專利名稱：無刷直流電動機控制系統(tǒng)及其逆變模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及三相直流電動機的控制技術(shù)，更具體地說，涉及用于控制 無刷直流電動機的逆變模塊、以及使用該逆變模塊的無刷直流電動機控制系
統(tǒng)；本實用新型的方案特別適用于對三相方波無刷永磁直流電動機的伺服控 制。
背景技術(shù)：
方波無刷永磁直流電動機是一種特殊的無刷直流電機，其相電流和氣隙磁 場近似為方波或梯形波。對于三相六狀態(tài)驅(qū)動的無刷直流永磁電動機，其每一 相繞組的正向?qū)ń菫?20° ，停60° ，然后再反向?qū)?20。，再停60° , 如此循環(huán)。其中，每一相繞組的電流是不連續(xù)的，這種電流不連續(xù)的特性，使 得電流閉環(huán)控制變得非常困難，因此，在傳統(tǒng)方波無刷直流永磁電動機控制系 統(tǒng)中，很少采用電流閉環(huán)控制。
現(xiàn)有技術(shù)中，對于三相方波無刷直流電動機，通常采用相電流瞬時值來實 現(xiàn)電流閉環(huán)控制。這種方案需要三個獨立的電流傳感器、以及三個獨立的電流 調(diào)節(jié)器，導(dǎo)致其控制電路累贅、復(fù)雜，且調(diào)整困難、可靠性差，所以在業(yè)界極 少被采用。現(xiàn)有技術(shù)中也有采用橋臂電流瞬時值來實現(xiàn)電流閉環(huán)控制的方案， 但這種電流采樣方案忽略了電動機繞組電感的續(xù)流作用，只是一種近似電流采 樣，由于續(xù)流電流在逆變電路和電動機繞組中形成內(nèi)環(huán)流，所以無法在橋臂(母 線)上得到采樣，也就無法準確反饋流經(jīng)電動機繞組并產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的真實電流， 進而無法實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的精確控制；可見，這種方案會產(chǎn)生不能容忍的大值偏差， 所以目前僅用于電流限定值的監(jiān)測使用。
另一方面，在高性能伺服控制系統(tǒng)中，電流閉環(huán)、速度閉環(huán)和位置閉環(huán)控 制通常都是必不可少的。而現(xiàn)有技術(shù)中又未能針對三相方波無刷直流電動機實
現(xiàn)良好的電流閉環(huán)控制，所以在現(xiàn)有的高性能伺服控制系統(tǒng)中，通常不釆用方 波無刷永磁直流電動機，而是采用交流伺服電動機或正弦波無刷永磁直流電動 機，其結(jié)果是控制系統(tǒng)復(fù)雜性大幅增高，且整體成本居高不下。
實用新型內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本實用新型要解決現(xiàn)有技術(shù)中未能針對三相方 波無刷直流電動機實現(xiàn)良好的電流閉環(huán)控制的問題，使方波無刷永磁直流電動 機可得到更好的應(yīng)用。
為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型首先提供一種用于控制無刷直流電動
機的逆變模塊，包括與上橋臂連接的開關(guān)管Ql、 Q3、 Q5，與下橋臂連接的開 關(guān)管關(guān)Q4、 Q6、 Q2，與所述各個開關(guān)管配合的續(xù)流二極管D1、 D2、 D3、 D4、 D5和D6;其中，所述開關(guān)管Q1、 Q3、 Q5的續(xù)流二極管D1、 D3、 D5的陰極獨 立于各自開關(guān)管的輸入端且相互并聯(lián)；所述開關(guān)管Q4、 Q6、 Q2的續(xù)流二極管 D4、 D6、 D2的陽極獨立于各自開關(guān)管的輸出端且相互并聯(lián)。
本實用新型中，可將上述用于控制無刷直流電動機的逆變模塊制成集成電 路芯片。具體實施時，還可僅將上橋臂的續(xù)流二極管D1、 D3、 D5的陰極獨立 于各自開關(guān)管的輸入端且相互并聯(lián)，形成第二種用于控制無刷直流電動機的逆 變模塊；或者僅將下橋臂的續(xù)流二極管D4、 D6、 D2的陽極獨立于各自開關(guān)管 的輸出端且相互并聯(lián)，形成第三種用于控制無刷直流電動機的逆變模塊。
