開關磁阻電機驅動系統的快速斬波裝置的製作方法

2023-05-22 01:35:51

專利名稱：開關磁阻電機驅動系統的快速斬波裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種開關磁阻電機驅動系統的快速斬波裝置，能夠在開關磁阻電機控制器工作在脈寬調製(PWM)加電流斬波(CCC)組合控制模式時，快速關斷功率變換器的上開關管控制信號，從而達到快速斬波效果，且不需要關閉微處理器CPU的PWM模塊。該發明解決了因微處理器CPU的PWM模塊輸出信號的開、關存在較大的延時，從而導致軟體斬波動作響應不及時，而可能使功率變換器的開關管燒毀的問題。屬於電機控制領域。
背景技術：
開關磁阻電機是一種新型調速電機，兼具直流，交流兩類調速系統的優點，是繼變頻調速系統、無刷直流電動機調速系統的最新一代無極調速系統。它的結構簡單堅固，調速範圍寬，調速性能優異，且在整個調速範圍內都具有較高效率，系統可靠性高。開關磁阻電機結構簡單，性能優越，可靠性高，覆蓋功率範圍廣。開關磁阻電機有三種控制模式，即電流斬波控制(CCC)、角度位置控制(APC)和電壓控制(VC)。其中，電流斬波控制一般應用於低速運行區，因為此時旋轉電動勢較小，必須限制系統的最大工作電流。傳統的電流斬波控制主要採用的是硬體斬波方法，其電路結構主要包括微處理器、邏輯門電路、電流採樣電路、放大電路、遲滯比較電路和功率變換器等，其缺點在於電路結構複雜，成本較高；而若採用軟體斬波方法，則電路結構會簡單，但由於實現斬波動作時需要通過關閉微處理器CPU中的PWM模塊完成，而微處理器CPU在關閉PWM模塊通常會存在較大的延時，從而延緩電流斬波動作實施的時間，導致本該減小的相電流反而繼續快速上升，從而可能會燒毀MOS管。有技術採用專用集成電路(ASIC)進行電流斬波控制，但該技術需要微處理器CPU與ASIC之間通過同步串行總線(SPI)進行通訊實施，而通訊過程同樣會存在較大延時，且微處理器加ASIC的系統方案成本較高。還有報導使用了邏輯處理晶片和D觸發器相結合的技術來實現上、下開關管的交替斬波。其各相開關信號分兩路分別送給邏輯處理晶片，一路直接連接邏輯處理晶片，另一路先接三個D觸發器，經D觸發器輸出的脈衝信號送給邏輯處理晶片，邏輯處理晶片輸出各相的上、下開關管控制信號，其中一路為換相信號，另一路為斬波信號，實現了上、下開關管的交替斬波控制。該方法電路比較複雜，由邏輯晶片加D觸發器的系統成本也相對較高。本實用新型採用了微處理器CPU加二輸入與門的快速控制方法和電路，在開關磁阻電機控制器工作在PWM加CCC (加電流斬波)組合控制模式時，將CPU中的PWM模塊產生的PWM信號和IO (輸入輸出)模塊產生的斬波信號分開輸出給與門，使得CPU在需要電流斬波的時候不必關閉PWM模塊，而利用IO模塊的快速中斷響應特性和二輸入與門的快速信號翻轉特性來縮短軟體斬波反應時間，從而使得MOS管不會因為關閉PWM模塊的延時而燒毀，適用於3相或者3相以上結構的功率變換器。本實用新型的關鍵點在於利用高速32位微處理器CPU中IO模塊的快速中斷響應特性和二輸入與門的快速信號翻轉特性來提高軟體斬波的實時性，在接近傳統硬體斬波的
4響應時間的同時，極大的降低了硬體成本，而且軟體斬波具有可以精確控制斬波的閾值的優點，可結合後續處理算法提高系統性能，如降低轉矩脈動等。
