CN201001095Y - 无刷直流电动机控制系统及其逆变模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及三相直流电动机的控制技术，为解决现有技术中未能针对三相方波无刷直流电动机实现良好的电流闭环控制的问题，本实用新型提出了对方波无刷永磁直流电动机的实现电流闭环控制的新方案，具体包括无刷直流电动机控制系统、以及相应的逆变模块。通过将续流二极管D1、D3、D5的阴极独立于各自开关管的输入端且相互并联至采样线圈L2，和/或将续流二极管D4、D6、D2的阳极独立于各自开关管的输出端且相互并联至采样线圈L3；本实用新型可采用单个合成电流传感器对电动机导通和续流时的三相电流进行完整和连续的采样，并由单个电流闭环调节器对三相电流进行连续的闭环控制，从而大幅提高电动机的动态和静态指标。

Description

无刷直流电动机控制系统及其逆变模块

技术领域

本实用新型涉及三相直流电动机的控制技术，更具体地说，涉及用于控制无刷直流电动机的逆变模块、以及使用该逆变模块的无刷直流电动机控制系统；本实用新型的方案特别适用于对三相方波无刷永磁直流电动机的伺服控制。

背景技术

方波无刷永磁直流电动机是一种特殊的无刷直流电机，其相电流和气隙磁场近似为方波或梯形波。对于三相六状态驱动的无刷直流永磁电动机，其每一相绕组的正向导通角为120°，停60°，然后再反向导通120°，再停60°，如此循环。其中，每一相绕组的电流是不连续的，这种电流不连续的特性，使得电流闭环控制变得非常困难，因此，在传统方波无刷直流永磁电动机控制系统中，很少采用电流闭环控制。

现有技术中，对于三相方波无刷直流电动机，通常采用相电流瞬时值来实现电流闭环控制。这种方案需要三个独立的电流传感器、以及三个独立的电流调节器，导致其控制电路累赘、复杂，且调整困难、可靠性差，所以在业界极少被采用。现有技术中也有采用桥臂电流瞬时值来实现电流闭环控制的方案，但这种电流采样方案忽略了电动机绕组电感的续流作用，只是一种近似电流采样，由于续流电流在逆变电路和电动机绕组中形成内环流，所以无法在桥臂(母线)上得到采样，也就无法准确反馈流经电动机绕组并产生转矩的真实电流，进而无法实现转矩的精确控制；可见，这种方案会产生不能容忍的大值偏差，所以目前仅用于电流限定值的监测使用。

另一方面，在高性能伺服控制系统中，电流闭环、速度闭环和位置闭环控制通常都是必不可少的。而现有技术中又未能针对三相方波无刷直流电动机实现良好的电流闭环控制，所以在现有的高性能伺服控制系统中，通常不采用方波无刷永磁直流电动机，而是采用交流伺服电动机或正弦波无刷永磁直流电动机，其结果是控制系统复杂性大幅增高，且整体成本居高不下。

实用新型内容

针对现有技术的上述缺陷，本实用新型要解决现有技术中未能针对三相方波无刷直流电动机实现良好的电流闭环控制的问题，使方波无刷永磁直流电动机可得到更好的应用。

为了解决上述技术问题，本实用新型首先提供一种用于控制无刷直流电动机的逆变模块，包括与上桥臂连接的开关管Q1、Q3、Q5，与下桥臂连接的开关管关Q4、Q6、Q2，与所述各个开关管配合的续流二极管D1、D2、D3、D4、D5和D6；其中，所述开关管Q1、Q3、Q5的续流二极管D1、D3、D5的阴极独立于各自开关管的输入端且相互并联；所述开关管Q4、Q6、Q2的续流二极管D4、D6、D2的阳极独立于各自开关管的输出端且相互并联。

本实用新型中，可将上述用于控制无刷直流电动机的逆变模块制成集成电路芯片。具体实施时，还可仅将上桥臂的续流二极管D1、D3、D5的阴极独立于各自开关管的输入端且相互并联，形成第二种用于控制无刷直流电动机的逆变模块；或者仅将下桥臂的续流二极管D4、D6、D2的阳极独立于各自开关管的输出端且相互并联，形成第三种用于控制无刷直流电动机的逆变模块。

