《无刷电动机功率驱动电路及其驱动方法.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《无刷电动机功率驱动电路及其驱动方法.pdf（15页完整版）》请在专利查询网上搜索。
本发明涉及一种无刷电动机的驱动电路及驱动方法，其要点是采用多个独立电源，各与反向并联续流二极管的晶体管功率开关构成串联电路，该支路跨接在按星形连接的电动机各相绕组的星端之间，各支路按同方向构成闭合回路，其驱动方法，是根据位置传感器的位置信号，顺序开通功率开关，使电机绕组顺序正反向通电，本发明适用于电池组供电的动力驱动装置，如电动汽车、极富工业应用前景。 。
本发明涉及一种无刷电动机的驱动电路及驱动方法，其要点是采用多个独立电源，各与反向并联续流二极管的晶体管功率开关构成串联电路，该支路跨接在按星形连接的电动机各相绕组的星端之间，各支路按同方向构成闭合回路，其驱动方法，是根据位置传感器的位置信号，顺序开通功率开关，使电机绕组顺序正反向通电，本发明适用于电池组供电的动力驱动装置，如电动汽车、极富工业应用前景。
1： 一种无刷电动机功率驱动电路，当无刷电动机为三相或三相以 上的多相时，其电动机的多相绕组按星形连接，其特征是：相邻星 端之间构成的桥臂是按正向顺序串联的独立直流电源[U 1 ]、[U 2 ]、 …[U m ]和晶体管功率开关[T 1 ]、[T 2 ]、…[T m ]构成的支路，每个 晶体管功率开关的集电极与发射极之间反向并联一个续流二极管 O 1 、O 2 …O m ，每个晶体管功率开关的基极连接电机驱动控制器的输 出端，m个桥臂支路按同方向串联成闭合回路，m为不小于3的 自然数。
2： 按照权利要求1所述的驱动电路，当无刷电动机为二相时， 其特征是采用四个晶体管功率开关T a 、T b 、T c 、T d ，四个续流二极 管D a 、D b 、D c 、D d ；每个晶体管功率开关均与一个续流二极管反向 并联，四个晶体管功率开关按照相同方向顺序串联，构成具有四个 桥臂的闭合回路，形成四个桥臂节点a、b、c、d，独立电源U d 和 U c 被串联在奇数桥臂或偶数桥臂中，电动机的两相绕组为正交独立 绕组，按绕组相序跨接到四个桥臂节点上。
3： 一种无刷电动机驱动电路的驱动方向，其特征是：根据位置 传感器敏感的磁极位置信号，来控制电动机各绕组轮流通电；当电 动机为三相时，按T A →T A T B →T B →T BC →T C →T CA →T A 六 拍顺序开通各功率开关，使电动机按相序A
本发明涉及一种用于无刷电动机功率驱动的电路及其驱动方法，非常适合于电动汽车的主轴驱动以及具有多个独立电源的，低电压(低转速)、大力矩(大电流)场合和家用风扇、空调、吸尘器、缝纫、泵类的调速驱动控制。
已有的无刷电动机功率驱动电路均采用一个直流电源或一对含中点的直流电源。对于三相无刷电动机，其驱动电路大都采用H桥或三相桥结构，如图1所示。这种驱动电路的明显缺点是，使用的晶体管功率开关数量比较多，一般是电动机相数的2倍或4倍；另外，上、下桥臂晶体管易发生直通故障可靠性变差，因此必须设置上、下桥臂的间隙时间(或称死区时间)，而间隙时间限止了功率晶体管在脉宽调制控制时的开关频率，大力矩(也即大电流)驱动中尤为严重。人们一直希望研究一种使用晶体管功率开关比较少，驱动可靠性比较高，也即性能价格相对较高的无刷电动机驱动电路，但是均采获得成功。图2是一种可用于微型无刷电动机的驱动电路。这种电路中，每相绕组的电流只能按正方向流动，电机效率低；而且没有续流能力，所以不可能通过对三个晶体管功率开关采用脉宽调制技术进行调速控制，这种电路只能在微型的、恒速的驱动系统中作用。常见的步进电动机单极性驱动电路，不能用于无刷电动机的驱动。很明显，如图3所示的典型电路中，续流与阻尼二极管会短路电动机的反电势的负半周。图4是一种续流能量消耗型无刷电动机驱动电路。它在微型无刷电动机或小型开关磁阻电动机中采用，在运行过程中，续流能量通过续流二极管D向电容器C转移，电容电压增加，直至达到稳压管W击穿电压后，通过稳压管W和电阻R向US回馈。由于大部分续流能量消耗在电阻上，“泵升现象”严重，绕组电流无法反向，效率低，均是其弱点。很明显，这种电路也只能在微电机范围中使用。所以三相或多相大功率无刷电动机至今一直未能找到性能价格相对较高的驱动电路和驱动方法。
