CN204559453U - 一种无刷线圈激磁直流电机控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型一种无刷线圈激磁直流电机控制系统，属于机电一体化技术领域，该系统包括无刷线圈激磁直流电机、转速检测器、电流检测器、位置检测器、DSP、PC机，还包括三相IGBT驱动电路，所述的三相IGBT驱动电路包括三相不对称半桥IGBT电机驱动电路和单相桥式IGBT激磁线圈驱动电路，本申请针对电机的两种绕组，构建了新型的驱动电路，减少了IGBT的使用数量，不仅降低了成本，而且减少了器件损耗，通过控制激磁线圈中的电流，实现电机增磁或弱磁的效果，以最终达到提高转矩、扩大转速范围的效果；采用转速检测器、电流检测器和位置检测器提高电机控制的准确性，降低电机的转矩脉动。

Description

一种无刷线圈激磁直流电机控制系统

技术领域

本实用新型属于机电一体化技术领域，具体涉及一种无刷线圈激磁直流电机控制系统。

背景技术

无刷线圈激磁直流电机是在无刷直流电机的基础上设计的，虽然无刷直流电机在工业领域中得到了日益广泛的应用，电机的控制技术也日趋成熟，但无刷直流电机中永磁体的存在仍有其不足之处：成本较高、永磁转子激磁磁通无法控制、恒功率运行区间变小导致电机速度扩展能力有限以及存在永磁体的退磁风险等问题。因此为改善无刷直流电机永磁体存在的缺点，设计了无刷线圈激磁直流电机；

对于现有的驱动电路，控制系统包含元器件过多，控制器结构复杂；不能通过控制励磁电流来进行良好的调磁设置，从而不能提高电机的转矩及转速性能；控制器引起的转矩脉动较大，对电机的运行性能有影响；IGBT的使用数目较多，增加了成本，也增加了控制的复杂性。

发明内容

针对现有技术的不足，本实用新型提出一种无刷线圈激磁直流电机控制系统，以达到实现电机基本的启动、制动等功能，并能够通过控制激磁线圈中的电流实现电机增磁或弱磁的效果，以最终达到提高转矩、扩大转速范围，降低转矩脉动的目的。

一种无刷线圈激磁直流电机控制系统，该系统包括无刷线圈激磁直流电机、转速检测器、电流检测器、位置检测器、DSP、PC机，还包括三相IGBT驱动电路；

其中，所述的DSP连接PC机，DSP的输出端连接三相IGBT驱动电路的输入端，三相IGBT驱动电路的输出端连接电机的控制端，所述的转速检测器、电流检测器和位置检测器设置于无刷线圈激磁直流电机上，转速检测器的输出端、电流检测器的输出端和位置检测器的输出端均连接DSP的输入端；

所述的三相IGBT驱动电路包括三相不对称半桥IGBT电机驱动电路和单相桥式IGBT激磁线圈驱动电路，其中，所述的三相不对称半桥IGBT电机驱动电路的第一输出端连接无刷线圈激磁直流电机的A相励磁绕组，三相不对称半桥IGBT电机驱动电路的第二输出端连接无刷线圈激磁直流电机的B相励磁绕组，三相不对称半桥IGBT电机驱动电路的第三输出端连接无刷线圈激磁直流电机的C相励磁绕组；单相桥式IGBT激磁线圈驱动电路的输出端连接无刷线圈激磁直流电机的激磁线圈。

所述的三相不对称半桥IGBT电机驱动电路，包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第九二极管、第十二极管、第十一二极管、第十二二极管、第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT、第四IGBT、第五IGBT、第六IGBT和一个电容，其中，

所述的电容的一端同时连接第一二极管的阳极、第三二极管的阴极、第五二极管的阳极、第七二极管的阴极、第九二极管的阳极和第十一二极管的阴极，并连接电源的正极；

所述的第一二极管的阴极连接第一IGBT的集电极，第一IGBT的发射极连接第二二极管的阴极，第二二极管的阳极同时连接电容的另一端、第二IGBT的发射极、第六二极管的阳极、第四IGBT的发射极、第十二极管的阳极和第六IGBT的发射极，并连接电源的负极；