另一方面，對應(yīng)于上述第一種用于控制無刷直流電動機的逆變模塊，本實 用新型提供一種無刷直流電動機控制系統(tǒng)，包括用于向所述三相電動機輸出工 作電源的逆變電路，以及用于檢測所述三相電動機工作電流的電流傳感器；所 述逆變電路中包括與上橋臂連接的開關(guān)管Ql、 Q3、 Q5，與下橋臂連接的開關(guān) 管關(guān)Q4、 Q6、 Q2，與所述各個開關(guān)管配合的續(xù)流二極管D1、 D2、 D3、 D4、 D5 和D6;其中，所述電流傳感器中包括三個匝數(shù)相同的采樣線圈L1、 L2、 L3， 三者繞制在同一鐵芯上，在所述鐵芯上還裝有一個根據(jù)該鐵芯的磁通變化而輸 出電流傳感結(jié)果的傳感元件；所述開關(guān)管Q1、 Q3、 Q5的續(xù)流二極管D1、 D3、
D5的陰極獨立于各自開關(guān)管的輸入端且相互并聯(lián)至所述釆樣線圈L2的同名 端，所述采樣線圈L2的異名端與所述上橋臂連接；所述開關(guān)管Q4、 Q6、 Q2 的續(xù)流二極管D4、 D6、 D2的陽極獨立于各自開關(guān)管的輸出端且相互并聯(lián)至所 述采樣線圈L3的異名端，所述采樣線圈L3的同名端與所述下橋臂連接；所述 采樣線圈Ll串接于所述上橋臂中且其同名端與直流電源正極連接，或串接于 所述下橋臂中且其異名端與直流電源負極連接。
本實用新型中，對應(yīng)于上述第二種用于控制無刷直流電動機的逆變模塊， 可只設(shè)置兩個采樣線圈L1、 L2，省略采樣線圈L3，得到第二種控制系統(tǒng)方案； 對應(yīng)于上述第二種用于控制無刷直流電動機的逆變模塊，可只設(shè)置兩個采樣線 圈L1、 L3，省略采樣線圈L2，得到第三種控制系統(tǒng)方案。
本實用新型的無刷直流電動機控制系統(tǒng)中，所述用于輸出電流傳感結(jié)果的 傳感元件是一個線性霍爾元件。
本實用新型的無刷直流電動機控制系統(tǒng)中，所述線性霍爾元件的輸出電壓 幅值作為電流反饋信號送到電流調(diào)節(jié)器，所述電流調(diào)節(jié)器的輸出送至脈沖調(diào)制 電路，所述脈沖調(diào)制電路的輸出送至換相邏輯電路，所述換相邏輯電路的輸出 再送至前置驅(qū)動電路，所述前置驅(qū)動電路再向所述逆變電路中的各個開關(guān)管的 控制端輸出相應(yīng)的驅(qū)動脈沖信號；所述逆變電路在所述驅(qū)動脈沖信號的控制下 向三相電動機輸出工作電源。
本實用新型的無刷直流電動機控制系統(tǒng)中，還包括裝于所述直流電動機的 轉(zhuǎn)軸上的位置傳感器，其輸出信號送至位置/速度接口電路，所述位置/速度接 口電路向速度調(diào)節(jié)器輸出速度反饋電壓，向位置調(diào)節(jié)器輸出位置反饋電壓，并 向所述換相邏輯電路輸出換向位置信號和電機方向信號；所述位置調(diào)節(jié)器根據(jù) 位置給定電壓和所述位置反饋電壓，向所述速度調(diào)節(jié)器輸出速度給定信號；所 述速度調(diào)節(jié)器根據(jù)所述速度給定信號和速度反饋電壓，向所述電流調(diào)節(jié)器輸出 電流給定信號；所述電流調(diào)節(jié)器根據(jù)所述電流給定信號和來自所述線性霍爾元 件的電流反饋信號，向所述脈沖調(diào)制電路輸出相應(yīng)的控制信號；所述換相邏輯 電路根據(jù)來自所述脈寬調(diào)制電路的脈沖信號、以及所述位置/速度接口的換向 位置信號和電機方向信號，向所述前置驅(qū)動電路輸出相應(yīng)的控制脈沖。
本實用新型的無刷直流電動機控制系統(tǒng)中，所述三相方波無刷永磁直流電 動機也可以是定子無鐵芯直線三相方波無刷永磁直流電動機，或者是定子無鐵 芯旋轉(zhuǎn)式三相方波無刷永磁直流電動機。
從上述技術(shù)方案可以看出，本實用新型解決了針對三相方波無刷直流電動 機實現(xiàn)良好的電流閉環(huán)控制的問題，其中對傳統(tǒng)逆變電路作了適當?shù)母倪M，并 采用一個合成電流傳感器對所述電動機導(dǎo)通和續(xù)流時的三相電流進行完整、連 續(xù)的采樣，從而可通過單個電流閉環(huán)調(diào)節(jié)器對所述電動機的三相電流進行連續(xù) 的閉環(huán)控制。本實用新型的方案可大幅提高所述電動機的動態(tài)和靜態(tài)指標，本 實用新型的三相方波無刷永磁直流電動機伺服控制系統(tǒng)可以用于多種數(shù)控系 統(tǒng)中，例如數(shù)控機床、自動化生產(chǎn)線、機器人等高性能伺服控制場合，具有成 本低、力能指標高等優(yōu)點。
下面將結(jié)合附圖及實施例對本實用新型作進一步說明，附圖中 圖1是本實用新型一個優(yōu)選實施例中的三相方波無刷永磁直流電動機的 伺服控制系統(tǒng)的原理框圖2是本實用新型一個優(yōu)選實施例中的電流傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本實用新型第一種逆變電路實施方案的示意圖； 圖4是本實用新型第二種逆變電路實施方案的示意圖； 圖5是本實用新型第三種逆變電路實施方案的示意圖； 圖6是圖3中的開關(guān)管Q1、 Q6導(dǎo)通時的工作狀態(tài)示意圖7A是對圖6中的上橋臂開關(guān)管Ql進行PWM調(diào)制時的脈沖波形圖7B是圖6中的開關(guān)管Ql瞬時關(guān)斷、Q6保持導(dǎo)通時的工作狀態(tài)示意圖;
