CN203708167U - 一种适用于超高速永磁同步电机的驱动器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种适用于超高速永磁同步电机的驱动器，该驱动器由功率电路、控制电路和通讯电路组成，其特征包括：在功率输入端通过BUCK变换器（3）和无源无损软开关（2）相结合给电机提供平直的供电电压，并消除开关应力；兼容HALL传感器位置检测和反电势法位置检测；反电势法启动阶段具有电阻限流功能；采用检测位置信号低电平持续时间法计算转速。该驱动器对于减小超高速永磁同步电机（转速大于50000rpm）定转子涡流损耗具有明显效果。

Description

一种适用于超高速永磁同步电机的驱动器

技术领域

本实用新型涉及超高速电机控制领域（转速大于50000rpm），具体涉及中小功率超高速永磁同步电机驱动器。

背景技术

在超高速永磁电机中，涡流损耗是电机损耗的重要成分，对于定子涡流损耗可以采用减小硅钢片厚度，加水冷等措施，但是对于转子涡流损耗，却没有理想的应对方式，且转子处于电机本体内部，散热条件差，极易造成热量累积导致磁钢发热甚至退磁。

目前大多数超高速永磁电机驱动器都是采用SPWM或SVPWM方式控制，对于中低速电机，其控制效果比较理想，但是由于超高速电机本体线间电感极低，很多在100uH以内，功率开关器件斩波引起的电流波动非常明显，因而需要极大提高功率开关器件的开关频率才可以输出比较理想的正弦电流，理想开关频率需达到200kHz以上（De S, Rajne M, Poosapati S, et al. Low-inductance axial flux BLDC motor drive for more electric aircraft[J]. IET Power Electronics, 2012, 5(1): 124-133），但是大多数情况下，目前市场上的功率开关器件包括MOSFET，IGBT等，无法同时达到开关频率和功率要求，因此目前市场上的超高速永磁同步电机驱动器模拟出的正弦波电流含有极大的高频谐波成分（如图4），而这些高频谐波则是引起转子涡流损耗的主要原因。在超高速永磁电机控制领域普遍面临以下几个问题：1、如何在直接斩波不能输出理想正弦电流的情况下，尽可能减小电流谐波引起的转子涡流损耗；2、在驱动器设计中也有少数运用前置BUCK电路调压方式的，但是单纯在功率开关处斩波又引起斩波处对电源严重的高频干扰且斩波损耗造成效率低下；3、目前超高速电机反电势法启动时普遍采用三段式启动，如何使电机顺利启动。

发明内容

本实用新型解决的技术问题是：本实用新型提供了一种低干扰、低电流波动的控制策略，可以明显减小由转子涡流损耗引起的转子温升；采用软开关消除BUCK变换器斩波处的开关应力；超高速电机反电势法启动时无法保证一定启动成功，本实用新型加入启动限流电阻模块可以保证电机在供电相序存在偏差时电机及驱动器不被损坏。

本实用新型的技术解决方案是：本实用新型采用了前置无源无损软开关BUCK电路，在逆变器前级进行斩波调压以代替目前普遍的直接在逆变器处斩波的方式；本实用新型可以采用反电势法控制，在启动阶段采用三段式启动，由于电机内阻和电感极小，为了保证启动时的安全，在母线上串联电阻以限制启动电流，电机达到一定转速时通过功率开关管将电阻短路掉；本实用新型设计了两种转子位置检测方式，对于内置Hall传感器的电机可以采用Hall传感器方式控制，对于未放置位置检测元件的电机可以采用反电势法控制，两者通过一个3×3端子进行选择；本实用新型中速度计算采用检测低电平时间法，检测三相控制信号中的任意一路信号的低电平持续时间实现速度闭环PID功能。

本实用新型与现有驱动器相比，优点在于：驱动器输出电压为稳定的方波，相比斩波后输入模拟正弦电流的SPWM方式和SVPWM控制方式，电流波形相对比较平稳，无高频杂波（如图5），可以有效降低电机定转子上的涡流损耗，明显减少超高速永磁电机转子发热，将软开关与BUCK变换器结合并置于三相逆变桥前端，配合PWM变频控制模块的控制，可以顺利实现驱动器对转速的调节，并且减小了功率开关管的开关应力，提高驱动器效率和功率开关管的使用寿命；本实用新型为了保证反电势法安全启动，采用串接电阻法限制启动电流，可以保证反电势法三段式启动时即使相序存在偏差也不会损伤电机和驱动器；本实用新型采用3×3控制信号选择端子（如图3），将反电势信号Sa、Sb、Sc和Hall信号Ha、Hb、Hc通过三个芯片接口即可输入到单片机，无需用六个接口，节约芯片接口资源。

