一種基於同步整流技術的開關磁阻電機控制器的低成本回流管控制電路及方法

2023-05-20 16:56:11 2

一種基於同步整流技術的開關磁阻電機控制器的低成本回流管控制電路及方法
【專利摘要】本發明公開一種基於同步整流技術的開關磁阻電機控制器的低成本回流管控制電路和方法，通過對電機轉速、繞組電流和回流時間進行實測，得到回流時間查找表並存儲在微處理器內存中，在換相回流階段，通過對電機轉速和繞組電流的採樣作為內置回流時間表的輸入信號，利用回流時間表查找到對應的回流時間大小，作為微處理器控制回流管的時間依據，實現在開關磁阻電機換相回流階段對回流功率管柵極的控制，為開關磁阻電機的同步整流的實現提供可靠的安全保障。本發明由下列部分組成：微處理器，同步整流回流管功率變換器電路電流採樣電路，電流放大電路，開關磁阻電機位置傳感器。本發明的方法和電路具有易於實現，工作穩定，且成本低廉等優點。
【專利說明】—種基於同步整流技術的開關磁阻電機控制器的低成本回流管控制電路及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基於同步整流技術的開關磁阻電機控制器的低成本回流管控制電路及其控制方法，能夠在沒有霍爾電流傳感器精確計算回流時間，從而實現在開關磁阻電機換相回流階段對回流功率管柵極的控制，解決了回流階段電流歸零點難以定量計算從而造成驅動信號的關斷時刻難以確定的問題，屬於電機控制領域。
【背景技術】
[0002]開關磁阻因為其電機結構簡單，堅固，製造工藝簡單，成本低，性能穩定，能工作在各種惡劣、高溫甚至是振動的工作環境中，而廣泛運用在家用電器，伺服與調速系統，牽引電機，高轉速電機等行業。SRD已列入我國中、小型電機「八五」，「九五」，「十五」科研規劃項目，我國多家研究機構都對開關磁阻電機展開過深入的研究。
[0003]開關磁阻電機驅動系統由電機，控制器，功率變換器，電流位置檢測等部分組成，其中每個部分對電機的高效運行都有著不可或缺的作用。其中功率變換器是電機運行時的能量供給者，是連接電機繞組和電源的功率開關器件，其對電機正常高效運行起著重要作用，目前功率變換器件有著多種拓撲結構，但每種拓撲結構都包含兩個部分:功率開關部分以及續流及回流部分。相比於其他直流電機，開關磁阻電機的工作電流要大，故傳統的開關磁阻功率變換器在回流及續流過程中，由於在大電流的工作狀態下回流管及續流管存在較大的工作損耗，並產生大量的熱積累，造成電機控制系統由於產生過多的熱量無法散去而造成系統的過熱，容易造成在某些極限情況下功率管的熱擊穿，對整個電機系統的穩定性存在一定的隱患和影響。為解決回流管和續流管的損耗大溫度高的問題，目前已出現開關磁阻電機續流管運用同步整流技術進行改造的成功案例，即利用功率管的溝道電阻替代二極體進行續流，利用較低的溝道阻值降低續流損耗、降低工作溫度；但對於回流功率管的同步整流技術由於存在回流狀態下電流歸零時間無法定量計算而在具體應用上仍有障礙。
[0004]圖3所示為無霍爾電流傳感器的開關磁阻電機系統在回流階段電機繞組內電流的回流路線，本系統採用採樣電阻採樣繞組電流，從圖3可以看出，在回流階段，繞組中電流經回流功率管、電源、續流功率管和繞組形成迴路,此時系統的電流採樣電路並不能夠檢測到繞組中的電流信息，故對於微處理器而言無法合理控制的回流管的開關。

【發明內容】

[0005]本發明針對在基於採樣電阻的電流採樣方式下開關磁阻電機同步整流技術的回流功率管關斷時間難以定量計算的問題，提出了一種方案，能夠對回流階段電流歸零點進行定量計算，從而準確判定回流功率管的關斷時刻。
[0006]為解決上述技術問題，本發明提供一種基於同步整流技術的開關磁阻電機控制器的低成本回流管控制電路，包括:32位的微處理器1、電流採樣電路3、採樣放大電路4、位置信號傳感器5、功率變換器2 ;其中微處理器I內置回流時間模塊13，電流採樣電路3採用採樣電阻Rl，測量電機各相電流後輸入到電流採樣放大電路4，經放大後輸入到微處理器I的模數轉換ADC模塊12 ;位置信號傳感器5測量電機轉子位置，以及利用位置信號計算當前電機轉速，並把位置信息輸入到微處理器I輸入輸出模塊；微處理器I根據電機電流和電機位置控制功率變換器2的狀態。