圖7C是對圖6中的下橋臂開關(guān)管Q6進行PWM調(diào)制時的脈沖波形圖7D是圖6中的開關(guān)管Q6瞬時關(guān)斷、Ql保持導(dǎo)通時的工作狀態(tài)示意圖;
圖7E是對圖6中的開關(guān)管Ql、 Q6進行PWM調(diào)制時的脈沖波形圖7F是圖6中的開關(guān)管Q1、 Q6同時關(guān)斷后的工作狀態(tài)示意圖8是僅對圖3所示逆變電路方案中上橋臂進行PWM調(diào)制時的波形示意
圖9是僅對圖3所示逆變電路方案中下橋臂進行PWM調(diào)制時的波形示意
圖10是同時對圖3所示逆變電路方案中上、下橋臂進行P西調(diào)制時的波 形示意圖11是本實用新型一個優(yōu)選實施例中的三相方波無刷永磁直流電動機的 位置伺服控制系統(tǒng)的原理框圖12是圖11所示伺服控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)波形；
圖13是本實用新型一個優(yōu)選實施例中的三相方波無刷永磁直流電動機力 矩伺服控制系統(tǒng)的原理框圖14是圖13所示系統(tǒng)的力矩示意圖15、圖16、圖17分別是從圖3、圖4、圖5中得出的逆變模塊的電路圖。
具體實施方式
本實用新型的一個優(yōu)選實施例中，提供了一種三相方波無刷永磁直流電動 機的伺服控制系統(tǒng)，其原理如圖l所示。從圖中可以看出，該控制系統(tǒng)中包括 三相橋逆變電路101，與逆變橋連接的電流傳感器102，對電流傳感器的傳感 信號進行轉(zhuǎn)換的電流轉(zhuǎn)換器112，依次連接的電流調(diào)節(jié)器108、 PWM調(diào)制電路 103、以及前置驅(qū)動電路107。其中，三相橋逆變電路101向三相方波無刷永 磁直流電動機105輸出工作電源。電流轉(zhuǎn)換器由線性霍爾元件106輸出傳感信 號。
如圖2所示，本實用新型的一個優(yōu)選實施例中，所述電流傳感器包括三個 匝數(shù)相同的采樣線圈L1、 L2、 L3，三者繞制在同一鐵芯201上，在該鐵芯上 還裝有一個根據(jù)該鐵芯的磁通變化而輸出電流傳感結(jié)果的傳感元件，它是一個 線性霍爾元件202。圖中帶星號(*)的為各個采樣線圈的同名端，可見，三個 采樣線圈是按相同方向繞在該鐵芯上的，因此，該電流傳感器中的線性霍爾元
件檢測到的是三個采樣線圈中電流的矢量和。
其中，線性霍爾元件的工作溫度范圍是-45° +125° 。線性霍爾元件的 輸出會隨三個采樣線圈中電流的矢量和的變化而圍繞中心值作線性變化。當三 個采樣線圈中電流的矢量和為零時，線性霍爾元件202的輸出為其外加電壓的 1/2;當電流的矢量和大于零時，線性霍爾元件的輸出線性增加；當電流的矢 量和小于零時，線性霍爾元件的輸出線性減小。由后面的描述可知，這種變化 反應(yīng)了無刷電動機的真實電流的大小和方向，所以本實用新型對于無刷電動機 的四象限運行中的電流檢測都是有效的。
如圖3所示，本實用新型的一個優(yōu)選實施例中，所述逆變電路中包括與上 橋臂連接的開關(guān)管Q1、 Q3、 Q5，與下橋臂連接的開關(guān)管關(guān)Q4、 Q6、 Q2，與各 個開關(guān)管配合的續(xù)流二極管D1、 D2、 D3、 D4、 D5和D6。
從圖3可以看出，開關(guān)管Q1、 Q3、 Q5的續(xù)流二極管D1、 D3、 D5的陰極獨 立于各自開關(guān)管的輸入端且相互并聯(lián)，再經(jīng)采樣線圈L2的同名端、異名端而 與上橋臂連接；而開關(guān)管Q4、 Q6、 Q2的續(xù)流二極管D4、 D6、 D2的陽極則獨立 于各自開關(guān)管的輸出端且相互并聯(lián)，再經(jīng)采樣線圈L3的異名端、同名端而與 下橋臂連接；采樣線圈Ll則串接于上橋臂上，其同名端接電源正極?？梢姡?每個采樣線圈一方面繞制于鐵芯上，另一方面又接入逆變電路中。其中，采樣 線圈L1、 L2、 L3的電感值相對于電動機繞組很小，其線圈電感的續(xù)流效應(yīng)可 以忽略。
從后面的描述中可以看出，針對采樣線圈Ll、 L2、 L3，正常工作時，任 一時刻電流僅流過其中一個采樣線圈，且都是從同名端進，異名端出。再結(jié)合 圖2所示連接方式，可保證從各個采樣線圈L1、 L2、 L3的同名端流入的電流 在鐵芯中產(chǎn)生相同方向的磁通。具體實施時，可將圖3的采樣線圈Ll、 L2、 L3全部反向連接，即同名端與異名端調(diào)換；或者是將采樣線圈L1反向后串接 于下橋臂，采樣線圈L2、 L3則保持不變；這兩種變換方式都可保證從各個采 樣線圈L1、 L2、 L3的同名端流入的電流在鐵芯中產(chǎn)生相同方向的磁通，最終 確保電流傳感器中的線性霍爾元件檢測到的是三個采樣線圈中電流的矢量和。
