CN103560720A - 一种基于同步整流技术的开关磁阻电机控制器的低成本回流管控制电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于同步整流技术的开关磁阻电机控制器的低成本回流管控制电路和方法，通过对电机转速、绕组电流和回流时间进行实测，得到回流时间查找表并存储在微处理器内存中，在换相回流阶段，通过对电机转速和绕组电流的采样作为内置回流时间表的输入信号，利用回流时间表查找到对应的回流时间大小，作为微处理器控制回流管的时间依据，实现在开关磁阻电机换相回流阶段对回流功率管栅极的控制，为开关磁阻电机的同步整流的实现提供可靠的安全保障。本发明由下列部分组成：微处理器，同步整流回流管功率变换器电路电流采样电路，电流放大电路，开关磁阻电机位置传感器。本发明的方法和电路具有易于实现，工作稳定，且成本低廉等优点。

Description

一种基于同步整流技术的开关磁阻电机控制器的低成本回流管控制电路及方法

技术领域

本发明涉及一种基于同步整流技术的开关磁阻电机控制器的低成本回流管控制电路及其控制方法，能够在没有霍尔电流传感器精确计算回流时间，从而实现在开关磁阻电机换相回流阶段对回流功率管栅极的控制，解决了回流阶段电流归零点难以定量计算从而造成驱动信号的关断时刻难以确定的问题，属于电机控制领域。

背景技术

开关磁阻因为其电机结构简单，坚固，制造工艺简单，成本低，性能稳定，能工作在各种恶劣、高温甚至是振动的工作环境中，而广泛运用在家用电器，伺服与调速系统，牵引电机，高转速电机等行业。SRD已列入我国中、小型电机“八五”，“九五”，“十五”科研规划项目，我国多家研究机构都对开关磁阻电机展开过深入的研究。

开关磁阻电机驱动系统由电机，控制器，功率变换器，电流位置检测等部分组成，其中每个部分对电机的高效运行都有着不可或缺的作用。其中功率变换器是电机运行时的能量供给者，是连接电机绕组和电源的功率开关器件，其对电机正常高效运行起着重要作用，目前功率变换器件有着多种拓扑结构，但每种拓扑结构都包含两个部分：功率开关部分以及续流及回流部分。相比于其他直流电机，开关磁阻电机的工作电流要大，故传统的开关磁阻功率变换器在回流及续流过程中，由于在大电流的工作状态下回流管及续流管存在较大的工作损耗，并产生大量的热积累，造成电机控制系统由于产生过多的热量无法散去而造成系统的过热，容易造成在某些极限情况下功率管的热击穿，对整个电机系统的稳定性存在一定的隐患和影响。为解决回流管和续流管的损耗大温度高的问题，目前已出现开关磁阻电机续流管运用同步整流技术进行改造的成功案例，即利用功率管的沟道电阻替代二极管进行续流，利用较低的沟道阻值降低续流损耗、降低工作温度；但对于回流功率管的同步整流技术由于存在回流状态下电流归零时间无法定量计算而在具体应用上仍有障碍。

图3所示为无霍尔电流传感器的开关磁阻电机系统在回流阶段电机绕组内电流的回流路线，本系统采用采样电阻采样绕组电流，从图3可以看出，在回流阶段，绕组中电流经回流功率管、电源、续流功率管和绕组形成回路，此时系统的电流采样电路并不能够检测到绕组中的电流信息，故对于微处理器而言无法合理控制的回流管的开关。

发明内容

本发明针对在基于采样电阻的电流采样方式下开关磁阻电机同步整流技术的回流功率管关断时间难以定量计算的问题，提出了一种方案，能够对回流阶段电流归零点进行定量计算，从而准确判定回流功率管的关断时刻。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于同步整流技术的开关磁阻电机控制器的低成本回流管控制电路，包括：32位的微处理器1、电流采样电路3、采样放大电路4、位置信号传感器5、功率变换器2；其中微处理器1内置回流时间模块13，电流采样电路3采用采样电阻R1，测量电机各相电流后输入到电流采样放大电路4，经放大后输入到微处理器1的模数转换ADC模块12；位置信号传感器5测量电机转子位置，以及利用位置信号计算当前电机转速，并把位置信息输入到微处理器1输入输出模块；微处理器1根据电机电流和电机位置控制功率变换器2的状态。

