CN116131714A - 一种永磁多相无刷直流电机的驱动电路 - Google Patents

一种永磁多相无刷直流电机的驱动电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种永磁多相无刷直流电机的驱动电路，用于驱动永磁N相无刷直流电机，N为3的整数倍，共有N/3套绕组，每套绕组具有3相绕组，包括：流向控制组件，用于控制每一相绕组中电流的方向，共有N相绕组；导通控制组件，包括N个导通控制管，且导通控制管与绕组一一对应连接，用于控制每一相绕组中电流的通断；控制器，分别与流向控制组件、导通控制组件连接。本发明相比于现有技术的多相电机驱动方式，使用更少的驱动管来驱动多相电机，以降低成本。

Description

一种永磁多相无刷直流电机的驱动电路
技术领域
本发明涉及永磁多相无刷直流电机技术领域，特别涉及一种永磁多相无刷直流电机的驱动电路。
背景技术
永磁多相无刷直流电机在大规模电气传动应用领域具有显著优势，主要体现在新能源电动车辆、电动工具、工业机器人、高端装备等，应用前景良好，且伴随着电力电子技术、微电子技术、新材料技术和控制理论等相关学科的飞速发展，多相电机驱动逐渐成为电机学科的一个前言和热点研究方向。与三相电机驱动相比，多相电机可以承载更大的容量，可以在低电压低电流下运行，对于蓄电池供电的永磁多相无刷直流电机的控制系统而言，可以延长蓄电池的续航时间，此外多相电机的性能比三相电机更加突出，运行效率高，减少谐波含量，降低转矩脉动，改善低速特性，减小振动和噪声，实现容错运行，系统运行可靠性显著提高，电机使用寿命大大延长。
目前驱动电机的方式多采用半桥电路实现对一相电机的绕组控制，如三相电机就需要三相半桥电路驱动，六相电机则需要两个三相半桥电路驱动，因此随着电机的相数增多，所需要的驱动管数量是相数的两倍。比如，如图7所示为三相电机的等效电路，其中包括6个驱动管；如图8所示为六相电机的等效电路，其中包括12个驱动管；如图9所示为九相电机的等效电路，其中包括18个驱动管；以此类推，十二相、十五相、二十四相等电机的等效电路包括相数的两倍的驱动管。
由于多相电机应用的领域对控制精度要求非常高，对降低多相电机驱动管数量和减小多相电机控制板尺寸，以降低成本的问题亟待解决。
发明内容
本发明的目的在于相比于现有技术的多相电机驱动方式，使用更少的驱动管来驱动多相电机，以降低成本，提供一种永磁多相无刷直流电机的驱动电路。
为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了以下技术方案：
一种永磁多相无刷直流电机的驱动电路，用于驱动永磁N相无刷直流电机，N为3的整数倍，共有N/3套绕组，每套绕组具有3相绕组，包括：
流向控制组件，用于控制每一相绕组中电流的方向，共有N相绕组；
导通控制组件，包括N个导通控制管，且导通控制管与绕组一一对应连接，用于控制每一相绕组中电流的通断；
控制器，分别与流向控制组件、导通控制组件连接。
所述流向控制组件包括6个流向控制管，每两个流向控制管为一组；第一组流向控制管分别与每套绕组中的第一相绕组连接，第二组流向控制管分别与每套绕组中的第二相绕组连接，第三组流向控制管分别与每套绕组中的第三相绕组连接。
所述流向控制管为NMOS管，每组流向控制管中的第一个NMOS管的源极连接电源，第一个NMOS管的漏极连接第二个NMOS管的源极，第二个NMOS管的漏极连接地；绕组连接在第一个NMOS管的漏极与第二个NMOS管的源极之间；所有NMOS管的栅极连接控制器。
