CN103368479A - 三相无刷直流电机的控制电路 - Google Patents

三相无刷直流电机的控制电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种三相无刷直流电机的控制电路，包括一个全桥电路以及一个电子控制和驱动装置。该全桥电路包括三个连接在一个直流电源的两个电极之间电路分支。该无刷电机的各绕组连接至该全桥电路对应的电路分支。该电子控制和驱动装置被配置为通过多个均具有三个驱动信号的信号组来驱动各电路分支，各驱动信号包括相互间隔的导通部分和切断部分。该电子控制和驱动装置被配置为各驱动信号的导通部分共占120°以上的电角度，以使得加载在一个电子开关的初始间隔的脉冲激活信号至少部分与加载在紧接其之前被激活的电子开关的最后间隔的脉冲激活信号重叠。如此，可以一个相对简单的结构及便宜的价格来产生一个伪正弦信号。

Description

三相无刷直流电机的控制电路
技术领域
本发明涉及三相无刷直流电机的控制电路。
背景技术
三相无刷直流电机的控制电路通常包括一个全桥电路以及一个电子控制和驱动装置。该全桥电路包括三个分支，该三个电路分支均连接在一个直流电源的两个电极之间。各电路分支分别包括相互串联的一个上电子开关及一个下电子开关，各上电子开关及下电子开关分别连接至该直流电源的正负两个电极，该电机的绕组对应连接至该全桥电路的电路分支的两个电子开关之间的一个中间节点。该电子控制和驱动装置被配置为通过多个均具有三个驱动信号的信号组在稳定状态下来驱动各上电子开关及各下电子开关，各信号组相互偏移180°电角度，同个信号组中的驱动信号相互偏移120°电角度，并且各驱动信号包括相互间隔的活动/导通部分和非活动/切断部分。该电子控制和驱动装置被配置为使得并且各驱动信号的活动/导通部分包括一个初始间隔的脉冲激活信号，一个中间间隔的连续激活信号，以及一个最后间隔的脉冲激活信号。该中间间隔的连续激活信号所持续的电角度大于初始间隔及最后间隔的脉冲激活信号。上述电路在EP1845609A2中有揭露。然而，在该控制电路控制下的电机的扭矩变化较大。
发明内容
有鉴于此，本发明的一个目的在于提供一个改进的控制电路，该控制电路可限制电机输出的扭矩变化，具有相对简单的结构及便宜的价格。
一种三相无刷直流电机的控制电路，包括一个全桥电路以及一个电子控制和驱动装置。该全桥电路包括三个连接在一个直流电源的两个电极之间电路分支，各电路分支分别包括相互串联并且分别连接至该直流电源的两个正负电极的一个上电子开关以及一个下电子开关。该无刷电机的各绕组连接至该全桥电路对应的电路分支的两个电子开关之间的一个中间节点。该电子控制和驱动装置被配置为通过多个均具有三个驱动信号的信号组在稳定状态下来驱动该全桥电路的上电子开关及下电子开关，各信号组相互偏移180°电角度，各信号组中的驱动信号相互偏移120°电角度，并且各驱动信号包括相互间隔的活动/导通部分和非活动/切断部分。该电子控制和驱动装置被配置为各驱动信号的活动/导通部分包括一个初始间隔的脉冲激活信号，一个中间间隔的连续激活信号，以及一个最后间隔的脉冲激活信号。该中间间隔的连续激活信号所持续的电角度大于初始间隔及最后间隔的脉冲激活信号。该电子控制和驱动装置被配置为各驱动信号的活动/导通部分共占120°以上的电角度，以使得加载在一个电子开关的初始间隔的脉冲激活信号至少部分与加载在紧接其之前被激活的电子开关的最后间隔的脉冲激活信号重叠。
优选地，各驱动信号的活动/导通部分共占140°以上的电角度，该活动/导通部分所占的电角度与该电机的转速和/或其吸收的电流水平成函数关系而可变化。
优选地，该初始间隔的脉冲激活信号的脉冲调制宽度的平均值逐渐增大，该最后间隔的脉冲激活信号的脉冲调制宽度的平均值逐渐减小。
如此，本发明的控制电路可以一个相对简单的结构以及相对便宜的价格来产生一个伪正弦信号。