(1) 電流僅流過采樣線圈L1的情況
在圖3中，針對上橋臂開關(guān)管Ql、 Q3、 Q5和下橋臂開關(guān)管Q4、 Q6、 Q2 中，任何一組開關(guān)管導(dǎo)通時，電流僅僅通過采樣線圈Ll,不會流經(jīng)其他采樣 線圈；正常情況，該電流正比于電動機的力矩；非正常情況下，例如Q1和Q4 直通時，該直通電流也能被采樣線圈L1檢測到，進而可實現(xiàn)限制或保護。
正常工作時，任一個上橋臂開關(guān)管加上一個與之無直接連接的下橋臂開關(guān) 管，構(gòu)成一個導(dǎo)通組。對于圖3所示的逆變電路，當開關(guān)管Q1、 Q6導(dǎo)通時， 其電流方向如圖6中的實粗線所示，此時，電流il從采樣線圈Ll的同名端進 入，再依次流過開關(guān)管Q1、電動機a相繞組、電動機b相繞組、開關(guān)管Q6。 可見，此時的電流僅流過采樣線圈Ll。同樣，當Q1和Q2導(dǎo)通、Q3和Q4導(dǎo) 通、Q3和Q6導(dǎo)通、Q5和Q4導(dǎo)通、Q5和Q6導(dǎo)通時，電流僅流過采樣線圈Ll， 不會流過另兩個采樣線圈L2、 L3此時的電路電壓方程為
(2) 電流僅流過采樣線圈L3的情況
針對圖6所示的開關(guān)管Ql與Q6導(dǎo)通的狀態(tài)，當對開關(guān)管Ql進行PWM 調(diào)制時，兩個開關(guān)管的控制脈沖如圖7A所示，在開關(guān)管Ql被關(guān)斷后(即圖7A 中的t2時段)，由于電動機繞組電感的作用，電流不會直接跳變?yōu)榱?，而是?圖7B中粗實線所示線路進行續(xù)流。從圖中可以看出，續(xù)流電流i2通過Q6流 入采樣線圈U的同名端，再依次流過續(xù)流二極管D4、電動機a相繞組、電動 機b相繞組，形成回路。此時，電流流過采樣線圈L3，不會流過另兩個采樣 線圈L1、 L2。同樣，在任一組開關(guān)管的導(dǎo)通周期內(nèi)，如果對其中的上橋臂開 關(guān)管進行PWN調(diào)制，在上橋臂開關(guān)管被關(guān)斷的瞬間，續(xù)流電流僅流過采樣線 圈L3，不會流過另兩個采樣線圈L1、 L2。此時電路方程為
<formula>formula see original document page 12</formula>(3) 電流僅流過釆樣線圈L2的情況
針對圖6所示的開關(guān)管Ql與Q6導(dǎo)通的狀態(tài)，當對開關(guān)管Q6進行PWM調(diào) 制時，兩個開關(guān)管的控制脈沖如圖7C所示，在開關(guān)管Q6被關(guān)斷后(即圖7C 中即t2時段)，由于電動機繞組電感的作用，電流不會直接跳變?yōu)榱悖藭r會 依次流經(jīng)Q1、電動機a相繞組、電動機b相繞組、續(xù)流二極管D3、再經(jīng)采樣 線圈L2的同名端回到Q1，形成回路，如圖7D所示。此時，電流流過采樣線 圈L2，不會流過另兩個采樣線圈L1、 L3。同樣，在任一組開關(guān)管的導(dǎo)通周期 內(nèi)，如果對其中的下橋臂開關(guān)管進行PWN調(diào)制，在下橋臂開關(guān)管被關(guān)斷的瞬 間，續(xù)流電流僅流過釆樣線圈L2，不會流過另兩個采樣線圈L1、 L3。
從上述第(l)、第(2)、第(3)這三種情況可以看出，該電流傳感器可檢測 到正常導(dǎo)通時的電流，也可檢測PWM調(diào)制期間的續(xù)流電流。任一時刻檢測的都 是三相無刷永磁直流電動機的真實電流，且適用于任何脈沖調(diào)制方法，具有通 用性。
(4) 僅對下橋臂開關(guān)管進行PWM調(diào)制
從上述第(3)種情況可以看出，當僅對下橋臂開關(guān)管進行脈寬調(diào)制時，續(xù) 流電流僅流過采樣線圈L2，不會流過另兩個采樣線圈L1、 L3。如果始終使用 這種控制方式，則正常導(dǎo)通時電流流過采樣線圈Ll，僅對下橋臂開關(guān)管調(diào)制 工作時電流流過采樣線圈L2，因此可以省略圖2中的采樣線圈L3，相應(yīng)地， 得到圖4所示的逆變電路，與圖3對比可以看出，圖4中的續(xù)流二極管D4、 D6、 D2保持常規(guī)連接方式，也就是將各續(xù)流二極管的陽極連接到各個開關(guān)管 的輸出端。
