CN105119538A

CN105119538A - 一种永磁同步电机的驱动电路及驱动方法

Info

Publication number: CN105119538A
Application number: CN201510595488.1A
Authority: CN
Inventors: 黄晓冬; 张幸浩
Original assignee: Hangzhou Silergy Semiconductor Technology Ltd
Current assignee: Hangzhou Silergy Semiconductor Technology Ltd
Priority date: 2015-09-17
Filing date: 2015-09-17
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2035-09-17
Also published as: CN105119538B; US9716454B2; US20170085196A1

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机的驱动电路及驱动方法，通过采样永磁同步电机的其中一相的电压和电流信息来估算出对应相的反电势信息，之后，将表征所述反电势信息的第一电压信号和表征电流信息的电流采样信号的角度差进行计算，以获得一角度差值信号，所述角度差值信号用以调节第一马蹄形调制波的幅值，以控制转子的电流相位与第一马蹄形调制波的相位相一致，使得每安培电流产生的转矩最大。本发明通过估算得出反电势信息，不需要复杂的坐标变换，算法简单、易于实现。此外，本发明通过调节电机电流以改变电机反电势与相电流的相位差，以实现最大转矩控制，电机效率高。

Description

一种永磁同步电机的驱动电路及驱动方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，更具体的说，涉及一种永磁同步电机的驱动电路及驱动方法。

背景技术

永磁同步电机(PMSM)由于其自身具有重量轻、体积小、结构简单和功率密度高等一些优点，在日常生活、工农业生产以及国家经济发展中起到了重要的作用。由于永磁材料性能的不断提高和完善，以及电力电子器件的进一步发展，永磁同步电机的应用越来越广泛。在一些应用场合中希望能最大限度控制系统的成本，无位置传感器技术省去了常规的位置传感器，如光电编码盘、旋转变压器等设备，大大降低了系统的成本。传统的无位置传感器的永磁同步电机的控制方案采用矢量控制，无位置传感器的矢量控制可以实现较好的永磁同步电机控制，但是存在算法复杂，计算量大，需要较高级的处理器。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种永磁同步电机的驱动电路及驱动方法，通过采样永磁同步电机的其中一相的电压和电流信息来估算出对应相的反电势信息，之后，将表征所述反电势信息的第一电压信号和表征电流信息的电流采样信号的角度差进行计算，以获得一角度差值信号，所述角度差值信号用以调节第一马蹄形调制波的幅值，以控制转子的电流相位与第一马蹄形调制波的相位相一致，使得每安培电流产生的转矩最大。

依据本发明的一种永磁同步电机的驱动电路，用以控制三相逆变器中开关管的开关动作，以调节所述永磁同步电机的电流，所述驱动电路包括电流采样电路、反电势估算模块，转矩调节电路；

所述电流采样电路采样所述永磁同步电机的其中一相的转子电流信息以获得电流采样信号；

所述反电势估算模块接收所述电流采样信号和表征该相转子电压信息的电压采样信号，据此估算该相的反电势信息，并输出表征所述反电势信息的第一电压信号；

所述转矩调节电路接收所述电流采样信号和所述第一电压信号，并对所述第一电压信号和所述电流采样信号的角度差进行计算，以获得一角度差值信号，所述角度差值信号用以调节第一马蹄形调制波的幅值，以使得转子的电流相位与所述第一马蹄形调制波的相位相一致，保证每安培电流产生的转矩最大。

进一步的，所述转矩调节电路包括角度计算电路和PID调节器，

所述角度计算电路接收所述第一电压信号和所述电流采样信号，并进行差值计算以获得所述角度差值信号；

所述PID调节器接收所述角度差值信号和零角度信号，并据此产生一比例系数。

优选的，所述反电势估算模块利用滑模计算方式获得所述反电势信息，并通过开关函数表征，在一个工作周期内，所述反电势信息表现为一个完整的正弦波。

进一步的，所述驱动电路还包括PWM控制电路，所述PWM控制电路包括三相PWM控制子电路，

每一相PWM控制子电路均包括调制波产生电路、第一乘法电路和开关信号产生电路，

每一相的调制波产生电路根据预先设定的角速度产生固定频率的第一马蹄形调制波，其中，三相的第一马蹄形调制波相位互差120°；

每一相的第一乘法电路接收所述第一马蹄形调制波和所述比例系数，以生成第二马蹄形调制波；

每一相的开关信号产生电路接收所述第二马蹄形调制波和一三角波信号，以产生该相的PWM控制信号；

所述该相的PWM控制信号用以控制三相逆变器中对应一相开关管的导通和关断，以调节所述三相逆变器加载到所述永磁同步电机上的电压。

优选的，采样对应相的转子电压信息以获得所述电压采样信号，所述对应相与采样转子电流信息的相为相同的一相。

优选的，所述驱动电路还包括第二乘法电路，所述第二乘法电路接收一正弦波信号和所述比例系数，经乘法运算后生成所述电压采样信号，其中，所述正弦波信号与所述第一马蹄形调制波相位相同。