微处理器1包括通用输入输出GPIO模块11、ADC模块12，回流时间表13；GPIO模块11接收来自位置传感器5的电机转子位置信号，分别向功率变换器2的上开关功率管T1、下开关功率管T2、续流功率管T3和回流功率管T4输出驱动控制信号；ADC模块12接收来自电流放大电路4输出的模拟电流信号，回流时间表13在回流时刻，计算回流时间大小用于GPIO模块12控制回流功率管T4。

功率变换器包括上开关功率管T1、下开关功率管T2、续流功率管T3和回流功率管T4。上开关功率管T1受微处理器GPIO模块11输出的上开关功率管驱动控制信号控制，下开关功率管T2受微处理器GPIO模块11输出的下开关功率管驱动控制信号控制，续流功率管T3受微处理器GPIO模块11输出的续流功率管驱动控制信号控制，回流功率管T4受微处理器GPIO模块11输出的回流功率管驱动控制信号控制。

电流采样电路3包括第一电阻R1，其为高精度低温度系数的采样电阻，该电阻与由功率变换器2的下开关功率管T2的源极和地分别连接。

电流放大处理电路4包括第二电阻R2、第三电阻R3和第一运算放大器41；第一运算放大器41的正端与电流采样电路3中的第一电阻R1的一端及下开关管T2的源端相连，第一运算放大器41的负端与第二电阻R2和第三电阻R3的连接点相连，第二电阻R2的另一端与地相连，第一运算放大器41的输出端与第三电阻R3的另一端相连后形成采样放大信号，并向微处理器1输出。

上述电路结构中的关键在于两点：

第一点，微处理器内置了回流时刻电机转速、绕组峰值电流和对应回流时间的回流时间表，其输入变量为转速和电流，输出变量为回流时间。该表内置于处理器内存中，在换相回流时刻，通过电机转速和绕组峰值电流查找该表得到回流时间，该时间作为回流功率管的导通时间，用于微处理器GPIO管脚对回流功率管的控制。该回流时间表通过大量实测得到。

第二点，电流采样电路中的采样电阻的位置在于其串联在下开关功率管源极和地的回路中，使得其在电机工作于励磁和续流时可以通过流经其上的电流在其自身两端形成的电压来反映绕组电流的大小。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种基于采样电阻的电流采样方式下定量计算回流时间的方法。

该方法包括如下步骤：回流功率管T4的驱动控制信号常态为关断状态，电机根据绕组中电流和转子位置信息控制功率变换器2的上开关功率管T1、下开关功率管T2和续流功率管T3的工作状态；当电机根据转子位置信息检测到当前操作为换相时，微处理器GPIO模块11关断上开关功率管T1、下开关功率管T2的驱动控制信号，经过一段时间死区延迟后，微处理器GPIO模块11打开回流管T4的驱动控制信号，在这段死区延迟内，微处理器ADC模块12采样绕组电流和转速，并通过回流时间表13查找计算出回流时间大小，并以此作为微处理器GPIO模块11控制回流功率管T4关断的时间依据，当回流时间结束后，微处理器GPIO模块11关断回流功率管T4的驱动控制控制信号，回流功率管T4关断。

该方法的关键在于利用微处理器内置回流时刻电机转速、绕组峰值呈一定关系的回流时间表，该回流时间表输入信号为换相回流时刻电机转速和绕组峰值电流，输出信号为回流时间大小。在各种情况下，通过测试出回流时间、电机转速和电机峰值电流大小等多组数据，得到回流时间和电机转子位置、电机峰值电流的回流时间表，处理器内置该回流时间表。在回流功率管同步整流的实现过程中，在换相回流开始时刻，对电机转速、电机绕组电流进行的测试，并以此作为输入变量通过查找回流时间表得到回流时间，并以此时间作为回流管驱动信号控制回流功率管T4的开通时间。

