CN110492800B - 永磁同步电机二极管续流消除剩磁装置及使用方法 - Google Patents

永磁同步电机二极管续流消除剩磁装置及使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机二极管续流消除剩磁装置，包括：驱动模块、永磁同步电机的三相定子绕组，所述驱动模块与所述三相定子绕组连接，用于起动、维持永磁同步电机正常运转，其特征在于，还包括消磁模块、控制模块；用于产生控制信号；所述消磁模块分别与所述控制模块以及所述驱动模块连接，所述消磁模块基于所述控制模块产生的控制信号，通过所述驱动模块对所述三相定子绕组中的剩磁进行消除。本发明中的消磁模块基于控制模块的控制信号来对永磁同步电机中的剩磁进行消磁，避免了剩磁对永磁同步电机停机再起动的影响。

Description

永磁同步电机二极管续流消除剩磁装置及使用方法
技术领域
本发明涉及永磁同步电机的技术领域，具体涉及一种永磁同步电机二极管续流消除剩磁装置及使用方法。
背景技术
永磁同步电动机具有结构简单，体积小、重量轻、损耗小、效率高、功率因数高等优点，主要用于要求响应快速、调速范围宽、定位准确的高性能伺服传动系统和直流电机的更新替代电机。
永磁同步电机在带载起动的情况，如果前一次停机仍然存在剩磁在电机绕组内，会对永磁同步电机的起动和转速追踪造成影响。现有的做法是将永磁同步电机通过停机等待一段时间自然消除剩磁，难以得知剩磁的消除情况，无法确定永磁同步电机在后一次起动时剩磁是否已经消除至安全范围。而通过二极管续流的原理，可以将永磁同步电机中剩磁能量快速收集到储能器件中，实现有效地消除剩磁。
发明内容
本发明提供了一种永磁同步电机二极管续流消除剩磁装置及使用方法，以解决现有技术中永磁同步电机剩磁消除速度慢、难以得知剩磁的消除的问题。
本发明提供了一种永磁同步电机二极管续流消除剩磁装置，包括：驱动模块、永磁同步电机的三相定子绕组，所述驱动模块与所述三相定子绕组连接，用于起动、维持永磁同步电机正常运转，其特征在于，还包括消磁模块、控制模块；用于产生控制信号；所述消磁模块分别与所述控制模块以及所述驱动模块连接，所述消磁模块基于所述控制模块产生的控制信号，通过所述驱动模块对所述三相定子绕组中的剩磁进行消除。
可选地，所述消磁模块包括：储能单元、功能开关单元；所述储能单元与所述功能开关单元连接，用于存储所述三相定子绕组中的剩磁；所述功能开关单元分别与所述控制模块以及驱动模块连接，基于所述控制模块发出的控制信号让所述消磁模块进入消磁功能。
可选地，所述功能开关单元包括：MOS管Q7、二极管VD1、二极管VD2、二极管VD3；所述储能单元分别与所述MOS管Q7的漏极、二极管VD1的阴极、二极管VD3的阴极连接；所述MOS管Q7的原极与所述驱动模块连接；所述二极管VD1的阳极与所述三相定子绕组中的A相连接；所述二极管VD2的阴极与所述三相定子绕组中的B相连接，阳极与所述驱动模块中的电源负极连接；所述二极管VD3的阴极与所述三相定子绕组中的C相连接；所述MOS管Q7的栅极与所述控制模块连接。
可选地，所述驱动模块包括：直流电源VDC、电容C1、MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4、MOS管Q5、MOS管Q6、二极管VD4；所述储能单元包括：电容C2；所述功能开关单元包括：MOS管Q7、二极管VD1、二极管VD2、二极管VD3，所述控制模块包括：单片机；
所述直流电源VDC的正极分别和所述电容C1的正极、所述电容C2的负极以及所述二极管VD4的阳极连接，所述直流电源VDC的负极分别和所述电容C1的负极、所述MOS管Q2的源极、所述MOS管Q4的源极、所述MOS管Q6的源极以及所述二极管VD2的阳极连接；所述电容C2的正极分别和所述MOS管Q7的漏极、所述二极管VD1的阴极以及所述二极管VD3的阴极连接；所述二极管VD1的阳极分别和所述MOS管Q1的源极、所述MOS管Q4的栅极以及所述三相定子绕组中的A相连接；所述二极管VD2的阴极分别和所述MOS管Q3的源极、所述MOS管Q6的漏极以及所述三相定子绕组中的B相连接；所述二极管VD3的阳极分别和所述MOS管Q2的漏极、所述MOS管Q5的源极以及所述三相定子绕组中的C连接；所述二极管VD4的阴极分别和所述MOS管Q1的漏极、所述MOS管Q3的漏极、所述MOS管Q5的漏极以及所述MOS管Q7的源极连接；所述单片机分别与所述MOS管Q1至所述MOS管Q7的栅极连接。
