CN1852020A - 一种永磁无刷直流电机弱磁驱动装置 - Google Patents

Abstract

一种永磁无刷直流电机弱磁驱动装置，为了克服现有技术存在环流、导致在弱磁区间转矩急剧下降，弱磁调速范围狭窄的不足，本发明在传统的永磁无刷直流电动机三相桥式驱动装置将六个MOSFET(金属－氧化物－半导体场效应管)以三相桥式逆变驱动电路连接的基础上，在每个上桥臂和下桥臂的MOSFET下方分别反向串连一个相同的MOSFET，将对应二者的S极(源极)相连，本发明能够有效地消除环流，提高永磁无刷直流电机弱磁调速比。

Description

一种永磁无刷直流电机弱磁驱动装置

(一)技术领域

本发明涉及一种电机驱动装置，尤其是一种适用于永磁无刷直流电机的弱磁驱动装置。

(二)背景技术

在电动汽车、数控机床、家用电器、磁盘驱动、风力发电等诸多领域，永磁无刷直流电机由于具有结构简单、功率密度高、出力大等优点，是综合性能较优的选择。但永磁电机励磁磁动势由永磁体产生，无法调节，因此其调速范围不够宽广，往往要以增加电源为代价扩大其调速范围。例如电动汽车，以时速0～100多公里行驶，驱动电机转速须从0到几千转/分甚至上万转/分运行。在转速的逐渐升高的过程中，通常采用调整电机电压的方式进行升速，当电动机电压到达逆变器所能输出的电压极限时(电源容量已到极限)，电机的转速也从零到达一个极限值，这个速度极限值就是调压可达到转速的最高值。再升速则不能采用调压的方法。此时，只有将励磁磁场减弱，才能使电机转速继续上升。对于它励直流电动机可通过降低励磁电流实现弱磁增速。而对于永磁无刷电机弱磁，目前较为普遍的采用超前角导通角方法，由于三相桥式逆变器在采用此方法时，电机某两相及相对应的两个桥臂环路当中会产生环流，其直接作用就是产生一个相反的平均转矩，导致转矩急剧降低，弱磁升速范围极为有限。

(三)发明内容

为了克服现有技术存在环流的不足，本发明提供了一种永磁无刷直流电机弱磁驱动装置。

本发明采用十二个MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应管)构成可驱动永磁无刷直流电机在弱磁区间运行的驱动装置。与传统永磁无刷直流电动机三相桥式驱动装置不同点在于：传统的永磁无刷直流电动机三相桥式驱动装置由六个MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应管)Q1(A相上桥臂正向连接)、Q3(B相上桥臂正向连接)、Q5(C相上桥臂正向连接)、Q4(A相下桥臂正向连接)、Q6(B相下桥臂正向连接)、Q2(C相下桥臂正向连接)组成。本发明每一个桥臂所连接的MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应管)Q1_H(A相上桥臂正向连接)、Q3_H(B相上桥臂正向连接)、Q5_H(C相上桥臂正向连接)、Q4_H(A相下桥臂正向连接)、Q6_H(B相下桥臂正向连接)、Q2_H(C相下桥臂正向连接)下端S极(源极)分别对应连接一个相同的MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应管)Q1_L(A相上桥臂反向连接)、Q3_L(B相上桥臂反向连接)、Q5_L(C相上桥臂反向连接)、Q4_L(A相下桥臂反向连接)、Q6_L(B相下桥臂反向连接)、Q2_L(C相下桥臂反向连接)，连接方式为每一个上桥臂或下桥臂的一对MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应管)的S极(源极)相连。通过Q1_L、Q3_L、Q5_L、Q4_L、Q6_L、Q2_L可以消除超前导通角换向时产生的环流。

对于永磁无刷直流电机常用的是三相星型六状态的驱动方式，MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应管)可以等效为一个开关并联一个二极管。电机反电势为120°平顶梯形波。在0°～360°转子旋转过程当中，对于逆变器的MOSFET共有6种开关状态。在非弱磁的控制方式下，其导通顺序与电机反电势具有以下对应关系。其在0°～60°对应Q1Q6导通，60°～120°对应Q1Q2导通，120°～180°对应Q3Q2导通，180°～240°对应Q3Q4导通，240°～300°对应Q5Q4导通，300°～180°对应Q5Q6导通。在合理的换向过程中，电机转子做旋转运动。如果要对电机升速，须通过调节占空比改变电压进行调速。当电压达到最大值时，只能通过减弱气隙磁通的方法提高转速。

