CN102739133B

CN102739133B - 双电压控制开关磁阻电机及其双电压控制驱动装置

Info

Publication number: CN102739133B
Application number: CN201210174512.0A
Authority: CN
Inventors: 童自成
Original assignee: NANJING YINMAO ELECTRIC AUTOMATION CO Ltd
Current assignee: NANJING YINMAO ELECTRIC AUTOMATION CO Ltd
Priority date: 2012-05-31
Filing date: 2012-05-31
Publication date: 2015-11-25
Anticipated expiration: 2032-05-31
Also published as: CN102739133A

Abstract

本技术公开了一种双电压控制开关磁阻电机，所述电机驱动单元包括第一MOS管BG1和第三二极管D3；第一MOS管BG1的源极与开关磁阻电机的正极电源端连接，漏极用于连接第一电源VG，栅极与垫片及单元连接；第三二极管D3阴极与开关磁阻电机的正机电源端连接，阳极用于连接第二电源VD；开关磁阻电机的阴极电源端接地。还包括能量储存单元，所述能量储存单元包括第三MOS管BG3、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一二极管D1和第二二极管D2。本技术可以减少电机的噪音和功率器件的开关频率，从而提高***的效率和控制器的可靠性。

Description

双电压控制开关磁阻电机及其双电压控制驱动装置

技术领域

本技术涉及一种直流电机及其驱动装置，尤其涉及一种双电压控制开关磁阻电机及其双电压控制驱动装置。

背景技术

目前对开关磁阻电机的控制均采用单一直流电压,其控制方式为三种，即：角度位置控制、电流斩波控制和电压斩波控制。直流斩波是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为DC/DC变换。用斩波器斩切直流的基本思想是：如果改变开关的动作频率，或改变直流电流接通和断开的时间比例，就可以改变加到负载上的电压、电流平均值。上述控制方式多为现有技术所常用，如直流电机的速度控制、交换式电源供应器等。直流斩波器乃利用功率组件对固定电压之电源做适当之切割以达成负载端电压改变之目的。若其输出电压较输入之电源电压低，则称为降压式直流斩波器，若其输出电压较输入之电源电压高，则称为升压式直流斩波器。但是其缺点是不能得到理想的低噪音和较低的开关频率，稳定性也不可靠。而本技术对开关磁阻电机的控制则是采用双直流电压，其控制方式也不同于电流斩波和电压斩波控制。

发明内容

本技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种电机的噪音低、功率器件的开关频率低、效率高、可靠性好的双电压控制开关磁阻电机及其双电压控制驱动装置。

为解决上述技术问题，本技术针对双电压控制开关磁阻电机采取的技术方案为：一种双电压控制开关磁阻电机，包括速度给定单元、PID调节器、单片机控制单元、电机驱动单元、电流检测单元、用于检测开关磁阻电机转速的速度反馈单元和开关磁阻电机；速度给定单元、单片机控制单元、电机驱动单元和开关磁阻电机顺次电连接；电流检测单元连接在开关磁阻电机和单片机控制单元之间，电流检测单元检测开关磁阻电机的电机绕组电流并将电流信号输出给单片机控制单元；速度反馈单元连接在开关磁阻电机和PI调节器之间，速度反馈单元检测开关磁阻电机的转速并将转速信号反馈给PI调节器；速度给定单元将给定信号输出给PI调节器，PI调节器通过对给定信号和反馈的转速信号进行比较后，输出PI控制信号给单片机控制单元，单片机控制单元输出控制信号给电机驱动单元，电机驱动单元驱动开关磁阻电机运行；其特征在于：所述电机驱动单元包括第一MOS管BG1、第二MOS管BG2和第三二极管D3；第一MOS管BG1的源极与开关磁阻电机的正极电源端连接，漏极用于连接第一电源VG，栅极与单片机控制单元连接；第三二极管D3阴极与开关磁阻电机的正极电源端连接，阳极用于连接第二电源VD；开关磁阻电机的负极电源端与第二MOS管BG2的漏极连接，第二MOS管BG2的源极接地；

还包括能量储存单元，所述能量储存单元包括第三MOS管BG3、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一二极管D1和第二二极管D2；第一电容C1连接在第一电源VG和第三二极管D3的阳极之间；第二电容C2连接在第三二极管D3的阳极和地之间；第二二极管D2阳极与地连接，阴极与第一MOS管BG1的源极连接；第三MOS管BG3的源极与第三二极管D3的阴极连接，漏极与第一二极管D1的阴极连接，第一二极管D1的阳极与第二MOS管BG2的漏极连接；第三电容C3一端与第三二极管D3的阳极连接，另一端与第一二极管D1的阴极连接；当第一MOS管BG1导通时，第三MOS管BG3截止.