该方法可以使得上文所述基于同步整流技术的开关磁阻电机控制器的低成本回流管控制电路完整实现励磁、续流和回流三种状态下的正常切换，且具有成本低廉性能可靠的优点。

本发明提出的基于同步整流技术的开关磁阻电机控制器的低成本回流管控制电路和方法，通过对各种状态下换相时刻电机绕组电流、转速和回流时间的采集，通过对大量数据测试后得到回流时间表。微处理器内置该回流时间表，通过对换相回流开始时刻电机转速和绕组峰值电流的采样，查找回流时间表得到该次回流时间的大小，此回流时间作为微处理器控制回流MOS管开通时间；在无霍尔电流传感器的情况下，解决了开关磁阻电机回流时间难以定量计算的问题，实现了对基于同步整流技术的开关磁阻电机控制器回流管的控制。提高了系统的可靠性及稳定性，控制电路简单，实用性强，成本低廉。

附图说明

现在将描述如本发明的优选但非限制性的实施例，本发明的这些和其他特征、方面和优点在参考附图阅读如下详细描述时将变得显而易见，其中：

图1是开关磁阻电机系统结构框图；

图2是开关磁阻电机基于同步整流原理功率变换器的原理框图；

图3是开关磁阻电机在回流阶段绕组中电流流向图；

图4是同步整流型功率变换器的工作模式及损耗对比图；

图5是处理器内置回流时间表示意图。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明进行描述。

一种基于同步整流技术的开关磁阻电机控制器的低成本回流管控制电路，包括微处理器、基于采样电阻的电流采样电路、电流放大电路、位置信号传感器、同步整流功率变换器。图1为包括本发明电路在内，加上直流电源和开关磁阻电机的整体应用框图，其中直流电源可以是+12V～+510V输出范围，开关磁阻电机可以是两相及两相以上相数，每相均由一路功率变换器驱动，一路电流采样电路和采样放大电路进行电流采样，各相电流采样信号共用微处理器进行处理，电机根据相数输出一组位置信号。功率变换器中所用功率管为金属-氧化物-半导体MOS晶体管。

图2为以其中一相功率变换器、电流采样电路和采样放大电路，以及共用电路的详细电路结构图，具体各电路部分包括：32位的微处理器1、电流采样电路3、采样放大电路4、位置信号传感器5、功率变换器2；其中微处理器1内置回流时间模块13，电流采样电路3采用采样电阻R1，测量电机各相电流后输入到电流采样放大电路4，经放大后输入到微处理器1的ADC模块12；位置信号传感器5测量电机转子位置，以及利用位置信号计算当前电机转速，并把位置信息输入到微处理器1输入输出模块；微处理器1根据电机电流和电机位置控制功率变换器2的状态。

微处理器1包括GPIO模块11、ADC模块12，回流时间表模块13；GPIO模块11接收来自位置传感器5的电机转子位置信号，分别向功率变换器2的上开关MOS管T1、下开关MOS管T2、续流MOS管T3和回流MOS管T4输出驱动控制信号；微处理器ADC模块12接收来自电流放大电路4输出的模拟电流信号，回流时间表模块13在回流时刻，计算回流时间大小用于微处理器GPIO模块12控制回流MOS管T4。

功率变换器包括上开关MOS管T1、下开关MOS管T2、续流MOS管T3和回流MOS管T4。上开关MOS管T1受微处理器GPIO模块11输出的上开关MOS管驱动控制信号控制，下开关MOS管T2受微处理器GPIO模块11输出的下开关MOS管驱动控制信号控制，续流MOS管T3受微处理器GPIO模块11输出的续流管驱动控制信号控制，回流MOS管T4受微处理器GPIO模块11输出的回流管驱动控制信号控制。

