專利名稱：一種基于同步整流技術(shù)的開關(guān)磁阻電機(jī)控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于同步整流技術(shù)的開關(guān)磁阻電機(jī)控制器，屬于電動機(jī)控制領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單堅固，工作可靠，效率高，由其構(gòu)成的開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)與傳統(tǒng)交直流調(diào)速系統(tǒng)相比，具有許多優(yōu)點(diǎn)，如起動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制靈活，可方便實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，具有較強(qiáng)的再生制動能力，在寬廣的轉(zhuǎn)速和功率范圍內(nèi)都具有高效率，有利于節(jié)能降耗；可工作于極高轉(zhuǎn)速；可缺相運(yùn)行，容錯能力強(qiáng)等。相比于其它直流電機(jī)，開關(guān)磁阻電機(jī)的工作電流大，傳統(tǒng)的利用二極管進(jìn)行續(xù)流的方案由于二極管的正向?qū)妷捍螅试诶m(xù)流階段續(xù)流損耗要大的多，特別是在在大電流連續(xù)工作階段，從而造成晶體管的工作溫度高，長時間的溫度積累或者由于斬波失效造成的電流瞬間增高都會造成續(xù)流二極管的溫度擊穿，從而對系統(tǒng)的可靠性及安全性都存在有較大的隱患。且傳統(tǒng)的二極管方案對系統(tǒng)的布局散熱也有很高的要求，故從降低損耗來源降低溫度源的角度提出利用MOS管進(jìn)行續(xù)流的方案，該方案利用MOS管溝道電阻較小的特性，在續(xù)流開始階段開啟MOS管，從而利用MOS管溝道進(jìn)行續(xù)流，以達(dá)到降低續(xù)流損耗及工作溫度的目的，提高系統(tǒng)可靠性及安全性。在直流無刷電機(jī)上，該種方案已經(jīng)廣泛運(yùn)用，技術(shù)成熟，其原因?yàn)槠涮赜械碾姍C(jī)結(jié)構(gòu)。該種電機(jī)的各相之間相互關(guān)聯(lián)，在其中一相開啟工作階段，通過對其他相的開關(guān)管進(jìn)行合理控制以此來作為該相的續(xù)流管工作。但在開關(guān)磁阻電機(jī)上尚未有如此的應(yīng)用，這主要是由于開關(guān)磁阻電機(jī)的特殊架構(gòu)原因造成的。本發(fā)明提出將整流技術(shù)運(yùn)用到開關(guān)磁阻電機(jī)功率變換器中。可以降低開關(guān)磁阻電機(jī)在正常運(yùn)行及大電流斬波運(yùn)行下的工作損耗，降低系統(tǒng)溫度積累，降低由于溫度造成系統(tǒng)失效的情況。本方案電路較為簡單，容易實(shí)現(xiàn)。
發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明提出一種基于同步整流技術(shù)的開關(guān)磁阻電機(jī)控制器，能夠降低功率變換器在續(xù)流階段的功耗，降低溫度以及熱擊穿的風(fēng)險，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。技術(shù)方案為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種基于同步整流技術(shù)的開關(guān)磁阻電機(jī)控制器，包括微處理器、第一與門、第一與非門、電流米樣電路、米樣放大電路、磁阻電機(jī)位置傳感器和功率變換器。電流采樣電路采集電機(jī)繞組的電流的瞬時值，并通過采樣放大電路放大后輸入到微處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。磁阻電機(jī)位置傳感器向微處理 器的輸入輸出模塊提供定、轉(zhuǎn)子極間相對位置信號。微處理器根據(jù)電流的瞬時值和磁阻電機(jī)位置傳感器的位置信號，控制兩個與門的控制信號，繼而控制功率變換器的工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)同步整流模式降低功耗。