發明內容技術問題本實用新型提出一種開關磁阻電機驅動系統的快速斬波裝置，能夠在開關磁阻電機控制器工作在脈寬調製(PWM)加電流斬波(CCC)組合控制模式時，快速關斷功率變換器的上開關管控制信號，從而達到快速斬波效果，且不需要關閉微處理器CPU的 PWM模塊。該發明解決了因微處理器CPU的PWM模塊輸出信號的開、關存在較大的延時，從而導致軟體斬波動作響應不及時，而可能使功率變換器的開關管燒毀的問題。本實用新型的關鍵點在於利用高速32位微處理器CPU中IO模塊的快速中斷響應特性和二輸入與門的快速信號翻轉特性來提高軟體斬波的實時性，在接近傳統硬體斬波的響應時間的同時，極大的降低了硬體成本。技術方案為解決上述技術問題，本實用新型提出一種開關磁阻電機驅動系統的快速斬波裝置，該電路包括微處理器、二輸入與門、功率變換器、電流採樣電路、濾波放大電路；其中電流採樣電路的輸入端接電機繞組的信號輸出端，採集電機相繞組電流的瞬時值；電流採樣電路的輸出端通過濾波放大電路接微處理器中的模數轉換模塊，將電機相繞組電流的瞬時值實時傳送給微處理器；微處理器判斷該電機相繞組電流的瞬時值是否需要斬波，並根據判斷結果通過脈寬調製模塊輸出脈寬調製信號，通過輸入輸出模塊輸出斬波信號；脈寬調製模塊的輸出端和輸入輸出模塊的輸出端分別接二輸入與門的兩個輸入端， 將上述兩個信號傳送給二輸入與門；二輸入與門的輸出端接功率變換器的一個輸入端，向功率變換器輸出上管控制信號以控制其上開關管，輸入輸出模塊的第二個輸出端接功率變換器的另一個輸入端，向功率變換器輸出下管換相信號以控制其下開關管；輸出功率變換器輸出驅動信號接電機繞組，以驅動電機。優選的，微處理器包括脈寬調製模塊、輸入輸出模塊和模數轉換模塊；微處理器用於根據內部脈寬調製模塊產生用於調節電機轉速的脈寬調製信號，利用輸入輸出模塊產生斬波信號和下管換相信號，並向後級電路輸出；脈寬調製模塊向二輸入與門輸出脈寬調製信號，輸入輸出模塊分別向二輸入與門輸出斬波信號和向功率變換器輸出下管換相信號，模數轉換模塊接受來自濾波放大電路的採樣放大信號；二輸入與門接受來自微處理器的脈寬調製信號和斬波信號，向功率變換器輸出上管控制信號；功率變換器的每一相包括上開關管和下開關管；功率變換器的上開關管的柵極接入由二輸入與門輸出的上管控制信號，下開關管的柵極接入由微處理器輸出的下管換相信號，上開關管的漏極接電源，電機繞組串接在上開關管的源極和下開關管的漏極之間，下開關管的源極接地；電流採樣電路包括第一電阻，電流採樣電路與由功率變換器中的下開關管的源極和地分別連接；濾波放大電路包括第二電阻、第三電阻、第四電阻、第五電阻、第一電容、第二電容、第三電容以及運算放大器；第二電阻的一端與電流採樣電路中的第一電阻的一端及下開關管的源端相連，第一電阻的另一端和第三電阻及第一電容的一端相連，第三電阻的另一端與第二電容的一端及運算放大器的正端相連，第一電容和第二電容的另一端均接地；運算放大器的負端與第四電阻、第五電阻和第三電容相連，運算放大器的輸出端與第五電阻和第三電容的另一端相連，並形成採樣放大信號，向微處理器輸出，第四電阻的另一端接地；下管換相信號用於控制功率變換器中的下開關管，以實現電機繞組通電順序切換。優選的，微處理器為高速32位單片機。優選的，功率變換器中的上、下開關管均為金屬-氧化物-半導體場效應電晶體。優選的，電流採樣電路的第一電阻採用高精度低溫度係數康銅絲。有益效果本實用新型提出了一種開關磁阻電機驅動系統的快速斬波裝置。利用採樣電阻採集電流，通過濾波放大電路後產生放大信號傳送給微處理器的ADC模塊，微處理器經過判別後輸出PWM信號和斬波信號，兩者經過二輸入與門後產生上管控制信號，控制功率變換器對電機繞組進行斬波控制。本實用新型斬波動作響應較快，接近傳統硬體斬波的響應時間，可有效保護MOS管；電路結構簡單可靠，易於實現，極大的降低了電路複雜性和成本；另外，軟體斬波具有可以精確控制斬波的閾值的優點，可結合後續處理算法提高系統性能，如降低轉矩脈動等。

