CN105790647B - 一种永磁无刷直流电机驱动系统 - Google Patents

一种永磁无刷直流电机驱动系统 Download PDF

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Abstract

一种永磁无刷直流电机驱动系统，包括与市电连接的变压器，变压器连接AC/DC整流器，AC/DC整流器由AC/DC控制电路控制，AC/DC整流器连接DC‑DC变换器，DC‑DC变换器通过逆变器连接永磁无刷直流电机，逆变器电路通过逆变器控制电路控制，AC/DC整流器包括，变压器T1，变压器T1的两个输出端之间依次连接电感L，MOS管MN1与MOS管MP1；电感L与变压器T1之间的输出节点依次通过正向连接的二极管D1，电容C2，电容C3，正向连接的二极管D2连接二极管D1的阳极；电容C2与电容C3之间的节点连接电感L与MOS管MN1之间的节点；二极管D1的阴极与二极管D2的阳极之间连接有电容C1。

Description

一种永磁无刷直流电机驱动系统
技术领域
本发明涉及电器控制领域，尤其涉及一种永磁无刷直流电机驱动系统。
背景技术
随着微型计算机控制技术的迅猛发展，在相关的控制工程领域中先后研制成功了一批电子式软起动控制器，广泛应用在电动机的起动过程，降压启动器随之被替代。当前电子式的软起动设施都使用的是晶闸管的调压电路，其电路构成如下所描述：晶闸管六只，两两反并联后串联至三相电源上，待系统发送起动信号后，微机控制起动器系统立即进行数据计算，令晶闸管输送触发信号，使晶闸管的导通角得到控制，根据给定的输出，调节输出电压，实现电动机的控制。
现实中，很多种情况下在启动永磁无刷直流电机的时候，先将市电进行降压、AC/DC转换，然后经过逆变器，通过对逆变器的控制实现去电机的控制与驱动。
然而现有的驱动控制系统存在以下问题，逆变器的输入电压不够稳定存在较大的纹波，经过逆变器的处理该纹波会被放大。这意味着逆变器输入电压的不稳定导致了输出存在很大的波动，从而导致电机在运转过程中功耗增加，效率低下，动力不足等现象。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出一种永磁无刷直流电机驱动系统，它能够稳定逆变器的输入电压，同时完善了逆变器的控制策略，保证了永磁无刷直流电机在运转过程中功耗降低，效率提高。
为了实现上述目的，本发明采用的方案是：
一种永磁无刷直流电机驱动系统，包括与市电连接的变压器，所述变压器连接AC/DC整流器，所述AC/DC整流器由AC/DC控制电路控制，所述AC/DC整流器连接DC-DC变换器，所述DC-DC变换器通过逆变器连接永磁无刷直流电机，所述逆变器电路通过逆变器控制电路控制，所述AC/DC整流器包括，变压器T1，所述变压器T1的两个输出端之间依次连接电感L，MOS管MN1与MOS管MP1；所述电感L与变压器T1之间的输出节点依次通过正向连接的二极管D1，电容C2，电容C3，正向连接的二极管D2连接二极管D1的阳极；所述电容C2与电容C3之间的节点连接电感L与MOS管MN1之间的节点；所述二极管D1的阴极与二极管D2的阳极之间连接有电容C1。
所述AC/DC控制电路包括：AC/DC整流器的输出电压通过低通滤波器之后与参考电压Vref1求取差值，并经过PI控制器,所述PI控制器的输出端连接PWM发生器，所述PWM发生器控制MOS管MP与MOS管MN。