所述导通控制管为NMOS管，NMOS管的源极分别与每组流向控制管中第一个NMOS管的漏极、该组流向控制管中第二个NMOS管的源极连接；NMOS管的漏极与对应的绕组连接；NMOS管的栅极连接控制器。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明从电路拓扑结构上看，每增加3n相（n为正整数），只需要增加3n个导通控制管；从导通状态分析表上看，每套绕组换相互不影响，各套绕组滞后π/3n电角度。此外，流向控制管的控制时序不会随着相数增加而改变，且每一时序需要导通的流向控制管没有发生变化。因此，本方案可以十分简便的增加或者减少相数，只需要在流向控制管所在支路增加或减少对应接口即可，且控制方式简单。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明三相电机的等效电路图；
图2为本发明六相电机的等效电路图；
图3为本发明九相电机的等效电路图；
图4为本发明十二相电机的等效电路图；
图5为本发明十五相电机的等效电路图；
图6为本发明十二相电机的各绕组空间位置示意图；
图7为现有技术三相电机的等效电路图；
图8为现有技术六相电机的等效电路图；
图9为现有技术九相电机的等效电路图；
图10（a）为本发明十二相电机在状态1～状态6的绕组导通状态分析表，图10（b）为本发明十二相电机在状态7～状态12的绕组导通状态分析表，图10（c）为本发明十二相电机在状态13～状态18的绕组导通状态分析表，图10（d）为本发明十二相电机在状态19～状态24的绕组导通状态分析表；
图11（a）为本发明十五相电机在状态1～状态6的绕组导通状态分析表，图11（b）为本发明十五相电机在状态7～状态12的绕组导通状态分析表，图11（c）为本发明十五相电机在状态13～状态18的绕组导通状态分析表，图11（d）为本发明十五相电机在状态19～状态24的绕组导通状态分析表，图11（e）为本发明十五相电机在状态25～状态30的绕组导通状态分析表。
实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性，或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。另外，术语“相连”、“连接”等可以是元件之间直接相连，也可以是经由其他元件的间接相连。
实施例
本发明通过下述技术方案实现，如图1所示，一种永磁多相无刷直流电机的驱动电路，用于驱动永磁N相无刷直流电机，N为3的整数倍，容易理解的，N相电机共有N/3套绕组，每套绕组具有3相绕组。所述电路包括流向控制组件、导通控制组件，其中流向控制组件用于控制每一相绕组中电流的方向，导通控制组件用于控制每一相绕组中电流的通断。
请参见图7为现有技术的三相电机等效电路，共有3相绕组，分别为LA、LB、LC，每2个驱动管共同控制一相绕组L，如驱动管TA、驱动管TA`共同控制绕组LA的电流方向和电流通断，驱动管TB、驱动管TB`共同控制绕组LB的电流方向和电流通断，驱动管TC、驱动管TC`共同控制绕组LC的电流方向和电流通断，因此共需6个驱动管。
请参见图8为现有技术的六相电机等效电路，共有6相绕组，分别为LA、LB、LC、LD、LE、LF，每2个驱动管共同控制一相绕组L，如驱动管TA、驱动管TA`共同控制绕组LA的电流方向和电流通断，其余同理，因此共需12个驱动管。
请参见图9为现有技术的九相电机等效电路，共有9相绕组，分别为LA、LB、LC、LD、LE、LF、LG、LH、LI，每2个驱动管共同控制一相绕组L，如驱动管TA、驱动管TA`共同控制绕组LA的电流方向和电流通断，其余同理，因此共需18个驱动管。
可见，在三相电机的基础上，每增加三相则需要增加6个驱动管，即每增加N相（N为3的整数倍）则需要增加2N个驱动管，而多相电机应用的领域中相数非常的大，因此现有技术会存在需要增加2N个驱动管的问题，导致多相电机驱动管数量也非常庞大，控制板尺寸大，整体成本高。
本发明研究发现，对绕组的控制主要是控制绕组中电流的方向和电流的通断，因此本方案使用流向控制组件专门控制每一相绕组中电流的方向，使用导通控制组件专门控制每一相绕组中电流的通断。
如图1所示为本方案三相电机的等效电路，所述流向控制组件包括流向控制管Q1、流向控制管Q2、流向控制管Q3、流向控制管Q4、流向控制管Q5、流向控制管Q6；三相电机的绕组分别为A、B、C；所述导通控制组件包括导通控制管Q7、导通控制管Q8、导通控制管Q9。
