CN109861591B - 一种低损耗的大功率纯方波无刷直流电机控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低损耗的大功率纯方波无刷直流电机控制装置及方法，所述无刷直流电机控制装置采用三相晶闸管的相控调压调制代替了传统的PWM调制方式，使得传统的控制无刷直流电机的三相逆变桥电路只工作在无刷直流电机的换相状态；所述电机控制装置包括三相交流电源、晶闸管整流电路、无刷直流电机位置检测器、三相逆变桥电路、电压电流检测电路、启动控制器、换相脉冲控制器、晶闸管整流控制器。上述电机控制装置不仅解决了PWM调制方式无法驱动多极大功率纯方波无刷直流电机高速旋转的问题，同时大大减少了电路的开关损耗，降低了设备的工作温度，系统稳定性得到显著改善。

Description

一种低损耗的大功率纯方波无刷直流电机控制装置及方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术，尤其涉及一种低损耗的大功率纯方波无刷直流电机控制装置及方法。

背景技术

目前现有的中小功率永磁无刷直流电机的调速方式一般为PWM_ON、ON_PWM、H_ON_L_PWM、PWM_ON_PWM等PWM调制，该调制方式为了达到更好的纯方波无刷直流电机控制效果，往往需要三相逆变桥中的全控器件以较高的开关频率进行工作，以实现较高的动态效果；但是在控制大功率永磁无刷直流电机时，电压和电流相比于中小功率永磁无刷直流电机会有较大幅提升，通常在需要三相逆变桥中使用电压电流规格较大的全控性器件，尤其是在控制多极大功率纯方波无刷直流电机高速旋转，此时三相逆变桥中的全控器件的关断时间会明显拉长，开关损耗会大大增加，同时通态压降和通态损耗也会进一步增大，所以在大功率纯方波无刷直流电机的高速控制中选用传统的三相逆变桥PWM调制就显得力不从心了。

因此，亟需一种在大功率场合可代替PWM调制的无刷直流电机控制方法。

发明内容

(一)发明目的

针对目前对大功率纯方波无刷直流电机控制的不足和缺陷，本发明提出了一种低损耗的大功率纯方波无刷直流电机控制装置及方法，用三相晶闸管的相控调压调制代替了传统的PWM调制方式，使得三相逆变桥电路只工作在无刷直流电机的换相状态，解决了大功率纯方波无刷直流电机在传统的PWM调制方式下，内部大功率开关器件在工作时，其开关频率无法满足驱动多极大功率纯方波无刷直流电机高速旋转的问题。

(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：

一种低损耗的大功率纯方波无刷直流电机控制装置，所述电机控制装置采用三相晶闸管的相控调压调制代替了传统的PWM调制方式，使得传统的控制无刷直流电机的三相逆变桥电路只工作在无刷直流电机的换相状态；

所述电机控制装置包括三相交流电源、晶闸管整流电路、无刷直流电机位置检测器、三相逆变桥电路、电压电流检测电路、启动控制器、换相脉冲控制器、晶闸管整流控制器；

所述三相交流电源通过所述晶闸管整流电路、三相逆变桥电路与无刷直流电机连接；

所述晶闸管整流电路根据晶闸管整流控制器的控制信号，对三相交流电源输出的三相交流电进行移相调压后，将三相交流电转换为直流电源；晶闸管整流电路输出的直流电源，作为无刷直流电机的直流电输入，以及三相逆变桥电路的直流输入；

所述无刷直流电机位置检测器，用于实时获取所述无刷直流电机的实时角度和实时转速，并将实时角度反馈到晶闸管整流控制器，将实时转速反馈到脉冲控制器；

所述换相脉冲控制器，根据无刷直流电机位置检测器反馈的无刷直流电机的实时转速，对三相逆变桥电路发出控制信号，所述三相逆变桥电路，根据换相脉冲控制器的控制信号，将输入的直流电，转换成驱动所述无刷直流电机换相运行的三相电，输入到所述无刷直流电机中，实现无刷直流电机的换相控制；

所述电压电流检测电路接于晶闸管整流电路和三相逆变桥电路之间，用于采集晶闸管整流电路输出的直流电源的电压和电流信息，并反馈到晶闸管整流控制器；

在所述启动控制器的控制下，晶闸管整流控制器根据设定的无刷直流电机目标转速以及无刷直流电机位置检测器反馈的无刷直流电机的实时角度和所述电压电流检测电路反馈的电压和电流信息，对晶闸管整流电路发出控制信号，使得晶闸管整流电路，调整输出的直流电源，实现无刷直流电机的调压和调速控制。

在另外一种可行的方案中，所述装置还包括电压预稳定滤波续流模块；

所述电压预稳定滤波续流模块，接于所述电压电流检测电路和所述三相逆变桥电路之间；

所述电压电流检测电路将采集到的晶闸管整流电路输出的直流电源反馈到启动控制器，在所述启动控制器接收到启动信号后，所述启动控制器根据电压电流检测电路反馈的电压信号，对电压预稳定滤波续流模块产生控制信号；所述电压预稳定滤波续流模块根据启动控制器的控制信号对晶闸管整流电路输出的直流电源进行稳压处理。

