一種新型串勵(lì)電機(jī)控制方法及裝置制造方法
【專利摘要】串勵(lì)電機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍廣，過載能力強(qiáng)，低轉(zhuǎn)速時(shí)力矩大，因此具有很大的啟動轉(zhuǎn)矩和軟機(jī)械特性，被廣泛的應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。傳統(tǒng)的直流有刷串勵(lì)電機(jī)控制方法是通過外接換向接觸器實(shí)現(xiàn)串勵(lì)電機(jī)換向控制?？刂破鲀?nèi)部采用功率器件實(shí)現(xiàn)斬波調(diào)速。此種方法的缺陷在于，由于換向接觸器成本高，穩(wěn)定性、可靠性差，在帶電流操作時(shí)會出現(xiàn)打火、拉弧、粘連等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響系統(tǒng)壽命、可靠性，且動態(tài)特性較差。本發(fā)明提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可通過電力電子器件，實(shí)現(xiàn)直流串勵(lì)電機(jī)無接觸器平滑換向，且將換向與電機(jī)調(diào)制集成，從而降低所使用的開關(guān)器件的數(shù)量，減少了系統(tǒng)成本和熱功耗，提高了系統(tǒng)效率和動態(tài)特性。
【專利說明】一種新型串勵(lì)電機(jī)控制方法及裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明是一種新型串勵(lì)電機(jī)控制方法及裝置。涉及到直流有刷電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)電子換向控制，并提高直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的功率密度和動態(tài)性能，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，并減小系統(tǒng)成本。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，電力電子設(shè)備都得到了廣泛的應(yīng)用。目前，直流電機(jī)及其控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于在伺服調(diào)速、新能源汽車等領(lǐng)域。
[0003]傳統(tǒng)的直流有刷串勵(lì)電機(jī)控制方法是通過外接換向接觸器實(shí)現(xiàn)串勵(lì)電機(jī)換向控制?？刂破鲀?nèi)部采用功率器件實(shí)現(xiàn)斬波調(diào)速。此種方法的缺陷在于:換向接觸器成本高，穩(wěn)定性、可靠性差，在帶電流操作時(shí)會出現(xiàn)打火、拉弧、粘連等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響系統(tǒng)壽命、可靠性，且動態(tài)特性較差。
[0004]在以前的專利中，也有涉及到串勵(lì)電機(jī)的控制方法及裝置，例如:中國發(fā)明專利申請?zhí)枮?01010202364.X的專利，公開了一種在不依靠電流傳感器的條件下，可實(shí)現(xiàn)直流串勵(lì)電機(jī)的無接觸器電子安全換向的方法。其方法在于采用半導(dǎo)體開關(guān)元件組成的全橋電路實(shí)現(xiàn)直流串勵(lì)電機(jī)繞組的換向，并采用半導(dǎo)體開關(guān)元件組成的半橋斬波電路和換向續(xù)流二極管控制直流串勵(lì)電機(jī)的勵(lì)磁繞組和電樞繞組電流相等，通過半橋電路中的開關(guān)斬波電路調(diào)節(jié)直流串勵(lì)電機(jī)的電磁力矩大小。
[0005]中國發(fā)明專利申請?zhí)枮?01010166489.1的專利，公開了一種能消除因電子換向額外帶來的電火花不利因素及電磁式接觸器的拉弧和可靠性的問題，使整個(gè)直流串勵(lì)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)性提高、壽命延長的方法。其方法在于采用全橋電路來單獨(dú)控制勵(lì)磁繞組實(shí)現(xiàn)雙向電流的控制，采用半橋斬波電路(同勵(lì)磁繞組)分開實(shí)現(xiàn)電樞繞組的單方向電流控制來確保力矩?fù)Q向，通過電流反饋控制兩繞組電流大小一致，進(jìn)而確保換向暫態(tài)過程的因電子換向額外帶來的電火花不利因素被消除，實(shí)現(xiàn)直流串勵(lì)電機(jī)的無接觸器電子安全換向。
[0006]上述發(fā)明專利從物理結(jié)構(gòu)上同時(shí)包括換向單元與電機(jī)調(diào)制單元，且需要換向單元與調(diào)制單元分開控制，控制邏輯與結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，造成系統(tǒng)額外熱功耗增加，效率降低且成本聞。