圖1是開關磁阻電機驅動系統快速斬波控制方法的結構框圖。圖2是開關磁阻電機驅動系統和本實用新型的控制電路。圖3是開關磁阻電機驅動系統在使用與門前後的波形示意圖。微處理器1，二輸入與門2，功率變換器3，電流採樣電路4，濾波放大電路5 ；PWM 11 (脈寬調製模塊)、IO模塊12 (輸入輸出模塊)、ADC13 (模數轉換模塊)；上開關管Tl、下開關管T2 ；第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5、第一電容Cl、 第二電容C2、第三電容C3以及運算放大器51。
具體實施方式
下面將參照附圖對本實用新型進行說明。本實用新型公開了一種開關磁阻電機驅動系統的快速斬波裝置，能夠在開關磁阻電機控制器工作在脈寬調製(PWM)加電流斬波(CCC)組合控制模式時，快速關斷功率變換器的上開關管控制信號，從而達到快速斬波效果，且不需要關閉微處理器CPU的PWM模塊。 該方法及電路解決了因微處理器CPU的PWM模塊輸出信號的開、關存在較大的延時，從而導致軟體斬波動作響應不及時，而可能使功率變換器的開關管燒毀的問題。本方法和電路結構簡單可靠，易於實現。以三相開關磁阻電機其中功率變換器的一相及其相關控制電路為例，箭頭所示為信號的流通方向。如圖1所示為整個開關磁阻電機調速系統的結構框圖。採樣電阻採得電機相繞組電流的瞬時值，經過濾波放大電路後實時傳送給微處理器CPU，微處理器CPU判斷此時是否需要斬波，並根據判斷結果輸出斬波信號，同時輸出PWM信號，上述兩個信號傳送給二輸入與門後，向功率變換器輸出上管控制信號以控制上開關管，從而實現快速斬波過程，同時微處理器CPU根據當前的位置信息輸出下管換相信號給功率變換器的下開關管，最終實現對電機的PWM加CCC的組合控制。本實用新型裝置包括下列組成部分微處理器1，二輸入與門2，功率變換器3，電流採樣電路4，濾波放大電路5。如圖2所示，微處理器CPUl內部包含脈寬調製模塊(PWM) 11、輸入輸出模塊(IO) 12和模數轉換模塊(ADC) 13，PWM模塊11向二輸入與門2輸出PWM信號，IO模塊12分別向二輸入與門2輸出斬波信號和向功率變換器3輸出下管換相信號，ADC模塊13接受來自濾波放大電路5的採樣放大信號。二輸入與門2接受來自微處理器1的PWM信號和斬波信號，向功率變換器3輸出上管控制信號。功率變換器3的每一相由上開關管Tl和下開關管 T2構成，上開關管Tl的柵極接入由二輸入與門2輸出的上管控制信號，下開關管T2的柵極接入由微處理器1輸出的下管換相信號，上開關管的漏極接電源Udc，電機繞組串接在上開關管的源極和下開關管的漏極之間，下開關管的源極接地GND。電流採樣電路4主要由高精度低溫度係數康銅絲第一電阻Rl構成(或其它材料的低溫度係數功率電阻)，並與由功率變換器3中的下開關管T2的源極和地GND分別連接。濾波放大電路5由第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5、第一電容Cl、第二電容C2、第三電容C3以及運算放大器51組成。第二電阻R2的一端與電流採樣電路4中的第一電阻Rl的一端及下開關管T2 的源端相連，第一電阻Rl的另一端和第三電阻R3及第一電容Cl的一端相連，第三電阻R3 的另一端與第二電容C2的一端及運算放大器51的正端+相連，第一電容Cl和第二電容C2 的另一端均接地GND。運算放大器51的負端-與第四電阻R4、第五電阻R5和第三電容C3 相連，運算放大器51的輸出端與第五電阻R5和第三電容C3的另一端相連，並形成採樣放大信號，向微處理器1輸出，第四電阻R4的另一端接地GND。微處理器1為高速32位單片機，其功能是利用內部PWM模塊產生用於調節電機轉速的PWM信號，利用內部IO模塊產生斬波信號和下管換相信號，並向後級電路輸出。下管換相信號用於控制功率變換器3中的下開關管T2，以實現電機繞組通電順序切換。