CN1181657A - 转换式磁阻电动机的速度控制装置 - Google Patents

Abstract

一种转换式磁阻电动机SRM的速度控制装置,其可在高速下调节定子线圈中流过的电流值,从而实现SRM的高速控制,这是优先通过产生与用户规定的电动机速度对应的谐振频率、在相位控制级参照谐振频率信号控制由外部电源引入的市电AC电压的相位以调节平均电压值、和增减定子线圈中的电流来实现的。

Description

转换式磁阻电动机的 速度控制装置

本发明涉及一种SRM(Switched Reluctance Motor-转换式磁阻电动机)，尤其是涉及一种适于SRM高速控制的SRM速度控制装置。

通常，如图1所示，转换式磁阻电动机(SRM)具有定子2和转子4，定子2具有分别在+A和-A极、+B和-B极、+C和-C极上绕制的A、B和C相线圈6、8、10。

如图2所示，这样一种结构的SRM的驱动电路其构成如下：电容C，用于提供直流电压；第一到第六开关元件Q₁到Q₆，用于向各相线圈6、8、10施加电流；以及6个二极管D₁到D₆，用于向每个相线圈6、8、10施加电流之后，当开关元件Q₁到Q₆全关断时反馈产生的反电动势。

此外，传统的控制驱动电路的SRM速度控制装置包括信号控制级12和脉宽调制级14，如图3所示。

对于图3所示的SRM控制装置，信号控制级12产生频率控制信号、脉宽控制信号以及占空比控制信号，该频率控制信号对应于自A相位置传感器(未示出)施加的转子位置信号或A相位置信号。脉宽调制级14响应于由信号控制级12输出的3种控制信号，产生其脉宽经调制的斩波信号，并将其施加到开关元件Q₁的栅极，还向开关元件Q₂施加A相位置信号。

图4表示传统速度控制装置的一个替换实例，意在产生用于控制如上所述SRM速度的斩波信号。另外，该现有技术采用微处理器16，其接收来自A相位置传感器、速度检测传感器以及转矩传感器(均未示出)的A相位置信号并产生斩波信号，该斩波信号的脉宽按照从所接收的信号获知的频率、脉宽和占空比进行调制，从而将斩波信号施加到开关元件Q₁的栅极，并向开关元件Q₂的栅极施加A相位置信号。

同时，如果来自脉宽调制级14的斩波信号和A相位置信号被施加到相应的开关元件Q₁、Q₂，则这些元件Q₁、Q₂根据其响应进行开关转换，因此，向A相线圈6提供能量。此时，流过A相线圈6的电流和电压具有图5所示的波形。

在利用A相位置信号接通开关元件Q₂期间，开关元件Q₁响应于斩波信号进行开关转换，使流过A相线圈6的电流波形被斩波，从而限制电流增加，并因此调节在A相线圈6中的电流值。

在绕有A相线圈的定子2的+A和-A极产生对应于通过如上所述对电流波形斩波得到的电流调节量IA的磁力，以及通过吸引与定子2的+A和-A极相邻的转子4上的磁极使转子旋转，接着通过根据与转子4相关的B相和C相的相应位置信号，对与各个相对应的开关元件Q₃到Q₆进行开关转换操作。然后，开关转换操作将斩波电流施加到B相和C相线圈8和10，产生与按A、B、C的相序斩波的电流值相对应的磁力，从而使转子4连续旋转。

此时，根据这样一个事实，即转子4的转速取决于所产生的磁力强度，可通过增加或减少流过各相线圈6、8、10的电流值，调节与所需SRM电动机速度相适应的斩波信号频率、脉宽和占空比来进行SRM速度控制。

然而，如果SRM高速旋转(例如3000转/分)，由每个相的位置传感器产生的转子位置信号的周期变得极短。这样就使脉宽调制级14产生的斩波信号频率超过开关元件Q₁、Q₃、Q₅的开关转换速度，使得不可能响应于高频率的斩波信号而迅速地进行开关转换。因此，产生的问题在于，不能精确地调节定子2的每个相线圈中的电流值，导致不良地控制电动机的转速。