功率變換器包括上開關(guān)MOS管、下開關(guān)MOS管、下續(xù)流MOS管和上續(xù)流MOS管。上開關(guān)MOS管的源極與電機(jī)繞組的一端相連，漏極與直流電源連接，下開關(guān)MOS管的漏極與電機(jī)繞組的另一端相連，源極與第一電阻連接。上續(xù)流管MOS管的源極與下開關(guān)MOS管的漏極相連，其漏極與上開關(guān)MOS管相連，下續(xù)流MOS管的源極接地，其漏極接上開關(guān)MOS管的源極。所有MOS管均為η型MOS管。微處理器包括脈寬調(diào)制模塊、輸入輸出模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。脈寬調(diào)制模塊分別向第一與門和第一與非門輸出上開關(guān)管PWM驅(qū)動信號和下續(xù)流管驅(qū)動信號。輸入輸出模塊向功率變換器輸出下開關(guān)MOS管驅(qū)動信號和上續(xù)流MOS管驅(qū)動信號，分別接到下開關(guān)MOS管的柵極和上續(xù)流MOS管的柵極。輸入輸出模塊還接收來自位置傳感器的位置信號。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊接受來自采樣放大電路的采樣放大信號。第一與門接受來自微處理器的上開關(guān)管PWM驅(qū)動信號和換相斬波信號,并向上開關(guān)MOS管柵極輸出驅(qū)動信號,第一與非門接收來自微處理器的下續(xù)流管驅(qū)動信號和下續(xù)流管控制信號，并向下續(xù)流MOS管輸出驅(qū)動信號。電流采樣電路包括第一電阻，其一端與下開關(guān)MOS管的源極相連，另一端接地。采樣放大電路將第一電阻上的電壓放大，并向微處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊輸出采樣 放大信號。作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，電流采樣電路中的第一電阻，采用高精度低溫度系數(shù)的康銅絲制成，可以減少溫度的影響，使采樣的繞組電流更加精確。作為本發(fā)明的另一種改進(jìn)，采樣放大電路采用現(xiàn)有的基于運(yùn)算放大器的電壓放大電路，包括運(yùn)算放大器、第二電阻和第三電阻。作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，微處理器采用32位單片機(jī)。通過讀取位置信號和電流信號，微處理器讓磁阻電機(jī)某一相導(dǎo)通工作，微處理器的輸入輸出模塊驅(qū)動功率變換器中的下開關(guān)MOS管使其導(dǎo)通；然后將輸入到二輸入與非門的下續(xù)流管控制信號置為高電位，使下續(xù)流MOS管受下續(xù)流管驅(qū)動信號相同波形控制；經(jīng)過數(shù)十微秒的間隔后，微處理器輸入輸出模塊將輸入到二輸入與門的換相斬波信號置為高電位，使上開關(guān)MOS管受上開關(guān)管PWM驅(qū)動信號相同波形控制；當(dāng)繞組勵磁時，電流采樣電路的采樣值經(jīng)采樣放大電路放大后輸出到微處理器模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，此時采用微處理器內(nèi)部內(nèi)置斬波判別算法判斷是否需要開、關(guān)相繞組，當(dāng)電流達(dá)到斬波上限時，通過微處理器輸入輸出模塊將換相斬波信號置為低電位，功率變換器中的上開關(guān)MOS管關(guān)斷，繞組電流通過功率變換器下續(xù)流MOS管體二極管續(xù)流；經(jīng)過數(shù)十微秒的時間間隔后，微處理器輸入輸出模塊將下續(xù)流管控制信號置為低電位，使下續(xù)流MOS管持續(xù)導(dǎo)通以通過溝道進(jìn)行續(xù)流。當(dāng)電機(jī)換相需要該相關(guān)斷時，微處理器輸入輸出模塊將輸入到第一與門的換相斬波信號置為低電位，使上開關(guān)MOS管關(guān)斷，再由微處理器輸入輸出模塊將下開關(guān)MOS管驅(qū)動信號置為低電位，使下開關(guān)MOS管也關(guān)斷，此時繞組中電流通過功率變換器中下續(xù)流MOS管的體二極管和上續(xù)流MOS管的體二極管進(jìn)行回流；接著經(jīng)過數(shù)十微秒的間隔后，微處理器輸入輸出模塊將下續(xù)流管控制信號置為低電位，并將上續(xù)流MOS管驅(qū)動信號置為高電位，使上、下續(xù)流MOS管均持續(xù)開通利用溝道進(jìn)行回流。