电流采样电路3包括第一电阻R1，该电阻采用高精度低温度系数的康铜丝，该电阻与由功率变换器2的下开关MOS管T2的源极和地分别连接。

电流放大处理电路4包括第二电阻R2、第三电阻R3和第一运算放大器41；第一运算放大器41的正端与电流采样电路3中的第一电阻R1的一端及下开关MOS管T2的源端相连，第一运算放大器41的负端与第二电阻R2和第三电阻R3的连接点相连，第二电阻R2的另一端与地相连，第一运算放大器41的输出端与第三电阻R3的另一端相连后形成采样放大信号，并向微处理器1输出。

图3所示为开关磁阻电机在回流阶段绕组中电流流向图，从图中可以看出，该时刻的回流电流并未从采样电阻流过，因此无法直接测量其电流大小并判断是否需要改变功率变换器中功率管的开关状态。

基于这样的情况，结合图2所示电路，采用本发明所提出的工作方法。其工作过程描述如下：

首先，当直流电源通电后向功率变换器输出电源，但仍未启动电机时，微处理器GPIO模块首先将回流MOS管栅极驱动控制信号置为低电平关断，将上开关MOS管驱动信号置为低电平关断MOS管，将下开关MOS管驱动控制信号置为低电平关断，将续流MOS管驱动控制信号置为低电平关断，此时电机中无电流通过，处于静止状态。

其次开始控制电机启动运行，此时微处理器根据位置传感器信号确定当前开通相，开通状态时，微处理器首先通过GPIO模块分别将回流MOS管驱动信号和续流MOS管的驱动信号置为低电平，使回流MOS管和续流MOS管关断，经过数十微秒延迟将下开关管驱动信号置为高电位，从而使下开关管导通；然后再将输入到上开关MOS管的驱动控制信号置为高电位，从而使电机励磁工作，此时回流管和续流管处在关断状态。

接下来进入换相回流工作阶段；微处理器根据位置信号及电流信号控制功率变换器的状态；当处于换相回流工作状态中时，微处理器将输入到上开关MOS管和下开关MOS管的驱动控制信号置为低电平关断，此时回流MOS管处于关断状态，续流MOS管的工作状态维持不变，在上开关MOS管和下开关MOS管关断瞬间，绕组中电流通过回流MOS管的寄生体二极管进行回流；经过数十微秒的死区延迟，微处理器GPIO模块将回流管的驱动控制信号置为高电平打开回流MOS管的沟道，输入输出模块同时置高续流管驱动控制信号开通续流管沟道电阻，此后绕组电流通过回流MOS管的沟道电阻进行回流；在死区延迟时间里，微处理器ADC模块采样关断时刻绕组中电流大小，微处理器GPIO模块采样电机转子位置信息计算当前电机转速，微处理器通过当前电机绕组中电流大小和转速通过查找内置回流时间表获得回流时间；该时间作为回流管导通时间，经过查找得到的回流时间值大小时间后，微处理器GPIO模块将回流MOS管和续流MOS管的驱动控制信号置为低电平关断，实现一次换相回流操作。

图4所示为本发明所述电路中的功率变换器中各功率管的驱动波形及绕组电流波形，其中续流MOS管、上开关MOS管、下开关MOS管和回流MOS管分别代表相应的驱动信号波形，从中可以看出，当上开关MOS管和下开关MOS管关断后经过一段时间延迟，该延迟即为避免电源和地直通所插入的死区时间，在该死区时间里，绕组中电流通过MOS管漏-源端中的寄生体二极管回流，故此时回流MOS管源漏两端导通电压为寄生体二极管的正向导通电压，在死区时间内微处理器获得回流时间，当死区时间结束后，回流MOS管和续流MOS管打开，绕组中电流通过沟道电阻进行续流，体现在续流MOS管源漏电压即使沟道电阻所造成的压降。当回流时间结束后，微处理器GPIO模块将续流MOS管和回流MOS管的驱动控制信号置为低电平关断，一次换相回流过程结束。对比普通二极管回流过程，由于二极管的正向导通电压，在回流过程中二极管两端电压要大于回流MOS管源极-漏极两端电压。故同步整流型回流管的损耗要远低于二极管回流模式。