因此，本发明的目的是提供一种转换式磁阻电动机SRM速度控制装置，其可通过调节向SRM驱动电路中的线圈施加的电流值来进行SRM的高速控制，这最好按照用户所需的SRM速度通过对由外部引入的市电AC电压进行相位控制来实现。

本发明的目的是利用一种转换式磁阻电动机的速度控制装置来实现的，其提供取决于通过驱动电路的开关转换由外部电源向定子线圈施加的电压和电流的旋转力，该装置包含：谐振频率发生级，用于产生与用户规定的电动机速度相对应的谐振频率信号；相位控制级，用于参照谐振频率信号来控制由外部电源引入的市电AC电压的相位，以调节平均电压值；和整流级，用于对其平均电压值被控制的AC电压进行整流，并将其施加到驱动电路。

通过参照附图对各实施例的如下描述，本发明的其它目的和方面将变得更加清楚，附图中：

图1表示传统转换式磁阻电动机SRM的总体结构；

图2表示用于传统SRM的驱动电路示意图；

图3表示传统SRM速度控制装置的示意框图；

图4表示另一种传统SRM速度控制装置的示意框图；

图5是表示对图3和图4中的速度控制装置的控制而引起的在定子线圈中受控的电压和电流的波形；

图6是本发明一个优选实施例的SRM速度控制装置的示意框图；

图7是适用于本发明的SRM驱动电路；

图8是表示一般的市电AC电压的波形图；

图9是表示被利用图7中所示的相位控制级进行相位控制的AC电压的波形图；和

图10是表示利用本发明速度控制装置控制的定子线圈中电流和电压的波形图。

下面根据附图详细描述本发明的优选实施例。

如图6所示，转换式磁阻电动机SRM的速度控制装置包括：谐振频率发生级20、相位控制级30、和整流级40。

在图中，谐振频率发生级20接收从外部提供的市电AC电压，并产生一定谐振频率的脉冲信号。相位控制级30根据来自谐振频率发生级20的脉冲信号控制市电AC电压的相位。

整流级40对由相位控制级30控制相位的AC电压进行全波整流，以得到一DC电压，然后将其施加到用于SRM的驱动电路。

图7是适用于本发明的SRM的详细电路图。如图7所示，谐振频率发生级20包括：电感L₁、电阻R₁、可变电阻VR，与可变电阻VR并联的电阻R₂、电容C₁，所有这些元件构成一RLC串联谐振电路。如将外部市电AC电压施加到该电路，响应于此，该电路产生其谐振频率用等式(1) $f_o=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}}-----\left(1\right)$ 表示的脉冲电压，其中，f₀表示谐振频率，L为电感，C为电容。

相位控制级30包括：电阻R₃、二端AC开关(diac)DA以及三端AC开关(triac)TA，其中当频率为f₀且其电压值由于电阻R₃而下降的脉冲电压输入到该级30时二端AC开关DA产生一触发脉冲，而每当触发脉冲输入时三端AC开关TA进行开关转换，从而控制AC电压的相位。

整流级40由桥式二极管电路BD和滤波电容C₂组成，其中桥式二极管电路BD用于对由三端AC开关TA控制相位的市电AC电压进行全波整流，滤波电容C₂用于滤除包含在施加到驱动电路50的整流DC电压中的纹波分量。

驱动电路50包括：6个开关元件Q₁到Q₆，用于按照由位置传感器输入的每相的转子位置信号，将整流DC电压依次施加到每个相线圈52、54、56；以及6个二极管D₁到D₆，用于反馈当在将整流电压施加到每个相线圈52、54、56之后关断各个开关元件Q₁到Q₆时产生的反电动势。