所述晶闸管整流控制器包括速度PI控制器、电流PI控制器、PLL锁相环模块、晶闸管双窄脉冲发生器、三相电压检测电路；

所述速度PI控制器、电流PI控制器、晶闸管双窄脉冲发生器、晶闸管整流电路依次连接；

所述无刷直流电机位置检测器，将无刷直流电机的实时角度反馈到速度PI控制器；所述电压电流检测电路将采集到的晶闸管整流电路输出的直流电源的电压和电流，反馈到电流PI控制器；

所述速度PI控制器，采用PI控制算法，根据输入的无刷直流电机的给定转速与无刷直流电机位置检测器反馈的无刷直流电机的实时转速，输出电流PI控制器的电流给定值；

所述电流PI控制器，采用PI控制算法，根据输入的电流给定值和电压电流检测电路反馈的晶闸管整流电路后的电流，输出晶闸管双窄脉冲发生器的触发角给定值；

所述启动控制器，在接受到启动信号后，自动根据电机参数，输出电机启动电压时对应的晶闸管双窄脉冲发生器的晶闸管触发角；

所述三相电压检测电路，接于三相交流电和晶闸管整流电路之间，用于实时获取所述三相交流电的电压信号，并将实时获取三相交流电的电压信号反馈至PLL锁相环中；所述PLL锁相环模块，用于输入的实时获取的三相交流电的电压信号，输出晶闸管双窄脉冲发生器的基准信号；

所述晶闸管双窄脉冲发生器，根据电流PI控制器输出的触发角给定值、启动控制器输出晶闸管触发角、PLL锁相环模块输出的基准信号，输出晶闸管整流电路的触发脉冲控制信号。

所述无刷直流电机位置检测器包括位置传感器、角度计算单元和转速计算单元；

所述位置传感器，用于获取无刷直流电机的位置信号；

所述角度计算单元，用于对无刷直流电机的位置信号进行转换，获得无刷直流电机的实时旋转角度，并将实时旋转角度发送至换相脉冲控制器；

所述转速计算单元，用于对无刷直流电机的位置信号进行转换，获得无刷直流电机的实时转速，将实时转速发送至速度PI控制器。

所述电压预稳定滤波续流模块包括，电阻、电容、第一开关和第二开关；

电阻和电容串联后，接于直流电源正负极两端；

第一开关一端接直流电源输出正极，另外一端接三相逆变器电路直流输入端正极；

第二开关一端接直流电源输出负极，另外一端接三相逆变器电路直流输入端负极；

所述开关与启动控制器相连接，所述启动控制器根据电压电流检测电路反馈的电压信号，控制第一开关和第二开关开关的导通和断开。

所述晶闸管整流电路包括三相晶闸管整流电路；所述三相晶闸管整流电路每一相均包括两个串联的晶闸管。

另一方面，本发明还提供一种低损耗的大功率纯方波无刷直流电机控制方法，所述方法包括：

S1、启动无刷直流电机控制装置，启动控制器向晶闸管整流控制器发出控制信号，在晶闸管整流控制器的控制下，晶闸管整流电路将三相交流电源输出的三相交流电转换成无刷直流电机直流电，无刷直流电机转动；

S2、无刷直流电机位置检测器实时获取无刷直流电机的实时角度和实时转速，并将实时角度反馈到晶闸管整流控制器，将实时转速反馈到脉冲控制器；电压电流检测电路采集晶闸管整流电路输出的直流电源的电压和电流信息；

S3、晶闸管整流控制器根据设定的无刷直流电机目标转速以及无刷直流电机位置检测器反馈的无刷直流电机的实时角度和电压电流检测电路反馈的电压和电流信息，对晶闸管整流电路发出控制信号；晶闸管整流电路根据晶闸管整流控制器的控制信号调整输出的直流电源，实现无刷直流电机的调压和调速控制；

S4、所述换相脉冲控制器，根据无刷直流电机位置检测器反馈的无刷直流电机的实时转速，对三相逆变桥电路发出控制信号，实现无刷直流电机的换相控制；

S5、返回步骤S3直至无刷直流电机的转速达到目标转速。

可选地，所述步骤S2前还包括：

S1’、启动控制器获取电压电流检测电路反馈的电压信号，并判断电压电流检测电路反馈的电压信号是否大于等于电压预稳定值，若是，则启动控制器控制电压预稳定滤波续流模块使晶闸管整流电路输出的直流电源接入无刷直流电机，若否，则继续对晶闸管整流电路输出的直流电源进行稳压处理并返回步骤S1。