[0007]微處理器I包括通用輸入輸出GPIO模塊11、ADC模塊12，回流時間表13 ；GP10模塊11接收來自位置傳感器5的電機轉子位置信號，分別向功率變換器2的上開關功率管Tl、下開關功率管T2、續流功率管T3和回流功率管T4輸出驅動控制信號；ADC模塊12接收來自電流放大電路4輸出的模擬電流信號，回流時間表13在回流時刻,計算回流時間大小用於GPIO模塊12控制回流功率管T4。
[0008]功率變換器包括上開關功率管Tl、下開關功率管T2、續流功率管T3和回流功率管T4。上開關功率管Tl受微處理器GPIO模塊11輸出的上開關功率管驅動控制信號控制，下開關功率管T2受微處理器GPIO模塊11輸出的下開關功率管驅動控制信號控制，續流功率管T3受微處理器GPIO模塊11輸出的續流功率管驅動控制信號控制，回流功率管T4受微處理器GPIO模塊11輸出的回流功率管驅動控制信號控制。
[0009]電流採樣電路3包括第一電阻R1，其為高精度低溫度係數的採樣電阻，該電阻與由功率變換器2的下開關功率管T2的源極和地分別連接。
[0010]電流放大處理電路4包括第二電阻R2、第三電阻R3和第一運算放大器41 ;第一運算放大器41的正端與電流採樣電路3中的第一電阻Rl的一端及下開關管T2的源端相連，第一運算放大器41的負端與第二電阻R2和第三電阻R3的連接點相連，第二電阻R2的另一端與地相連，第一運算放大器41的輸出端與第三電阻R3的另一端相連後形成米樣放大信號，並向微處理器I輸出。
[0011]上述電路結構中的關鍵在於兩點:
第一點，微處理器內置了回流時刻電機轉速、繞組峰值電流和對應回流時間的回流時間表，其輸入變量為轉速和電流，輸出變量為回流時間。該表內置於處理器內存中，在換相回流時刻，通過電機轉速和繞組峰值電流查找該表得到回流時間，該時間作為回流功率管的導通時間，用於微處理器GPIO管腳對回流功率管的控制。該回流時間表通過大量實測得到。
[0012]第二點，電流採樣電路中的採樣電阻的位置在於其串聯在下開關功率管源極和地的迴路中，使得其在電機工作於勵磁和續流時可以通過流經其上的電流在其自身兩端形成的電壓來反映繞組電流的大小。
[0013]為解決上述技術問題，本發明還提供一種基於採樣電阻的電流採樣方式下定量計算回流時間的方法。
[0014]該方法包括如下步驟:回流功率管T4的驅動控制信號常態為關斷狀態，電機根據繞組中電流和轉子位置信息控制功率變換器2的上開關功率管Tl、下開關功率管T2和續流功率管T3的工作狀態；當電機根據轉子位置信息檢測到當前操作為換相時，微處理器GPIO模塊11關斷上開關功率管Tl、下開關功率管T2的驅動控制信號，經過一段時間死區延遲後，微處理器GPIO模塊11打開回流管T4的驅動控制信號，在這段死區延遲內，微處理器ADC模塊12採樣繞組電流和轉速，並通過回流時間表13查找計算出回流時間大小，並以此作為微處理器GPIO模塊11控制回流功率管T4關斷的時間依據，當回流時間結束後，微處理器GPIO模塊11關斷回流功率管T4的驅動控制控制信號，回流功率管T4關斷。
[0015]該方法的關鍵在於利用微處理器內置回流時刻電機轉速、繞組峰值呈一定關係的回流時間表，該回流時間表輸入信號為換相回流時刻電機轉速和繞組峰值電流，輸出信號為回流時間大小。在各種情況下，通過測試出回流時間、電機轉速和電機峰值電流大小等多組數據，得到回流時間和電機轉子位置、電機峰值電流的回流時間表，處理器內置該回流時間表。在回流功率管同步整流的實現過程中，在換相回流開始時刻，對電機轉速、電機繞組電流進行的測試，並以此作為輸入變量通過查找回流時間表得到回流時間，並以此時間作為回流管驅動信號控制回流功率管T4的開通時間。