可見，對于圖3和圖4所示電路，都可采用僅對下橋臂開關(guān)管進行脈寬調(diào) 制的方式，此時的相關(guān)波形如圖8所示，其中Ea、 Eb、 Ec為電動機三個繞組 的反電勢，H為上橋臂開關(guān)管的驅(qū)動脈沖，L為下橋臂開關(guān)管的驅(qū)動脈沖。在 圖8所示的實施例中，對于每-個下橋臂開關(guān)管的120°導(dǎo)通角，僅對其中后 60°進行PWM調(diào)制。具體實施時，也可將PWM調(diào)制的時間增大或減小。 (5) 僅對上橋臂開關(guān)管進行PWM調(diào)制
從上述第(2)種情況可以看出，當僅對上橋臂開關(guān)管進行脈寬調(diào)制時，續(xù) 流電流僅流過采樣線圈L3，不會流過另兩個采樣線圈L1、 L2。如果始終使用 這種控制方式，則正常導(dǎo)通時電流流過采樣線圈Ll，僅對上橋臂開關(guān)管調(diào)制 工作時電流流過采樣線圈L3，因此可以省略圖2中的采樣線圈L2，相應(yīng)地， 得到圖5所示的逆變電路，與圖3對比可以看出，圖5中的續(xù)流二極管D1、 D3、 D5保持常規(guī)連接方式。
可見，對于圖3和圖5所示電路，都可采用僅對上橋臂開關(guān)管進行脈寬調(diào) 制的方式，此時的相關(guān)波形如圖9所示。在圖9所示的實施例中，對于每一個 上橋臂開關(guān)管的12(T導(dǎo)通角，僅對其中前60。進行PWM調(diào)制。具體實施時， 也可將PWM調(diào)制的時間增大或減小。
(6) 同時對上橋臂開關(guān)管進行PWM調(diào)制
對于圖3所示電路，由于其中有三個采樣線圈Ll、 L2、 L3，在任一組開 關(guān)管的導(dǎo)通周期內(nèi)，可先對上橋臂開關(guān)管進行脈寬調(diào)制，再對下橋臂開關(guān)管進 行脈寬調(diào)制，或者反之。
在調(diào)制過程中，最好能確保在對一個開關(guān)管進行脈寬調(diào)制時，另一個開關(guān) 管應(yīng)保持恒通。如果調(diào)制脈沖如圖7E所示，兩個開關(guān)管會同時關(guān)斷，此時會 產(chǎn)生如圖7F所示的情況，由二極管D3、 D4導(dǎo)通進行續(xù)流，電流從采樣線圈 L2的同名端流入，然后進入采樣線圈Ll的非同名端，再流經(jīng)電源lk后(此時 可對電池性直流電源充電，或?qū)εc電源并聯(lián)的電容進行充電)，進入采樣線圈 L3的同名端，可見，此時續(xù)流電流經(jīng)過采樣線圈Ll、 L2、 L3。由于此時的電 流回路中，采樣線圈U和L2是反向的，兩者電流相同，方向相反，在鐵芯中 所產(chǎn)生的磁通正好抵消；實際效果仍相當于電流僅流過了采樣線圈L3。
如果確保在對一個開關(guān)管進行脈寬調(diào)制時，另一個開關(guān)管應(yīng)保持恒通，則 在任一組開關(guān)管的導(dǎo)通周期內(nèi)，當兩者同時導(dǎo)通時，電流僅經(jīng)過采樣線圈L1; 當對下橋臂開關(guān)管進行脈寬調(diào)制時，電流僅經(jīng)過采樣線圈L2;當對上下橋臂 開關(guān)管迸行脈寬調(diào)制時，電流僅經(jīng)過采樣線圈L3?？梢?，對于圖3所示電路，
可分別出現(xiàn)上述第(l)、第(2)、第(3)這三種情況。此時的相關(guān)波形如圖10 所示。在圖IO所示的實施例中，對于每一個開關(guān)管的120°導(dǎo)通角，僅對其 中前30°和后30°導(dǎo)通角進行PWM調(diào)制。
前面描述了圖3、圖4和圖5三種逆變電路的實施例，針對圖3，可同時 實施第(4)、第(5)、第(6)這三種控制方式；針對圖4，則只可實施第(4)種控 制方式，即僅對下橋臂開關(guān)管進行PWM調(diào)制；針對圖5，則只可實施第(5)種 控制方式，即僅對上橋臂開關(guān)管進行PWM調(diào)制。
另一方面，針對圖3所示電路，可去除外圍元件后，得到圖15所示的電 路，將其制成集成電路(芯片)，即可得到一個用于控制無刷直流電動機的逆變 模塊。其中，上橋臂和下橋臂分別連接至第一、第二管腳Pl、 P2;續(xù)流二極 管D1、 D3、 D5的陰極獨立于各自開關(guān)管的輸入端且相互并聯(lián)到第三管腳P3; 續(xù)流二極管Q4、 Q6、 Q2的陽極獨立于各自開關(guān)管的輸出端且相互并聯(lián)到第四 管腳P4;逆變電路的三個輸出端分別連接至第五、第六、第七管腳P5、 P6、 P7;開關(guān)管Ql至Q6的控制端分別連接至第八至第十三管腳P8-P13。
同樣，針對圖4所示電路，可去除外圍元件后，得到圖16所示的電路， 將其制成集成電路，即可得到另一種用于控制無刷直流電動機的逆變模塊。針 對圖5所示電路，通過去除外圍元件后，可得到圖17所示的電路，將其制成 集成電路，即可得到另 一種用于控制無刷直流電動機的逆變模塊。