當(dāng)回流結(jié)束時，輸入輸出模塊將上續(xù)流MOS管驅(qū)動信號為置低電位，使上續(xù)流MOS管持續(xù)關(guān)斷。微處理器內(nèi)置斬波判別算法的具體過程是當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊接受到來自采樣放大電路的信號后開始運(yùn)行該算法，如果采樣放大信號大于斬波電流上限，則將微處理器輸出的換相斬波信號置為低電平；如果采樣放大信號低于斬波電流下限，則將換相斬波信號置為聞電平。
有益效果本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)開關(guān)磁阻電機(jī)在運(yùn)行時續(xù)流階段的續(xù)流管的工作損耗，降低溫度積累，從而降低熱擊穿的風(fēng)險，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性。電路原理和結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用，易于實(shí)現(xiàn)。
圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意 圖2為本發(fā)明的功耗對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果 圖3為本發(fā)明的控制信號波形圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說明 本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。如圖I所不,本發(fā)明包括微處理器I、第一與門2、第一與非門3、電流米樣電路5、采樣放大電路6、磁阻電機(jī)位置傳感器7和功率變換器4。微處理器I采用32位單片機(jī)，其內(nèi)部包含脈寬調(diào)制模塊11、輸入輸出模塊12和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊13。脈寬調(diào)制模塊11分別向第一與門2輸出上開關(guān)管PWM驅(qū)動信號，及向第一與非門3輸出下續(xù)流管驅(qū)動信號。輸入輸出模塊12分別向第一與門2輸出換相斬波信號，第一與非門3輸出下續(xù)流管控制信號，向功率變換器4的下開關(guān)MOS管T2輸出驅(qū)動信號，向功率變換器4的上續(xù)流MOS管輸出驅(qū)動控制信號，并接受開關(guān)磁阻電機(jī)位置傳感器7輸入的信號。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊13接受來自采樣放大電路6的采樣放大信號。第一與門2接受來自脈寬調(diào)制模塊11輸出的上開關(guān)管PWM驅(qū)動信號和輸入輸出模塊12輸出的換相斬波信號，并向功率變換器4的上開關(guān)MOS管TI輸出驅(qū)動控制信號。第一與非門3接受來自脈寬調(diào)制模塊11的下續(xù)流管驅(qū)動信號和輸入輸出模塊12的下續(xù)流管控制信號，并向功率變換器4輸出下續(xù)流MOS管T3的驅(qū)動信號。功率變換器4由上開關(guān)MOS管Tl、下開關(guān)MOS管T2、下續(xù)流MOS管T3和上續(xù)流MOS管T4組成，上開關(guān)MOS管Tl接入由第一與門2輸出的上開關(guān)MOS管驅(qū)動信號，下開關(guān)MOS管T2接入由輸入輸出模塊12輸出的下開關(guān)MOS管驅(qū)動信號，下續(xù)流MOS管T3接入來自第一與非門3輸出的下續(xù)流MOS管驅(qū)動信號，上續(xù)流MOS管T4接入來自輸入輸出模塊12輸出的上續(xù)流MOS管驅(qū)動信號。電流采樣電路5由采用高精度低溫度系數(shù)康銅絲制成的第一電阻Rl組成，并與功率變換器4中的下開關(guān)MOS管T2的源極和地分別連接。采樣放大電路6由第二電阻R2、第三電阻R3以及運(yùn)算放大器OP組成。運(yùn)算放大器OP的正輸入端與電流采樣電路5中的第一電阻Rl的一端及下開關(guān)MOS管T2的源端相連，運(yùn)算放大器51的負(fù)輸入端與第二電阻R2和第三電阻R3的連接點(diǎn)相連，第二電阻R2的另一端接地，運(yùn)算放大器OP的輸出端與第三電阻R3的另一端相連，并連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊13，輸出采樣放大信號。整個控制器的工作原理分為五個過程
