CN105429553B - 感应电机驱动系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种感应电机驱动系统，该系统包括两相感应电机、电源滤波电路、H桥功率驱动电路、控制器MCU，所述源滤波电路，用于滤掉直流电源上的谐波分量，并且产生驱动所需要的电源中点电压；所述控制器MCU，用于产生H桥功率驱动电路工作所需要的开关控制信号；所述H桥功率驱动电路，用于产生驱动电流并且发送到两相感应电机；所述两相感应电机，用于接收所述H桥功率驱动电路产生的驱动电流。本发明的损耗明显降低，成本降低，可靠性得到改善，电机效率得到提高，调速范围加宽，而且噪音减小。
Description
技术领域
本发明涉及感应电机的驱动技术领域，具体涉及一种感应电机驱动系统。
背景技术
设计单相感应电机的时候，电机的气隙磁场只能够在某个转速下被设计成圆形的；例如，若特别关注电机的启动特性，则电机在启动状态下的气隙磁场可设计为圆形，但这会造成运行时的磁场为椭圆形，如果侧重于电机的运行特性，则电机在额定速度下的气隙磁场可设计成圆形，但这会使得电机在启动状态下的磁场为椭圆形，椭圆形磁场会引起电机的附加损耗和噪音，而这些是电机应用中所不希望的，这也限制了单相感应电机的原因，例如需要调速的场合。
包括两相感应电机在内的多相感应电机，当其相应的多相驱动电压为对称时，电机在所有转速下气隙磁场均为圆形，从而使得电机具有高效、静音和功率密度高的特点，如果采用变频调速，这些多相感应电机能够在较宽的范围内进行调速，而且效率较高；为了实现两相感应电机，或者其他偶数相的M相感应电机的驱动，通常需要4M个功率半导体管来构成多相桥，如果相数为奇数，则需要2M个功率半导体管来构成多相桥，这就需要多路控制信号来对这些功率半导体管进行联动斩波控制，以实现多相对称的驱动电流，这些使得驱动电路结构复杂、控制信号计算困难、启动系统可靠性差，驱动系统成本也高，这些明显限制了像两相感应电机这样的电机的应用。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种感应电机驱动系统。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明实施例提供一种感应电机驱动系统，该系统包括两相感应电机、电源滤波电路、H桥功率驱动电路、控制器MCU，
所述源滤波电路，用于滤掉直流电源上的谐波分量，并且产生驱动所需要的电源中点电压；
所述控制器MCU，用于产生H桥功率驱动电路工作所需要的开关控制信号；
所述H桥功率驱动电路，用于产生驱动电流并且发送到两相感应电机；
所述两相感应电机，用于接收所述H桥功率驱动电路产生的驱动电流。
上述方案中，所述源滤波电路包括依次串联的双滤波电容C0和双滤波电容C1，所述源滤波电路的一端连接直流电源，另一端接地。
上述方案中，所述双滤波电容C1与接地之间连接有采样电阻RS0。
上述方案中，所述双滤波电容C0和双滤波电容C1的大小想等。
上述方案中，所述H桥功率驱动电路由功率半导体管Q1、功率半导体管Q2、功率半导体管Q3和功率半导体管Q4构成一个H桥，所述功率半导体管Q1的漏极接直流电源输出端，所述功率半导体管Q1的源极接MOS管Q3的漏极形成桥臂端点U，所述功率半导体管Q3的源极接地，所述功率半导体管Q1的栅极和功率半导体管Q3的栅极分别接控制器MCU；所述功率半导体管Q2的漏极接直流电源输出端，所述功率半导体管Q2的源极接功率半导体管Q4的漏极形成桥臂端点V，所述功率半导体管Q4的源极接地，所述功率半导体管Q2的栅极和功率半导体管Q4的栅极分别接控制器MCU。
