CN103427631A - 一种无刷直流电机功率变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无刷直流电机功率变换器，包括直流电源、电容Ⅰ、电容Ⅱ、开关管Ⅰ、开关管Ⅱ、开关管Ⅲ、二极管Ⅰ、二极管Ⅱ、二极管Ⅲ、电感L、三相逆变桥。该无刷直流电机功率变换器在一个开关周期内，首先向电感储能，然后通过控制开关管，分别使电感能量流向两个电容，并且通过控制开关管的占空比来控制流向两个电容能量的大小，实现升压和降压。通过切换开关，可以使无刷直流电机上的供电电压迅速改变。本发明采用的功率器件少，结构简单，抑制了无刷直流电机的转矩脉动，提高了动态响应速度。

Description

一种无刷直流电机功率变换器

技术领域

本发明涉及一种功率变换器，更具体的说，涉及一种无刷直流电机功率变换器。

背景技术

近年来，无刷直流电机因其功率密度高、调速性能优越、控制简单等优点，得到越来越广泛的应用。然而其固有的换向转矩脉动大的缺点，限制了其在低转矩脉动、低噪声以及高精度调速系统中的应用。为了抑制无刷直流电机的换向转矩脉动，众多的方法被提出来，如电流斩波法，重叠换向法，直接转矩控制等，但是从控制策略入手，只能在特定的速度范围内抑制换向转矩脉动，不能在全速范围内抑制换向转矩脉动。

现有技术中，无刷直流电机一般都是通过三相逆变桥控制，不能够满足快速切换转速的要求，当无刷直流电机工作在稳定的转速状态时，需要快速加速或减速时，这种拓扑结构的控制动态响应慢，无法实现快速切换速度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提出一种无刷直流电机功率变换器，解决了无刷直流电机转矩脉动大的问题。

本发明为解决上述技术问题，采用如下技术方案：

一种无刷直流电机功率变换器，其特征在于：包括直流电源、电容Ⅰ、电容Ⅱ、开关管Ⅰ、开关管Ⅱ、开关管Ⅲ、二极管Ⅰ、二极管Ⅱ、二极管Ⅲ、电感L、三相逆变桥；其中，所述直流电源正极分别与电容Ⅱ的负极、开关管Ⅰ的输入端连接；所述电容Ⅱ的正极分别与二极管Ⅱ的阴极、开关管Ⅲ的输入端连接；所述开关管Ⅲ的输出端分别与二极管Ⅲ的阴极、三相逆变桥输入端的正极连接；所述开关管Ⅰ的输出端分别与所述电感的一端、二极管Ⅰ的阴极连接；所述电感的另一端分别与二极管Ⅱ的阳极、开关管Ⅱ的输入端连接；所述开关管Ⅱ输出端分别与所述二极管Ⅲ的阳极、电容Ⅰ的正极连接；所述电源的负极分别与二极管Ⅰ的阳极、电容Ⅰ的负极、三相逆变桥输入端的负极连接；所述三相逆变桥的输出端与所述无刷直流电机连接。

为了更进一步说明本方案的电路，所述开关管为MOS管、三极管、IGBT中的至少一种。

为了实现上述方案快速调压，快速切换供电电平的目的，进一步解决无刷直流电机动态响应慢的问题，本发明还提出了一种基于该无刷直流电机功率变换器的控制方法，该方法包括调压过程、供电切换过程；其中

（1）调压过程：

在一个工作周期内，首先，使开关管Ⅰ、开关管Ⅱ同时处于导通状态；然后依次断开开关管Ⅰ、开关管Ⅱ，保持开关管Ⅰ的占空比小于开关管Ⅱ的占空比，一个调压工作周期结束；

（2）供电切换过程：

当无刷直流电机需要低电压供电时，控制开关管Ⅲ截止；当无刷直流电机需要高电压供电时，控制开关管Ⅲ导通。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、使用少量的元器件优化了无刷直流电机功率变换器的电路结构，使得电路结构简单、成本较低、控制方便，能够在多种特殊场合使用，如需要电机突加负载的场合应用等；实现快速调节母线电压，并且能够实现输出在高平和低电平之间进行快速切换，两种电压之间的切换仅在开关闭合和关断的时间内完成，从原理上抑制无刷直流电机在全速范围内的换向转矩脉动，解决了采用BUCk-BOOST, Cuk等升降压变换器控制的无刷直流电机不能快速调压的问题。

2、本发明提出无刷直流电机功率变换器，通过控制三个功率开关管，控制高压端和低压端的输出电平，并且实现输出高低电平的选择。在正常工作期间，功率变换器输出低电平，在换相期间，通过开关管的切换，功率变换器输出高电压，以提高母线电压补偿换相期间电磁转矩的跌落。