所述的第三二极管的阳极连接第四二极管的阳极，第四二极管的阴极连接第二IGBT的集电极；

所述的第五二极管的阴极连接第三IGBT的集电极，第三IGBT的发射极连接第六二极管的阴极；

所述的第七二极管的阳极连接第八二极管的阳极，第八二极管的阴极连接第四IGBT的集电极；

所述的第九二极管的阴极连接第五IGBT的集电极，第五IGBT的发射极连接第十二极管的阴极；

所述的第十一二极管的阳极连接第十二二极管的阳极，第十二二极管的阴极连接第六IGBT的集电极；

所述的第一IGBT的基极、第二IGBT的基极、第三IGBT的基极、第四IGBT的基极、第五IGBT的基极和第六IGBT的基极连接DSP的输出端；所述的第一IGBT的发射极还连接无刷线圈激磁直流电机的A相励磁绕组的一端，第三二极管的阳极还连接无刷线圈激磁直流电机的A相励磁绕组的另一端；所述的第三IGBT的发射极还连接无刷线圈激磁直流电机的B相励磁绕组的一端，第七二极管的阳极还连接无刷线圈激磁直流电机的B相励磁绕组的另一端；所述的第五IGBT的发射极还连接无刷线圈激磁直流电机的C相励磁绕组的一端，第十一二极管的阳极还连接无刷线圈激磁直流电机的C相励磁绕组的另一端。

所述的单相桥式IGBT激磁线圈驱动电路包括一个电容、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT和第四IGBT；其中，

所述的电容的一端同时连接第一二极管的阳极、第三二极管的阴极、第五二极管的阳极和第七二极管的阴极；

所述的第一二极管的发射极同时连接第三二极管的阳极、第二二极管的阴极和第四二极管的阳极；

所述的第四二极管的阴极连接第二IGBT的集电极，第二IGBT的发射极同时连接电容的另一端、第二二极管的阳极、第六二极管的阳极和第四IGBT的发射极；

所述的第四IGBT的集电极连接第八二极管的阴极，第八二极管的阳极同时连接第六二极管的阴极、第七二极管的阳极和第三IGBT的发射极，所述的第三IGBT的集电极连接第五二极管的阴极；

所述的第一IGBT的基极、第二IGBT的基极、第三IGBT的基极和第四IGBT的基极连接DSP的输出端；第一IGBT的发射极还连接无刷线圈激磁直流电机的激磁线圈的一端，第三IGBT的发射极还连接无刷线圈激磁直流电机的激磁线圈的另一端。

本实用新型优点：

针对电机的两种绕组，设计了新型的驱动电路，减少了IGBT的使用数量，不仅降低了成本，而且减少了器件损耗，控制更加灵活。并能通过哦控制激磁线圈中的电流，实现电机增磁或弱磁的效果，以最终达到提高转矩、扩大转速范围的效果；运用转速检测器、电流检测器、位置检测器等多种传感器，能提高电机控制的准确性，降低电机的转矩脉动。

附图说明

图1为本实用新型一种实施例的无刷线圈激磁直流电机控制系统结构框图；

图2为本实用新型一种实施例的三相不对称半桥IGBT电机驱动电路原理图；

图3为本实用新型一种实施例的单相桥式IGBT激磁线圈驱动电路原理图；

图4为本实用新型一种实施例的无刷线圈激磁直流电机结构示意图；

图5为本实用新型一种实施例的三相9-6结构无刷线圈激磁直流电机的定转子结构剖面图；

图6为本实用新型一种实施例的无刷线圈激磁直流电机磁通路径示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型一种实施例做进一步说明。

本实用新型实施例中，如图1所示无刷线圈激磁直流电机控制系统，该系统包括无刷线圈激磁直流电机、转速检测器、电流检测器、位置检测器、DSP、PC机和三相IGBT驱动电路；

本实用新型实施例中，所述的DSP芯片采用TMS320F2812型号，位置传感器采用光敏式传感器，遮光盘有与电机转子凸极及槽数相等的齿和槽，并固定在转轴上，光电脉冲发射及接收器固定在定子上；电流传感器采用霍尔电流传感器，型号为TBC10P；所述的转速检测器包括旋转编码器和速度检测电路，其中，旋转编码器采用E6B2-CWZ1X1000P/R型旋转编码器；速度检测电路采用总线收发器SN74LVCH245A作为电平转换器件，将旋转编码器输出信号转换成3.3V输入DSP处理器中；此外，本实施例中的电源模块包括220V交流电压转为±15V、5V直流电压以及5V～3.3V电平转换电路、5V～1.8V电平转换电路组成。

