一種適用于超高速永磁同步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種適用于超高速永磁同步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器由功率電路、控制電路和通訊電路組成，其特征包括：在功率輸入端通過(guò)BUCK變換器（3）和無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)（2）相結(jié)合給電機(jī)提供平直的供電電壓，并消除開(kāi)關(guān)應(yīng)力；兼容HALL傳感器位置檢測(cè)和反電勢(shì)法位置檢測(cè)；反電勢(shì)法啟動(dòng)階段具有電阻限流功能；采用檢測(cè)位置信號(hào)低電平持續(xù)時(shí)間法計(jì)算轉(zhuǎn)速。該驅(qū)動(dòng)器對(duì)于減小超高速永磁同步電機(jī)（轉(zhuǎn)速大于50000rpm）定轉(zhuǎn)子渦流損耗具有明顯效果。
【專利說(shuō)明】—種適用于超高速永磁同步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及超高速電機(jī)控制領(lǐng)域(轉(zhuǎn)速大于50000rpm),具體涉及中小功率超高速永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。
【背景技術(shù)】
[0002]在超高速永磁電機(jī)中，渦流損耗是電機(jī)損耗的重要成分，對(duì)于定子渦流損耗可以采用減小硅鋼片厚度，加水冷等措施，但是對(duì)于轉(zhuǎn)子渦流損耗，卻沒(méi)有理想的應(yīng)對(duì)方式，且轉(zhuǎn)子處于電機(jī)本體內(nèi)部，散熱條件差，極易造成熱量累積導(dǎo)致磁鋼發(fā)熱甚至退磁。
[0003]目前大多數(shù)超高速永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)器都是采用SPWM或SVPWM方式控制，對(duì)于中低速電機(jī)，其控制效果比較理想，但是由于超高速電機(jī)本體線間電感極低，很多在IOOuH以內(nèi)，功率開(kāi)關(guān)器件斬波引起的電流波動(dòng)非常明顯，因而需要極大提高功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率才可以輸出比較理想的正弦電流，理想開(kāi)關(guān)頻率需達(dá)到200kHz以上(De S，Rajne M,Poosapati S， et al.Low-1nductance axial flux BLDC motor drive for more electricaircraft[J].1ET Power Electronics, 2012, 5(1): 124-133),但是大多數(shù)情況下，目前市場(chǎng)上的功率開(kāi)關(guān)器件包括M0SFET，IGBT等，無(wú)法同時(shí)達(dá)到開(kāi)關(guān)頻率和功率要求，因此目前市場(chǎng)上的超高速永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器模擬出的正弦波電流含有極大的高頻諧波成分(如圖4)，而這些高頻諧波則是引起轉(zhuǎn)子渦流損耗的主要原因。在超高速永磁電機(jī)控制領(lǐng)域普遍面臨以下幾個(gè)問(wèn)題:1、如何在直接斬波不能輸出理想正弦電流的情況下，盡可能減小電流諧波引起的轉(zhuǎn)子渦流損耗；2、在驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)中也有少數(shù)運(yùn)用前置BUCK電路調(diào)壓方式的，但是單純?cè)诠β书_(kāi)關(guān)處斬波又引起斬波處對(duì)電源嚴(yán)重的高頻干擾且斬波損耗造成效率低下；3、目前超高速電機(jī)反電勢(shì)法啟動(dòng)時(shí)普遍采用三段式啟動(dòng),如何使電機(jī)順利啟動(dòng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實(shí)用新型解決的技術(shù)問(wèn)題是:本實(shí)用新型提供了一種低干擾、低電流波動(dòng)的控制策略，可以明顯減小由轉(zhuǎn)子渦流損耗引起的轉(zhuǎn)子溫升；采用軟開(kāi)關(guān)消除BUCK變換器斬波處的開(kāi)關(guān)應(yīng)力；超高速電機(jī)反電勢(shì)法啟動(dòng)時(shí)無(wú)法保證一定啟動(dòng)成功，本實(shí)用新型加入啟動(dòng)限流電阻模塊可以保證電機(jī)在供電相序存在偏差時(shí)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器不被損壞。
