CN105141200A

CN105141200A - 一种永磁同步电机的驱动电路及驱动方法

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Publication number: CN105141200A
Application number: CN201510468621.7A
Authority: CN
Inventors: 黄晓冬; 张幸浩
Original assignee: Hangzhou Silergy Semiconductor Technology Ltd
Current assignee: Hangzhou Silergy Semiconductor Technology Ltd
Priority date: 2015-08-04
Filing date: 2015-08-04
Publication date: 2015-12-09
Anticipated expiration: 2035-08-04
Also published as: US9774285B2; CN105141200B; US20170040921A1

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机的驱动电路及驱动方法，本发明通过采样其中一相的相电压和相电流的信息就可以获得该相的表征转子位置信息的反电势信息。根据获得的反电势信息可以得到三相的马蹄形调制波，进而可以获得控制三相逆变器中开关管的开关控制信号，实现正弦波电流控制。本发明中无需位置传感器来检测转子的位置信息，并且只需采样其中一相的相电压和相电流即可推出其他两相的转子位置信息，本发明的技术方案简单，成本低。

Description

一种永磁同步电机的驱动电路及驱动方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，更具体的说，涉及一种永磁同步电机的驱动电路及驱动方法。

背景技术

永磁同步电机(PMSM)由于其自身具有重量轻、体积小、结构简单和功率密度高等一些优点，在日常生活、工农业生产以及国家经济发展中起到了重要的作用。由于永磁材料性能的不断提高和完善，以及电力电子器件的进一步发展，永磁同步电机的应用越来越广泛。在一些应用场合中希望能最大限度控制***的成本，无位置传感器技术省去了常规的位置传感器，如光电编码盘、旋转变压器等设备，大大降低了***的成本。传统的无位置传感器的永磁同步电机的控制方案采用矢量控制，无位置传感器的矢量控制可以实现较好的永磁同步电机控制，但是存在算法复杂，计算量大，需要较高级的处理器。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种永磁同步电机的驱动电路及驱动方法，通过采样永磁同步电机的其中一相的电压和电流信息来估算出对应相的反电势信息，然后根据所述反电势信号获得三相的马蹄形调制波，根据马蹄形调制波产生PWM控制信号以控制三相逆变器中开关管的导通和关断，以实现对所述永磁同步电机的正弦波电流控制。

依据本发明的一种永磁同步电机的驱动电路，通过控制三相逆变器中开关管的开关状态，以控制所述永磁同步电机的工作电流，所述驱动电路包括电流采样电路、滑模估算电路，速度计算电路、PWM控制电路，

所述电流采样电路采样所述永磁同步电机的其中一相的转子电流信息以获得电流采样信号；

所述滑模估算电路接收所述电流采样信号和表征该相转子电压信息的电压采样信号，据此估算该相的反电势信息，并输出表征所述反电势信息的第一电压信号；

所述速度计算电路接收所述第一电压信号，以据此产生表征所述转子周期信息的第一角速度信号；

所述PWM控制电路根据所述第一角速度信号产生PWM控制信号，所述PWM控制信号用以控制三相逆变器中开关管的导通和关断，以控制所述永磁同步电机的工作电流为正弦波电流。

进一步的，所述PWM控制电路包括速度调节电路和三相PWM控制子电路，每一相PWM控制子电路均包括调制波产生电路、第一乘法电路和开关信号产生电路，

所述速度调节电路接收所述第一角速度信号和参考角速度信号，以获得一比例信号；

每一相的调制波产生电路接收所述第一角速度信号，以据此生成第一马蹄形调制波；

每一相的第一乘法电路接收所述第一马蹄形调制波和所述比例信号，以生成第二马蹄形调制波；

每一相的开关信号产生电路接收所述第二马蹄形调制波和一三角波信号，以产生该相的PWM控制信号。

优选的，三相调制波产生电路产生的第一马蹄形调制波相位互差120°。

进一步的，所述驱动电路还包括角度调节电路，

所述角度调节电路接收所述第一电压信号和对应一相的转子电流信息，并对所述第一电压信号和所述转子电流信息的角度差进行计算，以获得一角度差值信号，所述角度差值信号传输至对应一相的调制波产生电路。

