CN1069000C - 无刷直流电动机的逆变器控制器 - Google Patents

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Abstract

一种BLDC电动机的逆变器控制器，包括锯齿波发生器，它产生PWM参考信号；比较器，它比较锯齿波发生器的输出信号和速度控制部分的电压选择信号；逻辑部分，使用比较器的PWM信号和速度控制部分的PWM选择信号对上极和下极开关元件执行选择性的PWM控制；三相转换缓冲器，用PWM选择信号调制相转换信号部分，因此，本发明使在相转换中的电流滞后减到最小，并通过为器开关元件的均匀导通可对开关元件温度的不平衡进行控制。

Description

无刷直流电动机的逆变器控制器
本发明涉及一种无刷直流(以后称为“BLDC”)电动机的控制器，尤其涉及无刷直流电动机的逆变器控制器，所述控制器通过使BLDC电动机的相位滞后降为最小并减少其在三相变换情况下的逆变器的热应力来提高电动机的效率。
如图1所示，BLDC电动机的控制器一般包括通常用来整流交流电压的桥(式联接的)二极管10；用于对由桥二极管10整流的电压进行直流平波的平波电容器C1；逆变器20，用于在预定电压电平和频率下向BLDC电动机40施加由平波电容器C1平波后的直流电压；以及用于控制逆变器20的逆变器控制器30。
虽然没有示出具体细节，但在常规的BLDC电动机控制器的详细结构中，BLDC电动机40包括用来产生旋转磁场的定子，相对于定子旋转从而产生转矩的转子，以及用来检测转子的相对位置的霍尔检测器(hall sen-sor)50。
逆变器控制器30包括相信号发生器31，用来按照霍尔检测器50的相检测信号借助于电动机的方向产生相信号，电动机速度控制部分32，用来通过比较霍尔检测器50的相检测信号和电动机的预定速度控制信号按照相信号发生器31的输出信号控制电动机的恒速驱动，PWM处理器(processor)33，用来按照电动机速度控制部分32的控制信号根据方向处理相信号作为PWM信号，控制极(gate)驱动部分34，用来接收来自PWM处理器33的PWM信号输出并按相向逆变器20的功率开关元件提供控制极驱动信号。以及按照由逆变器20产生的三相信号驱动的BLDC电动机40。
如图2所示，逆变器20包括6个功率开关元件20A、20B和20C以及21A、21B和21C；分别并联于功率开关元件的源极和漏极上的惯性(free-wheeling)二极管；以及连接于功率开关元件的中间节点(node point)的BLDC电动机40。
在6个功率开关元件中，上极的功率开关元件20A、20B和20C被连接于平波电容器C1的直流高压输入端，下极功率开关元件21A、21B和21C补充连于平波电容器C1的接地端。
相A、相B和相C在连接于直流高压输入端的功率开关元件和连接于接地端的功率开关元件的中间节点上产生，BLDC电动机40被连在每一相上。
PWM处理器33包括用来产生用于PWM信号的锯齿波的锯齿波发生器35，用来比较锯齿波发生器35的输出信号和速度控制部分32的PWM信号的比较器36，以及用于以比较器36的相应的PWM选择信号来调制自相信号发生器31的相转换信号部分的三态缓冲器37。
三相缓冲器的直值表如下：
PWM选择信号     输入     输出
    0     01     00
    1     01     11
如上表所示，如果PWM选择信号维持在“低”电平，则三相缓冲器37的输出为“0”，与参考相转换信号无关，如果PWM选择信号维持在“高”电平，或启动状态，则相转换信号按照PWM选择信号利用脉宽调制进行调制。
当三相缓冲器给控制极驱动部分34供给PWM信号时，在平波电容器C1的6个功率开关元件当中的上极功率开关元件20A、20B和20C或下极功率开关元件21A、21B和21C被交替地控制。
参看图4的波形图，因为上述的上极PWM控制仅在经过惯性(free-wheeling)二极管的导通部分之后的过零点(zero gross point)的一部分中进行，所以极大地产生了偏移电流和脉冲电压，结果使电动机的转矩特性变得不稳定。
图5说明相的导通顺序是AB、AC、BC、BA、CA和CB。例如，如果相AB首先导通，则相A的电流增加。在这种情况下，相A的上极功率开关元件和相B的下极功率开关元件导通，其它功率开关元件截止。对于这种导通，流过相AB的电流的斜率由占空比确定，导通方程式1由下式表示。
