CN106655916A - 一种开关磁阻电机的控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关磁阻电机的控制电路，包括直流电源E1，用于向电机提供能量；电容C1，用于稳定直流侧电压；开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S6，用于控制各相电流的通断；二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6，用于调制或换相时的电流续流；直流电容C2，开关管S7和电阻R4构成放电支路。本发明在开关磁阻电机应用时有效减小了换相时间和换出相电流的拖尾时间，提高了电机的带载能力，从而实现对开关磁阻电机的高效控制。

Description

一种开关磁阻电机的控制电路

技术领域

本发明涉及开关磁阻电机领域，尤其涉及一种开关磁阻电机的控制电路。

背景技术

开关磁阻电机以其结构简单，运行可靠；维护方便，工作效率高；启动电流小，启动转矩大等特点得到越来越广泛的应用。由于开关磁阻电机遵循磁阻最小原理，即磁通总是要沿着磁阻最小路径闭合，利用磁引力拉动转子旋转。其旋转方向和绕组所通的电流的方向无关，仅与绕组导通顺序有关。从而，开关磁阻电机的控制器只需提供单极性电源就能保证开关磁阻电机的正常工作，控制电路也是依据这一要求进行设计。

已有的用于开关磁阻电机的控制电路主要包括双开关式、双绕组式、电容分压式、公共开关式、H桥式等等。由于开关磁阻电机中的续流回路多由电机的线圈绕组、开关管和二极管构成，故续流回路的电阻很难减小。已有的控制电路普遍存在的技术问题是开关磁阻电机在换相过程中换相时间较长，换出相电流的拖尾时间较长，由于换出相的拖尾电流而产生的阻转矩在一定程度上抵消励磁转矩，削弱开关磁阻电机的带载能力，从而造成了电能的浪费，运行效率低。

发明内容

本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种结构简单、器件少、低成本的开关磁阻电机的控制电路，以期能在开关磁阻电机换相过程中，缩短换相时间，减小换出相拖尾电流引起的阻转矩，提高带载能力，从而实现开关磁阻电机的高效控制。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明一种开关磁阻电机的控制电路的特点包括：

直流电源E1，用于向电机提供能量；

直流电容C1，用于稳定直流侧电压；

开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S6，用于控制开关磁阻电机各相电流的通断；

二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6，用于调制和换相时的电流续流；

直流电容C2、开关管S7和电阻R4用于构成放电支路；

所述直流电源E1与直流电容C1并联，所述直流电容C1的正极分别与所述开关管S1、开关管S2、开关管S3的C极连接；所述直流电容C1的负极分别与所述二极管D1、二极管D2、二极管D3的阳极相连；所述开关管S1、开关管S2、开关管S3的E极依次与所述二极管D1、二极管D2、二极管D3的阴极相连；所述二极管D1、二极管D2、二极管D3的阴极分别与所述开关磁阻电机的一侧相连；

所述开关磁阻电机的另一侧分别与所述二极管D4、二极管D5、二极管D6的阳极相连；所述二极管D4、二极管D5、二极管D6的阳极依次与所述开关管S4、开关管S5、开关管S6的C极相连；所述开关管S4、开关管S5、开关管S6的E极分别与所述直流电容C2的负极相连；所述二极管D4、二极管D5、二极管D6的阴极分别与所述直流电容C2的正极相连；

所述开关管S7和电阻R4串联后并联在所述直流电容C2的两端。

本发明所述的开关磁阻电机的控制电路的特点也在于：

在开关磁阻电机换相过程中对所述直流电容C2进行充电，完成续流过程。

当所述直流电容C2的电压高于设定的过压保护值时，控制开关管S7导通，直流电容C2储存的能量通过直流电容C2、电阻R4和开关管S7构成的放电支路进行释放；当直流电容C2的电压低于设定的过压保护值时，控制开关管S7关断，直流电容C2中所储存的能量随着开关磁阻电机换相过程的不断累积，直到直流电容C2的电压再次达到过压保护值为止。

当所述开关磁阻电机应用于中、大功率的场合时，所述开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S6采用IGBT；当所述开关磁阻电机应用于小功率的场合时，所述开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S6采用MOSFET。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明在开关磁阻电机的换相过程中，通过对直流电容C2进行充电大幅缩短换了相时间，减小了换出相拖尾电流引起的阻转矩，提高开了关磁阻电机的带载能力，从而实现了开关磁阻电机的高效控制。