另一方面，对应于上述第一种用于控制无刷直流电动机的逆变模块，本实用新型提供一种无刷直流电动机控制系统，包括用于向所述三相电动机输出工作电源的逆变电路，以及用于检测所述三相电动机工作电流的电流传感器；所述逆变电路中包括与上桥臂连接的开关管Q1、Q3、Q5，与下桥臂连接的开关管关Q4、Q6、Q2，与所述各个开关管配合的续流二极管D1、D2、D3、D4、D5和D6；其中，所述电流传感器中包括三个匝数相同的采样线圈L1、L2、L3，三者绕制在同一铁芯上，在所述铁芯上还装有一个根据该铁芯的磁通变化而输出电流传感结果的传感元件；所述开关管Q1、Q3、Q5的续流二极管D1、D3、D5的阴极独立于各自开关管的输入端且相互并联至所述采样线圈L2的同名端，所述采样线圈L2的异名端与所述上桥臂连接；所述开关管Q4、Q6、Q2的续流二极管D4、D6、D2的阳极独立于各自开关管的输出端且相互并联至所述采样线圈L3的异名端，所述采样线圈L3的同名端与所述下桥臂连接；所述采样线圈L1串接于所述上桥臂中且其同名端与直流电源正极连接，或串接于所述下桥臂中且其异名端与直流电源负极连接。

本实用新型中，对应于上述第二种用于控制无刷直流电动机的逆变模块，可只设置两个采样线圈L1、L2，省略采样线圈L3，得到第二种控制系统方案；对应于上述第二种用于控制无刷直流电动机的逆变模块，可只设置两个采样线圈L1、L3，省略采样线圈L2，得到第三种控制系统方案。

本实用新型的无刷直流电动机控制系统中，所述用于输出电流传感结果的传感元件是一个线性霍尔元件。

本实用新型的无刷直流电动机控制系统中，所述线性霍尔元件的输出电压幅值作为电流反馈信号送到电流调节器，所述电流调节器的输出送至脉冲调制电路，所述脉冲调制电路的输出送至换相逻辑电路，所述换相逻辑电路的输出再送至前置驱动电路，所述前置驱动电路再向所述逆变电路中的各个开关管的控制端输出相应的驱动脉冲信号；所述逆变电路在所述驱动脉冲信号的控制下向三相电动机输出工作电源。

本实用新型的无刷直流电动机控制系统中，还包括装于所述直流电动机的转轴上的位置传感器，其输出信号送至位置/速度接口电路，所述位置/速度接口电路向速度调节器输出速度反馈电压，向位置调节器输出位置反馈电压，并向所述换相逻辑电路输出换向位置信号和电机方向信号；所述位置调节器根据位置给定电压和所述位置反馈电压，向所述速度调节器输出速度给定信号；所述速度调节器根据所述速度给定信号和速度反馈电压，向所述电流调节器输出电流给定信号；所述电流调节器根据所述电流给定信号和来自所述线性霍尔元件的电流反馈信号，向所述脉冲调制电路输出相应的控制信号；所述换相逻辑电路根据来自所述脉宽调制电路的脉冲信号、以及所述位置/速度接口的换向位置信号和电机方向信号，向所述前置驱动电路输出相应的控制脉冲。

本实用新型的无刷直流电动机控制系统中，所述三相方波无刷永磁直流电动机也可以是定子无铁芯直线三相方波无刷永磁直流电动机，或者是定子无铁芯旋转式三相方波无刷永磁直流电动机。

从上述技术方案可以看出，本实用新型解决了针对三相方波无刷直流电动机实现良好的电流闭环控制的问题，其中对传统逆变电路作了适当的改进，并采用一个合成电流传感器对所述电动机导通和续流时的三相电流进行完整、连续的采样，从而可通过单个电流闭环调节器对所述电动机的三相电流进行连续的闭环控制。本实用新型的方案可大幅提高所述电动机的动态和静态指标，本实用新型的三相方波无刷永磁直流电动机伺服控制系统可以用于多种数控系统中，例如数控机床、自动化生产线、机器人等高性能伺服控制场合，具有成本低、力能指标高等优点。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型一个优选实施例中的三相方波无刷永磁直流电动机的伺服控制系统的原理框图；

