CN103236813B - 一种永磁无刷直流电机的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁无刷直流电机的控制系统，包括一驱动装置和一控制器；驱动装置包括变流单元、续流单元和切换控制单元。本发明在传统三相桥式逆变器基础上，通过增加两个辅助功率开关管，实现了续流二极管回路的可控开通与关断，既能够提供正常运行时必需的续流回路，又能够有效抑制非导通相反电势引起的回馈电流，扩大了永磁无刷直流电机恒功率弱磁调速范围；且当两个辅助功率开关管保持恒通时，本发明提出的新型拓扑结构逆变器与传统的三相桥式逆变器完全一致，保证电机在基速以下运行时性能不受影响，同时兼容原有的控制策略。

Description

一种永磁无刷直流电机的控制系统

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种永磁无刷直流电机的控制系统。

背景技术

永磁无刷直流电机主要由电机本体，转子位置传感器和功率逆变电路三部分构成，是一种典型的机电一体化电机。电机本体结构与普通同步电机类似，定子一般采用三相绕组，转子采用永磁体励磁。功率逆变电路按照转子位置传感器输出的导通时序把直流供电电源逆变成交流电源，用于给电机定子三相绕组供电，以便与转子永磁磁场相互作用产生连续的电磁转矩。功率逆变电路一般采用三相桥式结构（也称三相桥式逆变器），由六个功率开关管组成，常用的功率开关管有大功率晶体管（GTR）、金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。转子位置传感器检测永磁转子的位置，输出三相位置信号，并经逻辑处理、功率放大后形成功率逆变电路的触发信号，目前多采用霍尔集成电路。

永磁无刷直流电机因其结构简单、功率密度大、调速性能好等优点，在航空航天、家用电器、工业控制、汽车电子等不同领域得到广泛应用。但在一些特殊应用场合，如电动汽车牵引、数控机床电主轴驱动等领域，要求永磁无刷直流电机在基速以下保持恒转矩运行，在基速以上的较宽速度范围内保持恒功率运行，基速以下调速运行可以通过调整母线电压实现，基速以上运行时，母线电压已经达到最大值，无法调节，只能通过弱磁控制实现恒功率调速运行。但是永磁无刷直流电机的磁场是由永磁体产生，无法直接调节，在不改变电机本体结构的情况下，实现弱磁控制，需要使各相开关管的导通时序超前一定角度，即电流超前导通法（以下简称CPA方式）。

但是在传统的六功率开关管三相桥式逆变器上采用CPA控制时，随着超前角度的增加，非导通相绕组的反电势会通过续流二极管向电源回馈能量，使逆变器中电流迅速增大，阻碍转速升高。因此，在逆变器器容量有限的情况下，传统的CPA控制方式很难获得较大的恒功率调速范围。

公告号为CN100397774C的中国专利公开了一种永磁无刷直流电机弱磁驱动装置，其使用反向串联的一对功率开关管代替传统三相桥式逆变器中的单管，一共需要十二个功率开关管，其两个反向串联的功率开关管由同一个触发信号驱动，虽然能够阻断回馈电流的通路，但同时也阻断了正常运行时必需的续流回路。永磁无刷直流电机在换向过程以及基速以下斩波调速运行时，都需要为感性绕组电流提供续流通路，否则会产生很高的电压尖峰（变压器电势），影响功率开关管的可靠运行。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种永磁无刷直流电机的控制系统，既能够提供正常运行时必需的续流回路，又能够有效抑制非导通相反电势引起的回馈电流。

一种永磁无刷直流电机的控制系统，包括一驱动装置和一控制器；所述的驱动装置包括：

变流单元，用于为电机提供三相交流电能；

续流单元，用于为电机三相定子绕组提供续流回路；

切换控制单元，用于控制所述的续流单元的工作状态；

所述的控制器用于为变流单元提供PWM信号并采集电机的转子位置角，进而根据所述的转子位置角生成开关控制信号以驱动切换控制单元。

所述的变流单元包括一直流源和一逆变器，所述的逆变器采用三相桥式逆变电路，其每个桥臂由至少一个功率开关器件串联组成；该逆变电路的直流侧与直流源对应连接，交流侧与电机三相定子绕组对应连接。

所述的续流单元采用三相桥式整流电路，其每个桥臂由至少一个二级管串联组成；该整流电路的直流侧通过切换控制单元与变流单元的直流侧对应连接，交流侧与电机三相定子绕组对应连接。

