電子換向串勵(lì)直流電機(jī)四象限運(yùn)行控制裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明公開(kāi)了一種電子換向串勵(lì)直流電機(jī)四象限運(yùn)行控制裝置及其方法，屬于直流有刷電機(jī)控制領(lǐng)域，特別涉及串勵(lì)直流電機(jī)控制領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]串勵(lì)直流電機(jī)因具有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、過(guò)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)串勵(lì)電機(jī)內(nèi)部換向器在電流過(guò)大的時(shí)候容易出現(xiàn)換向失敗和環(huán)火等現(xiàn)象；無(wú)刷直流電機(jī)由永磁體提供勵(lì)磁磁場(chǎng)，在經(jīng)歷過(guò)載、過(guò)溫與震動(dòng)之后容易出現(xiàn)失磁現(xiàn)象，而這些現(xiàn)象都會(huì)降低電機(jī)性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的就是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，提供一種可實(shí)現(xiàn)電子換向串勵(lì)直流電機(jī)電子換向、速度調(diào)節(jié)、回饋發(fā)電等控制目標(biāo)的電子換向串勵(lì)直流電機(jī)四象限運(yùn)行控制裝置及其方法。
[0004]本發(fā)明有兩種技術(shù)方案:
方案一:本發(fā)明裝置包括采用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件組成的整流逆變?nèi)鄻蚴诫娐罚粋€(gè)二極管，一個(gè)本地控制單元，一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，一個(gè)位置傳感器。其特征在于:所述整流逆變?nèi)鄻蚴诫娐啡齻€(gè)下臂公共端接于電池負(fù)端，三個(gè)上臂公共端接于勵(lì)磁繞組和二極管陽(yáng)極的公共端，三組橋臂中上、下臂開(kāi)關(guān)管公共端與所述電子換向串勵(lì)直流電機(jī)采用三相星形接法的定子相連；所述二極管與勵(lì)磁繞組并聯(lián)，陰極接于電池正端，陽(yáng)極接于整流逆變?nèi)鄻蚴诫娐返纳媳酃捕?；所述本地控制單元通過(guò)位置傳感器采樣轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路與所述整流逆變?nèi)鄻蚴诫娐废噙B。
[0005]方案二:本發(fā)明裝置包括采用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件組成的整流逆變?nèi)鄻蚴诫娐?，一個(gè)二極管，一個(gè)本地控制單元，一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，一個(gè)位置傳感器。其特征在于:所述整流逆變?nèi)鄻蚴诫娐啡齻€(gè)上臂公共端接于電池正端，三個(gè)下臂公共端接于勵(lì)磁繞組和二極管陰極的公共端，三組橋臂中上、下臂開(kāi)關(guān)管公共端與所述電子換向串勵(lì)直流電機(jī)采用三相星形接法的定子相連；所述二極管與勵(lì)磁繞組并聯(lián)，陽(yáng)極接于電池負(fù)端，陰極接于整流逆變?nèi)鄻蚴诫娐返南卤酃捕?；所述本地控制單元通過(guò)位置傳感器采樣轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路與所述整流逆變?nèi)鄻蚴诫娐废噙B。
[0006]本發(fā)明還提出電子換向串勵(lì)直流電機(jī)四象限運(yùn)行的控制方法:
對(duì)于本發(fā)明提出的兩種設(shè)計(jì)方案，所述本地控制單元通過(guò)位置傳感器確定電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，選擇控制整流逆變橋中六個(gè)開(kāi)關(guān)管中的兩個(gè)作為一組供電開(kāi)關(guān)對(duì)，為電機(jī)三相繞組中的兩相供電，通過(guò)改變此供電開(kāi)關(guān)對(duì)的占空比，便能實(shí)現(xiàn)電子換向串勵(lì)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與調(diào)壓調(diào)速；每當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)60°時(shí)，單片機(jī)便切換電樞繞組的供電開(kāi)關(guān)對(duì)，按照一定的導(dǎo)通邏輯順序依次切換供電開(kāi)關(guān)對(duì)，便能實(shí)現(xiàn)電機(jī)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。