多相無刷直流電機及其驅(qū)動方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無刷直流電機，具體涉及一種多相無刷直流電機及其驅(qū)動方法。
【背景技術(shù)】
[0002]和其他電機相比，無刷直流電機電機有節(jié)能和可靠性高兩個優(yōu)點，越來越流行。單相直流驅(qū)動通過有一個霍爾效應(yīng)傳感器的單H橋逆變實現(xiàn)，另外，無論是基于傳感器的，或者無傳感器的傳統(tǒng)三相直流電機通常用三個半橋來驅(qū)動，其相線圈繞組一般采用星型接法，如圖1所示，三個相線圈繞組I具有公共端點。梯形，正弦，磁場定向控制是最常見的換向方法。但是這種情況下，逆變器輸出的只能是類似正弦的電壓或電流，而這種電壓或電流用來驅(qū)動的直流無刷馬達會導(dǎo)致多的功耗和可聽見的噪音。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是，如何提供一種多相無刷直流電機及其驅(qū)動方法，突破常規(guī)線圈繞組星型接法，用更完美的正弦電壓和電流來驅(qū)動每一組線圈，從而能大大提升直流無刷馬達的性能。
[0004]本發(fā)明的第一個上述技術(shù)問題這樣解決，構(gòu)建一種多相無刷直流電機，包括電機本體及其驅(qū)動模塊，所述驅(qū)動模塊包括相線圈繞組，其特征在于，該驅(qū)動模塊還包括:
[0005]控制器，各個不同輸出端分別控制電連接每個相的H橋單級逆變器的控制腳，其輸出信號為:脈寬調(diào)制的正弦波，分別驅(qū)動每個相的H橋單級逆變器，每個脈寬調(diào)制的正弦波信號的頻率與幅度相同；
[0006]每個相的H橋單級逆變器，輸出端對應(yīng)電連接的各自對應(yīng)的相線圈繞組的兩端；
[0007]所述相線圈繞組是沒有公共端點的獨立相線圈繞組；每相鄰二個所述相線圈繞組對應(yīng)的所述脈寬調(diào)制的正弦波之間具有非零相位差且相位差是相同的。
[0008]按照本發(fā)明提供的多相無刷直流電機，所述相位也稱為夾角，相位差也稱為夾角差。
[0009]按照本發(fā)明提供的多相無刷直流電機，所述直流電機定子線圈繞組是2組、3組或2與3的任意倍數(shù)。
[0010]按照本發(fā)明提供的多相無刷直流電機，所述控制器是FPGA (Field —Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列)或具有可編程邏輯陣列的其他電子元件。脈寬調(diào)制正弦波通過CORDIC (Coordinate Rotat1n Digital Computer，坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算方法)算法和乘法器來實現(xiàn)。
[0011]按照本發(fā)明提供的多相無刷直流電機，所述控制器是模擬或數(shù)字電路單元。脈寬調(diào)制正弦波通過硬件電路實現(xiàn)。
[0012]本發(fā)明的另一個上述技術(shù)問題這樣解決，構(gòu)建一種多相無刷直流電機的驅(qū)動方法，其特征在于，利用控制器和每一相的輸出端電連接對應(yīng)獨立相線圈繞組兩端的H橋單級逆變器，包括以下步驟:
[0013]501)控制器輸出頻率與幅度相同的脈寬調(diào)制的正弦波來分別驅(qū)動每個相的Η橋單級逆變器；每相鄰二個所述相線圈繞組對應(yīng)的所述脈寬調(diào)制的正弦波之間具有非零相位差且相位差是相同的；
[0014]502)每個相的Η橋單級逆變器向各自對應(yīng)電連接的獨立相線圈繞組輸出對應(yīng)相位的正弦波驅(qū)動電壓或正弦波驅(qū)動電流。
[0015]按照本發(fā)明提供的多相無刷直流電機的驅(qū)動方法，每個Η橋單級逆變器優(yōu)選都工作在單級模式。
