CN104300854A - 基于Buck变换器的无刷直流电机驱动电路 - Google Patents

Abstract

基于Buck变换器的无刷直流电机驱动电路，属于电机控制领域。本发明是为了解决现有逆变器进行PWM脉宽调制来调节电机转速时，易发生故障的问题。本发明所述的基于Buck变换器的无刷直流电机驱动电路，在现有驱动电路的基础上，加入了Buck变换器，利用Buck变换器斩波调压电路中的功率管进行单管调制，替代了现有逆变器的多管调制。不仅能够代替逆变器进行PWM脉宽调制来调节电机转速，还具备LC滤波作用，缓解逆变过程中产生的高频脉冲对前后级电路的冲击，使电机定子电流更加平稳，削弱了转矩脉动，从而使故障率减小了50％，使控制***运行更加安全、稳定。本发明适用于对无刷直流电机进行驱动。

Description

基于Buck变换器的无刷直流电机驱动电路

技术领域

本发明属于电机控制领域，尤其涉及一种无刷直流电机的驱动电路。

背景技术

永磁无刷直流电动机(Brushless DC motor，简称BLDC)，拥有和直流电机相媲美的调速性能，性能稳定，电路简单，控制精准。

电机控制***通常是通过PWM(脉冲宽度调制)技术调节三相全桥逆变器功率管的通断时间占空比，从而来调节电机转速，一般都需要多个功率管同时进行高频率工作。逆变器功率管进行电机换向的同时，还需要持续的高频率PWM脉宽调制，使之成为了工作中极易发生故障的薄弱环节。

发明内容

本发明是为了解决现有逆变器进行PWM脉宽调制来调节电机转速时，易发生故障的问题，现提供基于Buck变换器的无刷直流电机驱动电路。

基于Buck变换器的无刷直流电机驱动电路，它包括：电源、Buck变换器、电机控制器和逆变器；

电源的正极连接Buck变换器的正向电压输入端，电源的负极连接Buck变换器的负极；

电机控制器的变换器脉冲信号输出端连接Buck变换器的脉冲信号输入端；

Buck变换器的正向电压输出端连接逆变器的正极，Buck变换器的负极连接逆变器的负极；

电机控制器的一号脉冲信号输出端连接逆变器的一号脉冲信号输入端，电机控制器的二号脉冲信号输出端连接逆变器的二号脉冲信号输入端，电机控制器的三号脉冲信号输出端连接逆变器的三号脉冲信号输入端，电机控制器的四号脉冲信号输出端连接逆变器的四号脉冲信号输入端，电机控制器的五号脉冲信号输出端连接逆变器的五号脉冲信号输入端，电机控制器的六号脉冲信号输出端连接逆变器的六号脉冲信号输入端。

本发明所述的基于Buck变换器的无刷直流电机驱动电路，在现有驱动电路的基础上，加入了Buck变换器，利用Buck变换器斩波调压电路中的功率管进行单管调制，替代了现有逆变器的多管调制。不仅能够代替逆变器进行PWM脉宽调制来调节电机转速，还具备LC滤波作用，缓解逆变过程中产生的高频脉冲对前后级电路的冲击，使电机定子电流更加平稳，削弱了转矩脉动，从而使故障率减小了50％，使控制***运行更加安全、稳定。本发明适用于对无刷直流电机进行驱动。

附图说明

图1是本发明所述的基于Buck变换器的无刷直流电机驱动电路的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于Buck变换器的无刷直流电机驱动电路，它包括：电源U、Buck变换器1、电机控制器2和逆变器3；

电源U的正极连接Buck变换器1的正向电压输入端，电源U的负极连接Buck变换器1的负极；

电机控制器2的变换器脉冲信号输出端连接Buck变换器1的脉冲信号输入端；

Buck变换器1的正向电压输出端连接逆变器3的正极，Buck变换器1的负极连接逆变器3的负极；

电机控制器2的一号脉冲信号输出端连接逆变器3的一号脉冲信号输入端，电机控制器2的二号脉冲信号输出端连接逆变器3的二号脉冲信号输入端，电机控制器2的三号脉冲信号输出端连接逆变器3的三号脉冲信号输入端，电机控制器2的四号脉冲信号输出端连接逆变器3的四号脉冲信号输入端，电机控制器2的五号脉冲信号输出端连接逆变器3的五号脉冲信号输入端，电机控制器2的六号脉冲信号输出端连接逆变器3的六号脉冲信号输入端。

本实施方式在实际应用时，将逆变器3的三相绕组连接端分别与无刷直流电机4的三相绕组连接，从而驱动无刷直流电机4。即逆变器3的U相绕组连接端连接无刷直流电机4的U相绕组，逆变器3的V相绕组连接端连接无刷直流电机4的V相绕组，逆变器3的W相绕组连接端连接无刷直流电机4的W相绕组。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于Buck变换器的无刷直流电机驱动电路作进一步说明，本实施方式中，所述Buck变换器1包括：一号变换器二极管D1、二号变换器二极管D2、变换器功率管TV0、电感L和电容C；

