專利名稱：一種應用于無刷直流電機的驅動系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種電機驅動系統(tǒng)，尤其是一種應用于無刷直流電機的驅動系統(tǒng)。
背景技術：
近年來，隨著稀土永磁材料性價比的不斷提高，永磁電機以其結構簡單、功率密度高、出力大等優(yōu)點得到了越來越多的應用。在航天、電動汽車、數控機床、家用電器、磁盤驅動、風力發(fā)電等諸多領域，永磁無刷直流電機成為綜合性能較優(yōu)的選擇。在相當多的場合，無刷直流電機需要工作在高于額定轉速的工作狀態(tài)下，但永磁電機勵磁磁動勢由永磁體產生，無法調節(jié)，因此其調速范圍不夠寬廣，往往要以增加電源容量為代價擴大調速范圍。尋找針對無刷直流電機進行弱磁調速的方法是本領域的研究熱點。基于無刷直流電機勵磁無法調節(jié)的特點，通常的弱磁控制方法是調節(jié)電流超前反電勢的角度。當轉速高于額定轉速時，使相電流超前相反電勢，通過調節(jié)電流超前角，可改變與永磁磁場交鏈的定子繞組導體數，從而調節(jié)了導通相繞組所交鏈的磁鏈，實現弱磁控制。如圖1所示，傳統(tǒng)的無刷直流電機驅動電路包括以三相橋式逆變驅動電路結構連接在直流輸入端與地之間的第一至第六功率場效應晶體管VI\、VT2, VT3、VT4, VT5, VT6,以及對應反相并聯(lián)在第一至第六功率場效應晶體管兩端的第一至第六二極管VDp VD2, VD3、VD4,VD5, VD60其中，VT1, VT3、VT5 稱為上臂功率晶體管，VT2, VT4, VT6稱為下臂功率晶體管。要讓電機轉動起來，首先控制部就必須根據電機內霍爾傳感器感應到的電機轉子目前所在位置，然后依照定子繞線決定開啟或關閉驅動電路中功率晶體管的順序，使電流依序流經電機線圈產生順向或逆向旋轉磁場，并與轉子的磁鐵相互作用，如此就能使電機順時/逆時轉動。當電機轉子轉動到霍爾傳感器感應出另一組信號的位置時，控制部又再開啟下一組功率晶體管，如此循環(huán)電機就可以依同一方向繼續(xù)轉動直到控制部決定要電機轉子停止則關閉功率晶體管或只開下臂功率晶體管；要電機轉子反向則功率晶體管開啟順序相反。對于無刷直流電機常用的是三相星型六狀態(tài)的驅動方式，傳統(tǒng)無刷直流電機進行弱磁控制時，當A、C相為工作相時，取區(qū)間0° 60°為例，如果提前導通VV VT2，此時反電動勢ec > eb，以電機三相中線連接點為電動勢參考點，VT2上端電動勢為e。，由于VT2導通，VT2下端和VT2上端電動勢相同，即VD6下端電動勢為e。，由于續(xù)流二極管導通壓降很低，ec- Δ U > eb,則通過C相一VT2 — VD6 — B相回路產生環(huán)流。環(huán)流會產生一個阻礙轉子正向運動的附加轉矩，使總轉矩急劇下降，轉速不能繼續(xù)升高。逆變電路環(huán)流是造成無刷直流電機弱磁運行區(qū)間過窄的一個關鍵因素。
發(fā)明內容針對上述現有技術，本實用新型所要解決的技術問題是提供一種應用于無刷直流電機的驅動系統(tǒng)，該驅動系統(tǒng)使無刷直流電機進行弱磁控制時能夠有效的消除續(xù)流損耗和電路環(huán)流。為解決上述技術問題，本實用新型提出一種應用于無刷直流電機的驅動系統(tǒng)，包括以三相橋式逆變驅動電路結構連接在直流輸入端與地之間的第一至第六功率管，在所述第一至第六開關管上還分別對應的并聯(lián)一個相同的功率管，即分別為第七至第十二功率管；其中所述第一至第六功率管的漏極對應的分別與其所并聯(lián)的功率管的漏極相連接；所述第一至第六功率管的柵極，以及第七至第十二功率管的柵極對應的分別連接一個外部控制源；其中控制源根據無刷直流電機的轉速，對應的分別對所述功率管進行控制。