圖11是本實用新型一個優(yōu)選實施例中的三相方波無刷永磁直流電動機的 位置伺服控制系統(tǒng)的原理框圖，其中，電流傳感器(未在圖中畫出)的線性霍爾 元件的輸出電壓幅值作為電流反饋信號送到電流調(diào)節(jié)器108，電流調(diào)節(jié)器的輸 出送至脈沖調(diào)制電路103，脈沖調(diào)制電路的輸出送至換相邏輯電路104，換相 邏輯電路的輸出再送至前置驅(qū)動電路107，前置驅(qū)動電路再向逆變電路101中 的各個開關(guān)管的控制端輸出相應(yīng)的驅(qū)動脈沖信號；逆變電路在驅(qū)動脈沖信號的 控制下向三相電動機105輸出工作電源。
為了實現(xiàn)位置/速度閉環(huán)控制，在所述直流電動機的轉(zhuǎn)軸上裝有位置傳感
器115,其輸出信號送至位置/速度接口電路111，位置/速度接口電路向速度 調(diào)節(jié)器109輸出速度反饋電壓，向位置調(diào)節(jié)器110輸出位置反饋電壓，并向換 相邏輯電路114輸出換向位置信號和電機方向信號。
其中，位置調(diào)節(jié)器110根據(jù)位置給定電壓(從圖中右下角輸入)和所述位置 反饋電壓，向速度調(diào)節(jié)器109輸出速度給定信號；速度調(diào)節(jié)器根據(jù)速度給定信 號和速度反饋電壓，向電流調(diào)節(jié)器108輸出電流給定信號；電流調(diào)節(jié)器根據(jù)電 流給定信號和來自線性霍爾元件的電流反饋信號，向脈沖調(diào)制電路103輸出相 應(yīng)的控制信號；換相邏輯電路114則根據(jù)來自所述脈寬調(diào)制電路的脈沖信號、 以及來自所述位置/速度接口 111的換向位置信號和電機方向信號，向前置驅(qū) 動電路輸出相應(yīng)的控制脈沖。
本實施例中，通過電流調(diào)節(jié)器108，速度調(diào)節(jié)器109和位置調(diào)節(jié)器110實 現(xiàn)三相方波無刷永磁直流電動機位置伺服控制；無刷永磁直流電動機的功率為 150W，減速比100: 1，輸出扭矩15N.m，圖12是該系統(tǒng)的階躍響應(yīng)波形，圖
中方波那一條為位置給定曲線，另一條為跟蹤結(jié)果曲線，當位置給定發(fā)生階躍 變化時，只需要30-60毫秒即可實現(xiàn)準確的跟蹤，每一次位置給定發(fā)生階躍變 化時，兩條曲線能迅速重合，可其位置跟蹤特性非常優(yōu)良。
具體應(yīng)用時，其中的電動機也可采用定子無鐵芯直線三相方波無刷永磁直 流電動機，由于這種電動機從原理上具有更平坦的相電流和氣隙磁場近似方波 波形，同時也就具有更平坦的力矩波形，從而有利于實現(xiàn)精密位置伺服控制。
此外，其中的電動機還可采用定子無鐵芯旋轉(zhuǎn)式三相方波無刷永磁直流電 動機。
本實用新型實施例中的三相方波無刷永磁直流電動機位置伺服控制系統(tǒng)， 與現(xiàn)有技術(shù)中用交流伺服電動機構(gòu)成的位置伺服控制系統(tǒng)相比，有很大優(yōu)勢， 主要體現(xiàn)在-
(a) 由于方波的平均值比正弦波大，所以本實用新型電機系統(tǒng)的力能指標 提高約33%。這意味著實現(xiàn)同樣功能時，電動機的體積、重量和價格可相應(yīng)下 降33%。
(b) 方波驅(qū)動控制電路相對簡單，成本通常只有交流伺服系統(tǒng)的50%。
(c) 力矩波動指標相當，特別當采用定子無鐵芯三相方波無刷永磁直流電
動機時，其力矩波動指標甚至?xí)谩?br>
(d) 方波無刷永磁直流電動機的制造成本通常比交流伺服電動機低30%左右。
(e) 方波無刷永磁直流電動機構(gòu)成的位置伺服控制系統(tǒng)具有更好的伺服 剛度和動態(tài)響應(yīng)特性
圖13是本實用新型一個優(yōu)選實施例中的三相方波無刷永磁直流電動機的 力矩伺服控制系統(tǒng)的原理框圖，它與圖11的區(qū)別在于，沒有其中的速度調(diào)節(jié) 器和位置調(diào)節(jié)器，而是直接向電流調(diào)節(jié)器輸入一個由力矩給定信號，進而實現(xiàn) 所需的力矩控制。本實施例中，采用定子無鐵心無刷永磁直流電動機。由于這 種電動機從原理上具有更平坦的相電流和氣隙磁場，近似方波波形，同時也就 具有更平坦的力矩波形，該電動機的額定輸出力矩為0. 1Nm，額定轉(zhuǎn)速 6000rpm，圖14是該力矩控制系統(tǒng)的力矩跟蹤波形，其中力矩給定為正弦曲線， 跟蹤結(jié)果也為平滑的正弦曲線，兩者基本完全重合，可見其跟蹤特性非常優(yōu)良。