所述的切换控制单元由两个功率开关管Z1～Z2构建；其中，功率开关管Z1连接于变流单元直流侧正极端与续流单元直流侧正极端之间，功率开关管Z2连接于变流单元直流侧负极端与续流单元直流侧负极端之间。

所述的功率开关器件采用不带有反并二极管的开关管，可使用IGBT（绝缘栅双极型晶体管），也可以使用MOSFET（金属氧化物半导体场效应管），根据选用功率开关器件类型的不同，对电路拓扑结构及其驱动电路进行优化。

所述的控制器根据以下控制策略生成开关控制信号以驱动切换控制单元：

当变流单元的换向超前角θ为0＜θ＜π/6时：

当变流单元的换向超前角θ为π/6≤θ＜π/2时：

其中：S₁和S₂分别为功率开关管Z1和功率开关管Z2的开关控制信号，为电机的转子位置角，n为整数。

本发明中，切换控制单元中的两个功率开关器件保持恒通时，变流单元就转换为传统结构的三相桥式逆变电路，可以保证电机在基速以下正常运行；当切换控制单元中的两个功率开关器件按照一定时序轮流导通时，可以控制续流单元的开通与关断，既能够提供电机正常运行时必需的续流回路，又能够抑制由非导通相反电势引起的回馈电流。

故本发明在传统三相桥式逆变器基础上，通过增加两个辅助功率开关管，实现了续流二极管回路的可控开通与关断，既能够提供正常运行时必需的续流回路，又能够有效抑制非导通相反电势引起的回馈电流，扩大了永磁无刷直流电机恒功率弱磁调速范围；且当两个辅助功率开关管保持恒通时，本发明提出的新型拓扑结构逆变器与传统的三相桥式逆变器完全一致，保证电机在基速以下运行时性能不受影响，同时兼容原有的控制策略。

附图说明

图1为本发明控制系统的结构示意图。

图2为本发明控制系统电流续流及回馈的流通路径示意图。

图3为电机在传统逆变控制系统驱动下的三相反电动势波形及导通逻辑时序图。

图4为传统逆变控制系统电流续流及回馈的流通路径示意图。

图5为本发明控制系统中两个辅助功率开关管在换向超前角＜30°时的开关时序图。

图6为本发明控制系统中两个辅助功率开关管在换向超前角＞30°时的开关时序图。

图7(a)为换向超前角为60°时电机在传统逆变控制系统驱动下的绕组电流波形示意图。

图7(b)为换向超前角为60°时电机在本发明控制系统驱动下的绕组电流波形示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其工作原理进行详细说明。

如图1所示，一种永磁无刷直流电机的控制系统，包括一驱动装置和一控制器；驱动装置包括变流单元、续流单元和切换控制单元；其中：

变流单元与电机三相定子绕组相连，其用于为电机M提供三相交流电能；本实施方式中，变流单元包括一直流源DC和一逆变器，逆变器为三相桥式逆变电路，其每个桥臂由一IGBT管构建；该逆变电路的直流侧与直流源DC对应连接，交流侧与电机三相定子绕组对应连接；六个桥臂上的IGBT管Q1～Q6均采用型号IRG4BC30U的模块化IGBT，该管内部没有集成反并联二极管。

续流单元与电机三相定子绕组相连，其用于为电机三相定子绕组提供续流回路；本实施方式中，续流单元采用三相桥式整流电路，其每个桥臂由一二级管构建；该整流电路的直流侧通过切换控制单元与变流单元的直流侧对应连接，交流侧与电机三相定子绕组对应连接；六个桥臂上的二级管D1～D6均采用型号MUR1560的模块化二级管。

切换控制单元与变流单元和续流单元相连，其用于控制续流单元的工作状态；本实施方式中，切换控制单元由两个功率开关管Z1～Z2构建；其中，功率开关管Z1连接于变流单元直流侧正极端与续流单元直流侧正极端之间，功率开关管Z2连接于变流单元直流侧负极端与续流单元直流侧负极端之间。

控制器与变流单元和切换控制单元连接，其用于为变流单元提供PWM信号并采集电机M的转子位置角，进而根据转子位置角生成一对开关控制信号S₁～S₂以驱动切换控制单元；本实施方式中，控制器采用单片机和光电编码器构建，光电编码器用于采集电机M的转子位置角，进而将转子位置角输送给单片机；单片机用于根据相应控制策略通过确定变流单元的换向超前角θ并构造出一组PWM信号以驱动变流单元中的六个IGBT管Q1～Q6，进而根据转子位置角和换向超前角θ生成一对开关控制信号S₁～S₂以驱动切换控制单元中的两个功率开关管Z1～Z2。

