CN1048831C - 开关磁阻电动机的驱动电路 - Google Patents

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Abstract

开关磁阻电动机(SRM)的驱动电路，包括一电流检测单元，检测流进SRM驱动电路的电流量并输出代表驱动电路中电流量的信号，一比较单元，比较参考电流量与驱动电路中的电流量，并在SRM驱动电路中的电流量超过参考电流量的情况下输出一停止信号，及一信号选择单元，接收来自比较装置的输出信号，PWM信号和转子位置信号，并在从比较装置输入停止信号期间输出选通控制信号以关断开关元件。本发明改善了SRM可靠性，降低了电动机大噪声。

Description

开关磁阻电动机的驱动电路
本发明涉及一种开关磁阻电动机(SRM)，尤其涉及一种用于SRM的驱动控制装置，以防止过量的驱动电流流入SRM。
一般来说，一个开关磁阻电动机(SRM)包括如图1所示的一个定子2和一个转子4，其中定子2有三对磁极+A和-A，+B和-B，以及+C和-C(或者，凸极C)，在它们上面分别缠绕着A相线圈6，B相线圈8和C相线圈10。
这样一个用于SRM的驱动器结构组成如图2所示，一个平滑电容器C用于产生一直流电压，多个开关元件Q1到Q6用于将电压施加到对应的相线圈6、8和10，6个二极管D1到D6用于反电动势的反馈，该反电动势是在施加电压到每个所述相线圈后在对应的开关元件Q1到Q6关断的时刻产生的。
A相开关元件Q1和Q2的切换操作可由从一个选通信号发生单元产生的信号控制。该单元如图3所示包括一个振荡器12输出“脉宽调制”(PWM)信号，一个“与”逻辑门16产生所述产生的PWM信号和位置信息信号的逻辑乘积，该位置信息信号在转子4对着定子2的A相磁极时由A相位置检测器14获得，其中来自“与”逻辑门16的信号施加到上部的A相开关元件Q1，以及其中来自A相位置检测器14的位置信息信号施加到下部的A相开关元件Q2。
对SRM的A相作用一个动力可通过将操作信号供给A相相关开关元件Q1、Q2的栅极来实现。激励的开关元件Q1、Q2允许电流流过定子2的A相线圈，导致定子磁极+A和-A的磁化。这个磁化的磁极推动靠近A相磁极设置的转子4。
B和C相线圈8和10同样也如同A相相关动作一般操作，其中用于定子2磁化的A、B和C相的次序被保持，由此电动机可以继续旋转。
然而，当驱动器出现非正常操作和浪涌电流时不能保证常规使用的SRM的可靠性，进而使电动机的效率变得较低。此外，还有一个问题就是由于在每个相初始启动时的电流波动，或转矩波动现象而产生来自电动机的大的噪声。
图4展示了一个在美国专利5,225,758中公开的一个用于可变磁阻电动机，或SRM的驱动器的示意方框图，这里驱动器以这样一种方式控制电动机，使得对于电流偏移或电流指令提供给线圈的平均电压线性地变化。为此，驱动器要有一个绝对值电路20，一个PWM电路21，一个极性确定电路12，一个信号选择电路23，第一和第二驱动器24a，24b，一个“接通/关断”信号发生器30，以及一个驱动电路40。
绝对值电路20接收来自一个主计算机的电流指令和实际电流的电流偏移，比较它们与载波信号，产生一个代表电流偏移，的绝对值|，|的输出，并将它输出到PWM电路21，其中PWM电路21比较电流偏移，的绝对值|，|与载波信号以得到一个PWM信号，然后输出它到信号选择电路23。
在电流偏移，大于0伏的情况下，极性确定电路12输出一个低电平信号以接通驱动电器40的第一晶体管Q1。在“接通/关断”信号发生器30的输出信号为高电平期间，第二晶体管Q2根据从PWM电路21输出的PWM信号接通/关断。
在电流偏移，小于0伏的情况下，第二晶体管Q2由信号选择电路23关断，并且第一晶体管Q1由PWM信号接通/关断。
结果，平均线圈电压相对于电流偏移，或电流指令线性变化，所以电动机的控制得以容易地完成。
上面的用于SRM的驱动器根据电流偏差或电流控制确定PWM的占空比，并且选择和操作根据电流偏移的极性应用PWM的开关元件，从而导致相对于电流偏差或电流控制的平均线圈电压线性变化。
因此，本发明的一个目的是提供一种用于开关磁阻电动机(SRM)的驱动器，借助于它通过保护驱动器抑制浪涌电流进一步改善SRM的可靠性。
本发明的另一个目的是提供一种用于SRM的驱动器，它可以通过消除在电动机的每个相的初始启动时刻的驱动电流中的波动(转矩)分量来降低来自电动机的大的噪声。
上述目的通过一个用于开关磁阻电动机(SRM)的驱动电路得以实现，该电路具有多个开关元件响应从外部输入的选通信号工作，用于施加或切断加到每个相线圈的直流电压，该电路包括：
用于检测流进SRM驱动电路的电流量，并输出一个代表驱动电路中电流量的信号的电流检测装置；
用于响应来自电流检测装置的输出信号比较一个参考电流量与驱动电路中的电流量，并在SRM驱动电路中的电流量超过参考电流量的情况下输出一个停止信号的比较装置；以及