[0016]該方法可以使得上文所述基於同步整流技術的開關磁阻電機控制器的低成本回流管控制電路完整實現勵磁、續流和回流三種狀態下的正常切換，且具有成本低廉性能可靠的優點。
[0017]本發明提出的基於同步整流技術的開關磁阻電機控制器的低成本回流管控制電路和方法，通過對各種狀態下換相時刻電機繞組電流、轉速和回流時間的採集，通過對大量數據測試後得到回流時間表。微處理器內置該回流時間表，通過對換相回流開始時刻電機轉速和繞組峰值電流的採樣，查找回流時間表得到該次回流時間的大小，此回流時間作為微處理器控制回流MOS管開通時間；在無霍爾電流傳感器的情況下，解決了開關磁阻電機回流時間難以定量計算的問題，實現了對基於同步整流技術的開關磁阻電機控制器回流管的控制。提高了系統的可靠性及穩定性，控制電路簡單，實用性強，成本低廉。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]現在將描述如本發明的優選但非限制性的實施例，本發明的這些和其他特徵、方面和優點在參考附圖閱讀如下詳細描述時將變得顯而易見，其中:
圖1是開關磁阻電機系統結構框圖；
圖2是開關磁阻電機基於同步整流原理功率變換器的原理框圖；
圖3是開關磁阻電機在回流階段繞組中電流流向圖；
圖4是同步整流型功率變換器的工作模式及損耗對比圖；
圖5是處理器內置回流時間表示意圖。
【具體實施方式】
[0019]下面將參照附圖對本發明進行描述。
[0020]一種基於同步整流技術的開關磁阻電機控制器的低成本回流管控制電路，包括微處理器、基於採樣電阻的電流採樣電路、電流放大電路、位置信號傳感器、同步整流功率變換器。圖1為包括本發明電路在內，加上直流電源和開關磁阻電機的整體應用框圖，其中直流電源可以是+12V?+510V輸出範圍，開關磁阻電機可以是兩相及兩相以上相數，每相均由一路功率變換器驅動，一路電流採樣電路和採樣放大電路進行電流採樣，各相電流採樣信號共用微處理器進行處理，電機根據相數輸出一組位置信號。功率變換器中所用功率管為金屬-氧化物-半導體MOS電晶體。
[0021]圖2為以其中一相功率變換器、電流採樣電路和採樣放大電路，以及共用電路的詳細電路結構圖，具體各電路部分包括:32位的微處理器1、電流採樣電路3、採樣放大電路4、位置信號傳感器5、功率變換器2 ;其中微處理器I內置回流時間模塊13，電流採樣電路3採用採樣電阻Rl，測量電機各相電流後輸入到電流採樣放大電路4，經放大後輸入到微處理器I的ADC模塊12 ;位置信號傳感器5測量電機轉子位置，以及利用位置信號計算當前電機轉速，並把位置信息輸入到微處理器I輸入輸出模塊；微處理器I根據電機電流和電機位置控制功率變換器2的狀態。
[0022]微處理器I包括GPIO模塊11、ADC模塊12，回流時間表模塊13 ；GP10模塊11接收來自位置傳感器5的電機轉子位置信號，分別向功率變換器2的上開關MOS管Tl、下開關MOS管T2、續流MOS管T3和回流MOS管T4輸出驅動控制信號；微處理器ADC模塊12接收來自電流放大電路4輸出的模擬電流信號，回流時間表模塊13在回流時刻，計算回流時間大小用於微處理器GPIO模塊12控制回流MOS管T4。
[0023]功率變換器包括上開關MOS管Tl、下開關MOS管T2、續流MOS管T3和回流MOS管T4。上開關MOS管Tl受微處理器GPIO模塊11輸出的上開關MOS管驅動控制信號控制，下開關MOS管T2受微處理器GPIO模塊11輸出的下開關MOS管驅動控制信號控制，續流MOS管T3受微處理器GPIO模塊11輸出的續流管驅動控制信號控制，回流MOS管T4受微處理器GPIO模塊11輸出的回流管驅動控制信號控制。
[0024]電流採樣電路3包括第一電阻R1，該電阻採用高精度低溫度係數的康銅絲，該電阻與由功率變換器2的下開關MOS管T2的源極和地分別連接。