〈式1〉
Vab=2×Ia×Ra+2×La×dIa/dt+EMFab
Vab=Vdc×占空比
占空比=ton/(ton+toff)
dIa/dt=(Vab-EMFab-2*Ia*Ra)/(2*La)
其中ton是PWM信号被启动的部分，toff是PWM信号被禁止的部分。按照PWM信号上极功率开关元件被导通或截止。在所加电压高于EMFab的情况下，开关元件将按照电流的斜率导通。
即使在相AB导通之后相AC导通，但式1仍保持正确，因相B的关系仅改变为相C的关系。
如果在相AC导通之后相BC导通，则由于惯性(free wheeling)二极管而使相A的电流减少。(参见图5)。
在相A的上极功率开关元件截止的情况下，则由于通过相A的上极惯性(free wheeling)二极管供应电流而使电流减小，并且减小的电流斜率可以用下式2表示。
〈式2〉
o=2×Ia×Ra+2×La×dIa/dt+EMFab
dIa/dt=(EMFab-2*Ia*Ra)/(2*La)
如式2所示，减少的电流的斜率由电动机的参数、流过电动机的电流以及电动机的反电势决定。
同时，BLDC电动机的反电势正比于转速，在相同的RPM信号下，当初始电流较大时(即大的负载)，则电流的惯性部分也较大。
即使在相BC导通之后相BA导通，但式1仍保持正确，因为式中的A和B被互换，结果使电流以负值增加，类似地，如果相CA导通，则仍遵守式1，因为相成分B变为相成分C。
如果相CB导通，则相A的上极功率开关元件截止，而上极惯性(freewheeling)二极管导通。这样，A相的上极惯性二极管和C相的上极功率开关元件形成惯性通路。
因为上极功率开关元件执行PWM控制，所以当相C的上极功率开关元件导通时，上式2仍保持正确，因为相A和相B被分别转换成相C和相A。
在相C的开关元件依据PWM禁止信号截止的情况下，流过相C的上极开关元件的电流通过相C的下极惯性二极管导通，导通方程用下式3表示：
〈式3〉
-Vab=2×Ia×Ra+2×La×dIa/dt+EMFab
dIa/dt=(-Vab-EMFab-2*Ia*Ra)/(2*La)
如式3所示，在PWM的截止部分电流由于-Vdc而快速减小，这发生在下极开关元件的PWM控制中。
在如上所述构成的常规的BLDC电动机的逆变器控制器中，通过上极和下极开关元件流动的电流斜率的减少互不相同。具体地说，在从下极开关元件操作转换到上极开关元件的情况下，惯性电流的滞后时间变大，因而电动机的功率因数变差，从而使驱动效率降低。
此外，由于不平衡的电流而引起的电动机转矩的不平衡使电动机和系统产生严重振动。
并且，还存在另外的问题，因为PWM控制仅由上极和下极开关元件进行，由于特定元件的大的开关损耗而使特定的开关元件性能变劣。
由此，本发明旨在提供一种无刷直流(BLDC)电动机的逆变器控制器，它能够消除由于上述现有技术的限制和缺点而造成的一个或几个问题。
为解决现有技术中的上述问题，本发明的目的在于提供一种BLDC电动机的逆变器控制器，它能通过控制相转换时间，从而避免延长相转换电流的供给来提高BLDC电动机的效率。
本发明的另一个目的在于提供一种BLDC电动机的逆变器控制器，通过上极和下极开关元件的均匀的PWM控制，用来解决特定元件变劣的问题。
本发明还有一个目的在于提供一种BLDC电动机的逆变器控制器，通过逆变器的开关均匀的操作用来控制开关元件的不平衡的温度。
本发明的其它特点和优点将在下面进行说明，通过以下的说明使对本发明的目的特征、优点了解得更清楚。本发明的目的和其它优点通过说明书及其权利要求以及附图中具体指出的结构予以实现和被获得。
为实现本发明的目的，如同实施例中以及概括说明的BLDC电动机的逆变器控制器包括：
相转换信号发生器，用来按照霍尔检测器的相位检测信号和电动机速度控制部分的控制信号产生三相转换信号；
电机速度控制部分，用来处理由所述霍尔检测器检测的相位检测信号，检测电动机的速度并把所述速度和预定电机速度比较所述部分产生一电压选择信号从而控制电机的速度；
PWM处理器，用来处理所述速度控制部分的电压选择信号和所述相转换信号发生器的三相转换信号，使其成为脉宽调制信号，所述PWM处理器包括锯齿波发生器，用来产生用于脉宽调制的锯齿波信号；比较器，用来比较所述锯齿波发生器的输出信号和所述速度控制部分的电压选择信号；逻辑部分，用来逻辑处理所述比较器的PWM选择信号和所述速度控制部分的电压选择信号并产生预定值的逻辑信号；以及多个三相转换缓冲器，用来按照由所述逻辑部分产生的逻辑信号把三相转换信号加到相转换信号部分，并产生PWM信号；以及