可选地，所述电容C1为滤波电容，所述电容C2为具有升压功能的电解电容。
可选地，还包括分压电路和/或放大单元；所述分压电路的输入端与所述电容C2的正极连接，输出端与所述单片机连接；所述放大单元包括：电阻R1以及放大电路，所述二极管VD2的阳极分别和所述电阻R1的一端以及所述放大电路的输入端连接，所述电阻R1的另一端和所述直流电源VDC的负极连接，所述放大电路的输出端和所述单片机连接；所述电阻R1的阻值取值范围为20mΩ～50mΩ。
本发明还提供了一种永磁同步电机二极管续流消除剩磁装置的使用方法，其特征在于，当永磁同步电机起动时，单片机控制MOS管Q7导通0.5s～1s后关断；当永磁同步电机停机时，单片机控制MOS管Q1以及MOS管Q7关断，直至消磁完成。
可选地，在直流电源VDC的电压小于等于48V时，当永磁同步电机停机时，还包括通过分压电路按2ms～5ms时间间隔获取电容C2正极对地的采样电压，计算电容C2正极对地的采样电压的变化率，当采样电压的变化率小于0.1％时，消磁完成，单片机继续控制MOS管Q7继续关断，释放MOS管Q1的控制。
可选地，在直流电源VDC的电压大于48V时，当永磁同步电机停机时，还包括通过放大电路按2ms～5ms时间间隔获取三相定子绕组中B相采样电流，当采样电流小于永磁同步电机额定电流的0.5％时，消磁完成，单片机继续控制MOS管Q7继续关断，释放MOS管Q1的控制。
本发明的有益效果：
1、本发明技术方案中的永磁同步电机快速消除剩磁的装置，结构简单，成本低，安全可靠，易于安装，能够缩短永磁同步电机消除剩磁的时间。通过二极管的回流和电解电容的储能作用消除剩磁，较好的消除了剩磁对永磁同步电机下一次起动的影响。
2、通过设置采样电阻R1，采集采样电阻上的电压信息，间接得到消除剩磁时的电流信息，分析电流值的大小得到剩磁状态，有效地反馈消除剩磁的完成情况。也可以通过采集电容C2正极的电压信息，分析电容C2正极处的电压变化状况，有效地反馈消除剩磁的完成情况。
3、在永磁同步电机再起动时，所有MOS管均导通，由单片机驱动控制MOS管驱动电机起动，此时电容C2的电能回流到三相定子绕组，为其提供一部分电能，充分利用了剩磁能量，从而提高了永磁同步电机的运行效率。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1示出了本发明中一种永磁同步电机二极管续流消除剩磁装置的电路图；
图2示出了本发明中设置分压电路的电路图；
图3示出了本发明中设置放大电路的电路图；
图4示出了本发明中永磁同步电机停机续流时电流流向示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种永磁同步电机二极管续流消除剩磁装置，其中，驱动模块包括：直流电源VDC、电容C1、MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4、MOS管Q5、MOS管Q6、二极管VD4；储能单元包括：电容C2；功能开关单元包括：MOS管Q7、二极管VD1、二极管VD2、二极管VD3，控制模块包括：单片机；
直流电源VDC的正极分别和电容C1的正极、电容C2的负极以及二极管VD4的阳极连接，直流电源VDC的负极分别和电容C1的负极、MOS管Q2的源极、MOS管Q4的源极、MOS管Q6的源极以及二极管VD2的阳极连接；电容C2的正极分别和MOS管Q7的漏极、二极管VD1的阴极以及二极管VD3的阴极连接；二极管VD1的阳极分别和MOS管Q1的源极、MOS管Q4的栅极以及三相定子绕组中的A相连接；二极管VD2的阴极分别和MOS管Q3的源极、MOS管Q6的漏极以及三相定子绕组中的B相连接；二极管VD3的阳极分别和MOS管Q2的漏极、MOS管Q5的源极以及三相定子绕组中的C连接；二极管VD4的阴极分别和MOS管Q1的漏极、MOS管Q3的漏极、MOS管Q5的漏极以及MOS管Q7的源极连接；单片机分别与MOS管Q1至MOS管Q7的栅极连接。