作為本實用新型的進一步優(yōu)化方案，在所述第一至第六功率管上還對應的設置有第一至第六二極管，其中，所述第一至第六二極管的陽極對應的分別與所述第一至第六功率管的源極連接，所述第一至第六二極管的陰極對應的分別與第七至第十二功率管的源極連接。作為本實用新型的進一步優(yōu)化方案，所述第一至第十二功率管為功率三極管GTR，或絕緣柵雙極晶體管IGBT，或功率場效應晶體管M0SFET，或智能功率模塊IPM。作為本實用新型的進一步優(yōu)化方案，所述的直流輸入端正極串聯(lián)第七二極管。作為本實用新型的進一步優(yōu)化方案，所述第一至第七二極管為快恢復二極管或高
頻二極管。本實用新型采用以上技術方案，與現有技術相比的有益效果是:與傳統(tǒng)無刷直流電機的驅動器相比，在以三相橋式逆變驅動電路結構連接的六個功率場效應晶體管的傳統(tǒng)無刷直流電機驅動器的基礎上，對應的每個功率管兩端分別并聯(lián)一個相同的功率管，同步控制其導通和關斷，以此消除無刷直流電機弱磁控制時，超前導通角換向產生的續(xù)流損耗和電路環(huán)流，實現高效驅動控制，擴展無刷直流電機的弱磁調速范圍。對于無刷直流電機常用的是三相星型六狀態(tài)的驅動方式，本實用新型驅動器可以在額定轉速以下和額定轉速以上兩種狀態(tài)下工作。當電機處于額定轉速以下工作狀態(tài)時，逆變橋開關器件在導通的120°電角度的區(qū)間里，第一至第六功率管在一個PWM調制周期進行PWM調制，第七至第十二功率管在一個PWM調制周期保持恒通狀態(tài)，此時電路拓撲結構與傳統(tǒng)無刷直流電機驅動器是相同。當電機處于額定轉速及額定轉速以上工作狀態(tài)時，逆變橋開關器件在導通的120°電角度的區(qū)間里，第一至第十二功率管在一個PWM調制周期進行PWM調制，同步控制其導通和關斷，此時要對無刷直流電機進行弱磁控制。本實用新型的驅動系統(tǒng)電路的直流電源輸入正端串接二極管VD7，由于在電機弱磁運行期間，反電勢隨轉速升高而增大，當反電勢大于直流母線電壓并且具有通路時，電機向電源回饋能量，此時電機運行在發(fā)電狀態(tài)，二極管VD7可有效阻斷發(fā)電狀態(tài)所需通路。由于每一個上橋臂和下橋臂的一對功率管同時導通或關斷，在弱磁運行時，繞組端電壓產生脈沖電壓尖峰，連接二極管VD廣VD7后，可將尖峰電壓脈沖降落在二極管上，吸收換向繞組端電壓尖峰，防止功率管擊穿。

圖1是傳統(tǒng)無刷直流電機驅動系統(tǒng)電路圖。圖2是本實用新型的無刷直流電機驅動系統(tǒng)電路圖。[0018]圖3是本實用新型的無刷直流電機驅動系統(tǒng)弱磁控制消除環(huán)流原理圖。圖4是本實用新型驅動系統(tǒng)在電機處于額定轉速以下進行PWM調制導通時的等效電路。圖5是本實用新型驅動系統(tǒng)在電機處于額定轉速以下進行PWM調制關斷時的等效電路。圖6是本實用新型驅動系統(tǒng)在電機處于額定轉速或額定轉速以上進行PWM調制關斷時的等效電路。
具體實施方式
為更進一步闡述本實用新型為達成預定實用新型目的所采取的技術手段及功效，
以下結合附圖對本實用新型的具體實施方式
進行詳細的說明。如圖2所示，本實用新型的一種應用于無刷直流電機的驅動系統(tǒng)，包括以三相橋式逆變驅動電路結構連接在直流輸入端與地之間的第一至第六功率場效應晶體管VTiL, 1=1.2.3.4.5.6，在第一至第六功率場效應晶體管VTi L，i=l.2.3.4.5.6上還分別并聯(lián)一個相同的功率場效應晶體管，即第七至第十二功率場效應晶體管VTi K，i=l.2.3.4.5.6 ;其中第一至第六功率場效應晶體管VTi u i=l.2.3.4.5.6的漏極分別與其所并聯(lián)的功率場效應晶體管的漏極相連接；第一至第六功率場效應晶體管VTi u i=l.2.3.4.5.6的柵極，以及第七至第十二功率場效應晶體管VTi K，i=l.2.3.4.5.6的柵極分別連接一個外部控制源。