电流值I₀。第七晶闸管S7的触发信号虽然已被撤除，且承受的也是反向电压，但由于此时流过第七晶闸管S7的电流还未过零，因此换向电容C1的电压将继续上升，直至电流过零，第七晶闸管S7自然关断，Uc1最终充到-U₀。由于第三晶闸管S3与电机B相绕组相连，第三晶闸管S3的导通，就意味着电机B相电流的建立，当电机B相电流达到设定值I0，而且第七晶闸管S7已经关断，表明充电过程结束。以上三个过程即完成了电机A相绕组电流向B相绕组换流的过程。当电容C1上的电压Uc1充电到-U₀，即为第二晶闸管S2向第四晶闸管S4换流做好了准备。

图1中第一IGBT为T1、储能电感L1、第二IGBT为T2、第一二极管D1构成无刷直流电机电动工况时电流连续可调的斩波电路，如图4所示：由于IGBT内部一般都反并联了续流二极管，图4中第一二极管D1可以防止T1导通时，电源Udc产生短路电流。无刷直流电机绕组电流由T1控制，T2恒导通。控制T1导通时，直流电源Udc经过第一T1、储能电感L1、晶闸管主电路、电机绕组构成电流回路，电流增加，储能电感L1中的储能也增加，当电流增长到略大于设定值I0后，控制T1关断，储能电感L1储存的磁能对外释放，电流经储能电感L1、晶闸管主电路、电机绕组、T2、第一二极管D1构成回路，电流逐步下降，当电流下降到略小于设定值，再重新开通T1，保持电机绕组中的电流稳定在某一设定值I0。T1的导通占空比大，电机绕组中的稳态电流值I0就大，连续改变T1的导通占空比，就可以控制电机绕组电流的连续变化，实现无刷直流电机电动工况时电磁转矩的连续可控。

图1中T2、耗能电阻R1、第一二极管D1、储能电感L1构成无刷直流电机制动工况时电流连续可调的斩波电路，如图5所示：无刷直流电机工作在制动工况时，令主电路中的晶闸管S1～S6工作在整流状态，第七晶闸管S7、第八晶闸管S8恒关闭，电机绕组电流由T2控制，T1恒关断。控制T2导通时，电机绕组电流增加，控制T2关断时，电机绕组电流经过耗能电阻R1构成回路，电机制动的机械能转变为电能消耗到电阻R1中，电机电流减少。连续调节T2的导通占空比，可以可以连续控制电机制动工况时的电流大小，从而可以连续控制无刷直流电机的制动转矩，实现无刷直流电机的四象限运行。

如果只要求大电流无刷直流电机工作在正、反转的二象限电动工况，主电路中的T2和耗能电阻R1可以省略不用。

本发明用于一台电流等于100A的无刷直流电机主电路如图1所示。主电路外加直流电压Udc=600V，主电路电机绕组换流功能由6个主晶闸管：S1～S6和2个辅助晶闸管S7～S8构成。6个主晶闸管每次导通2个（上桥臂1个、下桥臂1个），控制电机两相绕组通过电流。由于晶闸管无主动关断能力，绕组需要换流时，关断上桥臂晶闸管通过控制第七晶闸管S7实现换流，关断下桥臂晶闸管通过控制第八晶闸管S8实现换流。

电路中主要元件参数：晶闸管S1～S8：50A/1200V，换向电容C1：10uf/1200V无极性电容。

电机电动工况时电流调节电路见图4所示。控制T1导通，占空比从0.9至0.2，电机电流的调节范围可以从120A到25A，满足无刷电机负载转矩变化的要求。电路中主要元件的参数：T1：150A/1200V的IGBT，储能电感L1：1Hm/120A。

电机制动工况时电流调节电路见图2所示。控制T2导通，占空比从1至0.2，电机电流的调节范围可以从100A到20A，满足无刷电机制动时转矩变化的要求。电路中主要元件的参数：T2：150A/1200V的IGBT，第一二极管D1：120A/1200V，耗能电阻R1：3Ω/7500W。

