一種永磁無刷直流電機弱磁驅動裝置的製作方法

2023-10-04 02:32:09 2

專利名稱：一種永磁無刷直流電機弱磁驅動裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電機驅動裝置，尤其是一種適用於永磁無刷直流電機的弱磁驅動裝置。
背景技術：
在電動汽車、數控工具機、家用電器、磁碟驅動、風力發電等諸多領域，永磁無刷直流電機由於具有結構簡單、功率密度高、出力大等優點，是綜合性能較優的選擇。但永磁電機勵磁磁動勢由永磁體產生，無法調節，因此其調速範圍不夠寬廣，往往要以增加電源為代價擴大其調速範圍。例如電動汽車，以時速0～100多公裡行駛，驅動電機轉速須從0到幾千轉/分甚至上萬轉/分運行。在轉速的逐漸升高的過程中，通常採用調整電機電壓的方式進行升速，當電動機電壓到達逆變器所能輸出的電壓極限時(電源容量已到極限)，電機的轉速也從零到達一個極限值，這個速度極限值就是調壓可達到轉速的最高值。再升速則不能採用調壓的方法。此時，只有將勵磁磁場減弱，才能使電機轉速繼續上升。對於它勵直流電動機可通過降低勵磁電流實現弱磁增速。而對於永磁無刷電機弱磁，目前較為普遍的採用超前角導通角方法，由於三相橋式逆變器在採用此方法時，電機某兩相及相對應的兩個橋臂環路當中會產生環流，其直接作用就是產生一個相反的平均轉矩，導致轉矩急劇降低，弱磁升速範圍極為有限。

發明內容為了克服現有技術存在環流的不足，本發明提供了一種永磁無刷直流電機弱磁驅動裝置。
本發明採用十二個MOSFET(金屬-氧化物-半導體場效應管)構成可驅動永磁無刷直流電機在弱磁區間運行的驅動裝置。與傳統永磁無刷直流電動機三相橋式驅動裝置不同點在於傳統的永磁無刷直流電動機三相橋式驅動裝置由六個MOSFET(金屬-氧化物-半導體場效應管)Q1(A相上橋臂正向連接)、Q3(B相上橋臂正向連接)、Q5(C相上橋臂正向連接)、Q4(A相下橋臂正向連接)、Q6(B相下橋臂正向連接)、Q2(C相下橋臂正向連接)組成。本發明每一個橋臂所連接的MOSFET(金屬-氧化物-半導體場效應管)Q1_H(A相上橋臂正向連接)、Q3_H(B相上橋臂正向連接)、Q5_H(C相上橋臂正向連接)、Q4_H(A相下橋臂正向連接)、Q6_H(B相下橋臂正向連接)、Q2_H(C相下橋臂正向連接)下端S極(源極)分別對應連接一個相同的MOSFET(金屬-氧化物-半導體場效應管)Q1_L(A相上橋臂反向連接)、Q3_L(B相上橋臂反向連接)、Q5_L(C相上橋臂反向連接)、Q4_L(A相下橋臂反向連接)、Q6_L(B相下橋臂反向連接)、Q2_L(C相下橋臂反向連接)，連接方式為每一個上橋臂或下橋臂的一對MOSFET(金屬-氧化物-半導體場效應管)的S極(源極)相連。通過Q1_L、Q3_L、Q5_L、Q4_L、Q6_L、Q2_L可以消除超前導通角換向時產生的環流。
對於永磁無刷直流電機常用的是三相星型六狀態的驅動方式，MOSFET(金屬-氧化物-半導體場效應管)可以等效為一個開關並聯一個二極體。電機反電勢為120°平頂梯形波。在0°～360°轉子旋轉過程當中，對於逆變器的MOSFET共有6種開關狀態。在非弱磁的控制方式下，其導通順序與電機反電勢具有以下對應關係。其在0°～60°對應Q1Q6導通，60°～120°對應Q1Q2導通，120°～180°對應Q3Q2導通，180°～240°對應Q3Q4導通，240°～300°對應Q5Q4導通，300°～180°對應Q5Q6導通。在合理的換向過程中，電機轉子做旋轉運動。如果要對電機升速，須通過調節佔空比改變電壓進行調速。當電壓達到最大值時，只能通過減弱氣隙磁通的方法提高轉速。