附图说明

图1为本实用新型的超高速永磁同步电机驱动器结构框图。

图2为本实用新型的超高速永磁同步电机驱动器功率控制***电路图。

图3为控制信号选择端子图。

图4为SVPWM方式控制电机运行时电流波形图。

图5为本实用新型控制电机运行时电流波形图。

图中：1、限流电阻模块，2、无源无损软开关，3、BUCK变换器，4、电流传感器模块，5、逆变器，6、上位机，7、JTAG模块，8、PWM变频控制模块，9、CAN总线模块，10、逻辑控制模块，11、反电势信号处理模块，12、控制信号选择端子。

具体实施方式

本实用新型采用前置软开关BUCK电路斩波方式调节母线电压，功率控制回路拓扑结构如图2，输入电压Vi经过BUCK变换器3以后，供给电机逆变器5稳定的直流电压Vo，功率开关T作为BUCK变换器3的斩波开关，电容13用于滤除Vi中的干扰，二极管14保证在换相死区时间内不会由于电感L1中储存的能量在C2两端产生高于Vi的电压。

BUCK变换器3中电感L1和电容C2构成一个低通滤波器以获得平直的输出电流和电压，其取值可按照以下经验公式：

                                                                                                                  （1）

                                                          （2）

其中，为输出电压，为设计要求的纹波电流，为设计要求的纹波电压， 为占空比，T为斩波周期，根据式（1）（2），算出保证电流电压波动在预期范围内所需的L1和C2。

L2、D3、C3和D4接于T后构成无源无损软开关2，该软开关电路无需外加辅助开关管，无电阻性元件，可以有效减小开关管T的开关应力，保证开关管T零电流导通和关断。其L2、C3的取值方式如下：

   （1）L2<<L1，保证L2取值远小于L1，其具体值可为L1的0.1-0.01倍；

   （2）谐振期间L2中峰值电流： 

                                                             （3）

式中为L2中峰值电流，为电容C3的值，为电感L2的值，为BUCK变换器3的输出电流，其中在电感L2和开关管T的允许电流之内取值，并且需保证大于，由此可确定C3，

谐振期间C3两端峰值电压：

                                                                    （4）

   （3）根据L2、C3求出谐振周期=；

   （4）根据求出的谐振周期确定BUCK电路中开关管T的导通时间，可取，决定了PWM过程中开关管T的单周期导通时间，在保证开关管T单周期导通时间不变的情况下调节开关管T的关断时间即可调节占空比。

限流电阻模块1用于配合三段式启动法，因为三段式启动法是一种强迫式启动，换相可能不准确，并且存在供电相序不对应的情况，而超高速电机本身电感电阻极小，直接启动非常危险，因而采用串接电阻（0.5-3Ω）来限制启动瞬间的电流，转速达到设定值（1000-3000rpm）后用功率开关T1将电阻短路掉。

控制信号选择端子如图3，用3×3端子，端子中间4、5、6引脚接控制芯片，1、2、3引脚接Ha、Hb、Hc，7、8、9引脚接Sa、Sb、Sc，选择时通过跳线连接对应信号即可，可以用三个芯片输入端口实现两种控制信号的输入，节约单片机接口资源。

速度计算中，检测控制信号Sa、Sb、Sc或Ha、Hb、Hc中任意一路的低电平持续时间t，通过公式V=，即可得到速度V（rpm），此种计算方法得到的速度信号无需求平均值，实时性强。

Claims (3)

1.一种适用于超高速永磁同步电机的驱动器，其特征在于：无源无损软开关（2）与BUCK变换器（3）结合后运用于逆变器（5）前端；限流电阻模块（1）在采用反电势控制法时配合三段式启动法，对电机和驱动器进行限流保护，在转速达到1000-3000rpm时通过功率开关管T1将电阻R短路；逻辑控制模块（10）通过检测Sa、Sb、Sc和Ha、Hb、Hc中任意一路低电平持续时间计算速度；控制信号选择端子（12）进行反电势信号或Hall信号的选择；PWM变频控制模块（8）通过固定开关管T导通时间，改变斩波频率的方式实现对占空比的调节。

2.根据权利要求1所述的一种适用于超高速永磁同步电机的驱动器，其特征在于：逆变器（5）前端电路由无源无损软开关（2）、反向二极管（14）和BUCK变换器（3）构成，软开关（2）由T、D4、L2、D3和C3组成，其中T的右端、D4的右端、L2的左端和D3的上端相连，C3的上端和L2的右端相连；BUCK变换器（3）由T、L1、D1和C2共同构成，D1上端与L1左端相连，C2上端与L1右端相连，T和BUCK变换电路（3）之间通过软开关（2）连接；反向二极管（14）的左端与电源正极相连，右端与BUCK变换器（3）中L1的右端相连。

3.根据权利要求1所述的一种适用于超高速永磁同步电机的驱动器，其特征在于：限流电阻模块（1）由电阻R和功率开关管T1并联组成，开关管T1左端与电源负极相连，开关管T1右端与C1、C2、C3、D1、D3下端相连。