图2是本实用新型一个优选实施例中的电流传感器的结构示意图；

图3是本实用新型第一种逆变电路实施方案的示意图；

图4是本实用新型第二种逆变电路实施方案的示意图；

图5是本实用新型第三种逆变电路实施方案的示意图；

图6是图3中的开关管Q1、Q6导通时的工作状态示意图；

图7A是对图6中的上桥臂开关管Q1进行PWM调制时的脉冲波形图；

图7B是图6中的开关管Q1瞬时关断、Q6保持导通时的工作状态示意图；

图7C是对图6中的下桥臂开关管Q6进行PWM调制时的脉冲波形图；

图7D是图6中的开关管Q6瞬时关断、Q1保持导通时的工作状态示意图；

图7E是对图6中的开关管Q1、Q6进行PWM调制时的脉冲波形图；

图7F是图6中的开关管Q1、Q6同时关断后的工作状态示意图；

图8是仅对图3所示逆变电路方案中上桥臂进行PWM调制时的波形示意图；

图9是仅对图3所示逆变电路方案中下桥臂进行PWM调制时的波形示意图；

图10是同时对图3所示逆变电路方案中上、下桥臂进行PWM调制时的波形示意图；

图11是本实用新型一个优选实施例中的三相方波无刷永磁直流电动机的位置伺服控制系统的原理框图；

图12是图11所示伺服控制系统的阶跃响应波形；

图13是本实用新型一个优选实施例中的三相方波无刷永磁直流电动机力矩伺服控制系统的原理框图；

图14是图13所示系统的力矩示意图；

图15、图16、图17分别是从图3、图4、图5中得出的逆变模块的电路图。

具体实施方式

本实用新型的一个优选实施例中，提供了一种三相方波无刷永磁直流电动机的伺服控制系统，其原理如图1所示。从图中可以看出，该控制系统中包括三相桥逆变电路101，与逆变桥连接的电流传感器102，对电流传感器的传感信号进行转换的电流转换器112，依次连接的电流调节器108、PWM调制电路103、以及前置驱动电路107。其中，三相桥逆变电路101向三相方波无刷永磁直流电动机105输出工作电源。电流转换器由线性霍尔元件106输出传感信号。

如图2所示，本实用新型的一个优选实施例中，所述电流传感器包括三个匝数相同的采样线圈L1、L2、L3，三者绕制在同一铁芯201上，在该铁芯上还装有一个根据该铁芯的磁通变化而输出电流传感结果的传感元件，它是一个线性霍尔元件202。图中带星号(*)的为各个采样线圈的同名端，可见，三个采样线圈是按相同方向绕在该铁芯上的，因此，该电流传感器中的线性霍尔元件检测到的是三个采样线圈中电流的矢量和。

其中，线性霍尔元件的工作温度范围是-45°～+125°。线性霍尔元件的输出会随三个采样线圈中电流的矢量和的变化而围绕中心值作线性变化。当三个采样线圈中电流的矢量和为零时，线性霍尔元件202的输出为其外加电压的1/2；当电流的矢量和大于零时，线性霍尔元件的输出线性增加；当电流的矢量和小于零时，线性霍尔元件的输出线性减小。由后面的描述可知，这种变化反应了无刷电动机的真实电流的大小和方向，所以本实用新型对于无刷电动机的四象限运行中的电流检测都是有效的。

如图3所示，本实用新型的一个优选实施例中，所述逆变电路中包括与上桥臂连接的开关管Q1、Q3、Q5，与下桥臂连接的开关管关Q4、Q6、Q2，与各个开关管配合的续流二极管D1、D2、D3、D4、D5和D6。

从图3可以看出，开关管Q1、Q3、Q5的续流二极管D1、D3、D5的阴极独立于各自开关管的输入端且相互并联，再经采样线圈L2的同名端、异名端而与上桥臂连接；而开关管Q4、Q6、Q2的续流二极管D4、D6、D2的阳极则独立于各自开关管的输出端且相互并联，再经采样线圈L3的异名端、同名端而与下桥臂连接；采样线圈L1则串接于上桥臂上，其同名端接电源正极。可见，每个采样线圈一方面绕制于铁芯上，另一方面又接入逆变电路中。其中，采样线圈L1、L2、L3的电感值相对于电动机绕组很小，其线圈电感的续流效应可以忽略。