一号变换器二极管D1的负极与变换器功率管TV0的集电极连接，并同时作为Buck变换器1的正向电压输入端，一号变换器二极管D1的正极、变换器功率管TV0的发射极、二号变换器二极管D2的负极和电感L的一端同时连接，电感L的另一端与电容C的一端连接，并同时作为Buck变换器1的正向电压输出端，变换器功率管TV0的基极作为Buck变换器1的脉冲信号输入端，二号变换器二极管D2的正极和电容C的另一端同时作为Buck变换器1的负极。

本实施方式中所述的Buck变换器1能够代替逆变器3进行PWM电压调制，使逆变器3只负责换向，从而缓解逆变器3中既换向又调压的负担。

本实施方式中所述的Buck变换器1中的电感L和电容C共同组成LC滤波器，该LC滤波器能够滤除逆变器3换向过程中产生的高频谐波信号对前后级电路的冲击。由于电感L的缓冲续流作用，使母线电流连续平稳，进而改善相电流波形，使电磁转矩更加稳定。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于Buck变换器的无刷直流电机驱动电路作进一步说明，本实施方式中，逆变器3包括：一号功率管VT1、二号功率管VT2、三号功率管VT3、四号功率管VT4、五号功率管VT5、六号功率管VT6、一号二极管3-1、二号二极管3-2、三号二极管3-3、四号二极管3-4、五号二极管3-5和六号二极管3-6；

一号功率管VT1的基极作为逆变器3的一号脉冲信号输入端，二号功率管VT2的基极作为逆变器3的二号脉冲信号输入端，三号功率管VT3的基极作为逆变器3的三号脉冲信号输入端，四号功率管VT4的基极作为逆变器3的四号脉冲信号输入端，五号功率管VT5的基极作为逆变器3的五号脉冲信号输入端，六号功率管VT6的基极作为逆变器3的六号脉冲信号输入端；

一号功率管VT1的集电极、一号二极管3-1的负极、三号功率管VT3的集电极、三号二极管3-3的负极、五号功率管VT5的集电极和五号二极管3-5的负极相连接，并同时作为逆变器3的正极；

二号功率管VT2的发射极、二号二极管3-2的正极、四号功率管VT4的发射极、四号二极管3-4的正极、六号功率管VT6的发射极和六号二极管3-6的正极相连接，并同时作为逆变器3的负极；

一号功率管VT1的发射极、一号二极管3-1的正极、四号功率管VT4的集电极和四号二极管3-4的负极相连接，并同时作为逆变器3的U相绕组连接端；

三号功率管VT3的发射极、三号二极管3-3的正极、六号功率管VT6的集电极和六号二极管3-6的负极相连接，并同时作为逆变器3的V相绕组连接端；

五号功率管VT5的发射极、五号二极管3-5的正极、二号功率管VT2的集电极和二号二极管3-2的负极相连接，并同时作为逆变器3的W相绕组连接端。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一、二或三所述的基于Buck变换器的无刷直流电机驱动电路作进一步说明，本实施方式中，所述电源U为直流电源。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式二所述的基于Buck变换器的无刷直流电机驱动电路作进一步说明，本实施方式中，所述电感L为续流电感。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式二所述的基于Buck变换器的无刷直流电机驱动电路作进一步说明，本实施方式中，所述电容C为滤波电容。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式二所述的基于Buck变换器的无刷直流电机驱动电路作进一步说明，本实施方式中，二号变换器二极管D2为续流二极管。

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式一、二或三所述的基于Buck变换器的无刷直流电机驱动电路作进一步说明，本实施方式中，所述逆变器3为三相桥式逆变器。

无刷直流电机的速度计算公式为：

$n=\frac{U_d-{2R}_a{i}_a}{K_{\mathrm{\ϵ}}}$

公式中，U_d是母线电压，R_a为电机定子电阻，i_a为电机定子电流，K_ε是反电动势系数，仅与电机本体结构有关。

从上式中可以看出，在定子电流一定的情况下，调节逆变器供电端的母线电压就可以达到调节电机转速的目的。

由于Buck变换器是一种DC—DC调压的降压斩波电路，可以通过改变功率管通断时间的占空比，来改变输出端的电压大小。本发明则通过控制Buck变换电路中变换器功率管TV0的占空比来代替三相桥式逆变器的PWM脉宽调制，进而实现调节无刷直流电机直流母线电压，从而调节无刷直流电机转速。图1所示电路中，三相桥式逆变器只起换向的作用，不进行PWM脉宽调制。

本发明所述的基于Buck变换器的无刷直流电机驱动电路，在实际工作过程中，电机控制器2一方面按照预先编制好的换向时序分别向逆变器3的6个功率管施加触发脉冲，驱动电机旋转；另一方面向变换器功率管TV0施加经控制器转速调节作用后输出的占空比可变的触发脉冲，实现电机调速作用。

Buck变换器1利用变换器功率管TV0单管调制代替了原有逆变器的多管调制，一方面减轻的逆变器功率管的工作负担，降低故障率，同时又能降低开关损耗；另一方面，Buck变换器1自身带有LC滤波作用，很大程度上衰减了多功率管同时进行脉宽调制时产生的高频谐波脉冲含量，减小对前后级电路的冲击，进而改善电机转矩脉动。