为了能更进一步了解本发明的特征以及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
图1是本发明较佳实施方式的三相无刷直流电机的控制电路的电路原理图。
图2是图1的控制电路的桥电路的上下电子开关的多组驱动脉冲的示意图。
图3a至3c是图1的控制电路的部分电路示意图，用于说明图1的控制电路的工作过程。
图4示出了图1的控制电路提供的加载在电机上的不同类型的电流。
具体实施方式
下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其他有益效果显而易见。附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。附图中显示的尺寸仅仅是为了便于清晰描述，而并不限定比例关系。
图1示出了本发明的较佳实施方式的三相无刷直流电机的控制电路的电路原理图。
该控制电路包括一个全桥电路1，其包括三个电路分支B1、B2、B3。该三个电路分支均连接在一个直流电源2的两个电极之间，在本实施方式中，该直流电源2的负极连接到地端GND。
电路分支B1、B2、B3分别包括相互串联的一个上电子开关M1、M2、M3以及一个下电子开关M4、M5、M6，各上电子开关M1、M2、M3及下电子开关M4、M5、M6分别连接至直流电源2的正负电极。
上述上电子开关M1、M2、M3以及下电子开关M4、M5、M6优选为MOSFET的类型的晶体管。
全桥电路1连接到一个具有与三相对应的三个绕组W1、W2、W3的无刷电机M，在本实施方式中，该三个绕组W1、W2、W3按照星形方式连接，当然在其它实施方式中也可以按照三角形方式连接。三个绕组W1、W2、W3对应连接至全桥电路1的三个电路分支B1、B2、B3的两个电子开关之间的一个中间节点。
各上电子开关M1至M3以及各下电子开关M4至M6还可分别并联一个回流二极管（recirculation diode）D1至D3及D4至D6。
另外，全桥电路1还可再与一个电容C1并联。
一个分流电阻（shunt resistor）RS可连接在下电子开关M4、M5、M6与地端GND之间，以检测流过电极M的电流水平（level of current）。
各电子开关的控制输入端（栅极）连接至电子控制和驱动装置ECU（下称装置ECU）的对应的输出端。
该装置ECU可以是一个8位的微控制器（8-bit microcontroller）。因此，可以不必使用数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）。
该装置ECU被配置为根据预先设定的多个模式来驱动全桥电路1的电子开关，该预先设定的多个模式可与外部输入至该装置ECU的信号成函数关系，必要的话也可与由该装置ECU产生的信号成函数关系。
该装置ECU可以包括传感器，比如三个如霍尔传感器的位置传感器，以实时获取电机M的转子的位置。
可选地，可以通过推导的方式来获得电机M的转子的实时位置，例如通过分析电机M各相绕组W1，W2和W3中的反电动势。在图2中，这些反电动势由A、B、C三个曲线表示出来。
具体地，该装置ECU通过多组均具有三个驱动信号的信号组在稳定状态（steady state）下来驱动各上电子开关M1、M2、M3及各下电子开关M4、M5、M6，各信号组相互偏移约180°电角度，各信号组中的驱动信号相互偏移约120°电角度，并且各驱动信号包括相互间隔的活动/导通部分（active orconducting portion）和非活动/切断部分（inactive or cut-off portion）。
加载到全桥电路1的各电子开关的驱动信号可以是如图2的中下部分所示的两组不同的信号。
在图2中，加载到第i个（i=1，2，...，6）电子开关Mi的驱动信号通过Gi来表示。