上述方案中，所述两相感应电机的绕组L1和绕组L2的中点与电源中点N相连，所述绕组L1和绕组L2的端点分别与桥臂端点U和桥臂端点V相连。
上述方案中，该系统还包括电阻R1、电阻R3、电阻R5、电阻R7；电阻R2、电阻R4、电阻R6、电阻R8；所述的电阻R1、电阻R2、电阻R5和电阻R6分别设置在控制器MCU与所述功率半导体管Q1、功率半导体管Q2、功率半导体管Q3和功率半导体管Q4的栅极之间，所述电阻R3、电阻R4、电阻R7、电阻R8分别设置在所述的功率半导体管Q1、功率半导体管Q2、功率半导体管Q3和功率半导体管Q4的栅极与源极之间。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明能够在电机的相数为偶数的时候，功率半导体器件的数目减少50％，损耗明显降低，因功率半导体的误动作而产生的过流几率大大降低，驱动系统的成本也就可以降低，可靠性得到改善，由于在电机运行的过程中，气隙磁场始终是圆形的，电机效率得到提高，调速范围加宽，而且噪音减小，这也就会大大扩展感应电机的应用范围。
附图说明
图1为本发明实施例提供一种感应电机驱动系统电路原理图；
图2为本发明实施例提供一种感应电机驱动系统的控制器控制流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种感应电机驱动系统，如图1所示，该系统包括两相感应电机、电源滤波电路、H桥功率驱动电路、控制器MCU，
所述源滤波电路，用于滤掉直流电源上的谐波分量，并且产生驱动所需要的电源中点电压；
所述控制器MCU，用于产生H桥功率驱动电路工作所需要的开关控制信号；
具体的，按照系统的控制输入参数，在时域上对H桥的4个功率半导体器件的开关信号进行计算，产生所需要的驱动电压的幅值和频率，以及磁场的旋转方向，进而产生所需要的两相对称的驱动电流。
当控制器MCU对H桥的4个功率器件进行开关控制的时候，在一个电周期中，使每个功率半导体器件只在半个周期中工作，这使得功率半导体器件的损耗较小，器件发热的情况得到改善，功率器件因为控制信号出误而产生短路的机率大大减少。
所述H桥功率驱动电路，用于产生驱动电流并且发送到两相感应电机；
所述两相感应电机，用于接收所述H桥功率驱动电路产生的驱动电流。
所述源滤波电路包括依次串联的双滤波电容C0和双滤波电容C1，所述源滤波电路的一端连接直流电源，另一端接地；所述双滤波电容C0和双滤波电容C1大小相等。
所述双滤波电容C1与接地之间连接有采样电阻RS0。
所述H桥功率驱动电路由功率半导体管Q1、功率半导体管Q2、功率半导体管Q3和功率半导体管Q4构成一个H桥，所述功率半导体管Q1的漏极接直流电源输出端，所述功率半导体管Q1的源极接MOS管Q3的漏极形成桥臂端点U，所述功率半导体管Q3的源极接地，所述功率半导体管Q1的栅极和功率半导体管Q3的栅极分别接控制器MCU；所述功率半导体管Q2的漏极接直流电源输出端，所述功率半导体管Q2的源极接功率半导体管Q4的漏极形成桥臂端点V，所述功率半导体管Q4的源极接地，所述功率半导体管Q2的栅极和功率半导体管Q4的栅极分别接控制器MCU；所述的H桥功率驱动电路的桥臂上开关管和下开关管接控制器MCU，所述控制器MCU产生PWM信号控制上开关管和下开关管闭合和打开；所述上开关管和下开关管在不同的时间段闭合。
所述两相感应电机的绕组L1和绕组L2的中点与电源中点N相连，所述绕组L1和绕组L2的端点分别与桥臂端点U和桥臂端点V相连。