逆變器的頻率由位置傳感器檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)決定，是自動(dòng)完成，無(wú)需控制系統(tǒng)加以干涉與控制。當(dāng)電機(jī)需要反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)整流逆變?nèi)鄻蚴诫娐分虚_(kāi)關(guān)對(duì)的控制邏輯取反，便能改變電樞繞組中的電流方向，實(shí)現(xiàn)電機(jī)電磁力矩方向的改變，控制電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)。
[0007]為了讓整流逆變?nèi)鄻蚴诫娐分械陌雽?dǎo)體開(kāi)關(guān)關(guān)斷后，電流仍能流過(guò)該橋臂，以上兩種方案中三相整流逆變橋式電路中半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件為IGCT或MOSFET或與二極管反向并聯(lián)的IGBT中的任意一種。
[0008]本發(fā)明在電機(jī)持續(xù)受外力驅(qū)動(dòng)，電樞繞組反向電動(dòng)勢(shì)大于電池供電電壓時(shí)，通過(guò)控制對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)管的占空比，可以控制饋電電流的大小和饋電的百分比時(shí)間，從而控制電機(jī)軸機(jī)械能向電源回饋電能的大小。電機(jī)轉(zhuǎn)子持續(xù)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，電樞繞組切割磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向不變。關(guān)閉整流逆變?nèi)鄻蚴诫娐分械乃虚_(kāi)關(guān)管，電樞繞組因感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的電樞電流被迫通過(guò)整流逆變?nèi)鄻蚴诫娐分虚_(kāi)關(guān)管體內(nèi)的反向二極管、勵(lì)磁繞組并聯(lián)的二極管向電池饋電，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能向電能轉(zhuǎn)變；導(dǎo)通整流逆變?nèi)鄻蚴诫娐分袑?duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)管，可改變電樞電流續(xù)流回路，電樞電流在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的激勵(lì)下上升，控制對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)管的占空比，可控制電子換向串勵(lì)直流電機(jī)向電池饋電電流的大小。此時(shí)勵(lì)磁繞組通過(guò)并聯(lián)的二極管續(xù)流，維持一定磁場(chǎng)強(qiáng)度，在勵(lì)磁電流下降到一定程度時(shí)，重新選擇并導(dǎo)通供電開(kāi)關(guān)對(duì)，為勵(lì)磁繞組充電，維持勵(lì)磁電流在一定水平。
[0009]本發(fā)明提供一種可實(shí)現(xiàn)電子換向串勵(lì)直流電機(jī)電子換向、速度調(diào)節(jié)、回饋發(fā)電等控制目標(biāo)的控制裝置及其控制方法。包括采用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件組成的整流逆變?nèi)鄻蚴诫娐罚粋€(gè)二極管，一個(gè)本地控制單元，一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，一個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器。本地控制單元通過(guò)位置傳感器確定電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，選擇控制整流逆變橋中六個(gè)開(kāi)關(guān)管中的兩個(gè)作為一組供電開(kāi)關(guān)對(duì)，為電機(jī)三相繞組中的兩相供電，通過(guò)改變此供電開(kāi)關(guān)對(duì)的占空比，便能實(shí)現(xiàn)電子換向串勵(lì)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與調(diào)壓調(diào)速。