依据本发明的一种永磁同步电机的驱动方法，通过控制三相逆变器中开关管的开关动作，以调节所述永磁同步电机中的电流，所述驱动方法包括以下步骤：

采样所述永磁同步电机的其中一相的转子电流信息以获得电流采样信号；

接收所述电流采样信号和表征该相转子电压信息的电压采样信号，据此估算该相的反电势信息，并产生表征所述反电势信息的第一电压信号；

接收所述电流采样信号和所述第一电压信号，并对所述第一电压信号和所述电流采样信号的角度差进行计算，以获得一角度差值信号，所述角度差值信号用以调节一马蹄形调制波的幅值，以使得转子的电流相位与马蹄形调制波的相位相一致，保证每安培电流产生的转矩最大。

进一步的，接收所述第一电压信号和所述电流采样信号，并进行差值计算以获得所述角度差值信号；

接收所述角度差值信号和零角度信号，经比例积分微分调节器计算处理后产生一比例系数。

优选的，利用滑模计算方式获得所述反电势信息，并通过开关函数表征，在一个工作周期内，所述反电势信息表现为一个完整的正弦波。

进一步的，根据预先设定的角速度产生固定频率的第一马蹄形调制波，三相的第一马蹄形调制波相位互差120°；

将每一相的所述第一马蹄形调制波和所述比例系数相乘，以生成第二马蹄形调制波；

将每一相的所述第二马蹄形调制波和一三角波信号进行比较，以产生该相的PWM控制信号；

根据上述的永磁同步电机的驱动电路及驱动方法，通过采样永磁同步电机的其中一相的电压和电流信息来估算出对应相的反电势信息，之后，将表征所述反电势信息的第一电压信号和表征电流信息的电流采样信号的角度差进行计算，以获得一角度差值信号，所述角度差值信号用以调节第一马蹄形调制波的幅值，以控制转子的电流相位与第一马蹄形调制波的相位相一致，使得每安培电流产生的转矩最大。本发明通过估算得出反电势信息，不需要复杂的坐标变换，算法简单、易于实现。此外，本发明通过调节电机电流以改变电机反电势与相电流的相位差，以实现最大转矩控制，电机效率高。

附图说明

图1所示为依据本发明的永磁同步电机的驱动电路的第一实施例的电路框图；

图2所示为依据本发明的永磁同步电机的等效模型电路图；

图3所示为A相的反电势和转子位置信息的一种表述方式；

图4所示为依据本发明的永磁同步电机的驱动电路的第二实施例的电路框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。

参考图1，所示为依据本发明的永磁同步电机的驱动电路的第一实施例的电路框图；三相逆变器11接收外部电压信号V_bus，以转换为三相交变电压信号供给永磁同步电机(PMSM)，所述驱动电路根据所述永磁同步电机的转子位置信息，以产生PWM控制信号控制所述永磁同步电机的逆变器中开关管的开关状态，从而控制所述永磁同步电机的工作电流。如图1中所示，所述三相逆变器11输出的三相交变电压信号分别记为A相、B相和C相。

在本发明实施例中，所述驱动电路包括电流采样电路12、反电势估算模块13和转矩调节电路，具体的，所述转矩调节电路包括角度计算电路14和PID调节器，所述电流采样电路12采样所述永磁同步电机的其中一相的转子电流信息以获得电流采样信号ia，这里以采样A相转子电流信息为例说明。所述反电势估算模块12接收所述电流采样信号V_ia和表征该相转子电压信息的电压采样信号Ua，据此估算该相的反电势信息，并输出表征所述反电势信息的第一电压信号V1，所述第一电压信号为一正弦波信号。在本实施例中，所述电压采样信号通过直接采样对应一相(即A相)的电压信息获得。

角度计算电路14接收所述第一电压信号V1和所述电流采样信号V_ia，并进行差值计算以获得所述角度差值信号Δθ，PID调节器接收所述角度差值信号Δθ和零角度信号θ＝0，并据此产生一比例系数K。

下面详细介绍反电势估算模块12估算反电势信息的过程：如图2所示为依据本发明的永磁同步电机的等效模型电路图，根据图2所述的等效图，A、B、C三相的定子绕组电压为：

(\begin{matrix} u_{A} \\ u_{B} \\ u_{C} \end{matrix}) = (\begin{matrix} R & 0 & 0 \\ 0 & R & 0 \\ 0 & 0 & R \end{matrix}) (\begin{matrix} i_{A} \\ i_{B} \\ i_{C} \end{matrix}) + (\begin{matrix} L - M \\ L - M \\ L - M \end{matrix}) P (\begin{matrix} i_{A} \\ i_{B} \\ i_{C} \end{matrix}) + (\begin{matrix} e_{A} \\ e_{B} \\ e_{C} \end{matrix})

