CN108400730A - 一种方波电机控制系统及采用其的方波电机 - Google Patents

一种方波电机控制系统及采用其的方波电机 Download PDF

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Abstract

本发明属于电力电子技术及电机驱动控制技术领域，尤其涉及一种方波电机控制系统及采用其的方波电机。方波电机控制系统包括驱动装置和控制器，所述驱动装置包括直流电源和逆变装置，逆变装置的直流侧分别与直流电源的正负极连接，交流侧与电机连接；所述逆变装置包括全桥逆变电路，并且在每个桥路的下半桥臂各串联有一个用于检测对应桥臂电流的采样电阻；在一个调制区间内，控制器采用两两导通的模式使上桥臂功率管调制、下桥臂功率管恒通的驱动信号控制逆变器；所述控制器包括与采样电阻连接的电流采样电路。本发明实现了简化方波电机控制系统的结构，使控制器结构简单、体积小，降低成本。

Description

一种方波电机控制系统及采用其的方波电机
技术领域
本发明属于电力电子技术及电机驱动控制技术领域，尤其涉及一种方波电机控制系统及采用其的方波电机。
背景技术
方波电机控制系统由电机本体、逆变电路、位置传感器、控制器组成。方波电机的定子为多相绕组，一般为三相、四相、五相、六相不等。转子为具有一定极对数的弧形稀土永磁体，气隙磁密呈梯形分布。位置传感器安装在电机的轴上，它的作用是检测方波电机转子的位置，逆变器开关管的导通与关断由位置传感器检测的转子位置信号决定，对于方波电机，位置传感器只需要在转子换相的位置有触发信号。一般采用霍尔位置传感器检测转子位置。逆变电路是方波电机实现电子换相的关键，主要由功率电子器件组成。逆变电路根据转子位置传感器的信号使相应的功率开关管开通，控制电机定子绕组电流的方向，使转子始终能够受力旋转。
方波电机相对于传统交流电机具有较大的起动转矩，使电机能够快速起动并且效率高，输出转矩大等优点。方波电机可以应用的范围很广，如电动汽车、船舶、家用电器、起重机等领域。对方波电机的调速可以采用调压调速，使方波电机不仅调速方便，而且具有较大的调速范围，方波电机的电磁转矩与相电流为线性关系，相电流的平稳程度直接影响到电机电磁转矩的稳定性，进而影响电机运行的稳定性。传统的方波电机控制系统都采取电流传感器检测三相相电流值，从而导致控制器的价格高，控制器的结构复杂。
传统的三相方波电机是工作在六步方波驱动状态，即两相通电60°电角度换向一次的工作状态，每次换相都会产生换相转矩脉动，这种脉动也会产生噪声。传统的三相方波电机每经过360°电角度会产生六次转矩脉动。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有存在的技术问题，本发明提供一种方波电机控制系统，能够解决现有方波电机控制系统繁琐的问题，控制器体积大，成本高的问题。
本发明的另一个目的在于，提供一种方波电机，其采用如以上所述的方波电机控制系统。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种方波电机控制系统，其包括驱动装置和控制器，驱动装置包括直流电源和逆变装置，逆变装置的直流侧分别与直流电源的正负极连接，交流侧与电机连接；
所述逆变装置包括全桥逆变电路，并且在每个桥路的下半桥臂各串联有一个用于检测对应桥臂电流的采样电阻；
在一个调制区间内，控制器采用两两导通的模式使上桥臂功率管调制、下桥臂功率管恒通的驱动信号控制逆变器；
所述控制器包括与采样电阻连接的电流采样电路。
优选的，所述逆变装置为三相全桥逆变电路，其包括三个桥臂，每个桥臂包括两个串联的功率开关管，并且每个功率开关管均反并联一个二极管。
优选的，所述采样电阻为毫欧级别的电阻。
优选的，在某一相的非换相区间内控制器采用给定桥臂电流峰值控制策略对此相对应的两个桥臂的功率管进行控制，该相对应的两个桥臂为第一桥臂和第二桥臂；