所述步骤S3包括：

S31、速度PI控制器，采用PI控制算法，根据输入的无刷直流电机的给定转速与无刷直流电机位置检测器反馈的无刷直流电机的实时转速，输出电流PI控制器的电流给定值；

S32、电流PI控制器，采用PI控制算法，根据输入的电流给定值和电压电流检测电路反馈的晶闸管整流电路后的电流，输出晶闸管双窄脉冲发生器的触发角给定值；

S33、三相电压检测电路实时获取所述三相交流电的电压信号，并将实时获取三相交流电的电压信号反馈至PLL锁相环中，PLL锁相环模块，根据实时获取的三相交流电的电压信号，输出晶闸管双窄脉冲发生器的基准信号；

S34、启动控制器，根据电机参数，输出电机启动电压时对应的晶闸管双窄脉冲发生器的晶闸管触发角；

S35、晶闸管双窄脉冲发生器，根据电流PI控制器输出的触发角给定值、启动控制器输出晶闸管触发角、PLL锁相环模块输出的基准信号，输出晶闸管整流电路的触发脉冲控制信号；

S36、晶闸管整流电路根据晶闸管整流控制器的控制信号调整输出的直流电源。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：本发明装置解决了大功率纯方波无刷直流电机在传统的PWM调制方式下，内部大功率开关器件在工作时，其开关频率无法满足驱动多极大功率纯方波无刷直流电机高速旋转的问题，大大减少了控制电路的开关损耗，让其内部控制电路的开关频率大幅降低。达到了减低控制系统工作温度，提高了系统工作的稳定性。满足驱动多极大功率纯方波无刷直流电机高速旋转，大大减少了控制电路的开关损耗。

附图说明

图1为本发明一个实施例提供的一种无刷直流电机控制装置结构示意图；

图2为本发明一个实施例提供的一种无刷直流电机控制装置电路拓扑图；

图3为本发明一个实施例提供的一种无刷直流电机控制方法流程图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

如图1所示，本发明一种低损耗的大功率纯方波无刷直流电机控制装置，采用三相晶闸管的相控调压调制代替了传统的PWM调制方式，使得传统的控制无刷直流电机的三相逆变桥电路只工作在无刷直流电机的换相状态。具体地，电机控制装置包括三相交流电源、晶闸管整流电路、无刷直流电机位置检测器、三相逆变桥电路、电压电流检测电路、启动控制器、换相脉冲控制器、晶闸管整流控制器。

所述三相交流电源通过所述晶闸管整流电路、三相逆变桥电路与无刷直流电机连接。

三相交流电源：用于给整个控制系统提供电源；

本实施例中，三相交流电源的输出电源为三个频率相同、电势振幅相等、相位差互差120°角的正弦交流电。无刷直流电机为反电动势为梯形波的三相对称永磁无刷直流电机。

三相逆变桥电路：用于提供驱动无刷直流电机运行的三相电，从换相脉冲发生器获得换相脉冲，产生的三相电送直接至无刷直流电机。

晶闸管整流电路：用于将三相交流电转换为目标直流输出，直流输出电压的大小由晶闸管整流控制器的的控制信号决定。晶闸管整流电路与三相交流电源相连，根据晶闸管整流控制器的控制信号进行移相调压，使得晶闸管整流电路输出的电压平均值满足无刷直流电机的需要，以达到调压调速的目的。

电压电流检测电路：用于检测经晶闸管整流输出的直流电的电压值和电流值。晶闸管整流电路的输出被送至电压电流检测模块。电压电流检测电路接于晶闸管整流电路和三相逆变桥电路之间，用于采集晶闸管整流电路输出的直流电源的电压和电流信息，并反馈到晶闸管整流控制器。

晶闸管整流电路根据晶闸管整流控制器的控制信号，对三相交流电源输出的三相交流电进行移相调压后，将三相交流电转换为直流电源；晶闸管整流电路输出的直流电源，作为无刷直流电机的直流电输入，以及三相逆变桥电路的直流输入。

晶闸管整流电路地输出与三相逆变桥的输入是并联关系，三相逆变桥接收到换相脉冲发生器产生的连续导通120度的开关管导通脉冲，使得与其连接的三相对称无刷直流电机变为直流电机，使得三相逆变桥内部不再进行传统三相对称无刷直流电机控制的PWM调制。

控制装置启动时，需要启动控制器的协助启动，启动控制器，用于产生启动晶闸管触发角，在接受到启动信号后，该模块会自动根据电机参数计算出电机启动电压所对应的晶闸管触发角。在启动控制器的控制下，晶闸管整流控制器根据设定的无刷直流电机目标转速以及无刷直流电机位置检测器反馈的无刷直流电机的实时角度和所述电压电流检测电路反馈的电压和电流信息，对晶闸管整流电路发出控制信号，使得晶闸管整流电路，调整输出的直流电源，实现无刷直流电机的调压和调速控制。

晶闸管整流电路的输出与电压电流检测电路的输入端并联，电压电流检测电路的输出端与电压预稳定滤波续流模块的输入端并联，电压预稳定滤波续流模块的输出端与三相逆变桥的输入端并联。

