本發(fā)明涉及電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，涉及一種應(yīng)用單電流傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)同步整流控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

低壓大電流是電動(dòng)車輛無(wú)刷直流電機(jī)控制器的典型特征，普通二極管正向?qū)▔航荡?、續(xù)流損耗尤為突出，無(wú)法滿足低壓大電流下的高效率要求，而MOSFET因?qū)娮璧?、開關(guān)時(shí)間短等特點(diǎn)，已成為低壓大電流功率控制器首選的器件，同步整流控制即利用這一特點(diǎn)通過(guò)MOSFET反向?qū)▉?lái)取代二極管作為回路，從而提高系統(tǒng)效率。

電動(dòng)車輛在起動(dòng)、加速以及制動(dòng)的過(guò)程中需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供要求的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，所以必須對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行閉環(huán)控制，即需對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的相電流進(jìn)行閉環(huán)控制。傳統(tǒng)的方法是直接通過(guò)電流傳感器檢測(cè)相電流，有時(shí)還需要檢測(cè)母線電流，這樣構(gòu)成的系統(tǒng)需要多個(gè)傳感器，成本較高，同時(shí)也增大了驅(qū)動(dòng)裝置的體積。如：文獻(xiàn)“無(wú)刷直流電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)”(電源學(xué)報(bào)，2014/02)通過(guò)三個(gè)電流傳感器直接檢測(cè)無(wú)刷直流電機(jī)三相電流實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、相電流的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)；文獻(xiàn)“分段式滑模變結(jié)構(gòu)無(wú)刷直流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制”(儀器儀表學(xué)報(bào)，2013/11)通過(guò)兩個(gè)電流傳感器檢測(cè)無(wú)刷直流電機(jī)兩相電流，根據(jù)已檢測(cè)的兩相電流推導(dǎo)第三相電流，從而完成相電流閉環(huán)控制，即便電流傳感器數(shù)量已減小，但與單電流傳感器相比還是成本較高。也有采用單電流傳感器進(jìn)行無(wú)刷直流電機(jī)相電流的檢測(cè)，如文獻(xiàn)“無(wú)刷直流電機(jī)換相力矩波動(dòng)抑制”(電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2008/03)通過(guò)改變傳統(tǒng)的三相功率橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，但增加了控制器硬件的復(fù)雜程度，也提高了系統(tǒng)成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明在無(wú)刷直流電機(jī)傳統(tǒng)三相功率橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過(guò)母線電容與儲(chǔ)能元件之間的一個(gè)電流傳感器檢測(cè)母線電流，并根據(jù)該母線電流重構(gòu)獲得相電流，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)和制動(dòng)運(yùn)行下的相電流單閉環(huán)或相電流與母線電流的雙閉環(huán)同步整流控制，可降低電機(jī)控制器成本及功耗并提高轉(zhuǎn)矩控制能力。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案：

無(wú)刷直流電機(jī)單電流傳感器同步整流控制系統(tǒng)，包括：控制器，儲(chǔ)能元件，電流傳感器，母線電容，三相功率橋，無(wú)刷直流電機(jī)；其中控制器包含母線電流調(diào)節(jié)器，相電流重構(gòu)單元，相電流調(diào)節(jié)器，PWM調(diào)制器；

無(wú)刷直流電機(jī)的三相繞組與三相功率橋的三個(gè)半橋臂相連；三相功率橋與母線電容和儲(chǔ)能元件的正負(fù)母線并聯(lián)在一起；電流傳感器放置在母線電容與儲(chǔ)能元件之間的正母線或負(fù)母線上用于檢測(cè)母線電流；母線電流輸入給控制器中的相電流重構(gòu)單元和母線電流調(diào)節(jié)器；母線電流給定量輸入到母線電流調(diào)節(jié)器，母線電流調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)到相電流調(diào)節(jié)器；相電流給定量輸入到相電流調(diào)節(jié)器，相電流重構(gòu)單元輸出信號(hào)到相電流調(diào)節(jié)器；無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)和相電流調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)輸入給PWM調(diào)制器，PWM調(diào)制器輸出PWM信號(hào)給三相功率橋。