其中，流向控制管Q1、Q4为一组，流向控制管Q2、Q5为一组，流向控制管Q3、Q6为一组；流向控制管Q1、Q2、Q3的源极均与电源VCC连接，Q1的漏极与Q4的源极连接，Q2的漏极与Q5的源极连接，Q3的漏极与Q6的源极连接，Q4、Q5、Q6的漏极均接地。可见，Q1、Q4用于控制绕组A的电流方向，Q2、Q5用于控制绕组B的电流方向，Q3、Q6用于控制绕组C的电流方向。
导通控制管Q7的源极分别与Q1的漏极、Q4的源极连接，Q7的漏极与绕组A连接，用于控制绕组A的电流通断；导通控制管Q8的源极分别与Q2的漏极、Q5的源极连接，Q8的漏极与绕组B连接，用于控制绕组B的电流通断；导通控制管Q9的源极分别与Q3的漏极、Q6的源极连接，Q9的漏极与绕组C连接，用于控制绕组C的电流通断。
如图2所示为本方案六相电机的等效电路，所述流向控制组件包括流向控制管Q1、流向控制管Q2、流向控制管Q3、流向控制管Q4、流向控制管Q5、流向控制管Q6；六相电机的绕组分别为A、B、C、D、E、F，其中A、B、C为一套绕组，D、E、F为一套绕组；所述导通控制组件包括导通控制管Q7、导通控制管Q8、导通控制管Q9、导通控制管Q10、导通控制管Q11、导通控制管Q12。
其中，流向控制管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的源极、漏极连接方式与三相电机相同，此处不赘述。Q1、Q4用于控制绕组A、绕组D的电流方向，且绕组A、绕组D的电流方向相同；Q2、Q5用于控制绕组B、绕组E的电流方向，且绕组B、绕组E的电流方向相同；Q3、Q6用于控制绕组C、绕组F的电流方向，且绕组C、绕组F的电流方向相同。
导通控制管Q7、Q8、Q9的源极和漏极连接方式与三相电机相同，此处不赘述。导通控制管Q10的源极分别与Q1的漏极、Q4的源极连接，Q10的漏极与绕组D连接，用于控制绕组D的电流通断；导通控制管Q11的源极分别与Q2的漏极、Q5的源极连接，Q11的漏极与绕组E连接，用于控制绕组E的电流通断；导通控制管Q12的源极分别与Q3的漏极、Q6的源极连接，Q12的漏极与绕组F连接，用于控制绕组F的电流通断。
如图3所示为本方案九相电机的等效电路，所述流向控制组件包括流向控制管Q1、流向控制管Q2、流向控制管Q3、流向控制管Q4、流向控制管Q5、流向控制管Q6；九相电机的绕组分别为A、B、C、D、E、F、G、H、I，其中A、B、C为一套绕组，D、E、F为一套绕组，G、H、I为一套绕组；所述导通控制组件包括导通控制管Q7、导通控制管Q8、导通控制管Q9、导通控制管Q10、导通控制管Q11、导通控制管Q12、导通控制管Q13、导通控制管Q14、导通控制管Q15。
其中，流向控制管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的源极、漏极连接方式与三相电机相同，此处不赘述。Q1、Q4用于控制绕组A、绕组D、绕组G的电流方向，且绕组A、绕组D、绕组G的电流方向相同；Q2、Q5用于控制绕组B、绕组E、绕组H的电流方向，且绕组B、绕组E、绕组H的电流方向相同；Q3、Q6用于控制绕组C、绕组F、绕组I的电流方向，且绕组C、绕组F、绕组I的电流方向相同。
导通控制管Q7、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12的源极和漏极连接方式与六相电机相同，此处不赘述。导通控制管Q13的源极分别与Q1的漏极、Q4的源极连接，Q13的漏极与绕组G连接，用于控制绕组G的电流通断；导通控制管Q14的源极分别与Q2的漏极、Q5的源极连接，Q14的漏极与绕组H连接，用于控制绕组H的电流通断；导通控制管Q15的源极分别与Q3的漏极、Q6的源极连接，Q15的漏极与绕组I连接，用于控制绕组I的电流通断。