控制极(gate)驱动部分，用来接收由所述PWM处理器脉宽调制的相转换信号并产生控制极驱动信号，从而驱动上极和下极开关元件。
应当理解，以上的和以下的详细说明只是解释性的例子，旨在对权利要求中的本发明提供详细的说明。
下面结合实施例参考附图对本发明进行详细说明。
图1是BLDC电动机的一般控制器的方框图；
图2是图1的逆变器和BLDC电动机的等效电路图；
图3是BLDC电动机的常规逆变器控制器的方框图；
图4是在BLDC电动机的常规逆变器控制器的PWM控制情况下的一相的波形图；
图5是在图4的PWM控制中的相电流和反电势的波形图；
图6是按照本发明的BLDC电动机的逆变器控制器的最佳实施例的方框图；
图7是在按照本发明的BLDC电动机的PWM控制情况下的一相的波形图；
图8是图7的PWM控制中的相电流和反电势的波形图；以及
图9是按照本发明的BLDC电动机的逆变器控制器的另一个最佳实施例的方框图。
现在结合附图详细说明本发明的最佳实施例。
图6是按照本发明的BLDC电动机的逆变器控制器的一个最佳实施例。
参见图6，本发明的逆变器控制器包括相转换信号发生器31，用于产生三相转换信号，从而按照霍尔检测器的相位检测信号和相转换信号选择性地使逆变器的功率开关元件导通或截止；电动机速度控制部分32，用来处理来自霍尔检测器的相位检测信号，检测电动机的速度，比较检测结果和预定电压值并控制电动机的速度；PWM处理器33，用来以脉宽调制处理速度控制部分的电压选择信号和相转换信号发生器的三相转换信号，以及控制极(gate)驱动部分100，用来接收来自PWM处理器33的脉宽调制的相转换信号并驱动逆变器中的相应的上极和下极开关元件。
PWM处理器33包括锯齿波发生器35，用来产生用于脉宽调制的参考锯齿波信号；比较器36，用来比较锯齿波发生器35的参考信号和速度控制部分32的电压选择信号；逻辑部分38，用来逻辑操作比较器36的PWM选择信号和速度控制部分32的电压选择信号，并提供逻辑信号分别作为三相缓冲器43和44的控制信号；以及多个三相转换缓冲器43和44，用来按照逻辑部分38的控制信号用PWM选择信号从相转换信号发生器31产生三相转换信号的一部分作为预定的电压值。
参见图7和图8的波形图，将按照上述构成的本发明的第一最佳实施例描述如下。
首先，相转换信号发生器31产生对于三相缓冲器42的三相转换信号，从而按照来自霍尔检测器的相检测信号和电动机速度控制部分32的控制信号使逆变器中上极和下极相应的元件导通和截止。
然后，电动机速度控制部分32按照来自霍尔检测器的相检测信号检测电动机的速度，比较电动速度和预定的电动机速度，分别产生控制信号和用于电动机速度的实际控制的PWM选择信号，并将其送到PWM处理器33。
在PWM处理器33中，比较器36比较用于脉宽调制的锯齿波发生器35的参考信号和速度控制器部分32的PWM选择信号，逻辑部分38接收带有PWM信号的锯齿波信号以进行控制。
接着，在逻辑部分38中，反相器39对来自电机速度控制部分32的PWM选择信号反相，第一OR门40对反相的信号和比较器36的信号进行OR逻辑操作，以便把结果信号送到三相缓冲器44，第二OR门41对速度控制部分32的PWM选择信号和比较器36的输出信号进行OR逻辑操作，从而把结果信号送到另一个三相缓冲器43。
在三相缓冲器42中，第一OR门40的结果信号控制三相缓冲器44，用来缓冲参考信号发生器31的三相转换信号并把结果送到控制极驱动部分100，从而控制逆变器中的上极开关元件。
另一方面，在三相缓冲器42中，第一OR门41的结果信号控制另外一个三相缓冲器43，用来缓冲参考信号发生器31的三相转换信号，并把结果供给控制极驱动部分100，从而控制在逆变器中的下极开关元件。
因而，控制极驱动部分100借助于驱动逆变器的开关元件驱动BLDC电动机。
参见图7的波形图，在上述的上极PWM控制中，PWM控制操作在单向运行二极管导通部分之后的过零点两个部分中，并且偏移电流和脉冲电压在上述两部分中被除去，从而可以提高电动机的转矩特性。
如上所述的BLDC电动机的操作，导通顺序是从AB、AC、BC、BA、CA相到相CB，如果相AB首先导通，则A相电流增加，增加的电流斜率由占空比确定。导通方程由式1表示。