所述无刷直流电机位置检测器，用于实时获取所述无刷直流电机的实时角度和实时转速，并将实时角度反馈到晶闸管整流控制器，将实时转速反馈到脉冲控制器。

本实施例中，换相脉冲控制器采用换相脉冲发生器，用于产生无刷直流电机的换相脉冲，通过无刷直流电机的实时旋转角度，判断逆变桥的桥臂的导通状态，产生连续导通120度的开关管导通脉冲，将六桥臂开关管的开关脉冲送至三相逆变桥中，达到将无刷直流电机转换为直流电机的目的。

所述换相脉冲控制器，根据无刷直流电机位置检测器反馈的无刷直流电机的实时转速，对三相逆变桥电路发出控制信号，所述三相逆变桥电路，根据换相脉冲控制器的控制信号，将输入的直流电，转换成驱动所述无刷直流电机换相运行的三相电，输入到所述无刷直流电机中，实现无刷直流电机的换相控制。

在另外一种优选可行方案中，无刷直流电机控制装置还包括电压预稳定滤波续流模块。

电压预稳定滤波续流模块，接于所述电压电流检测电路和所述三相逆变桥电路之间。

电压预稳定滤波续流模块，用于提供无刷直流电机启动前控制系统中的稳定直流输出电压、控制系统运行中晶闸管整流的滤波功能和无刷直流电机运行过程中的续流作用。

控制装置启动之前需要进行电压预稳定过程，通过电压预稳定滤波续流模块使得三相逆变桥输入端的电压值的稳定保持，有助于提升无刷直流电机带负载时的电流连续性，从而使得电机的三相相电流更加平顺，改善了无刷直流电机输出的转矩脉动问题。

所述电压电流检测电路将采集到的晶闸管整流电路输出的直流电源反馈到启动控制器，在所述启动控制器接收到启动信号后，所述启动控制器根据电压电流检测电路反馈的电压信号，对电压预稳定滤波续流模块产生控制信号；所述电压预稳定滤波续流模块根据启动控制器的控制信号对晶闸管整流电路输出的直流电源进行稳压处理。

控制装置启动之前的电压预稳定过程是启动控制器进行控制的，当启动控制器检测到直流母线电压值大于等于预稳定电压值时，启动控制器会结束电压预稳定过程，即发出导通信号，通过电压预稳定滤波续流模块使三相逆变桥接入系统中开始工作。

启动控制器中包含自动运算部分，根据无刷直流电机的实际参数，计算出电机启动电压所对应的晶闸管触发角。在电压预稳定环节产生晶闸管触发角和电压预稳定控制器的动作信号，在接受到启动信号后，启动控制器自动根据电机参数计算出电机启动电压所对应的晶闸管触发角，同时接收电压电流检测模块反馈的电压信号，对电压预稳定滤波续流模块产生控制信号。若电压信号稳定值达到满足电机启动条件，则控制电压预稳定滤波续流模块与三相逆变电路连接，使得直流电源接入无刷直流电机。若否，则继续进行电压预稳定。

可选地，所述晶闸管整流控制器包括速度PI控制器、电流PI控制器、PLL锁相环模块、晶闸管双窄脉冲发生器、三相电压检测电路；

所述速度PI控制器、电流PI控制器、晶闸管双窄脉冲发生器、晶闸管整流电路依次连接；

所述无刷直流电机位置检测器，将无刷直流电机的实时角度反馈到速度PI控制器；所述电压电流检测电路将采集到的晶闸管整流电路输出的直流电源的电压和电流，反馈到电流PI控制器。

速度PI控制器：用于将输入端的给定转速和反馈转速的差值转换为输出的电流给定值，其中反馈转速由转速计算模块得出，通过其模块内部的积分和比例环节，将速度偏差的积分项和比例项求和得出输出的电流给定值。

所述速度PI控制器，采用PI控制算法，根据输入的无刷直流电机的给定转速与无刷直流电机位置检测器反馈的无刷直流电机的实时转速，输出电流PI控制器的电流给定值。

电流PI控制器：用于将输入端的给定电流和反馈电流的差值转换为输出的触发角给定值，其中反馈电流由电压电流检测模块得出，通过其模块内部的积分和比例环节，将电流偏差的积分项和比例项求和得出输出的触发角给定值。

所述电流PI控制器，采用PI控制算法，根据输入的电流给定值和电压电流检测电路反馈的晶闸管整流电路后的电流，输出晶闸管双窄脉冲发生器的触发角给定值；

所述启动控制器，在接受到启动信号后，自动根据电机参数，输出电机启动电压时对应的晶闸管双窄脉冲发生器的晶闸管触发角。

所述三相电压检测电路，接于三相交流电和晶闸管整流电路之间，用于实时获取所述三相交流电的电压信号，并将实时获取三相交流电的电压信号反馈至PLL锁相环中。

所述PLL锁相环模块，用于输入的实时获取的三相交流电的电压信号，输出晶闸管双窄脉冲发生器的基准信号。

由于晶闸管的使用，本控制装置需要通过PLL锁相环模块来精确获取输入三相交流电的频率和相位，通过其内部的PI调节模块，使得输出信号可以对输入信号的频率和相位自动跟踪，达到锁相的要求。