从后面的描述中可以看出，针对采样线圈L1、L2、L3，正常工作时，任一时刻电流仅流过其中一个采样线圈，且都是从同名端进，异名端出。再结合图2所示连接方式，可保证从各个采样线圈L1、L2、L3的同名端流入的电流在铁芯中产生相同方向的磁通。具体实施时，可将图3的采样线圈L1、L2、L3全部反向连接，即同名端与异名端调换；或者是将采样线圈L1反向后串接于下桥臂，采样线圈L2、L3则保持不变；这两种变换方式都可保证从各个采样线圈L1、L2、L3的同名端流入的电流在铁芯中产生相同方向的磁通，最终确保电流传感器中的线性霍尔元件检测到的是三个采样线圈中电流的矢量和。

(1)电流仅流过采样线圈L1的情况

在图3中，针对上桥臂开关管Q1、Q3、Q5和下桥臂开关管Q4、Q6、Q2中，任何一组开关管导通时，电流仅仅通过采样线圈L1，不会流经其他采样线圈；正常情况，该电流正比于电动机的力矩；非正常情况下，例如Q1和Q4直通时，该直通电流也能被采样线圈L1检测到，进而可实现限制或保护。

正常工作时，任一个上桥臂开关管加上一个与之无直接连接的下桥臂开关管，构成一个导通组。对于图3所示的逆变电路，当开关管Q1、Q6导通时，其电流方向如图6中的实粗线所示，此时，电流i1从采样线圈L1的同名端进入，再依次流过开关管Q1、电动机a相绕组、电动机b相绕组、开关管Q6。可见，此时的电流仅流过采样线圈L1。同样，当Q1和Q2导通、Q3和Q4导通、Q3和Q6导通、Q5和Q4导通、Q5和Q6导通时，电流仅流过采样线圈L1，不会流过另两个采样线圈L2、L3此时的电路电压方程为：

$U_{\mathrm{dc}}=(L_1+L_a+L_b)\frac{{\mathrm{di}}_1}{\mathrm{dt}}+(R_a+R_b)i_1+E_a-E_b.$

(2)电流仅流过采样线圈L3的情况

针对图6所示的开关管Q1与Q6导通的状态，当对开关管Q1进行PWM调制时，两个开关管的控制脉冲如图7A所示，在开关管Q1被关断后(即图7A中的t2时段)，由于电动机绕组电感的作用，电流不会直接跳变为零，而是按图7B中粗实线所示线路进行续流。从图中可以看出，续流电流i2通过Q6流入采样线圈L3的同名端，再依次流过续流二极管D4、电动机a相绕组、电动机b相绕组，形成回路。此时，电流流过采样线圈L3，不会流过另两个采样线圈L1、L2。同样，在任一组开关管的导通周期内，如果对其中的上桥臂开关管进行PWN调制，在上桥臂开关管被关断的瞬间，续流电流仅流过采样线圈L3，不会流过另两个采样线圈L1、L2。此时电路方程为：

$E_b-E_a=(R_a+R_b)i_2+(L_a+L_b+L_2)\frac{d{i}_2}{\mathrm{dt}}$

(3)电流仅流过采样线圈L2的情况

针对图6所示的开关管Q1与Q6导通的状态，当对开关管Q6进行PWM调制时，两个开关管的控制脉冲如图7C所示，在开关管Q6被关断后(即图7C中即t2时段)，由于电动机绕组电感的作用，电流不会直接跳变为零，此时会依次流经Q1、电动机a相绕组、电动机b相绕组、续流二极管D3、再经采样线圈L2的同名端回到Q1，形成回路，如图7D所示。此时，电流流过采样线圈L2，不会流过另两个采样线圈L1、L3。同样，在任一组开关管的导通周期内，如果对其中的下桥臂开关管进行PWN调制，在下桥臂开关管被关断的瞬间，续流电流仅流过采样线圈L2，不会流过另两个采样线圈L1、L3。

