CN203086395U - 一种应用于无刷直流电机的驱动*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种应用于无刷直流电机的驱动***，包括以三相桥式逆变驱动电路结构连接在直流输入端与地之间的第一至第六功率管，以及在第一至第六开关管上还分别并联一个相同的功率管，即第七至第十二功率管。通过控制信号控制该十二个功率管的关断和导通，本实用新型克服了传统无刷直流电机进行弱磁控制时存在环流和续流损耗，导致在弱磁区间转矩急剧下降，弱磁调速范围狭窄的不足的缺点，从而提高了无刷直流电机弱磁调速比。

Description

一种应用于无刷直流电机的驱动***

技术领域

本实用新型涉及一种电机驱动***，尤其是一种应用于无刷直流电机的驱动***。

背景技术

近年来，随着稀土永磁材料性价比的不断提高，永磁电机以其结构简单、功率密度高、出力大等优点得到了越来越多的应用。在航天、电动汽车、数控机床、家用电器、磁盘驱动、风力发电等诸多领域，永磁无刷直流电机成为综合性能较优的选择。在相当多的场合，无刷直流电机需要工作在高于额定转速的工作状态下，但永磁电机励磁磁动势由永磁体产生，无法调节，因此其调速范围不够宽广，往往要以增加电源容量为代价扩大调速范围。寻找针对无刷直流电机进行弱磁调速的方法是本领域的研究热点。

基于无刷直流电机励磁无法调节的特点，通常的弱磁控制方法是调节电流超前反电势的角度。当转速高于额定转速时，使相电流超前相反电势，通过调节电流超前角，可改变与永磁磁场交链的定子绕组导体数，从而调节了导通相绕组所交链的磁链，实现弱磁控制。

如图1所示，传统的无刷直流电机驱动电路包括以三相桥式逆变驱动电路结构连接在直流输入端与地之间的第一至第六功率场效应晶体管VT₁、VT₂、VT₃、VT₄、VT₅、VT₆，以及对应反相并联在第一至第六功率场效应晶体管两端的第一至第六二极管VD₁、VD₂、VD₃、VD₄、VD₅、VD₆。其中，VT₁、VT₃、VT₅称为上臂功率晶体管，VT₂、VT₄、VT₆称为下臂功率晶体管。要让电机转动起来，首先控制部就必须根据电机内霍尔传感器感应到的电机转子目前所在位置，然后依照定子绕线决定开启或关闭驱动电路中功率晶体管的顺序，使电流依序流经电机线圈产生顺向或逆向旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。当电机转子转动到霍尔传感器感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启下一组功率晶体管，如此循环电机就可以依同一方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率晶体管或只开下臂功率晶体管；要电机转子反向则功率晶体管开启顺序相反。

对于无刷直流电机常用的是三相星型六状态的驱动方式，传统无刷直流电机进行弱磁控制时，当A、C相为工作相时，取区间0°~ 60°为例，如果提前导通VT₁、VT₂，此时反电动势e_c＞e_b，以电机三相中线连接点为电动势参考点，VT₂上端电动势为e_c，由于VT₂导通，VT₂下端和VT₂上端电动势相同，即VD₆下端电动势为e_c，由于续流二极管导通压降很低，e_c-△U＞e_b，则通过C相→ VT₂→ VD₆→B相回路产生环流。环流会产生一个阻碍转子正向运动的附加转矩，使总转矩急剧下降，转速不能继续升高。逆变电路环流是造成无刷直流电机弱磁运行区间过窄的一个关键因素。

发明内容

针对上述现有技术，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种应用于无刷直流电机的驱动***，该驱动***使无刷直流电机进行弱磁控制时能够有效的消除续流损耗和电路环流。

为解决上述技术问题，本实用新型提出一种应用于无刷直流电机的驱动***，包括以三相桥式逆变驱动电路结构连接在直流输入端与地之间的第一至第六功率管，在所述第一至第六开关管上还分别对应的并联一个相同的功率管，即分别为第七至第十二功率管；其中所述第一至第六功率管的漏极对应的分别与其所并联的功率管的漏极相连接；所述第一至第六功率管的栅极，以及第七至第十二功率管的栅极对应的分别连接一个外部控制源；其中控制源根据无刷直流电机的转速，对应的分别对所述功率管进行控制。

作为本实用新型的进一步优化方案，在所述第一至第六功率管上还对应的设置有第一至第六二极管，其中，所述第一至第六二极管的阳极对应的分别与所述第一至第六功率管的源极连接，所述第一至第六二极管的阴极对应的分别与第七至第十二功率管的源极连接。

作为本实用新型的进一步优化方案，所述第一至第十二功率管为功率三极管GTR，或绝缘栅双极晶体管IGBT，或功率场效应晶体管MOSFET，或智能功率模块IPM。

作为本实用新型的进一步优化方案，所述的直流输入端正极串联第七二极管。

作为本实用新型的进一步优化方案，所述第一至第七二极管为快恢复二极管或高频二极管。

本实用新型采用以上技术方案，与现有技术相比的有益效果是：

与传统无刷直流电机的驱动器相比，在以三相桥式逆变驱动电路结构连接的六个功率场效应晶体管的传统无刷直流电机驱动器的基础上，对应的每个功率管两端分别并联一个相同的功率管，同步控制其导通和关断，以此消除无刷直流电机弱磁控制时，超前导通角换向产生的续流损耗和电路环流，实现高效驱动控制，扩展无刷直流电机的弱磁调速范围。