Claims (8)

1.基于Buck变换器的无刷直流电机驱动电路，其特征在于，它包括：电源(U)、Buck变换器(1)、电机控制器(2)和逆变器(3)；

电源(U)的正极连接Buck变换器(1)的正向电压输入端，电源(U)的负极连接Buck变换器(1)的负极；

电机控制器(2)的变换器脉冲信号输出端连接Buck变换器(1)的脉冲信号输入端；

Buck变换器(1)的正向电压输出端连接逆变器(3)的正极，Buck变换器(1)的负极连接逆变器(3)的负极；

电机控制器(2)的一号脉冲信号输出端连接逆变器(3)的一号脉冲信号输入端，电机控制器(2)的二号脉冲信号输出端连接逆变器(3)的二号脉冲信号输入端，电机控制器(2)的三号脉冲信号输出端连接逆变器(3)的三号脉冲信号输入端，电机控制器(2)的四号脉冲信号输出端连接逆变器(3)的四号脉冲信号输入端，电机控制器(2)的五号脉冲信号输出端连接逆变器(3)的五号脉冲信号输入端，电机控制器(2)的六号脉冲信号输出端连接逆变器(3)的六号脉冲信号输入端。

2.根据权利要求1所述的基于Buck变换器的无刷直流电机驱动电路，其特征在于，所述Buck变换器(1)包括：一号变换器二极管(D1)、二号变换器二极管(D2)、变换器功率管(TV0)、电感(L)和电容(C)；

一号变换器二极管(D1)的负极与变换器功率管(TV0)的集电极连接，并同时作为Buck变换器(1)的正向电压输入端，一号变换器二极管(D1)的正极、变换器功率管(TV0)的发射极、二号变换器二极管(D2)的负极和电感(L)的一端同时连接，电感(L)的另一端与电容(C)的一端连接，并同时作为Buck变换器(1)的正向电压输出端，变换器功率管(TV0)的基极作为Buck变换器(1)的脉冲信号输入端，二号变换器二极管(D2)的正极和电容(C)的另一端同时作为Buck变换器(1)的负极。

3.根据权利要求1所述的基于Buck变换器的无刷直流电机驱动电路，其特征在于，逆变器(3)包括：一号功率管(VT1)、二号功率管(VT2)、三号功率管(VT3)、四号功率管(VT4)、五号功率管(VT5)、六号功率管(VT6)、一号二极管(3-1)、二号二极管(3-2)、三号二极管(3-3)、四号二极管(3-4)、五号二极管(3-5)和六号二极管(3-6)；

一号功率管(VT1)的基极作为逆变器(3)的一号脉冲信号输入端，二号功率管(VT2)的基极作为逆变器(3)的二号脉冲信号输入端，三号功率管(VT3)的基极作为逆变器(3)的三号脉冲信号输入端，四号功率管(VT4)的基极作为逆变器(3)的四号脉冲信号输入端，五号功率管(VT5)的基极作为逆变器(3)的五号脉冲信号输入端，六号功率管(VT6)的基极作为逆变器(3)的六号脉冲信号输入端；

一号功率管(VT1)的集电极、一号二极管(3-1)的负极、三号功率管(VT3)的集电极、三号二极管(3-3)的负极、五号功率管(VT5)的集电极和五号二极管(3-5)的负极相连接，并同时作为逆变器(3)的正极；

二号功率管(VT2)的发射极、二号二极管(3-2)的正极、四号功率管(VT4)的发射极、四号二极管(3-4)的正极、六号功率管(VT6)的发射极和六号二极管(3-6)的正极相连接，并同时作为逆变器(3)的负极；

一号功率管(VT1)的发射极、一号二极管(3-1)的正极、四号功率管(VT4)的集电极和四号二极管(3-4)的负极相连接，并同时作为逆变器(3)的U相绕组连接端；

三号功率管(VT3)的发射极、三号二极管(3-3)的正极、六号功率管(VT6)的集电极和六号二极管(3-6)的负极相连接，并同时作为逆变器(3)的V相绕组连接端；

五号功率管(VT5)的发射极、五号二极管(3-5)的正极、二号功率管(VT2)的集电极和二号二极管(3-2)的负极相连接，并同时作为逆变器(3)的W相绕组连接端。

4.根据权利要求1、2或3所述的基于Buck变换器的无刷直流电机驱动电路，其特征在于，所述电源(U)为直流电源。

5.根据权利要求2所述的基于Buck变换器的无刷直流电机驱动电路，其特征在于，所述电感(L)为续流电感。

6.根据权利要求2所述的基于Buck变换器的无刷直流电机驱动电路，其特征在于，所述电容(C)为滤波电容。

7.根据权利要求2所述的基于Buck变换器的无刷直流电机驱动电路，其特征在于，二号变换器二极管(D2)为续流二极管。

8.根据权利要求1、2或3所述的基于Buck变换器的无刷直流电机驱动电路，其特征在于，所述逆变器(3)为三相桥式逆变器。