从上述第(1)、第(2)、第(3)这三种情况可以看出，该电流传感器可检测到正常导通时的电流，也可检测PWM调制期间的续流电流。任一时刻检测的都是三相无刷永磁直流电动机的真实电流，且适用于任何脉冲调制方法，具有通用性。

(4)仅对下桥臂开关管进行PWM调制

从上述第(3)种情况可以看出，当仅对下桥臂开关管进行脉宽调制时，续流电流仅流过采样线圈L2，不会流过另两个采样线圈L1、L3。如果始终使用这种控制方式，则正常导通时电流流过采样线圈L1，仅对下桥臂开关管调制工作时电流流过采样线圈L2，因此可以省略图2中的采样线圈L3，相应地，得到图4所示的逆变电路，与图3对比可以看出，图4中的续流二极管D4、D6、D2保持常规连接方式，也就是将各续流二极管的阳极连接到各个开关管的输出端。

可见，对于图3和图4所示电路，都可采用仅对下桥臂开关管进行脉宽调制的方式，此时的相关波形如图8所示，其中Ea、Eb、Ec为电动机三个绕组的反电势，H为上桥臂开关管的驱动脉冲，L为下桥臂开关管的驱动脉冲。在图8所示的实施例中，对于每一个下桥臂开关管的120°导通角，仅对其中后60°进行PWM调制。具体实施时，也可将PWM调制的时间增大或减小。

(5)仅对上桥臂开关管进行PWM调制

从上述第(2)种情况可以看出，当仅对上桥臂开关管进行脉宽调制时，续流电流仅流过采样线圈L3，不会流过另两个采样线圈L1、L2。如果始终使用这种控制方式，则正常导通时电流流过采样线圈L1，仅对上桥臂开关管调制工作时电流流过采样线圈L3，因此可以省略图2中的采样线圈L2，相应地，得到图5所示的逆变电路，与图3对比可以看出，图5中的续流二极管D1、D3、D5保持常规连接方式。

可见，对于图3和图5所示电路，都可采用仅对上桥臂开关管进行脉宽调制的方式，此时的相关波形如图9所示。在图9所示的实施例中，对于每一个上桥臂开关管的120°导通角，仅对其中前60°进行PWM调制。具体实施时，也可将PWM调制的时间增大或减小。

(6)同时对上桥臂开关管进行PWM调制

对于图3所示电路，由于其中有三个采样线圈L1、L2、L3，在任一组开关管的导通周期内，可先对上桥臂开关管进行脉宽调制，再对下桥臂开关管进行脉宽调制，或者反之。

在调制过程中，最好能确保在对一个开关管进行脉宽调制时，另一个开关管应保持恒通。如果调制脉冲如图7E所示，两个开关管会同时关断，此时会产生如图7F所示的情况，由二极管D3、D4导通进行续流，电流从采样线圈L2的同名端流入，然后进入采样线圈L1的非同名端，再流经电源Udc后(此时可对电池性直流电源充电，或对与电源并联的电容进行充电)，进入采样线圈L3的同名端，可见，此时续流电流经过采样线圈L1、L2、L3。由于此时的电流回路中，采样线圈L1和L2是反向的，两者电流相同，方向相反，在铁芯中所产生的磁通正好抵消；实际效果仍相当于电流仅流过了采样线圈L3。

如果确保在对一个开关管进行脉宽调制时，另一个开关管应保持恒通，则在任一组开关管的导通周期内，当两者同时导通时，电流仅经过采样线圈L1；当对下桥臂开关管进行脉宽调制时，电流仅经过采样线圈L2；当对上下桥臂开关管进行脉宽调制时，电流仅经过采样线圈L3。可见，对于图3所示电路，可分别出现上述第(1)、第(2)、第(3)这三种情况。此时的相关波形如图10所示。在图10所示的实施例中，对于每一个开关管的120°导通角，仅对其中前30°和后30°导通角进行PWM调制。