2、本发明中直流电容C2的累积能量可以通过由直流电容C2、开关管S7、电阻R4组成的放电支路进行释放，从而实现了对直流电容C2的过压保护。

3、本发明根据开关磁阻电机应用场合的功率等级对开关管进行选择，电路简单，器件少，控制电路成本低，适用性广。

附图说明

图1是本发明开关磁阻电机的控制电路图；

图2a是本发明开关磁阻电机A相绕组工作时，开关管S1导通时电流的流通路径图；

图2b是本发明开关磁阻电机A相绕组工作时，开关管S1关断时电流的流通路径图；

图3是本发明开关磁阻电机由A相绕组工作切换到B相绕组工作过程中，A相电流的续流路径图；

图4a是本发明开关磁阻电机B相绕组工作时，开关管S2导通时电流的流通路径图；

图4b是本发明开关磁阻电机B相绕组工作时，开关管S2关断时电流的流通路径图；

图5是本发明的实验验证图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例中的开关磁阻电机的控制电路包括：

直流电源E1，用于向电机提供能量；

直流电容C1，用于稳定直流侧电压；

开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S6，用于控制开关磁阻电机各相电流的通断；

二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6，用于调制和换相时的电流续流；

直流电容C2、开关管S7和电阻R4用于构成放电支路。

如图1所示，直流电源E1与直流电容C1并联，直流电容C1的正极分别与开关管S1、开关管S2、开关管S3的C极连接；直流电容C1的负极分别二极管D1、二极管D2、二极管D3的阳极相连；开关管S1、开关管S2、开关管S3的E极依次与二极管D1、二极管D2、二极管D3的阴极相连；二极管D1、二极管D2、二极管D3的阴极分别与开关磁阻电机的一侧相连；

开关磁阻电机的另一侧分别与二极管D4、二极管D5、二极管D6的阳极相连；二极管D4、二极管D5、二极管D6的阳极依次与开关管S4、开关管S5、开关管S6的C极相连；开关管S4、开关管S5、开关管S6的E极分别与直流电容C2的负极相连；二极管D4、二极管D5、二极管D6的阴极分别与直流电容C2的正极相连；

开关管S7和电阻R4串联后并联在直流电容C2的两端，从而由直流电容C2、开关管S7和电阻R4构成放电支路。

具体实施中，直流电源E1既可为蓄电池，也可通过交流电源整流后获得。直流电容C2的容值根据电机的负载电流进行选择，一般为2000-3000uf。直流电容C2的耐压值根据直流侧电压确定，一般为直流侧电压的5-6倍。直流电容C2确定之后，根据所需的放电时间确定电阻R4的阻值和功率。

开关磁阻电机在换相过程中，通过对直流电容C2进行充电，完成续流过程，从而减小了换相时间和换出相电流的拖尾时间，在一定程度上减小了由换出相的拖尾电流带来的阻转矩；

具体实施中，开关管S4、开关管S5、开关管S6为常通管，通过外部驱动电路输出控制信号调制开关管S1、开关管S2、开关管S3，使开关磁阻电机的三相绕组轮流导通，每相绕组的导通时间均为120度。

当所述直流电容C2的电压高于设定的过压保护值时，控制开关管S7导通，直流电容C2储存的能量通过直流电容C2、电阻R4和开关管S7构成的放电支路进行释放，从而使直流电容C2的电压逐渐下降到过压保护值以下；当直流电容C2的电压低于设定的过压保护值时，控制开关管S7关断，直流电容C2中所储存的能量随着开关磁阻电机换相过程的不断延续而累积，直到直流电容C2的电压再次达到过压保护值为止；

具体实施中，直流C2的电压会在过压保护值附近来回波动。过压保护值的大小直接决定了电机换相时间的长短，过压保护值越大，电机换相的时间就越短。然而，过压保护值不能超过电容C2耐压值的2/3，否则会造成直流电容C2的损坏。

具体实施中，当开关磁阻电机应用于中、大功率的场合时，输出功率为kW级以上，开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S6采用IGBT；当开关磁阻电机应用于小功率的场合时，输出功率为kW级以下，开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S6采用MOSFET。

实施例：

本实施例如图2a、图2b、图3、图4a、图4b所示，为开关磁阻电机从A相绕组导通换相到B相绕组导通的情况，实线部分表示开关磁阻电机在换相过程中的电流流通路径，换相过程如下：

第一：A相绕组工作

如图2a和图2b所示，A相绕组工作时，开关管S1为调制管，开关管S4为常通管，开关管S2、开关管S3、开关管S5、开关管S6均关断。如图2a所示，当开关管S1导通时，直流电源E1通过开关管S1、开关管S4给A相绕组供电，A相绕组有电流流过；如图2b所示，当开关管S1关断时，A相绕组通过二极管D1、开关管S4进行续流；