MOS管M9、M0、Ma6、M7、M8、Ma1以及Mp的源极接电源VDD，所述MOS管的漏极接地，所述MOS管M9的栅极连接MOS管M0的栅极，所述MOS管M0的漏极接MOS管M1的源极，所述MOS管M1的漏极连接MOS管M3的漏极，所述MOS管M3的源极接地；所述MOS管M1的源极连接MOS管M2的源极，所述MOS管M2的漏极连接MOS管M4的漏极，所述MOS管M2的栅极连接参考电压VREF，所述MOS管M4的栅极连接MOS管M3的栅极，所述MOS管M3的栅极连接M3的漏极，所述MOS管M4的源极接地，所述MOS管M4的漏极连接MOS管M5的栅极，所述MOS管M5的源极接地，所述MOS管M7的漏极连接M5的漏极，所述MOS管M7的漏极连接M7的栅极，所述MOS管M8的漏极连接MOS管M6的漏极，所述MOS管M6的栅极连接M4的栅极，所述MOS管M6的栅极与漏极之间连接电容CF，所述MOS管M6的源极接地，MOS管Ma4的源极接电源VDD，所述MOS管Ma4的栅极连接Ma6的栅极，所述MOS管Ma4的漏极与栅极短接，所述MOS管Ma4的漏极连接MOS管Ma3的漏极，所述MOS管Ma3的源极接地，所述MOS管Ma1的栅极连接M8的漏极，所述MOS管Ma1的漏极连接MOS管Ma2的漏极，所述MOS管Ma2的漏极与栅极短接，所述MOS管Ma2的源极接地，所述MOS管Mp的漏极依次通过R1与R2接地，所述MOS管M2通过电容CM连接Mp的漏极，所述电阻R1与电阻R2之间的节点连接M1的栅极，所述MOS管Mp的漏极接电压输出端。
所述逆变器控制电路包括：数学模型单元，所述数学模型单元依次通过坐标转换器，磁链自控单元，开关信号选择单元连接逆变器；所述磁链自控单元与开关信号选择单元之间连接有零状态模块，所述坐标转换器依次通过磁链幅值构成单元与磁链调节器连接开关信号选择单元，所述数学模型单元通过转矩调节器连接开关信号选择单元，所述转矩调节器分别连接转速调节器与频率调节器。
所述转速调节器包括：与永磁无刷直流电机连接的转速传感器，所述转速传感器所采集的实际转速与设定转速求转速差值，所述转速差值经过微分电路得到转速差值速率，转速差值与转速差值速率分别通过模糊控制单元连接直接转矩控制单元，直接转矩控制单元连接永磁无刷直流电机。
所述AC/DC整流器，AC/DC控制电路，DC-DC变换器，逆变器，逆变器控制电路集成在同一个PCB板上。
所述DC-DC变换器集成在第一PCB板上，所述逆变器集成在第二PCB板上，所述逆变器控制电路集成在第三PCB板上，所述AC/DC整流器与AC/DC控制电路集成在第四PCB板上。
还包括永磁无刷直流电机控制器，用于设定转速。
本发明的有益效果是：AC/DC整流器通过低通滤波提供一个最佳的补偿电压，有效地降低了正向导通损耗。同时，利用了基于控制电路技术的周期性开断特性，有效地减少了反向漏电流。
DC-DC变换器采用线性稳压器进行控制，避免了输出电压的上冲现象，能够有效的保证输出电压的稳定性，同时采用直接转矩控制策略对逆变器进行控制，使得电机的调节快速稳定功耗低，效率高。
在转速调节过程中采用了模糊控制策略，将多个因素降低为两个因素得到设定转矩Tg,简化了分析过程，使得整个控制系统结构简单。
附图说明
图1本发明的结构框图；
图2AC/DC整流器；
图3AC/DC控制电路；
图4DC-DC变换器；
图5逆变器控制电路；
图6转速调机器电路。
具体实施方式
为了更好的了解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1-2所示，一种永磁无刷直流电机驱动系统，包括与市电连接的变压器，所述变压器连接AC/DC整流器，所述AC/DC整流器由AC/DC控制电路控制，所述AC/DC整流器连接DC-DC变换器，所述DC-DC变换器通过逆变器连接永磁无刷直流电机，所述逆变器电路通过逆变器控制电路控制，所述AC/DC整流器包括，变压器T1，所述变压器T1的两个输出端之间依次连接电感L，MOS管MN1与MOS管MP1；所述电感L与变压器T1之间的输出节点依次通过正向连接的二极管D1，电容C2，电容C3，正向连接的二极管D2连接二极管D1的阳极；所述电容C2与电容C3之间的节点连接电感L与MOS管MN1之间的节点；所述二极管D1的阴极与二极管D2的阳极之间连接有电容C1。
如图3所示，所述AC/DC控制电路包括：AC/DC整流器的输出电压通过低通滤波器之后与参考电压Vref1求取差值，并经过PI控制器,所述PI控制器的输出端连接PWM发生器，所述PWM发生器控制MOS管MP与MOS管MN。
