專利名稱：三相全橋電路功率開關(guān)器件分頻錯(cuò)相斬波控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三相全橋電路功率開關(guān)器件分頻錯(cuò)相斬波控制方法，用于三相全橋開關(guān)電路領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
三相全橋開關(guān)電路廣泛用于作為各種負(fù)載電源和控制電路。稀土永磁無(wú)刷直流電機(jī)就是應(yīng)用三相全橋開關(guān)電路控制。稀土永磁無(wú)刷直流電機(jī)中線圈電流的通斷一般是由控制器中的功率開關(guān)器件控制。但當(dāng)線圈電流達(dá)到一定大小時(shí)，電流的繼續(xù)增大會(huì)超過(guò)功率開關(guān)器件的安全容量。尤其在低壓大功率的場(chǎng)合，線圈電流增加的速度會(huì)很快，此時(shí)必須關(guān)斷功率開關(guān)器件，以減小流過(guò)功率開關(guān)器件的電流，在電流減小到一定值時(shí)，再接通功率開關(guān)器件。
功率開關(guān)器件的接通與關(guān)斷采用的是斬波控制方法，其常規(guī)的關(guān)斷方式一般有硬關(guān)斷及軟關(guān)斷兩種?，F(xiàn)以三相Y形無(wú)刷直流電機(jī)及三相全橋控制器為例說(shuō)明，圖1是電機(jī)及三相全橋功率開關(guān)電路原理，采用兩相通電方式，以A、B相通電說(shuō)明如圖1在電機(jī)的A、B相通電時(shí)，電流回路為電源正極→功率管Q1→線圈A→線圈B→功率管Q5→電源負(fù)極?，F(xiàn)有的功率開關(guān)器件的斬波控制方式主要有以下幾種(1)硬關(guān)斷方式即將功率開關(guān)器件Q1、Q5都關(guān)斷，線圈電流通過(guò)功率開關(guān)器件Q1、Q5的續(xù)流二極管向電源回饋能量，線圈兩端的電壓極性相反，由于線圈電流在反向電壓的作用下會(huì)很快衰減，因此硬關(guān)斷方式控制快速。
(2)軟關(guān)斷方式一即將功率開關(guān)器件Q1關(guān)斷、Q5保持導(dǎo)通，線圈電流通過(guò)功率開關(guān)器件的續(xù)流二極管續(xù)流，線圈兩端電壓等于0，在反電勢(shì)的作用下線圈電流減小，但線圈電流衰減的速度比硬關(guān)斷方式要緩慢。
(3)軟關(guān)斷方式二即將功率開關(guān)器件Q5關(guān)斷、Q1保持導(dǎo)通，線圈電流通過(guò)功率開關(guān)器件的續(xù)流二極管續(xù)流，線圈兩端電壓等于0，在反電勢(shì)的作用下線圈電流減小，但線圈電流衰減的速度比硬關(guān)斷方式要緩慢。
以上幾種控制方式可以保證功率開關(guān)器件的斬波控制，但在電機(jī)線圈電流上升快、且電流較大的場(chǎng)合下，不論采用何種控制方式，功率開關(guān)器件的斬波頻率是固定的，設(shè)計(jì)中會(huì)有以下矛盾若功率開關(guān)器件的斬波頻率低，則線圈電流會(huì)上升到很高，功率開關(guān)器件難以匹配，容易損壞，同時(shí)線圈電流波動(dòng)大，造成電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大；若功率開關(guān)器件的斬波頻率高，則功率開關(guān)器件的開關(guān)應(yīng)力及開關(guān)損耗大，還會(huì)影響功率開關(guān)器件的使用壽命。
在功率開關(guān)器件的斬波控制方式中，國(guó)內(nèi)均采用的是上文中論述的控制方式。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是給出一種三相全橋電路功率開關(guān)器件分頻錯(cuò)相斬波控制方法，在保證三相全橋電路輸出高斬波頻率的情況下，三相全橋電路中的功率開關(guān)器件的斬波頻率只有其一半。
本發(fā)明技術(shù)方案為解決線圈需要高斬波頻率，功率開關(guān)器件需要低斬波頻率的矛盾要求，設(shè)計(jì)分頻錯(cuò)相的斬波控制，在保證線圈高斬波頻率的基礎(chǔ)上，將功率開關(guān)器件的斬波頻率降至線圈斬波頻率的一半。電路包括三相全橋功率開關(guān)電路及其主控制器，控制步驟是A.主控制器產(chǎn)生斬波控制波形PWM，頻率為f，占空比是a/(a+b)；B.將波形PWM經(jīng)過(guò)分頻錯(cuò)相后輸出兩路斬波控制波形PWML和PWMH，斬波控制波形PWML和PWMH的頻率為f/2，占空比是(2a+b)/2(a+b)；兩路波形相位相差90度電角度；C.