在永磁同步电机正常运转时，MOS管Q7处于不导通状态，其他MOS管以正常方式工作。当永磁同步电机停机时，MOS管Q7依旧处于不导通状态，利用二极管正向导通反向截止的特性，通过二极管VD1、二极管VD2、二极管VD3续流去消除剩磁，消除剩磁能量的电流最终流向电容C2，而不是流向直流电源VDC的负极。电容C2中所存的剩磁能量，会在下一次永磁同步电机起动时，通过MOS管Q7的导通进行释放，可以起到辅助永磁同步电机起动的作用。
电容C1最优选为滤波电容、电容C2最优选为具有升压功能的电解电容。电容C2选择电解电容，利用电解电容存储电能时伴随升压的特性，电容C2和直流电源VDC串联在励磁起动时以高于同步电机额定电压的励磁电压进行励磁；电解电容还具有泄放能量快的特性，泄放能量时比普通直流电源的功率大，所以采用电解电容能够提高励磁速度。同时，随着电容C2能量的泄放，电容C2电压不断下降，方便平滑切换到永磁同步电机正常的运动。
如图2所示，在电容C2的正极上连接分压电路，并将分压电路的输出连接到单片机，用于判断永磁同步电机消除剩磁情况。判断的具体方法如下：
在一段时间内对电压进行间隔式采样，当两个相邻采样电压变化率小于0.1％时，即：
Figure BDA0002143128490000051
其中，Un为第n次电压采样值，Un-1为第n-1次电压采样值，则判断消除剩磁完成。分压电路主要作用是将所采集的电压下降到单片机可采集的范围。
如图3所示，电阻R1作为采样电阻，将电阻R1的一端连接到二极管VD2的阳极，电阻R1的另一端连接到直流电源VDC的负极，二极管VD2的阳极不再和直流电源VDC的负极相连；电阻R1的一端连接到放大电路，并将放大电路的输出连接单片机。电阻R1用于将电流信号转换成电压信号，以便于单片机测量。当通过转换电压所计算得到的实际电流小于永磁同步电机额定电流的0.5％时，则判断消除剩磁完成。电阻R1的取值范围为20mΩ～50mΩ。为了避免造成电阻的阻值对定子绕组内阻的影响和永磁同步电机控制性能的影响，所以采样电阻取值较小。
图4所示，为永磁同步电机停机续流时电流流向示意图。永磁同步电机停机时，续流电流i1从直流电源VDC的负极流出，先后流经二极管VD2和B相绕组；然后，续流电流i1分流成续流电流i2和续流电流i3；续流电流i2，先后流经A相绕组和二极管VD1；续流电流i3，先后流经C相绕组和二极管VD3；最后，续流电流i2和续流电流i3汇流成续流电流i4，续流电流i4流向电容C2的正极。
本发明具体使用方法如下：
当永磁同步电机起动时，单片机控制MOS管Q7导通0.5s～1s后关断，运用电容C2中储存的能量辅助永磁同步电机起动；
在直流电源VDC的电压小于等于48V时，当永磁同步电机停机时，单片机控制MOS管Q1以及MOS管Q7关断，同时通过分压电路按2ms～5ms时间间隔获取电容C2正极对地的采样电压，计算电容C2正极对地的采样电压的变化率，当采样电压的变化率小于0.1％时，表示消磁过程已经完成，单片机继续控制MOS管Q7继续关断，不再控制MOS管Q1的状态；
在直流电源VDC的电压大于48V时，当永磁同步电机停机时，单片机控制MOS管Q1以及MOS管Q7关断，同时通过放大电路按2ms～5ms时间间隔获取三相定子绕组中B相采样电流，当采样电流小于永磁同步电机额定电流的0.5％时，表示消磁过程已经完成，单片机继续控制MOS管Q7继续关断，不再控制MOS管Q1的状态。
当直流电源VDC的电压大于48V时，如果采用采样电压的方法，则会因采样电压相对直流电源VDC的电压来说幅值变化不明显，最终导致判断精度不够；当直流电源VDC的电压小于等于48V时，如果采用采样电流的方法，则会因采样电流较小导致判断精度不够。当采样电流小于永磁同步电机额定电流的0.5％或采样电压的变化率小于0.1％时，保证剩磁已经消耗到不足影响下一次起动。虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (6)