对于采用超前导通角方法进行弱磁，以超前导通角60°为例，即在0°～60°使Q1Q2导通，60°～120°对应Q3Q2导通，120°～180°对应Q3Q4导通，180°～240°对应Q5Q4导通，240°～300°对应Q5Q6导通，300°～180°对应Q1Q6导通。此时，如果仍用常规的电路，会在对应的相中产生环流。此环流产生负转矩，致使电机转矩急剧下降，升速范围很低。取0°～60°为例。此时A，B，C三相当中，A相正向导通，e_a为正向最大值，B相反向导通，e_b为反向最大值，e_c处于电势由正到负的换向过渡过程。如果提前导通Q1Q2，e_c＞e_b，以电机三相中线连接点为电势参考点，Q2上端电势为e_c，由于Q2导通，Q2下端和Q2上端电势相同，即Q6下端电势为e_c，由于MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应管)中续流二极管导通电压很低，此时e_c-ΔU大于e_b，则通过C相—Q2—D9(Q6中续流二极管)——B相回路当中产生环流。I_H即为由于提前导通Q1Q2在B相和C相产生的环流。忽略绕组电感，则环流I_L大小为：

$I_H=\frac{e_c-\mathrm{\Δu}-e_b}{2R}\≥0---\left(1\right)$

此时，环流产生了附加的电磁转矩，其大小分别为：

T_A环＝0

其中，R为电机一相绕组电阻，e_a，e_b，e_c为A、B、C三相当中的反电势，Ω为电机转速，T_{A 环}、T_B环、T_C环分别为环流在A、B、C三相当中产生的转矩，∑T_环为环流产生的合成转矩。。此时转子位置是在0°～60°，如前所述，A，B，C三相当中，e_a为正向最大值，e_b为反向最大值，e_c处于电势由正到负的换向过渡过程。提前导通Q1Q2，e_c＞e_b，由(2)式可知，环流产生的合成转矩为负。因此传统的驱动方式会在相应两相中产生环流，环流会产生一个阻碍转子正向运动的附加转矩，使总转矩急剧下降，难以实现弱磁升速。

本发明在每个上桥臂和下桥臂的MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应管)Q1_H(A相上桥臂正向连接)、Q3_H(B相上桥臂正向连接)、Q5_H(C相上桥臂正向连接)、Q4_H(A相下桥臂正向连接)、Q6_H(B相下桥臂正向连接)、Q2_H(C相下桥臂正向连接)反向串连一个相同的MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应管)Q1_L(A相上桥臂反向连接)、Q3_L(B相上桥臂反向连接)、Q5_L(C相上桥臂反向连接)、Q4_L(A相下桥臂反向连接)、Q6_L(B相下桥臂反向连接)、Q2_L(C相下桥臂反向连接)，利用其反向阻断功能，消除环流影响，实现永磁无刷直流电机弱磁运行。

当采用超前导通角实现弱磁调速时，同样分析在0°～60°区间使Q1_H、Q1_L、Q2_H、Q2_L导通，亦即在0°～60°区间A相上桥臂、C相下桥臂导通。则Q2_L下端电势为e_c，Q6_L下端电势亦为e_c，由于此时e_c＞e_b，如果B相下桥臂没有Q6_L，则其状态和传统桥式驱动电路相同，根据前述，则会通过MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应管)的续流二极管D9产生完整回路，导致环流I_H形成。加入Q6_L之后，与对应的Q6_H同时关断或导通，此时其处于关断状态。由于Q6_L的续流二极管D10的反向阻断，虽然在B相、C相回路当中存在电势差e_c-e_b，但并没有导通回路形成，故消除了环流。致使反向阻碍转矩为零，阻止了由于环流引起的转矩急剧下降，实现了弱磁升速。同理可分析其余五个状态。

通过使每一上桥臂或下桥臂的一对MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应管)的G极(栅极)相连，控制信号可使其同时导通和关断，使其在基速以下运行时，性能不受任何影响，同时，此种连接方式加速了MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应管)导通或者关断的切换过渡过程，亦可改善基速以下电机运行性能。

上述本发明的所有MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应管)可以全部由IGBT(绝缘栅双极晶体管)替换，对应的MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应管)的S极(源极)相连替换成IGBT(绝缘栅双极晶体管)的E极(发射极)连接，对应的MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应管)的G极(栅极)相连替换成IGBT(绝缘栅双极晶体管)的G极(栅极)相连，对应的MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应管)的D极(漏极)替换成IGBT(绝缘栅双极晶体管)的C极(集电极)。

作为本发明的一个优选方案，本发明在驱动装置的直流电源输入(直流母线)正端串接两个并联的二极管D7、D8。由于在电机弱磁运行期间，反电势随转速升高而增大，当反电势大于直流母线电压并且具有通路时，电机向电源回馈能量，此时电机运行在发电状态，二极管D7、D8可有效阻断发电状态所需通路。同时并联的连接方式可以保证其工作可靠性。

作为本发明的另一个优选方案，本发明在Q1_L(A相上桥臂反向连接)、Q3_L(B相上桥臂反向连接)、Q5_L(C相上桥臂反向连接)、Q4_L(A相下桥臂反向连接)、Q6_L(B相下桥臂反向连接)、Q2_L(C相下桥臂反向连接)上分别对应并接一个瞬态电压抑制器D1、D3、D5、D4、D6、D2。由于每一个上桥臂或下桥臂的一对MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应管)同时导通或关断，在弱磁运行时，绕组端电压产生脉冲电压尖峰，连接瞬态电压抑制器D1、D3、D5、D4、D6、D2后，可将电压尖峰脉冲降落在瞬态电压抑制器上，吸收换向绕组端电压尖峰，防止功率管击穿。