對於採用超前導通角方法進行弱磁，以超前導通角60°為例，即在0°～60°使Q1Q2導通，60°～120°對應Q3Q2導通，120°～180°對應Q3Q4導通，180°～240°對應Q5Q4導通，240°～300°對應Q5Q6導通，300°～180°對應Q1Q6導通。此時，如果仍用常規的電路，會在對應的相中產生環流。此環流產生負轉矩，致使電機轉矩急劇下降，升速範圍很低。取0°～60°為例。此時A，B，C三相當中，A相正嚮導通，ea為正向最大值，B相反嚮導通，eb為反向最大值，ec處於電勢由正到負的換向過渡過程。如果提前導通Q1Q2，ec＞eb，以電機三相中線連接點為電勢參考點，Q2上端電勢為ec，由於Q2導通，Q2下端和Q2上端電勢相同，即Q6下端電勢為ec，由於MOSFET(金屬-氧化物-半導體場效應管)中續流二極體導通電壓很低，此時ec-ΔU大於eb，則通過C相—Q2—D9(Q6中續流二極體)——B相迴路當中產生環流。IH即為由於提前導通Q1Q2在B相和C相產生的環流。忽略繞組電感，則環流IL大小為IH=ec-u-eb2R0---(1)]]>此時，環流產生了附加的電磁轉矩，其大小分別為TA環＝0
其中，R為電機一相繞組電阻，ea，eb，ec為A、B、C三相當中的反電勢，Ω為電機轉速，TA 環、TB環、TC環分別為環流在A、B、C三相當中產生的轉矩，∑T環為環流產生的合成轉矩。。此時轉子位置是在0°～60°，如前所述，A，B，C三相當中，ea為正向最大值，eb為反向最大值，ec處於電勢由正到負的換向過渡過程。提前導通Q1Q2，ec＞eb，由(2)式可知，環流產生的合成轉矩為負。因此傳統的驅動方式會在相應兩相中產生環流，環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，難以實現弱磁升速。
本發明在每個上橋臂和下橋臂的MOSFET(金屬-氧化物-半導體場效應管)Q1_H(A相上橋臂正向連接)、Q3_H(B相上橋臂正向連接)、Q5_H(C相上橋臂正向連接)、Q4_H(A相下橋臂正向連接)、Q6_H(B相下橋臂正向連接)、Q2_H(C相下橋臂正向連接)反向串連一個相同的MOSFET(金屬-氧化物-半導體場效應管)Q1_L(A相上橋臂反向連接)、Q3_L(B相上橋臂反向連接)、Q5_L(C相上橋臂反向連接)、Q4_L(A相下橋臂反向連接)、Q6_L(B相下橋臂反向連接)、Q2_L(C相下橋臂反向連接)，利用其反向阻斷功能，消除環流影響，實現永磁無刷直流電機弱磁運行。
當採用超前導通角實現弱磁調速時，同樣分析在0°～60°區間使Q1_H、Q1_L、Q2_H、Q2_L導通，亦即在0°～60°區間A相上橋臂、C相下橋臂導通。則Q2_L下端電勢為ec，Q6_L下端電勢亦為ec，由於此時ec＞eb，如果B相下橋臂沒有Q6_L，則其狀態和傳統橋式驅動電路相同，根據前述，則會通過MOSFET(金屬-氧化物-半導體場效應管)的續流二極體D9產生完整迴路，導致環流IH形成。加入Q6_L之後，與對應的Q6_H同時關斷或導通，此時其處於關斷狀態。由於Q6_L的續流二極體D10的反向阻斷，雖然在B相、C相迴路當中存在電勢差ec-eb，但並沒有導通迴路形成，故消除了環流。致使反向阻礙轉矩為零，阻止了由於環流引起的轉矩急劇下降，實現了弱磁升速。同理可分析其餘五個狀態。