其中：u_A、u_B、u_C为定子相绕组电压(V)，i_A、i_B、i_C为三相定子绕组电流(A)，e_A、e_B、e_C为三相定子绕组反电势(V)，R为电机相电阻，L为每相绕组的自感(H)，M为每两相绕组间的互感(H)，p为微分算子，有p＝d/dt。

下面以A相的相电压和电流为例，根据上述阵列可以得到A相的相电压为：

u_A＝Ri_A+(L-M)pi_A+e_A(1)

将p＝d/dt代入式(1)中有，相电流ia的微分方程为：

\frac{{di}_{A}}{d t} = - \frac{R}{L - M} i_{A} + \frac{u_{A}}{L - M} - \frac{1}{L - M} e_{A} - - - (2)

为了能够估算出反电势e_A，本发明的反电势估算模块13采用滑模观测器进行模拟计算：

选择滑模面S为：

其中：为滑模观测器估算值，i为实际测到的相电流值。根据电机等效电路方程及滑模面S，构建滑模观测器模型，有

\frac{d {\hat{i}}_{A}}{d t} = - \frac{R}{L - M} {\hat{i}}_{A} + \frac{u_{A}}{L - M} - \frac{1}{L - M} si g n ({\hat{i}}_{A} - i_{A}) - - - (3)

其中sign为开关符号函数：

s i g n (x) = \{\begin{matrix} k, & x &GreaterEqual; 0 \\ - k, & x < 0 \end{matrix}

其中，当设置k≥e_A绝对值的幅值时，公式(3)成立，将式(3)减去式(2)，可以得到：

\frac{d ({\hat{i}}_{A} - i_{A})}{d t} = - \frac{R}{L - M} ({\hat{i}}_{A} - i_{A}) + \frac{e_{A}}{L - M} - \frac{1}{L - M} s i g n ({\hat{i}}_{A} - i_{A}) - - - (4)

而当系统进入滑模面后，有因此，式(4)可以得出：

e_{A} = s i g n ({\hat{i}}_{A} - i_{A}) - - - (5)

从式(5)可以得知，反电势e_A的信息可以通过sign函数表征出来，获得反电势e_A的信息后就可以得到对应的转子位置信息，本领域技术人员可知，通过开关符号函数得到的信号e_A是跳变的量，一般需要进行低通滤波器滤波后获得连续的正弦波信号，例如图3所示的波形图，当电机稳定运行时，每个工作周期内，反电势都会是一个完整的正弦波，因此将反电势e_A的一个正弦变化周期设置为角度是从0-2π变化，这样，角度计算电路14根据所述第一电压信号的角度信息和当前的相电流的角度信息，就可以获得两者的角度差值。PID调节器将角度差值信号Δθ和零角度信号θ＝0进行比例积分微分运算，以获得比例系数K。

进一步的，在本实施例中，所述PWM控制电路包括三相PWM控制子电路，每一相PWM控制子电路均包括调制波产生电路、第一乘法电路和开关信号产生电路。例如，图1中以A相为例，PWM控制子电路包括调制波产生电路16-1、第一乘法电路X1-1和开关信号产生电路C-1：

调制波产生电路16-1根据预先设定的角速度ω_ref产生固定频率的第一马蹄形调制波，这里，所述第一马蹄形调制波为半波的马蹄形波，且第一马蹄形调制波的幅值也是预先设定为合适的值，其余两相的调制波产生电路同样预先设定的角速度ω_ref产生对应相的固定频率的第一马蹄形调制波，根据三相逆变器的工作原理，三相的转子相位互差120°，则三相第一马蹄形调制波的相位也是互差120°。这里，角速度ω_ref为根据电机的工作电流大小预先设定好的值。

第一乘法电路X1-1接收所述第一马蹄形调制波和所述比例系数K，以生成第二马蹄形调制波，开关信号产生电路C1-1接收所述第二马蹄形调制波和一三角波信号，以产生A相的PWM控制信号。A相的PWM控制信号用以控制三相逆变器中对应一相开关管的导通和关断，以调节所述三相逆变器加载到所述永磁同步电机上的电压。其中，所述三角波信号由一外部的三角波发生电路提供。