优选的，采样对应相的转子电压信息以获得所述电压采样信号，所述对应相与采样转子电流信息的相为相同的一相。

优选的，所述第二乘法电路接收一正弦波信号和所述比例信号，经乘法运算后生成所述电压采样信号，其中，所述正弦波信号与所述第一马蹄形调制波相位相同。

依据本发明的一种永磁同步电机的驱动方法，通过控制三相逆变器中开关管的开关状态，以控制所述永磁同步电机的工作电流，所述驱动方法包括以下步骤：

采样所述永磁同步电机的其中一相的转子电流信息以获得电流采样信号；

接收所述电流采样信号和表征该相转子电压信息的电压采样信号，据此估算该相的反电势信息，并产生表征所述反电势信息的第一电压信号；

接收所述第一电压信号，以据此产生表征所述转子周期信息的第一角速度信号；

根据所述第一角速度信号产生PWM控制信号，所述PWM控制信号用以控制三相逆变器中开关管的导通和关断，以控制所述永磁同步电机的工作电流为正弦波电流。

进一步的，所述PWM控制信号的产生步骤还包括：

接收所述第一角速度信号和参考角速度信号，以获得一比例信号；

根据所述第一角速度信号生成三相的第一马蹄形调制波，三相的第一马蹄形调制波相位互差120°；

将每一相的第一马蹄形调制波和所述比例信号相乘，以生成对应相的第二马蹄形调制波；

将每一相的第二马蹄形调制波和三角波信号进行比较运算，以产生对应相的PWM控制信号。

优选的，接收所述第一电压信号和对应一相的转子电流信息，并对所述第一电压信号和所述转子电流信息的角度差进行计算，以获得一角度差值信号，所述角度差值信号用以调节所述第一马蹄形调制波的起始时刻，以使每安培定子电流产生的转矩最大。

优选的，接收一正弦波信号和所述比例信号，将两者进行乘法运算以生成所述电压采样信号，其中，所述正弦波信号与所述第一马蹄形调制波相位相同。

依据上述的永磁同步电机的驱动电路及驱动方法，通过接收永磁同步电机的其中一相的电压和电流信息来估算出对应相的反电势信息，所述反电势信号表征该相的转子位置信息，然后根据反电势信号可以获得第一角速度信号，之后，利用第一角速度信号可以获得三相的马蹄形调制波，三相的马蹄形调制波相位相互相差120°，这样利用三相的马蹄形调制波可以产生三相的PWM控制信号以控制三相逆变器中开关管的导通和关断，以实现对所述永磁同步电机的正弦波电流控制。本发明还可以根据所述反电势信息和当前电流信息获得角度差值，利用角度差值调节所述第一马蹄形调制波的起始相位，以实现永磁同步电机每安培电流最大转矩。本发明的永磁同步电机不需要复杂的坐标变换，算法简单、易于实现，且只需采样一相的转子电压电流信息即可推出三相的调制波形，电路简单，成本低。

附图说明

图1所示为依据本发明的永磁同步电机的驱动电路的第一实施例的电路框图；

图2所示为依据本发明的永磁同步电机的等效模型电路图；

图3所示为A相的反电势和转子位置信息的一种表述方式；

图4所示为依据本发明的永磁同步电机的驱动电路的第二实施例的电路框图；

图5所示为依据本发明的永磁同步电机的驱动电路的第三实施例的电路框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。

