一種無刷直流電機功率變換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種無刷直流電機功率變換器，包括直流電源、電容Ⅰ、電容Ⅱ、開關管Ⅰ、開關管Ⅱ、開關管Ⅲ、二極管Ⅰ、二極管Ⅱ、二極管Ⅲ、電感L、三相逆變橋。該無刷直流電機功率變換器在一個開關周期內，首先向電感儲能，然后通過控制開關管，分別使電感能量流向兩個電容，并且通過控制開關管的占空比來控制流向兩個電容能量的大小，實現(xiàn)升壓和降壓。通過切換開關，可以使無刷直流電機上的供電電壓迅速改變。本發(fā)明采用的功率器件少，結構簡單，抑制了無刷直流電機的轉矩脈動，提高了動態(tài)響應速度。
【專利說明】一種無刷直流電機功率變換器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種功率變換器，更具體的說，涉及一種無刷直流電機功率變換器。
【背景技術】
[0002]近年來，無刷直流電機因其功率密度高、調速性能優(yōu)越、控制簡單等優(yōu)點，得到越來越廣泛的應用。然而其固有的換向轉矩脈動大的缺點，限制了其在低轉矩脈動、低噪聲以及高精度調速系統(tǒng)中的應用。為了抑制無刷直流電機的換向轉矩脈動，眾多的方法被提出來，如電流斬波法，重疊換向法，直接轉矩控制等，但是從控制策略入手，只能在特定的速度范圍內抑制換向轉矩脈動，不能在全速范圍內抑制換向轉矩脈動。
[0003]現(xiàn)有技術中，無刷直流電機一般都是通過三相逆變橋控制，不能夠滿足快速切換轉速的要求，當無刷直流電機工作在穩(wěn)定的轉速狀態(tài)時，需要快速加速或減速時，這種拓撲結構的控制動態(tài)響應慢，無法實現(xiàn)快速切換速度。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術問題是:提出一種無刷直流電機功率變換器，解決了無刷直流電機轉矩脈動大的問題。
[0005]本發(fā)明為解決上述技術問題，采用如下技術方案:
一種無刷直流電機功率變換器，其特征在于:包括直流電源、電容1、電容I1、開關管1、開關管I1、開關管II1、二極管1、二極管I1、二極管II1、電感L、三相逆變橋；其中，所述直流電源正極分別與電容II的負極、開關管I的輸入端連接；所述電容II的正極分別與二極管II的陰極、開關管III的輸入端連接；所述開關管III的輸出端分別與二極管III的陰極、三相逆變橋輸入端的正極連接；所述開關管I的輸出端分別與所述電感的一端、二極管I的陰極連接；所述電感的另一端分別與二極管II的陽極、開關管II的輸入端連接；所述開關管II輸出端分別與所述二極管III的陽極、電容I的正極連接；所述電源的負極分別與二極管I的陽極、電容I的負極、三相逆變橋輸入端的負極連接；所述三相逆變橋的輸出端與所述無刷直流電機連接。
[0006]為了更進一步說明本方案的電路，所述開關管為MOS管、三極管、IGBT中的至少一種。
[0007]為了實現(xiàn)上述方案快速調壓，快速切換供電電平的目的，進一步解決無刷直流電機動態(tài)響應慢的問題，本發(fā)明還提出了一種基于該無刷直流電機功率變換器的控制方法，該方法包括調壓過程、供電切換過程；其中
(1)調壓過程:
在一個工作周期內，首先，使開關管1、開關管II同時處于導通狀態(tài)；然后依次斷開開關管1、開關管II，保持開關管I的占空比小于開關管II的占空比，一個調壓工作周期結束；
(2)供電切換過程: 當無刷直流電機需要低電壓供電時，控制開關管III截止；當無刷直流電機需要高電壓供電時，控制開關管III導通。
[0008]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下有益效果:
1、使用少量的元器件優(yōu)化了無刷直流電機功率變換器的電路結構，使得電路結構簡單、成本較低、控制方便，能夠在多種特殊場合使用，如需要電機突加負載的場合應用等；實現(xiàn)快速調節(jié)母線電壓，并且能夠實現(xiàn)輸出在高平和低電平之間進行快速切換，兩種電壓之間的切換僅在開關閉合和關斷的時間內完成，從原理上抑制無刷直流電機在全速范圍內的換向轉矩脈動，解決了采用BUCk-BOOST，Cuk等升降壓變換器控制的無刷直流電機不能快速調壓的問題。
[0009]2、本發(fā)明提出無刷直流電機功率變換器，通過控制三個功率開關管，控制高壓端和低壓端的輸出電平，并且實現(xiàn)輸出高低電平的選擇。在正常工作期間，功率變換器輸出低電平，在換相期間，通過開關管的切換，功率變換器輸出高電壓，以提高母線電壓補償換相期間電磁轉矩的跌落。