用于接收来自比较装置的输出信号，“脉冲宽度调制”(PWM)信号和转子位置信号，并输出一个选通控制信号以在来自比较装置的停止信号输入期间关断开关元件的信号选择装置。
从下面参考附图描述的实施例，本发明的其他目的和方面就变得显而易见，其中：
图1示意性地展示了一个常规开关磁阻电动机(SRM)的结构；
图2展示了用于驱动SRM的详细的常规电路图；
图3展示了用于图2的开关元件的示意性选通控制电路；
图4展示了在美国专利5,225,758中公开的可变磁阻电动机的驱动器示意性方框图；
图5展示了根据本发明的SRM的驱动电路；
图6展示了根据本发明的用于驱动SRM的一个驱动控制装置的电路；
图7展示了图6中各部分的波形；以及
图8展示了在电流控制后的电流波形。
下面将参照附图详细地描述根据本发明的优选实施例。
图5是根据本发明的开关磁阻电动机(SRM)的驱动电路，该电路包括一个平滑电容器C，用于产生直流电压，多个开关元件Q1到Q6，用于施加电压到对应的相线圈6、8和10，6个二极管D1到D6用于反电动势的反馈，该反电动势是在施加电压到每个所述相线圈后在相应开关元件Q1到Q6的关断时刻产生的，以及一电阻器Rs，用于检测流过开关元件Q1到Q6的电流并输出一个与检测的电流量成比例的电压。
图6是根据本发明的用于驱动SRM的一个驱动控制装置的电路图，特别是在控制开关元件Q1，Q2的栅极的情况下，操作开关元件Q1，Q2施加或切断加到A相线圈6的电压。
如图6所示本发明用于SRM的驱动控制装置包括电流检测装置50，用于检测流进SRM驱动电路的电流量并输出一个代表驱动电路中流动的电流量的信号，比较装置60，用于响应来自电流检测装置50的输出信号比较一个参考电流量与驱动电路中的电流量，并且在SRM驱动电路中的电流量超过参考电流量的情况下输出一个停止信号，以及信号选择装置70，用于接收来自比较装置60的输出信号，“脉宽调制”(PWM)信号和转子位置信号，并且输出一个选通控制信号用于在来自比较装置60的停止信号的输入期间关断开关元件。
电流检测装置50具有一个电流检测电阻器Rs耦合到SRM的驱动电路的负(-)端，用于输出一个与驱动电流值成正比的电压信号。
比较装置60包含一个可变电阻器VR，用于确定参考电压Vref，一个电容器C1，用于消除从电流检测电阻器Rs输出的电压信号中包含的噪声分量，一个运算放大器，用于在通过电容器C1施加的电压信号的电压值大于参考电压Vref的电压值时输出一个低电平信号，并在通过电容器C1施加的电压信号的电压值小于参考电压Vref的电压值时输出一个高电平信号。
信号选择装置70包含一个第一逻辑乘积门72，用于实现来自比较装置60的输出信号与转子位置信号的逻辑乘积并且随后产生一个用于控制下部的开关元件Q2的栅极的信号，以及一个第二逻辑乘积门74，用于实现来自第一逻辑乘积门72的输出信号与PWM信号的逻辑乘积并且随后产生一个用于控制上部的开关元件Q1的栅级的信号。
参考符号R1表示一个偏置电阻。
如此构成的本发明用于SRM的驱动器控制装置的操作和效果将参照图5到8描述。
通过相同的电压施加过程一个直流电压被加到用于SRM的驱动电路的A，B和C相线圈6，8，10。
为了施加电功率到SRM的A相线圈6，如果一个工作信号被提供到开关元件Q1，Q2的栅极，电流流进定子的A相线圈6，使得定子的磁极+A和-A磁化。磁化的A相磁极产生一个吸引附近转子的力，这导致了转子的旋转。
同样地，上述过程也应用于B和C相线圈8和10。然后，A、B和C相的定子以上述次序顺序地磁化，导致了SRM的连续旋转。
此时，当A相相关的开关元件Q1和Q2关断，而B相相关的开关元件接通时，保留在A相线圈上的电压通过二极管D2，A相线圈6和随后的二极管D1给电容器C充电，其中充电的电压此后应用在顺序操作期间。这个作用改善了电动机的效率。
连接到驱动电路的负端的电流检测电阻器Rs检测流进驱动电路的电流并输出一个电平由公知的基本公式，V＝IR确定的电压信号。
如图7所示，在来自电流检测电阻器Rs的电压信号的电压值V1超过由可变电阻器VR产生的参考电压Vref的情况下，运算放大器输出一个低电平信号。
从运算放大器输出的电压V2输入到也接收转子位置信号Vs的第一逻辑乘积门72。逻辑乘积结果提供到开关元件Q2的栅极。同样，用于改变速度的PWM信号V4输入到也接收来自第一逻辑乘积门72的输出信号V3的第二逻辑乘积门74。逻辑乘积结果提供到开关元件Q1的栅极。
因此，在运算放大器低电平输出期间，不管转子位置信号Vs如何都不输出开关元件Q1，Q2的选通信号，使得驱动电路保持暂停状态。
图8展示了在每个相启动时检测的峰值电流I1和I2，前者I1没有经过电流控制，而后者I2经过了根据本发明的电流控制。由于初始峰值电流的平滑也产生了消除转矩波动的效果，所以能够降低电动机转矩波动。
根据本发明，防止驱动电路过流改善了SRM的可靠性，而且消除了在每个相的初始启动时刻产生的驱动电流的波动分量(转矩波动)，这降低了电动机的大噪声。