参考图1，所示为依据本发明的永磁同步电机的驱动电路的第一实施例的电路框图；三相逆变器11接收外部电压信号V_bus，以转换为三相交变电压信号供给永磁同步电机(PMSM)，所述驱动电路根据所述永磁同步电机的转子位置信息，以产生PWM控制信号控制所述永磁同步电机的逆变器中开关管的开关状态，从而控制所述永磁同步电机的工作电流。如图1中所示，所述三相逆变器11输出的三相交变电压信号分别记为A相、B相和C相。

在本发明实施例中，所述驱动电路包括电流采样电路12、滑模估算电路13，速度计算电路14和PWM控制电路，所述电流采样电路12采样所述永磁同步电机的其中一相的转子电流信息以获得电流采样信号ia，这里以采样A相转子电流信息为例说明。所述滑模估算电路12接收所述电流采样信号ia和表征该相转子电压信息的电压采样信号Ua，据此估算该相的反电势信息，并输出表征所述反电势信息的第一电压信号V1，所述第一电压信号为一正弦波信号。在本实施例中，所述电压采样信号通过直接采样对应一相(即A相)的电压信息获得。之后，所述速度计算电路14接收所述第一电压信号V1，以据此产生表征所述转子周期信息的第一角速度信号ω。

下面详细介绍滑模估算电路12估算反电势信息的过程：如图2所示为依据本发明的永磁同步电机的等效模型电路图，根据图2所述的等效图，A、B、C三相的定子绕组电压为：

(\begin{matrix} u_{A} \\ u_{B} \\ u_{C} \end{matrix}) = (\begin{matrix} R & 0 & 0 \\ 0 & R & 0 \\ 0 & 0 & R \end{matrix}) (\begin{matrix} i_{A} \\ i_{B} \\ i_{C} \end{matrix}) + (\begin{matrix} L - M \\ L - M \\ L - M \end{matrix}) P (\begin{matrix} i_{A} \\ i_{B} \\ i_{C} \end{matrix}) + (\begin{matrix} e_{A} \\ e_{B} \\ e_{C} \end{matrix})

其中：u_A、u_B、u_C为定子相绕组电压(V)，i_A、i_B、i_C为三相定子绕组电流(A)，e_A、e_B、e_C为三相定子绕组反电势(V)，R为电机相电阻，L为每相绕组的自感(H)，M为每两相绕组间的互感(H)，p为微分算子，有p＝d/dt。

下面以A相的相电压和电流为例，根据上述阵列可以得到A相的相电压为：

u_A＝Ri_A+(L-M)pi_A+e_A(1)

将p＝d/dt代入式(1)中有，相电流ia的微分方程为：

\frac{{di}_{A}}{d t} = - \frac{R}{L - M} i_{A} + \frac{u_{A}}{L - M} - \frac{1}{L - M} e_{A} - - - (2)

为了能够估算出反电势e_A，本发明的滑模估算电路13采用滑模观测器进行模拟计算：

选择滑模面S为：

其中：为滑模观测器估算值，i为实际测到的相电流值。根据电机等效电路方程及滑模面S，构建滑模观测器模型，有

\frac{d {\hat{i}}_{A}}{d t} = - \frac{R}{L - M} {\hat{i}}_{A} + \frac{u_{A}}{L - M} - \frac{1}{L - M} s i g n ({\hat{i}}_{A} - i_{A}) - - - (3)

其中sign为开关符号函数：

s i g n (x) = \{\begin{matrix} k, & x &GreaterEqual; 0 \\ - k, & x < 0 \end{matrix}

其中，当设置k≥e_A绝对值的幅值时，公式(3)成立，将式(3)减去式(2)，可以得到：

\frac{d ({\hat{i}}_{A} - i_{A})}{d t} = - \frac{R}{L - M} ({\hat{i}}_{A} - i_{A}) + \frac{e_{A}}{L - M} - \frac{1}{L - M} s i g n ({\hat{i}}_{A} - i_{A}) - - - (4)

而当***进入滑模面后，有因此，式(4)可以得出：

e_{A} = s i g n ({\hat{i}}_{A} - i_{A}) - - - (5)