所述控制系統(tǒng)適用于無(wú)刷直流電機(jī)同步整流控制下的電動(dòng)運(yùn)行和制動(dòng)運(yùn)行，具有兩種閉環(huán)控制方式：一種是相電流單閉環(huán)控制，相電流調(diào)節(jié)器的輸入為相電流給定量與相電流重構(gòu)單元輸出信號(hào)的偏差；另一種是相電流內(nèi)環(huán)和母線電流外環(huán)構(gòu)成的雙閉環(huán)控制，母線電流調(diào)節(jié)器的輸入為母線電流給定量與母線電流的偏差，相電流調(diào)節(jié)器的輸入為母線電流調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)與相電流重構(gòu)單元輸出信號(hào)的偏差。

根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)決定換相時(shí)刻，無(wú)刷直流電機(jī)每次只有兩相導(dǎo)通，其中一相為正向?qū)?，另一相為反向?qū)?，形成一個(gè)回路，采用如下兩種同步整流控制方法；

同步整流控制方法1：控制無(wú)刷直流電機(jī)正向?qū)ㄏ嗬@組連接的三相功率橋橋臂上下開關(guān)管互補(bǔ)PWM斬波，負(fù)向?qū)ㄏ嗬@組連接的三相功率橋橋臂下開關(guān)管保持恒導(dǎo)通；

同步整流控制方法2：控制無(wú)刷直流電機(jī)正向和負(fù)向?qū)ㄏ嗬@組分別連接的三相功率橋橋臂上下開關(guān)管互補(bǔ)PWM斬波，并且正向?qū)ㄏ嗬@組連接的橋臂上開關(guān)管與負(fù)向?qū)ㄏ嗬@組連接的橋臂下開關(guān)管為相同PWM斬波；

采用同步整流控制方法1時(shí)，母線電流I_s和相電流I_ph存在關(guān)系：D×I_ph＝I_s，其中D為開關(guān)管PWM占空比；

采用同步整流控制方法2時(shí)，母線電流I_s和相電流I_ph存在關(guān)系：(2D-1)×I_ph＝I_s，其中D為開關(guān)管PWM占空比；

所述控制系統(tǒng)中相電流重構(gòu)單元使用的是一個(gè)PWM周期內(nèi)電流的平均值形式，為獲得母線電流在一個(gè)PWM周期內(nèi)的平均值，采取如下的采樣方式：在正向?qū)ㄏ嗬@組連接的三相功率橋橋臂上開關(guān)管一個(gè)PWM周期中導(dǎo)通時(shí)間的一半處采樣母線電流I_s。

本發(fā)明的好處在于：同步整流能降低續(xù)流器件上的功率損耗，提高系統(tǒng)效率；只使用一個(gè)電流傳感器，成本較低；利用重構(gòu)得到的相電流可實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)相電流單閉環(huán)控制，也可實(shí)現(xiàn)相電流內(nèi)環(huán)和母線電流外環(huán)構(gòu)成的雙閉環(huán)控制，可提高轉(zhuǎn)矩控制能力，并能有效控制儲(chǔ)能元件的輸入輸出電流以延長(zhǎng)其壽命。

附圖說(shuō)明

下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1為無(wú)刷直流電機(jī)單電流傳感器同步整流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；

圖2為無(wú)刷直流電機(jī)電動(dòng)運(yùn)行或制動(dòng)運(yùn)行時(shí)的同步整流控制方法1；

圖3為無(wú)刷直流電機(jī)電動(dòng)運(yùn)行或制動(dòng)運(yùn)行時(shí)的同步整流控制方法2；

圖4為無(wú)刷直流電機(jī)電動(dòng)運(yùn)行時(shí)采用同步整流控制方法2的電流回路；

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示，無(wú)刷直流電機(jī)單電流傳感器同步整流控制系統(tǒng)，包括：控制器1，儲(chǔ)能元件2，電流傳感器3，母線電容4，三相功率橋5，無(wú)刷直流電機(jī)6；其中控制器包含母線電流調(diào)節(jié)器1-1，相電流重構(gòu)單元1-2，相電流調(diào)節(jié)器1-3，PWM調(diào)制器1-4；