[0005]本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是:本實(shí)用新型采用了前置無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)BUCK電路，在逆變器前級(jí)進(jìn)行斬波調(diào)壓以代替目前普遍的直接在逆變器處斬波的方式；本實(shí)用新型可以采用反電勢(shì)法控制，在啟動(dòng)階段采用三段式啟動(dòng)，由于電機(jī)內(nèi)阻和電感極小，為了保證啟動(dòng)時(shí)的安全，在母線上串聯(lián)電阻以限制啟動(dòng)電流，電機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速時(shí)通過(guò)功率開(kāi)關(guān)管將電阻短路掉；本實(shí)用新型設(shè)計(jì)了兩種轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方式，對(duì)于內(nèi)置Hall傳感器的電機(jī)可以采用Hall傳感器方式控制，對(duì)于未放置位置檢測(cè)元件的電機(jī)可以采用反電勢(shì)法控制，兩者通過(guò)一個(gè)3X3端子進(jìn)行選擇；本實(shí)用新型中速度計(jì)算采用檢測(cè)低電平時(shí)間法，檢測(cè)三相控制信號(hào)中的任意一路信號(hào)的低電平持續(xù)時(shí)間實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)PID功能。
[0006]本實(shí)用新型與現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)器相比，優(yōu)點(diǎn)在于:驅(qū)動(dòng)器輸出電壓為穩(wěn)定的方波，相比斬波后輸入模擬正弦電流的SPWM方式和SVPWM控制方式，電流波形相對(duì)比較平穩(wěn)，無(wú)高頻雜波(如圖5)，可以有效降低電機(jī)定轉(zhuǎn)子上的渦流損耗，明顯減少超高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)熱，將軟開(kāi)關(guān)與BUCK變換器結(jié)合并置于三相逆變橋前端，配合PWM變頻控制模塊的控制，可以順利實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器對(duì)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，并且減小了功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)應(yīng)力，提高驅(qū)動(dòng)器效率和功率開(kāi)關(guān)管的使用壽命；本實(shí)用新型為了保證反電勢(shì)法安全啟動(dòng)，采用串接電阻法限制啟動(dòng)電流，可以保證反電勢(shì)法三段式啟動(dòng)時(shí)即使相序存在偏差也不會(huì)損傷電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器；本實(shí)用新型采用3X3控制信號(hào)選擇端子(如圖3)，將反電勢(shì)信號(hào)Sa、Sb、Sc和Hall信號(hào)Ha、Hb、He通過(guò)三個(gè)芯片接口即可輸入到單片機(jī)，無(wú)需用六個(gè)接口，節(jié)約芯片接口資源。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0007]圖1為本實(shí)用新型的超高速永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)框圖。
[0008]圖2為本實(shí)用新型的超高速永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器功率控制系統(tǒng)電路圖。
[0009]圖3為控制信號(hào)選擇端子圖。
[0010]圖4為SVPWM方式控制電機(jī)運(yùn)行時(shí)電流波形圖。
[0011]圖5為本實(shí)用新型控制電機(jī)運(yùn)行時(shí)電流波形圖。
[0012]圖中:1、限流電阻模塊，2、無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)，3、BUCK變換器，4、電流傳感器模塊，
5、逆變器，6、上位機(jī) ，7、JTAG模塊，8、PWM變頻控制模塊，9、CAN總線模塊，10、邏輯控制模塊，11、反電勢(shì)信號(hào)處理模塊，12、控制信號(hào)選擇端子。
【具體實(shí)施方式】