本发明由于采用上述一系列技术手段，能够有效的消除环流，使得永磁无刷直流电机弱磁调速比达到2.6，而用传统的逆变器模式，弱磁调速比只有1.12。此外，在弱磁调速区间，转矩脉动很小，同时基速以下电机运行性能得以改善。

(四)附图说明

图1为本发明的电机反电势波形示意图。

图2为常规稀土永磁无刷直流电机驱动电路原理图。

图3为本发明一种永磁无刷直流电机弱磁驱动装置原理图。

图4为本发明一种永磁无刷直流电机弱磁驱动装置电路图。

(五)具体实施方式

本发明实施例为一28V弱磁驱动装置。如图4所示。MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应管)采用IRFP460，每个桥臂的一对MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应管)S极(源极)相连，并在相连处置悬空地。Q1_H、Q1_L的G极(栅极)相连，由T1同时触发，Q3_H、Q3_L的G极(栅极)相连，由T3同时触发，Q5_H、Q5_L的G极(栅极)相连，由T5同时触发，Q4_H、Q4_L的G极(栅极)相连，由T4同时触发，Q6_H、Q6_L的G极(栅极)相连，由T6同时触发，Q2_H、Q2_L的G极(栅极)相连，由T2同时触发。在每个桥臂下方的MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应管)Q1_L、Q3_L、Q5_L、Q4_L、Q6_L、Q2_L上分别并联一个瞬态电压抑制器D1、D3、D5、D4、D6、D2，其型号均为1.5KE300A。在直流母线正端串接两个并联二极管MUR460。此驱动装置连接一台18槽6极稀土永磁无刷直流电机，在28V额定电压及额定负载下，转速为580转/分，当进行弱磁增速时，最高转速达到1510转份。弱磁调速比达到2.6。为了证明弱磁有效性来源于本发明一种永磁无刷直流电机弱磁驱动装置，将实施例中每个桥臂下方的MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应管)全部短接，即将Q1_L、Q3_L、Q5L、Q4_L、Q6_L、Q2_L全部短路，电路变为传统驱动电路模式，此时进行弱磁增速，最高转速只有645转/分，调速比不足1.2。升速效果微弱。故本发明通过消除环流，减小了动态转矩降落，明显增大了弱磁调速的范围。

Claims (5)

1.一种永磁无刷直流电机弱磁驱动装置，包括六个MOSFET(金属-氧化物-半导体效应管)(Q1_H、Q3_H、Q5_H、Q4_H、Q6_H、Q2_H)以三相桥式逆变驱动电路结构连接在直流输入正端与地之间，其特征在于：对应每个上桥臂和下桥臂的MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应管)(Q1_H、Q3_H、Q5_H、Q4_H、Q6_H、Q2_H)下方分别反向串连一个相同的MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应管)(Q1_L、Q3_L、Q5L、Q4_L、Q6_L、Q2_L)，将对应二者(Q1_H和Q1_L、Q3_H和Q3_L、Q5_H和Q5_L、Q4_H和Q4_L、Q6_H和Q6_L、Q2_H和Q2_L)的S极(源极)相连。

2.根据权利要求1所述的一种永磁无刷直流电机弱磁驱动装置，其特征在于：任何一个上桥臂或任何一个下桥臂的一对MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应管)(Q1_H和Q1_L、Q3_H和Q3_L、Q5_H和Q5_L、Q4_H和Q4_L、Q6_H和Q6_L、Q2_H和Q2_L)的G极(栅极)相连接，并通以同一个控制信号。

3.根据权利要求1所述的一种永磁无刷直流电机弱磁驱动装置，其特征在于：对于所述的每个反向连接的MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应管)(Q1_L、Q3_L、Q5_L、Q4_L、Q6_L、Q2_L)，与其反向相应的并联一个瞬态电压抑制器(D1、D3、D5、D4、D6、D2)。

4.根据权利要求1所述的一种永磁无刷直流电机弱磁驱动装置，其特征在于：所述的所有MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应管)可以全部由IGBT(绝缘栅双极晶体管)替换，对应的MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应管)的S极(源极)相连替换成IGBT(绝缘栅双极晶体管)的E极(发射极)连接，对应的MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应管)的G极(栅极)相连替换成IGBT(绝缘栅双极晶体管)的G极(栅极)相连，对应的MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应管)的D极(漏极)替换成IGBT(绝缘栅双极晶体管)的C极(集电极)。

5.根据权利要求1所述的一种永磁无刷直流电机弱磁驱动装置，其特征在于：所述的直流输入正端串接一对并联二极管(D7、D8)。

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