对于二相电动机一般用双H桥驱动，使用的晶体管功率开关数量比三相桥更多。所以，二相电机不如三相电机使用广泛。而且H桥驱动同样存在，上、下桥臂晶体管易发生直通故障使可靠性变差的问题，因此，必须设置上、下桥臂的间隙时间(或称死区时间)，而间隙时间限止了功率晶体管在脉宽调制控制时地开关频率，高速运行时尤为严重。二相无刷电动机的另外一种驱动电路如图5所示，称为T型驱动电路，这种电路使用一对含中点的直流电源，T型电路上、下桥臂需要用N型和P型互补晶体管对。众所周知，大功率P型晶体管由于生产的基本工艺性差而无法实用，所以这种双T型驱动电路，只能在微电机中使用。双H桥驱电路和双T型驱动电路属于双极性驱动电路，也即允许电机绕组双向通电，电路本身就具有续流能力，所以，能够最终靠对功率开关驱动信号的脉宽调制来实现对无刷电动机的转速控制或转矩控制。但由于使用元件数量多，电路复杂，成本比较高，很难在家用、民用电机驱动领域中广泛作用。
本发明的目的是提供一种无刷电动机电路及驱动方法，使电机具有较简单的结构，使驱动电路具有元器件少，可靠性好，成本低，同时又具有H桥，双T型这类双极性驱动电路的类拟特性，也即可以通过脉宽调制来实现对无刷电动机的转速控制或转矩控制。
本发明无刷电动机驱动电路，当元刷电动机为三相或三相以上的多相时，其电动机的多相绕组按星形连接，其要点在于，相邻星端之间构成的桥臂是由按正向顺序串联连接的独立直流电源U1，U2…Um和晶体管功率开关T1、T2…Tm构成的支路，每个晶体管功率开关的集电极与发射极之间反向并联一个续流二极管D1、D2、…Dm，每个晶体管功率开关的基极连接电机驱动控制器的输出端，m个桥臂支路按同方向串联成闭合回路，m为不小于3的自然数。
当无刷电动机为二相时，采用四个晶体管功率开关Ta、Tb、Tc、Td，四个续流二极管Da、Db、Dc、Dd；每个晶体管功率开关均与一个续流二极管反向并联，四个晶体管功率开关按照相同方向顺序串联，构成具有四个桥臂的闭合回路，形成四个桥臂节点a、b、c、d，独立电源Ud和Uc被串联在奇数桥臂或者偶数桥臂中，电动机的两相绕组为正交独立绕组，按绕组相序跨接到四相桥臂节点上。
本发明无刷电动机的驱动方法，其要点是根据位置传感器敏感的磁极位置信号、来控制电动机各绕组轮流通电，当电动机为三相对，按TA→TAB→TB→TBTC→TC→TCTA→TA，六拍顺序开通各功率开关，使电动机按相序A B→A BB C→B C→B CC A→C A→C AA B→A B顺序地变换各相绕组的正反通电方向，电机正转。亦可按上述相反的顺序通电使电机反转。当电动机为二相时，功率开关开通顺序为TdTa→TaTb→TbTc→TdTa。相序为a→b→ a→ b→a，电机正转，或按相反方向通电使电机反转。
多相多电源无刷电动机驱动电路的驱动基本方法为：依据位置传感器信息，按桥臂串联回路的串联顺序或逆序，逐相单拍通电换向或单双拍间隔通电，或双拍通电，使电动机获得连续转矩。对于三相无刷电动机，本发明以多个独立电源供电，解决了传统单极性驱动无法使电机绕组双向通电，无法续流的问题，从而在保证具有传统双极性驱动之优越特性的情况下，使功率驱动电路的功率开关，续流二极管数量减少到1/2或1/4，而且操控方法也得到了简化。由于这种新的驱动电路使用多个独立电源，间隙供电，间隙续流充电，所以特别适宜于电池组供电的动力驱动装置，可使电池使用寿命延长。
由于本发明驱动电路，自然具备了四象限可控特性，这正是电动汽车驱动系统所需要的。理论与实践能更加进一步证明本发明驱动电路及方法，具有低电压(低转速)，大电流(大力矩)，堵转力矩大、堵转力矩波动小的特点，也即具有直接驱动的特点。因此，对于电池供电的电动汽车极富应用前景。此外，本发明，可用于各类通过变压器供电的无刷电动机的驱动系统中，从而方便获得理想的性能价格比。本发明无刷电动机驱动电路还适用于开关磁阻电动机和步进电动机的驱动与控制，也适用于感应电动机变频驱动。能够准确的看出，本发明将导致一类新型驱动电机系统的实现与发展。
对于二相无刷电动机，本发明以两个独立电源供电，使简单的驱动电路具有传统双极性驱动的特性，使功率驱动电路的功率开关，续流二极管数量减少到1/2，而且无直通现象，控制简单、可靠性高。
