CN113489417A - 一种集成pfc和同步整流的高速非晶电机控制系统 - Google Patents

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Abstract

本申请属于电机控制技术领域，特别是涉及一种集成PFC和同步整流的高速非晶电机控制系统。传统的电主轴控制器效率比较低。本申请提供了一种集成PFC和同步整流的高速非晶电机控制系统，包括依次连接的电压处理单元、数字信号处理器最小单元、信号处理单元和功率转换单元；所述电压处理单元包括依次连接的全波整流模块、功率因数校正模块、软开关全桥移相模块、同步整流模块和多路低压电压供电模块；所述信号处理单元包括模拟信号调理模块和若干光电隔离电路模块；功率转换单元包括功率转换模块，功率转换模块与光电隔离模块连接，功率转换模块与非晶电机连接。可显著降低定子铁心损耗。

Description

一种集成PFC和同步整流的高速非晶电机控制系统
技术领域
本申请属于电机控制技术领域，特别是涉及一种集成PFC和同步整流的高速非晶电机控制系统。
背景技术
石油短缺、环境污染、气候变暖是全球产业面临的共同挑战。我们现在面临当今世界一次能源不断枯竭的巨大压力，世界各国各种高效、节能系列产品相继大量的涌现，高效、节能产品成为当今世界的焦点，电机消耗了全世界绝大多数电能。根据最新统计数据显示，中国电机容量是20亿千瓦，用电量3.6万亿千瓦时左右，约占全社会用电量的60％。电机系统的能效水平近年来平均提升了近20％，累计节电约8000亿千瓦时，相当于节能2.7亿吨标准煤，为全国节能顺利完成目标发挥了重要的作用。尽管如此，中国电机能效的整体水平比国际先进的电机水平仍低10％左右，还有很大的提升空间。随着节能技术的发展，尤其是铸铜转子感应电机、新型软磁定子材料、第三代宽禁带半导体元器件的出现逐渐推广应用，电机系统运行效率不断提高。与此同时，其运行性能的变化有待进一步分析和研究，这将对世界节能和工业制造具有重要意义。非晶材料有望电机产业带来一次革命性的发展。非晶合金以其优异的电磁性能能够显著降低电机的铁耗、提高电机效率，尤其适合于铁耗占主要部分的高速电机。
如果我国电机效率整体提高3％，我国每年可节电1000亿kWh以上，超过2017年三峡大坝发电总量988亿kWh，同时可减排CO2约1亿吨。未来5年将新增30多亿kW装机容量，将为高效节能电机带来巨大的市场空间。
传统的电主轴控制器基本上是靠全波整流对输入交流电进行整流和普通功率MOSFET或者IGBT为功率转换器件的方案，效率比较低。
发明内容
1.要解决的技术问题
基于传统的电主轴控制器基本上是靠全波整流对输入交流电进行整流和普通功MOSFET或者IGBT为功率转换器件的方案，效率比较低的问题，本申请提供了一种集成PFC和同步整流的高速非晶电机控制系统。
2.技术方案
为了达到上述的目的，本申请提供了一种集成PFC和同步整流的高速非晶电机控制系统，包括依次连接的电压处理单元、数字信号处理器最小单元、信号处理单元和功率转换单元；所述电压处理单元包括依次连接的全波整流模块、功率因数校正模块、软开关全桥移相模块、同步整流模块和多路低压电压供电模块，所述全波整流模块、所述功率因数校正模块、软开关全桥移相模块、所述同步整流模块、所述多路低压电压供电模块均与所述数字信号处理器最小单元连接；所述信号处理单元包括模拟信号调理模块和若干光电隔离电路模块，所述模拟信号调理模块与所述数字信号处理器最小单元连接，所述光电隔离电路模块与所述数字信号处理器最小单元连接；所述功率转换单元包括功率转换模块，所述功率转换模块与所述光电隔离模块连接，所述功率转换模块与非晶电机连接。
本申请提供的另一种实施方式为：所述软开关全桥移相模块包括软开关全桥移相拓扑结构电路。
本申请提供的另一种实施方式为：所述软开关全桥移相模块通过移相控制全桥软开关电源。
本申请提供的另一种实施方式为：所述移相控制全桥软开关电源通过改变两臂对角线上下管驱动电压移相角的大小来调节输出电压。
本申请提供的另一种实施方式为：所述同步整流模块采用通态电阻极低的专用功率金属-氧化物半导体场效应晶体管。
本申请提供的另一种实施方式为：所述功率转换模块的功率管采用碳化硅材料。