所述晶闸管双窄脉冲发生器，根据电流PI控制器输出的触发角给定值、启动控制器输出晶闸管触发角、PLL锁相环模块输出的基准信号，输出晶闸管整流电路的触发脉冲控制信号。

晶闸管双窄脉冲发生器，用于在每个触发单元的一个周期内生成两个相差60度电角度的触发脉冲，其触发脉冲的生成需要由PLL锁相环模块输出的三相交流电的频率和相位，同时还需要电流PI控制器输出的触发角，由启动控制单元输出的触发角同样经过晶闸管双窄脉冲发生器产生触发脉冲，用于启动阶段的电压预稳定环节。

可选地，位置检测器包括位置传感器、角度计算单元和转速计算单元；

所述位置传感器，用于获取无刷直流电机的位置信号；通过位置信号可以进一步计算无刷直流电极的实时角度和实时转速。

所述角度计算单元，用于对无刷直流电机的位置信号进行转换，获得无刷直流电机的实时旋转角度，并将实时旋转角度发送至换相脉冲控制器；

所述转速计算单元，用于对无刷直流电机的位置信号进行转换，获得无刷直流电机的实时转速，将实时转速发送至速度PI控制器。由速度PI控制器将实时转速与给定速度比较。

本发明明一种无刷直流电机控制装置电路拓扑结构如图2所示，包括三相交流电1、晶闸管整流电路2、电压电流检测电路3、电压预稳定滤波续流模块4、三相逆变桥5、大功率纯方波无刷直流电机6、晶闸管双窄脉冲发生器7、换相脉冲发生器8。

三相交流电1与晶闸管整流电路2并联，晶闸管整流电路2与电压电流检测电路3并联，电压电流检测电路3与电压预稳定滤波续流模块4并联，电压预稳定滤波续流模块4与三相逆变桥5并联，三相逆变桥5与大功率纯方波无刷直流电机6并联，晶闸管双窄脉冲发生器7发出晶闸管整流电路2的触发脉冲，换相脉冲发生器8发出三相逆变桥5的开关信号。

晶闸管整流电路2包括三相晶闸管整流电路。三相晶闸管整流电路每一相均包括两个串联的晶闸管。U相包括第一晶闸管D1、第二晶闸管D2，V相包括第三晶闸管D3、第四晶闸管D4，W相包括第五晶闸管D5、第六晶闸管D6。晶闸管整流电路2的晶闸管控制端均与晶闸管双窄脉冲发生器7相连接。

电压电流检测电路3包括接于晶闸管整流电路2输出端正负极两端的电压检测模块A1，接于晶闸管整流电路2直流输出母线的电流检测模块A2。

电压预稳定滤波续流模块4包括，电阻R1、电容C1、第一开关S1和第二开关S2；

电阻R1和电容C1串联后，接于晶闸管整流电路2输出的直流电源正负极两端；

第一开关S1一端接直流电源输出正极，另外一端接三相逆变器电路直流输入端正极；

第二开关S2一端接直流电源输出负极，另外一端接三相逆变器电路直流输入端负极。

第一开关S1和第二开关S2的控制端均与启动控制器连接。启动控制器根据电压电流检测电路反馈的电压信号，控制第一开关S1和第二开关开关S2的导通和断开。

另一方面，如图3所示，本实施例提供无刷直流电机控制方法，采用上述无刷直流电机控制装置。具体地，方法包括下述步骤：

S1、启动无刷直流电机控制装置，启动控制器向晶闸管整流控制器发出控制信号，在晶闸管整流控制器的控制下，晶闸管整流电路将三相交流电源输出的三相交流电转换成无刷直流电机直流电，无刷直流电机转动。

控制装置启动时，需要启动控制器的协助启动，当电机控制装置接收到启动信号之后，启动控制器自动根据电机参数计算出电机启动电压所对应的晶闸管触发角，将计算得到的初始触发角值传给晶闸管整流控制器，无刷直流电机启动。

在一种优选的可行方案中，无刷直流电机控制装置包括电压预稳定滤波续流模块。由于电压预稳定滤波续流模块的存在，控制装置启动时，需要电压预稳定滤波续流模块对电压进行滤波稳定，使得电机运转在正常工作状态。因此，在这种方案中，步骤S1还包括：

S1’、启动控制器获取电压电流检测电路反馈的电压信号，并判断电压电流检测电路反馈的电压信号是否大于等于电压预稳定值，若是，则启动控制器控制电压预稳定滤波续流模块使晶闸管整流电路输出的直流电源接入无刷直流电机，若否，则继续对晶闸管整流电路输出的直流电源进行稳压处理并返回步骤S1。