调节每安培电流最大转矩过程为：当表征反电势信息的第一电压信号的相位和相电流的相位差Δθ不等于零时，PID调节器输出的比例系数就会改变马蹄形调制波的幅值，从而PWM控制信号的占空比就会随之改变，三相逆变器加载到永磁同步电机上的电压也会改变。当电机端的电压改变后，电机的电流就会改变，当电机转速不变负载不变的情况下，根据电机的功角自平衡理论，永磁同步电机的反电势与相电流的相位差就会改变，最终会使得两者的相位差趋于零，即实现了永磁同步电机的每安培电流最大转矩控制，可使得电机的工作效率最大。

最后，需要说明的是，本发明的马蹄形调制波可保证所述永磁同步电机的工作电流为正弦波电流，从而获得最优的控制策略，因此，在本发明实施例中，通过采样A相的相电压和相电流的信息就可以获得A相的表征转子位置信息的反电势信息。根据获得的反电势信息可以得到反电势与相电流的相位差，然后根据相位差调节马蹄形调制波的幅值，以控制逆变器加载到电机上的电压，从而实现反电势与相电流的相位差为零的控制。本发明中无需位置传感器来检测转子的位置信息，并且只需采样其中一相的相电压和相电流即可推出其他两相的反电势信息，从而保证三相电路均能工作在最大转矩上。

优选的，本发明的电压采样信号还可以通过计算的方式获得，参考图4所示为依据本发明的永磁同步电机的驱动电路的第二实施例的电路框图，本实施例除了相电压采样与实施例一不相同，其他均与实施例一相同，在本实施例中，所述驱动电路还包括第二乘法电路X2，所述第二乘法电路接收一正弦波信号Vsin和所述比例系数K，经乘法运算后生成所述电压采样信号Ua，其中，所述正弦波信号与所述第一马蹄形调制波相位相同。这里，所述电压采样信号Ua与实施例一中采样的电压信号为成正比例关系，且比例系数为K/V_bus。

通过上述的永磁同步电机的驱动电路可知，本发明通过采样其中一相的相电压和相电流的信息就可以获得该相的表征转子位置信息的反电势信息，在本发明中，所述反电势的信息是确定的函数。根据获得的反电势信息可以得到反电势与相电流的相位差，从而实现每安培电流最大转矩的控制。本发明通过给定固定频率的马蹄形调制波，可以实现电机电流的正弦波控制，并通过相位差反馈获得最大转矩控制，控制简单，效果好。

最后，本发明还公开了一种永磁同步电机的驱动方法，通过控制三相逆变器中开关管的开关状态，以调节所述永磁同步电机的电流，所述驱动方法包括以下步骤：

以上对依据本发明的优选实施例的永磁同步电机的驱动电路及驱动方法进行了详尽描述，本领域普通技术人员据此可以推知其他技术或者结构以及电路布局、元件等均可应用于所述实施例。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims

1.一种永磁同步电机的驱动电路，用以控制三相逆变器中开关管的开关动作，以调节所述永磁同步电机的电流，其特征在于，所述驱动电路包括电流采样电路、反电势估算模块，转矩调节电路；

2.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述转矩调节电路包括角度计算电路和PID调节器，

3.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述反电势估算模块利用滑模计算方式获得所述反电势信息，并通过开关函数表征，在一个工作周期内，所述反电势信息表现为一个完整的正弦波。

4.根据权利要求2所述的驱动电路，其特征在于，所述驱动电路进一步还包括PWM控制电路，所述PWM控制电路包括三相PWM控制子电路，

5.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，采样对应相的转子电压信息以获得所述电压采样信号，所述对应相与采样转子电流信息的相为相同的一相。

6.根据权利要求2所述的驱动电路，其特征在于，所述驱动电路还包括第二乘法电路，所述第二乘法电路接收一正弦波信号和所述比例系数，经乘法运算后生成所述电压采样信号，其中，所述正弦波信号与所述第一马蹄形调制波相位相同。

7.一种永磁同步电机的驱动方法，通过控制三相逆变器中开关管的开关动作，以调节所述永磁同步电机中的电流，其特征在于，所述驱动方法包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的驱动方法，其特征在于，

接收所述第一电压信号和所述电流采样信号，并进行差值计算以获得所述角度差值信号；

9.根据权利要求7所述的驱动方法，其特征在于，利用滑模计算方式获得所述反电势信息，并通过开关函数表征，在一个工作周期内，所述反电势信息表现为一个完整的正弦波。

10.根据权利要求8所述的驱动方法，其特征在于，

根据预先设定的角速度产生固定频率的第一马蹄形调制波，三相的第一马蹄形调制波相位互差120°；

11.根据权利要求7所述的驱动方法，其特征在于，采样对应相的转子电压信息以获得所述电压采样信号，所述对应相与采样转子电流信息的相为相同的一相。

12.根据权利要求8所述的驱动方法，其特征在于，接收一正弦波信号和所述比例系数，将两者进行乘法运算以生成所述电压采样信号，其中，所述正弦波信号与所述第一马蹄形调制波相位相同。