该装置ECU被配置为产生上述驱动信号，并且各驱动信号G1至G3，G4至G6的活动/导通部分包括一个初始间隔的脉冲激活信号PWMR，一个中间间隔的连续激活信号ON，以及一个最后间隔的脉冲激活信号PWMF。该初始间隔的脉冲激活信号PWMR具有一定的脉冲调制宽度（持续时间），该脉冲调制宽度的平均值是可根据预定的配置而变化的，例如被预定配置为逐渐增加。该最后间隔PWMF具有一定的脉冲调制宽度（持续时间），该脉冲调制宽度的平均值可以是逐渐变小的。
对于各驱动信号Gi，其活动/导通部分以一个预定的（电角度的）延迟为开始，该延迟相对于反电动势如A、B、C的当前过零点（immediatelypreceding zero-crossing point）可以是固定的或是可变的。在如图2所示的施方式中，各驱动信号Gi的活动/导通部分相对于对应的当前过零点延迟20°电角度。
在各驱动信号Gi的活动/导通部分的初始间隔的脉冲激活信号PWMR中，其占空比可根据预定的规则或配置而改变，而该预定的规则或配置可以是固定的或者可变的。
上述预定延时以及占空比的预定的规则或配置可以被确定以减小转矩脉动。如果该可变化的预定延时被确定，那么该占空比的预定的规则或配置便可确定，反之亦然。
如果该预定延时或该占空比的预定的规则或配置没被确定，那么它们可根据电机的测量出来的或者推导出来的转速，和/或电机吸收的电流水平方便地进行变换。
各中间间隔的连续激活信号ON优选地具有一个大于初始间隔的脉冲激活信号PWMR及最后间隔的脉冲激活信号PWMF持续的电角度。
正如图2的中间及下部所示，各驱动信号的活动/导通部分总共占了超过120°的电角度。因此，加载在一个电子开关的初始间隔的脉冲激活信号PWMR至少部分与加载在紧接其之前被激活的电子开关的最后间隔的脉冲激活信号PWMF重叠。
各驱动信号的活动/导通部分（PWMR+ON+PWMF）可共占140°或更大的电角度。通常地，各驱动信号的活动/导通部分所占的电角度与电机的转速和/或其吸收的电流水平（the speed of the motor and/or the current drawn by it）成函数关系而可变化，特别可以这样的方式减小转矩脉动。电机的转速可通过传感器或者通过反电动势A、B、C（图2）的变化的推导而得到。
通过图2可容易地看出，与各驱动信号的活动/导通部分加载到全桥电路1的各电子开关的初始间隔的脉冲激活信号PWMR与最后间隔的脉冲激活信号PWMF相对应，脉冲激活信号PWMRC及PWFC加载至与上述电子开关位于同个分支里面的电子开关的栅极，以分别补充初始间隔的脉冲激活信号PWMR与最后间隔的脉冲激活信号PWMF。
图3a至3c示意出了在图2所示的三个时间段a、b、c中，该控制电路在由虚线框K内的驱动信号G1至G6的驱动下的工作过程。
在时间段a中，电子开关M2被驱动信号G2驱动，并且驱动信号G2的调制宽度（轻微地）逐渐减少。同时，电子开关M4由持续导通的驱动信号M4驱动。
对应地，此时电流I1及I2按照图3a所示的方向流过电机M的W1及W2相绕组，电流I1及I2的变化如图4的左侧所示，该变化是以横轴上表示的电角度位置为变量表示出来的。
在时间段b中，电子开关M2及M3被具有调制宽度（持续时间）的脉冲的驱动信号G2及G3驱动。并且，驱动电子开关M2的驱动信号G2是调制宽度逐渐减少的脉冲信号，驱动电子开关M3是调制宽度逐渐增加的脉冲信号。
与此同时，电子开关M4由持续导通的驱动信号G4驱动。
如此，如图3b所示，电流I1、I2、I3按照图3b所示的方向流过电机M的W1、W2、W3相绕组，电流I1、I2、I3的变化以定性的方式表示在图4的中间部分。
在时间段c中，电子开关M3被驱动信号G3驱动，并且驱动信号G3的调制宽度（持续时间）逐渐增加。同时电子开关M4由持续导通的驱动信号G4驱动而位于导通状态。如此，电流I1及I3按照图3c所示的方向流过电机M的W1及W3相绕组，电流I1及I3的变化以定性的方式如图4的右侧所示。