3、通过调节功率开关管的占空比，能够对输出高低电平的大小进行快速控制。

附图说明

图1为本发明的硬件连接图。

图2为本发明无刷直流电机功率变换器工作在电感储能状态的状态图。

图3为本发明无刷直流电机功率变换器工作在电感能量流向低压端状态的状态图。

图4为无刷直流电机功率变换器工作在电感能量流向高压端状态的状态图。

图5为本发明电感电流工作状态波形图。

图6为本发明无刷直流电机功率变换器工作在低压端放电的状态图。

图7为本发明无刷直流电机功率变换器工作在高压端放电的状态图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

以功率开关管Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ均为MOS管为例，详细说明本技术方案：

一种无刷直流电机功率变换器，其特征在于：包括直流电源、电容Ⅰ、电容Ⅱ、开关管Ⅰ、开关管Ⅱ、开关管Ⅲ、二极管Ⅰ、二极管Ⅱ、二极管Ⅲ、电感L、三相逆变桥；其中，所述直流电源正极分别与电容Ⅱ的负极、开关管Ⅰ的输入端连接；所述电容Ⅱ的正极分别与二极管Ⅱ的阴极、开关管Ⅲ的输入端连接；所述开关管Ⅲ的输出端分别与二极管Ⅲ的阴极、三相逆变桥输入端的正极连接；所述开关管Ⅰ的输出端分别与所述电感的一端、二极管Ⅰ的阴极连接；所述电感的另一端分别与二极管Ⅱ的阳极、开关管Ⅱ的输入端连接；所述开关管Ⅱ输出端分别与所述二极管Ⅲ的阳极、电容Ⅰ的正极连接；所述电源的负极分别与二极管Ⅰ的阳极、电容Ⅰ的负极、三相逆变桥输入端的负极连接；所述三相逆变桥的输出端与所述无刷直流电机连接。

本实施例硬件连接如图1所示，包括直流电源U_d、两个电解电容即电解电容C₁和电解电容C₂,三个功率开关管即功率开关管S₁、功率开关管S₂、功率开关管S₃,三个二极管即二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃,一个电感L、以及开关管a⁺、a^-、b⁺、b^-、c⁺、c^-，二极管D_a+、D_a-、D_b+、D_b-、D_c+、D_c-，一个无刷直流电机M。其中，所述直流电源正极分别与电容C₂的负极、功率开关管S₁的输入端连接；所述电容C₂的正极分别与二极管D₂的阴极、功率开关管S₃的输入端连接；电源的负极分别接二极管D₁、D_a-、D_b-、D_c-的阳极、电容C₁的负极和功率开关管a^-、b^-、c^-的输出端；功率开关管S₁的输出端分别接二极管D₁的阴极和电感L的一端；电感L的另一端分别接功率开关管S₂的输入端和二极管D₂的阳极；功率开关管S₂的输出端分别接电容C₁的正极和二极管D₃的阳极；功率开关管S₃的输出端分别接二极管D₃、D_a+、D_b+、D_c+的阴极和功率开关管a⁺、b⁺、c⁺的输入端；二极管D_a+的阳极分别接功率开关管a⁺的输出端、功率开关管a^-的输入端、二极管D_a-的阴极和无刷直流电机M的A相，二极管D_b+的阳极分别接功率开关管b⁺的输出端、功率开关管b^-的输入端、二极管D_b-的阴极和无刷直流电机M的B相，二极管D_c+的阳极分别接功率开关管c⁺的输出端、功率开关管c^-的输入端、二极管D_c-的阴极和无刷直流电机M的C相。    

其中，电容C₁的正极电压为V_o1,电容C₂的正极电压为V_o2，功率开关管S₁、功率开关管S₂、功率开关管S₃的输入端连接控制信号。

本发明控制方法及工作过程如下：

本发明提出无刷直流电机功率变换器，通过控制三个功率开关管，控制高压端和低压端的输出电压，并且实现输出高低电压的选择。通过控制功率开关管S₁、S₂的占空比，调节V_o1、V_o2的电压，通过控制功率开关管S₃的导通和截止来选择输出高电压或者低电压，因此基于该功率变换器的控制方法可以分为两个部分，一是调压过程，二是供电切换过程。本发明提出无刷直流电机功率变换器，通过控制三个功率开关管，控制高压端和低压端的输出电平，并且实现输出高低电平的选择，改变母线电压，抑制无刷直流电机换向转矩脉动。

