CN205004974U - 一种两相开关磁阻电机控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种两相开关磁阻电机控制器，包括：功率模块、逻辑控制模块、检测模块、电源模块和驱动模块；电源模块将功率模块产生的高压直流电转换成逻辑控制模块、检测模块和驱动模块所需的低压直流电；将逻辑控制模块的运行状态分别设定为预启动状态、启动状态、运行状态和过流状态；在运行状态情况下，逻辑控制模块根据电机转速的不同，输出不同的控制信号，所述控制信号通过驱动模块控制两相开关磁阻电机的运行。本实用新型有益效果：实现两相开关磁阻电机的长期安全、可靠、稳定运行，替代原有的电动角磨机用串激电机，降低了生产成本。

Description

一种两相开关磁阻电机控制器

技术领域

本实用新型涉及控制器技术领域，具体涉及一种两相开关磁阻电机控制器。

背景技术

电动角磨机用电机要求转速高、功率大、体积小，通常采用串激电机。串激电机转子上有绕组，采用碳刷结构，容易磨损，须频繁更换碳刷，为使用带来不便。开关磁阻电机结构简单、坚固，转子上只有硅钢片，没有绕组和永磁体，可靠性高，在宽广的转速和功率范围内均具较高的效率。开关磁阻电机是机电一体化系统，必须设计专用的控制器，这在一定程度上增加了成本，但是串激电机要经常更换碳刷，从长远看，开关磁阻电机系统具有一定的成本优势。

现有开关磁阻电机控制器采用隔离变压器式的隔离电源给控制电路等供电，且每个上桥臂功率开关管的驱动都由各自独立的电源供电，电机低速运行时采用传统的电流斩波控制，需要准确带隔离的电流检测电路，隔离电源体积占用较大，成本较高，电流检测电路所需检测芯片成本较高，控制器的成本在一定程度上限制了开关磁阻电机的应用。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了解决上述问题，提出了一种两相开关磁阻电机控制器，实现两相开关磁阻电机的长期安全、可靠、稳定运行，替代原有的电动角磨机用串激电机，降低了生产成本。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种两相开关磁阻电机控制器，包括：功率模块、逻辑控制模块、检测模块、电源模块和驱动模块；

所述功率模块与电源模块连接，逻辑控制模块与检测模块和驱动模块分别连接；

所述电源模块将功率模块产生的高压直流电转换成逻辑控制模块、检测模块和驱动模块所需的低压直流电；

将逻辑控制模块的运行状态分别设定为预启动状态、启动状态、运行状态和过流状态；在运行状态情况下，逻辑控制模块根据检测模块的输入信号，输出不同的控制信号，所述控制信号通过驱动模块控制开关管进而驱动两相开关磁阻电机的运行。

所述功率模块包括：依次连接的整流电路、电容充电限流电路、滤波电路和不对称半桥功率转换电路，实现交流转换为直流并给电机和其他模块供电的作用；

所述整流电路为全桥整流电路，电容充电限流电路为串联连接的两个限流电阻，滤波电路为滤波电容，不对称半桥功率转换电路包括：

二极管串联可控开关管组成串联支路一，电阻依次串联可控开关管和二极管组成串联支路二，所述串联支路一与串联支路二并联连接组成并联支路，两个所述并联支路并联连接。

所述逻辑控制模块包括控制芯片及外围最小电路，实现检测信号输入处理，和控制信号输出从而控制电机正常运行的功能。该控制芯片需具备以下输入输出引脚：过电流输入中断引脚1个，位置信号中断输入引脚2个，继电器控制引脚1个，高低电平输出引脚2个，PWM输出引脚2个，总计9引脚芯片，即该系统可用8位单片机实现控制两相开关磁阻电机的功能。

所述检测模块包括：电流检测电路和转子位置检测电路，检测电机绕组电流和转子位置的作用；

所述电流检测电路包括：比较器、二极管D1、二极管D2、电容C1和电阻R5；

电机两相电流采样后分别通过比较器与电流上限值做比较，比较器的输出值分别经过二极管D1和二极管D2后合并为一个信号输出；电容C1的一端与二极管D1的输出端连接，另一端接地；电阻R5的一端与二极管D2的输出端连接，另一端接地。