1.一种永磁同步电机二极管续流消除剩磁装置，包括：驱动模块、永磁同步电机的三相定子绕组，所述驱动模块与所述三相定子绕组连接，用于起动、维持永磁同步电机正常运转，其特征在于，还包括消磁模块、控制模块；所述控制模块用于产生控制信号；所述消磁模块分别与所述控制模块以及所述驱动模块连接，所述消磁模块基于所述控制模块产生的控制信号，通过所述驱动模块对所述三相定子绕组中的剩磁进行消除；所述消磁模块包括：储能单元、功能开关单元；所述储能单元与所述功能开关单元连接，用于存储所述三相定子绕组中的剩磁；所述功能开关单元分别与所述控制模块以及驱动模块连接，基于所述控制模块发出的控制信号让所述消磁模块进入消磁功能；
所述功能开关单元包括：MOS管Q7、二极管VD1、二极管VD2、二极管VD3；所述储能单元分别与所述MOS管Q7的漏极、二极管VD1的阴极、二极管VD3的阴极连接；所述MOS管Q7的源极与所述驱动模块连接；所述二极管VD1的阳极与所述三相定子绕组中的A相连接；所述二极管VD2的阴极与所述三相定子绕组中的B相连接，阳极与所述驱动模块中的电源负极连接；所述二极管VD3的阳极与所述三相定子绕组中的C相连接；所述MOS管Q7的栅极与所述控制模块连接；
所述驱动模块包括：直流电源VDC、电容C1、MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4、MOS管Q5、MOS管Q6、二极管VD4；所述储能单元包括：电容C2；所述控制模块包括：单片机；
所述直流电源VDC的正极分别和所述电容C1的正极、所述电容C2的负极以及所述二极管VD4的阳极连接，所述直流电源VDC的负极分别和所述电容C1的负极、所述MOS管Q2的源极、所述MOS管Q4的源极、所述MOS管Q6的源极以及所述二极管VD2的阳极连接；所述电容C2的正极分别和所述MOS管Q7的漏极、所述二极管VD1的阴极以及所述二极管VD3的阴极连接；所述二极管VD1的阳极分别和所述MOS管Q1的源极、所述MOS管Q4的栅极以及所述三相定子绕组中的A相连接；所述二极管VD2的阴极分别和所述MOS管Q3的源极、所述MOS管Q6的漏极以及所述三相定子绕组中的B相连接；所述二极管VD3的阳极分别和所述MOS管Q2的漏极、所述MOS管Q5的源极以及所述三相定子绕组中的C连接；所述二极管VD4的阴极分别和所述MOS管Q1的漏极、所述MOS管Q3的漏极、所述MOS管Q5的漏极以及所述MOS管Q7的源极连接；所述单片机分别与所述MOS管Q1至所述MOS管Q7的栅极连接。
2.如权利要求1中所述的永磁同步电机二极管续流消除剩磁装置，其特征在于，所述电容C1为滤波电容，所述电容C2为具有升压功能的电解电容。
3.如权利要求1或2所述的永磁同步电机二极管续流消除剩磁装置，其特征在于，还包括分压电路和/或放大单元；所述分压电路的输入端与所述电容C2的正极连接，输出端与所述单片机连接；所述放大单元包括：电阻R1以及放大电路，所述二极管VD2的阳极分别和所述电阻R1的一端以及所述放大电路的输入端连接，所述电阻R1的另一端和所述直流电源VDC的负极连接，所述放大电路的输出端和所述单片机连接；所述电阻R1的阻值取值范围为20mΩ～50mΩ。
4.一种基于权利要求1-3中任一所述的永磁同步电机二极管续流消除剩磁装置的使用方法，其特征在于，当永磁同步电机起动时，单片机控制MOS管Q7导通0.5s～1s后关断；当永磁同步电机停机时，单片机控制MOS管Q1以及MOS管Q7关断，直至消磁完成。
5.如权利要求4所述的永磁同步电机二极管续流消除剩磁装置的使用方法，其特征在于，在直流电源VDC的电压小于等于48V时，当永磁同步电机停机时，还包括通过分压电路按2ms～5ms时间间隔获取电容C2正极对地的采样电压，计算电容C2正极对地的采样电压的变化率，当采样电压的变化率小于0.1％时，消磁完成，单片机继续控制MOS管Q7继续关断，释放MOS管Q1的控制。
6.如权利要求4所述的永磁同步电机二极管续流消除剩磁装置的使用方法，其特征在于，在直流电源VDC的电压大于48V时，当永磁同步电机停机时，还包括通过放大电路按2ms～5ms时间间隔获取三相定子绕组中B相采样电流，当采样电流小于永磁同步电机额定电流的0.5％时，消磁完成，单片机继续控制MOS管Q7继续关断，释放MOS管Q1的控制。
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