如果在相AB导通之后相AC导通，则由A相的上极开关元件实行PWM控制，并且流过相AB的电流流入用于惯性的相A的上极功率开关元件和B相的上极惯性二极管。与此同时，如果A相的开关元件导通，则由方程2得到“0”值的惯性电压，否则A相的开关元件则截止，由方程3得等于直流线(link)电压的惯性电压，从而使相B的电流快速减少。
如果在相AC导通之后相BC导通，则由C相的下极开关元件实行PWM控制，流经相AC的电流由于惯性流入相A的下极惯性二极管和相C的下极功率开关元件。与此同时，如果相C的下极开关元件导通，则由方程2得到“0”值的惯性电压。否则相C的下极开关元件截止，由方程3得到等于直流线(link)电压的惯性电压，从而使电流快速减小。
图9示出了按照本发明的另一个更简单的BLDC电动机的逆变器控制器。
本发明的目的是这样实现的：逆变器控制器不使用锯齿波发生器35和比较器36向控制部分32提供霍尔检测器的相位检测信号，它确定PWM占空比和PWM频率，并将其产生送到PWM处理器33-1，从而对电机速度控制部分32的电动机提供平均电压。
在上述的按照本发明的BLDC电动机的逆变器控制器中，通过在逆变器中上极和下极开关元件的均匀的PWM控制，解决了特定元件的劣化问题。
在上述的按照本发明的BLDC电动机的逆变器控制器中，借助于PWM控制与相转换的开关元件相对的元件，把供给电动机的驱动电流的时间减少，避免使用于相转换的电流滞后延长。
显然，本领域的技术人员在不脱离本发明的构思的情况下，可以作出对本发明的无刷直流电动机的逆变器的各种改变和改型。因而应该注意，本发明的权利要求包括了对本发明的改变和改型，以及属于本发明的等同物。

Claims (8)

1、一种BLDC电动机的逆变器控制器，包括：
相转换信号发生器，用来按照霍尔检测器的相位检测信号和电动机速度控制部分的控制信号产生三相转换信号；
电动机速度控制部分，用来由所述霍尔检测器检测的相位检测信号，检测电动机的速度，并将该速度和预定电机速度比较，所述部分产生电压选择信号，从而控制电动机的速度；
PWM处理器，用来处理所述速度控制部分的电压选择信号和所述相转换信号发生器的三相转换信号，使其成为脉宽调制信号，所述PWM处理器包括用来产生用于脉宽调制的锯齿波发生器；比较器，用来比较所述锯齿波发生器的输出信号和所述速度控制部分的电压选择信号；逻辑部分，用来按照逻辑处理所述比较器的PWM选择信号和所述速度控制部分的电压选择信号，并产生预定值的逻辑信号；以及多个三相转换缓冲器，用来按照由所述逻辑部分产生的逻辑信号把三相转换信号加到相转换信号的部分上，并产生PWM信号；以及
控制极驱动部分，用于接收由所述PWM处理器脉宽调制过的相转换信号并产生控制极驱动信号，从而驱动上极和下极开关元件。
2、如权利要求1所述的BLDC电动机的逆变器控制器，其中，所述逻辑部分包括反相器，使从所述电动机速度控制部分产生的PWM选择信号反向；第一OR门，用来对反相器的输出信号和比较器的信号执行OR逻辑运算，以及第二OR门，用于对速度控制部分的PWM选择信号和比较器的输出信号执行OR运算。
3、如权利要求1所述的BLDC电动机的逆变器控制器，其中，所述三相缓冲器包括多个三相缓冲器，用来控制所述相转换信号发生器的相转换信号并向控制极驱动部分提供被缓冲的相转换信号。
4、如权利要求1所述的BLDC电动机的逆变器控制器，其中，所述电动机速度控制部分直接地确定PWM占空比和PWM频率，并将产生的该结果给所述PWM处理器，从而对所述电动机施加平均电压。
5、如权利要求1所述的BLDC电动机的逆变器控制器，其中，所述控制极驱动部分按相AB、AC、CA到CB相的顺序导通上极和下极元件。
6、如权利要求5所述的BLDC电动机的逆变器控制器，其中，如果相AB导通，则相A的电流增加并且增加的电流斜率由占空比确定。
7、如权利要求6所述的BLDC电动机的逆变器控制器，其中，如果在所述相AB导通之后所述相AC导通，则相A的上极功率开关元件执行PWM控制，流经所述相AB的电流流通相A的上极功率开关元件和用于惯性的相B的上极惯性二极管。
8、如权利要求7所述的BLDC电动机的逆变器控制器，其中，如果在所述相AC导通之后所述相BC导通，则相C的下极开关元件执行PWM控制。
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