如图4所示为本方案十二相电机的等效电路，所述流向控制组件包括流向控制管Q1、流向控制管Q2、流向控制管Q3、流向控制管Q4、流向控制管Q5、流向控制管Q6；十二相电机的绕组分别为A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L，其中A、B、C为一套绕组，D、E、F为一套绕组，G、H、I为一套绕组，J、K、L为一套绕组；所述导通控制组件包括导通控制管Q7、导通控制管Q8、导通控制管Q9、导通控制管Q10、导通控制管Q11、导通控制管Q12、导通控制管Q13、导通控制管Q14、导通控制管Q15、导通控制管Q16、导通控制管Q17、导通控制管Q18。
其中，流向控制管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的源极、漏极连接方式与三相电机相同，此处不赘述。Q1、Q4用于控制绕组A、绕组D、绕组G、绕组J的电流方向，且绕组A、绕组D、绕组G、绕组J的电流方向相同；Q2、Q5用于控制绕组B、绕组E、绕组H、绕组K的电流方向，且绕组B、绕组E、绕组H、绕组K的电流方向相同；Q3、Q6用于控制绕组C、绕组F、绕组I、绕组L的电流方向，且绕组C、绕组F、绕组I、绕组L的电流方向相同。
导通控制管Q7、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12、Q13、Q14、Q15的源极和漏极连接方式与九相电机相同，此处不赘述。导通控制管Q16的源极分别与Q1的漏极、Q4的源极连接，Q16的漏极与绕组J连接，用于控制绕组J的电流通断；导通控制管Q17的源极分别与Q2的漏极、Q5的源极连接，Q17的漏极与绕组K连接，用于控制绕组K的电流通断；导通控制管Q18的源极分别与Q3的漏极、Q6的源极连接，Q18的漏极与绕组L连接，用于控制绕组L的电流通断。
由此可见，本方案固定使用6个流向控制管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6来控制各相绕组的电流方向，多相电机为N相时（N为3的整数倍），则使用N个导通控制管分别控制每一相绕组的电流通断。相比于现有技术三相电机来说，虽然本方案增加了3个驱动管，但在多相电机应用领域中通常都是N相，N值非常大，相比于现有技术九相电机来说，本方案减少了3个驱动管；相比于现有技术十二相电机来说，本方案减少了6个驱动管；相比于现有技术二十四相电机来说，本方案减少了18个驱动管。可见，当相数越大时，能够减少的驱动管数量也越大，具有明显的体积、成本降低优势。
更进一步地，从本方案的多相电机拓扑结构图中可以看出，流向控制管不仅可以控制绕组中电流的方向，还可以直接控制绕组中电流的通断，比如要使每套绕组中的第三相绕组关闭时，则可以直接使流向控制管Q3和Q6截止，那么每套绕组中第三相绕组所连接的导通控制管也截止，这样可以尽可能的节省耗电成本，降低控制策略。
导通控制管用于控制绕组中电流的通断，可以避免不必要的绕组流过电流，还可以保证在多相电机换相时每相绕组按照换相顺序顺利进行。
请参见图6为十二相电机的各绕组空间位置示意图，绕组ABC中各相绕组之间的空间位置相差2π/3电角度；绕组DEF中各相绕组之间的空间位置相差2π/3电角度；绕组GHI中各相绕组之间的空间位置相差2π/3电角度；绕组JKL中各相绕组之间的空间位置相差2π/3电角度。绕组ABC与绕组DEF中对应绕组之间的空间位置距离相差π/12电角度；绕组ABC与绕组GHI之间的空间位置距离相差2π/12电角度；绕组ABC与绕组JKL之间的空间位置距离相差3π/12电角度。
在工作时，同一时刻有8相绕组导通，其中4相绕组正向导通，4相绕组负向导通。则绕组的导通状态有24种，将整个圆周分为了24段，每段都为π/12电角度。以绕组运行在第一段为例，此时绕组位置处于0～π/12的空间位置，绕组A通正向电流，绕组B通负向电流，表示为A+B-，后同。
