无刷直流电动机控制系统及其逆变模块技术方案

本实用新型专利技术涉及三相直流电动机的控制技术，为解决现有技术中未能针对三相方波无刷直流电动机实现良好的电流闭环控制的问题，本实用新型专利技术提出了对方波无刷永磁直流电动机的实现电流闭环控制的新方案，具体包括无刷直流电动机控制系统、以及相应的逆变模块。通过将续流二极管Ｄ１、Ｄ３、Ｄ５的阴极独立于各自开关管的输入端且相互并联至采样线圈Ｌ２，和／或将续流二极管Ｄ４、Ｄ６、Ｄ２的阳极独立于各自开关管的输出端且相互并联至采样线圈Ｌ３；本实用新型专利技术可采用单个合成电流传感器对电动机导通和续流时的三相电流进行完整和连续的采样，并由单个电流闭环调节器对三相电流进行连续的闭环控制，从而大幅提高电动机的动态和静态指标。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及三相直流电动机的控制技术，更具体地说，涉及用于控制 无刷直流电动机的逆变模块、以及使用该逆变模块的无刷直流电动机控制系统；本技术的方案特别适用于对三相方波无刷永磁直流电动机的伺服控 制。
技术介绍
方波无刷永磁直流电动机是一种特殊的无刷直流电机，其相电流和气隙磁 场近似为方波或梯形波。对于三相六状态驱动的无刷直流永磁电动机，其每一 相绕组的正向导通角为120° ，停60° ，然后再反向导通120。，再停60° , 如此循环。其中，每一相绕组的电流是不连续的，这种电流不连续的特性，使 得电流闭环控制变得非常困难，因此，在传统方波无刷直流永磁电动机控制系 统中，很少采用电流闭环控制。现有技术中，对于三相方波无刷直流电动机，通常采用相电流瞬时值来实 现电流闭环控制。这种方案需要三个独立的电流传感器、以及三个独立的电流 调节器，导致其控制电路累赘、复杂，且调整困难、可靠性差，所以在业界极 少被采用。现有技术中也有采用桥臂电流瞬时值来实现电流闭环控制的方案， 但这种电流采样方案忽略了电动机绕组电感的续流作用，只是一种近似电流采 样，由于续流电流在逆变电路和电动机绕组中形成内环流，所以无法在桥臂(母 线)上得到采样，也就无法准确反馈流经电动机绕组并产生转矩的真实电流， 进而无法实现转矩的精确控制；可见，这种方案会产生不能容忍的大值偏差， 所以目前仅用于电流限定值的监测使用。另一方面，在高性能伺服控制系统中，电流闭环、速度闭环和位置闭环控 制通常都是必不可少的。而现有技术中又未能针对三相方波无刷直流电动机实现良好的电流闭环控制，所以在现有的高性能伺服控制系统中，通常不釆用方 波无刷永磁直流电动机，而是采用交流伺服电动机或正弦波无刷永磁直流电动 机，其结果是控制系统复杂性大幅增高，且整体成本居高不下。
技术实现思路
针对现有技术的上述缺陷，本技术要解决现有技术中未能针对三相方 波无刷直流电动机实现良好的电流闭环控制的问题，使方波无刷永磁直流电动 机可得到更好的应用。为了解决上述技术问题，本技术首先提供一种用于控制无刷直流电动机的逆变模块，包括与上桥臂连接的开关管Ql、 Q3、 Q5，与下桥臂连接的开 关管关Q4、 Q6、 Q2，与所述各个开关管配合的续流二极管D1、 D2、 D3、 D4、 D5和D6;其中，所述开关管Q1、 Q3、 Q5的续流二极管D1、 D3、 D5的阴极独 立于各自开关管的输入端且相互并联；所述开关管Q4、 Q6、 Q2的续流二极管 D4、 D6、 D2的阳极独立于各自开关管的输出端且相互并联。本技术中，可将上述用于控制无刷直流电动机的逆变模块制成集成电 路芯片。具体实施时，还可仅将上桥臂的续流二极管D1、 D3、 D5的阴极独立 于各自开关管的输入端且相互并联，形成第二种用于控制无刷直流电动机的逆 变模块；或者仅将下桥臂的续流二极管D4、 D6、 D2的阳极独立于各自开关管 的输出端且相互并联，形成第三种用于控制无刷直流电动机的逆变模块。另一方面，对应于上述第一种用于控制无刷直流电动机的逆变模块，本实 用新型提供一种无刷直流电动机控制系统，包括用于向所述三相电动机输出工 作电源的逆变电路，以及用于检测所述三相电动机工作电流的电流传感器；所 述逆变电路中包括与上桥臂连接的开关管Ql、 Q3、 Q5，与下桥臂连接的开关 管关Q4、 Q6、 Q2，与所述各个开关管配合的续流二极管D1、 D2、 D3、 D4、 D5 和D6;其中，所述电流传感器中包括三个匝数相同的采样线圈L1、 L2、 L3， 三者绕制在同一铁芯上，在所述铁芯上还装有一个根据该铁芯的磁通变化而输 出电流传感结果的传感元件；所述开关管Q1、 Q3、 Q5的续流二极管D1、 D3、D5的阴极独立于各自开关管的输入端且相互并联至所述釆样线圈L2的同名 端，所述采样线圈L2的异名端与所述上桥臂连接；所述开关管Q4、 Q6、 Q2 的续流二极管D4、 D6、 D2的阳极独立于各自开关管的输出端且相互并联至所 述采样线圈L3的异名端，所述采样线圈L3的同名端与所述下桥臂连接；所述 采样线圈Ll串接于所述上桥臂中且其同名端与直流电源正极连接，或串接于 所述下桥臂中且其异名端与直流电源负极连接。