通過使每一上橋臂或下橋臂的一對MOSFET(金屬-氧化物-半導體場效應管)的G極(柵極)相連，控制信號可使其同時導通和關斷，使其在基速以下運行時，性能不受任何影響，同時，此種連接方式加速了MOSFET(金屬-氧化物-半導體場效應管)導通或者關斷的切換過渡過程，亦可改善基速以下電機運行性能。
上述本發明的所有MOSFET(金屬-氧化物-半導體場效應管)可以全部由IGBT(絕緣柵雙極電晶體)替換，對應的MOSFET(金屬-氧化物-半導體場效應管)的S極(源極)相連替換成IGBT(絕緣柵雙極電晶體)的E極(發射極)連接，對應的MOSFET(金屬-氧化物-半導體場效應管)的G極(柵極)相連替換成IGBT(絕緣柵雙極電晶體)的G極(柵極)相連，對應的MOSFET(金屬-氧化物-半導體場效應管)的D極(漏極)替換成IGBT(絕緣柵雙極電晶體)的C極(集電極)。
作為本發明的一個優選方案，本發明在驅動裝置的直流電源輸入(直流母線)正端串接兩個並聯的二極體D7、D8。由於在電機弱磁運行期間，反電勢隨轉速升高而增大，當反電勢大於直流母線電壓並且具有通路時，電機向電源回饋能量，此時電機運行在發電狀態，二極體D7、D8可有效阻斷髮電狀態所需通路。同時並聯的連接方式可以保證其工作可靠性。
作為本發明的另一個優選方案，本發明在Q1_L(A相上橋臂反向連接)、Q3_L(B相上橋臂反向連接)、Q5_L(C相上橋臂反向連接)、Q4_L(A相下橋臂反向連接)、Q6_L(B相下橋臂反向連接)、Q2_L(C相下橋臂反向連接)上分別對應並接一個瞬態電壓抑制器D1、D3、D5、D4、D6、D2。由於每一個上橋臂或下橋臂的一對MOSFET(金屬-氧化物-半導體場效應管)同時導通或關斷，在弱磁運行時，繞組端電壓產生脈衝電壓尖峰，連接瞬態電壓抑制器D1、D3、D5、D4、D6、D2後，可將電壓尖峰脈衝降落在瞬態電壓抑制器上，吸收換向繞組端電壓尖峰，防止功率管擊穿。
本發明由於採用上述一系列技術手段，能夠有效的消除環流，使得永磁無刷直流電機弱磁調速比達到2.6，而用傳統的逆變器模式，弱磁調速比只有1.12。此外，在弱磁調速區間，轉矩脈動很小，同時基速以下電機運行性能得以改善。


圖1為本發明的電機反電勢波形示意圖。
圖2為常規稀土永磁無刷直流電機驅動電路原理圖。
圖3為本發明一種永磁無刷直流電機弱磁驅動裝置原理圖。
圖4為本發明一種永磁無刷直流電機弱磁驅動裝置電路圖。
具體實施方式
本發明實施例為一28V弱磁驅動裝置。如圖4所示。MOSFET(金屬-氧化物-半導體場效應管)採用IRFP460，每個橋臂的一對MOSFET(金屬-氧化物-半導體場效應管)S極(源極)相連，並在相連處置懸空地。Q1_H、Q1_L的G極(柵極)相連，由T1同時觸發，Q3_H、Q3_L的G極(柵極)相連，由T3同時觸發，Q5_H、Q5_L的G極(柵極)相連，由T5同時觸發，Q4_H、Q4_L的G極(柵極)相連，由T4同時觸發，Q6_H、Q6_L的G極(柵極)相連，由T6同時觸發，Q2_H、Q2_L的G極(柵極)相連，由T2同時觸發。在每個橋臂下方的MOSFET(金屬-氧化物-半導體場效應管)Q1_L、Q3_L、Q5_L、Q4_L、Q6_L、Q2_L上分別並聯一個瞬態電壓抑制器D1、D3、D5、D4、D6、D2，其型號均為1.5KE300A。在直流母線正端串接兩個並聯二極體MUR460。此驅動裝置連接一臺18槽6極稀土永磁無刷直流電機，在28V額定電壓及額定負載下，轉速為580轉/分，當進行弱磁增速時，最高轉速達到1510轉份。