从式(5)可以得知，反电势e_A的信息可以通过sign函数表征出来，获得反电势e_A的信息后就可以得到对应的转子位置信息，本领域技术人员可知，通过开关符号函数得到的信号e_A是跳变的量，一般需要进行低通滤波器滤波后获得连续的正弦波信号，例如图4所示的波形图，将反电势e_A的一个正弦变化周期设置为角度是从0-2π变化，这样，速度计算电路14产生表征所述转子周期信息的第一角速度信号ω，具体为，当电机稳定运行时，每个工作周期内，反电势都会是一个完整的正弦波，因此，通过计算这个波形的周期就可以得到电机的角速度。

进一步的，在本实施例中，所述PWM控制电路包括速度调节电路15和三相PWM控制子电路，每一相PWM控制子电路均包括调制波产生电路、第一乘法电路和开关信号产生电路。例如，图1中以A相为例，PWM控制子电路包括调制波产生电路16-1、第一乘法电路X1-1和开关信号产生电路C-1。其中，所述速度调节电路15接收所述第一角速度信号ω和参考角速度信号ω_ref，以获得一比例信号K；调制波产生电路16-1接收所述第一角速度信号ω，以据此生成第一马蹄形调制波，这里，所述第一马蹄形调制波为半波的马蹄形波，第一角速度信号ω用以确定所述第一马蹄形调制波的周期。第一乘法电路X1-1接收所述第一马蹄形调制波和所述比例信号K，以生成第二马蹄形调制波，开关信号产生电路C1-1接收所述第二马蹄形调制波和一三角波信号，以产生A相的PWM控制信号。这里，速度调节电路15为PI调节器，比例信号K用以调节所述第一马蹄形调制波的幅值，以使得第二马蹄形调制波的幅值为所确定需要的值，从而在后续的比较中，能够获得需要的占空比控制信号。其中，所述三角波信号由一外部的三角波发生电路提供。

需要补充的是，根据三相逆变器的工作原理，三相的转子相位互差120°，因此，当通过上述的滑模估算电路获得其中一相的转子位置信息后，其余两相可以相应通过第一角速度信号和相位差的调节来获得对应相位的第一马蹄形调制波，这样，最后获得的三相的第一马蹄形调制波相位互差120°。同样的，对于B相和C相，根据上述的过程可以获得对应相的PWM控制信号。

如图1所示，各相的PWM控制信号分别用以控制三相逆变器中开关管的导通和关断，以控制所述永磁同步电机的工作电流为正弦波电流。因此，在本发明实施例中，通过采样A相的相电压和相电流的信息就可以获得A相的表征转子位置信息的反电势信息。根据获得的反电势信息可以得到第一角速度信号ω，利用该第一角速度信号ω可以得到三相的马蹄形调制波，进而可以获得控制三相逆变器中开关管的开关控制信号，实现正弦波电流控制。本发明中无需位置传感器来检测转子的位置信息，并且只需采样其中一相的相电压和相电流即可推出其他两相的转子位置信息，本发明的技术方案简单，成本低。

进一步的，为使得***的效率进一步提高，需要控制每安培定子电流产生的转矩最大，参考图4所示为依据本发明的永磁同步电机的驱动电路的第二实施例的电路框图，本实施例是在上一实施例的基础上，进一步包括了角度调节电路47，所述角度调节电路47接收所述第一电压信号V1和对应一相(如A相)的转子电流信息ia，并对所述第一电压信号和所述转子电流信息的角度差进行计算，以获得一角度差值信号Δθ，所述角度差值信号传输至A相的调制波产生电路。调制波产生电路可以根据角度差值信号Δθ对所述第一马蹄形调制波的起始时刻进行调节，如左移或右移，从而使得马蹄形调制波的相位和相电流的相位相一致，这样可以使得电机的每安培定子电流产生的转矩最大。