控制装置启动之前的电压预稳定过程是启动控制器进行控制的，当启动控制器检测到直流母线电压值大于等于预稳定电压值时，启动控制器会结束电压预稳定过程，即发出导通信号，通过电压预稳定滤波续流模块使三相逆变桥接入系统中开始工作。判断电压电流检测电路检测电压值是否大于等于电压预稳定值，如果是，则电压预稳定滤波续流模块动作，使大功率纯方波无刷直流电机接入回路。如果否，则返回到步骤S1中。

当电机控制装置接收到启动信号之后，启动控制器自动根据电机参数计算出电机启动电压所对应的晶闸管触发角，将计算得到的初始触发角值传给闸管双窄脉冲发生器，由晶闸管双窄脉冲发生器产生预稳定电压所需要的双窄脉冲信号，并将此信号传送给晶闸管整流电路，此时由电压电流检测电路反馈回来的电压值，传送给启动控制器，当启动控制器检测到晶闸管整流电路的输出电压大于等于三相逆变桥所需要的预稳定电压值时，启动控制器对电压预稳定滤波续流模块发出动作信号，使电压预稳定模块动作，以完成大功率纯方波无刷直流电机启动前的电压预稳定过程。

由于电压预稳定滤波续流模块的存在，在无刷直流电机作为负载接入系统的一瞬间，速度PI控制器中的限幅部分是无法工作的，这就需要在无刷直流电机作为负载接入系统之前，三相逆变桥输入端的电压值保持在无刷直流电机空载电压值以下，即保证无刷直流电机在接入控制装置的一瞬间，其三相定子绕组中的三相相电流不超过无刷直流电机的峰值相电流，使得电机运转在正常工作状态。

S2、无刷直流电机位置检测器实时获取无刷直流电机的实时角度和实时转速，并将实时角度反馈到晶闸管整流控制器，将实时转速反馈到脉冲控制器；电压电流检测电路采集晶闸管整流电路输出的直流电源的电压和电流信息。

S3、晶闸管整流控制器根据设定的无刷直流电机目标转速以及无刷直流电机位置检测器反馈的无刷直流电机的实时角度和电压电流检测电路反馈的电压和电流信息，对晶闸管整流电路发出控制信号；晶闸管整流电路根据晶闸管整流控制器的控制信号调整输出的直流电源，实现无刷直流电机的调压和调速控制。

当系统接入三相交流电源时，PLL锁相环即开始工作，通过其内部的PI调节模块，使得输出信号可以对输入信号的频率和相位自动跟踪，输出信号被送至晶闸管双窄脉冲发生器作为其基准信号，同时晶闸管双窄脉冲发生器也接收到触发角α或预触发角α′的值，晶闸管双窄脉冲发生器的输出为在每个触发单元的一个周期内生成两个相差60度电角度的触发脉冲，该触发脉冲被送至晶闸管整流电路，以完成移相调压的目的。

S31、速度PI控制器，采用PI控制算法，根据输入的无刷直流电机的给定转速与无刷直流电机位置检测器反馈的无刷直流电机的实时转速，输出电流PI控制器的电流给定值。

根据反馈转速，采用PI控制算法对目标电流进行计算，获得给定电流值。

S32、电流PI控制器，采用PI控制算法，根据输入的电流给定值和电压电流检测电路反馈的晶闸管整流电路后的电流，输出晶闸管双窄脉冲发生器的触发角给定值。

根据反馈电流，采用PI控制算法对目标触发角进行计算，获得工作触发角值。

S33、三相电压检测电路实时获取所述三相交流电的电压信号，并将实时获取三相交流电的电压信号反馈至PLL锁相环中，PLL锁相环模块，根据实时获取的三相交流电的电压信号，输出晶闸管双窄脉冲发生器的基准信号。

三相电压检测采集三相电源的电压，并将其送至PLL锁相环，PLL锁相环即开始工作，输出信号被送至晶闸管双窄脉冲发生器作为其基准信号。

S34、启动控制器，根据电机参数，输出电机启动电压时对应的晶闸管双窄脉冲发生器的晶闸管触发角。

晶闸管双窄脉冲发生器产生触发信号，晶闸管整流电路产生要求电压。

S35、晶闸管双窄脉冲发生器，根据电流PI控制器输出的触发角给定值、启动控制器输出晶闸管触发角、PLL锁相环模块输出的基准信号，输出晶闸管整流电路的触发脉冲控制信号。

S36、晶闸管整流电路根据晶闸管整流控制器的控制信号调整输出的直流电源。

在本发明中给定转速n0与转速计算单元输出的反馈转速nf做差，其值被送至速度PI控制器中，通过其模块内部的积分和比例环节，将速度偏差的积分项和比例项求和得出输出的电流给定值i0，给定电流i0与电压电流检测电路输出的反馈电流if做差，其值被送至电流PI控制器中，通过其模块内部的积分和比例环节，将电流偏差的积分项和比例项求和得出输出的触发角给定值α，触发角给定值α被送至晶闸管双窄脉冲发生器中，至此构成了大功率纯方波无刷直流电机调压调速的转速电流双闭环控制。