根據(jù)主控制器檢測(cè)電機(jī)狀態(tài)發(fā)出的位置信號(hào)，確定斬波控制波形PWML和PWMH的控制對(duì)象，即三相全橋電路中兩個(gè)功率開關(guān)器件，用波形PWML控制一橋臂的功率開關(guān)器件的上管，用波形PWMH控制另一對(duì)應(yīng)橋臂的功率開關(guān)器件的下管；D.同理，根據(jù)主控制器的電機(jī)狀態(tài)位置信號(hào)，按C步驟循環(huán)控制三相全橋電路中各個(gè)功率開關(guān)器件的工作狀態(tài)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)該控制方式有兩點(diǎn)好處一是單個(gè)功率開關(guān)的斬波頻率只有線圈電流斬波頻率的一半，降低了功率開關(guān)斬波頻率，降低了功率開關(guān)的應(yīng)力水平和開關(guān)損耗，并且同一回路中控制線圈的兩個(gè)功率開關(guān)器件輪流關(guān)斷，發(fā)熱及開關(guān)應(yīng)力較均衡。同時(shí)保證了線圈的高斬波頻率，使其電流及電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較小。二是當(dāng)上管(如圖1所示A、B相通電時(shí)的Q1)關(guān)斷而下管(如圖1所示A、B相通電時(shí)的Q5)未關(guān)斷時(shí)，為繞組提供了一個(gè)無(wú)源小衰減的自續(xù)流通道，較之將續(xù)流能量返回電源電容，繞組電流的波動(dòng)將減小，則電機(jī)的力矩波動(dòng)隨之減小。


圖1是負(fù)載是電機(jī)時(shí)三相全橋功率開關(guān)電路原理圖；圖2是本發(fā)明方法邏輯框圖；
圖3是分頻錯(cuò)相控制波形圖。
具體實(shí)施例方式
為解決負(fù)載及功率開關(guān)器件對(duì)斬波控制中斬波頻率的需求矛盾，設(shè)計(jì)分頻錯(cuò)相的斬波控制方法。
如圖1負(fù)載是電機(jī)時(shí)三相全橋功率開關(guān)電路原理圖包括由Q1～Q6組成的三相全橋功率開關(guān)電路及其主控制器；A、B、C是負(fù)載電機(jī)線圈及其檢測(cè)電路；直流供電電源BATERY及電容CAP1。
圖2是本發(fā)明方法邏輯框圖，其具體控制步驟是A.主控制器產(chǎn)生斬波控制波形PWM，頻率為f，占空比是a/(a+b)；B.將波形PWM經(jīng)過(guò)分頻錯(cuò)相后輸出兩路斬波控制波形PWML和PWMH，斬波控制波形PWML和PWMH的頻率為f/2，占空比是(2a+b)/2(a+b)；兩路波形相位相差90°電角度；C.主控制器根據(jù)位置傳感器檢測(cè)的電機(jī)狀態(tài)及位置信號(hào)，確定斬波控制波形PWML和PWMH的控制對(duì)象，即三相全橋電路中兩個(gè)功率開關(guān)器件，用波形PWML控制一橋臂的功率開關(guān)器件的上管，用波形PWMH控制另一對(duì)應(yīng)橋臂的功率開關(guān)器件的下管；D.同理，主控制器根據(jù)位置傳感器檢測(cè)的電機(jī)狀態(tài)及位置信號(hào)，按C步驟循環(huán)控制三相全橋電路中各個(gè)功率開關(guān)器件的工作狀態(tài)。
圖3是分頻錯(cuò)相控制邏輯圖現(xiàn)以圖1中A、B相通電為例說(shuō)明主控制器產(chǎn)生PWM斬波控制波形，見圖3中PWM波形，頻率為f，占空比是a/(a+b)。經(jīng)過(guò)分頻錯(cuò)相后輸出兩路斬波控制波形，見圖3中PWML、PWMH。圖3中PWML、PWMH的斬波頻率只有PWM的一半(f/2)，占空比是(2a+b)/2(a+b)。其中PWMH控制圖1所示的功率開關(guān)器件Q1，PWML控制圖1所示的功率開關(guān)器件Q5。這樣就保證了線圈電流的高斬波頻率f，同時(shí)功率開關(guān)器件Q1、Q5的斬波頻率只有其一半(f/2)。由于PWML與PWMH錯(cuò)90°電角度的相位。當(dāng)通路中上管及下管同時(shí)接通時(shí)，線圈才通電，這樣就保證了線圈的斬波頻率的同時(shí)，使功率開關(guān)器件的斬波頻率降低一半。