弱磁調速比達到2.6。為了證明弱磁有效性來源於本發明一種永磁無刷直流電機弱磁驅動裝置，將實施例中每個橋臂下方的MOSFET(金屬-氧化物-半導體場效應管)全部短接，即將Q1_L、Q3_L、Q5L、Q4_L、Q6_L、Q2_L全部短路，電路變為傳統驅動電路模式，此時進行弱磁增速，最高轉速只有645轉/分，調速比不足1.2。升速效果微弱。故本發明通過消除環流，減小了動態轉矩降落，明顯增大了弱磁調速的範圍。
權利要求
1.一種永磁無刷直流電機弱磁驅動裝置，包括六個MOSFET(金屬-氧化物-半導體效應管)(Q1_H、Q3_H、Q5_H、Q4_H、Q6_H、Q2_H)以三相橋式逆變驅動電路結構連接在直流輸入正端與地之間，其特徵在於對應每個上橋臂和下橋臂的MOSFET(金屬-氧化物-半導體場效應管)(Q1_H、Q3_H、Q5_H、Q4_H、Q6_H、Q2_H)下方分別反向串連一個相同的MOSFET(金屬-氧化物-半導體場效應管)(Q1_L、Q3_L、Q5L、Q4_L、Q6_L、Q2_L)，將對應二者(Q1_H和Q1_L、Q3_H和Q3_L、Q5_H和Q5_L、Q4_H和Q4_L、Q6_H和Q6_L、Q2_H和Q2_L)的S極(源極)相連。
2.根據權利要求1所述的一種永磁無刷直流電機弱磁驅動裝置，其特徵在於任何一個上橋臂或任何一個下橋臂的一對MOSFET(金屬-氧化物-半導體場效應管)(Q1_H和Q1_L、Q3_H和Q3_L、Q5_H和Q5_L、Q4_H和Q4_L、Q6_H和Q6_L、Q2_H和Q2_L)的G極(柵極)相連接，並通以同一個控制信號。
3.根據權利要求1所述的一種永磁無刷直流電機弱磁驅動裝置，其特徵在於對於所述的每個反向連接的MOSFET(金屬-氧化物-半導體場效應管)(Q1_L、Q3_L、Q5_L、Q4_L、Q6_L、Q2_L)，與其反向相應的並聯一個瞬態電壓抑制器(D1、D3、D5、D4、D6、D2)。
4.根據權利要求1所述的一種永磁無刷直流電機弱磁驅動裝置，其特徵在於所述的所有MOSFET(金屬-氧化物-半導體場效應管)可以全部由IGBT(絕緣柵雙極電晶體)替換，對應的MOSFET(金屬-氧化物-半導體場效應管)的S極(源極)相連替換成IGBT(絕緣柵雙極電晶體)的E極(發射極)連接，對應的MOSFET(金屬-氧化物-半導體場效應管)的G極(柵極)相連替換成IGBT(絕緣柵雙極電晶體)的G極(柵極)相連，對應的MOSFET(金屬-氧化物-半導體場效應管)的D極(漏極)替換成IGBT(絕緣柵雙極電晶體)的C極(集電極)。
5.根據權利要求1所述的一種永磁無刷直流電機弱磁驅動裝置，其特徵在於所述的直流輸入正端串接一對並聯二極體(D7、D8)。
全文摘要
一種永磁無刷直流電機弱磁驅動裝置，為了克服現有技術存在環流、導致在弱磁區間轉矩急劇下降，弱磁調速範圍狹窄的不足，本發明在傳統的永磁無刷直流電動機三相橋式驅動裝置將六個MOSFET(金屬－氧化物－半導體場效應管)以三相橋式逆變驅動電路連接的基礎上，在每個上橋臂和下橋臂的MOSFET下方分別反向串連一個相同的MOSFET，將對應二者的S極(源極)相連，本發明能夠有效地消除環流，提高永磁無刷直流電機弱磁調速比。
文檔編號H02P6/08GK1852020SQ20061004282
公開日2006年10月25日 申請日期2006年5月18日 優先權日2006年5月18日
發明者李榕, 劉衛國, 劉景林, 劉向陽 申請人:西北工業大學