对于无刷直流电机常用的是三相星型六状态的驱动方式，本实用新型驱动器可以在额定转速以下和额定转速以上两种状态下工作。当电机处于额定转速以下工作状态时，逆变桥开关器件在导通的120°电角度的区间里，第一至第六功率管在一个PWM调制周期进行PWM调制，第七至第十二功率管在一个PWM调制周期保持恒通状态，此时电路拓扑结构与传统无刷直流电机驱动器是相同。当电机处于额定转速及额定转速以上工作状态时，逆变桥开关器件在导通的120°电角度的区间里，第一至第十二功率管在一个PWM调制周期进行PWM调制，同步控制其导通和关断，此时要对无刷直流电机进行弱磁控制。

本实用新型的驱动***电路的直流电源输入正端串接二极管VD₇，由于在电机弱磁运行期间，反电势随转速升高而增大，当反电势大于直流母线电压并且具有通路时，电机向电源回馈能量，此时电机运行在发电状态，二极管VD₇可有效阻断发电状态所需通路。由于每一个上桥臂和下桥臂的一对功率管同时导通或关断，在弱磁运行时，绕组端电压产生脉冲电压尖峰，连接二极管VD₁~VD₇后，可将尖峰电压脉冲降落在二极管上，吸收换向绕组端电压尖峰，防止功率管击穿。

附图说明

图1是传统无刷直流电机驱动***电路图。

图2是本实用新型的无刷直流电机驱动***电路图。

图3是本实用新型的无刷直流电机驱动***弱磁控制消除环流原理图。

图4是本实用新型驱动***在电机处于额定转速以下进行PWM调制导通时的等效电路。

图5是本实用新型驱动***在电机处于额定转速以下进行PWM调制关断时的等效电路。

图6是本实用新型驱动***在电机处于额定转速或额定转速以上进行PWM调制关断时的等效电路。

具体实施方式

为更进一步阐述本实用新型为达成预定实用新型目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细的说明。

如图2所示，本实用新型的一种应用于无刷直流电机的驱动***，包括以三相桥式逆变驱动电路结构连接在直流输入端与地之间的第一至第六功率场效应晶体管VT_{i_L},i=1.2.3.4.5.6，在第一至第六功率场效应晶体管VT_{i_L},i=1.2.3.4.5.6上还分别并联一个相同的功率场效应晶体管，即第七至第十二功率场效应晶体管VT_{i_R},i=1.2.3.4.5.6；其中第一至第六功率场效应晶体管VT_{i_L},i=1.2.3.4.5.6的漏极分别与其所并联的功率场效应晶体管的漏极相连接；第一至第六功率场效应晶体管VT_{i_L},i=1.2.3.4.5.6的栅极，以及第七至第十二功率场效应晶体管VT_{i_R},i=1.2.3.4.5.6的栅极分别连接一个外部控制源。

其中控制源根据无刷直流电机的转速，对于功率场效应晶体管进行以下控制：

当无刷直流电机处于额定转速以下工作状态时，该逆变桥功率管在导通的120°电角度的区间里，第一至第六功率管VT_{i_L},i=1.2.3.4.5.6在一个PWM开关周期进行PWM调制，第七至第十二功率管VT_{i_R},i=1.2.3.4.5.6在一个PWM开关周期保持恒通状态，并依据其调制方式循环工作。

当无刷直流电机处于额定转速及额定转速以上工作状态时，该逆变桥功率管在导通的120°电角度的区间里，第一至第六功率管VT_{i_L},i=1.2.3.4.5.6、第七至第十二功率管VT_{i_R},i=1.2.3.4.5.6分别在一个PWM开关周期进行PWM调制，同步控制其导通和关断，并依据其调制方式循环工作，消除所述三相桥式逆变驱动电路结构的电路环流。

在第一至第六功率场效应晶体管VT_{i_L},i=1.2.3.4.5.6上还设置有第一至第六二极管VD₁、VD₂、VD₃、VD₄、VD₅、VD₆，其中，第一至第六二极管VD₁~VD₆的阳极对应的分别与第一至第六VT_{i_L},i=1.2.3.4.5.6功率场效应晶体管的源极连接，第一至第六二极管VD₁~VD₆的阴极对应的分别与第七至第十二功率场效应晶体管VT_{i_R},i=1.2.3.4.5.6的源极连接。

第一至第十二功率管VT_{i_L},i=1.2.3.4.5.6，VT_{i_R},i=1.2.3.4.5.6为功率场效应晶体管或功率三极管GTR或绝缘栅双极晶体管IGBT或功率场效应晶体管MOSFET，或者智能功率模块IPM。直流输入端正极串联第七二极管VD₇。其中，第一至第七二极管VD₁~VD₇为快恢复二极管。

