雙繞組高速無刷直流電機(jī)倍頻斬波控制電路及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種雙繞組高速無刷直流電機(jī)倍頻斬波控制電路及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高速電機(jī)相比于傳統(tǒng)電機(jī)。它們具有以下優(yōu)點(diǎn):一是由于轉(zhuǎn)速高，所以電機(jī)功率密度高，而體積遠(yuǎn)小于功率普通的電機(jī)，可以有效的節(jié)約材料。二是可與原動(dòng)機(jī)相連，取消了傳統(tǒng)的減速機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)效率高，噪音小。三是由于高速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，所以動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。
[0003]然而高速電機(jī)在控制時(shí)需要頻率較高的PffM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，若PWM信號(hào)的開關(guān)頻率較低，以常用的1KHz為例，在每個(gè)通電時(shí)間內(nèi)，功率器件開關(guān)2?3次，意味著調(diào)節(jié)的線性度較差，通常會(huì)降低轉(zhuǎn)速的控制穩(wěn)定精度。同時(shí)考慮到高速大功率無刷電機(jī)的等效電感相對(duì)較小，較低的開關(guān)頻率還會(huì)增加相電流的波動(dòng)，引起轉(zhuǎn)矩波動(dòng)進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)速控制不穩(wěn)，導(dǎo)致相電流有效值的增加，引起電機(jī)銅耗、控制器損耗的增加以及控制器電磁兼容性的下降。因此，功率器件應(yīng)工作在較高的頻率。但是受到IGBT自身結(jié)構(gòu)的限制，其開關(guān)頻率一般在20KHz以下。同時(shí)，較高的開關(guān)頻率，將大大增加其開關(guān)損耗。
[0004]為了解決電機(jī)高速與IGBT開關(guān)頻率有限之間的矛盾，目前一般采用的方法是:前級(jí)增加一個(gè)功率管和一個(gè)儲(chǔ)能電感組成BUCK電路，通過BUCK調(diào)節(jié)主回路電壓，三相全橋采取PffM占空比近似為I的控制方法。該方法有效解決了電機(jī)高速與功率器件開關(guān)頻率有限之間的矛盾。但是額定電流較大的大功率儲(chǔ)能電感將明顯增加控制器的體積和重量，同時(shí)還要面臨電感發(fā)熱、飽和、電流連續(xù)/斷續(xù)工作、電壓輸出精度等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]要解決的技術(shù)問題
[0006]為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種雙繞組高速無刷直流電機(jī)倍頻斬波控制電路及控制方法，降低了電機(jī)的斬波轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高轉(zhuǎn)速精度，不存在由斬波信號(hào)差異而引起的電流不均衡問題。特別適用于無位置起動(dòng)的高速無刷直流電機(jī)。該技術(shù)在降低功率器件開關(guān)頻率的同時(shí)，增加高速電機(jī)PffM調(diào)節(jié)的線性度。
[0007]技術(shù)方案
[0008]—種雙繞組高速無刷直流電機(jī)倍頻斬波控制電路，其特征在于包括Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6組成的第一逆變電路，Q7、Q8、Q9、Q10、Qll和Q12組成的第二逆變電路，Cl母線電容、C2母線電容、Q14切換開關(guān)、Q15切換開關(guān)、Rl充電回路電阻、R2充電回路電阻、Q16開關(guān)管、Q17開關(guān)管、Dl反向并聯(lián)二極管、D2反向并聯(lián)二極管和回路間串聯(lián)二極管Q13 ;第一逆變電路與第一 Y型連接的繞組相連接，第二逆變電路與第二 Y型連接的繞組相連接，第一逆變電路與第二逆變電路之間串接二極管Q13 ;第一逆變電路經(jīng)過Q15與地相連，第二逆變電路經(jīng)過Q14與Vcc相連；Q14兩端并聯(lián)有Rl、Q16以及反向并聯(lián)二極管Dl所組成的充電回路，Q15兩端并聯(lián)有R2、Q17以及反向并聯(lián)二極管D2所組成的充電回路；第一逆變電路的母線并聯(lián)母線電容Cl，第二逆變電路的母線并聯(lián)母線電容C2。
[0009]所述第一逆變電路的逆變電路Ql、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6，第二逆變電路的Q7、Q8、Q9、Q10、Qll和Q12，以及切換開關(guān)Q14和切換開關(guān)Q15采用IGBT或者M(jìn)OSFET管。
[0010]一種采用所述雙繞組高速無刷直流電機(jī)倍頻斬波控制電路實(shí)現(xiàn)斬波控制的方法，其特征在于:兩套繞組上第一逆變電路與第二逆變電路上施加的PWM信號(hào)，兩個(gè)PWM信號(hào)相差四分之一個(gè)斬波周期。