由上述實施例可以看出，本實用新型提出了對方波無刷永磁直流電動機的 實現(xiàn)電流閉環(huán)控制的新方案，并可進一步構(gòu)成高性能伺服控制系統(tǒng)。本實用新 型采用單個合成電流傳感器對電動機導(dǎo)通和續(xù)流時的三相電流進行完整和連 續(xù)的采樣，并由單個電流閉環(huán)調(diào)節(jié)器對三相電流進行連續(xù)的閉環(huán)控制，從而大 幅提高了電動機的動態(tài)和靜態(tài)指標。這種方波無刷永磁直流電動機構(gòu)成的高性 能伺服控制系統(tǒng)可以在多種數(shù)控系統(tǒng)中使用，與現(xiàn)今工業(yè)應(yīng)用的主流系統(tǒng)相 比，成本降低50%、力能指標提高33%。
權(quán)利要求1、一種用于控制無刷直流電動機的逆變模塊，包括與上橋臂連接的開關(guān)管Q1、Q3、Q5，與下橋臂連接的開關(guān)管關(guān)Q4、Q6、Q2，與所述各個開關(guān)管配合的續(xù)流二極管D1、D2、D3、D4、D5和D6；其特征在于，所述開關(guān)管Q1、Q3、Q5的續(xù)流二極管D1、D3、D5的陰極獨立于各自開關(guān)管的輸入端且相互并聯(lián)；所述開關(guān)管Q4、Q6、Q2的續(xù)流二極管D4、D6、D2的陽極獨立于各自開關(guān)管的輸出端且相互并聯(lián)。
2、 一種用于控制無刷直流電動機的逆變模塊，包括與上橋臂連接的開關(guān) 管Q1、 Q3、 Q5，與下橋臂連接的開關(guān)管關(guān)Q4、 Q6、 Q2，與所述各個開關(guān)管配 合的續(xù)流二極管D1、 D2、 D3、 D4、 D5和D6;其特征在于，所述開關(guān)管Q1、 Q3、 Q5的續(xù)流二極管D1、 D3、 D5的陰極獨立于各自開關(guān) 管的輸入端且相互并聯(lián)。
3、 一種用于控制無刷直流電動機的逆變模塊，包括與上橋臂連接的開關(guān) 管Q1、 Q3、 Q5，與下橋臂連接的開關(guān)管關(guān)Q4、 Q6、 Q2，與所述各個開關(guān)管配 合的續(xù)流二極管D1、 D2、 D3、 D4、 D5和D6;其特征在于，所述開關(guān)管Q4、 Q6、 Q2的續(xù)流二極管D4、 D6、 D2的陽極獨立于各自開關(guān) 管的輸出端且相互并聯(lián)。
4、 一種無刷直流電動機控制系統(tǒng)，包括用于向所述三相電動機輸出工作 電源的逆變電路，以及用于檢測所述三相電動機工作電流的電流傳感器；所述 逆變電路中包括與上橋臂連接的開關(guān)管Ql、 Q3、 Q5，與下橋臂連接的開關(guān)管 關(guān)Q4、 Q6、 Q2，與所述各個開關(guān)管配合的續(xù)流二極管D1、 D2、 D3、 D4、 D5和 D6;其特征在于，所述電流傳感器中包括三個匝數(shù)相同的采樣線圈Ll、 L2、 L3，三者繞制 在同一鐵芯上，在所述鐵芯上還裝有一個根據(jù)該鐵芯的磁通變化而輸出電流傳 感結(jié)果的傳感元件； 所述開關(guān)管Q1、 Q3、 Q5的續(xù)流二極管D1、 D3、 D5的陰極獨立于各自開關(guān) 管的輸入端且相互并聯(lián)至所述采樣線圈L2的同名端，所述采樣線圈L2的異名 端與所述上橋臂連接；所述開關(guān)管Q4、 Q6、 Q2的續(xù)流二極管D4、 D6、 D2的陽極獨立于各自開關(guān) 管的輸出端且相互并聯(lián)至所述采樣線圈L3的異名端，所述采樣線圈L3的同名 端與所述下橋臂連接；所述采樣線圈Ll串接于所述上橋臂中且其同名端與直流電源正極連接， 或串接于所述下橋臂中且其異名端與直流電源負極連接。
5、 一種無刷直流電動機控制系統(tǒng)，包括用于向所述三相電動機輸出工作 電源的逆變電路，以及用于檢測所述三相電動機工作電流的電流傳感器；所述 逆變電路中包括與上橋臂連接的開關(guān)管Ql、 Q3、 Q5，與下橋臂連接的開關(guān)管 關(guān)Q4、 Q6、 Q2，與所述各個開關(guān)管配合的續(xù)流二極管D1、 D2、 D3、 D4、 D5和 D6;其特征在于，所述電流傳感器中包括兩個匝數(shù)相同的采樣線圈Ll、 L2，兩者繞制在同 一鐵芯上，在所述鐵芯上還裝有一個根據(jù)該鐵芯的磁通變化而輸出電流傳感結(jié) 果的傳感元件；所述開關(guān)管Q1、 Q3、 Q5的續(xù)流二極管D1、 D3、 D5的陰極獨立于各自開關(guān) 管的輸入端且相互并聯(lián)至所述采樣線圈L2的同名端，所述采樣線圈L2的異名 端與所述上橋臂連接；所述采樣線圈Ll串接于所述上橋臂中且其同名端與直流電源正極連接， 或串接于所述下橋臂中且其異名端與直流電源負極連接。