前面描述了图3、图4和图5三种逆变电路的实施例，针对图3，可同时实施第(4)、第(5)、第(6)这三种控制方式；针对图4，则只可实施第(4)种控制方式，即仅对下桥臂开关管进行PWM调制；针对图5，则只可实施第(5)种控制方式，即仅对上桥臂开关管进行PWM调制。

另一方面，针对图3所示电路，可去除外围元件后，得到图15所示的电路，将其制成集成电路(芯片)，即可得到一个用于控制无刷直流电动机的逆变模块。其中，上桥臂和下桥臂分别连接至第一、第二管脚P1、P2；续流二极管D1、D3、D5的阴极独立于各自开关管的输入端且相互并联到第三管脚P3；续流二极管Q4、Q6、Q2的阳极独立于各自开关管的输出端且相互并联到第四管脚P4；逆变电路的三个输出端分别连接至第五、第六、第七管脚P5、P6、P7；开关管Q1至Q6的控制端分别连接至第八至第十三管脚P8-P13。

同样，针对图4所示电路，可去除外围元件后，得到图16所示的电路，将其制成集成电路，即可得到另一种用于控制无刷直流电动机的逆变模块。针对图5所示电路，通过去除外围元件后，可得到图17所示的电路，将其制成集成电路，即可得到另一种用于控制无刷直流电动机的逆变模块。

图11是本实用新型一个优选实施例中的三相方波无刷永磁直流电动机的位置伺服控制系统的原理框图，其中，电流传感器(未在图中画出)的线性霍尔元件的输出电压幅值作为电流反馈信号送到电流调节器108，电流调节器的输出送至脉冲调制电路103，脉冲调制电路的输出送至换相逻辑电路104，换相逻辑电路的输出再送至前置驱动电路107，前置驱动电路再向逆变电路101中的各个开关管的控制端输出相应的驱动脉冲信号；逆变电路在驱动脉冲信号的控制下向三相电动机105输出工作电源。

为了实现位置/速度闭环控制，在所述直流电动机的转轴上装有位置传感器115，其输出信号送至位置/速度接口电路111，位置/速度接口电路向速度调节器109输出速度反馈电压，向位置调节器110输出位置反馈电压，并向换相逻辑电路114输出换向位置信号和电机方向信号。

其中，位置调节器110根据位置给定电压(从图中右下角输入)和所述位置反馈电压，向速度调节器109输出速度给定信号；速度调节器根据速度给定信号和速度反馈电压，向电流调节器108输出电流给定信号；电流调节器根据电流给定信号和来自线性霍尔元件的电流反馈信号，向脉冲调制电路103输出相应的控制信号；换相逻辑电路114则根据来自所述脉宽调制电路的脉冲信号、以及来自所述位置/速度接口111的换向位置信号和电机方向信号，向前置驱动电路输出相应的控制脉冲。

本实施例中，通过电流调节器108，速度调节器109和位置调节器110实现三相方波无刷永磁直流电动机位置伺服控制；无刷永磁直流电动机的功率为150W，减速比100∶1，输出扭矩15N.m，图12是该系统的阶跃响应波形，图中方波那一条为位置给定曲线，另一条为跟踪结果曲线，当位置给定发生阶跃变化时，只需要30-60毫秒即可实现准确的跟踪，每一次位置给定发生阶跃变化时，两条曲线能迅速重合，可其位置跟踪特性非常优良。

具体应用时，其中的电动机也可采用定子无铁芯直线三相方波无刷永磁直流电动机，由于这种电动机从原理上具有更平坦的相电流和气隙磁场近似方波波形，同时也就具有更平坦的力矩波形，从而有利于实现精密位置伺服控制。