本技术针对开关磁阻电机的双电压控制驱动装置采取的技术方案为：一种开关磁阻电机的双电压控制驱动装置，其特征在于：包括第一MOS管BG1、第二MOS管BG2、第三二极管D3和用于控制第一MOS管BG1、第二MOS管BG2导通和截止的单片机控制单元；第一MOS管BG1的源极与开关磁阻电机的正极电源端连接，漏极用于连接第一电源VG，栅极与单片机控制单元连接；第二MOS管BG2的漏极与开关磁阻电机的负极电源端连接，，第二MOS管BG2的源极接地，第二MOS管BG2的栅极与单片机控制单元连接；第三二极管D3阴极与开关磁阻电机的正极电源端连接，阳极用于连接第二电源VD；

还包括能量储存单元，所述能量储存单元包括第三MOS管BG3、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一二极管D1和第二二极管D2；第一电容C1连接在第一电源VG和第三二极管D3的阳极之间；第二电容C2连接在第三二极管D3的阳极和地之间；第二二极管D2阳极与电源地连接，阴极与第一MOS管BG1的源极连接；第三MOS管BG3的源极与第三二极管D3的阴极连接，漏极与第一二极管D1的阴极连接，第一二极管D1的阳极与第二MOS管BG2的漏极连接；第三电容C3一端与第三二极管D3的阳极连接，另一端与第一二极管D1的阴极连接；当第一MOS管BG1导通时，第三MOS管BG3截止。

本技术双电压控制开关磁阻电机采用双直流电压控制，其控制方式也不同于电流斩波和电压斩波控制。单片机控制单元根据速度给定单元送来的速度给定信号的大小和电流检测单元的电流反馈信号，再通过电机驱动单元对开关磁阻电机进行速度控制，最终通过对二组不同的电压进行不断地相互切换，以调节电机绕组中的电流，使电机的输出转矩与负载转矩相匹配，以达到开关磁阻电机调速的目的。采用双直流电压的优点是：可以减少电机的噪音和功率器件的开关频率、节能及提高***的可靠性。

附图说明

图1为本技术的控制流程图。

图2为本技术的电机驱动单元的电路示意图。

图3为本技术的电路控制示意图。

下面结合附图对本技术的具体实施方式作进一步说明。

具体实施方式

实施例1

参见图1，本双电压控制开关磁阻电机，包括速度给定单元、PID调节器、单片机控制单元、电机驱动单元、电流检测单元、用于检测开关磁阻电机转速的速度反馈单元和开关磁阻电机；速度给定单元、单片机控制单元、电机驱动单元和开关磁阻电机顺次电连接；电流检测单元连接在开关磁阻电机和单片机控制单元之间，电流检测单元检测开关磁阻电机的电机绕组电流并将电流信号输出给单片机控制单元；速度反馈单元连接在开关磁阻电机和PI调节器之间，速度反馈单元检测开关磁阻电机的转速并将转速信号反馈给PI调节器；速度给定单元将给定信号输出给PI调节器，PI调节器通过对给定信号和反馈的转速信号进行比较后，输出PI控制信号给单片机控制单元，单片机控制单元输出控制信号给电机驱动单元，电机驱动单元驱动开关磁阻电机运行；参见图2，所述电机驱动单元包括第一MOS管BG1、第二MOS管BG2和第三二极管D3；第一MOS管BG1的源极与开关磁阻电机的正极电源端连接，漏极用于连接第一电源VG，栅极与单片机控制单元连接；第三二极管D3阴极与开关磁阻电机的整机电源端连接，阳极用于连接第二电源VD；开关磁阻电机的负极与第二MOS管BG2的漏极连接，第二MOS管BG2的源极与电源的地连接，栅极与单片机控制单元连接。

本实施例采用二个直流工作电压，一个是额定的工作电压VG，另一个是低于额定的工作电压VD，可以是二分之一的额定工作电压。根据电流和转速的变化，相互不断地切换供电电压。当开关磁阻电机启动时，由单片机控制单元发出指令，让BG1、BG2导通，二极管D3处于反偏状态，由VG提供电机的工作电压，当电流检测检测到电机的工作电流超过设定值或电机的转速超过转速给定值时，单片机控制单元发出指令，让BG1截止，二极管D3正向导通，由VD来提供电机的工作电压。当电机的转速低于速度给定值时，再导通BG1，来提高电机的转速。就这样，根据电机绕组LA中的电流大小和电机速度的变化，不断地调节二组不同的工作电压，以达到稳定速度的目的。当BG1导通时，由于二极管D3处于反偏，因此VD无法提供工作电压。但BG1截止后，二极管D3处于正向导通状态，故此时由VD提供电机的工作电压。

