[發(fā)明專利]一種永磁無(wú)刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310144113.4
• 申請(qǐng)日: 2013-04-23
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103236813A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-08-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 邱建琪;史涔溦;董樂(lè)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號(hào): H02P6/08
• 分類號(hào): H02P6/08
• 代理公司: 杭州天勤知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種永磁無(wú)刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)

永磁無(wú)刷直流電機(jī)主要由電機(jī)本體，轉(zhuǎn)子位置傳感器和功率逆變電路三部分構(gòu)成，是一種典型的機(jī)電一體化電機(jī)。電機(jī)本體結(jié)構(gòu)與普通同步電機(jī)類似，定子一般采用三相繞組，轉(zhuǎn)子采用永磁體勵(lì)磁。功率逆變電路按照轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的導(dǎo)通時(shí)序把直流供電電源逆變成交流電源，用于給電機(jī)定子三相繞組供電，以便與轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生連續(xù)的電磁轉(zhuǎn)矩。功率逆變電路一般采用三相橋式結(jié)構(gòu)（也稱三相橋式逆變器），由六個(gè)功率開(kāi)關(guān)管組成，常用的功率開(kāi)關(guān)管有大功率晶體管（GTR）、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）。轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測(cè)永磁轉(zhuǎn)子的位置，輸出三相位置信號(hào)，并經(jīng)邏輯處理、功率放大后形成功率逆變電路的觸發(fā)信號(hào)，目前多采用霍爾集成電路。

永磁無(wú)刷直流電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率密度大、調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、家用電器、工業(yè)控制、汽車電子等不同領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但在一些特殊應(yīng)用場(chǎng)合，如電動(dòng)汽車牽引、數(shù)控機(jī)床電主軸驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域，要求永磁無(wú)刷直流電機(jī)在基速以下保持恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，在基速以上的較寬速度范圍內(nèi)保持恒功率運(yùn)行，基速以下調(diào)速運(yùn)行可以通過(guò)調(diào)整母線電壓實(shí)現(xiàn)，基速以上運(yùn)行時(shí)，母線電壓已經(jīng)達(dá)到最大值，無(wú)法調(diào)節(jié)，只能通過(guò)弱磁控制實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)速運(yùn)行。但是永磁無(wú)刷直流電機(jī)的磁場(chǎng)是由永磁體產(chǎn)生，無(wú)法直接調(diào)節(jié)，在不改變電機(jī)本體結(jié)構(gòu)的情況下，實(shí)現(xiàn)弱磁控制，需要使各相開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)序超前一定角度，即電流超前導(dǎo)通法（以下簡(jiǎn)稱CPA方式）。

但是在傳統(tǒng)的六功率開(kāi)關(guān)管三相橋式逆變器上采用CPA控制時(shí)，隨著超前角度的增加，非導(dǎo)通相繞組的反電勢(shì)會(huì)通過(guò)續(xù)流二極管向電源回饋能量，使逆變器中電流迅速增大，阻礙轉(zhuǎn)速升高。因此，在逆變器器容量有限的情況下，傳統(tǒng)的CPA控制方式很難獲得較大的恒功率調(diào)速范圍。

公告號(hào)為CN100397774C的中國(guó)專利公開(kāi)了一種永磁無(wú)刷直流電機(jī)弱磁驅(qū)動(dòng)裝置，其使用反向串聯(lián)的一對(duì)功率開(kāi)關(guān)管代替?zhèn)鹘y(tǒng)三相橋式逆變器中的單管，一共需要十二個(gè)功率開(kāi)關(guān)管，其兩個(gè)反向串聯(lián)的功率開(kāi)關(guān)管由同一個(gè)觸發(fā)信號(hào)驅(qū)動(dòng)，雖然能夠阻斷回饋電流的通路，但同時(shí)也阻斷了正常運(yùn)行時(shí)必需的續(xù)流回路。永磁無(wú)刷直流電機(jī)在換向過(guò)程以及基速以下斬波調(diào)速運(yùn)行時(shí)，都需要為感性繞組電流提供續(xù)流通路，否則會(huì)產(chǎn)生很高的電壓尖峰（變壓器電勢(shì)），影響功率開(kāi)關(guān)管的可靠運(yùn)行。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種永磁無(wú)刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)，既能夠提供正常運(yùn)行時(shí)必需的續(xù)流回路，又能夠有效抑制非導(dǎo)通相反電勢(shì)引起的回饋電流。

一種永磁無(wú)刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)，包括一驅(qū)動(dòng)裝置和一控制器；所述的驅(qū)動(dòng)裝置包括：

變流單元，用于為電機(jī)提供三相交流電能；

續(xù)流單元，用于為電機(jī)三相定子繞組提供續(xù)流回路；

切換控制單元，用于控制所述的續(xù)流單元的工作狀態(tài)；

所述的控制器用于為變流單元提供PWM信號(hào)并采集電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置角，進(jìn)而根據(jù)所述的轉(zhuǎn)子位置角生成開(kāi)關(guān)控制信號(hào)以驅(qū)動(dòng)切換控制單元。

所述的變流單元包括一直流源和一逆變器，所述的逆變器采用三相橋式逆變電路，其每個(gè)橋臂由至少一個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件串聯(lián)組成；該逆變電路的直流側(cè)與直流源對(duì)應(yīng)連接，交流側(cè)與電機(jī)三相定子繞組對(duì)應(yīng)連接。

所述的續(xù)流單元采用三相橋式整流電路，其每個(gè)橋臂由至少一個(gè)二級(jí)管串聯(lián)組成；該整流電路的直流側(cè)通過(guò)切換控制單元與變流單元的直流側(cè)對(duì)應(yīng)連接，交流側(cè)與電機(jī)三相定子繞組對(duì)應(yīng)連接。

所述的切換控制單元由兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)管Z1～Z2構(gòu)建；其中，功率開(kāi)關(guān)管Z1連接于變流單元直流側(cè)正極端與續(xù)流單元直流側(cè)正極端之間，功率開(kāi)關(guān)管Z2連接于變流單元直流側(cè)負(fù)極端與續(xù)流單元直流側(cè)負(fù)極端之間。

所述的功率開(kāi)關(guān)器件采用不帶有反并二極管的開(kāi)關(guān)管，可使用IGBT（絕緣柵雙極型晶體管），也可以使用MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管），根據(jù)選用功率開(kāi)關(guān)器件類型的不同，對(duì)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行優(yōu)化。

所述的控制器根據(jù)以下控制策略生成開(kāi)關(guān)控制信號(hào)以驅(qū)動(dòng)切換控制單元：

當(dāng)變流單元的換向超前角θ為0＜θ＜π/6時(shí)：

當(dāng)變流單元的換向超前角θ為π/6≤θ＜π/2時(shí)：

其中：S₁和S₂分別為功率開(kāi)關(guān)管Z1和功率開(kāi)關(guān)管Z2的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，為電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置角，n為整數(shù)。