[发明专利]一种永磁无刷直流电机的控制系统

说明书

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种永磁无刷直流电机的控制系统。

背景技术

永磁无刷直流电机主要由电机本体，转子位置传感器和功率逆变电路三部分构成，是一种典型的机电一体化电机。电机本体结构与普通同步电机类似，定子一般采用三相绕组，转子采用永磁体励磁。功率逆变电路按照转子位置传感器输出的导通时序把直流供电电源逆变成交流电源，用于给电机定子三相绕组供电，以便与转子永磁磁场相互作用产生连续的电磁转矩。功率逆变电路一般采用三相桥式结构（也称三相桥式逆变器），由六个功率开关管组成，常用的功率开关管有大功率晶体管（GTR）、金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。转子位置传感器检测永磁转子的位置，输出三相位置信号，并经逻辑处理、功率放大后形成功率逆变电路的触发信号，目前多采用霍尔集成电路。

永磁无刷直流电机因其结构简单、功率密度大、调速性能好等优点，在航空航天、家用电器、工业控制、汽车电子等不同领域得到广泛应用。但在一些特殊应用场合，如电动汽车牵引、数控机床电主轴驱动等领域，要求永磁无刷直流电机在基速以下保持恒转矩运行，在基速以上的较宽速度范围内保持恒功率运行，基速以下调速运行可以通过调整母线电压实现，基速以上运行时，母线电压已经达到最大值，无法调节，只能通过弱磁控制实现恒功率调速运行。但是永磁无刷直流电机的磁场是由永磁体产生，无法直接调节，在不改变电机本体结构的情况下，实现弱磁控制，需要使各相开关管的导通时序超前一定角度，即电流超前导通法（以下简称CPA方式）。

但是在传统的六功率开关管三相桥式逆变器上采用CPA控制时，随着超前角度的增加，非导通相绕组的反电势会通过续流二极管向电源回馈能量，使逆变器中电流迅速增大，阻碍转速升高。因此，在逆变器器容量有限的情况下，传统的CPA控制方式很难获得较大的恒功率调速范围。

公告号为CN100397774C的中国专利公开了一种永磁无刷直流电机弱磁驱动装置，其使用反向串联的一对功率开关管代替传统三相桥式逆变器中的单管，一共需要十二个功率开关管，其两个反向串联的功率开关管由同一个触发信号驱动，虽然能够阻断回馈电流的通路，但同时也阻断了正常运行时必需的续流回路。永磁无刷直流电机在换向过程以及基速以下斩波调速运行时，都需要为感性绕组电流提供续流通路，否则会产生很高的电压尖峰（变压器电势），影响功率开关管的可靠运行。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种永磁无刷直流电机的控制系统，既能够提供正常运行时必需的续流回路，又能够有效抑制非导通相反电势引起的回馈电流。

一种永磁无刷直流电机的控制系统，包括一驱动装置和一控制器；所述的驱动装置包括：

变流单元，用于为电机提供三相交流电能；

续流单元，用于为电机三相定子绕组提供续流回路；

切换控制单元，用于控制所述的续流单元的工作状态；

所述的控制器用于为变流单元提供PWM信号并采集电机的转子位置角，进而根据所述的转子位置角生成开关控制信号以驱动切换控制单元。

所述的变流单元包括一直流源和一逆变器，所述的逆变器采用三相桥式逆变电路，其每个桥臂由至少一个功率开关器件串联组成；该逆变电路的直流侧与直流源对应连接，交流侧与电机三相定子绕组对应连接。

所述的续流单元采用三相桥式整流电路，其每个桥臂由至少一个二级管串联组成；该整流电路的直流侧通过切换控制单元与变流单元的直流侧对应连接，交流侧与电机三相定子绕组对应连接。

所述的切换控制单元由两个功率开关管Z1～Z2构建；其中，功率开关管Z1连接于变流单元直流侧正极端与续流单元直流侧正极端之间，功率开关管Z2连接于变流单元直流侧负极端与续流单元直流侧负极端之间。

所述的功率开关器件采用不带有反并二极管的开关管，可使用IGBT（绝缘栅双极型晶体管），也可以使用MOSFET（金属氧化物半导体场效应管），根据选用功率开关器件类型的不同，对电路拓扑结构及其驱动电路进行优化。

所述的控制器根据以下控制策略生成开关控制信号以驱动切换控制单元：

当变流单元的换向超前角θ为0＜θ＜π/6时：

当变流单元的换向超前角θ为π/6≤θ＜π/2时：

其中：S₁和S₂分别为功率开关管Z1和功率开关管Z2的开关控制信号，为电机的转子位置角，n为整数。