其中控制源根據無刷直流電機的轉速，對于功率場效應晶體管進行以下控制:當無刷直流電機處于額定轉速以下工作狀態(tài)時，該逆變橋功率管在導通的120°電角度的區(qū)間里，第一至第六功率管VTi u i=l.2.3.4.5.6在一個PWM開關周期進行PWM調制，第七至第十二功率管VTi K，i=l.2.3.4.5.6在一個PWM開關周期保持恒通狀態(tài)，并依據其調制方式循環(huán)工作。當無刷直流電機處于額定轉速及額定轉速以上工作狀態(tài)時，該逆變橋功率管在導通的120°電角度的區(qū)間里，第一至第六功率管VTi u i=l.2.3.4.5.6、第七至第十二功率管VTle, i=l.2.3.4.5.6分別在一個PWM開關周期進行PWM調制，同步控制其導通和關斷，并依據其調制方式循環(huán)工作，消除所述三相橋式逆變驅動電路結構的電路環(huán)流。在第一至第六功率場效應晶體管VTi u i=l.2.3.4.5.6上還設置有第一至第六二極管VDp VD2、VD3、VD4, VD5, VD6，其中，第一至第六二極管VD廣VD6的陽極對應的分別與第一至第六VTi l，i=l.2.3.4.5.6功率場效應晶體管的源極連接，第一至第六二極管VD廣VD6的陰極對應的分別與第七至第十二功率場效應晶體管VTi K，i=l.2.3.4.5.6的源極連接。第一至第十二功率管VTi l，i=l.2.3.4.5.6,YTi R, i=l.2.3.4.5.6 為功率場效應晶體管或功率三極管GTR或絕緣柵雙極晶體管IGBT或功率場效應晶體管M0SFET，或者智能功率模塊IPM。直流輸入端正極串聯(lián)第七二極管VD7。其中，第一至第七二極管VD廣VD7為快恢復二極管。如圖1所示，PWM調制方式選擇常用的H_pwm—L_on，其它調制方式的分析方法與此相似。當采用傳統(tǒng)無刷直流電機驅動系統(tǒng)時，當電機處于額定轉速及額定轉速以上工作狀態(tài)時，需要對無刷直流電機進行弱磁控制。超前導通角為60°電角度，即在0°飛0°對應VT1、VT2導通，在60° 120°對應VT2、VT3導通，在120° 180°對應VT3、VT4導通，在180° "240° 對應 VT4、VT5 導通，在 240° "300° 對應 VT5、VT6 導通，在 300° "360° 對應VT6, VT1 導通。如圖3所示，采用本實用新型的無刷直流電機驅動系統(tǒng)在進行弱磁控制時，取區(qū)間0° 60°為例，使 60°區(qū)間A相上橋臂、C相下橋臂導通。此時VT2J下端電動勢為e。，VD6下端的電動勢亦為e。，由于此時ec;_AU>eb，如果B相下橋沒有VT6 κ，則其狀態(tài)和傳統(tǒng)驅動器逆變電路相同，會通過續(xù)流二極管VD6產生完整回路，導致環(huán)流的形成。加入VT6 κ之后，使其與對應的VTu同時導通或關斷，此時正處于關斷狀態(tài)。由于VT6 κ的開關作用，雖然在B相、C相回路中存在電動勢差ec;_eb，但并沒有導通形成回路，故消除了電路環(huán)流，減小了續(xù)流損耗。致使反向阻礙轉矩為零，阻止了由于環(huán)流引起的轉矩急劇下降，實現弱磁升速。區(qū)間60。 120。, 120° 180。, 180° 240。,240° 300。,300° 360。與區(qū)間0°飛0°在PWM調制時的控制原理相同，區(qū)別僅在于導通和關斷時的等效電路和續(xù)流回路不同，而分析方法相同，在此以0°飛0°區(qū)間為例說明，其它區(qū)間與此類似。當電機處于額定轉速以下工作狀態(tài)時，逆變橋開關器件在導通的120°電角度的區(qū)間里，VTiJ在一個PWM調制周期進行PWM調制，VTi κ在一個PWM調制周期保持恒通狀態(tài)，此時電路拓撲結構與傳統(tǒng)逆變電路幾乎完全相同。