[0010]本發(fā)明的結(jié)構(gòu)合理簡(jiǎn)單，方法先進(jìn)，電子換向串勵(lì)直流電機(jī)通過(guò)電子換向取代傳統(tǒng)機(jī)械式換向裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)快速換向、回饋發(fā)電等控制功能，體積小，成本低，系統(tǒng)效率高。通過(guò)兩個(gè)碳刷與供電滑環(huán)連接電樞與勵(lì)磁繞組，并為勵(lì)磁繞組供電的方法，減少傳統(tǒng)串勵(lì)電機(jī)的碳刷數(shù)量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定性更高；也不會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間過(guò)載或者過(guò)溫等情況造成轉(zhuǎn)子失磁現(xiàn)象，降低電機(jī)運(yùn)行性能。一種實(shí)現(xiàn)電子換向串勵(lì)直流電機(jī)電子換向、速度調(diào)節(jié)、回饋發(fā)電等控制目標(biāo)的控制裝置及其控制方法，對(duì)串勵(lì)電機(jī)的推廣與應(yīng)用起到積極作用。
【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1電子換向串勵(lì)直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖。
[0012]圖2方案一電子換向串勵(lì)直流電機(jī)控制拓?fù)洹?br>[0013]圖3第一象限電機(jī)轉(zhuǎn)子位置及電樞電流。
[0014]圖4供電開(kāi)關(guān)對(duì)Ml、M4都導(dǎo)通時(shí)電樞與勵(lì)磁電流流向。
[0015]圖5開(kāi)關(guān)管Ml關(guān)斷、M4導(dǎo)通時(shí)電樞與勵(lì)磁電流流向。
[0016]圖6開(kāi)關(guān)管Ml關(guān)斷、M4導(dǎo)通時(shí)非導(dǎo)通相續(xù)流時(shí)電樞與勵(lì)磁電流流向。
[0017]圖7第三象限電機(jī)轉(zhuǎn)子位置及電樞電流。
[0018]圖8開(kāi)關(guān)管M2、M3都導(dǎo)通時(shí)電樞與勵(lì)磁電流流向。
[0019]圖9開(kāi)關(guān)管M2關(guān)斷、M3導(dǎo)通時(shí)電樞與勵(lì)磁電流流向。
[0020]圖10第二象限電機(jī)轉(zhuǎn)子位置及電樞電流。
[0021]圖11開(kāi)關(guān)管都關(guān)斷時(shí)電樞與勵(lì)磁電流流向。
[0022]圖12開(kāi)關(guān)管M2導(dǎo)通時(shí)電樞與勵(lì)磁電流流向。
[0023]圖13第四象限電機(jī)轉(zhuǎn)子位置及電樞電流。
[0024]圖14開(kāi)關(guān)管都關(guān)斷時(shí)電樞與勵(lì)磁電流流向。
[0025]圖15開(kāi)關(guān)管M2關(guān)斷、Ml導(dǎo)通時(shí)電樞與勵(lì)磁電流流向。
[0026]圖16方案二電子換向串勵(lì)直流電機(jī)控制拓?fù)洹?br>【具體實(shí)施方式】
[0027]下面詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0028]如圖1所示，所述電子換向串勵(lì)直流電機(jī)電樞繞組采用三相星形接法，安裝在定子上；勵(lì)磁繞組為繞線式，安裝在轉(zhuǎn)子上；通過(guò)兩個(gè)封閉滑環(huán)將勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，并為勵(lì)磁繞組供電。
[0029]所述方案一電子換向串勵(lì)直流電機(jī)控制裝置設(shè)有采用六個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件M1、M2、M3、M4、M5、M6組成的整流逆變?nèi)鄻蚴诫娐罚粋€(gè)本地控制單元，一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路為門極驅(qū)動(dòng)電路，一個(gè)二極管D，電子換向串勵(lì)直流電機(jī)控制拓?fù)淙鐖D2所示。所述整流逆變?nèi)鄻蚴诫娐啡齻€(gè)下臂公共端接于電池負(fù)端A6，三個(gè)上臂公共端接于勵(lì)磁繞組和二極管D陽(yáng)極的公共端A2，三相整流逆變橋上、下臂公共端A3、A4、A5分別與所述電子換向串勵(lì)直流電機(jī)采用三相星形接法的定子相連；所述二極管D與勵(lì)磁繞組并聯(lián)，陰極接于電池正端Al，陽(yáng)極接于整流逆變?nèi)鄻蚴诫娐返纳媳酃捕薃2 ;所述本地控制單元通過(guò)位置傳感器采樣電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路與整流逆變?nèi)鄻蚴诫娐废噙B。
