CN201918896U - 改善开关磁阻电机及直流电机工作电流的控制电路 - Google Patents

Abstract

改善开关磁阻电机及直流电机工作电流的控制电路，包括第一晶体管T1、第二晶体管T2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、电解电容C、第一驱动电路、第二驱动电路、电感L；其特征在于：还包括一信号互锁电路；信号互锁电路包括信号输入端子Pin、第一、二信号输出端子Pout1、Pout2。其优点是：它对输出电流的交流成分进行了有效地减小，将其有效的直流成分大幅度提高，解决了工作电机的发热问题，提高了电机转换效率。

Description

改善开关磁阻电机及直流电机工作电流的控制电路

技术领域

本实用新型属于电机控制领域，具体涉及一种改善开关磁阻电机及直流电机工作电流的控制电路。

背景技术

在对直流调速电机、开关磁阻电机的控制中，理想状态的电流波形为完全标准的直流，从示波器上反应出来，其波形应该为一条直线。但受实际电路的制约，是不可能做到的，只能通过一些控制方式，使叠加在直流上的交流成分降至最小，使实际电流尽量接近理想直流电流。

现有技术中，一般采用高频控制方式，使实际电流更接近理想电流。具体控制电路如图1所示：由第一晶体管T1、第三晶体管T3组成的第一级放大电路与由第二晶体管T2、第四晶体管T4组成的第二级放大电路之间接入电感L；第一驱动电路接入第一晶体管T1的基极与发射极，第二驱动电路接入第二晶体管T2的基极与发射极，第三驱动电路接入第三晶体管T3的基极与发射极，第四驱动电路接入第四晶体管T4的基极与发射极；第一晶体管T1的发射极接第一二极管D1的负极，集电极接第一二极管D1的正极；第二晶体管T2的发射极接第二二极管D2的负极，集电极接第二二极管D2的正极；第三晶体管T3的发射极接第三二极管D3的负极，集电极接第三二极管D3的正极；第四晶体管T4的发射极接第四二极管D4的负极，集电极接第四二极管D4的正极；电解电容C并接于放大电路的输出端。

上述电路为桥式主电路结构，该结构既可以控制流经电感L的电流大小，又可以控制流经电感L的方向，是通用的电机主控制电路结构。在单方向控制的情况下，第一晶体管T1、第四晶体管T4或第二晶体管T2、第三晶体管T3两组中的其中一组始终处于关断状态，在正常工作时，仅用到该组的二极管。其工作过程为(以T2、T3始终关闭为例)：在开通阶段，T1、T4同时打开，电感L两端电压为U，电流从C正端流出，经T1，从电感L左端流入，从右端流出，经T4，到电容C负极；在关断阶段，T1、T4同时关断，根据电感特性，其电流不能突变，所以，电流方向不变，通过D2、D3向电容C充电。电流从电感L左端流入，从右端流出，经过D3流向向电容C正极，从电容负端输出，经D2，流回电感L左端，形成充电回路，其电流波形如图2所示。其中，纵轴为电机电感上的电流，横轴为时间轴。t1为开通阶段时间，t2为关断阶段时间。I1最大峰值电流，I2为最小峰值电流。其直流平均值可近似简化为：Iz＝(I1+I2)/2；其交流成分可近似等效为：Ij＝(I1-I2)/2。

在实际应用中，发挥有效作用的是Iz，对于Ij来说，理想值是0。上述的高频控制电路虽然对输出电流的交流成分Ij有所减小，有效直流成分Iz有所提高，但还是存在交流成分Ij过高引起电机发热、降低电机转换效率的问题。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种抑制输出电流的交流成分、提高直流成分，避免电机发热、提供电机转换效率的改善开关磁阻电机及直流电机工作电流波形的控制电路。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：改善开关磁阻电机及直流电机工作电流的控制电路，包括第一晶体管T1、第二晶体管T2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、电解电容C、第一驱动电路、第二驱动电路、电感L；其中，所述第一晶体管T1的发射极与所述第二晶体管T2集电极之间接入所述电感L；所述第一驱动电路接入第一晶体管T1的基极与发射极，所述第二驱动电路接入第二晶体管T2的基极与发射极；