[0007]針對以上缺陷，本發(fā)明在物理結(jié)構(gòu)上將換向單元與調(diào)制單元合并。較之傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少了因接觸器拉弧、粘連而導(dǎo)致的安全隱患，并大幅提高了系統(tǒng)的動態(tài)特性與功率密度。較之其它電子換向結(jié)構(gòu)，所采用的開關(guān)器件數(shù)量減小，系統(tǒng)成本降低，能夠顯著提高直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速性能、可靠性與穩(wěn)定性，同時(shí)降低了系統(tǒng)熱功耗，提高系統(tǒng)效率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可通過電力電子器件，實(shí)現(xiàn)直流串勵(lì)電機(jī)無接觸器平滑換向，且將換向與電機(jī)調(diào)制集成，從而降低系統(tǒng)成本和熱功耗，提高系統(tǒng)效率。
[0009]首先，利用功率開關(guān)器件組成的H橋結(jié)構(gòu)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)換向控制與電機(jī)調(diào)制(如圖1、
2)，這樣就解決了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和其它電子換向結(jié)構(gòu)所存在的結(jié)構(gòu)缺陷。
[0010]其次，通過控制H橋部分開關(guān)器件工作在斬波(PWM)狀態(tài)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的高性能控制。將換向與電機(jī)調(diào)制集成，從而省去了專門用于電機(jī)斬波調(diào)制的功率器件，降低了由功率器件導(dǎo)致的熱功耗，降低了成本，提高了系統(tǒng)效率，功率密度得到提升，系統(tǒng)的動態(tài)性能得到提聞。
[0011]此外，功率器件的通斷可通過DSP或單片機(jī)控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，易于實(shí)現(xiàn)智能化控制，系統(tǒng)模塊化程度高，易于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)和檢測。
[0012]本發(fā)明中，電力電子器件可采用M0SFET、IGBT、GT0、IGCT、晶閘管、三極管等各類半導(dǎo)體器件。電力電子器件包含并聯(lián)的續(xù)流二極管。
[0013]本發(fā)明包括兩種連接方式，方式一:包括一個(gè)續(xù)流二極管，一個(gè)全橋電路，一個(gè)中央信號處理單元，一組門極驅(qū)動電路；其中全橋電路的高邊公共端連接于直流母線正電位；全橋電路的兩個(gè)輸出端連接于電樞繞組的兩端；續(xù)流二極管與勵(lì)磁繞組并聯(lián)；續(xù)流二極管的陰極連接于全橋電路的低邊公共端；續(xù)流二極管的陽極連接于直流母線電壓的負(fù)極；門控電路控制全橋電路的半導(dǎo)體器件的開關(guān)；中央信號處理單元向門控信號發(fā)出控制邏輯信號。
[0014]方式二:包括一個(gè)續(xù)流二極管，一個(gè)全橋電路，一個(gè)中央信號處理單元，一組門極驅(qū)動電路；續(xù)流二極管與勵(lì)磁繞組并聯(lián)，二極管的陰極接于母線電壓正電位；陽極接于全橋電路的高邊公共端；全橋電路的兩個(gè)輸出端接于電樞繞組的兩端；全橋電路的低邊公共端接于直流母線電壓負(fù)電位；門控電路控制全橋電路的半導(dǎo)體器件的開關(guān)；中央信號處理單元向門控信號發(fā)出控制邏輯信號。
[0015]【專利附圖】

【附圖說明】:
圖1為新型串勵(lì)電機(jī)控制方法及裝置的連接方式一拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖圖2為新型串勵(lì)電機(jī)控制方法及裝置的連接方式二拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖圖3開關(guān)狀態(tài)的組合圖【具體實(shí)施方式】:
本發(fā)明為新型串勵(lì)電機(jī)控制方法及裝置系統(tǒng)，其實(shí)現(xiàn)一般基于全數(shù)字控制器。全數(shù)字系統(tǒng)可采用高性能數(shù)字信號微處理器(Digital Signal Processor),如TI公司的TMS320F281X、TMS320F28335或各類單片機(jī)為核心，可以實(shí)現(xiàn)多路A/D采樣和多路PWM輸出。
[0016]當(dāng)開環(huán)控制時(shí)，電機(jī)的力矩/速度輸出與占空比成比例關(guān)系。如應(yīng)用于電動汽車領(lǐng)域，加減速、啟動、制動等狀態(tài)均可實(shí)現(xiàn)。閉環(huán)控制時(shí)，通過電壓，電流，轉(zhuǎn)速/位置傳感器，采樣系統(tǒng)瞬時(shí)電壓，電流值，送入全數(shù)字控制器中，作為計(jì)算占空比依據(jù)。