本申请提供的另一种实施方式为：所述功率转换模块包括功率管驱动电路和功率管，所述功率管与所述光电隔离模块连接。
本申请提供的另一种实施方式为：所述功率转换模块通过桥臂与所述非晶电机连接。
本申请提供的另一种实施方式为：所述数字信号处理器最小单元包括ADC模块、PWM模块、普通IO模块和脉冲捕获模块，所述ADC模块与所述模拟信号调理模块连接，所述PWM模块与所述光电隔离模块连接，所述脉冲捕获模块与速度编码器连接，所述速度编码器与所述非晶电机连接。
本申请提供的另一种实施方式为：还包括温度传感器，所述数字信号处理器最小单元、所述温度传感器与所述非晶电机依次连接。
3.有益效果
与现有技术相比，本申请提供的一种集成PFC和同步整流的高速非晶电机控制系统的有益效果在于：
本申请提供的集成PFC和同步整流的高速非晶电机控制系统，为集成PFC和SR模块的高速非晶电主轴电机控制系统。
本申请提供的集成PFC和同步整流的高速非晶电机控制系统，为非晶材料为定子的集成PFC和同步整流的高速非晶电机控制系统。
本申请提供的集成PFC和同步整流的高速非晶电机控制系统，将非晶定子铁心替代硅钢定子铁心应用于高速电机中,可显著降低定子铁心损耗。
本申请提供的集成PFC和同步整流的高速非晶电机控制系统，提出基于输输入全波整流、PFC和第三代宽禁带半导体为功率转换器件的整体方案，可以将控制器的整体效率提高到2到3个百分点。
本申请提供的集成PFC和同步整流的高速非晶电机控制系统，多种电路拓扑的结合使用，大大提高了控制器的效率，结合非晶电机本身高效的基础上，使非晶电机系统效率进一步提高。
本申请提供的集成PFC和同步整流的高速非晶电机控制系统，PFC模块输出的电压实时可调，使得本系统对不同电机的适应性强，对不同电压等级的电机总能输出合适的PWM占空比和频率。
附图说明
图1是本申请的集成PFC和同步整流的高速非晶电机控制系统原理示意图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。
非晶软磁合金由于短程无序长程无序的微观结构特点使其具备优异的软磁性能。非晶软磁合金带材是目前全球生产和应用规模最大的非晶合金材料，广泛应用于变压器，互感器和电机等行业。在诸如高速主轴电机，氢燃料电池氢气泵和高压空气泵，旋翼无人机等领域表现良好的市场应用前景。随着磁通密度的增加，硅钢定子铁心的损耗急剧增加，非晶定子铁心的损耗不到硅钢定子铁心的10％，纳米晶定子铁心的损耗仅为硅钢定子铁心的3％左右。
据统计，国内的机床保有量已达1300万。据相关数据显示，近十年我国机床役龄10年以上的占机床总量的50％以上，机床耗电量占设备总耗电量的10～15％，甚至60％。高速非晶主轴电机，大大减小铁心发热，提高主轴加工精度和机床效率。随着国民经济持续、快速、稳定增长，我国机床工具行业已取得了长足的发展与进步，电主轴作为数控机床的核心功能部件，也存在很大提升空间。
电机控制器系统的总效率为：η＝η1*η2；η1为电机效率；η2为控制器效率。
电机控制系统效率的提高可以从电机本身的设计和制造和控制器设计本身进行着手。
PFC的英文全称为"Power Factor Correction"，意思是"功率因数校正"，功率因数指的是有效功率与总耗电量(视在功率)之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量(视在功率)的比值。基本上功率因数可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因数值越大，代表其电力利用率越高。
功率因数是用来衡量用电设备用电效率的参数，低功率因数代表低电力效能。为了提高用电设备功率因数的技术就称为功率因数校正。
参见图1，本申请提供一种集成PFC和同步整流的高速非晶电机控制系统，包括依次连接的电压处理单元、数字信号处理器最小单元、信号处理单元和功率转换单元；所述电压处理单元包括依次连接的全波整流模块1、功率因数校正模块2、软开关全桥移相模块3、同步整流模块4和多路低压电压供电模块5，所述全波整流模块1、所述功率因数校正模块2、软开关全桥移相模块3、所述同步整流模块4、所述多路低压电压供电模块5均与所述数字信号处理器最小单元6连接；所述信号处理单元包括模拟信号调理模块7和若干光电隔离电路模块8，所述模拟信号调理模块7与所述数字信号处理器最小单元6连接，所述光电隔离电路模块8与所述数字信号处理器最小6单元连接；所述功率转换单元包括功率转换模块9，所述功率转换模块9与所述光电隔离模块8连接，所述功率转换模块9与非晶电机连接。