所述第一晶体管T1的发射极与所述第一二极管D1的负极、第三二极管D3的正极相连接，集电极与第一二极管D1和第二二极管D2的正极相连接；

所述第二晶体管T2的发射极与第三二极管D3和第四二极管D4的负极相连接，集电极与第四二极管D4的正极、第二二极管D2的负极相连接；

所述电解电容C的正极与所述第一晶体管T1的集电极相连接，负极与所述第二晶体管T2的发射极相连接；其特征在于：还包括一信号互锁电路；所述信号互锁电路包括一信号输入端子Pin、第一信号输出端子Pout1、第二信号输出端子Pout2；所述第一信号输出端子Pout1连接所述第二驱动电路的输入端Sin，所述第二信号输出端子Pout2连接所述第一驱动电路的输入端Sin。

优选的，所述信号互锁电路还包括第一与非门电路M1、第二与非门电路M2、第三与非门电路M3、触发器M4；所述信号输入端子Pin分别连接所述触发器M4的时钟输入端CK端、第一与非门电路M1的两个输入端，所述触发器M4的时钟输入端CK端和负状态输出端-Q端连接，并连接到所述第三与非门电路M3的一输入端，第一与非门电路M1的输出端分连接到第三与非门电路M3的另一输入端、第二与非门电路M2的一输入端，第二与非门电路M2的另一输入端连接所述触发器M4的正状态输出端Q端；第二与非门电路M2的输出端即为第一信号输出端子Pout1，第三与非门电路M3的输出端即为第二信号输出端子Pout2。

优选的，所述信号互锁电路还包括微处理器MCU；所述微处理器MCU相应端子分别作为所述信号输入端子Pin、第一信号输出端子Pout1、第二信号输出端子Pout2。。

优选的，所述第一晶体管T1、第二晶体管T2均为大电流IGBT绝缘珊门极双极型晶体管；所述第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4均为FWD快恢复二极管；所述电解电容C为铝电解电容；所述第一驱动电路、第二驱动电路均为IGBT模块专用驱动电路模块；所述第一与非门电路M1、第二与非门电路M2、第三与非门电路M3采用集成电路CD4011、74HC11或74LS11；所述触发器M4为D型触发器，采用集成电路CD4013、74HC13或74LS13。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型对输出电流的交流成分可以进行有效地减小，而将其有效的直流成分大幅度提高，从而解决了工作电机的发热问题，大大提高了电机转换效率。

附图说明

图1是现有技术的电原理结构图；

图2是现有技术的输出电流波形图；

图3是本实用新型实施例一的电原理结构图；

图4是本实用新型实施例二的电原理结构图；

图5是本实用新型的输出电流波形图。

图中标记为：

1、第一驱动电路；2、第二驱动电路；3、信号互锁电路。

具体实施方式

下面结合附图实施例，对本实用新型做进一步描述：

实施例一

如图3、5所示，改善开关磁阻电机及直流电机工作电流的控制电路，包括第一晶体管T1、第二晶体管T2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、电解电容C、第一驱动电路、第二驱动电路、电感L；其中，所述第一晶体管T1的发射极与所述第二晶体管T2集电极之间接入所述电感L；所述第一驱动电路接入第一晶体管T1的基极与发射极，所述第二驱动电路接入第二晶体管T2的基极与发射极；

所述第一晶体管T1的发射极与所述第一二极管D1的负极、第三二极管D3的正极相连接，集电极与第一二极管D1和第二二极管D2的正极相连接；

所述第二晶体管T2的发射极与第三二极管D3和第四二极管D4的负极相连接，集电极与第四二极管D4的正极、第二二极管D2的负极相连接；

所述电解电容C的正极与所述第一晶体管T1的集电极相连接，负极与所述第二晶体管T2的发射极相连接；还包括一信号互锁电路；所述信号互锁电路包括一信号输入端子Pin、第一信号输出端子Pout1、第二信号输出端子Pout2；所述第一信号输出端子Pout1连接所述第二驱动电路的输入端Sin，所述第二信号输出端子Pout2连接所述第一驱动电路的输入端Sin。

所述信号互锁电路还包括第一与非门电路M1、第二与非门电路M2、第三与非门电路M3、触发器M4；所述信号输入端子Pin分别连接所述触发器M4的时钟输入端CK端、第一与非门电路M1的两个输入端，所述触发器M4的时钟输入端CK端和负状态输出端-Q端连接，并连接到所述第三与非门电路M3的一输入端，第一与非门电路M1的输出端分连接到第三与非门电路M3的另一输入端、第二与非门电路M2的一输入端，第二与非门电路M2的另一输入端连接所述触发器M4的正状态输出端Q端；第二与非门电路M2的输出端即为第一信号输出端子Pout1，第三与非门电路M3的输出端即为第二信号输出端子Pout2。