6、 一種無刷直流電動機控制系統(tǒng)，包括用于向所述三相電動機輸出工作 電源的逆變電路，以及用于檢測所述三相電動機工作電流的電流傳感器；所述 逆變電路中包括與上橋臂連接的開關(guān)管Ql、 Q3、 Q5，與下橋臂連接的開關(guān)管 關(guān)Q4、 Q6、 Q2，與所述各個開關(guān)管配合的續(xù)流二極管D1、 D2、 D3、 D4、 D5和 D6;其特征在于，所述電流傳感器中包括兩個匝數(shù)相同的采樣線圈Ll、 L3，兩者繞制在同 一鐵芯上，在所述鐵芯上還裝有一個根據(jù)該鐵芯的磁通變化而輸出電流傳感結(jié) 果的傳感元件；所述開關(guān)管Q4、 Q6、 Q2的續(xù)流二極管D4、 D6、 D2的陽極獨立于各自開關(guān) 管的輸出端且相互并聯(lián)至所述采樣線圈L3的異名端，所述釆樣線圈L3的同名 端與所述下橋臂連接；所述采樣線圈Ll串接于所述上橋臂中且其同名端與直流電源正極連接， 或串接于所述下橋臂中且其異名端與直流電源負極連接。
7、 根據(jù)權(quán)利要求4-6中任一項所述的無刷直流電動機控制系統(tǒng)，其特征 在于，所述用于輸出電流傳感結(jié)果的傳感元件是一個線性霍爾元件。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的無刷直流電動機控制系統(tǒng)，其特征在于， 所述線性霍爾元件的輸出電壓幅值作為電流反饋信號送到電流調(diào)節(jié)器， 所述電流調(diào)節(jié)器的輸出送至脈沖調(diào)制電路， 所述脈沖調(diào)制電路的輸出送至換相邏輯電路， 所述換相邏輯電路的輸出再送至前置驅(qū)動電路，所述前置驅(qū)動電路再向所述逆變電路中的各個開關(guān)管的控制端輸出相應(yīng) 的驅(qū)動脈沖信號；所述逆變電路在所述驅(qū)動脈沖信號的控制下向三相電動機輸出工作電源。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的無刷直流電動機控制系統(tǒng)，其特征在于，還包 括裝于所述直流電動機的轉(zhuǎn)軸上的位置傳感器，其輸出信號送至位置/速度接 口電路，所述位置/速度接口電路向速度調(diào)節(jié)器輸出速度反饋電壓，向位置調(diào) 節(jié)器輸出位置反饋電壓，并向所述換相邏輯電路輸出換向位置信號和電機方向 信號；所述位置調(diào)節(jié)器根據(jù)位置給定電壓和所述位置反饋電壓，向所述速度調(diào)節(jié) 器輸出速度給定信號；所述速度調(diào)節(jié)器根據(jù)所述速度給定信號和速度反饋電 壓，向所述電流調(diào)節(jié)器輸出電流給定信號；所述電流調(diào)節(jié)器根據(jù)所述電流給定 信號和來自所述線性霍爾元件的電流反饋信號，向所述脈沖調(diào)制電路輸出相應(yīng) 的控制信號；所述換相邏輯電路根據(jù)來自所述脈寬調(diào)制電路的脈沖信號、以及所述位置 /速度接口的換向位置信號和電機方向信號，向所述前置驅(qū)動電路輸出相應(yīng)的 控制脈沖。
10、根據(jù)權(quán)利要求9所述的無刷直流電動機控制系統(tǒng)，其特征在于，所述 方波無刷永磁直流電動機是定子無鐵芯直線三相方波無刷永磁直流電動機，或 者是定子無鐵芯旋轉(zhuǎn)式三相方波無刷永磁直流電動機。
專利摘要本實用新型涉及三相直流電動機的控制技術(shù)，為解決現(xiàn)有技術(shù)中未能針對三相方波無刷直流電動機實現(xiàn)良好的電流閉環(huán)控制的問題，本實用新型提出了對方波無刷永磁直流電動機的實現(xiàn)電流閉環(huán)控制的新方案，具體包括無刷直流電動機控制系統(tǒng)、以及相應(yīng)的逆變模塊。通過將續(xù)流二極管D1、D3、D5的陰極獨立于各自開關(guān)管的輸入端且相互并聯(lián)至采樣線圈L2，和/或?qū)⒗m(xù)流二極管D4、D6、D2的陽極獨立于各自開關(guān)管的輸出端且相互并聯(lián)至采樣線圈L3；本實用新型可采用單個合成電流傳感器對電動機導(dǎo)通和續(xù)流時的三相電流進行完整和連續(xù)的采樣，并由單個電流閉環(huán)調(diào)節(jié)器對三相電流進行連續(xù)的閉環(huán)控制，從而大幅提高電動機的動態(tài)和靜態(tài)指標。
文檔編號H02P6/06GK201001095SQ200720118089
公開日2008年1月2日 申請日期2007年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月15日
發(fā)明者周兆勇, 翔 孫, 李鐵才, 湯平華, 漆亞梅, 爽 王 申請人:深圳國際技術(shù)創(chuàng)新研究院