本实用新型实施例中，所述的DSP连接PC机，中央处理器DSP的六路输出端PWM1～PWM6连接三相不对称半桥IGBT电机驱动电路中IGBT的基极，中央处理器DSP的另四路输出端PWM7～PWM10连接单相桥式IGBT激磁线圈驱动电路中IGBT的基极，三相IGBT驱动电路的输出端连接电机的控制端，所述的转速检测器、电流检测器和位置检测器设置于无刷线圈激磁直流电机上，旋转编码器的输出端连接电机速度检测电路的输入端芯片SN74LVCH254A的A1引脚，电机速度检测电路的输出端B1引脚连接中央处理器DSP的CAP4引脚；电流检测器的输出端连接DSP的ADCINB0、ADCINB1端，位置检测器的输出端A、B、C连接DSP的输入端CAP1、CAP2、CAP3，实现对电机位置信号的采集；

本实用新型实施例中，三相IGBT驱动电路包括三相不对称半桥IGBT电机驱动电路和单相桥式IGBT激磁线圈驱动电路，其中，所述的三相不对称半桥IGBT电机驱动电路的第一输出端连接无刷线圈激磁直流电机的A相励磁绕组，三相不对称半桥IGBT电机驱动电路的第二输出端连接无刷线圈激磁直流电机的B相励磁绕组，三相不对称半桥IGBT电机驱动电路的第三输出端连接无刷线圈激磁直流电机的C相励磁绕组；单相桥式IGBT激磁线圈驱动电路的输出端连接无刷线圈激磁直流电机的激磁线圈。

本实用新型实施例中，如图2所示三相不对称半桥IGBT电机驱动电路，包括二极管VD1、二极管VD2、二极管VD3、二极管VD4、二极管VD5、二极管VD6、二极管VD7、二极管VD8、二极管VD9、二极管VD10、二极管VD11、二极管VD12、IGBT K1、IGBT K2、IGBTK3、IGBT K4、IGBT K5、IGBT K6和一个电容C1，其中，

所述的电容C1的一端同时连接二极管VD1的阳极、二极管VD3的阴极、二极管VD5的阳极、二极管VD7的阴极、二极管VD9的阳极和二极管VD11的阴极，并连接电源的正极；所述的二极管VD1的阴极连接IGBT K1的集电极，IGBT K1的发射极连接二极管VD2的阴极，二极管VD2的阳极同时连接电容C1的另一端、IGBT K2的发射极、二极管VD6的阳极、IGBT K4的发射极、二极管VD10的阳极和IGBT K6的发射极，并连接电源的负极；所述的二极管VD3的阳极连接二极管VD4的阳极，二极管VD4的阴极连接IGBT K2的集电极；所述的二极管VD5的阴极连接IGBT K3的集电极，IGBT K3的发射极连接二极管VD6的阴极；所述的二极管VD7的阳极连接二极管VD8的阳极，二极管VD8的阴极连接IGBT K4的集电极；所述的二极管VD9的阴极连接IGBT K5的集电极，IGBT K5的发射极连接二极管VD10的阴极；所述的二极管VD11的阳极连接二极管VD12的阳极，二极管VD12的阴极连接IGBT K6的集电极；

所述的IGBT K1的基极、IGBT K2的基极、IGBT K3的基极、IGBT K4的基极、IGBT K5的基极和IGBT K6的基极连接DSP的输出端；所述的IGBT K1的发射极还连接无刷线圈激磁直流电机的A相励磁绕组的一端，二极管VD3的阳极还连接无刷线圈激磁直流电机的A相励磁绕组的另一端；所述的IGBT K3的发射极还连接无刷线圈激磁直流电机的B相励磁绕组的一端，二极管VD7的阳极还连接无刷线圈激磁直流电机的B相励磁绕组的另一端；所述的IGBT K5的发射极还连接无刷线圈激磁直流电机的C相励磁绕组的一端，二极管VD11的阳极还连接无刷线圈激磁直流电机的C相励磁绕组的另一端。

本实用新型实施例中，如图3所示单相桥式IGBT激磁线圈驱动电路包括一个电容、二极管VD13、二极管VD14、二极管VD15、二极管VD16、二极管VD17、二极管VD18、二极管VD19、二极管VD20、IGBT K7、IGBT K8、IGBT K9和IGBT K10；其中，