从上述描述可看出，本发明上述实施方式的控制电路可以一个较为简单的方式用于提供一个产生类正弦信号的驱动信号，因此可以减低转矩脉动及开关噪声。
正如上面所述，该装置ECU可以是一个8位微控制器，不必使用昂贵的DSP。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种三相无刷直流电机的控制电路，包括：
一个全桥电路（1），其包括三个连接在一个直流电源（2）的两个电极之间电路分支（B1、B2、B3），各电路分支（B1、B2、B3）分别包括相互串联并且分别连接至该直流电源（2）的两个正负电极的一个上电子开关（M1、M2、M3）以及一个下电子开关（M4、M5、M6），该无刷电机（M）的各绕组（W1、W2、W3）连接至该全桥电路（1）对应的电路分支（B1、B2、B3）的两个电子开关（M1、M2、M3、M4、M5、M6）之间的一个中间节点；以及
一个电子控制和驱动装置（ECU），其被配置为通过多个均具有三个驱动信号（G1-G3；G4-G6）的信号组在稳定状态下来驱动该全桥电路（1）的上电子开关（M1-M3）及下电子开关（M4-M6），各信号组相互偏移180°电角度，各信号组中的驱动信号相互偏移120°电角度，并且各驱动信号包括相互间隔的活动/导通部分和非活动/切断部分；
该电子控制和驱动装置（ECU）被配置为各驱动信号（G1-G3，G4-G6）的活动/导通部分包括一个初始间隔的脉冲激活信号（PWMR），一个中间间隔的连续激活信号（ON），以及一个最后间隔的脉冲激活信号（PWMF），该中间间隔的连续激活信号（ON）所持续的电角度大于初始间隔及最后间隔的脉冲激活信号（PWMR）及（PWMF）；
其特征在于：该电子控制和驱动装置（ECU）被配置为各驱动信号的活动/导通部分（PWMR+ON+PWMF）共占120°以上的电角度，以使得加载在一个电子开关的初始间隔的脉冲激活信号（PWMR）至少部分与加载在紧接其之前被激活的电子开关的最后间隔的脉冲激活信号（PWMF）重叠。
2.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，各驱动信号的活动/导通部分（PWMR+ON+PWMF）共占140°以上的电角度。
3.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，该驱动信号（G1-G3，G4-G6）的活动/导通部分（PWMR+ON+PWMF）所占的电角度与该电机（M）的转速和/或其吸收的电流水平成函数关系而可变化，以减小转矩脉动。
4.如权利要求1或2所述的控制电路，其特征在于，该初始间隔的脉冲激活信号（PWMR）的脉冲调制宽度的平均值逐渐增大，该最后间隔的脉冲激活信号（PWMF）的脉冲调制宽度的平均值逐渐减小。
5.如权利要求4所述的控制电路，其特征在于，该初始间隔的脉冲激活信号（PWMR）及该最后间隔的脉冲激活信号（PWMF）的脉冲调制宽度根据一个预先设定的时间曲线而变化，以减小转矩脉动。
6.如权利要求5所述的控制电路，其特征在于，该初始间隔的脉冲激活信号（PWMR）及该最后间隔的脉冲激活信号（PWMF）的脉冲调制宽度根据该电机（M）的转速和/或其吸收的电流水平而变化。
7.如权利要求4至6任一项所述的控制电路，其特征在于，各驱动信号（G1-G3，G4-G6）的活动/导通部分（PWMR+ON+PWMF）以一个预定的延迟为开始，该延迟以对应的反电动势（A、B、C）的当前过零点为起点。
8.如权利要求7所述的控制电路，其特征在于，该延时是固定的或是可随该电机（M）的转速和/或其吸收的电流水平而变化。
9.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，该电子控制和驱动装置（ECU）是一个8位的微控制器。
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