CN107404264A - 一种能量回馈结构和无刷直流电机 - Google Patents

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张玥
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Abstract

本发明涉及无刷直流电机控制技术领域，尤其为一种面向无刷直流电机的能量回馈结构，包括双向能量流动变换电路和能量回馈电路。在无刷直流电机控制系统中的三相全桥逆变电路之前引入该结构，实现升降压斩波能量双向流动，完成能量的存储和释放，使无刷直流电机的在转动过程中能够通过母线电压调节达到平稳运行的状态，从而更加合理而高效的利用能量，达到能量再循环的目的。

Description

一种能量回馈结构和无刷直流电机
技术领域
本发明涉及无刷直流电机控制技术领域，尤其为一种面向无刷直流电机的能量回馈结构和无刷直流电机。
背景技术
无刷电机随着电磁电力理论和电子信息技术的不断发展而广泛应用于：消费电子领域、家用电器领域、信息处理领域、交通运输领域、电气伺服传动领域、国防领域及特殊用途领域等。这种电机的效率比较高，体积和重量都满足各类应用需求。
在电机电控领域对能源的再利用也越来越受到重视，在采用储能电池供电的应用中，如电动车，由于电池充电能量比较小，充电时间长及频繁充电带来一系列电池寿命等问题，使得能量回馈具有现实的研究意义，能量回馈的结构和效率及控制系统保护部分是能否有效而安全的实现能量再利用的关键。
直流无刷电机的能量回馈方式一般都直接基于逆变驱动电路实现，包括自然回馈、全桥回馈和半桥回馈，自然回馈在电机转速高于某一值时便会发生，但其并不能有效的回馈能源，且会导致桥MOSFET反接二极管发热严重；全桥回馈由于其MOSFET频繁的开关也会发热，需要储能电池参与放电，在开关变换的过程中存在同一臂桥导通带来的安全问题；半桥回馈会由于相间导通引入转矩脉动，带来噪声影响，且承受的功率范围有限，能量流向单一。同时，在电机运转的过程中，母线电压随着电机的转速而变化，若有突变，会造成控制系统中过流或欠流、过压或欠压的问题，同样也引入了安全问题，造成电机运转和整个系统稳定性的降低。
综合上述的问题，在无刷直流电机控制系统中引入单独的能量回馈结构，并且结合直流电压升降斩波实现能量的双向流动，能够全桥式逆变器和能量回馈在合理的条件下工作，增强系统的稳定性，实现能量回馈。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种面向无刷直流电机的能量回馈结构，能够完成双向的能量流动变换，检测及控制无刷直流电机的三相电流及直流母线电压的变化，采用简单可靠的升降压斩波电路，实现能量回馈及再利用。
为实现上述目的，本发明采用的一个技术方案是：一种面向无刷直流电机的能量回馈结构，其特征在于：包括直流电源U，所述直流电源U为储能电池组，储能电池组并接电容C1，C1输入端连接入MOSFET开关管M1和电感L2，所述开关管M1源漏极反并联二极管D1，开关管M1源极与MOSFET开关管M2漏极相连，所述开关管M2源漏极反并联二极管D2，电感L1和电容C2串联与开关管M2；所述电感L2连接反向偏置的二极管D4，所述二极管D4与MOSFET开关管M3并接，开关管M3源漏极反并联二极管D3，电容C3、电容C4、电容C5串联与开关管M3源漏极并联，所述开关管M3漏极与二极管Da负极相连，所述电容C3和电容C4之间接入二极管Db负极，所述电容C4和电容C5之间接入二极管Dc负极，所述二极管Da、二极管Db和二极管Dc的正极接入三相逆变器；所述直流电源U的负端与电容C1的负端、与开关管M2的源极、与电容C2、与二极管D4、与开关管M3的源极及电容C3的负端都相连。
进一步的，所述的直流电源U即为储能电池组。
进一步的，所述的能量回馈结构三相逆变器为全桥型。
进一步的，能量回馈结构和三相逆变器中包含的所有MOSFET开关管都由控制器控制。
进一步的，所述的控制器控制信号的发出取决于对于无刷直流电机控制系统的信号采集。
进一步的，所述的信号采集需实时采集对比直流母线电压的变化及电机速度变化。
进一步的，还包括一个保护及判断模块，检测电流及电压的变化，及时反馈给控制器，实现对所述无刷直流电机控制系统的保护。
进一步的，本发明实施例还公开了一种无刷直流电机，包括上述所述的面向无刷直流电机的能量回馈结构。
本发明的有益效果是：本发明建立了一个面向无刷直流电机的能量回馈结构；给出了包含能量回馈结构的完整无刷直流电机控制的方法，为构成无刷直流电机控制系统提供灵活可控的应用参考；本发明的能量回馈结构基于升降压斩波电路实现双向的能量变换，实现能量存储及释放的回馈回路，结构简单，可以用于各类无刷直流电机应用系统中。
附图说明
图1是本发明无刷直流电机控制系统框图。
图2是本发明能量回馈结构示意图。
图3是本发明能量回馈结构能量回收降压示意图。
图4是本发明能量回馈结构能量释放升压示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
请参阅图1至图4，本发明提供的一种技术方案：