若采样桥臂电流小于给定桥臂电流时，导通该相第一桥臂的上桥臂功率管和第二桥臂的下桥臂功率管；
当采样桥臂电流大于给定桥臂电流时，关断已打开的上桥臂功率管，电流通过第一桥臂的下桥臂反并联二极管续流，直至完成一个控制周期。
优选的，所述控制器还包含控制芯片，电压采样电路和硬件比较电路，通过检测外部信号进行内部处理而生成对应的开关管驱动信号；
控制器根据电流采样值和转子位置为逆变装置的开关管提供对应的原始PWM驱动信号；
控制器根据输入的目标转速与系统实际反馈转速的差值通过P I调节转换为对应的控制电流，控制电流与对应桥臂电流采样值比较，用比较值和原始PWM驱动信号波进行与操作，最终生成方波电流作用到电机每相绕组。
一种方波电机，其包括如以上所述的方波电机控制系统。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：本发明提供的通过改变电流检测模式，由传统的相电流检测改为对应相下桥臂电流检测，并在两两导通模式下采用相应的驱动信号使下桥臂流通的电流方向不变，省去传统方波电机控制系统中的绝对值电路和相电流传感器，实现了简化方波电机控制系统的结构，使控制器结构简单、体积小，降低成本。
附图说明
图1为本发明的一种方波电机控制系统的拓扑结构示意图。
图2为本发明所采用的上桥臂功率管调制下桥臂功率管恒通，给定桥臂电流峰值控制法中T1和T6导通时电机定子中电流流通路径示意图。
图3为本发明所采用的上桥臂功率管调制下桥臂功率管恒通，给定桥臂电流峰值控制法中T1关断、T6导通时电机定子中电流流通路径示意图。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
如图1所示，一种方波电机控制系统，其包括驱动装置和控制器，驱动装置包括直流电源和逆变装置，逆变装置的直流侧分别与直流电源的正负极连接，交流侧与电机连接，逆变装置包括全桥逆变电路，并且在每个桥路的下半桥臂各串联有一个用于检测对应桥臂电流的采样电阻，在一个调制区间内，控制器采用两两导通的模式使上桥臂功率管调制、下桥臂功率管恒通的驱动信号控制逆变器，控制器包括与采样电阻连接的电流采样电路。
具体的，逆变装置与方波电机三相定子绕组相连，其作用是为三相方波电机提供以方波形式输出的交流电能。如图1所示本逆变装置采用三相全桥式逆变电路，其中，包括三个桥臂，每个桥臂包括两个串联的功率开关管，并且每个功率开关管均反并联一个二极管。
在三相全桥逆变电路的三个桥臂的下半桥臂各串接一个毫欧级别的电阻R1,R2,R3，逆变装置的直流侧均与直流电源的正负极连接。交流侧：逆变装置输出端与方波电机U、V、W三相定子绕组连接。
各下桥臂串接毫欧级别的电阻R1,R2,R3，用于检测对应桥臂电流，该电阻是精确度较高的采样电阻。
各下桥臂串接毫欧级别的电阻R1,R2,R3，三个电阻末端汇接于一点与直流电源负极相连接。
本实施方式中，控制器采用两两导通模式并使用上桥臂功率管调制、下桥臂功率管恒通的驱动信号使下桥臂流通的电流和对应相电流一致，且对应区间电流方向不变，从而省去传统控制方式中的电流传感器和绝对值电路，因此简化方波电机控制系统的结构，降低成本。
本实施方式中，非换相期间方波电机定子电流的流向分别如图2、图3所示，控制周期为恒定值。控制器采用给定桥臂电流峰值控制策略，该控制方法中通过用户给控制器一个目标转速，根据输入的目标转速与系统实际反馈转速的差值通过p i调节转换为对应的控制电流，并与反馈电流即检测到的桥臂电流做比较，若采样桥臂电流小于给定桥臂电流时，同时导通开关管T1和开关管T6，电流的流向如图2所示：电源正极-T1-U相绕组-V相绕组-T6-R2-电源负极，桥臂电流在母线电压Ud的作用下不断上升。