[0011]有益效果
[0012]本發(fā)明提出的一種雙繞組高速無刷直流電機(jī)倍頻斬波控制電路及控制方法，利用倍頻斬波技術(shù)與電機(jī)兩套繞組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相結(jié)合的思想，降低了電機(jī)的斬波轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高轉(zhuǎn)速精度，不存在由斬波信號(hào)差異而引起的電流不均衡問題。特別適用于無位置起動(dòng)的高速無刷直流電機(jī)。與目前現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明特點(diǎn)有以下幾點(diǎn):將倍頻斬波技術(shù)的思想與新型電機(jī)繞組切換結(jié)構(gòu)相結(jié)合，把高速電機(jī)的開關(guān)信號(hào)頻率降低，降低了電路損耗；采用倍頻斬波控制方式使兩套繞組電流存在斬波相位差，使兩套繞組輸出的電磁轉(zhuǎn)矩相隔二分之一斬波周期互補(bǔ)。電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩是兩套繞組電磁轉(zhuǎn)矩之和，其互補(bǔ)特性可以有效減小電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩?cái)夭}動(dòng)，提高電機(jī)轉(zhuǎn)速控制精度。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明所述四種依次相差了四分之一個(gè)斬波周期的PffM信號(hào)
[0014]圖2是控制電路拓?fù)鋱D
[0015]圖3是兩套繞組上電流波形
[0016]圖4是仿真結(jié)果圖
【具體實(shí)施方式】
[0017]現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述:
[0018]本發(fā)明利用倍頻斬波技術(shù)與電機(jī)兩套繞組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相結(jié)合的思想，降低了電機(jī)的斬波轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高轉(zhuǎn)速精度，不存在由斬波信號(hào)差異而引起的電流不均衡問題。
[0019]如圖1所示，提供了一種雙繞組高速無刷直流電機(jī)倍頻斬波控制方法。本發(fā)明包括:包括兩套單獨(dú)的逆變電路(Q1-Q6、Q7-Q12)以及兩套單獨(dú)Y型聯(lián)接的繞組(Al、B1、Cl ;A2、B2、C2)，兩個(gè)母線電容(Cl、C2)，兩個(gè)個(gè)切換開關(guān)(Q14、Q15)，兩個(gè)充電回路電阻(R1、R2)與開關(guān)管(Q16、Q17)反向并聯(lián)二極管Dl、D2，以及兩套回路間串聯(lián)二極管Q13。
[0020]連接關(guān)系:第一逆變電路與第一 Y型連接的繞組相連接，第二逆變電路與第二 Y型連接的繞組相連接，第一逆變電路與第二逆變電路之間串接二極管Q13;第一逆變電路經(jīng)過Q15與地相連，第二逆變電路經(jīng)過Q14與Vcc相連；Q14兩端并聯(lián)有Rl、Q16以及反向并聯(lián)二極管Dl所組成的充電回路，Q15兩端并聯(lián)有R2、Q17以及反向并聯(lián)二極管D2所組成的充電回路；第一逆變電路的母線并聯(lián)母線電容Cl，第二逆變電路的母線并聯(lián)母線電容C2。
[0021]所述第一逆變電路的逆變電路Ql、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6，第二逆變電路的Q7、Q8、Q9、Q10、Qll和Q12，以及切換開關(guān)Q14和切換開關(guān)Q15采用IGBT或者M(jìn)OSFET管。
[0022]本發(fā)明的工作過程，首先分析PffM信號(hào)。以Ql、Q6、Q7、Q12導(dǎo)通為例說明倍頻斬波的原理，如圖1所示。圖中，四個(gè)管子的開關(guān)頻率為10kHz，由上向下依次為:1號(hào)驅(qū)動(dòng)管Ql的驅(qū)動(dòng)信號(hào)Sl_l，l號(hào)驅(qū)動(dòng)器Q6的驅(qū)動(dòng)信號(hào)S6_l，2號(hào)驅(qū)動(dòng)器Q7的驅(qū)動(dòng)信號(hào)S7_2，2號(hào)驅(qū)動(dòng)器Q12的驅(qū)動(dòng)信號(hào)S12_2，以上四個(gè)信號(hào)依次相差了四分之一個(gè)斬波周期。由于電機(jī)兩套繞組同槽安放，繞組的參數(shù)差異較小，同時(shí)開關(guān)頻率較高，為繞組均流創(chuàng)造了條件。在額定的負(fù)載下進(jìn)行仿真，該負(fù)載對(duì)應(yīng)繞組電流為110A。仿真電流波形如圖2所示，依次為I號(hào)繞組A相電流波形，2號(hào)繞組A相電流波形，I號(hào)繞組A相電流有效值波形，2號(hào)繞組A相電流有效值波形。從仿真波形圖3可以看出，無論是電流的瞬時(shí)值還是有效值兩套繞組都實(shí)現(xiàn)了較好的均流效果，不存在由于斬波信號(hào)的差異而引起的電流不均衡問題。同時(shí)每套繞組的電流有效值都為設(shè)計(jì)值的一半，有利于功率器件體積的減小。