一、當(dāng)處在開通狀態(tài)時，微處理器I的輸入輸出模塊12首先將上續(xù)流MOS管驅(qū)動信號置為低電平，使上續(xù)流MOS管T4關(guān)斷。經(jīng)過數(shù)十微秒延遲，將下開關(guān)MOS管驅(qū)動信號置為高電位，從而使下開關(guān)MOS管T2導(dǎo)通；然后再將輸入到第一與非門3的下續(xù)流管控制信號置為高電位，使下續(xù)流MOS管T3受下續(xù)流管驅(qū)動信號相同波形控制；繼續(xù)經(jīng)過數(shù)十微秒的時間間隔后，將輸入到第一與門2的換相斬波信號置為高電位，使上開關(guān)MOS管Tl受上開關(guān)管PWM驅(qū)動信號相同波形控制，從而開始繞組勵磁。二、當(dāng)繞組電流增大至斬波上限，微處理器I內(nèi)置斬波判別成立時，輸入輸出模塊12立即將輸入到第一與門2的換相斬波信號置為低電位，以關(guān)斷上開關(guān)MOS管Tl，此時繞組電流立即通過功率變換器4的下續(xù)流MOS管T3的體二極管續(xù)流；經(jīng)過數(shù)十微秒的時間間隔后，將輸入到第一與非門3的下續(xù)流MOS管驅(qū)動信號置為低電位，使下續(xù)流MOS管T3持續(xù)導(dǎo)通以通過溝道進(jìn)行續(xù)流。三、當(dāng)斬波結(jié)束時，重新運(yùn)行第一個過程。四、當(dāng)微處理器I根據(jù)開關(guān)磁阻電機(jī)位置傳感器7的信號進(jìn)行換相時，微處理器I的輸入輸出模塊12將輸出到第一與門2的換相斬波信號置為低電位,使上開關(guān)MOS管Tl關(guān)斷；再將下開關(guān)MOS管驅(qū)動信號置為低電位，使下開關(guān)MOS管T2也關(guān)斷，此時電機(jī)繞組M中的電流通過功率變換器4中的下續(xù)流MOS管T3的體二極管和上續(xù)流MOS管T4的體二極 管進(jìn)行回流；接著經(jīng)過數(shù)十微秒的時間后將微處理器I的輸入輸出模塊12的下續(xù)流MOS管驅(qū)動信號置為低電位，并將上續(xù)流MOS管驅(qū)動信號置為高電位，使上續(xù)流MOS管T3和下續(xù)流MOS管T4均持續(xù)導(dǎo)通，以利用其溝道進(jìn)行回流。五、當(dāng)回流結(jié)束后，將上續(xù)流MOS管驅(qū)動信號置為低電位，使上續(xù)流MOS管T4持續(xù)關(guān)斷。從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)磁阻電機(jī)同步整流控制過程。如圖2所示為開關(guān)磁阻電機(jī)在100%占空比下斬波工作波形，其斬波上限21為220A，斬波下限22為200A。第一曲線23為電機(jī)繞組M中電流波形，第二曲線24為傳統(tǒng)二極管續(xù)流的實(shí)時能量損耗，橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)為實(shí)時損耗，第三曲線25為MOS管溝道續(xù)流的實(shí)時能量損耗，橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)為實(shí)時損耗。其中二極管型號為43CTQ100，其正向?qū)妷簽镺. 67V ;續(xù)流MOS管型號為A0T470，其導(dǎo)通電阻為8ι Ω。從中可以看出，MOS管溝道續(xù)流能量損耗要遠(yuǎn)小于二極管續(xù)流損耗。如圖3所示，基于同步整流技術(shù)的開關(guān)磁阻電機(jī)功率變換器在各種工作模式下的各個MOS管的工作驅(qū)動信號。第四曲線31為上開關(guān)PWM驅(qū)動信號，第五曲線32為換相斬波信號，第六曲線33為上開關(guān)MOS管驅(qū)動信號，第七曲線34為下續(xù)流MOS管驅(qū)動信號，第八曲線35是下續(xù)流管控制信號，第九曲線36是下續(xù)流管驅(qū)動信號，第十曲線37是上續(xù)流MOS管驅(qū)動信號，第十一曲線38是下開關(guān)MOS管驅(qū)動信號。