本实施方式的具体工作过程如下：

当永磁无刷直流电机在基速以下正常运行时，换向超前角为0，上下两个辅助功率开关管Z1、Z2保持开通状态，此时本实施方式与传统的三相桥式逆变电路完全一致，按照三相六状态120度导通方式进行控制，每个状态导通两个功率开关管，以Q1Q6，Q1Q2，Q2Q3，Q3Q4，Q4Q5，Q5Q6循环导通。以Q1Q6导通为例，此时电流从直流源正极经功率开关管Q1流入电机A相绕组，然后从电机B相绕组流出，经功率开关管Q6返回直流源负极，当由Q1Q6导通状态切换为Q1Q2导通状态时，功率开关管Q6关断，Q2开通，由于绕组电感的影响，B相绕组电流会通过续流二极管D3续流，直到衰减为零。其余五个导通状态的工作过程与此类似。

当永磁无刷直流电机在基速以上采用相位超前法进行弱磁控制时，设换向超前角为θ，此时Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6六个功率开关管组成的桥式逆变电路仍按照三相六状态120度导通方式循环导通，但上下两个辅助功率开关管Z1～Z2不再保持恒通状态，必须根据续流情况轮流导通，以抑制回馈电流的产生。仍以Q1Q6导通状态切换为Q1Q2导通状态时刻为例，此时主电路可简化为图2所示。由图2可知，Q6关断瞬间，B相成为非导通相，由于绕组中电感的作用，需要通过二极管D3续流，因此必须在关断Q6同时或者之前就开通Z1，并且在续流持续时间必须保证Z1始终导通。续流过程开始时，B相反电势为负向最大值，由于续流时间较短，在续流过程中，B相的反电势始终为负值，若在B相反电势为负的区间内，开通Z1，关断Z2，则续流过程不受影响，且能抑制反电势形成的回馈电流i_eb，其余五个导通状态下功率开关管的换流过程与此类似。具体实施时可以将功率开关管Z1和Z2的导通时序与转子位置角度以及换向超前角度之间关系，按照以下分段函数公式直接进行控制。

当变流单元的换向超前角θ为0＜θ＜π/6时：

当变流单元的换向超前角θ为π/6≤θ＜π/2时：

其中：S₁和S₂分别为功率开关管Z1和功率开关管Z2的开关控制信号，为电机的转子位置角，n为整数。

下面通过比较电流相位超前弱磁控制策略在传统控制拓扑结构与本实施方式拓扑结构下的运行机理和实施效果来阐述本发明的特点。

图3为传统逆变器驱动的永磁无刷直流电机三相反电动势波形及对应的导通逻辑时序关系，三相六状态120度导通方式，每个状态导通两个功率开关管，以Q1Q6，Q1Q2，Q2Q3，Q3Q4，Q4Q5，Q5Q6循环导通。在电流相位超前控制下，设换向超前角为θ，以B相下桥臂关断时刻为例，Q6在t时刻关断，B相在t时刻为起点的60度电角范围内成为非导通相。由于电机为感性负载，关断瞬间，B相绕组开始续流，续流电流i_H通过与Q3反并联的续流二极管流向电源正极，如图4所示。由于续流时间较短，可以认为续流前后B相反电势e_b变化不大，仍为反向最大值，续流结束后保持e_b<e_c，由于此刻功率开关管Q2是导通的，C相绕组引出端电势等于电源负极电势，B相绕组引出端电势低于电源负极电势，因此会有回馈电流i_eb通过与Q6反并联二极管流入B相绕组。随着超前角θ的增大，电机转速提高，反电势增加，并且e_b<e_c的角度范围增大，回馈电流随之增大，最终使得相电流迅速上升达到逆变器电流容量的上限，限制了转速的进一步提升。

本实施方式提出的新型拓扑结构逆变器增加了两个辅助功率开关管Z1和Z2，可以控制续流二极管回路的开通与关断，既能够提供续流回路又有助于抑制回馈电流的产生。仍以B相下桥臂关断时刻为例，此时主电路可简化为图2所示。由图2可知，Q6关断瞬间，B相成为非导通相，并且开始续流。由于绕组中电感的作用，续流持续时间必须保证Z1始终导通。续流过程开始时，B相反电势为负向最大值。由于续流时间较短，在续流过程中，B相的反电势始终为负值。若在B相反电势为负的区间内，开通Z1，关断Z2，则续流过程不受影响，且能抑制反电势形成的回馈电流i_eb。其余五个导通状态下功率开关管的换流过程与此类似，可以得出以下结论：