图5所示为处理器内置回流时间表，系统通过实测得到该回流时间表，该表输入变量为转速（rpm）和电流（I），输出变量为回流时间（us），在换相回流时刻，通过微处理器采样当前电机转速、绕组电流大小，以此作为输入变量查找回流时间表得到换相回流时间，该回流时间作为微处理器GPIO控制回流MOS管开通时间，如图5中表所示。该图表仅作示意用，其表中数据不具有实际意义。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于同步整流技术的开关磁阻电机控制器的低成本回流管控制电路，所述电路包括内置回流时间计算模块的32位微处理器（1）；同步整流回流管功率变换器（2），电阻采样的电流采样电路（3），电流放大电路（4），位置信号传感器（5），其特征在于：其中电流采样电路（3）采用电阻采样（R1），其采样电机相绕组电流并输出到电流放大电路（4）放大后输入到微处理器（1）中，微处理器（1）根据电流等信息控制功率变换器（2）的状态；位置信号传感器（5）用于采样电机转子位置信息并输入到微处理器（1）中，微处理器（1）根据输入的位置信息控制功率变换器（2）的状态，以及利用位置信号计算当前电机的转速；在换相回流时刻，绕组中电流大小和电机转速作为输入变量输入到处理器回流时间计算模块当中，通过查找内置回流时间表计算出回流时间大小；同步整流回流管功率变换器（2）是电机的能量转换器件。

2.如权利要求1所述的基于同步整流技术的开关磁阻电机控制器的低成本回流管控制电路，其特征在于：所述32位微处理器（1）包括通用输入输出模块GPIO模块(11)，该模块用于采样位置传感器（5）输出的位置信号，以及用于控制上开关功率管（T1）、下功率开关管(T2)、续流功率管（T3）和回流功率管(T4)的工作状态；还包括模数转换（ADC）模块(12)，用于微处理器采样电流放大电路(4)输出的信号；还包括内置回流时间表（13），该模块在换相时根据绕组电流和电机的转速，通过查找回流时间表（13）计算出回流时间用于GPIO模块（11）控制回流功率管（T4）；所述功率变换器（2）包括上开关功率管（T1）、下开关功率管（T2）和续流功率管（T3）、回流功率管（T4）；上开关功率管（T1）的栅极接入由微处理器GPIO模块（11）输出的上开关功率管驱动控制信号；下开关功率管（T2）的栅极接受来自微处理器GPIO模块（11）输出的下开关功率管驱动控制信号；续流功率管（T3）的栅极接受来自微处理器GPIO模块（11）输出的续流功率管驱动信号；回流功率管（T4）的栅极接受来自微处理器GPIO模块（11）输出的回流功率管驱动信号；电流采样电路（3）接收来功率变换器（2）中采样电阻两端的电压信号并输出到采样放大电路（4）中；采样放大电路（4）输出放大后的信号到微处理器ADC模块(12)中；位置信号传感器（5）采样电机位置信号并输出信号至微处理器GPIO模块（11）。

3.一种控制如权利要求1或2所述的基于同步整流技术的开关磁阻电机控制器的低成本回流管控制电路的方法，其特征在于：回流功率管（T4）的驱动控制信号由微处理器GPIO模块（11）直接控制，该方法包括如下步骤：在开关磁阻电机不换相时，回流功率管（T4）的驱动控制信号一直为低电平关断；在运行换相时刻，微处理器（1）关断上开关功率管（T1）、下开关功率管（T2）；经过一个时间延迟后开通回流功率管（T4）和续流功率管（T3），在此时间延迟里利用微处理器ADC模块（12）以及GPIO模块（11）分别对关断时刻电机绕组电流和电机转子位置信号进行采样，并通过位置信号计算当前电机转速；通过采样的关断时刻绕组电流和电机转速作为输入变量，通过处理器内置回流时间查找表（13）得到回流时间大小，微处理器（1）根据此回流时间大小作为微处理器GPIO模块（11）控制回流功率管（T4）和续流功率管（T3）关断的时间依据。

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