功率變換器中的上、下開關管均為金屬-氧化物-半導體場效應電晶體(M0S管)。圖3所示為本實用新型中所述電路的關鍵波形示意圖，並給出未使用二輸入與門的電路的軟斬波電流波形。圖中電流波形中虛線所示為未使用二輸入與門的軟斬波電流波形，實線為本實用新型中使用二輸入與門之後電路的軟斬波電流波形。如圖中所示，PWM信號和斬波信號經過二輸入與門後得到上管控制信號，當相電流達到斬波上限I1時，斬波信號為低電平，經與門輸出的上管控制信號為低電平，此時上開關管關閉，電流開始斬波，當電流減小到斬波下限I2時，斬波信號為高電平，上管控制信號同PWM信號相同。由圖所示， 在使用與門前後，在微處理器檢測到電流大於斬波上限I1後到開始斬波，兩者之間存在一個時間差At，這段時間內傳統的方法電流會繼續上升，而這將增加MOS管的熱量積累，從而增加了 MOS管因熱擊穿導致損壞的可能性。本例中的開關磁阻電機為三相12/8極雙凸極結構，當電機低速運行時，調速系統採用PWM加CCC的組合控制模式，此時微處理器CPU根據內置程序開始輸出PWM信號和下管換相信號以使功率變換器的上、下開關管導通，從而電機繞組電流上升，開始勵磁以啟動電機。電流採樣電路中的採樣電阻Rl開始採集相電流信號，經濾波放大電路後將採樣放大信號實時傳送給微處理器CPU中的ADC模塊，再由微處理器CPU內置程序對採樣放大信號進行判別，若電流高於斬波上限I1則將微處理器CPU的IO模塊輸出的斬波信號置低，從而使二輸入與門輸出給功率變換器的上管控制信號置低，關斷上開關管；若電流低於斬波下限I2則將微處理器CPU的IO模塊輸出的斬波信號置高，從而使二輸入與門輸出給功率變換器的上管控制信號置高，導通上開關管。微處理器還會定期輸出換相信號給功率變換器的下開關管，以此進行開關磁阻電機換相控制。開關磁阻電機驅動系統的快速斬波方法，該方法包括如下步驟開關磁阻電機在低速運行時，驅動系統採用脈寬調製加電流斬波的組合控制模式，微處理器1內部的模數轉換模塊13模塊通過由電流採樣電路4對電機相電流的瞬時值進行實時採集，微處理器1 進行內部判斷後，通過脈寬調製模塊11和輸入輸出模塊12向二輸入與門2輸出脈寬調製信號和斬波信號若電流高於斬波上限則將斬波信號置低，從而關斷功率變換器3的上管控制信號；若電流低於斬波下限則將斬波信號置高，從而開啟功率變換器3的上管控制信號；利用輸入輸出模塊12輸出信號快速響應的特點，實現對功率變換器的快速斬波控制。以上所述僅為本實用新型的較佳實施方式，本實用新型的保護範圍並不以上述實施方式為限，但凡本領域普通技術人員根據本實用新型所揭示內容所作的等效修飾或變化，皆應納入權利要求書中記載的保護範圍內。
權利要求1.一種開關磁阻電機驅動系統的快速斬波裝置，其特徵在於該電路包括微處理器 (1)、二輸入與門(2)、功率變換器(3)、電流採樣電路(4)、濾波放大電路(5)；其中，電流採樣電路(4)的輸入端接電機繞組的信號輸出端，採集電機相繞組電流的瞬時值； 電流採樣電路(4 )的輸出端通過濾波放大電路(5 )接微處理器(1)中的模數轉換模塊(13)， 將電機相繞組電流的瞬時值實時傳送給微處理器(1);微處理器(1)判斷該電機相繞組電流的瞬時值是否需要斬波，並根據判斷結果通過脈寬調製模塊(11)輸出脈寬調製信號，通過輸入輸出模塊(12)輸出斬波信號；脈寬調製模塊(11)的輸出端和輸入輸出模塊(12)的輸出端分別接二輸入與門(2)的兩個輸入端，將上述兩個信號傳送給二輸入與門(2) ；二輸入與門(2)的輸出端接功率變換器(3)的一個輸入端，向功率變換器(3)輸出上管控制信號以控制其上開關管，輸入輸出模塊(12)的第二個輸出端接功率變換器(3)的另一個輸入端， 向功率變換器(3)輸出下管換相信號以控制其下開關管；輸出功率變換器(3)輸出驅動信號接電機繞組，以驅動電機。