该系统还包括电阻R1、电阻R3、电阻R5、电阻R7；电阻R2、电阻R4、电阻R6、电阻R8；所述的电阻R1、电阻R2、电阻R5和电阻R6分别设置在控制器MCU与所述功率半导体管Q1、功率半导体管Q2、功率半导体管Q3和功率半导体管Q4的栅极之间，所述电阻R3、电阻R4、电阻R7、电阻R8分别设置在所述的功率半导体管Q1、功率半导体管Q2、功率半导体管Q3和功率半导体管Q4的栅极与源极之间。
所述控制器MCU按照图2所示的过程，对H桥功率驱动电路中的4个功率半导体器件Q1，Q2、Q3、和Q4产生PWM控制信号：
步骤1：启动系统；
步骤2：输入电机的驱动参数，包括电压的频率f(电流的时间周期值则为：T＝1/f)，电压幅值VC，和电机的运行方向D；
步骤3：设定运行时间的起始值t＝0，然后并行进入步骤4和步骤9；
步骤4：如果需要电机正向旋转(即图2中D>0的状态),则进入步骤5,；反之则进入步骤7；
步骤5：在0≤t<T/2时，对Q1进行斩波控制，使得H桥的端口U产生有效电压VcSin(2πft)+VH/2；在这段时间，Q3处于关断状态，或者，根据Q1的状态进行逻辑“非”的运行。在T/2≤t<T时，对Q3进行斩波，使得H桥的端口U产生有效电压VH/2-VcSin(2πft)；在这段时间，Q1处于关断状态，或者，根据Q3的状态进行逻辑“非”的运行。
步骤6：t≥T，转向步骤10
步骤7：在0≤t<T/2时，对Q3进行斩波控制，使得端口U产生有效电压VH/2-VcSin(2πft)；在这段时间，Q1处于关断状态，或者，根据Q3的状态进行逻辑“非”的运行；在T/2≤t<T时，对Q1进行斩波，使得H桥的端口U产生有效电压VcSin(2πft)+VH/2；在这段时间，Q3处于关断状态，或者，根据Q1的状态进行逻辑“非”的运行.
步骤8：t≥T，转向步骤10
步骤9：在0≤t<T/4时，对Q2进行斩波控制，使得H桥的端口V产生有效电压VcCos(2πft)+VH/2；在这段时间，Q4处于关断状态，或者，根据Q2的状态进行逻辑“非”的运行。在T/4≤t<3T/4时，对Q4进行斩波，使得H桥的端口V产生有效电压VH/2-VcCos(2πft)；在这段时间，Q2处于关断状态，或者，根据Q4的状态进行逻辑“非”的运行；在3T/4≤t<T/时，对Q2进行斩波，使得H桥的端口V产生有效电压VcCos(2πft)+VH/2；在这段时间，Q4处于关断状态，或者，根据Q2的状态进行逻辑“非”的运行。t≥T，转向步骤10
步骤10：根据控制指令，如果需要继续运行，转向步骤2，否则结束运行。
在以上运行过程中，H桥中由Q1和Q3所组成的U臂与Q2和Q4所组成的V臂，两臂的运行是独立的，而在同一个臂上，每个功率半导体的开通时间与另外一个功率半导体的时间是正交的；在正交的情况下。能够使得控制信号的误差引起的功率管短路的几率大为降低。而且在同一个臂上，每个功率半导体的开通时间可以只有50％，这意味着能够减少50％的开关损耗，驱动器的发热可以明显降低，在H桥的U端和V端所产生的有效驱动电压是对称正交的，在这种电压的驱动下，感应电机的两相绕组中的电流为正弦且正交的；因此，能够使得两相电机的气隙磁场始终为圆形的，也就能够使得电机始终工作在高效的状态，且噪音较小。在电机的负载特性清楚的情况下，也可以通过参数f和Vc的选择，使得电机在不同的转速下均工作在最佳状态，而且系统的实现简单便捷、系统稳定性好、损耗小、实施成本低。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种感应电机驱动系统，其特征在于，该系统包括两相感应电机、电源滤波电路、H桥功率驱动电路、控制器MCU，