请参见图10（a）~图10（d）为十二相电机的绕组导通状态分析表，图10（a）为状态1～状态6的绕组导通状态分析表，图10（b）为状态7～状态12的绕组导通状态分析表，图10（c）为状态13～状态18的绕组导通状态分析表，图10（d）为状态19～状态24的绕组导通状态分析表。流向控制管的状态切换始终是2π/12电角度切换一次状态，且每一个2π/12电角度需要导通的流向控制管都不变。将四套绕组命名为ABC、DEF、GHI、JKL，且三相顺序为123，可以发现，在相同的“12”相下，每套绕组滞后π/12电角度，如图10（a）所示。每套绕组每4π/12电角度后才会换相，可以看出每套绕组可以像三相电机那样实现六步换相，且相互不会产生干扰，只需注意每套绕组在切换导通相序时依次滞后π/12电角度，但可以在第1个状态时实现。
请参见图5为十五相电机的等效电路，绕组的导通状态有30种，如图11（a）~图11（e）所示为十五相电机的绕组导通状态分析表，图11（a）为状态1～状态6的绕组导通状态分析表，图11（b）为状态7～状态12的绕组导通状态分析表，图11（c）为状态13～状态18的绕组导通状态分析表，图11（d）为状态19～状态24的绕组导通状态分析表，图11（e）为状态25～状态30的绕组导通状态分析表。流向控制管的状态切换始终是2π/12电角度切换一次状态，且每一个2π/12电角度需要导通的流向控制管都不变。将四套绕组命名为ABC、DEF、GHI、JKL、MNO，且三相顺序为123，可以发现，在相同的“12”相下，每套绕组滞后π/15电角度，如图11（a）、图11（b）所示。此外，每套绕组每5π/15电角度后才会换相，可以看出每套绕组可以像三相电机那样实现六步换相，且相互不会产生干扰，只需注意每套绕组在切换导通相序时依次滞后π/15电角度，但可以在第1个状态时实现。
综上所述，从电路拓扑结构上看，每增加3n相（n为正整数），只需要增加3n个导通控制管；从导通状态分析表上看，每套绕组换相互不影响，各套绕组滞后π/3n电角度。此外，流向控制管的控制时序不会随着相数增加而改变，且每一时序需要导通的流向控制管没有发生变化。因此，本方案可以十分简便的增加或者减少相数，只需要在流向控制管所在支路增加或减少对应接口即可，且控制方式简单。
更进一步地，所有流向控制管和导通控制管的栅极均与控制器连接，流向控制管由功率电源供电，且流向控制管不受导通控制管影响，流向控制管可以由单独的逻辑时序电路控制，给予导通控制管给定的PWM信号即可驱动电路工作。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种永磁多相无刷直流电机的驱动电路，用于驱动永磁N相无刷直流电机，N为3的整数倍，共有N/3套绕组，每套绕组具有3相绕组，其特征在于：包括：
流向控制组件，用于控制每一相绕组中电流的方向，共有N相绕组；
导通控制组件，包括N个导通控制管，且导通控制管与绕组一一对应连接，用于控制每一相绕组中电流的通断；
控制器，分别与流向控制组件、导通控制组件连接。
2.根据权利要求1所述的一种永磁多相无刷直流电机的驱动电路，其特征在于：所述流向控制组件包括6个流向控制管，每两个流向控制管为一组；第一组流向控制管分别与每套绕组中的第一相绕组连接，第二组流向控制管分别与每套绕组中的第二相绕组连接，第三组流向控制管分别与每套绕组中的第三相绕组连接。
3.根据权利要求2所述的一种永磁多相无刷直流电机的驱动电路，其特征在于：所述流向控制管为NMOS管，每组流向控制管中的第一个NMOS管的源极连接电源，第一个NMOS管的漏极连接第二个NMOS管的源极，第二个NMOS管的漏极连接地；绕组连接在第一个NMOS管的漏极与第二个NMOS管的源极之间；所有NMOS管的栅极连接控制器。
4.根据权利要求2所述的一种永磁多相无刷直流电机的驱动电路，其特征在于：所述导通控制管为NMOS管，NMOS管的源极分别与每组流向控制管中第一个NMOS管的漏极、该组流向控制管中第二个NMOS管的源极连接；NMOS管的漏极与对应的绕组连接；NMOS管的栅极连接控制器。
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