所述转子位置检测电路包括：第一输出钳位电路、第二输出钳位电路、第一霍尔元件和第二霍尔元件；

逻辑控制模块输出的控制信号分别经过第一输出钳位电路和第二输出钳位电路以后接地；

电阻R48的一端与第二输出钳位电路连接，另一端连接第二霍尔元件；

电阻R49的一端与第一输出钳位电路连接，另一端连接第一霍尔元件；

电阻R44和电阻R45串联后，一端连接在电阻R48和第二霍尔元件之间，另一端连接在电阻R49和第一霍尔元件之间。

所述驱动模块包括：逻辑控制模块输出的PWM、SD控制信号分别经过输出输出钳位电路与驱动芯片连接，驱动芯片根据接收到的控制信号驱动可控开关管。

所述输出钳位电路包括两个同向串联连接的二极管。

所述功率模块、逻辑控制模块、检测模块和驱动模块所用电源为直流斩波式电源芯片进行直流斩波供给，没有电气隔离。

本实用新型的有益效果为：

(1)采用两相开关磁阻电机代替角磨机串激电机，免维护，成本低；

(2)采用两相结构，减少了控制器功率开关管的数量，降低了成本；

(3)控制器电源通过直流斩波实现，没有隔离变压器，体积小，结构简单，成本低。

(4)控制器电流两相采样，合成一路电流过流中断输入信号，减少控制器资源，保证系统安全可靠。

附图说明

图1是本实用新型的一种两相开关磁阻电机控制器功率主电路和继电器控制电路结构原理示意图；

图2是本实用新型的一种两相开关磁阻电机控制器功率管驱动电路结构原理示意图；

图3是本实用新型的一种两相开关磁阻电机控制器控制和检测电路用电源原理结构示意图；

图4是本实用新型的一种两相开关磁阻电机控制器用于转子位置检测的霍尔检测电路的原理结构示意图；

图5是本实用新型的一种两相开关磁阻电机控制器电流检测原理结构示意图；

图6是本实用新型的一种两相开关磁阻电机控制算法的控制结构框图；

图7是本实用新型的定转子齿为8/4结构的两相开关磁阻电机结构示意图；

图8是本实用新型的一种两相开关磁阻电机控制器霍尔信号示意图；

图9是本实用新型的一种两相开关磁阻电机控制算法的电机状态转换条件示意图；

图10是本实用新型的一种两相开关磁阻电机控制算法在电机在零速状态下控制方式示意图；

图11是本实用新型的一种两相开关磁阻电机控制算法的电机在低速状态下控制方式示意图；

图12是本实用新型的一种两相开关磁阻电机控制算法的电机在高速状态下控制方式示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

一种两相开关磁阻电机控制器，包括：功率模块、逻辑控制模块、检测模块、电源模块和驱动模块；功率模块与电源模块连接，逻辑控制模块与检测模块和驱动模块分别连接；电源模块将功率模块产生的高压直流电转换成逻辑控制模块、检测模块和驱动模块所需的低压直流电；

功率模块实现电机能量供给，所述电源模块将功率模块产生的高压直流电转换成逻辑控制模块、检测模块和驱动模块所需的低压直流电；检测模块将电机转子位置和电机电流检测值传递给逻辑控制模块，逻辑控制模块输出信号给驱动模块，驱动模块根据逻辑控制信号驱动功率模块的功率开关管，从而来驱动电机运行。

两相开关磁阻电机控制器功率模块主电路结构简单，由工频交流输入，经整流滤波后产生母线直流电压，供给电机及控制器使用。

图1所示控制器功率模块主电路和继电器(JLK1)控制电路，通交流电时，经整流后经过电阻给电容(C7)充电，电容电压逐步上升，在母线电压达到开关电源芯片工作电压时，控制芯片开始工作。

功率模块包括：依次连接的整流电路、电容充电限流电路、滤波电路和不对称半桥功率转换电路，实现交流转换为直流并给电机和其他模块供电的作用；

整流电路为全桥整流电路，电容充电限流电路为串联连接的两个限流电阻，滤波电路为滤波电容，不对称半桥功率转换电路包括：续流二极管串联可控开关管组成串联支路一，采样电阻依次串联可控开关管和续流二极管组成串联支路二，所述串联支路一与串联支路二并联连接组成并联支路，两个所述并联支路并联连接。

图1所示PV1、PV2为工频电源输入接口，Q1、Q2、Q3、Q4为可控开关管，Q1、Q2是两相电机的两相上桥开关管，Q3、Q4是两相电机的两相下桥开关管，Q1、Q3控制电机的一相绕组，Q2、Q4控制电机的另一相绕组，一相导通时电流从电源经过上桥开关管、电机绕组、下桥开关管回到电源，从而形成回路。R6、R7为采样电阻，分别采取电机两相绕组的电流。D2-1、D3-1、D6-1、D7-1分别是电机绕组续流二级管。