無(wú)刷直流電機(jī)6的三相繞組與三相功率橋5的三個(gè)半橋臂相連；無(wú)刷直流電機(jī)6的三相繞組分別為A、B、C，其中A相繞組連接的三相功率橋5橋臂上下開關(guān)管分別為V1和V2，B相繞組連接的三相功率橋5橋臂上下開關(guān)管分別為V3和V4，C相繞組連接的三相功率橋5橋臂上下開關(guān)管分別為V5和V6；三相功率橋5與母線電容4和儲(chǔ)能元件2的正負(fù)母線并聯(lián)在一起；電流傳感器3放置在母線電容4與儲(chǔ)能元件2之間的正母線或負(fù)母線上用于檢測(cè)母線電流I_s；母線電流I_s輸入給控制器1中的相電流重構(gòu)單元1-2和母線電流調(diào)節(jié)器1-1；母線電流給定量I_s^*輸入到母線電流調(diào)節(jié)器1-1，母線電流調(diào)節(jié)器1-1輸出信號(hào)I_ph^*到相電流調(diào)節(jié)器1-3；相電流給定量I_ph^*輸入到相電流調(diào)節(jié)器1-3，相電流重構(gòu)單元1-2輸出信號(hào)I_ph到相電流調(diào)節(jié)器1-3；無(wú)刷直流電機(jī)6的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)H₁/H₂/H₃和相電流調(diào)節(jié)器1-3的輸出信號(hào)輸入給PWM調(diào)制器1-4，PWM調(diào)制器1-4輸出PWM信號(hào)給三相功率橋5；

所述控制系統(tǒng)適用于無(wú)刷直流電機(jī)6同步整流控制下的電動(dòng)運(yùn)行和制動(dòng)運(yùn)行，具有兩種閉環(huán)控制方式：一是相電流單閉環(huán)控制，相電流調(diào)節(jié)器1-3的輸入為相電流給定量I_ph^*與相電流重構(gòu)單元1-2輸出信號(hào)I_ph的偏差；二是相電流內(nèi)環(huán)和母線電流外環(huán)構(gòu)成的雙閉環(huán)控制，母線電流調(diào)節(jié)器1-1的輸入為母線電流給定量I_s^*與母線電流I_s的偏差，相電流調(diào)節(jié)器1-3的輸入為母線電流調(diào)節(jié)器1-1的輸出信號(hào)I_ph^*與相電流重構(gòu)單元1-2輸出信號(hào)I_ph的偏差；

在電動(dòng)運(yùn)行或制動(dòng)運(yùn)行下，無(wú)刷直流電機(jī)6根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)H₁/H₂/H₃給出控制系統(tǒng)的換相時(shí)刻，電機(jī)每次只有兩相導(dǎo)通，其中一相為正向?qū)?，另一相為反向?qū)?，形成一個(gè)回路，采用同步整流控制方法1或同步整流控制方法2進(jìn)行控制，如圖2、3所示，假設(shè)無(wú)刷直流電機(jī)6兩相導(dǎo)通狀態(tài)為A+B-；

同步整流控制方法1：控制電機(jī)A相繞組連接的三相功率橋5橋臂上下開關(guān)管V1和V2互補(bǔ)PWM斬波，電機(jī)B相繞組連接的三相功率橋5橋臂下開關(guān)管V4保持恒導(dǎo)通；