第二：由A相绕组工作到B相绕组工作的换相过程

如图3所示，由A相绕组工作到B相绕组工作的换相过程中，通过外部驱动电路输出控制信号关断开关管S1-开关管S6，开关磁阻电机A相绕组通过二极管D1，二极管D4和直流电容C2进行续流，直流电容C2上的能量随着换相过程的延续不断累积，电压不断升高；

第三：B相绕组工作

A相电流续流完成后，换相过程结束，B相绕组工作。如图4a和图4b所示，开关管S2为调制管，开关管S5为常通管，开关管S1、开关管S3、开关管S4、开关管S6均关断。如图4a所示，当开关管S2导通时，直流电源E1通过开关管S2、开关管S5给B相绕组供电，B相绕组有电流流过；如图4b所示，当开关管S2关断时，B相绕组通过二极管D2、开关管S5进行续流；

具体实施中，实时采样获得的直流电容C2上的电压，并与设定过压保护值进行比较，若直流电容C2上的电压高于设定过压保护值，控制开关管S7导通，使直流电容C2上累积的能量通过电阻R4进行释放；若直流电容C2上的电压低于设定过压保护值，则控制开关管S7关断，使直流电容C2的放电支路断开。

同理，任意相开关磁阻电机均可按照本发明提出的方法进行改善，构成这种新型的开关磁阻电机控制电路。如两相开关磁阻电机根据本发明提出的方法进行改善，可得到适用于两相开关磁阻电机的新型控制电路；四相开关磁阻电机根据本发明提出的方法进行改善，可得到适用于四相开关磁阻电机的新型控制电路；五相开关磁阻电机根据本发明提出的方法进行改善，可得到适用于五相开关磁阻电机的新型控制电路。

为了验证本发明的正确性和实用性，在本发明的基础上进行了开关磁阻电机的实验验证，得到以下实验结果：

如图5所示，开关磁阻电机的三相绕组轮流导通，每相绕组的导通时间均为120度。采用本发明的控制电路时，在换相过程中，换相时间和换出相的拖尾时间明显减小，显著的减小了换出相的拖尾电流带来的阻转矩，降低了换相过程中的转矩脉动，提高了开关磁阻电机的带载能力，从而实现开关磁阻电机的高效控制。

Claims (4)

1.一种开关磁阻电机的控制电路，其特征包括：

直流电源E1，用于向电机提供能量；

直流电容C1，用于稳定直流侧电压；

开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S6，用于控制开关磁阻电机各相电流的通断；

二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6，用于调制和换相时的电流续流；

直流电容C2、开关管S7和电阻R4用于构成放电支路；

所述直流电源E1与直流电容C1并联，所述直流电容C1的正极分别与所述开关管S1、开关管S2、开关管S3的C极连接；所述直流电容C1的负极分别与所述二极管D1、二极管D2、二极管D3的阳极相连；所述开关管S1、开关管S2、开关管S3的E极依次与所述二极管D1、二极管D2、二极管D3的阴极相连；所述二极管D1、二极管D2、二极管D3的阴极分别与所述开关磁阻电机的一侧相连；

所述开关磁阻电机的另一侧分别与所述二极管D4、二极管D5、二极管D6的阳极相连；所述二极管D4、二极管D5、二极管D6的阳极依次与所述开关管S4、开关管S5、开关管S6的C极相连；所述开关管S4、开关管S5、开关管S6的E极分别与所述直流电容C2的负极相连；所述二极管D4、二极管D5、二极管D6的阴极分别与所述直流电容C2的正极相连；

所述开关管S7和电阻R4串联后并联在所述直流电容C2的两端。

2.根据权利要求1所述的开关磁阻电机的控制电路，其特征是：在开关磁阻电机换相过程中对所述直流电容C2进行充电，完成续流过程。

3.根据权利要求1所述的开关磁阻电机的控制电路，其特征是，

当所述直流电容C2的电压高于设定的过压保护值时，控制开关管S7导通，直流电容C2储存的能量通过直流电容C2、电阻R4和开关管S7构成的放电支路进行释放；当直流电容C2的电压低于设定的过压保护值时，控制开关管S7关断，直流电容C2中所储存的能量随着开关磁阻电机换相过程的不断累积，直到直流电容C2的电压再次达到过压保护值为止。

4.根据权利要求1所述的开关磁阻电机的控制电路，其特征是，当所述开关磁阻电机应用于中、大功率的场合时，所述开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S6采用IGBT；当所述开关磁阻电机应用于小功率的场合时，所述开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S6采用MOSFET。