参见图2和图3，还包括能量储存单元，所述能量储存单元包括第三MOS管BG3、第二MOS管BG2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一二极管D1和第二二极管D2；第一电容C1连接在第一电源VG和第三二极管D3的阳极之间；第二电容C2连接在第三二极管D3的阳极和地之间；第二二极管D2阳极与地连接，阴极与第一MOS管BG1的源极连接；第三MOS管BG3的源极与第三二极管D3的阴极连接，漏极与第一二极管D1的阴极连接，第一二极管D1的阳极与第二MOS管BG2的漏极连接，第二MOS管BG2的源极与电源的地连接；第三电容C3一端与第三二极管D3的阳极连接，另一端与第一二极管D1的阴极连接；第一MOS管BG1导通时，第三MOS管BG3截止。当BG1导通，VG供电时，电机的能量回馈路径为：DD、D1、C3、D3、GS和DD、D1、C3、C2、D2、GS。由于此时BG3截止，故在电容C3上储存了BG1开通时回馈的能量。当BG1关闭时，开通BG3，则储存在C3上的能量通过BG3向电机绕组LA泄放能量，由于C3的电压高于VD，C3泄放能量时，D3处于反偏，故待C3上的能量泄放完以后，VD才会投入工作，从而节约了供电能量。

如图3所示，本实施例中电流检测单元是通过VOS管的导通压降与导通电流特性曲线来确定其所要保护的电流值，而不需要任何其它的电流采样器件。W2为电流采样设定值，快恢复二极管D7的阴极与BG2的漏极DD相连，当电机绕组LA的电流小于设定的电流值时，BG2的导通电压小于W2的电压值，此时DF正向导通，A点的电压被钳位在0.7V，W1、W3的电压设定值均为2V，故此时电压比较器U9输出低电平，U7电压比较器输出高电平，RS触发器U8的Q输出端也为高电平，经二级反相后使双输入端与非门U1的2端为高电平，U1的1端为电机运行控制的输入端，通过U2，经驱动片IR2110，控制电机的上桥臂BG1的导通与关断，从而保证电机的正常运转。当电机绕组中的电流大于设定值时，二极管DF反偏，此时，A点的电压经对电容CA的充电后会大于2V，则U9输出高电平，U7输出低电平，U8的Q端输出低电平，经二级反相后，U1的2端也变为低电平，迫使驱动片IR2110输出低电平而关闭BG1，切断VG供电，转入低压VD供电，从而使电机绕组中的电流下降。

例如希望电机绕组中的电流不超过60A，根据BG2的导通压降和导通电流的特性曲线可知，在栅极驱动电压为10V，室温为25℃时，60A对应BG2的导通压降是3V。则：W2的设定电压为3V，当电机绕组中的电流小于60A时，因BG2的导通压降小于3V，故此时A点的电压被钳制在0.7V，BG1导通，VG为电机提供工作电压。当电机绕组中的电流大于60A时，因VF反偏，从而使得A点的电位不断上升，当大于2V时，U9输出高电平，U1的2脚为低电平，迫使BG1关断，电机的供电电压由VG改为VD，此时，电机绕组中的电流将下降。当电机的转速一旦低于给定转速时，“速度给定”输出信号给单片机，由单片机输出控制信号，开通BG1，VG开始供电，此时二极管D3反偏，迫使VD不能供电。当电机转速超过给定转速或电流大于60A时，又重复上述过程。如此反复不断地切换二组不同的工作电压，达到电机稳定的工作。

实施例2

参见图2和图3，本开关磁阻电机的双电压控制驱动装置，包括第一MOS管BG1、第二MOS管BG2、第三二极管D3和用于控制第一MOS管BG1、第二MOS管BG2导通和截止的单片机控制单元；第一MOS管BG1的源极与开关磁阻电机的正极电源端连接，漏极用于连接第一电源VG，栅极与单片机控制单元连接；第二MOS管BG2的漏极与开关磁阻电机的负极连接，源极与电源的地连接，栅极与单片机控制单元连接；第三二极管D3阴极与第一MOS管BG1的源极连接，阳极用于连接第二电源VD。还包括能量储存单元，所述能量储存单元包括第三MOS管BG3、第二MOS管BG2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一二极管D1和第二二极管D2；第一电容C1连接在第一电源VG和第三二极管D3的阳极之间；第二电容C2连接在第三二极管D3的阳极和地之间；第二二极管D2阳极与地连接，阴极与MOS管的源极连接；第三MOS管BG3的源极与第三二极管D3的阴极连接，漏极与第一二极管D1的阴极连接，第一二极管D1的阳极与第二MOS管BG2的漏极连接，第二MOS管的源极与电源的地连接；第三电容C3一端与第三二极管D3的阳极连接，另一端与第一二极管D1的阴极连接；当第一MOS管BG1导通时，第三MOS管BG3截止。本实施例的能量存储原理与实施例1相同，不再详述。