优选的，本发明的电压采样信号还可以通过计算的方式获得，参考图5所示为依据本发明的永磁同步电机的驱动电路的第三实施例的电路框图，本实施例除了相电压采样与实施例二不相同，其他均与实施例二相同，在本实施例中，所述驱动电路还包括第二乘法电路X2，所述第二乘法电路接收一正弦波信号Vsin和所述比例信号K，经乘法运算后生成所述电压采样信号Ua，其中，所述正弦波信号与所述第一马蹄形调制波相位相同。这里，所述电压采样信号Ua与实施例一中采样的电压信号为成正比例关系，且比例系数为K/Vbus。

通过上述的永磁同步电机的驱动电路可知，本发明通过采样其中一相的相电压和相电流的信息就可以获得该相的表征转子位置信息的反电势信息。根据获得的反电势信息可以得到三相的马蹄形调制波，进而可以获得控制三相逆变器中开关管的开关控制信号，实现正弦波电流控制。本发明中无需位置传感器来检测转子的位置信息，并且只需采样其中一相的相电压和相电流即可推出其他两相的转子位置信息，本发明的技术方案简单，成本低。

最后，本发明还公开了一种永磁同步电机的驱动方法，通过控制三相逆变器中开关管的开关状态，以控制所述永磁同步电机的工作电流，所述驱动方法包括以下步骤：

其中，所述PWM控制信号的产生步骤进一步包括：

根据所述第一角速度信号生成三相的第一马蹄形调制波，三相的第一马蹄形调制波相位相差120°；

以上对依据本发明的优选实施例的永磁同步电机的驱动电路及驱动方法进行了详尽描述，本领域普通技术人员据此可以推知其他技术或者结构以及电路布局、元件等均可应用于所述实施例。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims

1.一种永磁同步电机的驱动电路，通过控制三相逆变器中开关管的开关状态，以控制所述永磁同步电机的工作电流，其特征在于，所述驱动电路包括电流采样电路、滑模估算电路，速度计算电路、PWM控制电路，

2.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述PWM控制电路包括速度调节电路和三相PWM控制子电路，每一相PWM控制子电路均包括调制波产生电路、第一乘法电路和开关信号产生电路，

3.根据权利要求2所述的驱动电路，其特征在于，三相调制波产生电路产生的第一马蹄形调制波相位互差120°。

4.根据权利要求2所述的驱动电路，其特征在于，所述驱动电路进一步包括角度调节电路，

5.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，采样对应相的转子电压信息以获得所述电压采样信号，所述对应相与采样转子电流信息的相为相同的一相。

6.根据权利要求2所述的驱动电路，其特征在于，所述驱动电路还包括第二乘法电路，所述第二乘法电路接收一正弦波信号和所述比例信号，经乘法运算后生成所述电压采样信号，其中，所述正弦波信号与所述第一马蹄形调制波相位相同。

7.一种永磁同步电机的驱动方法，通过控制三相逆变器中开关管的开关状态，以控制所述永磁同步电机的工作电流，其特征在于，所述驱动方法包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的驱动方法，其特征在于，所述PWM控制信号的产生步骤进一步包括：

9.根据权利要求7所述的驱动方法，其特征在于，接收所述第一电压信号和对应一相的转子电流信息，并对所述第一电压信号和所述转子电流信息的角度差进行计算，以获得一角度差值信号，所述角度差值信号用以调节所述第一马蹄形调制波的起始时刻，以使每安培定子电流产生的转矩最大。

10.根据权利要求7所述的驱动方法，其特征在于，采样对应相的转子电压信息以获得所述电压采样信号，所述对应相与采样转子电流信息的相为相同的一相。

11.根据权利要求8所述的驱动方法，其特征在于，接收一正弦波信号和所述比例信号，将两者进行乘法运算以生成所述电压采样信号，其中，所述正弦波信号与所述第一马蹄形调制波相位相同。