如图4所示，所述DC-DC变换器包括MOS管M9、M0、Ma6、M7、M8、Ma1以及Mp，所述MOS管M9、M0、Ma6、M7、M8、Ma1以及Mp的源极接电源VDD，所述MOS管的漏极接地，所述MOS管M9的栅极连接MOS管M0的栅极，所述MOS管M0的漏极接MOS管M1的源极，所述MOS管M1的漏极连接MOS管M3的漏极，所述MOS管M3的源极接地；所述MOS管M1的源极连接MOS管M2的源极，所述MOS管M2的漏极连接MOS管M4的漏极，所述MOS管M2的栅极连接参考电压VREF，所述MOS管M4的栅极连接MOS管M3的栅极，所述MOS管M3的栅极连接M3的漏极，所述MOS管M4的源极接地，所述MOS管M4的漏极连接MOS管M5的栅极，所述MOS管M5的源极接地，所述MOS管M7的漏极连接M5的漏极，所述MOS管M7的漏极连接M7的栅极，所述MOS管M8的漏极连接MOS管M6的漏极，所述MOS管M6的栅极连接M4的栅极，所述MOS管M6的栅极与漏极之间连接电容CF，所述MOS管M6的源极接地，MOS管Ma4的源极接电源VDD，所述MOS管Ma4的栅极连接Ma6的栅极，所述MOS管Ma4的漏极与栅极短接，所述MOS管Ma4的漏极连接MOS管Ma3的漏极，所述MOS管Ma3的源极接地，所述MOS管Ma1的栅极连接M8的漏极，所述MOS管Ma1的漏极连接MOS管Ma2的漏极，所述MOS管Ma2的漏极与栅极短接，所述MOS管Ma2的源极接地，所述MOS管Mp的漏极依次通过R1与R2接地，所述MOS管M2通过电容CM连接Mp的漏极，所述电阻R1与电阻R2之间的节点连接M1的栅极，所述MOS管Mp的漏极接电压输出端。图中的I为流过MOS管M9的电流。
如图5所示，所述逆变器控制电路包括：数学模型单元，所述数学模型单元依次通过坐标转换器，磁链自控单元，开关信号选择单元连接逆变器；所述磁链自控单元与开关信号选择单元之间连接有零状态模块，所述坐标转换器依次通过磁链幅值构成单元与磁链调节器连接开关信号选择单元，所述数学模型单元通过转矩调节器连接开关信号选择单元，所述转矩调节器分别连接转速调节器与频率调节器。
如图6所示，所述转速调节器包括：与永磁无刷直流电机连接的转速传感器，所述转速传感器所采集的实际转速与设定转速求转速差值，所述转速差值经过微分电路得到转速差值速率，转速差值与转速差值速率分别通过模糊控制单元得到转矩Tg，转矩Tg连接直接转矩控制单元，直接转矩控制单元连接永磁无刷直流电机。
所述AC/DC整流器，AC/DC控制电路，DC-DC变换器，逆变器，逆变器控制电路集成在同一个PCB板上。将所有电路集成在一个电路上使得整个控制结构简单，节省空间。
所述DC-DC变换器集成在第一PCB板上，所述逆变器集成在第二PCB板上，所述逆变器控制电路集成在第三PCB板上，所述AC/DC整流器与AC/DC控制电路集成在第四PCB板上。相对于这种设计是以牺牲空间来换取结构上的独立，在一个功能板块出现问题时只需要进行更该PCB板而不是更换整个控制板。这种设计降低了电机的维修成本，节省了资源。
还包括电机控制器，用于设定转速。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种永磁无刷直流电机驱动系统，其特征是，包括与市电连接的变压器，所述变压器连接AC/DC整流器，所述AC/DC整流器由AC/DC控制电路控制，所述AC/DC整流器连接DC-DC变换器，所述DC-DC变换器通过逆变器连接永磁无刷直流电机，所述逆变器电路通过逆变器控制电路控制，所述AC/DC整流器包括，变压器T1，所述变压器T1的一个输出端连接MOS管Mp1的源极，所述MOS管Mp1的漏极连接MOS管MN1的漏极，所述MOS管MN1的源极通过电感L连接所述变压器T1的另一个输出端，所述MOS管Mp1与MN1的栅极悬空，所述电感L与变压器T1之间的节点依次通过正向连接的二极管D1，电容C2，电容C3，正向连接的二极管D2，连接二极管D1的阳极；所述电容C2与电容C3之间的节点连接电感L与所述MOS管MN1的源极之间的节点；所述二极管D1的阴极与二极管D2的阳极之间连接有电容C1。