所述第一晶体管T1、第二晶体管T2均为大电流IGBT绝缘珊门极双极型晶体管；所述第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4均为FWD快恢复二极管；所述电解电容C为铝电解电容；所述第一驱动电路、第二驱动电路均为IGBT模块专用驱动电路模块；所述第一与非门电路M1、第二与非门电路M2、第三与非门电路M3采用集成电路CD4011、74HC11或74LS11；所述触发器M4为D型触发器，采用集成电路CD4013、74HC13或74LS13。

实施例二

如图4、5所示，改善开关磁阻电机及直流电机工作电流的控制电路，包括第一晶体管T1、第二晶体管T2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、电解电容C、第一驱动电路、第二驱动电路、电感L；其中，所述第一晶体管T1的发射极与所述第二晶体管T2集电极之间接入所述电感L；所述第一驱动电路接入第一晶体管T1的基极与发射极，所述第二驱动电路接入第二晶体管T2的基极与发射极；

所述第一晶体管T1的发射极与所述第一二极管D1的负极、第三二极管D3的正极相连接，集电极与第一二极管D1和第二二极管D2的正极相连接；

所述第二晶体管T2的发射极与第三二极管D3和第四二极管D4的负极相连接，集电极与第四二极管D4的正极、第二二极管D2的负极相连接；

所述电解电容C的正极与所述第一晶体管T1的集电极相连接，负极与所述第二晶体管T2的发射极相连接；还包括一信号互锁电路；所述信号互锁电路包括一信号输入端子Pin、第一信号输出端子Pout1、第二信号输出端子Pout2；所述第一信号输出端子Pout1连接所述第二驱动电路的输入端Sin，所述第二信号输出端子Pout2连接所述第一驱动电路的输入端Sin。

所述信号互锁电路还包括微处理器MCU；所述微处理器MCU相应端子分别作为所述信号输入端子Pin、第一信号输出端子Pout1、第二信号输出端子Pout2。

所述第一晶体管T1、第二晶体管T2均为大电流IGBT绝缘珊门极双极型晶体管；所述第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4均为FWD快恢复二极管；所述电解电容C为铝电解电容；所述第一驱动电路、第二驱动电路均为IGBT模块专用驱动电路模块；所述第一与非门电路M1、第二与非门电路M2、第三与非门电路M3采用集成电路CD4011、74HC11或74LS11；所述触发器M4为D型触发器，采用集成电路CD4013、74HC13或74LS13。本实用新型工作原理和工作过程如下：

如图3、4、5所示，在开通阶段，与通用电路是一样的：第一晶体管T1、第二晶体管T2同时打开，电感L两端电压为U，电流从电解电容C的正端流出，经第一晶体管T1，从电感L左端流入，从右端流出，经第二晶体管T2，到电解电容C负极；

在关断阶段，与现有技术不同。第一晶体管T1、第二晶体管T2不是同时关断的，而是仅关断第一晶体管T1或第二晶体管T2，而另外一个是导通的。

在第一晶体管T1关断时，第二晶体管T2是开通的。电感L中的电流有两条回路：一、从电感L左端流入，右端流出，经第二晶体管T2，到第二二极管D2，再流入电感L左端；二、从电感L左端流入，右端流出，经第三二极管D3，到电解电容C的正极，从负极流出，经第二二极管D2，再流入电感L左端。

在第二晶体管T2关断时，第一晶体管T1是开通的。电感L中的电流有两条回路：一、从电感L左端流入，右端流出，经第三二极管D3，到第一晶体管T1，再流入电感L左端；二、从电感L左端流入，右端流出，经第三二极管D3，到电解电容C正极，从负极流出，经第二二极管D2，再流入电感L左端。

其电流波形如图5所示。其中，纵轴为电机电感上的电流，横轴为时间轴。t11为开通阶段时间，t21为关断阶段时间。I11最大峰值电流，I21为最小峰值电流。

其直流平均值可近似简化为：Iz1＝(I11+I21)/2；其交流成分可近似等效为：Ij1＝(I11-I21)/2。

然而，在现有技术的控制方式下，其直流平均值可近似简化为：Iz＝(I1+I2)/2；其交流成分可近似等效为：Ij＝(I1-I2)/2。I1最大峰值电流，I2为最小峰值电流。

具体计算如下：

在现有技术的控制方式下，在放电阶段t2，放电时间常数为：τ1＝L/(RL+RD3+RC+RD2)，其中，L为电机线圈电感量，RL为电机线圈L内阻，RD3，RD2，RC分别为快恢复二极管D3，D2电容C内阻，线路电阻很小，在此忽略不计。