此外，其中的电动机还可采用定子无铁芯旋转式三相方波无刷永磁直流电动机。

本实用新型实施例中的三相方波无刷永磁直流电动机位置伺服控制系统，与现有技术中用交流伺服电动机构成的位置伺服控制系统相比，有很大优势，主要体现在：

(a)由于方波的平均值比正弦波大，所以本实用新型电机系统的力能指标提高约33％。这意味着实现同样功能时，电动机的体积、重量和价格可相应下降33％。

(b)方波驱动控制电路相对简单，成本通常只有交流伺服系统的50％。

(c)力矩波动指标相当，特别当采用定子无铁芯三相方波无刷永磁直流电动机时，其力矩波动指标甚至会更好。

(d)方波无刷永磁直流电动机的制造成本通常比交流伺服电动机低30％左右。

(e)方波无刷永磁直流电动机构成的位置伺服控制系统具有更好的伺服刚度和动态响应特性

图13是本实用新型一个优选实施例中的三相方波无刷永磁直流电动机的力矩伺服控制系统的原理框图，它与图11的区别在于，没有其中的速度调节器和位置调节器，而是直接向电流调节器输入一个由力矩给定信号，进而实现所需的力矩控制。本实施例中，采用定子无铁心无刷永磁直流电动机。由于这种电动机从原理上具有更平坦的相电流和气隙磁场，近似方波波形，同时也就具有更平坦的力矩波形，该电动机的额定输出力矩为0.1Nm，额定转速6000rpm，图14是该力矩控制系统的力矩跟踪波形，其中力矩给定为正弦曲线，跟踪结果也为平滑的正弦曲线，两者基本完全重合，可见其跟踪特性非常优良。

由上述实施例可以看出，本实用新型提出了对方波无刷永磁直流电动机的实现电流闭环控制的新方案，并可进一步构成高性能伺服控制系统。本实用新型采用单个合成电流传感器对电动机导通和续流时的三相电流进行完整和连续的采样，并由单个电流闭环调节器对三相电流进行连续的闭环控制，从而大幅提高了电动机的动态和静态指标。这种方波无刷永磁直流电动机构成的高性能伺服控制系统可以在多种数控系统中使用，与现今工业应用的主流系统相比，成本降低50％、力能指标提高33％。

Claims (10)

1、一种用于控制无刷直流电动机的逆变模块，包括与上桥臂连接的开关管Q1、Q3、Q5，与下桥臂连接的开关管关Q4、Q6、Q2，与所述各个开关管配合的续流二极管D1、D2、D3、D4、D5和D6；其特征在于，

所述开关管Q1、Q3、Q5的续流二极管D1、D3、D5的阴极独立于各自开关管的输入端且相互并联；

所述开关管Q4、Q6、Q2的续流二极管D4、D6、D2的阳极独立于各自开关管的输出端且相互并联。

2、一种用于控制无刷直流电动机的逆变模块，包括与上桥臂连接的开关管Q1、Q3、Q5，与下桥臂连接的开关管关Q4、Q6、Q2，与所述各个开关管配合的续流二极管D1、D2、D3、D4、D5和D6；其特征在于，

所述开关管Q1、Q3、Q5的续流二极管D1、D3、D5的阴极独立于各自开关管的输入端且相互并联。

3、一种用于控制无刷直流电动机的逆变模块，包括与上桥臂连接的开关管Q1、Q3、Q5，与下桥臂连接的开关管关Q4、Q6、Q2，与所述各个开关管配合的续流二极管D1、D2、D3、D4、D5和D6；其特征在于，

所述开关管Q4、Q6、Q2的续流二极管D4、D6、D2的阳极独立于各自开关管的输出端且相互并联。

4、一种无刷直流电动机控制系统，包括用于向所述三相电动机输出工作电源的逆变电路，以及用于检测所述三相电动机工作电流的电流传感器；所述逆变电路中包括与上桥臂连接的开关管Q1、Q3、Q5，与下桥臂连接的开关管关Q4、Q6、Q2，与所述各个开关管配合的续流二极管D1、D2、D3、D4、D5和D6；其特征在于，

所述电流传感器中包括三个匝数相同的采样线圈L1、L2、L3，三者绕制在同一铁芯上，在所述铁芯上还装有一个根据该铁芯的磁通变化而输出电流传感结果的传感元件；

所述开关管Q1、Q3、Q5的续流二极管D1、D3、D5的阴极独立于各自开关管的输入端且相互并联至所述采样线圈L2的同名端，所述采样线圈L2的异名端与所述上桥臂连接；

所述开关管Q4、Q6、Q2的续流二极管D4、D6、D2的阳极独立于各自开关管的输出端且相互并联至所述采样线圈L3的异名端，所述采样线圈L3的同名端与所述下桥臂连接；

