CN112367004A

CN112367004A - 一种三相永磁电机驱动电路及控制方法

Info

Publication number: CN112367004A
Application number: CN202011163519.3A
Authority: CN
Inventors: 曹先贵; 张磊; 杨瑞敏
Original assignee: Zongyang Shengkong New Energy Technology Co Ltd
Current assignee: Zongyang Shengkong New Energy Technology Co Ltd
Priority date: 2020-10-27
Filing date: 2020-10-27
Publication date: 2021-02-12

Abstract

本发明涉及电机驱动技术领域，具体涉及一种三相永磁电机驱动电路及控制方法，包括三相半桥逆变电路，三相半桥逆变电路由三个单相半桥逆变电路并联而成，三相半桥逆变电路还与一个电容器并联连接，三相半桥逆变电路与电容器均由直流电源供电；三相半桥逆变电路的外部输出端引出有三相线，且三相线中每根相线中均串联有一个高压半导体器件，三相线的末端均与三相永磁电机电性连接并驱动三相永磁电机；本发明解决了该电机在用传统三相半桥驱动时安全性与控制性能存在矛盾的问题；还可采用与直流侧匹配的较低电压等级的半导体器件，可以降低成本及体积，同时还可采用较高的开关频率，以满足控制性能要求。

Description

一种三相永磁电机驱动电路及控制方法

技术领域

本发明涉及电机驱动技术领域，具体涉及一种三相永磁电机驱动电路及控制方法。

背景技术

三相永磁电机应用成熟，是当前主流的电机类型之一。三相永磁电机驱动电路多采用三相半桥拓扑，相关调制技术包括SPWM及SVPWM等，已发展到十分成熟。为获得较高的功率密度，永磁电机设计的最高转速反电势往往高于前级直流母线电压，因而在高速段需要使用弱磁升速技术，但同时考虑到控制失效等故障情况，永磁电机的最高速反电势应低于前级电路包括三相半桥开关管、电池系统及回路其它用电设备的最高耐受电压。

这在一定程度上限制了永磁电机设计时可达到的弱磁深度，进而限制了某些特定环境下永磁电机的功率密度进一步提高。此外，半导体开关器件如IGBT等，其耐压等级越高，通常开关损耗越大，可使用的开关频率越低；但控制电机的高速运转则需要三相半桥开关频率与电机转速相匹配，才可达到较好的控制效果。

然而传统的三相半桥结构，在驱动反电势极高的电机时，若选用与直流母线匹配的较低电压等级的半导体开关，则存在安全风险，若选用与电机反电势匹配的较高电压等级的半导体开关，则存在成本高、开关损耗大造成效率极低的问题。

发明内容

本发明为解决三相半桥在永磁电机高速运行中反电势远高于前级直流电压时可能会产生反灌电流，引起电力电子装置或驱动桥半导体损坏的情况，需要在永磁电机高速运行深度弱磁控制失效时，避免反向电流，将极高的反电势限制在电机侧，而设计了一种三相永磁电机驱动电路及控制方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种三相永磁电机驱动电路及控制方法，包括三相半桥逆变电路，所述三相半桥逆变电路由三个单相半桥逆变电路并联而成，所述三相半桥逆变电路还与一个电容器并联连接，所述三相半桥逆变电路与所述电容器均由直流电源供电；所述三相半桥逆变电路的外部输出端引出有三相线，且所述三相线中每根相线中均串联有一个高压半导体器件，所述三相线的末端均与三相永磁电机电性连接并驱动三相永磁电机。

作为上述方案的进一步改进，每一个所述单相半桥逆变电路均由一个上臂单元及一个下臂单元串联连接组成。

作为上述方案的进一步改进，所述上臂单元及所述下臂单元均为绝缘栅双极型晶体管或者金属-氧化物半导体场效应晶体管。

作为上述方案的进一步改进，一种三相永磁电机驱动电路的控制方法，包括以下几种情况：

a 、正常运行时，三相永磁电机深度弱磁控制，在高速运行状态下其反电势仍低于直流侧，三相半桥逆变电路中逆变电路高速开关，满足控制性能，三相线上高压半导体器件处于常通状态，不进行开关动作；

b、高速运行发生故障，深度弱磁控制失效时，三相永磁电机反电势远高于前级直流输入电压，此时三相线上高压半导体器件关断，将极高的反电势限制在三相永磁电机侧，不对三相半桥逆变电路中三相半桥结构及前级回路造成影响；

c、在控制部分断电或停止工作，三相永磁电机被高速拖动运行时，三相线上高压半导体器件处于关断状态，也可实现抑制电机反电势对前级回路造成损坏的效果。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明适用于额定转速反电势较低，且最高转速较高且反电势远高于额定转速反电势的三相永磁电机，解决了该电机在用传统三相半桥驱动时安全性与控制性能存在矛盾的问题。

2、本发明中三相半桥逆变电路可采用与直流侧匹配的较低电压等级的半导体器件，可以降低成本及体积，同时还可采用较高的开关频率，以满足控制性能要求。

3、本发明中输出串联部分采用与电机最高反电势匹配的较高电压等级的半导体器件，在高转速弱磁控制失效时及时断开，可以将电机反电势截止在电机侧。

4、本发明中高耐压等级的半导体器件在系统正常运行时不进行开关动作，因而不存在开关损耗。

5、本发明中驱动电路在控制部分停止工作，电机被高速拖动运行时，也可实现抑制电机反电势对前级回路造成破坏的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明三相永磁电机驱动电路的连接示意图；