[0010]3、通過調節(jié)功率開關管的占空比，能夠對輸出高低電平的大小進行快速控制。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明的硬件連接圖。
[0012]圖2為本發(fā)明無刷直流電機功率變換器工作在電感儲能狀態(tài)的狀態(tài)圖。
[0013]圖3為本發(fā)明無刷直流電機功率變換器工作在電感能量流向低壓端狀態(tài)的狀態(tài)圖。
[0014]圖4為無刷直流電機功率變換器工作在電感能量流向高壓端狀態(tài)的狀態(tài)圖。
[0015]圖5為本發(fā)明電感電流工作狀態(tài)波形圖。
[0016]圖6為本發(fā)明無刷直流電機功率變換器工作在低壓端放電的狀態(tài)圖。
[0017]圖7為本發(fā)明無刷直流電機功率變換器工作在高壓端放電的狀態(tài)圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案進行詳細說明:
以功率開關管1、I1、III均為MOS管為例，詳細說明本技術方案:
一種無刷直流電機功率變換器，其特征在于:包括直流電源、電容1、電容I1、開關管1、開關管I1、開關管II1、二極管1、二極管I1、二極管II1、電感L、三相逆變橋；其中，所述直流電源正極分別與電容II的負極、開關管I的輸入端連接；所述電容II的正極分別與二極管II的陰極、開關管III的輸入端連接；所述開關管III的輸出端分別與二極管III的陰極、三相逆變橋輸入端的正極連接；所述開關管I的輸出端分別與所述電感的一端、二極管I的陰極連接；所述電感的另一端分別與二極管II的陽極、開關管II的輸入端連接；所述開關管II輸出端分別與所述二極管III的陽極、電容I的正極連接；所述電源的負極分別與二極管I的陽極、電容I的負極、三相逆變橋輸入端的負極連接；所述三相逆變橋的輸出端與所述無刷直流電機連接。
[0019]本實施例硬件連接如圖1所示，包括直流電源Ud、兩個電解電容即電解電容C1和電解電容C2,三個功率開關管即功率開關管S1、功率開關管S2、功率開關管S3,三個二極管即二極管D1、二極管D2、二極管D3, —個電感L、以及開關管a+、a_、b+、b_、c\ c_，二極管Da+、Da_、Db+、Db_、D。+、D?！粋€無刷直流電機M。其中，所述直流電源正極分別與電容C2的負極、功率開關管S1的輸入端連接；所述電容C2的正極分別與二極管D2的陰極、功率開關管S3的輸入端連接；電源的負極分別接二極管Dp DpH-的陽極、電容C1的負極和功率開關管a' b' (Γ的輸出端；功率開關管S1的輸出端分別接二極管D1的陰極和電感L的一端；電感L的另一端分別接功率開關管S2的輸入端和二極管D2的陽極；功率開關管S2的輸出端分別接電容C1的正極和二極管D3的陽極；功率開關管S3的輸出端分別接二極管D3、Da+、Db+、Dc+的陰極和功率開關管a+、b+、c+的輸入端；二極管Da+的陽極分別接功率開關管a+的輸出端、功率開關管a_的輸入端、二極管Da_的陰極和無刷直流電機M的A相，二極管Db+的陽極分別接功率開關管b+的輸出端、功率開關管b_的輸入端、二極管Db_的陰極和無刷直流電機M的B相，二極管D。+的陽極分別接功率開關管C+的輸出端、功率開關管c的輸入端、二極管Dc_的陰極和無刷直流電機M的C相。
其中，電容C1的正極電壓為Vtjl,電容C2的正極電壓為Vtj2,功率開關管S1、功率開關管S2、功率開關管S3的輸入端連接控制信號。
[0020]本發(fā)明控制方法及工作過程如下:
本發(fā)明提出無刷直流電機功率變換器，通過控制三個功率開關管，控制高壓端和低壓端的輸出電壓，并且實現(xiàn)輸出高低電壓的選擇。通過控制功率開關管S1、S2的占空比，調節(jié)V01, V02的電壓，通過控制功率開關管S3的導通和截止來選擇輸出高電壓或者低電壓，因此基于該功率變換器的控制方法可以分為兩個部分，一是調壓過程，二是供電切換過程。本發(fā)明提出無刷直流電機·功率變換器，通過控制三個功率開關管，控制高壓端和低壓端的輸出電平，并且實現(xiàn)輸出高低電平的選擇，改變母線電壓，抑制無刷直流電機換向轉矩脈動。
[0021]具體工作過程如下:
(I)調壓過程:
如圖2所示，為電感L、電容C1的充電過程，控制功率開關管S1、功率開關管S2同時處于導通狀態(tài)，此時，直流電源Ud、功率開關管Sp電感L、功率開關管S2、電容C1組成回路，直流電源Ud開始為電感L、電容C1充電，其波形圖如圖5所示，O至h區(qū)間內，功率開關管Sp功率開關管S2均為高電平導通狀態(tài)，電感L的電流k線性增加，電感L儲能，電容C1的正極電壓V。,增大。
[0022]如圖3所示，為電感L放電、電容C1繼續(xù)充電的過程，控制功率開關管S1斷開，此時二極管D1導通，二極管Dp電感L、功率開關管S2、電容C1組成回路，電感L放電為電容C1繼續(xù)充電，波形·圖如圖5所示，t0至h區(qū)間內，功率開關管S1為低電平截止狀態(tài)、功率開關管S2為高電平導通狀態(tài)，電感L的電流k線性減小，電容C1的正極電壓Vtjl繼續(xù)增大。
[0023]如圖4所示，為電感L放電、電容C2充電的過程，控制功率開關管S2斷開，此時二極管D2導通，二極管D1、電感L、二極管D2、電容C2、直流電源Ud組成回路，電感L放電為電容C2充電，波形圖如圖5所示，&至12區(qū)間內，功率開關管S1、功率開關管S2均為低電平截止狀態(tài)，電感L的電流k線性減小，電容C2的正極電壓Vtj2增大。
[0024]以上為一個調壓工作周期內的工作過程，在一個周期內，功率開關管S1的占空比始終要小于功率開關管S2的占空比，由于電容C2的負極與直流電源UdE極連接，所以電容C2充電后的電壓\2大于直流電源Ud的電壓，并且通過控制功率開關管S1、功率開關管S2的占空比，使得電容C1的正極電壓Vtjl小于直流電源Ud的電壓。
[0025](2)供電切換過程
電路達到穩(wěn)態(tài)時，Vtjl為低壓端的輸出，Vtjl小于Ud ；Vo2為高壓端的輸出，Vtj2大于Udo如圖6所示，當無刷直流電機處于傳導期間時，以AB兩相傳導為例，此時使功率開關管S3關斷，低壓端輸出Vtjl通過二極管D3給無刷直流電機供電，三相逆變橋中a+，b_開通。
[0026]如圖7所示:當無刷直流電機處于換向期間時，以AB相換向到AC相為例，此時使開關管III導通，由于Vtj2大于Vtjl,因此二極管III反向截止，由高壓端N02向無刷直流電機供電，三相逆變橋中a+，c開通，二極管Db+續(xù)流。
[0027]當功率開關管SpS2、S3為三極管或IGBT時，將上述電路中相應的MOS管替換成三極管或IGBT，替換原則如下:三極管的基極、IGBT的門極對應MOS管的柵極；三極管的集電極、IGBT的集電極對應MOS管的漏極；三極管的發(fā)射極、IGBT的發(fā)射極對應MOS管的源極連接，控制方法與使用MOS管的控制方法相同。
【權利要求】
1.一種無刷直流電機功率變換器，其特征在于:包括直流電源、電容1、電容I1、開關管1、開關管I1、開關管II1、二極管1、二極管I1、二極管II1、電感L、三相逆變橋；其中，所述直流電源正極分別與電容II的負極、開關管I的輸入端連接；所述電容II的正極分別與二極管II的陰極、開關管III的輸入端連接；所述開關管III的輸出端分別與二極管III的陰極、三相逆變橋輸入端的正極連接；所述開關管I的輸出端分別與所述電感的一端、二極管I的陰極連接；所述電感的另一端分別與二極管II的陽極、開關管II的輸入端連接；所述開關管II輸出端分別與所述二極管III的陽極、電容I的正極連接；所述電源的負極分別與二極管I的陽極、電容I的負極、三相逆變橋輸入端的負極連接；所述三相逆變橋的輸出端與所述無刷直流電機連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的無刷直流電機功率變換器，其特征在于:所述開關管為MOS管、三極管、IGBT中的至少一種。
3.一種基于權利要求1或2所述無刷直流電機功率變換器的控制方法，其特征在于:包括調壓過程、供電切換過程； (1)調壓過程: 在一個工作周期內，首先，使開關管1、開關管II同時處于導通狀態(tài)；然后依次斷開開關管1、開關管II，保持開關管I的占空比小于開關管II的占空比，一個調壓工作周期結束； (2)供電切換過程: 當無刷直流電機需要低電壓供電時，控制開關管III截止；當無刷直流電機需要高電壓供電時，控制開關管III導通。
【文檔編號】H02P6/10GK103427631SQ201310309571
【公開日】2013年12月4日 申請日期:2013年7月23日 優(yōu)先權日:2013年7月23日
【發(fā)明者】盛田田, 王曉琳 申請人:南京航空航天大學