2.如权利要求1所述的一种永磁无刷直流电机驱动系统，其特征是，所述AC/DC控制电路包括：AC/DC整流器的输出电压通过低通滤波器之后与参考电压Vref1求取差值，并经过PI控制器,所述PI控制器的输出端连接PWM发生器，所述PWM发生器控制MOS管MP与MOS管MN。
3.如权利要求2所述的一种永磁无刷直流电机驱动系统，其特征是，所述DC-DC变换器包括MOS管M9、M0、Ma6、M7、M8、Ma1以及Mp，所述MOS管M9、M0、Ma6、M7、M8、Ma1以及Mp的源极接电源VDD，所述MOS管M9的漏极接地，所述MOS管M9的栅极与漏极连接，所述MOS管Ma6的漏极连接MOS管M2的源极，所述MOS管M9的栅极连接MOS管M0的栅极，所述MOS管M0的漏极接MOS管M1的源极，所述MOS管M1的漏极连接MOS管M3的漏极，所述MOS管M3的源极接地；所述MOS管M1的源极连接MOS管M2的源极，所述MOS管M2的漏极连接MOS管M4的漏极，所述MOS管M2的栅极连接参考电压VREF，所述MOS管M4的栅极连接MOS管M3的栅极，所述MOS管M3的栅极连接M3的漏极，所述MOS管M4的源极接地，所述MOS管M4的漏极连接MOS管M5的栅极，所述MOS管M5的源极接地，所述MOS管M7的漏极连接M5的漏极，所述MOS管M7的漏极连接M7的栅极，所述MOS管M7的栅极与MOS管M8的栅极连接，所述MOS管M8的漏极连接MOS管M6的漏极，所述MOS管M6的栅极连接M4的栅极，所述MOS管M6的栅极与漏极之间连接电容CF，所述MOS管M6的源极接地，MOS管Ma4的源极接电源VDD，所述MOS管Ma4的栅极连接Ma6的栅极，所述MOS管Ma4的漏极与栅极短接，所述MOS管Ma4的漏极连接MOS管Ma3的漏极，所述MOS管Ma3的源极接地，所述MOS管Ma1的栅极连接M8的漏极，所述MOS管Ma1的漏极连接MOS管Ma2的漏极，所述MOS管Ma2的漏极与栅极短接，所述MOS管Ma2的源极接地，所述MOS管Mp的栅极连接所述MOS管M8的漏极，所述MOS管Mp的漏极依次通过电阻R1与电阻R2接地，所述MOS管M2通过电容CM连接Mp的漏极，所述电阻R1与电阻R2之间的节点连接M1的栅极，所述MOS管Mp的漏极接电压输出端。
4.如权利要求2或3所述的一种永磁无刷直流电机驱动系统，其特征是，所述逆变器控制电路包括：数学模型单元，所述数学模型单元依次通过坐标转换器，磁链自控单元，开关信号选择单元连接逆变器；所述坐标转换器依次通过磁链幅值构成单元与磁链调节器连接开关信号选择单元，所述数学模型单元通过转矩调节器连接开关信号选择单元，所述转矩调节器分别连接转速调节器与频率调节器。
5.如权利要求4所述的一种永磁无刷直流电机驱动系统，其特征是，所述转速调节器包括：与永磁无刷直流电机连接的转速传感器，所述转速传感器所采集的实际转速与设定转速求转速差值，所述转速差值经过微分电路得到转速差值速率，转速差值与转速差值速率分别通过模糊控制单元连接直接转矩控制单元，直接转矩控制单元连接永磁无刷直流电机。
6.如权利要求5所述的一种永磁无刷直流电机驱动系统，其特征是，所述AC/DC整流器，AC/DC控制电路，DC-DC变换器，逆变器，逆变器控制电路集成在同一个PCB板上。
7.如权利要求5所述的一种永磁无刷直流电机驱动系统，其特征是，所述DC-DC变换器集成在第一PCB板上，所述逆变器集成在第二PCB板上，所述逆变器控制电路集成在第三PCB板上，所述AC/DC整流器与AC/DC控制电路集成在第四PCB板上。
8.如权利要求5所述的一种永磁无刷直流电机驱动系统，其特征是，还包括永磁无刷直流电机控制器，用于设定转速。
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