若功率開關(guān)器件的斬波頻率高，則開關(guān)的應(yīng)力及開關(guān)損耗大；若功率開關(guān)器件的斬波頻率低，則繞組的電流波動(dòng)大，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大。為解決這一矛盾，在本發(fā)明的斬波控制中，采用了兩路分頻錯(cuò)相的控制方式主控制器(MCU)根據(jù)電機(jī)狀態(tài)發(fā)出19.53kHz的PWM信號(hào)送至FPGA，F(xiàn)PGA對(duì)該信號(hào)分頻錯(cuò)相，產(chǎn)生9.765kHz的兩路PWM信號(hào)，根據(jù)位置信號(hào)，確定兩個(gè)功率開關(guān)器件(一相上管及另一相下管)的工作狀態(tài)，其中一路控制上管，另一路控制下管，兩路PWM信號(hào)互錯(cuò)90°相位，輪流關(guān)斷，上下管均開通時(shí)則對(duì)電機(jī)繞組供電，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。
以圖1為例，電機(jī)工作方式為三相六狀態(tài)說(shuō)明若此時(shí)電機(jī)的A、B相繞組通電，Q1、Q5斬波控制，Q1、Q5同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，電源對(duì)電機(jī)A、B相繞組供電，Q1關(guān)斷時(shí)，功率開關(guān)器件處于硬關(guān)斷方式；Q5關(guān)斷時(shí)，功率開關(guān)器件處于軟關(guān)斷方式。MCU輸出PWM控制波形，經(jīng)過(guò)FPGA分頻錯(cuò)相產(chǎn)生兩路PWM波形PWMH及PWML，PWMH控制Q1、PWML控制Q5。電流通路為電源正極→Q1→A相繞組→B相繞組→Q5→電源負(fù)極。采用分頻錯(cuò)相控制方式后可以看出在電機(jī)A、B相繞組工作時(shí)，保證繞組較高的斬波頻率的同時(shí)，還能保證Q1、Q5只有繞組一半的斬波頻率本發(fā)明的核心利用兩路分頻錯(cuò)相的控制信號(hào)，分別控制橋式開關(guān)電路中各組對(duì)應(yīng)上、下管的導(dǎo)通關(guān)斷關(guān)系，因此，凡是采用了兩路分頻錯(cuò)相的控制波形，控制橋式開關(guān)電路工作狀態(tài)的，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種三相全橋電路功率開關(guān)器件分頻錯(cuò)相斬波控制方法，包括三相全橋功率開關(guān)電路及其主控制器，其特征在于控制步驟是A.主控制器產(chǎn)生斬波控制波形PWM，頻率為f，占空比是a/(a+b)；B.將波形PWM經(jīng)過(guò)分頻錯(cuò)相后輸出兩路斬波控制波形PWML和PWMH，斬波控制波形PWML和PWMH的頻率為f/2，占空比是(2a+b)/2(a+b)；兩路波形相位相差90度電角度；C.根據(jù)主控制器檢測(cè)電機(jī)狀態(tài)發(fā)出的位置信號(hào)，確定斬波控制波形PWML和PWMH的控制對(duì)象，即三相全橋電路中兩個(gè)功率開關(guān)器件，用波形PWML控制一橋臂的功率開關(guān)器件的上管，用波形PWMH控制另一對(duì)應(yīng)橋臂的功率開關(guān)器件的下管；D.同理，根據(jù)主控制器的電機(jī)狀態(tài)位置信號(hào)，按C步驟循環(huán)控制三相全橋電路中各個(gè)功率開關(guān)器件的工作狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明給出一種三相全橋電路功率開關(guān)器件分頻錯(cuò)相斬波控制方法，電路包括三相全橋功率開關(guān)電路及其主控制器，控制步驟是A.主控制器產(chǎn)生斬波控制波形PWM，頻率為f，占空比是a/(a+b)；B.將波形PWM經(jīng)過(guò)分頻錯(cuò)相后輸出兩路斬波控制波形PWML和PWMH，斬波控制波形PWML和PWMH的頻率為f/2，占空比是(2a+b)/2(a+b)；兩路波形相位相差90度電角度；C.根據(jù)主控制器檢測(cè)電機(jī)狀態(tài)發(fā)出的位置信號(hào)，確定斬波控制波形PWML和PWMH的控制對(duì)象，即三相全橋電路中兩個(gè)功率開關(guān)器件，用波形PWML控制一橋臂的功率開關(guān)器件的上管，用波形PWMH控制另一對(duì)應(yīng)橋臂的功率開關(guān)器件的下管；D.同理，根據(jù)主控制器的電機(jī)狀態(tài)位置信號(hào)，按C步驟循環(huán)控制三相全橋電路中各個(gè)功率開關(guān)器件的工作狀態(tài)。
文檔編號(hào)H02P6/08GK1885705SQ20061001958
公開日2006年12月27日 申請(qǐng)日期2006年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月10日
發(fā)明者蘇毅 申請(qǐng)人:東風(fēng)汽車有限公司