上桥臂功率开关管关断引起的续流过程，发生在非导通相反电势为正的区间内；下桥臂功率开关管关断引起的续流过程，发生在非导通相反电势为负的区间内。非导通相反电势为正的区间内，开通Z2、关断Z1，可以保证续流并抑制非导通相反电势回馈电流；非导通相反电势为负的区间内，开通Z1、关断Z2，可以保证续流并抑制非导通相反电势回馈电流。因此，为了限制非导通相反电势向电源回馈电流，必须按照一定的时序交替的开关Z1和Z2。Z1和Z2在任意时刻的开关状态由该时刻非导通相反电势的正负直接决定。当非导通相的反电势为正时，Z2导通；非导通相反电势为负时，Z1导通。

当换向超前角θ<30°时，各相反电势、非导通相反电势与Z1、Z2导通信号的相位关系如图5所示，图中e_a、e_b、e_c为三相反电动势，e_x为非导通相反电势合成波形。此时，非导通相反电势合成量e_x的正负值取决于三相绕组反电势的波形，与超前角θ无关。

当换向超前角θ>30°时，各相反电势、非导通相反电势与Z1、Z2导通信号的相位关系如图6所示。此时合成量e_x过零点与功率开关管的开通关断时刻重合，其正负取决于功率开关管的开关状态。上桥臂功率开关管导通范围中的前60°，Z1关断，Z2开通；导通范围的后60°，Z1开通，Z2关断。

以下我们采用本实施方式的拓扑结构一台永磁无刷直流电机进行弱磁控制，电机正常换向时（换向超前角为0），基速为270转/分，采用电流超前控制法进行弱磁扩速时，当换向超前角为60°时，最高转速为550转/分，绕组电流为基速运行额定电流时的3.6倍，弱磁扩速比为2.04。为了证明本实施方式对永磁无刷直流电机弱磁扩速性能提高的有效性，可以让本实施方式中的两个辅助功率开关管Z1、Z2保持恒通状态，这样本实施方式的逆变电路就转换为传统的三相桥式逆变电路，其余实验条件均不变，此时电机能够达到的最高转速只有370转/分，而绕组电流却已经达到基速运行额定电流时的12倍。图7(a)和(b)是新旧两种逆变器驱动下，当换向超前角为60度时，电机绕组电流的波形对比，可以看出采用本实施方式的逆变器后，回馈电流被完全抑制，绕组电流峰值明显减小。故上述对比实验验证了本实施方式出的新型拓扑结构逆变器能够有效抑制非导通相反电势引起的回馈电流，扩大永磁无刷直流电机恒功率弱磁调速范围。

Claims (1)

1.一种永磁无刷直流电机的控制系统，包括一驱动装置和一控制器；其特征在于：所述的驱动装置包括：

变流单元，用于为电机提供三相交流电能；

续流单元，用于为电机三相定子绕组提供续流回路；

切换控制单元，用于控制所述的续流单元的工作状态；

所述的控制器用于为变流单元提供PWM信号并采集电机的转子位置角，进而根据所述的转子位置角生成开关控制信号以驱动切换控制单元；

所述的变流单元包括一直流源和一逆变器，所述的逆变器采用三相桥式逆变电路，其每个桥臂由一个功率开关器件组成或由多个功率开关器件串联组成；该逆变电路的直流侧与直流源对应连接，交流侧与电机三相定子绕组对应连接；

所述的续流单元采用三相桥式整流电路，其每个桥臂由一个二极管组成或由多个二极管串联组成；该整流电路的直流侧通过切换控制单元与变流单元的直流侧对应连接，交流侧与电机三相定子绕组对应连接；

所述的切换控制单元由两个功率开关管Z1～Z2构建；其中，功率开关管Z1连接于变流单元直流侧正极端与续流单元直流侧正极端之间，功率开关管Z2连接于变流单元直流侧负极端与续流单元直流侧负极端之间；

所述的功率开关器件采用不带有反并联二极管的开关管；

所述的控制器根据以下控制策略生成开关控制信号以驱动切换控制单元：

当变流单元的换向超前角θ为0＜θ＜π/6时：

当变流单元的换向超前角θ为π/6≤θ＜π/2时：

其中：S₁和S₂分别为功率开关管Z1和功率开关管Z2的开关控制信号，为电机的转子位置角，n为整数。