在本实用新型的控制方式下，在放电阶段t2，放电时间常数为：τ2＝L/((RL+RD3+RT1∥(RC+RD2))，其中，L为电机线圈电感量，RL为电机线圈L内阻，RD3，RD2，RC，RT1分别为快恢复二极管D3，D2电容C，IGBT芯片T1的内阻，线路电阻很小，在此忽略不计。

综合比较上述τ1、τ2的表达式，因为：RT1∥(RC+RD2)＜(RC+RD2)，故：τ1＜τ2

从图2或图5中可以看出，时间常数τ越大，表示电流下降速度越慢，在I1＝I11，t2不变的情况下，I2＜I21。

综述可见：Iz1＞Iz；Ij1＜Ij。

本实用新型的控制方式通过控制第一晶体管T1、第二晶体管T2的导通方式，大大减小了交流成分Ij，提高了有效直流成分Iz，从而减小了电机发热，大大提高了电机转换效率。亦即，在主电路结构及载波频率不变的情况下，仅仅通过该专利控制方式，就达到了增大有效的直流电流，降低导致电机发热的交流成分的目的。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.改善开关磁阻电机及直流电机工作电流的控制电路，包括第一晶体管(T1)、第二晶体管(T2)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、电解电容(C)、第一驱动电路(1)、第二驱动电路(2)、电感(L)；其中，所述第一晶体管(T1)的发射极与所述第二晶体管(T2)集电极之间接入所述电感(L)；所述第一驱动电路接入第一晶体管(T1)的基极与发射极，所述第二驱动电路接入第二晶体管(T2)的基极与发射极；

所述第一晶体管(T1)的发射极与所述第一二极管(D1)的负极、第三二极管(D3)的正极相连接，集电极与第一二极管(D1)和第二二极管(D2)的正极相连接；

所述第二晶体管(T2)的发射极与第三二极管(D3)和第四二极管(D4)的负极相连接，集电极与第四二极管(D4)的正极、第二二极管(D2)的负极相连接；

所述电解电容(C)的正极与所述第一晶体管(T1)的集电极相连接，负极与所述第二晶体管(T2)的发射极相连接；其特征在于：还包括一信号互锁电路(3)；所述信号互锁电路(3)包括一信号输入端子(Pin)、第一信号输出端子(Pout1)、第二信号输出端子(Pout2)；所述第一信号输出端子(Pout1)连接所述第二驱动电路(2)的输入端(Sin)，所述第二信号输出端子(Pout2)连接所述第一驱动电路(1)的输入端(Sin)。

2.根据权利要求1所述的改善开关磁阻电机及直流电机工作电流的控制电路，其特征在于：所述信号互锁电路(3)还包括第一与非门电路(M1)、第二与非门电路(M2)、第三与非门电路(M3)、触发器(M4)；所述信号输入端子(Pin)分别连接所述触发器(M4)的时钟输入端(CK)、第一与非门电路(M1)的两个输入端，所述触发器(M4)的时钟输入端(CK)和负状态输出端(-Q)连接，并连接到所述第三与非门电路(M3)的一输入端，第一与非门电路(M1)的输出端分连接到第三与非门电路(M3)的另一输入端、第二与非门电路(M2)的一输入端，第二与非门电路(M2)的另一输入端连接所述触发器(M4)的正状态输出端(Q)；第二与非门电路(M2)的输出端即为第一信号输出端子(Pout1)，第三与非门电路(M3)的输出端即为第二信号输出端子(Pout2)。

3.根据权利要求1所述的改善开关磁阻电机及直流电机工作电流的控制电路，其特征在于：所述信号互锁电路(3)还包括微处理器MCU；所述微处理器MCU相应端子分别作为所述信号输入端子(Pin)、第一信号输出端子(Pout1)、第二信号输出端子(Pout2)。

4.根据权利要求2或3任一所述的改善开关磁阻电机及直流电机工作电流的控制电路，其特征在于：所述第一晶体管(T1)、第二晶体管(T2)均为大电流IGBT绝缘珊门极双极型晶体管；所述第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)均为FWD快恢复二极管；所述电解电容(C)为铝电解电容；所述第一驱动电路(1)、第二驱动电路(2)均为IGBT模块专用驱动电路模块；所述第一与非门电路(M1)、第二与非门电路(M2)、第三与非门电路(M3)采用集成电路CD4011、74HC11或74LS11；所述触发器(M4)为D型触发器，采用集成 电路CD4013、74HC13或74LS13。 

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