權(quán)利要求
1.一種基于同步整流技術(shù)的開關(guān)磁阻電機(jī)控制器，包括微處理器(I)、第一與門(2)、第一與非門(3)、電流采樣電路(5)、采樣放大電路(6)、磁阻電機(jī)位置傳感器(7)和功率變換器(4)，其特征在于 所述功率變換器包括上開關(guān)MOS管(Tl)、下開關(guān)MOS管(T2)、上續(xù)流MOS管(T4)和下續(xù)流MOS管(T3)， 上開關(guān)MOS管(Tl)的柵極接第一與門(2)的輸出端，下開關(guān)MOS管(T2)的柵極接微處理器(I)輸入輸出模塊(12)的輸出端，下續(xù)流MOS管(T3)的柵極接第一與非門(3)輸出的信號，上續(xù)流MOS管(T4)的柵極接微處理器(I)輸入輸出模塊(12)的輸出端， 上開關(guān)MOS管(Tl)的源極與電機(jī)繞組(M)的一端相連，漏極與直流電源(Vs)連接，下開關(guān)MOS管(T2)的漏極與電機(jī)繞組(M)的另一端相連，源極與第一電阻(Rl)連接， 上續(xù)流MOS管(T4)的源極與下開關(guān)MOS管(T2)的漏極相連，其漏極與上開關(guān)MOS管(Tl)相連，下續(xù)流MOS管(T3)的源極接地，其漏極接上開關(guān)MOS管(Tl)的源極； 所述微處理器(I)包括脈寬調(diào)制模塊(11)、輸入輸出模塊(12)和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(13)，脈寬調(diào)制模塊(11)輸出的上開關(guān)管PWM驅(qū)動信號和輸入輸出模塊(12)輸出的換相斬波信號分別接第一與門(2)的兩個輸入端， 脈寬調(diào)制模塊(11)輸出的下續(xù)流管驅(qū)動信號和輸入輸出模塊(12 )輸出的下續(xù)流管控制信號分別接第一與非門(3)的兩個輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于同步整流技術(shù)的開關(guān)磁阻電機(jī)控制器，其特征在于所述電流采樣電路(5 )采用高精度低溫度系數(shù)的康銅絲制成的第一電阻(Rl)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于同步整流技術(shù)的開關(guān)磁阻電機(jī)控制器，其特征在于所述采樣放大電路(6)為基于運(yùn)算放大器的電壓放大電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于同步整流技術(shù)的開關(guān)磁阻電機(jī)控制器，其特征在于所述微處理器(I)為32位單片機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于同步整流技術(shù)的開關(guān)磁阻電機(jī)控制器，包括微處理器、第一與門、第一與非門、電流采樣電路、采樣放大電路、磁阻電機(jī)位置傳感器和功率變換器。電機(jī)運(yùn)行階段，微處理器通過分析來自開關(guān)磁阻電機(jī)位置傳感器的信號，確定當(dāng)前開通相。同時根據(jù)采樣放大電路的采樣放大信號，確定當(dāng)前的電流狀態(tài)。微處理器根據(jù)開關(guān)磁阻電機(jī)位置狀態(tài)和電流狀態(tài)，對功率變換器中的上下續(xù)流MOS管進(jìn)行控制。本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)利用MOS管溝道在開關(guān)磁阻電機(jī)繞組續(xù)流階段提供續(xù)流通道，產(chǎn)生較現(xiàn)有二極管續(xù)流技術(shù)更小的導(dǎo)通損耗，從而降低能量損耗及降低功率變換器溫升，系統(tǒng)更可靠安全。從而實(shí)現(xiàn)續(xù)流管的低溫度效果，提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。
文檔編號H02P6/00GK102843077SQ20121034621
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月18日
發(fā)明者鐘銳, 趙榮渟, 陳磊, 錢欽松, 孫偉鋒, 陸生禮, 時龍興 申請人:東南大學(xué)