所述的电容的一端同时连接二极管VD13的阳极、二极管VD15的阴极、二极管VD17的阳极和二极管VD19的阴极；所述的二极管VD13的发射极同时连接二极管VD15的阳极、二极管VD14的阴极和二极管VD16的阳极；所述的二极管VD16的阴极连接IGBT K8的集电极，IGBT K8的发射极同时连接电容的另一端、二极管VD14的阳极、二极管VD18的阳极和IGBT K10的发射极；所述的IGBT K10的集电极连接二极管VD20的阴极，二极管VD20的阳极同时连接二极管VD18的阴极、二极管VD19的阳极和IGBT K9的发射极，所述的IGBTK9的集电极连接二极管VD17的阴极；

所述的IGBT K7的基极、IGBT K8的基极、IGBT K9的基极和IGBT K10的基极连接DSP的输出端；IGBT K7的发射极还连接无刷线圈激磁直流电机的激磁线圈的一端，IGBT K9的发射极还连接无刷线圈激磁直流电机的激磁线圈的另一端。

本实施例中，无刷线圈激磁直流电机，结构示意图如图4所示，图中1为电机机壳，2为电机前端盖，3为电机后端盖，4为电机转轴，5为卷筒，6为激磁线圈，7为第一凸极定子，8为第二凸极定子，9为第一凸极转子，10为第二凸极转子，11为励磁绕组；

如图4所示，电机前端盖2设置于电机机壳1的一端，电机后端盖3设置于电机机壳1的另一端，电机转轴4的一端穿过电机前端盖2的中间孔，电机转轴4的另一端穿过电机后端盖3的中间孔；

如图4所示，第一凸极定子7固定设置于电机内部一端的电机机壳1上，第一凸极定子7的每个凸极上均缠绕有励磁绕组，第一凸极转子9固定设置于电机内部电机转轴4的一端，第一凸极定子7与第一凸极转子9对应放置，第一凸极定子7与第一凸极转子9之间留有0.4毫米的气隙；第二凸极定子8固定设置于电机内部另一端的电机机壳1上，第二凸极定子8的每个凸极上均缠绕有励磁绕组，第二凸极转子10固定设置于电机内部电机转轴4的另一端，第二凸极定子8和第二凸极转子10对应放置，第二凸极定子8与第二凸极转子10之间留有0.4毫米的气隙，并且第一凸极定子7与第二凸极定子8对称放置，第一凸极转子9与第二凸极转子10对称放置；

如图4所示，所述的卷筒5通过卡槽固定设置于第一凸极定子7与第二凸极定子8之间的电机机壳1内壁上，激磁线圈6缠绕在卷筒5内，卷筒5对应位置的电机转轴4上设置有凸起；

实施例1中，三相9-6结构的新型凸极式定转子无刷线圈激磁直流电机，定转子结构剖面图如图5所示，第一凸极定子7上均匀分布9个凸极，第一凸极转子9上均匀分布6个凸极，即为双凸极结构，第一凸极定子7的每个凸极上均缠绕有励磁绕组11；将第一凸极定子7每个凸极上的励磁绕组合理布局均匀分为A、B、C三相，A相包括A1相、A2相和A3相，B相包括B1相、B2相和B3相，C相包括C1相、C2相和C3相，A1相、A2相和A3相的励磁绕组11串联连接，B1相、B2相和B3相的励磁绕组11串联连接，C1相、C2相和C3相的励磁绕组11串联连接；第二凸极定子8的结构与第一凸极定子7的结构相同，第二凸极转子10的结构与第一凸极转子9的结构相同；保证励磁绕组与激磁线圈产生的磁通方向一致时，顺序导通A相、B相和C相，则电机逆时针旋转；依次导通C相、B相和A相，则电机顺时针旋转；

本实施例中，磁通路径示意图如图6所示，激磁线圈6中通入直流电流产生轴向磁通，电机转轴4用以引导磁场，磁通经电机转轴4从第一凸极转子9穿过第一凸极定子7的定子齿，由电机机壳1传到第二凸极定子8，最后传到第二凸极转子10形成闭合回路，则第一凸极转子9和第二凸极转子10分别形成N极和S极，第一凸极转子9和第二凸极转子10感应出磁场，并可通过控制励磁绕组11中的电流控制产生的磁场，在励磁绕组11中施加正向或反向的可调直流电流，就可产生不同方向与幅值的激磁磁通，进而控制电机的转矩与转速。

Claims (3)

1.一种无刷线圈激磁直流电机控制系统，该系统包括无刷线圈激磁直流电机、转速检测器、电流检测器、位置检测器、DSP、PC机，其特征在于，还包括三相IGBT驱动电路；