图2所示为两相开关磁阻电机控制器的功率可控开关管的驱动电路，从控制芯片输出的控制信号PWM、SD通过驱动芯片作用于可控开关管。为了防止开关管开通关断对控制芯片的干扰，采用D8、D11二极管进行控制信号输出钳位，保证输出的信号在控制芯片所工作的电压范围内。图中U5为驱动芯片，驱动芯片根据控制信号输出驱动电压，分别是上桥驱动端、下桥驱动端。上桥驱动端、下桥驱动端分别控制一相绕组的上桥开关管和下桥开关管，通过开关管可以控制电机的各相电流。

图3所示为两相开关磁阻电机控制器系统供电电源，该电源采用母线电压，通过直流开关芯片形成斩波电路降压到所需要的电压，与控制器功率模块主电路采用非电气隔离的方式，简化了控制器驱动电源结构，图中的开关电源芯片采用的是LNK306。

图4、图5所示为控制器检测电路，图4为电机转子检测电路，转子检测电路采用两个霍尔元件，在检测转子位置的同时检测转子旋转方向。图5所示为电机各相电流保护电路，将电机各相检测的电流与电流上限值做比较，只要有一相过电流便对控制芯片输出过电流信号，两相电流检测信号互不干扰，通过二极管D1、D2、C1、R5将两相过电流信号合并为一个信号输出。一种两相开关磁阻电机控制器硬件结构简单，检测模块和电源模块得到极大的简化。硬件成本有效降低。

图6所示为两相开关磁阻电机控制算法流程框图，在控制器接入工频电源后，滤波电容电压达到开关电源芯片的工作电压后，开关电源输出控制器芯片工作电压，控制器进入上电复位状态，复位后控制芯片进入预启动状态，在预启动状态下等待0.1s后，控制芯片控制继电器吸合，预启动状态结束进入启动状态，在启动状态，主要解决电机启动问题，首先将电机运行状态定义为零速状态，根据转速检测，当转速不为零速时，启动状态结束，进入运行状态，在运行状态时，根据电机转速和输出需要，实行不同控制方式。

图7、图8所示为一种定转子齿为8/4结构的两相开关磁阻电机结构及其霍尔检测信号。电机运行结构图，相间的圆环表示固定在电机转子上的磁环，分别表示圆环外边缘磁极的不同极性。

当电机运行时，磁环随转子一起运行，定子上的霍尔元件感应磁环输出高低电平，反映出转子位置。两霍尔位置相差22.5±K*45度的机械角度(K为整数)。霍尔信号周期为90度的机械角度。两个霍尔信号形成互差90度相位的方波信号，形成4个状态，图示电机旋转方向为顺时针方向，根据电机转速方向形成不同的状态顺序，根据状态执行相应的操作。

霍尔定位方式为：给两相开关磁阻电机的A相绕组通电，转子由于磁拉力而位置固定，将霍尔元件固定在定子上，沿着转子正常运行的方向旋转转子上的磁环，此时转子由于磁拉力保持不动，使霍尔元件1的信号刚好由低电平变为高电平时即为磁环固定的位置，该位置也为低速时电机换向点。

在零速时，直接读取霍尔状态来确定A、B相的导通，在低速时，通过进入霍尔中断，在霍尔中断程序中读取霍尔状态来决定A、B相的导通和关断，在零速和低速时，霍尔元件1在低电平时给A相通电，在高电平时给B相通电。

在高速时，通过速度和霍尔信号来计算A、B开通和关断角度，各相开通角提前11.25度机械角度(45度的电角度)，导通33.75度的机械角度；具体实现如下，霍尔状态变为3时：逻辑控制芯片通过已知速度计时A相导通时间。霍尔状态变为2时：逻辑控制芯片通过程序确保B相已经关断A相已经开通，同时计时A相关断时间。霍尔状态变为0时逻辑控制芯片通过已知速度计时B相导通角时间。霍尔状态变为1时：逻辑控制芯片通过程序确保A相已经关断B相已经开通，同时计时B相关断时间。

其中，霍尔状态为0时，表示霍尔元件1和霍尔元件2均处于低电平状态；霍尔状态为1时，表示霍尔元件1处于高电平状态，霍尔元件2处于低电平状态；霍尔状态为2时，表示霍尔元件1处于低电平状态，霍尔元件2处于高电平状态；霍尔状态为3时，表示霍尔元件1和霍尔元件2均处于高电平状态。

图9所示为两相开关磁阻电机控制算法的速度状态转换示意图，其中转换速度点r由电机特性和控制需要确定，可以在程序中改变。图示为一种定转子齿为8/4结构的两相开关磁阻电机的转速转换结构点。从零速到低速、从低速到高速转换速度点分别为139rpm和3750rpm。从低速到零速、从高速到低速转换速度点分别为125rpm和1500rpm。