220V交流电经过全波整流模块1输出基本的直流电压、这个基本的直流电压输出给功率因数校正模块2(PFC模块)得到功率因数校正过的直流电压。这个经过功率因数校正模块2得到的直流电压经过软开关全桥移相模块3输出到同步整流模块4。多路低压电压供电模块5的输入电压是同步整流模块4的输出电压，软开关全桥移相模块3的输出电压是同步整流模块4的输入电压。数字信号处理器最小单元6是控制核心，实现对所有模块的控制，数字信号处理器最小单元6输出控制信号经过光电隔离电路模块8隔离后到功率管驱动模块，功率管驱动模块输出放大的驱动信号到功率转换模块9(Q1到Q6)，模拟信号调理模7块负责进行电压电流温度等信号的变幅、滤波、放大最后输入到数字信号处理器最小单元6。光电隔离模块8负责把各种模块的驱动信号进行电气隔离后输出给驱动模块，光电隔离模块8的输入信号来自于数字信号处理器最小单元6。所有模块的供电除全桥整流模块外都来自于多路低压电压供电模块5。K1\K2\KN表示模拟信号调理模块7，PC1\PC2\PCN表示光电隔离模块8，FET字样的器件表示功率管驱动模块。
所述功率转换单元包括功率转换单元功率管驱动电路、6个SIC组成三相全桥功率管，三个桥臂输出连接非晶电机。
进一步地，所述软开关全桥移相模块3包括软开关全桥移相拓扑结构电路。
进一步地，所述软开关全桥移相模块3通过移相控制全桥软开关电源。
进一步地，所述移相控制全桥软开关电源通过改变两臂对角线上下管驱动电压移相角的大小来调节输出电压。
低压供电(包括多路低压电压供电模块)采用了软开关全桥移相拓扑结构的电路(软开关全桥移相模块)。移相控制全桥软开关电源则是通过改变两臂对角线上下管驱动电压移相角的大小来调节输出电压，这种方式是让超前臂管栅压领先于滞后臂管栅压一个相位,并在控制端对同一桥臂的两个反相驱动电压设置不同的死区时间,同时巧妙地利用变压器漏感和功率管的结电容和寄生电容来完成谐振过程以实现零电压开通,从而错开了功率器件电流与电压同时处于较高值的硬开关状态,并有效克服了感性关断电压尖峰和容性开通时管温过高的缺点,减少了开关损耗与干扰。
进一步地，所述同步整流模块4采用通态电阻极低的专用功率金属-氧化物半导体场效应晶体管。
进一步地，所述功率转换模块9的功率管采用碳化硅材料。
进一步地，所述功率转换模块9包括功率管驱动电路和功率管，所述功率管与所述光电隔离模块连接。
进一步地，所述功率转换模块9通过桥臂与所述非晶电机连接。
进一步地，所述数字信号处理器最小单元6包括ADC模块、PWM模块、普通IO模块和脉冲捕获模块，所述ADC模块与所述模拟信号调理模块连接，所述PWM模块与所述光电隔离模块连接，所述脉冲捕获模块与速度编码器连接，所述速度编码器与所述非晶电机连接。
通过数字信号处理器最小单元6内的ADC模块采集经过模拟信号调理模块处理过的线电流、线电压、电机的温度传感器的温度信号，通过所述脉冲捕获模块采集电机的速度传感器信号，计算出电机实时速度。同时数字信号处理器最小单元6内运行功率因数校正算法、全桥移相算法、同步整流算法，通过PWM模块(PWM9\PWM10\PWM11\PWM12)输出信号到光电隔离模块，然后到FET驱动模块，达到对电压处理单元各个模块的控制，控制各种电压输出，并通过ADC模块读出经过K1 K8 K9 K7 K6模拟信号处理模块7处理后的各种输出电压，最终实现对各种电压的精确控制和功率因数的控制。数字信号处理器最小单元6同时运行电机闭环矢量控制算法，通过PWM模块(PWM1\PWM2\PWM3\PWM4\PWM5\PWM6)经过光电隔离模块8和驱动模块后控制功率转换模块3个桥臂的输出波形，实现对非晶电机转速和扭矩的高精度控制。
进一步地，还包括温度传感器，所述数字信号处理器最小单元、所述温度传感器与所述非晶电机依次连接。
输入全波整流模块1后加入了PFC模块，全波整流模块1的直流输出是PFC模块的直流输入可以提高电路的功率因数和整体效率，也可以方便根据不同的电机规格输出不同的电压。