本技术中，对应于上述第二种用于控制无刷直流电动机的逆变模块， 可只设置两个采样线圈L1、 L2，省略采样线圈L3，得到第二种控制系统方案； 对应于上述第二种用于控制无刷直流电动机的逆变模块，可只设置两个采样线 圈L1、 L3，省略采样线圈L2，得到第三种控制系统方案。本技术的无刷直流电动机控制系统中，所述用于输出电流传感结果的 传感元件是一个线性霍尔元件。本技术的无刷直流电动机控制系统中，所述线性霍尔元件的输出电压 幅值作为电流反馈信号送到电流调节器，所述电流调节器的输出送至脉冲调制 电路，所述脉冲调制电路的输出送至换相逻辑电路，所述换相逻辑电路的输出 再送至前置驱动电路，所述前置驱动电路再向所述逆变电路中的各个开关管的 控制端输出相应的驱动脉冲信号；所述逆变电路在所述驱动脉冲信号的控制下 向三相电动机输出工作电源。本技术的无刷直流电动机控制系统中，还包括装于所述直流电动机的 转轴上的位置传感器，其输出信号送至位置/速度接口电路，所述位置/速度接 口电路向速度调节器输出速度反馈电压，向位置调节器输出位置反馈电压，并 向所述换相逻辑电路输出换向位置信号和电机方向信号；所述位置调节器根据 位置给定电压和所述位置反馈电压，向所述速度调节器输出速度给定信号；所 述速度调节器根据所述速度给定信号和速度反馈电压，向所述电流调节器输出 电流给定信号；所述电流调节器根据所述电流给定信号和来自所述线性霍尔元 件的电流反馈信号，向所述脉冲调制电路输出相应的控制信号；所述换相逻辑 电路根据来自所述脉宽调制电路的脉冲信号、以及所述位置/速度接口的换向 位置信号和电机方向信号，向所述前置驱动电路输出相应的控制脉冲。本技术的无刷直流电动机控制系统中，所述三相方波无刷永磁直流电 动机也可以是定子无铁芯直线三相方波无刷永磁直流电动机，或者是定子无铁 芯旋转式三相方波无刷永磁直流电动机。从上述技术方案可以看出，本技术解决了针对三相方波无刷直流电动 机实现良好的电流闭环控制的问题，其中对传统逆变电路作了适当的改进，并 采用一个合成电流传感器对所述电动机导通和续流时的三相电流进行完整、连 续的采样，从而可通过单个电流闭环调节器对所述电动机的三相电流进行连续 的闭环控制。本技术的方案可大幅提高所述电动机的动态和静态指标，本 技术的三相方波无刷永磁直流电动机伺服控制系统可以用于多种数控系 统中，例如数控机床、自动化生产线、机器人等高性能伺服控制场合，具有成 本低、力能指标高等优点。附图说明下面将结合附图及实施例对本技术作进一步说明，附图中 图1是本技术一个优选实施例中的三相方波无刷永磁直流电动机的 伺服控制系统的原理框图2是本技术一个优选实施例中的电流传感器的结构示意图； 图3是本技术第一种逆变电路实施方案的示意图； 图4是本技术第二种逆变电路实施方案的示意图； 图5是本技术第三种逆变电路实施方案的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于控制无刷直流电动机的逆变模块，包括与上桥臂连接的开关管Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５，与下桥臂连接的开关管关Ｑ４、Ｑ６、Ｑ２，与所述各个开关管配合的续流二极管Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５和Ｄ６；其特征在于，所述开关管Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５的续流二极管Ｄ１、Ｄ３、Ｄ５的阴极独立于各自开关管的输入端且相互并联；所述开关管Ｑ４、Ｑ６、Ｑ２的续流二极管Ｄ４、Ｄ６、Ｄ２的阳极独立于各自开关管的输出端且相互并联。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李铁才，周兆勇，漆亚梅，孙翔，王爽，汤平华，
申请(专利权)人：深圳国际技术创新研究院，
类型：实用新型
国别省市：94[中国|深圳]