所述电源滤波电路，用于滤掉直流电源上的谐波分量，并且产生驱动所需要的电源中点电压；
所述控制器MCU，用于产生H桥功率驱动电路工作所需要的开关控制信号；
所述H桥功率驱动电路，用于产生驱动电流并且发送到两相感应电机；
所述两相感应电机，用于接收所述H桥功率驱动电路产生的驱动电流，并且所述两相感应电机的绕组L1和绕组L2的中点与电源中点N相连，所述绕组L1和绕组L2的端点分别与所述H桥功率驱动电路的桥臂端点U和桥臂端点V相连；
所述H桥功率驱动电路由功率半导体管Q1、功率半导体管Q2、功率半导体管Q3和功率半导体管Q4构成一个H桥，所述功率半导体管Q1的漏极接直流电源输出端，所述功率半导体管Q1的源极接功率半导体管Q3的漏极形成桥臂端点U，所述功率半导体管Q3的源极接地，所述功率半导体管Q1的栅极和功率半导体管Q3的栅极分别接控制器MCU；所述功率半导体管Q2的漏极接直流电源输出端，所述功率半导体管Q2的源极接功率半导体管Q4的漏极形成桥臂端点V，所述功率半导体管Q4的源极接地，所述功率半导体管Q2的栅极和功率半导体管Q4的栅极分别接控制器MCU；
所述控制器MCU，具体用于对所述H桥功率驱动电路中的功率半导体管Q1、功率半导体管Q2、功率半导体管Q3及功率半导体管Q4产生PWM控制信号；当需要电机正向旋转时，则在0≤t＜T/2时，对Q1进行斩波控制，使得H桥的端口U产生有效电压VcSin(2πft)+VH/2；在这段时间，Q3处于关断状态，或者，根据Q1的状态进行逻辑″非″的运行；在T/2≤t＜T时，对Q3进行斩波，使得H桥的端口U产生有效电压VH/2-VcSin(2πft)；在这段时间，Q1处于关断状态，或者，根据Q3的状态进行逻辑″非″的运行；同时，在0≤t＜T/4时，对Q2进行斩波控制，使得H桥的端口V产生有效电压VcCos(2πft)+VH/2；在这段时间，Q4处于关断状态，或者，根据Q2的状态进行逻辑″非″的运行；在T/4≤t＜3T/4时，对Q4进行斩波，使得H桥的端口V产生有效电压VH/2-VcCos(2πft)；在这段时间，Q2处于关断状态，或者，根据Q4的状态进行逻辑″非″的运行；在3T/4≤t＜T/时，对Q2进行斩波，使得H桥的端口V产生有效电压VcCos(2πft)+VH/2；在这段时间，Q4处于关断状态，或者，根据Q2的状态进行逻辑″非″的运行。
2.根据权利要求1所述的感应电机驱动系统，其特征在于：所述电源滤波电路包括依次串联的双滤波电容C0和双滤波电容C1，所述电源滤波电路的一端连接直流电源，另一端接地。
3.根据权利要求2所述的感应电机驱动系统，其特征在于：所述双滤波电容C1与接地之间连接有采样电阻RS0。
4.根据权利要求2所述的感应电机驱动系统，其特征在于：所述双滤波电容C0和双滤波电容C1的大小相等。
5.根据权利要求4所述的感应电机驱动系统，其特征在于：该系统还包括电阻R1、电阻R3、电阻R5、电阻R7；电阻R2、电阻R4、电阻R6、电阻R8；所述的电阻R1、电阻R2、电阻R5和电阻R6分别设置在控制器MCU与所述功率半导体管Q1、功率半导体管Q2、功率半导体管Q3和功率半导体管Q4的栅极之间，所述电阻R3、电阻R4、电阻R7、电阻R8分别设置在所述的功率半导体管Q1、功率半导体管Q2、功率半导体管Q3和功率半导体管Q4的栅极与源极之间。
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