图10所示为零速状态下的电机控制流程示意图，在零速下，根据读取霍尔状态确定给电机不同相通电，通电时间固定，使电机尽可能大转矩启动，当电机启动后，进入低速运行状态。

图11所示为低速状态下的电机控制流程示意图，在低速下保证电机输出转矩达到最大值，输入母线电压已知，在检测出电机转速后，已知电机最大工作电流(电机设计时给出)和转速，通过电机特性，可以确定电机在该最大电流和转速下的最大电压值，占空比为该转速下最大电压值与母线电压值之比且不大于1，从而可以确定占空比，从而使电机在不过流情况下保证电机输出转矩最大，在低速状态下，开通关断角由霍尔信号的变化决定。

图12所示为高速状态下的电机控制流程示意图，在高速状态下，给定电机正常工作转速，所述工作转速与通过霍尔元件检测到的电机转速比较后进行转速调节，形成电机转速外环控制；

确定当前转速下和当前占空比下的电机电流，进行电流内环控制，即：先判断当前电流值是否达到当前转速的最大电流，如果超过当前转速的最大电流则减小占空比，如果没有达到当前转速的最大电流则增加占空比，占空比的增加或减小的多少由电流调节器(PI调节器)调节，并限定占空比最大输出为1，最小输出为0。从而确定电机占空比，开通关断角由转速调节，当进入高速时开通关断角较低速时提前，其中开通角提前45度的电角度，关断角提前90度的电角度，通过控制芯片的计时器实现。本实用新型中控制芯片选用市面上现有的控制芯片即可实现。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种两相开关磁阻电机控制器，其特征是，包括：功率模块、逻辑控制模块、检测模块、电源模块和驱动模块；

所述功率模块与电源模块连接，逻辑控制模块与检测模块和驱动模块分别连接；

所述电源模块将功率模块产生的高压直流电转换成逻辑控制模块、检测模块和驱动模块所需的低压直流电；

将逻辑控制模块的运行状态分别设定为预启动状态、启动状态、运行状态和过流状态；在运行状态情况下，逻辑控制模块根据检测模块的输入信号，输出不同的控制信号，所述控制信号通过驱动模块控制开关管进而驱动两相开关磁阻电机的运行。

2.如权利要求1所述的一种两相开关磁阻电机控制器，其特征是，所述功率模块用于将交流电转换为直流电；功率模块包括：依次连接的整流电路、电容充电限流电路、滤波电路和不对称半桥功率转换电路；所述电容充电限流电路与继电器并联连接。

3.如权利要求1所述的一种两相开关磁阻电机控制器，其特征是，所述检测模块包括：电流检测电路和转子位置检测电路，分别用于检测电机绕组电流和电机转子位置；

所述电流检测电路包括：比较器、二极管D1、二极管D2、电容C1和电阻R5；

电机两相电流采样后分别通过比较器与电流上限值做比较，比较器的输出值分别经过二极管D1和二极管D2后合并为一个信号输出；电容C1的一端与二极管D1的输出端连接，另一端接地；电阻R5的一端与二极管D2的输出端连接，另一端接地。

4.如权利要求3所述的一种两相开关磁阻电机控制器，其特征是，所述转子位置检测电路包括：第一输出钳位电路、第二输出钳位电路、第一霍尔元件和第二霍尔元件；

逻辑控制模块输出的控制信号分别经过第一输出钳位电路和第二输出钳位电路以后接地；

电阻R48的一端与第二输出钳位电路连接，另一端连接第二霍尔元件；

电阻R49的一端与第一输出钳位电路连接，另一端连接第一霍尔元件；

电阻R44和电阻R45串联后，一端连接在电阻R48和第二霍尔元件之间，另一端连接在电阻R49和第一霍尔元件之间。

5.如权利要求1所述的一种两相开关磁阻电机控制器，其特征是，所述驱动模块包括：逻辑控制模块输出的PWM、SD控制信号分别经过输出输出钳位电路与驱动芯片连接，驱动芯片根据接收到的控制信号驱动可控开关管。

6.如权利要求5所述的一种两相开关磁阻电机控制器，其特征是，所述输出钳位电路包括两个同向串联连接的二极管。

7.如权利要求1所述的一种两相开关磁阻电机控制器，其特征是，所述功率模块、逻辑控制模块、检测模块和驱动模块所用电源为直流斩波式电源芯片进行直流斩波供给，没有电气隔离。