[0025]電流放大處理電路4包括第二電阻R2、第三電阻R3和第一運算放大器41 ;第一運算放大器41的正端與電流採樣電路3中的第一電阻Rl的一端及下開關MOS管T2的源端相連，第一運算放大器41的負端與第二電阻R2和第三電阻R3的連接點相連，第二電阻R2的另一端與地相連，第一運算放大器41的輸出端與第三電阻R3的另一端相連後形成採樣放大信號，並向微處理器I輸出。
[0026]圖3所示為開關磁阻電機在回流階段繞組中電流流向圖，從圖中可以看出，該時刻的回流電流並未從採樣電阻流過，因此無法直接測量其電流大小並判斷是否需要改變功率變換器中功率管的開關狀態。
[0027]基於這樣的情況，結合圖2所示電路，採用本發明所提出的工作方法。其工作過程描述如下:
首先，當直流電源通電後向功率變換器輸出電源，但仍未啟動電機時，微處理器GPIO模塊首先將回流MOS管柵極驅動控制信號置為低電平關斷，將上開關MOS管驅動信號置為低電平關斷MOS管，將下開關MOS管驅動控制信號置為低電平關斷，將續流MOS管驅動控制信號置為低電平關斷，此時電機中無電流通過，處於靜止狀態。
[0028]其次開始控制電機啟動運行，此時微處理器根據位置傳感器信號確定當前開通相，開通狀態時，微處理器首先通過GPIO模塊分別將回流MOS管驅動信號和續流MOS管的驅動信號置為低電平，使回流MOS管和續流MOS管關斷，經過數十微秒延遲將下開關管驅動信號置為高電位，從而使下開關管導通；然後再將輸入到上開關MOS管的驅動控制信號置為高電位，從而使電機勵磁工作，此時回流管和續流管處在關斷狀態。
[0029]接下來進入換相回流工作階段；微處理器根據位置信號及電流信號控制功率變換器的狀態；當處於換相回流工作狀態中時，微處理器將輸入到上開關MOS管和下開關MOS管的驅動控制信號置為低電平關斷，此時回流MOS管處於關斷狀態，續流MOS管的工作狀態維持不變，在上開關MOS管和下開關MOS管關斷瞬間，繞組中電流通過回流MOS管的寄生體二極體進行回流；經過數十微秒的死區延遲，微處理器GPIO模塊將回流管的驅動控制信號置為高電平打開回流MOS管的溝道，輸入輸出模塊同時置高續流管驅動控制信號開通續流管溝道電阻，此後繞組電流通過回流MOS管的溝道電阻進行回流；在死區延遲時間裡，微處理器ADC模塊採樣關斷時刻繞組中電流大小，微處理器GPIO模塊採樣電機轉子位置信息計算當前電機轉速，微處理器通過當前電機繞組中電流大小和轉速通過查找內置回流時間表獲得回流時間；該時間作為回流管導通時間，經過查找得到的回流時間值大小時間後，微處理器GPIO模塊將回流MOS管和續流MOS管的驅動控制信號置為低電平關斷，實現一次換相回流操作。
[0030]圖4所示為本發明所述電路中的功率變換器中各功率管的驅動波形及繞組電流波形，其中續流MOS管、上開關MOS管、下開關MOS管和回流MOS管分別代表相應的驅動信號波形，從中可以看出，當上開關MOS管和下開關MOS管關斷後經過一段時間延遲，該延遲即為避免電源和地直通所插入的死區時間，在該死區時間裡，繞組中電流通過MOS管漏-源端中的寄生體二極體回流，故此時回流MOS管源漏兩端導通電壓為寄生體二極體的正嚮導通電壓，在死區時間內微處理器獲得回流時間，當死區時間結束後，回流MOS管和續流MOS管打開，繞組中電流通過溝道電阻進行續流，體現在續流MOS管源漏電壓即使溝道電阻所造成的壓降。當回流時間結束後，微處理器GPIO模塊將續流MOS管和回流MOS管的驅動控制信號置為低電平關斷，一次換相回流過程結束。對比普通二極體回流過程，由於二極體的正嚮導通電壓，在回流過程中二極體兩端電壓要大於回流MOS管源極-漏極兩端電壓。故同步整流型回流管的損耗要遠低於二極體回流模式。
[0031]圖5所示為處理器內置回流時間表，系統通過實測得到該回流時間表，該表輸入變量為轉速(rpm)和電流(I)，輸出變量為回流時間(us)，在換相回流時刻，通過微處理器採樣當前電機轉速、繞組電流大小，以此作為輸入變量查找回流時間表得到換相回流時間，該回流時間作為微處理器GPIO控制回流MOS管開通時間，如圖5中表所示。該圖表僅作示意用，其表中數據不具有實際意義。