S4、所述换相脉冲控制器，根据无刷直流电机位置检测器反馈的无刷直流电机的实时转速，对三相逆变桥电路发出控制信号，实现无刷直流电机的换相控制。

相逆变桥产生驱动电压至电机，使电机转动。

S5、返回步骤S3直至无刷直流电机的转速达到目标转速。

当大功率纯方波无刷直流电机开始运转时，位置传感器随机产生位置信号，分别被送至角度计算单元和转速计算单元中其中，角度计算单元得出的角度值，被送至换相脉冲发生器，换相脉冲器根据先前设定好的换相逻辑，输出对应角度的三相逆变桥触发信号，三相逆变桥输出的三相电传给大功率纯方波无刷直流电机，使得大功率纯方波无刷直流电机只工作在换相状态，避免了三相逆变桥的PWM调制，完成了大功率纯方波无刷直流电机模拟直流电机的工作状态。

本发明采用三相晶闸管的相控调压调制代替了传统的PWM调制方式，使得三相全桥控制电路只工作在纯方波无刷直流电机的换相状态，不仅解决了无法驱动多极大功率纯方波无刷直流电机高速旋转的问题，同时也让其内部电路的开关频率大幅降低,大大减少了电路的开关损耗，降低了设备的工作温度，系统稳定性得到显著改善。

需要明确的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种低损耗的大功率纯方波无刷直流电机控制装置，其特征在于，所述电机控制装置采用三相晶闸管的相控调压调制代替了传统的PWM调制方式，使得传统的控制无刷直流电机的三相逆变桥电路只工作在无刷直流电机的换相状态；

所述电机控制装置包括三相交流电源、晶闸管整流电路、无刷直流电机位置检测器、三相逆变桥电路、电压电流检测电路、启动控制器、换相脉冲控制器、晶闸管整流控制器以及电压预稳定滤波续流模块；

所述三相交流电源通过所述晶闸管整流电路、三相逆变桥电路与无刷直流电机连接；

所述晶闸管整流电路根据晶闸管整流控制器的控制信号，对三相交流电源输出的三相交流电进行移相调压后，将三相交流电转换为直流电源；晶闸管整流电路输出的直流电源，作为无刷直流电机的直流电输入，以及三相逆变桥电路的直流输入；

所述无刷直流电机位置检测器，用于实时获取所述无刷直流电机的实时角度和实时转速，并将实时角度反馈到晶闸管整流控制器，将实时转速反馈到脉冲控制器；

所述换相脉冲控制器，根据无刷直流电机位置检测器反馈的无刷直流电机的实时转速，对三相逆变桥电路发出控制信号，所述三相逆变桥电路，根据换相脉冲控制器的控制信号，将输入的直流电，转换成驱动所述无刷直流电机换相运行的三相电，输入到所述无刷直流电机中，实现无刷直流电机的换相控制；

所述电压电流检测电路接于晶闸管整流电路和三相逆变桥电路之间，用于采集晶闸管整流电路输出的直流电源的电压和电流信息，并反馈到晶闸管整流控制器；

所述电压预稳定滤波续流模块，接于所述电压电流检测电路和所述三相逆变桥电路之间，用于提供无刷直流电机启动前控制系统中的稳定直流输出电压、控制系统运行中晶闸管整流的滤波功能和无刷直流电机运行过程中的续流作用；

在所述启动控制器的控制下，晶闸管整流控制器根据设定的无刷直流电机目标转速以及无刷直流电机位置检测器反馈的无刷直流电机的实时角度和所述电压电流检测电路反馈的电压和电流信息，对晶闸管整流电路发出控制信号，使得晶闸管整流电路，调整输出的直流电源，实现无刷直流电机的调压和调速控制。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述电压电流检测电路将采集到的晶闸管整流电路输出的直流电源反馈到启动控制器；

在所述启动控制器接收到启动信号后，所述启动控制器根据电压电流检测电路反馈的电压信号，对电压预稳定滤波续流模块产生控制信号；所述电压预稳定滤波续流模块根据启动控制器的控制信号对晶闸管整流电路输出的直流电源进行稳压处理。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述晶闸管整流控制器包括速度PI控制器、电流PI控制器、PLL锁相环模块、晶闸管双窄脉冲发生器、三相电压检测电路；

所述速度PI控制器、电流PI控制器、晶闸管双窄脉冲发生器、晶闸管整流电路依次连接；

所述无刷直流电机位置检测器，将无刷直流电机的实时角度反馈到速度PI控制器；所述电压电流检测电路将采集到的晶闸管整流电路输出的直流电源的电压和电流，反馈到电流PI控制器；