Claims

1.一种双电压控制开关磁阻电机，包括速度给定单元、PID调节器、单片机控制单元、电机驱动单元、电流检测单元、用于检测开关磁阻电机转速的速度反馈单元和开关磁阻电机；速度给定单元、单片机控制单元、电机驱动单元和开关磁阻电机顺次电连接；电流检测单元连接在开关磁阻电机和单片机控制单元之间，电流检测单元检测开关磁阻电机的电机绕组电流并将电流信号输出给单片机控制单元；速度反馈单元连接在开关磁阻电机和PI调节器之间，速度反馈单元检测开关磁阻电机的转速并将转速信号反馈给PI调节器；速度给定单元将给定信号输出给PI调节器，PI调节器通过对给定信号和反馈的转速信号进行比较后，输出PI控制信号给单片机控制单元，单片机控制单元输出控制信号给电机驱动单元，电机驱动单元驱动开关磁阻电机运行；其特征在于：所述电机驱动单元包括第一MOS管BG1、第二MOS管BG2和第三二极管D3；第一MOS管BG1的源极与开关磁阻电机的正极电源端连接，漏极用于连接第一电源VG，栅极与单片机控制单元连接；第三二极管D3阴极与开关磁阻电机的正极电源端连接，阳极用于连接第二电源VD；开关磁阻电机的负极电源端与第二MOS管BG2的漏极连接，第二MOS管BG2的源极接地；

还包括能量储存单元，所述能量储存单元包括第三MOS管BG3、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一二极管D1和第二二极管D2；第一电容C1连接在第一电源VG和第三二极管D3的阳极之间；第二电容C2连接在第三二极管D3的阳极和地之间；第二二极管D2阳极与地连接，阴极与第一MOS管BG1的源极连接；第三MOS管BG3的源极与第三二极管D3的阴极连接，漏极与第一二极管D1的阴极连接，第一二极管D1的阳极与第二MOS管BG2的漏极连接；第三电容C3一端与第三二极管D3的阳极连接，另一端与第一二极管D1的阴极连接；当第一MOS管BG1导通时，第三MOS管BG3截止；

二个直流工作电压，一个是额定的工作电压VG_，另一个是低于额定的工作电压VD；根据电流和转速的变化，相互不断地切换供电电压；当开关磁阻电机启动时，由单片机控制单元发出指令，让BG1、BG2导通，二极管D3处于反偏状态，由VG提供电机的工作电压，当电流检测检测到电机的工作电流超过设定值或电机的转速超过转速给定值时，单片机控制单元发出指令，让BG1截止，二极管D3正向导通，由VD来提供电机的工作电压；当电机的转速低于速度给定值时，再导通BG1，来提高电机的转速；就这样，根据电机绕组LA中的电流大小和电机速度的变化，不断地调节二组不同的工作电压，以达到稳定速度的目的；当BG1导通时，由于二极管D3处于反偏，因此VD无法提供工作电压；但BG1截止后，二极管D3处于正向导通状态，故此时由VD提供电机的工作电压。

2.一种开关磁阻电机的双电压控制驱动装置，其特征在于：包括第一MOS管BG1、第二MOS管BG2、第三二极管D3和用于控制第一MOS管BG1、第二MOS管BG2导通和截止的单片机控制单元；第一MOS管BG1的源极与开关磁阻电机的正极电源端连接，漏极用于连接第一电源VG，栅极与单片机控制单元连接；第二MOS管BG2的漏极与开关磁阻电机的负极电源端连接，第二MOS管BG2的源极接地，第二MOS管BG2的栅极与单片机控制单元连接；第三二极管D3阴极与开关磁阻电机的正极电源端连接，阳极用于连接第二电源VD；还包括能量储存单元，所述能量储存单元包括第三MOS管BG3、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一二极管D1和第二二极管D2；第一电容C1连接在第一电源VG和第三二极管D3的阳极之间；第二电容C2连接在第三二极管D3的阳极和地之间；第二二极管D2阳极与电源地连接，阴极与第一MOS管BG1的源极连接；第三MOS管BG3的源极与第三二极管D3的阴极连接，漏极与第一二极管D1的阴极连接，第一二极管D1的阳极与第二MOS管BG2的漏极连接；第三电容C3一端与第三二极管D3的阳极连接，另一端与第一二极管D1的阴极连接；当第一MOS管BG1导通时，第三MOS管BG3截止。