下面参照图6到图10描述图7中所示的电路的操作。

在由电源向谐振频率发生级20施加市电AC电压的过程中，当用户调节谐振频率发生级20的可变电阻VR以便得到用户所希望的电动机速度时，谐振频率发生级20中的电感随之改变。变化的电感L和电容C₁共同使发生级20产生具有如前述等式(1)所示的谐振频率f₀的信号。

更确切地说，电容C₁由因电路中的三个电阻R₁、R₂、VR和电感L₁而使其值降低的AC电压充电，然后，在谐振频率f₀的每一周期放电，从而形成频率为f₀的脉冲状信号。所得到的脉冲信号由于电阻R₃而降低，然后，降低的电压被施加到二端AC开关DA。

二端AC开关DA响应于该脉冲信号进行开关转换，并产生施加到三端AC开关TA的频率为f₀的触发脉冲。然后，三端AC开关TA响应触发脉冲进行开关转换，以控制来自电源的AC电压(见图8)的相位，如图9所示。被相位控制的AC电压最终被施加到整流级40。

由于被相位控制的AC电压值在图9中用“a”标注的一段时间上为零，其中a表示相位控制角，因此平均电压值ACV_ave降低，表示如下： ${\mathrm{ACV}}_{\mathrm{ave}}=\frac{1}{\mathrm{\π}}\mathrm{AC}{V}_M{\∫}_{\mathrm{\α}}^{\mathrm{\π}}\sin \mathrm{\θd\θ}----\left(2\right)$ 其中：ACV_ave表示AC电压的平均电压值，ACV_M是峰值电压，a是相位控制角。

结果，AC电压在整流级40中被全波整流，由滤波电容C₂滤除纹波分量，然后整流DC电压被施加到SRM驱动电路50，其中DC电压值与平均电压值ACV_ave相同(未考虑在整流级40中的电压降低值)。

接下来，如果该DC电压被施加到驱动电路50，与各相相关的开关元件Q₁-Q₆响应于施加到所述开关元件Q₁-Q₆的相应栅极上的每相的转子位置信号开始进行开关转换，从而，将DC电压按A、B、C的相序施加到每个相线圈52、54、56。

施加到每相的每个线圈的电压和电流的波形如图10所示。线圈52、54、56产生的磁力强度对应于施加到其上的电流值，该磁力吸引相邻转子的磁极(见图1)以使转子旋转。这时，转子以与在线圈52、54、56产生的磁力强度相对应的速度旋转。

本发明其特征在于，为了控制电动机速度，通过利用被相位控制的AC电压来控制线圈52、54、56中的电流值，这使得能够对SRM进行精确的高速控制，而不像现有技术中一样，向驱动电路50施加超过开关元件Q₁、Q₃、Q₅的转换能力的更高频率的斩波信号。

Claims (4)

1.一种转换式磁阻电动机SRM的速度控制装置，其提供取决于利用驱动电路的开关转换由外部电源施加到定子线圈的电压和电流的旋转力，该装置包括：

一个谐振频率发生级，用于产生与用户规定的电动机速度相对应的谐振频率信号；

一个相位控制级，用于按照所述谐振频率信号来控制由所述外部电源引入的市电AC电压的相位，以调节平均电压值；和

一个整流级，用于对其平均电压值被控制的所述AC电压进行整流，并将其施加到驱动电路。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述谐振频率发生级包括由电感、电容和用于调节所形成的谐振频率的可变电阻组成的串联谐振电路。

3.如权利要求1和2所述的装置，其中所述相位控制级包括：一个二端AC开关，用于响应于由所述谐振频率发生级产生的所述谐振频率信号产生触发信号；和一个三端AC开关，用于通过对待施加到所述整流级的所述AC电压进行开关转换来控制所述AC电压的相位。

4.如权利要求1和2所述的装置，其中所述整流级包括：一个桥式二极管电路，用于将所述市电AC电压全波整流成相应的DC电压；和一个电容器，用于滤除包含在所述整流电压中的纹波分量。

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