同步整流控制方法2：控制電機(jī)A相和B相繞組分別連接的三相功率橋5橋臂上下開關(guān)管V1和V2、V3和V4互補(bǔ)PWM斬波，并且電機(jī)A相繞組連接的橋臂上開關(guān)管V1與電機(jī)B相繞組連接的橋臂下開關(guān)管V4為相同PWM斬波；

在電動(dòng)運(yùn)行或制動(dòng)運(yùn)行下，采用同步整流控制方法1時(shí)，母線電流I_s和相電流I_ph存在關(guān)系：D×I_ph＝I_s，其中D為開關(guān)管V1的PWM占空比；

在電動(dòng)運(yùn)行或制動(dòng)運(yùn)行下，采用同步整流控制方法2時(shí)，母線電流I_s和相電流I_ph存在關(guān)系：(2D-1)×I_ph＝I_s，其中D為開關(guān)管V1的PWM占空比；

所述控制系統(tǒng)中相電流重構(gòu)單元1-2使用的是一個(gè)PWM周期內(nèi)電流的平均值形式，為獲得母線電流I_s在一個(gè)PWM周期內(nèi)的平均值，采取如下的采樣方式：無(wú)刷直流電機(jī)6在正向?qū)ㄏ嗬@組連接的三相功率橋5橋臂上開關(guān)管一個(gè)PWM周期中導(dǎo)通時(shí)間的一半處采樣母線電流I_s。

下面以無(wú)刷直流電機(jī)6采用同步整流控制方法2電動(dòng)運(yùn)行為例說(shuō)明相電流I_ph重構(gòu)原理。

如圖4所示，假設(shè)兩相導(dǎo)通狀態(tài)為A+B-，在開關(guān)管V1導(dǎo)通階段，V1和V4導(dǎo)通，通過(guò)圖中電流回路電樞繞組電感儲(chǔ)能，母線電容C處于放電狀態(tài)，在此期間通過(guò)電容的電流I_c(t)可用相電流I_ph(t)和母線電流I_s(t)之差來(lái)表示：

I_c(t)＝I_ph(t)-I_s(t)

在開關(guān)管V1關(guān)斷階段，V2和V3導(dǎo)通，電感由圖中回路經(jīng)V2和V3釋放能量，母線電容C處于充電狀態(tài)，在此期間負(fù)向通過(guò)電容的電流I_cf(t)可用相電流I_phf(t)和母線電流I_sf(t)之和來(lái)表示：

-I_cf(t)＝I_phf(t)+I_sf(t)

由于PWM頻率較高，電機(jī)為感性負(fù)載，相電流I_ph不能突變，可用一個(gè)PWM周期內(nèi)相電流的平均值〈I_ph(t)〉來(lái)代替該周期內(nèi)的相電流瞬時(shí)值，即開關(guān)管V1導(dǎo)通時(shí)的相電流I_ph(t)、開關(guān)管V1關(guān)斷時(shí)的相電流I_phf(t)、一個(gè)PWM周期內(nèi)相電流的平均值〈I_ph(t)〉存在下述關(guān)系：

I_ph(t)≈I_phf(t)≈<I_ph(t)>

電流傳感器直接檢測(cè)母線電流I_s，由于線路寄生電感的存在，母線電流I_s不能突變，用一個(gè)PWM周期內(nèi)母線電流平均值〈I_s(t)〉代替該周期內(nèi)相電流瞬時(shí)值，即開關(guān)管V1導(dǎo)通時(shí)的母線電流I_s(t)、開關(guān)管V1關(guān)斷時(shí)的母線電流I_sf(t)、一個(gè)PWM周期內(nèi)母線電流的平均值〈I_s(t)〉存在下述關(guān)系：

I_s(t)≈I_sf(t)≈<I_s(t)>

由上述各表達(dá)式及電容安秒特性可得一個(gè)PWM周期內(nèi)母線電流I_s(t)和相電流平均值〈I_ph(t)〉之間關(guān)系為：

(2D-1)×<I_ph(t)>＝<I_s(t)>

其中，D為開關(guān)管V1的PWM占空比。