[0013]本實(shí)用新型采用前置軟開(kāi)關(guān)BUCK電路斬波方式調(diào)節(jié)母線電壓，功率控制回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2，輸入電壓Vi經(jīng)過(guò)BUCK變換器3以后，供給電機(jī)逆變器5穩(wěn)定的直流電壓No，功率開(kāi)關(guān)T作為BUCK變換器3的斬波開(kāi)關(guān)，電容13用于濾除Vi中的干擾，二極管14保證在換相死區(qū)時(shí)間內(nèi)不會(huì)由于電感LI中儲(chǔ)存的能量在C2兩端產(chǎn)生高于Vi的電壓。
[0014]BUCK變換器3中電感LI和電容C2構(gòu)成一個(gè)低通濾波器以獲得平直的輸出電流和電壓，其取值可按照以下經(jīng)驗(yàn)公式:
[0015]L =與(1- α)Τ (I)
[0016]C =-σ?τ: (2)
Lvv …」殳..?:* 1、
[0017]其中，Vq為輸出電壓，為設(shè)計(jì)要求的紋波電流，ΔΥ。為設(shè)計(jì)要求的紋波電壓，
O為占空比，T為斬波周期，根據(jù)式(I) (2)，算出保證電流電壓波動(dòng)在預(yù)期范圍內(nèi)所需的LI和C2。
[0018]L2、D3、C3和D4接于T后構(gòu)成無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)2，該軟開(kāi)關(guān)電路無(wú)需外加輔助開(kāi)關(guān)管，無(wú)電阻性元件，可以有效減小開(kāi)關(guān)管T的開(kāi)關(guān)應(yīng)力，保證開(kāi)關(guān)管T零電流導(dǎo)通和關(guān)斷。其L2、C3的取值方式如下:
[0019](I) L2〈〈L1，保證L2取值遠(yuǎn)小于LI，其具體值可為L(zhǎng)I的0.1-0.01倍；
[0020](2 )諧振期間L2中峰值電流::C,
[0021]
【權(quán)利要求】
1.一種適用于超高速永磁同步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，其特征在于:無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)(2)與BUCK變換器(3 )結(jié)合后運(yùn)用于逆變器(5 )前端；限流電阻模塊(I)在采用反電勢(shì)控制法時(shí)配合三段式啟動(dòng)法，對(duì)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行限流保護(hù)，在轉(zhuǎn)速達(dá)到1000-3000rpm時(shí)通過(guò)功率開(kāi)關(guān)管Tl將電阻R短路；邏輯控制模塊(10)通過(guò)檢測(cè)Sa、Sb、Sc和Ha、Hb、Hc中任意一路低電平持續(xù)時(shí)間計(jì)算速度；控制信號(hào)選擇端子(12)進(jìn)行反電勢(shì)信號(hào)或Hall信號(hào)的選擇；PWM變頻控制模塊(8)通過(guò)固定開(kāi)關(guān)管T導(dǎo)通時(shí)間，改變斬波頻率的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)占空比的調(diào)節(jié)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于超高速永磁同步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，其特征在于:逆變器(5)前端電路由無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)(2)、反向二極管(14)和BUCK變換器(3)構(gòu)成，軟開(kāi)關(guān)(2)由T、D4、L2、D3和C3組成，其中T的右端、D4的右端、L2的左端和D3的上端相連，C3的上端和L2的右端相連；BUCK變換器(3)由T、L1、D1和C2共同構(gòu)成，Dl上端與LI左端相連，C2上端與LI右端相連，T和BUCK變換電路(3)之間通過(guò)軟開(kāi)關(guān)(2)連接；反向二極管(14)的左端與電源正極相連，右端與BUCK變換器(3)中LI的右端相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于超高速永磁同步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，其特征在于:限流電阻模塊(I)由電阻R和功率開(kāi)關(guān)管Tl并聯(lián)組成，開(kāi)關(guān)管Tl左端與電源負(fù)極相連，開(kāi)關(guān)管Tl右端與C1、C2、C3、D1、D3下端相連。
【文檔編號(hào)】H02P27/04GK203708167SQ201320880654
【公開(kāi)日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2013年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月30日
【發(fā)明者】張前 申請(qǐng)人:張前