在一段时间后，当采样桥臂电流大于给定桥臂电流时，关断开关管T1，电流的流向如图3所示。由图3可以看出，由于开关管T1已经处于关断状态，电流通过与开关管T4反向并联的二极管续流，此时电流的流向为：绕组V--T6--R2--R1—T4的反并联二极管-绕组U。由于定子绕组电感的作用，电流不能突然衰减到零，只是逐渐衰减。当电流衰减到某一时刻，且此时已经达到一个控制周期，此时再次开通开关管T1，此后的工作过程同上文所诉。本实施方式中,选择对应的驱动信号来使方波电机绕组相电流始终流经下桥臂，使下桥臂流通的电流和对应相电流一致。本控制方式中采用给定桥臂电流峰值控制法，当采样桥臂电流大于给定桥臂电流时，关断开关管T1，电流的流向如图3所示。
综上所述，根据本实施方式中提出的新型拓扑结构可知，新拓扑在传统逆变电路的三个桥臂的下半桥臂各串接一个毫欧级别的电阻，同时省去传统的方波电机控制器中三个逆变装置交流输出端的相电流传感器和对应的电流处理电路，该新型拓扑可以简化控制器的结构，降低成本。本实施方式中，控制器采用桥臂电流替代传统的相电流，即实现给定桥臂电流峰值控制；通过本实施方式可以看到，当采样的桥臂电流小于给定的桥臂电流时开通对应的两个开关管，电流的流向如图2所示。经过一段时间，当采样的桥臂电流大于给定的桥臂电流时，关断开关管T1，电流的流向如图3所示。
本发明在新型拓扑结构的基础上，通过改变驱动方式使方波电机对应扇区的驱动信号上桥臂功率管调制下桥臂功率管恒通，由传统的相电流检测改为下桥臂电流检测，并在两两导通模式下采用相应的驱动信号使下桥臂流通的电流和对应相电流一致，实现了简化方波电机控制系统的结构，简化控制器结构，降低成本。
本发明的方波电机控制系统是工作在十二步方波驱动状态，脉动次数增加到12次，但脉冲的幅值却减了一半，这对系统运行的平稳性和噪声减小却大有好处。为了减小控制系统的成本并且达到优异的控制性能，通过在两两导通模式下采用相应的驱动信号使对应相下半桥臂流通的电流和对应相相电流一致，设计了该控制系统。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种方波电机控制系统，其特征在于，包括驱动装置和控制器，所述驱动装置包括直流电源和逆变装置，逆变装置的直流侧分别与直流电源的正负极连接，交流侧与电机连接；
所述逆变装置包括全桥逆变电路，并且在每个桥路的下半桥臂各串联有一个用于检测对应桥臂电流的采样电阻；
在一个调制区间内，控制器采用两两导通的模式使上桥臂功率管调制、下桥臂功率管恒通的驱动信号控制逆变器；
所述控制器包括与采样电阻连接的电流采样电路。
2.根据权利要求1所述的方波电机控制系统，其特征在于，所述逆变装置为三相全桥逆变电路，其包括三个桥臂，每个桥臂包括两个串联的功率开关管，并且每个功率开关管均反并联一个二极管。
3.根据权利要求1所述的方波电机控制系统，其特征在于，所述采样电阻为毫欧级别的电阻。
4.根据权利要求1所述的方波电机控制系统，其特征在于，在某一相的非换相区间内控制器采用给定桥臂电流峰值控制策略对此相对应的两个桥臂的功率管进行控制，该相对应的两个桥臂为第一桥臂和第二桥臂；
若采样桥臂电流小于给定桥臂电流时，导通该相第一桥臂的上桥臂功率管和第二桥臂的下桥臂功率管；
当采样桥臂电流大于给定桥臂电流时，关断已打开的上桥臂功率管，电流通过第一桥臂的下桥臂反并联二极管续流，直至完成一个控制周期。
5.根据权利要求1所述的方波电机控制系统，其特征在于，所述控制器还包含控制芯片、电压采样电路、硬件比较电路，和用于检测转子位置的位置传感器，通过检测外部信号进行内部处理而生成对应的开关管驱动信号；
控制器根据电流采样值和转子位置为逆变装置的开关管提供对应的原始PWM驱动信号；
控制器根据输入的目标转速与系统实际反馈转速的差值通过P I调节转换为对应的控制电流，控制电流与对应桥臂电流采样值比较，用比较值和原始PWM驱动信号波进行与操作，最终生成方波电流作用到电机每相绕组。
6.一种方波电机，其特征在于，包括如权利要求1-5任意一项的方波电机控制系统。
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