如图1所示，PWM调制方式选择常用的H_pwm—L_on，其它调制方式的分析方法与此相似。当采用传统无刷直流电机驱动***时，当电机处于额定转速及额定转速以上工作状态时，需要对无刷直流电机进行弱磁控制。超前导通角为60°电角度，即在0°~60°对应VT₁、VT₂导通，在60°~120°对应VT₂、VT₃导通，在120°~180°对应VT₃、VT₄导通，在180°~240°对应VT₄、VT₅导通，在240°~300°对应VT₅、VT₆导通，在300°~360°对应VT₆、VT₁导通。

如图3所示，采用本实用新型的无刷直流电机驱动***在进行弱磁控制时，取区间0°~60°为例，使VT_{1_L}、VT_{1_R}、VT_{2_L}、VT_{2_R}导通，亦即在0°~60°区间A相上桥臂、C相下桥臂导通。

此时VT_{2_L}下端电动势为e_c，VD₆下端的电动势亦为e_c，由于此时e_c-△U＞e_b，如果B相下桥没有VT_{6_R}，则其状态和传统驱动器逆变电路相同，会通过续流二极管VD₆产生完整回路，导致环流的形成。加入VT_{6_R}之后，使其与对应的VT_{6_L}同时导通或关断，此时正处于关断状态。由于VT_{6_R}的开关作用，虽然在B相、C相回路中存在电动势差e_c-e_b，但并没有导通形成回路，故消除了电路环流，减小了续流损耗。致使反向阻碍转矩为零，阻止了由于环流引起的转矩急剧下降，实现弱磁升速。

区间60°~120°，120°~180°，180°~240°，240°~300°，300°~360°与区间0°~60°在PWM调制时的控制原理相同，区别仅在于导通和关断时的等效电路和续流回路不同，而分析方法相同，在此以0°~60°区间为例说明，其它区间与此类似。

当电机处于额定转速以下工作状态时，逆变桥开关器件在导通的120°电角度的区间里，VT_{i_L}在一个PWM调制周期进行PWM调制，VT_{i_R}在一个PWM调制周期保持恒通状态，此时电路拓扑结构与传统逆变电路几乎完全相同。取A、B相为工作相来分析，PWM调制方式是H_pwm—L_on。如图4所示，PWM调制导通时，VT_{1_L}和VT_{6_L}接收控制信号处于导通状态，VT_{1_R}和VT_{6_R}保持恒通状态；如图5所示，PWM调制关断时，VT_{1_L}接收控制信号处于断开状态，VT_{6_L}保持恒通状态。

当电机处于额定转速及额定转速以上工作状态时，逆变桥开关器件在导通的120°电角度的区间里，VT_{i_L}、VT_{i_R}在一个PWM调制周期进行PWM调制，同步控制其导通和关断，此时要对无刷直流电机进行弱磁控制。取A、B相为工作相来分析，PWM调制方式是H_pwm—L_on，以超前导通角60°电角度为例。

与传统逆变电路相比，本实用新型提出的驱动***逆变电路能够有效的消除续流损耗和电路环流。这是同步控制VT_{i_L}、VT_{i_R}导通和关断的结果。当A、B相为工作相时，在导通的120°电角度的区间里，控制电路只对开关器件VT_{1_L}、VT_{1_R}、VT_{6_L}、VT_{6_R}进行调制， PWM调制导通时，如果A相下桥没有VT_{4_R}，则其电路和传统逆变电路相同，会通过续流二极管VD₄产生完整回路，导致续流的形成；图6所示，加入VT_{4_R}后，使其与对应的VT_{4_L}同时关断或导通，此时正处于关断状态，由于VT_{4_R}的开关作用，有效的消除了续流的产生和续流带来的功率损耗。

上面结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (5)

1.一种应用于无刷直流电机的驱动***，包括以三相桥式逆变驱动电路结构连接在直流输入端与地之间的第一至第六功率管，其特征在于：在所述第一至第六开关管上还分别对应的并联一个相同的功率管，即分别为第七至第十二功率管；其中所述第一至第六功率管的漏极对应的分别与其所并联的功率管的漏极相连接；所述第一至第六功率管的栅极，以及第七至第十二功率管的栅极对应的分别连接一个外部控制源；其中控制源根据无刷直流电机的转速，对应的分别对所述功率管进行控制。

2.根据权利要求1所述的应用于无刷直流电机的驱动***，其特征在于：在所述第一至第六功率管上还对应的设置有第一至第六二极管，其中，所述第一至第六二极管的阳极对应的分别与所述第一至第六功率管的源极连接，所述第一至第六二极管的阴极对应的分别与第七至第十二功率管的源极连接。

3.根据权利要求1所述的应用于无刷直流电机的驱动***，其特征在于：所述第一至第十二功率管为功率三极管GTR，或绝缘栅双极晶体管IGBT，或功率场效应晶体管MOSFET，或智能功率模块IPM。

4.根据权利要求1所述的应用于无刷直流电机的驱动***，其特征在于：所述的直流输入端正极串联第七二极管。

5.根据权利要求4所述的应用于无刷直流电机的驱动***，其特征在于：所述第一至第七二极管为快恢复二极管或高频二极管。

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