低压供电的输出部分采用了同步整流的拓扑结构，比普通的二极管整流，同步整流是采用通态电阻极低的专用功率金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET，来取代整流二极管以降低整流损耗的术。同时也大大提高DC/DC变换器的效率并且不存在由肖特基势垒电压而造成的死区电压。
PFC、软开关、同步整流、功率转换部分采用的功率管，这个功率管就是Q1到Q6，Q1到Q6只属于功率转换模块(Q1、Q2....)采用了碳化硅(SiC)材料的第三代宽禁带半导体。第三代半导体材料主要包括碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等，和第一代、第二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点，可以满足现代电子技术对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的新要求，和硅基的MOSFET和IGBT相比，可以降低50％以上的能量损失，最高可以使控制器体积减小75％以上
所有的功率管控制都是有DSP内置的软件控制输出，可以很方便和快捷的根据功率管的参数特点更改开关频率和占空比以及输出控制方式。
尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。

Claims (10)

1.一种集成PFC和同步整流的高速非晶电机控制系统，其特征在于：包括依次连接的电压处理单元、数字信号处理器最小单元、信号处理单元和功率转换单元；
所述电压处理单元包括依次连接的全波整流模块、功率因数校正模块、软开关全桥移相模块、同步整流模块和多路低压电压供电模块，所述全波整流模块、所述功率因数校正模块、软开关全桥移相模块、所述同步整流模块、所述多路低压电压供电模块均与所述数字信号处理器最小单元连接；
所述信号处理单元包括模拟信号调理模块和若干光电隔离电路模块，所述模拟信号调理模块与所述数字信号处理器最小单元连接，所述光电隔离电路模块与所述数字信号处理器最小单元连接；
所述功率转换单元包括功率转换模块，所述功率转换模块与所述光电隔离模块连接，所述功率转换模块与非晶电机连接。
2.如权利要求1所述的集成PFC和同步整流的高速非晶电机控制系统，其特征在于：所述软开关全桥移相模块包括软开关全桥移相拓扑结构电路。
3.如权利要求1所述的集成PFC和同步整流的高速非晶电机控制系统，其特征在于：所述软开关全桥移相模块通过移相控制全桥软开关电源。
4.如权利要求2所述的集成PFC和同步整流的高速非晶电机控制系统，其特征在于：所述移相控制全桥软开关电源通过改变两臂对角线上下管驱动电压移相角的大小来调节输出电压。
5.如权利要求1所述的集成PFC和同步整流的高速非晶电机控制系统，其特征在于：所述同步整流模块采用通态电阻极低的专用功率金属-氧化物半导体场效应晶体管。
6.如权利要求3所述的集成PFC和同步整流的高速非晶电机控制系统，其特征在于：所述功率转换模块的功率管采用碳化硅材料。
7.如权利要求1所述的集成PFC和同步整流的高速非晶电机控制系统，其特征在于：所述功率转换模块包括功率管驱动电路和功率管，所述功率管与所述光电隔离模块连接。
8.如权利要求1～7中任一项所述的集成PFC和同步整流的高速非晶电机控制系统，其特征在于：所述功率转换模块通过桥臂与所述非晶电机连接。
9.如权利要求8所述的集成PFC和同步整流的高速非晶电机控制系统，其特征在于：所述数字信号处理器最小单元包括ADC模块、PWM模块、普通IO模块和脉冲捕获模块，所述ADC模块与所述模拟信号调理模块连接，所述PWM模块与所述光电隔离模块连接，所述脉冲捕获模块与速度编码器连接，所述速度编码器与所述非晶电机连接。
10.如权利要求9所述的集成PFC和同步整流的高速非晶电机控制系统，其特征在于：还包括温度传感器，所述数字信号处理器最小单元、所述温度传感器与所述非晶电机依次连接。
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