[0017]連接方案一:換向功能的實(shí)現(xiàn)是通過交替導(dǎo)通兩組開關(guān)對完成的，分別為開關(guān)對S1&S4和S2&S3。調(diào)速功能的實(shí)現(xiàn)是通過控制相應(yīng)開關(guān)器件處于PWM狀態(tài)來完成的。以SI和S4導(dǎo)通為例，若保持SI處于常通狀態(tài)，S4處于PWM狀態(tài)，電機(jī)此時(shí)為正向調(diào)速，且通過控制S4的占空比可實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速和力矩的調(diào)節(jié)。當(dāng)S4導(dǎo)通時(shí)，電流從電源的正向經(jīng)SI管，電樞繞組，S4管和勵(lì)磁繞組流向電源負(fù)極。當(dāng)S4關(guān)斷時(shí)，電樞繞組通過開關(guān)器件自身的續(xù)流二極管完成續(xù)流，勵(lì)磁繞組由續(xù)流二極管D完成續(xù)流。電機(jī)反向驅(qū)動時(shí)，開關(guān)器件S2、S3處于工作狀態(tài)，調(diào)制方法同理可得。本發(fā)明專利PWM調(diào)制不局限于單極性調(diào)制。
[0018]連接方案二:換向功能的實(shí)現(xiàn)是通過交替導(dǎo)通兩組開關(guān)對完成的，分別為開關(guān)對S1&S4和S2&S3。調(diào)速功能的實(shí)現(xiàn)是通過控制相應(yīng)開關(guān)器件處于PWM狀態(tài)來完成的。以SI和S4導(dǎo)通為例，若保持SI處于常通狀態(tài)，S4處于PWM狀態(tài)，電機(jī)此時(shí)為正向調(diào)速，且通過控制S4的占空比可實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速和力矩的調(diào)節(jié)。當(dāng)S4導(dǎo)通時(shí)，電流從電源的正向經(jīng)勵(lì)磁繞組，SI管，電樞繞組和S4管流向電源負(fù)極。當(dāng)S4關(guān)斷時(shí)，電樞繞組通過開關(guān)器件自身的續(xù)流二極管完成續(xù)流，勵(lì)磁繞組由續(xù)流二極管D完成續(xù)流。電機(jī)反向驅(qū)動時(shí)，開關(guān)器件S2、S3處于工作狀態(tài)，調(diào)制方法同理可得。本發(fā)明專利PWM調(diào)制不局限于單極性調(diào)制。
[0019]開關(guān)器件的導(dǎo)通函數(shù)關(guān)系如圖3所示。
【權(quán)利要求】
1.一種新型串勵(lì)電機(jī)控制方法及裝置，其特征在于通過半導(dǎo)體器件組成的全(H)橋電路；此全橋電路同時(shí)具備兩個(gè)功能:a，通過對電樞繞組的雙向電流控制來實(shí)現(xiàn)電子換向；b，通過全橋電路的斬波來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和力矩的控制。
2.由權(quán)利要求1可所述，一種新型串勵(lì)電機(jī)控制方法及裝置其特征在于實(shí)現(xiàn)全橋電路的半導(dǎo)體器件包括MOSFET、IGBT, GTO, IGCT、晶閘管、三極管等各類半導(dǎo)體器件。
3.由權(quán)利要求1、2所述，一種新型串勵(lì)電機(jī)控制方法及裝置的連接方式一，其特征在于:包括一個(gè)續(xù)流二極管，一個(gè)全橋電路，一個(gè)中央信號處理單元，一組門極驅(qū)動電路；其中全橋電路的高邊公共端連接于直流母線正電位；全橋電路的兩個(gè)輸出端連接于電樞繞組的兩端；續(xù)流二極管與勵(lì)磁繞組并聯(lián)；續(xù)流二極管的陰極連接于全橋電路的低邊公共端；續(xù)流二極管的陽極連接于直流母線電壓的負(fù)極；門控電路控制全橋電路的半導(dǎo)體器件的開關(guān)；中央信號處理單元向門控信號發(fā)出控制邏輯信號。
4.由權(quán)利要求1、2所述，一種新型串勵(lì)電機(jī)控制方法及裝置的連接方式二，其特征在于:包括一個(gè)續(xù)流二極管，一個(gè)全橋電路，一個(gè)中央信號處理單元，一組門極驅(qū)動電路；續(xù)流二極管與勵(lì)磁繞組并聯(lián)，二極管的陰極接于母線電壓正電位；陽極接于全橋電路的高邊公共端；全橋電路的兩個(gè)輸出端接于電樞繞組的兩端；全橋電路的低邊公共端接于直流母線電壓負(fù)電位；門控電路控制全橋電路的半導(dǎo)體器件的開關(guān)；中央信號處理單元向門控信號發(fā)出控制邏輯信號。
【文檔編號】H02P6/08GK104283466SQ201310280971
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2013年7月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月5日
【發(fā)明者】曾慶臣, 高志剛, 李萌 申請人:北京友信宏科電子科技有限公司