两个独立电源可以很方便地采用单相工频电源，驱动电路比之以往任何一种双极性可调速驱动电路简单而可靠，所以，在家用，民用例如：无级调速电风扇；无起停噪声的自动空调、吸尘器、机器人；电动缝纫、泵类、电磁阀等需要转速或转矩控制的驱动系统中都有应用前景。
图1为已有的H桥无刷电动机驱动电路，其中a为单相H桥，b为三相桥；图2为微型无刷电动机恒速驱动电路；图3为步进电动机单极性驱动电路；图4为微型无刷电动机变速驱动电路；图5为二相T型驱动电路；图6为本发明三相无刷电动机驱动电路，其中a为电源接在晶体管发射极的形式，b为电源接在晶体管集电极的形式，图7为本发明三相三拍驱动波形；图8为发明三相六拍驱动波形；图9为本发明多相多电源无刷电动机驱动电路，其中a为四相、b为五相、c为六相；图10为实施例1A相电流实测波形；图11为发明二相双电源驱动电路；图12为本发明二相四拍驱动波形；图13为本发明二相无刷电动机单相工频电源供电的驱动电路；图14为实施例2，二相无刷电动机相电流实测波形；图15是一个三相无刷电动机控制电路的电路原理图，图中SS为速度给定信号，sd为旋转方向给定信号，PA、PB、PC分别为无刷电动机的A、B、C相来自位置传感器的方波位置信号，P0为采自位置传感器的其它位置信号。
先以本发明用于三相无刷电动机的驱动电路为例加以说明。如图6所示，三相无刷电动机，使用三个功率开关TA、TB、TC，三个续流二极管DA、DB、DC和三个独立直流UA、UB、UC构成三个桥臂。每个桥臂由一个并有续流二极管的功率开关与一个独立直流电源同方向串联组成，而三个桥臂则按照同方向串联成闭合回路。电动机的三相绕组星形联接，然后与三个桥臂节点相联接，构成如图6所示的三相元刷电动机驱动电路。若三个功率开关中的TA功率开关导通，则独立电源UA向A相绕组正向通电，同时向B相绕反向通电，称为AB通电状态，在这种通电状态中，能否对TA进行脉冲脉宽控制，要看电路有没有续流能力，当TA因脉冲调宽从导通突然变成关，则A、B两相绕组的电感贮能通过续流二极管DB、DC向电源UB、UC回馈，因此具有续流能力。同样，当采用双拍换向控制时，若TATB同时导通后，突然转为关断，续流能量通过续流二极管DC向电源UC回馈。因此这种电路双拍换向控制时同样具有续流能力。其性能与图1所示的H桥，三相桥等双极性电路相类似。
本发明无刷电动机功率驱动电路的驱动方法，原理上与典型的无刷电动机驱动电路相同，即根据位置传感器敏感的磁极位置信号，按照桥臂串联顺序，通过改变功率开关的状态，采控制电动机各相绕组轮流通电。但由于驱动电路结构不同，使单极性驱动信号，产生了传统双极性驱动的效果。以三相无刷电动机为例，如图6所示的驱动电路，其换向控制逻辑为TA→TB→TC，即，按TA、TB、TC顺序开通三个功率开关，使相应的电动机三相绕组按相序A B→B C→C A→A B顺序地变换各相绕组的正反通电；从而使电动机获得连续的驱动转矩；图7表示位置信号(也即电势信号)与换向信号的时序关系，iA、iB、iC是三相绕组的电流波形。由于三相电机的绕组按星形联接，每一个功率开关的导通，引起一个独立电源供电，二个绕组通电，每三拍完成一个通电周期，每个通电周期内，每相绕组均至少正向通电一次和反向通电一次。由于允许电流正、反向流动，具有续流能力，每一通电换向状态(也即每一拍)中，通过对该功率开关驱动信号的脉冲调宽来实现对电动机的转速控制和转矩控制。这一特征，显著区别以往各类电动机的单极性驱动电路(例如：图2，图3，图4)。
本发明无刷电动机驱动电路也可以双拍或单双拍驱动控制。对于图6所示的驱动电路，根据位置传感器敏感的磁极位置信号，按照桥臂串联顺序，通过改变三个晶体管功率开关TA、TB、TC的状态，采控制电动机A、B、C三相绕组轮流通电，即按照TA→TATB→TB→TBTC→TC→TCTA→TA，六拍顺序开通各功率开关，使三相无刷电动机按相序A B→A BB C→B C→B CC A→C A→C AA B→A B顺序地变换各相绕组的正反通电方向，从而获得连续的驱动转矩；每六拍完成一个通电周期，每个通电周期内，每相绕组均至少正向通电一次和反向通电一次；每一通电换向状态(也即每一拍)是由一个或二个相应的独立电源供电的，由于允许绕组电流双向流动，具有续流能力，所以每一通电换向状态中，通过对导通功率开关驱动信号的脉冲调宽来实现对电动机的转速或转矩控制。本发明无刷电动机驱动电路的电机转向操控方法与传统方法相同。例如单拍控制改成TA→TC→TB→TA顺序开通功率开关实现A B→C A→B C→A B绕组换向，可使电机反转。同样双拍控制改成TA→TATC→TC→TCTB→TB→TB→TBTA→TA顺序开通功率开关，实现A B→A BC A→C A→C AB C→B C→B CA B→A B绕组换向，可使电机反转。