如图1所示，本发明将能量回馈结构引入无刷直流电机控制系统当中，能量回馈储能在储能电池组中；由控制器接收信号实时采集得到的直流母线电压的变化及电机速度变化，输出控制保护及判断模块的信号，使整个系统电压和电流在正常范围之内，起到稳压限流的目的；输出的控制信号要匹配采集的信号对三相逆变器和能量回馈结构中开关管MOSFET进行导通关断控制，实现能量的双向流动和能量存储。
如图2至4所示，本发明的能量回馈结构为：包括直流电源U，所述直流电源U为储能电池组，储能电池组并接电容C1，C1输入端连接入MOSFET开关管M1和电感L2，所述开关管M1源漏极反并联二极管D1，开关管M1源极与MOSFET开关管M2漏极相连，所述开关管M2源漏极反并联二极管D2，电感L1和电容C2串联与开关管M2；所述电感L2连接反向偏置的二极管D4，所述二极管D4与MOSFET开关管M3并接，开关管M3源漏极反并联二极管D3，电容C3、电容C4、电容C5串联与开关管M3源漏极并联，所述开关管M3漏极与二极管Da负极相连，所述电容C3和电容C4之间接入二极管Db负极，所述电容C4和电容C5之间接入二极管Dc负极，所述二极管Da、二极管Db和二极管Dc的正极接入三相逆变器；所述直流电源U的负端与电容C1的负端、与开关管M2的源极、与电容C2、与二极管D4、与开关管M3的源极及电容C3的负端都相连。
整个能量回馈的双向能量流动配合母线电压的检测大小，整个无刷直流电机在初始启动的状态下由储能电池组提供建立直流母线；母线电压呈上升状态，能量流动的方向至储能电池组，向其释放；母线电压呈下降状态，由储能电池组补充能量。
能量回馈结构实现能量回收降压时，三相全桥型逆变器工作在电机运转的正常状态，驱动电机的运行；此时母线电压上升至一定值，能量回收开启，开关管M1输入PWM控制状态，开关管M2处在关断状态，开关管M1、二极管D2及电感L1和电容C2形成一个降压斩波电路，可稳定电机电压及运行状态。同时，开关管M3输入PWM控制状态，电机运行过程中与电容C3、C4及C5实现三相能量回馈的通路，回馈给前级的电源。
能量回馈结构实现能量释放升压时，三相全桥型逆变器中的所有开关管严格锁死，实现整流作用，此时电机的转速降低，相应电压也降低；此时开关管M3处于严格锁死状态，能量回馈不再收集能量回馈前级，为了维持电压保持在一个稳定的状态，开关管M2输入PWM控制状态，开关管M1处在关断状态，开关管M2、二极管D2及电感L1和电容C2形成一个升压斩波电路，可稳定电机电压及运行状态。
当控制器接收信号实时采集得到的直流母线电压的变化及电机速度变化时，在一定范围内能量回馈结构升降压斩波处在不工作状态，只有电压及转速过高或过低时，开启能量回馈，调节电机系统的稳定运转。
进一步的，本发明实施例还公开了一种无刷直流电机，包括上述所述的面向无刷直流电机的能量回馈结构。
通过上述实例的描述，为了实现无刷直流电机控制系统的可靠性及稳定性，实现高效率的工作状态，本发明在控制系统中引入了能量回馈结构，不仅仅对能量进行储存，而且控制能量的流向，根据储能电池组和母线电压的相互配合，实现独立的升降压斩波电路和能量回存，运用在各种直流变换环境的无刷直流电机电机控制应用中。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种面向无刷直流电机的能量回馈结构，其特征在于：包括直流电源U，所述直流电源U为储能电池组，所述储能电池组并接电容C1，所述电容C1输入端连接入MOSFET开关管M1和电感L2，所述开关管M1源漏极反并联二极管D1，所述开关管M1源极与MOSFET开关管M2漏极相连，所述开关管M2源漏极反并联二极管D2，电感L1和电容C2串联与开关管M2；所述电感L2连接反向偏置的二极管D4，所述二极管D4与MOSFET开关管M3并接，开关管M3源漏极反并联二极管D3，电容C3、电容C4、电容C5串联与开关管M3源漏极并联，所述开关管M3漏极与二极管Da负极相连，所述电容C3和电容C4之间接入二极管Db负极，所述电容C4和电容C5之间接入二极管Dc负极，所述二极管Da、二极管Db和二极管Dc的正极接入三相逆变器；所述直流电源U的负端与电容C1的负端、与开关管M2的源极、与电容C2、与二极管D4、与开关管M3的源极及电容C3的负端都相连。
2.根据权利要求1所述的能量回馈结构，其特征在于：所述的直流电源U为储能电池组。
3.根据权利要求1所述的能量回馈结构，其特征在于：所述的三相逆变器为全桥型。
4.根据权利要求1所述的能量回馈结构，其特征在于：其中包含的所有MOSFET开关管都由控制器控制。
5.根据权利要求1所述的能量回馈结构，其特征在于：控制信号的发出取决于对于无刷直流电机控制系统的信号采集。
6.根据权利要求1所述的能量回馈结构，其特征在于：实时采集对比直流母线电压的变化及电机速度变化。
7.根据权利要求1所述的能量回馈结构，其特征在于：还包括一个保护及判断模块，检测电流及电压的变化，及时反馈给控制器，实现对所述无刷直流电机控制系统的保护。
8.一种无刷直流电机，其特征在于，包括如权利要求1-7任一所述的能量回馈结构。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116545291A (zh) * 2023-04-24 2023-08-04 无锡凌博电子技术股份有限公司 一种电动车升压控制器

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