[0030]所述整流逆變?nèi)鄻蚴诫娐分邪雽?dǎo)體開(kāi)關(guān)元件為IGCT或MOSFET或與二極管反向并聯(lián)的IGBT中的任意一種。
[0031]以方案一為例對(duì)電子換向串勵(lì)直流電機(jī)四象限運(yùn)行進(jìn)行控制過(guò)程分析，方案二拓?fù)淙鐖D16所示，控制方法與方案一類似，將不再贅述。
[0032]對(duì)所述電子換向串勵(lì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行區(qū)間劃分，每60° —個(gè)區(qū)間，劃分成六個(gè)區(qū)間，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)60°單片機(jī)按照一定的邏輯順序切換一次電樞繞組的供電開(kāi)關(guān)對(duì)，始終保持轉(zhuǎn)子受到的電磁轉(zhuǎn)矩方向與電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向一致，為電機(jī)提供連續(xù)的驅(qū)動(dòng)力矩。電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周，開(kāi)關(guān)管共有六種導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)電機(jī)處于A、B兩相導(dǎo)通的初始位置時(shí)，且電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，即電機(jī)工作在第一象限時(shí)，開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通邏輯順序?yàn)?M1、M4 — Ml、M6 — M3、M6 — M3、M2 — M5、M2 — M5、M4 — M1、M4 ;對(duì)應(yīng)的電樞繞組導(dǎo)通相為:A — B，A — C，B — C，B — A，C — A，C — B，A — B。
[0033]由于全橋調(diào)制功率開(kāi)關(guān)的動(dòng)態(tài)損耗是半橋調(diào)制方式的兩倍，會(huì)降低系統(tǒng)效率，不容易散熱，同時(shí)為了減小換相過(guò)程中出現(xiàn)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，因而本控制系統(tǒng)采用半橋調(diào)制方式。如按照一個(gè)PWM周期和下一個(gè)PffM周期的交錯(cuò)方式選擇上橋臂通斷后選擇下橋臂通斷，這樣可以讓開(kāi)關(guān)的發(fā)熱均勻地出現(xiàn)在兩個(gè)供電開(kāi)關(guān)上，減少開(kāi)關(guān)管的溫度脈動(dòng)，增強(qiáng)短時(shí)過(guò)載能力。
[0034]如圖3 - 6所示，假設(shè)電機(jī)處于A、B兩相導(dǎo)通的初始位置，則開(kāi)關(guān)管Ml、M4作為供電開(kāi)關(guān)對(duì)，在一個(gè)PWM周期為例介紹開(kāi)關(guān)管通斷時(shí)控制過(guò)程。在t。- h時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管M1、M4導(dǎo)通，電流從電池正端Al流出、經(jīng)勵(lì)磁繞組、開(kāi)關(guān)管Ml、A、B相電樞繞組、開(kāi)關(guān)管M4回到電池負(fù)端A6，構(gòu)成電機(jī)勵(lì)磁與電樞繞組供電回路，電樞電流和勵(lì)磁電流在電池與電樞繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之差(U-Eb-Ea)激勵(lì)下上升。在& - t2時(shí)刻，Ml關(guān)斷、M4導(dǎo)通，電樞電流經(jīng)A、B兩相電樞繞組、開(kāi)關(guān)管M4、開(kāi)關(guān)管M2的體內(nèi)二極管D2構(gòu)成續(xù)流回路，電樞電流在反向電動(dòng)勢(shì)作用下下降；在Ml、M4導(dǎo)通區(qū)間的后30°，EtXO,開(kāi)關(guān)管M6的二極管D6導(dǎo)通，出現(xiàn)經(jīng)D6、C相電樞繞組構(gòu)成的非導(dǎo)通相續(xù)流回路，如圖6所示。而勵(lì)磁電流經(jīng)并聯(lián)二極管D