所述采样线圈L1串接于所述上桥臂中且其同名端与直流电源正极连接，或串接于所述下桥臂中且其异名端与直流电源负极连接。

5、一种无刷直流电动机控制系统，包括用于向所述三相电动机输出工作电源的逆变电路，以及用于检测所述三相电动机工作电流的电流传感器；所述逆变电路中包括与上桥臂连接的开关管Q1、Q3、Q5，与下桥臂连接的开关管关Q4、Q6、Q2，与所述各个开关管配合的续流二极管D1、D2、D3、D4、D5和D6；其特征在于，

所述电流传感器中包括两个匝数相同的采样线圈L1、L2，两者绕制在同一铁芯上，在所述铁芯上还装有一个根据该铁芯的磁通变化而输出电流传感结果的传感元件；

所述开关管Q1、Q3、Q5的续流二极管D1、D3、D5的阴极独立于各自开关管的输入端且相互并联至所述采样线圈L2的同名端，所述采样线圈L2的异名端与所述上桥臂连接；

所述采样线圈L1串接于所述上桥臂中且其同名端与直流电源正极连接，或串接于所述下桥臂中且其异名端与直流电源负极连接。

6、一种无刷直流电动机控制系统，包括用于向所述三相电动机输出工作电源的逆变电路，以及用于检测所述三相电动机工作电流的电流传感器；所述逆变电路中包括与上桥臂连接的开关管Q1、Q3、Q5，与下桥臂连接的开关管关Q4、Q6、Q2，与所述各个开关管配合的续流二极管D1、D2、D3、D4、D5和D6；其特征在于，

所述电流传感器中包括两个匝数相同的采样线圈L1、L3，两者绕制在同一铁芯上，在所述铁芯上还装有一个根据该铁芯的磁通变化而输出电流传感结果的传感元件；

所述开关管Q4、Q6、Q2的续流二极管D4、D6、D2的阳极独立于各自开关管的输出端且相互并联至所述采样线圈L3的异名端，所述采样线圈L3的同名端与所述下桥臂连接；

所述采样线圈L1串接于所述上桥臂中且其同名端与直流电源正极连接，或串接于所述下桥臂中且其异名端与直流电源负极连接。

7、根据权利要求4-6中任一项所述的无刷直流电动机控制系统，其特征在于，所述用于输出电流传感结果的传感元件是一个线性霍尔元件。

8、根据权利要求7所述的无刷直流电动机控制系统，其特征在于，

所述线性霍尔元件的输出电压幅值作为电流反馈信号送到电流调节器，

所述电流调节器的输出送至脉冲调制电路，

所述脉冲调制电路的输出送至换相逻辑电路，

所述换相逻辑电路的输出再送至前置驱动电路，

所述前置驱动电路再向所述逆变电路中的各个开关管的控制端输出相应的驱动脉冲信号；

所述逆变电路在所述驱动脉冲信号的控制下向三相电动机输出工作电源。

9、根据权利要求8所述的无刷直流电动机控制系统，其特征在于，还包括装于所述直流电动机的转轴上的位置传感器，其输出信号送至位置/速度接口电路，所述位置/速度接口电路向速度调节器输出速度反馈电压，向位置调节器输出位置反馈电压，并向所述换相逻辑电路输出换向位置信号和电机方向信号；

所述位置调节器根据位置给定电压和所述位置反馈电压，向所述速度调节器输出速度给定信号；所述速度调节器根据所述速度给定信号和速度反馈电压，向所述电流调节器输出电流给定信号；所述电流调节器根据所述电流给定信号和来自所述线性霍尔元件的电流反馈信号，向所述脉冲调制电路输出相应的控制信号；

所述换相逻辑电路根据来自所述脉宽调制电路的脉冲信号、以及所述位置/速度接口的换向位置信号和电机方向信号，向所述前置驱动电路输出相应的控制脉冲。

10、根据权利要求9所述的无刷直流电动机控制系统，其特征在于，所述方波无刷永磁直流电动机是定子无铁芯直线三相方波无刷永磁直流电动机，或者是定子无铁芯旋转式三相方波无刷永磁直流电动机。

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