[0023]如圖4所示，為PffM信號(hào)，兩套繞組中流過的電流以及轉(zhuǎn)矩仿真圖，可以看出其中PffM信號(hào)每個(gè)互差四分之一周期；兩套繞組上電流紋波有固定相位差；在每套繞組上電流波動(dòng)一次時(shí)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)兩次，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩多脈波數(shù)，小幅值脈動(dòng)的功能。
[0024]采用倍頻斬波控制方式使兩套繞組電流存在斬波相位差，使兩套繞組輸出的電磁轉(zhuǎn)矩相隔二分之一斬波周期互補(bǔ)。電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩是兩套繞組電磁轉(zhuǎn)矩之和，其互補(bǔ)特性可以有效減小電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩?cái)夭}動(dòng)，提高電機(jī)轉(zhuǎn)速控制精度。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種雙繞組高速無刷直流電機(jī)倍頻斬波控制電路，其特征在于包括Ql、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6組成的第一逆變電路，Q7、Q8、Q9、Q10、Qll和Q12組成的第二逆變電路，Cl母線電容、C2母線電容、Q14切換開關(guān)、Q15切換開關(guān)、Rl充電回路電阻、R2充電回路電阻、Q16開關(guān)管、Q17開關(guān)管、Dl反向并聯(lián)二極管、D2反向并聯(lián)二極管和回路間串聯(lián)二極管Q13 ;第一逆變電路與第一 Y型連接的繞組相連接，第二逆變電路與第二 Y型連接的繞組相連接，第一逆變電路與第二逆變電路之間串接二極管Q13 ;第一逆變電路經(jīng)過Q15與地相連，第二逆變電路經(jīng)過Q14與Vcc相連；Q14兩端并聯(lián)有Rl、Q16以及反向并聯(lián)二極管Dl所組成的充電回路，Q15兩端并聯(lián)有R2、Q17以及反向并聯(lián)二極管D2所組成的充電回路；第一逆變電路的母線并聯(lián)母線電容Cl，第二逆變電路的母線并聯(lián)母線電容C2。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述雙繞組高速無刷直流電機(jī)倍頻斬波控制電路，其特征在于:所述第一逆變電路的逆變電路QU Q2、Q3、Q4、Q5和Q6，第二逆變電路的Q7、Q8、Q9、Q10、Qll和Q12，以及切換開關(guān)Q14和切換開關(guān)Q15采用IGBT或者M(jìn)OSFET管。3.一種采用權(quán)利要求1或2所述雙繞組高速無刷直流電機(jī)倍頻斬波控制電路實(shí)現(xiàn)斬波控制的方法，其特征在于:兩套繞組上第一逆變電路與第二逆變電路上施加的PWM信號(hào)，兩個(gè)PffM信號(hào)相差四分之一個(gè)斬波周期。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種雙繞組高速無刷直流電機(jī)倍頻斬波控制電路及控制方法，利用倍頻斬波技術(shù)與電機(jī)兩套繞組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相結(jié)合的思想，降低了電機(jī)的斬波轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高轉(zhuǎn)速精度，不存在由斬波信號(hào)差異而引起的電流不均衡問題。特別適用于無位置起動(dòng)的高速無刷直流電機(jī)。與目前現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：將倍頻斬波技術(shù)的思想與新型電機(jī)繞組切換結(jié)構(gòu)相結(jié)合，把高速電機(jī)的開關(guān)信號(hào)頻率降低，降低了電路損耗；采用倍頻斬波控制方式使兩套繞組電流存在斬波相位差，使兩套繞組輸出的電磁轉(zhuǎn)矩相隔二分之一斬波周期互補(bǔ)。電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩是兩套繞組電磁轉(zhuǎn)矩之和，其互補(bǔ)特性可以有效減小電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩?cái)夭}動(dòng)，提高電機(jī)轉(zhuǎn)速控制精度。
【IPC分類】H02P6/10
【公開號(hào)】CN105048897
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510350591
【發(fā)明人】龐基, 劉衛(wèi)國, 譚博, 駱光照
【申請(qǐng)人】西北工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年11月11日
【申請(qǐng)日】2015年6月23日