本发明无刷电动机驱动电路能应用于三相以上的无刷电动机，例如4，5，6，…等多相无刷电动机，如图9所示。
图15是本实施例驱动电路控制器的实际电路图。使用图6所示的三相无刷电动机驱动电路，驱动一台三相、6极、400瓦永磁无刷电动机，转速可控范围为±2000转/分，采用三拍换向控制，脉冲调宽转速控制。功率开关采用IBGT，调制频率为18KHZ。图10是其低速(n＝143rpm)，满负载(T＝27Nm)情况下的A相实测电流波形。
本实施例二相无刷电动机驱动电路由晶体管功率开关，续流二级管组成，使用四个晶体管功率开关Ta、Tb、Tc、Td四个续流二极管Da、Db、Dc、Dd；每个晶体管功率开关均与一个续流二极管反向并联，四个晶体管功率开关按照相同方向顺序串联，构成具有四个桥臂的闭合回路，形成四相桥臂节点a、b、c、d，而二独立电源Ud和Uc，被串联在奇数桥臂或者偶数桥臂中，电动机的两相绕组为正交独立绕组，按绕组相序跨接到四个桥臂节点上，如图13所示。若Ua串联在Ta功率开关桥臂中，则按序顺，UC应串联在TC功率开关所在的桥臂中。若功率开关TdTa导通，则独立电源Ua向a相绕组正向通电，电流ia从a节点流向c节点，称为a通电状态，在这种通电状态中，能否对Ta、Td进行脉冲调宽控制，要看电路有没有续流能力，当Ta、Td因脉冲调宽从导通突然变成关断，则a相绕组的电感贮能通过续流二极管DC、Db构成向UC充电的续流由路，向电源UC回馈电感贮能，因此具有续流能力。为了使电动机连续旋转，能够准确的通过无刷电动机的位置传感器敏感的位置信号，按照桥臂串联顺序，通过改变功率开关的状态，来控制电动机的两相绕组的轮流正反通电，其换向逻辑为：TdTa→TaTb→TbTc→TcTd→TdTa，相应的电动机二相绕组按相序a→b→ a→ b→a顺序周期地变换绕组的正反通电，从而使电动机获得连续的驱动转矩；图12表明位置信号(也即电势信号)与功率开关换向信号的时序关系，ia、ib是二相绕组的电流波形。众所周知，由于允许电流正反向流动，具有续流能力，所以，能够最终靠对功率开关驱动信号进行脉冲调宽采实现对电动机的转速控制和转矩控制。本发明无刷电动机驱动电路对电机的转向操控方法与传统方法相同，若上述通电逻辑改成TaTd→TdTc→TcTd→TbTa→TaTd，则相应的电动机二相绕组按相序a→b→ a→b→a顺序周期地变换绕组的正反通电，从而使电动机按相反的方向旋转。
本实施例驱动电路需要用二个独立电源，所以非常适合于用池组供电的场合，例如电动汽车。当然也适用变压器供电的场合。由于独立电源间隙供电，间隙被续流充电，可以使电池组的常规使用的寿命大大延长，所以在电动汽车上更有应用前景。
为了使本发明在家用单相电源上可使用，能更加进一步使用本发明从单相工频电源获取二个等效的独立电源。电路使用四个整流二极管D1～D4，和二个滤波电容Ca和Cc。工频电源UA的正半周，由D1→Ca→D3→US构成正向整流回路，对Ca充电，构成半波整流的独立电源UA；工频电源UA的负半周，由D2→Cc→D4→US构成反向整流回路，对Cc充电，构成半波整流的另一个独立电源UC，如图13所示。
使用图13所示的使用单相工频电源的二相无刷电动机驱动电路，驱动一台二相、四极、400瓦缝纫机无刷电动机，转速控制范围为±2500转/分，采用霍尔开关位置传感器，脉冲调宽转速控制，功率开关采用IGBT，调制频率为18KHZ。图14是其低速(n＝130rpm)，负载(T＝2.7N.m)情况下的A相实测电流波形，充分说明该电路具有双极性驱动特性，而且续流很好。由于使用的元件几乎少了一倍，所以，该电路的制造成本只有双H桥驱动电路的二分之一左右。