所述速度PI控制器，采用PI控制算法，根据输入的无刷直流电机的给定转速与无刷直流电机位置检测器反馈的无刷直流电机的实时转速，输出电流PI控制器的电流给定值；

所述电流PI控制器，采用PI控制算法，根据输入的电流给定值和电压电流检测电路反馈的晶闸管整流电路后的电流，输出晶闸管双窄脉冲发生器的触发角给定值；

所述启动控制器，在接受到启动信号后，自动根据电机参数，输出电机启动电压时对应的晶闸管双窄脉冲发生器的晶闸管触发角；

所述三相电压检测电路，接于三相交流电和晶闸管整流电路之间，用于实时获取所述三相交流电的电压信号，并将实时获取三相交流电的电压信号反馈至PLL锁相环中；所述PLL锁相环模块，用于输入的实时获取的三相交流电的电压信号，输出晶闸管双窄脉冲发生器的基准信号；

所述晶闸管双窄脉冲发生器，根据电流PI控制器输出的触发角给定值、启动控制器输出晶闸管触发角、PLL锁相环模块输出的基准信号，输出晶闸管整流电路的触发脉冲控制信号。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述无刷直流电机位置检测器包括位置传感器、角度计算单元和转速计算单元；

所述位置传感器，用于获取无刷直流电机的位置信号；

所述角度计算单元，用于对无刷直流电机的位置信号进行转换，获得无刷直流电机的实时旋转角度，并将实时旋转角度发送至换相脉冲控制器；

所述转速计算单元，用于对无刷直流电机的位置信号进行转换，获得无刷直流电机的实时转速，将实时转速发送至速度PI控制器。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述电压预稳定滤波续流模块包括，电阻、电容、第一开关和第二开关；

电阻和电容串联后，接于直流电源正负极两端；

第一开关一端接直流电源输出正极，另外一端接三相逆变器电路直流输入端正极；

第二开关一端接直流电源输出负极，另外一端接三相逆变器电路直流输入端负极；

所述开关与启动控制器相连接，所述启动控制器根据电压电流检测电路反馈的电压信号，控制第一开关和第二开关开关的导通和断开。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述晶闸管整流电路包括三相晶闸管整流电路；所述三相晶闸管整流电路每一相均包括两个串联的晶闸管。

7.一种低损耗的大功率纯方波无刷直流电机控制方法，其特征在于，采用上述权利要求1-6任一所述的装置，所述方法包括：

S1、启动无刷直流电机控制装置，启动控制器向晶闸管整流控制器发出控制信号，在晶闸管整流控制器的控制下，晶闸管整流电路将三相交流电源输出的三相交流电转换成无刷直流电机直流电，无刷直流电机转动；

S2、无刷直流电机位置检测器实时获取无刷直流电机的实时角度和实时转速，并将实时角度反馈到晶闸管整流控制器，将实时转速反馈到脉冲控制器；电压电流检测电路采集晶闸管整流电路输出的直流电源的电压和电流信息；

S3、晶闸管整流控制器根据设定的无刷直流电机目标转速以及无刷直流电机位置检测器反馈的无刷直流电机的实时角度和电压电流检测电路反馈的电压和电流信息，对晶闸管整流电路发出控制信号；晶闸管整流电路根据晶闸管整流控制器的控制信号调整输出的直流电源，实现无刷直流电机的调压和调速控制；

S4、所述换相脉冲控制器，根据无刷直流电机位置检测器反馈的无刷直流电机的实时转速，对三相逆变桥电路发出控制信号，实现无刷直流电机的换相控制；

S5、返回步骤S3直至无刷直流电机的转速达到目标转速。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S2前还包括：

S1’、启动控制器获取电压电流检测电路反馈的电压信号，并判断电压电流检测电路反馈的电压信号是否大于等于电压预稳定值，若是，则启动控制器控制电压预稳定滤波续流模块使晶闸管整流电路输出的直流电源接入无刷直流电机，若否，则继续对晶闸管整流电路输出的直流电源进行稳压处理并返回步骤S1。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

S31、速度PI控制器，采用PI控制算法，根据输入的无刷直流电机的给定转速与无刷直流电机位置检测器反馈的无刷直流电机的实时转速，输出电流PI控制器的电流给定值；

S32、电流PI控制器，采用PI控制算法，根据输入的电流给定值和电压电流检测电路反馈的晶闸管整流电路后的电流，输出晶闸管双窄脉冲发生器的触发角给定值；

S33、三相电压检测电路实时获取所述三相交流电的电压信号，并将实时获取三相交流电的电压信号反馈至PLL锁相环中，PLL锁相环模块，根据实时获取的三相交流电的电压信号，输出晶闸管双窄脉冲发生器的基准信号；

S34、启动控制器，根据电机参数，输出电机启动电压时对应的晶闸管双窄脉冲发生器的晶闸管触发角；

S35、晶闸管双窄脉冲发生器，根据电流PI控制器输出的触发角给定值、启动控制器输出晶闸管触发角、PLL锁相环模块输出的基准信号，输出晶闸管整流电路的触发脉冲控制信号；

S36、晶闸管整流电路根据晶闸管整流控制器的控制信号调整输出的直流电源。

Images