[0032]以上所述僅為本發明的較佳實施方式，本發明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發明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】
1.一種基於同步整流技術的開關磁阻電機控制器的低成本回流管控制電路，所述電路包括內置回流時間計算模塊的32位微處理器(I);同步整流回流管功率變換器(2)，電阻採樣的電流採樣電路(3)，電流放大電路(4)，位置信號傳感器(5)，其特徵在於:其中電流採樣電路(3)採用電阻採樣(Rl )，其採樣電機相繞組電流並輸出到電流放大電路(4)放大後輸入到微處理器(I)中，微處理器(I)根據電流等信息控制功率變換器(2)的狀態；位置信號傳感器(5)用於採樣電機轉子位置信息並輸入到微處理器(I)中，微處理器(I)根據輸入的位置信息控制功率變換器(2)的狀態，以及利用位置信號計算當前電機的轉速；在換相回流時刻，繞組中電流大小和電機轉速作為輸入變量輸入到處理器回流時間計算模塊當中，通過查找內置回流時間表計算出回流時間大小；同步整流回流管功率變換器(2)是電機的能量轉換器件。
2.如權利要求1所述的基於同步整流技術的開關磁阻電機控制器的低成本回流管控制電路，其特徵在於:所述32位微處理器(I)包括通用輸入輸出模塊GPIO模塊(11)，該模塊用於採樣位置傳感器(5)輸出的位置信號，以及用於控制上開關功率管(Tl)、下功率開關管(T2)、續流功率管(T3)和回流功率管(T4)的工作狀態；還包括模數轉換(ADC)模塊(12)，用於微處理器採樣電流放大電路⑷輸出的信號；還包括內置回流時間表(13)，該模塊在換相時根據繞組電流和電機的轉速，通過查找回流時間表(13)計算出回流時間用於GPIO模塊(11)控制回流功率管(T4);所述功率變換器(2)包括上開關功率管(Tl)、下開關功率管(T2)和續流功率管(T3)、回流功率管(T4);上開關功率管(Tl)的柵極接入由微處理器GPIO模塊(11)輸出的上開關功率管驅動控制信號；下開關功率管(T2)的柵極接受來自微處理器GPIO模塊(11)輸出的下開關功率管驅動控制信號；續流功率管(T3 )的柵極接受來自微處理器GPIO模塊(11)輸出的續流功率管驅動信號；回流功率管(T4)的柵極接受來自微處理器GPIO模塊(11)輸出的回流功率管驅動信號；電流採樣電路(3)接收來功率變換器(2 )中米樣電阻兩端的電壓信號並輸出到米樣放大電路(4 )中；米樣放大電路(4 )輸出放大後的信號到微處理器ADC模塊(12)中；位置信號傳感器(5)採樣電機位置信號並輸出信號至微處理器GPIO模塊(11)。
3.—種控制如權利要求1或2所述的基於同步整流技術的開關磁阻電機控制器的低成本回流管控制電路的方法，其特徵在於:回流功率管(T4)的驅動控制信號由微處理器GPIO模塊(11)直接控制，該方法包括如下步驟:在開關磁阻電機不換相時，回流功率管(T4)的驅動控制信號一直為低電平關斷；在運行換相時刻，微處理器(I)關斷上開關功率管(Tl)、下開關功率管(T2);經過一個時間延遲後開通回流功率管(T4)和續流功率管(T3)，在此時間延遲裡利用微處理器ADC模塊(12)以及GPIO模塊(11)分別對關斷時刻電機繞組電流和電機轉子位置信號進行採樣，並通過位置信號計算當前電機轉速；通過採樣的關斷時刻繞組電流和電機轉速作為輸入變量，通過處理器內置回流時間查找表(13)得到回流時間大小，微處理器(I)根據此回流時間大小作為微處理器GPIO模塊(11)控制回流功率管(T4)和續流功率管(T3)關斷的時間依據。
【文檔編號】H02P6/00GK103560720SQ201310586564
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月19日 優先權日:2013年11月19日
【發明者】鍾銳, 趙榮渟, 刁龍, 屈嚴, 孫偉鋒 申請人:東南大學