取Α、B相為工作相來分析，PWM調制方式是H_pwm—L_on。如圖4所示，PWM調制導通時，VTi l和VT6J接收控制信號處于導通狀態(tài)，VTle和VT6 κ保持恒通狀態(tài)；如圖5所示，PWM調制關斷時，VTll接收控制信號處于斷開狀態(tài)，VT6 l保持恒通狀態(tài)。當電機處于額定轉速及額定轉速以上工作狀態(tài)時，逆變橋開關器件在導通的120°電角度的區(qū)間里，VTu、VTi K在一個PWM調制周期進行PWM調制，同步控制其導通和關斷，此時要對無刷直流電機進行弱磁控制。取A、B相為工作相來分析，PWM調制方式是H_pwm一L_on,以超前導通角60°電角度為例。與傳統(tǒng)逆變電路相比，本實用新型提出的驅動系統(tǒng)逆變電路能夠有效的消除續(xù)流損耗和電路環(huán)流。這是同步控制VTi ^VTi κ導通和關斷的結果。當Α、Β相為工作相時，在導通的120°電角度的區(qū)間里，控制電路只對開關器件VTU、VT1 K、VT6 P VT6 k進行調制，PWM調制導通時，如果A相下橋沒有VT4 κ，則其電路和傳統(tǒng)逆變電路相同，會通過續(xù)流二極管VD4產生完整回路，導致續(xù)流的形成；圖6所示，加入VT4 κ后，使其與對應的VTu同時關斷或導通，此時正處于關斷狀態(tài)，由于VT4 k的開關作用，有效的消除了續(xù)流的產生和續(xù)流帶來的功率損耗。上面結合附圖對本實用新型的實施方式作了詳細說明，但是本實用新型并不限于上述實施方式，在本領域普通技術人員所具備的知識范圍內，還可以不脫離本實用新型宗旨的前提下作出 各種變化。
權利要求1.一種應用于無刷直流電機的驅動系統(tǒng)，包括以三相橋式逆變驅動電路結構連接在直流輸入端與地之間的第一至第六功率管，其特征在于:在所述第一至第六開關管上還分別對應的并聯(lián)一個相同的功率管，即分別為第七至第十二功率管；其中所述第一至第六功率管的漏極對應的分別與其所并聯(lián)的功率管的漏極相連接；所述第一至第六功率管的柵極，以及第七至第十二功率管的柵極對應的分別連接一個外部控制源；其中控制源根據無刷直流電機的轉速，對應的分別對所述功率管進行控制。
2.根據權利要求1所述的應用于無刷直流電機的驅動系統(tǒng)，其特征在于:在所述第一至第六功率管上還對應的設置有第一至第六二極管，其中，所述第一至第六二極管的陽極對應的分別與所述第一至第六功率管的源極連接，所述第一至第六二極管的陰極對應的分別與第七至第十二功率管的源極連接。
3.根據權利要求1所述的應用于無刷直流電機的驅動系統(tǒng)，其特征在于:所述第一至第十二功率管為功率三極管 GTR，或絕緣柵雙極晶體管IGBT，或功率場效應晶體管MOSFET，或智能功率模塊IPM。
4.根據權利要求1所述的應用于無刷直流電機的驅動系統(tǒng)，其特征在于:所述的直流輸入端正極串聯(lián)第七二極管。
5.根據權利要求4所述的應用于無刷直流電機的驅動系統(tǒng)，其特征在于:所述第一至第七二極管為快恢復二極管或高頻二極管。
專利摘要本實用新型公開了一種應用于無刷直流電機的驅動系統(tǒng)，包括以三相橋式逆變驅動電路結構連接在直流輸入端與地之間的第一至第六功率管，以及在第一至第六開關管上還分別并聯(lián)一個相同的功率管，即第七至第十二功率管。通過控制信號控制該十二個功率管的關斷和導通，本實用新型克服了傳統(tǒng)無刷直流電機進行弱磁控制時存在環(huán)流和續(xù)流損耗，導致在弱磁區(qū)間轉矩急劇下降，弱磁調速范圍狹窄的不足的缺點，從而提高了無刷直流電機弱磁調速比。
文檔編號H02P6/08GK203086395SQ20132002204
公開日2013年7月24日 申請日期2013年1月16日 優(yōu)先權日2013年1月16日
發(fā)明者宋哲, 王友仁, 魯世紅 申請人:南京航空航天大學