具体工作过程如下：

（1）调压过程：

如图2所示，为电感L、电容C₁的充电过程，控制功率开关管S₁、功率开关管S₂同时处于导通状态，此时，直流电源U_d、功率开关管S₁、电感L、功率开关管S₂、电容C₁组成回路，直流电源U_d开始为电感L、电容C₁充电，其波形图如图5所示，0至t₀区间内，功率开关管S₁、功率开关管S₂均为高电平导通状态，电感L的电流i_L线性增加，电感L储能，电容C₁的正极电压V_o1增大。

如图3所示，为电感L放电、电容C₁继续充电的过程，控制功率开关管S₁断开，此时二极管D₁导通，二极管D₁、电感L、功率开关管S₂、电容C₁组成回路，电感L放电为电容C₁继续充电，波形图如图5所示，t₀至t₁区间内，功率开关管S₁为低电平截止状态、功率开关管S₂为高电平导通状态，电感L的电流i_L线性减小，电容C₁的正极电压V_o1继续增大。

如图4所示，为电感L放电、电容C₂充电的过程，控制功率开关管S₂断开，此时二极管D₂导通，二极管D₁、电感L、二极管D₂、电容C₂、直流电源U_d组成回路，电感L放电为电容C₂充电，波形图如图5所示，t₁至t₂区间内，功率开关管S₁、功率开关管S₂均为低电平截止状态，电感L的电流i_L线性减小，电容C₂的正极电压V_o2增大。

以上为一个调压工作周期内的工作过程，在一个周期内，功率开关管S₁的占空比始终要小于功率开关管S₂的占空比，由于电容C₂的负极与直流电源U_d正极连接，所以电容C₂充电后的电压V_o2大于直流电源U_d的电压，并且通过控制功率开关管S₁、功率开关管S₂的占空比，使得电容C₁的正极电压V_o1小于直流电源U_d的电压。

（2）供电切换过程

电路达到稳态时，V_o1为低压端的输出，V_o1小于U_d；V_o2为高压端的输出，V_o2大于U_d。如图6所示，当无刷直流电机处于传导期间时，以AB两相传导为例，此时使功率开关管S₃关断，低压端输出V_o1通过二极管D₃给无刷直流电机供电，三相逆变桥中a₊，b_-开通。

如图7所示：当无刷直流电机处于换向期间时，以AB相换向到AC相为例，此时使开关管Ⅲ导通，由于V_o2大于V_o1,因此二极管Ⅲ反向截止，由高压端V_o2向无刷直流电机供电，三相逆变桥中a⁺，c^-开通，二极管D_b+续流。

当功率开关管S₁、S₂、S₃为三极管或IGBT时，将上述电路中相应的MOS管替换成三极管或IGBT，替换原则如下：三极管的基极、IGBT的门极对应MOS管的栅极；三极管的集电极、IGBT的集电极对应MOS管的漏极；三极管的发射极、IGBT的发射极对应MOS管的源极连接，控制方法与使用MOS管的控制方法相同。

Claims (3)

1.一种无刷直流电机功率变换器，其特征在于：包括直流电源、电容Ⅰ、电容Ⅱ、开关管Ⅰ、开关管Ⅱ、开关管Ⅲ、二极管Ⅰ、二极管Ⅱ、二极管Ⅲ、电感L、三相逆变桥；其中，所述直流电源正极分别与电容Ⅱ的负极、开关管Ⅰ的输入端连接；所述电容Ⅱ的正极分别与二极管Ⅱ的阴极、开关管Ⅲ的输入端连接；所述开关管Ⅲ的输出端分别与二极管Ⅲ的阴极、三相逆变桥输入端的正极连接；所述开关管Ⅰ的输出端分别与所述电感的一端、二极管Ⅰ的阴极连接；所述电感的另一端分别与二极管Ⅱ的阳极、开关管Ⅱ的输入端连接；所述开关管Ⅱ输出端分别与所述二极管Ⅲ的阳极、电容Ⅰ的正极连接；所述电源的负极分别与二极管Ⅰ的阳极、电容Ⅰ的负极、三相逆变桥输入端的负极连接；所述三相逆变桥的输出端与所述无刷直流电机连接。

2.根据权利要求1所述的无刷直流电机功率变换器，其特征在于：所述开关管为MOS管、三极管、IGBT中的至少一种。

3.一种基于权利要求1或2所述无刷直流电机功率变换器的控制方法，其特征在于：包括调压过程、供电切换过程；

（1）调压过程：

在一个工作周期内，首先，使开关管Ⅰ、开关管Ⅱ同时处于导通状态；然后依次断开开关管Ⅰ、开关管Ⅱ，保持开关管Ⅰ的占空比小于开关管Ⅱ的占空比，一个调压工作周期结束；

（2）供电切换过程：

当无刷直流电机需要低电压供电时，控制开关管Ⅲ截止；当无刷直流电机需要高电压供电时，控制开关管Ⅲ导通。

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