Claims (4)

1.一种用于开关磁阻电动机(SRM)的驱动电路，该电路具有多个开关元件响应自外部输入的选通信号工作，用于施加或关断加到每个相线圈的直流电压，其特征在于该电路包括：
用于检测流进SRM驱动电路的电流量并输出一个代表驱动电路中电流量的信号的电流检测装置；
用于响应来自电流检测装置的输出信号比较一个参考电流量与驱动电路中的电流量，并在SRM驱动电路中的电流量超过参考电流的情况下输出一个停止信号的比较装置；以及
用于接收来自比较装置的输出信号，“脉宽调制”(PWM)信号和转子位置信号，并且在输入来自比较装置的停止信号期间输出一个选通控制信号用于关断开关元件的信号选择装置。
2.如权利要求1所述的电动机，其中电流检测装置包括一个耦合到SRM驱动电路的负(-)端的电流检测电阻器，它用作输出一个与驱动电流值成正比的电压信号。
3.如权利要求2所述的电路，其中比较装置包含一个用于确定参考电压Vref的可变电阻器，一个用于消除包含在从电流检测电阻器输出的电压信号中的噪声分量的电容器，以及一个用于当通过电容器施加作用的电压信号的电压值大于参考电压Vref的电压值时输出一个低电平信号，并且当通过电容器施加的电压信号的电压值小于参考电压的电压值时输出一个高电平信号的运算放大器。
4.如权利要求3所述的电路，其中信号选择装置包含一个用于完成来自比较装置的输出信号与转子位置信号的逻辑乘积并随后产生一个信号用于控制上部开关元件的栅极的第一逻辑乘积门，以及一个用于完成来自第一逻辑乘积门的输出信号与PWM信号的逻辑乘积并随后产生一个信号用于控制上部开关元件的栅极的第二逻辑乘积门。
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