Claims

1.一种大电流无刷直流电机的控制方法，其特征在于，包括一种大电流无刷直流电机的主电路，电源P端连接第一IGBT(T1)集电极，第一IGBT(T1)发射极连接储能电感(L1)一端、第一二极管(D1)一端，第一二极管(D1)另一端连接第二IGBT(T2)发射极，第二IGBT(T2)集电极连接电源N端；储能电感(L1)另一端分别连接第一晶闸管(S1)、第三晶闸管(S3)、第五晶闸管(S5)、第七晶闸管(S7)的阳极，所述第一晶闸管(S1)、第三晶闸管(S3)、第五晶闸管(S5)、第七晶闸管(S7)的阴极分别连接第四晶闸管(S4)、第六晶闸管(S6)、第二晶闸管(S2)、第八晶闸管(S8)的阳极，所述第四晶闸管(S4)、第六晶闸管(S6)、第二晶闸管(S2)、第八晶闸管(S8)的阴极连接电源N端；所述第一晶闸管(S1)、第三晶闸管(S3)、第五晶闸管(S5)的阴极分别连接无刷直流电机的三相绕组，无刷直流电机的三相绕组公共端D端通过换向电容(C1)连接第八晶闸管(S8)的阳极；

采用半可控功率器件：晶闸管，取代全可控功率器件，作为大电流无刷直流电机各个绕组的换流的开关器件；采用大功率可关断器件：IGBT，调节无刷直流电机的电流，实现大电流无刷直流电机的电磁转矩连续可控和电机的四象限运行；

第七晶闸管(S7)、第八晶闸管(S8)两个晶闸管即为强迫关断第一晶闸管(S1)、第二晶闸管(S2)、第三晶闸管(S3)、第四晶闸管(S4)、第五晶闸管(S5)、第六晶闸管(S6)的换流器件；

第一IGBT(T1)用于调节无刷直流电机电动运行时的电流，第二IGBT(T2)用于调节无刷直流电机制动运行时的电流，其他半可控功率器件：第一晶闸管(S1)、第二晶闸管(S2)、第三晶闸管(S3)、第四晶闸管(S4)、第五晶闸管(S5)、第六晶闸管(S6)、第七晶闸管(S7)、第八晶闸管(S8)仅完成无刷直流电机各相绕组的换流工作；

当晶闸管主电路上桥臂晶闸管(S1、S3、S5)中某一个导通后，通过触发导通晶闸管(S7)，来强迫关断晶闸管主电路上桥臂晶闸管(S1、S3、S5)中导通的晶闸管，当晶闸管主电路下桥臂晶闸管(S4、S6、S2)中某一个导通后，通过触发导通晶闸管(S8)，来强迫关断(S4、S6、S2)中导通的晶闸管，从而实现无刷直流电机绕组换流功能。

2.根据权利要求1所述一种大电流无刷直流电机的控制方法，其特征在于：在无刷直流电机处于电动状态时，控制第一IGBT(T1)导通时，电机电流增加，且一部分电能储存在储能电感(L1)中；当控制第一IGBT(T1)关断时，存储在电感(L1)中的能量继续可以继续向电机提供电流，电机电流缓慢下降，通过调节第一IGBT(T1)导通占空比，控制无刷直流电机绕组中的电流大小；在无刷直流电机处于制动状态时，控制第二IGBT(T2)导通时，电机电流通过第二IGBT(T2)、第一二极管(D1)、晶闸管(S1、S2、S3、S4、S5、S6)和无刷直流电机绕组构成回路；当控制第二IGBT(T2)关断时，电机电流通过耗能电阻(R1)、第一二极管(D1)、晶闸管(S1、S2、S3、S4、S5、S6)和无刷直流电机绕组构成回路，电机制动时的机械能转变成电能消耗在制动耗能电阻(R1)中，通过调节第二IGBT(T2)导通占空比，控制无刷直流电机制动时电流的大小。

3.根据权利要求1所述一种大电流无刷直流电机的控制方法，其特征在于：所述第二IGBT(T2)的发射极、集电极之间连接有耗能电阻(R1)。

4.根据权利要求1所述一种大电流无刷直流电机的控制方法，其特征在于：所述第一IGBT(T1)的发射极、集电极之间连接有续流二极管。

5.根据权利要求1或4所述一种大电流无刷直流电机的控制方法，其特征在于：所述第二IGBT(T2)的发射极、集电极之间连接有续流二极管。