图2为本发明中三相半桥逆变电路的内部连接示意图。

其中，1-三相半桥逆变电路，11-单相半桥逆变电路，111-上臂单元，112-下臂单元，2-电容器，3-三相线，4-高压半导体器件，5-三相永磁电机。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图1和附图2对本发明进一步说明。

一种三相永磁电机驱动电路及控制方法，如图1所示，包括三相半桥逆变电路1，三相半桥逆变电路1由三个单相半桥逆变电路11并联而成，三相半桥逆变电路1还与一个电容器2并联连接，三相半桥逆变电路1与电容器2均由直流电源供电；三相半桥逆变电路1的外部输出端引出有三相线3，且三相线3中每根相线中均串联有一个高压半导体器件4，三相线3的末端均与三相永磁电机5电性连接并驱动三相永磁电机5。

其中，如图2所示，每一个单相半桥逆变电路11均由一个上臂单元111及一个下臂单元112串联连接组成；上臂单元111及下臂单元112均为绝缘栅双极型晶体管或者金属-氧化物半导体场效应晶体管。

一种三相永磁电机驱动电路的控制方法，包括以下几种情况：

a 、正常运行时，三相永磁电机5深度弱磁控制，在高速运行状态下其反电势仍低于直流侧，三相半桥逆变电路1中逆变电路高速开关，满足控制性能，三相线3上高压半导体器件4处于常通状态，不进行开关动作；

b、高速运行发生故障，深度弱磁控制失效时，三相永磁电机5反电势远高于前级直流输入电压，此时三相线3上高压半导体器件4关断，将极高的反电势限制在三相永磁电机5侧，不对三相半桥逆变电路1中三相半桥结构及前级回路造成影响；

c、在控制部分断电或停止工作，三相永磁电机5被高速拖动运行时，三相线3上高压半导体器件4处于关断状态，也可实现抑制电机反电势对前级回路造成损坏的效果。

本发明具体应用时，三相半桥逆变电路1采用与直流输入相匹配的较低耐压的半导体器件；三相线3上高压半导体器件4采用与三相永磁电机最高反电势相匹配的较高耐压等级的半导体器件；当三相永磁电机5反电势远高于前级直流输入电压时，三相半桥逆变电路1部分，继续使用与直流母线匹配的电压等级较低的半导体器件，从而可以应用较高的开关频率，达到控制效果；输出回路中串联的半导体器件，则采用与电机反电势相匹配的电压等级较高的半导体器件，在电机高速运转正常时，该部分半导体器件处于常通状态，只损失部分导通损耗；当检测到弱磁控制失效，反电势增高时，则及时关断，避免电机极高的反电势反灌到直流侧，引起三相半桥器件或前级电池系统、其它用电设备等承受损坏风险。

与现有技术相比，本发明适用于额定转速反电势较低，且最高转速较高且反电势远高于额定转速反电势的三相永磁电机，解决了该电机在用传统三相半桥驱动时安全性与控制性能存在矛盾的问题；三相半桥逆变电路可采用与直流侧匹配的较低电压等级的半导体器件，可以降低成本及体积，同时还可采用较高的开关频率，以满足控制性能要求；输出串联部分采用与电机最高反电势匹配的较高电压等级的半导体器件，在高转速弱磁控制失效时及时断开，可以将电机反电势截止在电机侧；高耐压等级的半导体器件在系统正常运行时不进行开关动作，因而不存在开关损耗；驱动电路在控制部分停止工作，电机被高速拖动运行时，也可实现抑制电机反电势对前级回路造成破坏的效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种三相永磁电机驱动电路，包括三相半桥逆变电路（1），其特征在于：所述三相半桥逆变电路（1）由三个单相半桥逆变电路（11）并联而成，所述三相半桥逆变电路（1）还与一个电容器（2）并联连接，所述三相半桥逆变电路（1）与所述电容器（2）均由直流电源供电；所述三相半桥逆变电路（1）的外部输出端引出有三相线（3），且所述三相线（3）中每根相线中均串联有一个高压半导体器件（4），所述三相线（3）的末端均与三相永磁电机（5）电性连接并驱动三相永磁电机（5）。

2.根据权利要求1所述的一种三相永磁电机驱动电路，其特征在于：每一个所述单相半桥逆变电路（11）均由一个上臂单元（111）及一个下臂单元（112）串联连接组成。

3.根据权利要求2所述的一种三相永磁电机驱动电路，其特征在于：所述上臂单元（111）及所述下臂单元（112）均为绝缘栅双极型晶体管或者金属-氧化物半导体场效应晶体管。

4.根据权利要求1所述的一种三相永磁电机驱动电路的控制方法，其特征在于，包括以下几种情况：

a 、正常运行时，三相永磁电机（5）深度弱磁控制，在高速运行状态下其反电势仍低于直流侧，三相半桥逆变电路（1）中逆变电路高速开关，满足控制性能，三相线（3）上高压半导体器件（4）处于常通状态，不进行开关动作；

b、高速运行发生故障，深度弱磁控制失效时，三相永磁电机（5）反电势远高于前级直流输入电压，此时三相线（3）上高压半导体器件（4）关断，将极高的反电势限制在三相永磁电机（5）侧，不对三相半桥逆变电路（1）中三相半桥结构及前级回路造成影响；

c、在控制部分断电或停止工作，三相永磁电机（5）被高速拖动运行时，三相线（3）上高压半导体器件（4）处于关断状态，也可实现抑制电机反电势对前级回路造成损坏的效果。