其中，所述的DSP连接PC机，DSP的输出端连接三相IGBT驱动电路的输入端，三相IGBT驱动电路的输出端连接电机的控制端，所述的转速检测器、电流检测器和位置检测器设置于无刷线圈激磁直流电机上，转速检测器的输出端、电流检测器的输出端和位置检测器的输出端均连接DSP的输入端；

所述的三相IGBT驱动电路包括三相不对称半桥IGBT电机驱动电路和单相桥式IGBT激磁线圈驱动电路，其中，所述的三相不对称半桥IGBT电机驱动电路的第一输出端连接无刷线圈激磁直流电机的A相励磁绕组，三相不对称半桥IGBT电机驱动电路的第二输出端连接无刷线圈激磁直流电机的B相励磁绕组，三相不对称半桥IGBT电机驱动电路的第三输出端连接无刷线圈激磁直流电机的C相励磁绕组；单相桥式IGBT激磁线圈驱动电路的输出端连接无刷线圈激磁直流电机的激磁线圈。

2.根据权利要求1所述的无刷线圈激磁直流电机控制系统，其特征在于，所述的三相不对称半桥IGBT电机驱动电路，包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第九二极管、第十二极管、第十一二极管、第十二二极管、第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT、第四IGBT、第五IGBT、第六IGBT和一个电容，其中，

所述的电容的一端同时连接第一二极管的阳极、第三二极管的阴极、第五二极管的阳极、第七二极管的阴极、第九二极管的阳极和第十一二极管的阴极，并连接电源的正极；

所述的第一二极管的阴极连接第一IGBT的集电极，第一IGBT的发射极连接第二二极管的阴极，第二二极管的阳极同时连接电容的另一端、第二IGBT的发射极、第六二极管的阳极、第四IGBT的发射极、第十二极管的阳极和第六IGBT的发射极，并连接电源的负极；

所述的第三二极管的阳极连接第四二极管的阳极，第四二极管的阴极连接第二IGBT的集电极；

所述的第五二极管的阴极连接第三IGBT的集电极，第三IGBT的发射极连接第六二极管的阴极；

所述的第七二极管的阳极连接第八二极管的阳极，第八二极管的阴极连接第四IGBT的集电极；

所述的第九二极管的阴极连接第五IGBT的集电极，第五IGBT的发射极连接第十二极管的阴极；

所述的第十一二极管的阳极连接第十二二极管的阳极，第十二二极管的阴极连接第六IGBT的集电极；

所述的第一IGBT的基极、第二IGBT的基极、第三IGBT的基极、第四IGBT的基极、第五IGBT的基极和第六IGBT的基极连接DSP的输出端；所述的第一IGBT的发射极还连接无刷线圈激磁直流电机的A相励磁绕组的一端，第三二极管的阳极还连接无刷线圈激磁直流电机的A相励磁绕组的另一端；所述的第三IGBT的发射极还连接无刷线圈激磁直流电机的B相励磁绕组的一端，第七二极管的阳极还连接无刷线圈激磁直流电机的B相励磁绕组的另一端；所述的第五IGBT的发射极还连接无刷线圈激磁直流电机的C相励磁绕组的一端，第十一二极管的阳极还连接无刷线圈激磁直流电机的C相励磁绕组的另一端。

3.根据权利要求1所述的无刷线圈激磁直流电机控制系统，其特征在于，所述的单相桥式IGBT激磁线圈驱动电路包括一个电容、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT和第四IGBT；其中，

所述的电容的一端同时连接第一二极管的阳极、第三二极管的阴极、第五二极管的阳极和第七二极管的阴极；

所述的第一二极管的发射极同时连接第三二极管的阳极、第二二极管的阴极和第四二极管的阳极；

所述的第四二极管的阴极连接第二IGBT的集电极，第二IGBT的发射极同时连接电容的另一端、第二二极管的阳极、第六二极管的阳极和第四IGBT的发射极；

所述的第四IGBT的集电极连接第八二极管的阴极，第八二极管的阳极同时连接第六二极管的阴极、第七二极管的阳极和第三IGBT的发射极，所述的第三IGBT的集电极连接第五二极管的阴极；

所述的第一IGBT的基极、第二IGBT的基极、第三IGBT的基极和第四IGBT的基极连接DSP的输出端；第一IGBT的发射极还连接无刷线圈激磁直流电机的激磁线圈的一端，第三IGBT的发射极还连接无刷线圈激磁直流电机的激磁线圈的另一端。