2.根據權利要求1所述的開關磁阻電機驅動系統的快速斬波裝置，其特徵在於微處理器(1)包括脈寬調製模塊(11)、輸入輸出模塊(12)和模數轉換模塊(13)；微處理器(1) 用於根據內部脈寬調製模塊(11)產生用於調節電機轉速的脈寬調製信號，利用輸入輸出模塊(12)產生斬波信號和下管換相信號，並向後級電路輸出；脈寬調製模塊(11)向二輸入與門(2)輸出脈寬調製信號，輸入輸出模塊(12)分別向二輸入與門(2)輸出斬波信號和向功率變換器(3)輸出下管換相信號，模數轉換模塊(13)接受來自濾波放大電路(5)的採樣放大信號；二輸入與門(2 )接受來自微處理器(1)的脈寬調製信號和斬波信號，向功率變換器(3 ) 輸出上管控制信號；功率變換器(3)的每一相包括上開關管(Tl)和下開關管(T2);功率變換器(3)的上開關管(Tl)的柵極接入由二輸入與門(2)輸出的上管控制信號，下開關管(T2)的柵極接入由微處理器(1)輸出的下管換相信號，上開關管(Tl)的漏極接電源(Udc)，電機繞組串接在上開關管(Tl)的源極和下開關管(T2)的漏極之間，下開關管(T2)的源極接地；電流採樣電路(4)包括第一電阻(R1)，電流採樣電路(4)與由功率變換器(3)中的下開關管(T2)的源極和地分別連接；濾波放大電路(5)包括第二電阻(R2)、第三電阻(R3)、第四電阻(R4)、第五電阻(R5)、 第一電容(Cl)、第二電容(C2)、第三電容(C3)以及運算放大器(51)；第二電阻(R2)的一端與電流採樣電路(4)中的第一電阻(Rl)的一端及下開關管(T2) 的源端相連，第一電阻(Rl)的另一端和第三電阻(R3)及第一電容(Cl)的一端相連，第三電阻0 )的另一端與第二電容(以)的一端及運算放大器(51)的正端(+ )相連，第一電容 (Cl)和第二電容(C2)的另一端均接地；運算放大器(51)的負端(_)與第四電阻(R4)、第五電阻(R5)和第三電容(C3)相連，運算放大器(51)的輸出端與第五電阻(R5)和第三電容 (C3)的另一端相連，並形成採樣放大信號，向微處理器(1)輸出，第四電阻(R4)的另一端接地；下管換相信號用於控制功率變換器(3)中的下開關管(T2)，以實現電機繞組通電順序切換。
3.根據權利要求2所述的開關磁阻電機驅動系統的快速斬波裝置，其特徵在於微處理器(1)為高速32位單片機。
4.根據權利要求2所述的開關磁阻電機驅動系統的快速斬波裝置，其特徵在於功率變換器(3)中的上、下開關管均為金屬-氧化物-半導體場效應電晶體。
5.根據權利要求2所述的開關磁阻電機驅動系統的快速斬波裝置，其特徵在於電流採樣電路(4 )的第一電阻(Rl)採用高精度低溫度係數康銅絲。
專利摘要開關磁阻電機驅動系統的快速斬波裝置中，電流採樣電路(4)採集電機相繞組電流的瞬時值，並實時傳送給微處理器(1)，微處理器(1)判斷該電機相繞組電流的瞬時值是否需要斬波，並根據判斷結果輸出脈寬調製信號和斬波信號，上述兩個信號傳送給二輸入與門(2)後，向功率變換器(3)輸出上管控制信號以控制其上開關管。微處理器(1)進行內部判斷後，通過脈寬調製模塊(11)和輸入輸出模塊(12)向二輸入與門(2)輸出脈寬調製信號和斬波信號若電流高於斬波上限則將斬波信號置低，從而關斷功率變換器(3)的上管控制信號；若電流低於斬波下限則將斬波信號置高，從而開啟功率變換器(3)的上管控制信號；實現對功率變換器的快速斬波控制。
文檔編號H02P6/08GK202261130SQ20112032249
公開日2012年5月30日 申請日期2011年8月31日 優先權日2011年8月31日
發明者刁龍, 孫偉鋒, 時龍興, 秦明亮, 鍾銳, 陸生禮, 陳磊 申請人:東南大學