[0016]按照本發(fā)明提供的多相無刷直流電機的驅(qū)動方法，所述直流電機定子線圈繞組是2組、3組或2與3的任意倍數(shù)。
[0017]本發(fā)明提供的多相無刷直流電機及其驅(qū)動方法，突破常規(guī)線圈繞組星型接法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)勢:
[0018]1、每個繞組使用Η橋單級逆變器；
[0019]2、線圈繞組沒有公共端點的，互不影響；
[0020]3、算法簡單，實現(xiàn)所有的繞組全部用平滑的純正弦波來驅(qū)動。
【附圖說明】
[0021]下面結(jié)合附圖和具體實施例進一步對本發(fā)明進行詳細說明。
[0022]圖1是傳統(tǒng)三相無刷直流電機的電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2是本發(fā)明優(yōu)選實施例的三相無刷直流電機的電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖3是圖1中Η橋單級逆變器的電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖4是圖3所示Η橋單級逆變器輸出的脈寬調(diào)制的正弦波時序示意圖；
[0026]圖5是圖3所示Η橋單級逆變器的控制信號與輸出電壓之間的真值表示意圖；
[0027]圖6是本發(fā)明優(yōu)選實施例的二相無刷直流電機的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]其中附圖標(biāo)記:1 -相線圈繞組。
【具體實施方式】
[0029]本發(fā)明優(yōu)選實施例的三相無刷直流電機，結(jié)構(gòu)如圖2所示，使用三個Η橋單級逆變器驅(qū)動三相無刷直流電機，并且這個電機配置了三組沒有公共端點的獨立的相線圈繞組1，從而實現(xiàn)所有的繞組都用平滑的純正弦波來驅(qū)動，使電機相線圈繞組1具有最小電力諧波，達到最大的驅(qū)動效率。另外，該電機使用了一個功能強大的高速FPGA同時驅(qū)動三個Η橋單級逆變器。
[0030]本發(fā)明優(yōu)選實施例中的Η橋單級逆變器，結(jié)構(gòu)如圖3所示，通過四個柵極gl，g2，g3和g4驅(qū)動，輸出電機驅(qū)動信號VAB。為了達到最好的開關(guān)效率，所有的逆變器都以柵極信號驅(qū)動，單級模式運行，如圖4所示，其中:VAN是A相對假想工作地N的電壓，VBN是A相對假想工作地N的電壓。
[0031]本發(fā)明優(yōu)選實施例的三相無刷直流電機具體工作原理如下:
[0032]通過柵極驅(qū)動的每個逆變器被FPGA對應(yīng)的一組4個數(shù)字引腳驅(qū)動。為了讓驅(qū)動繞組的信號能是完全平滑的純正弦波，這里采用正弦脈沖寬度調(diào)制方法，在每個周期傳送恒定振幅但脈寬占空比變化的PWM信號給每一組Η橋逆變器。占空比變化的正弦波PWM信號在每個繞組上流動，這樣在繞組上的電壓波形就類似AC信號，并且為了達到最好的開關(guān)效率，所有的逆變器都以柵極信號驅(qū)動，單級模式運行。三相無刷直流電機中功能強大的高速FPGA，內(nèi)嵌CORDIC正弦算法，用32數(shù)據(jù)位來確定角度，其范圍為0?360度。角度的正弦值(從+1.0到-1.0)通過24位數(shù)據(jù)來表示，最小精確到2秒，數(shù)據(jù)的符號決定了流過繞組的電流的方向，通過一個24位乘24位的乘法器，將角度正弦值的24位數(shù)據(jù)與開關(guān)頻率相乘，將得出PWM信號的占空比。按照固定的時間間隔，把一個恒定值和累計的角度值相加，一個恒定的單級調(diào)制正弦波就產(chǎn)生了，改變這個恒定值或者時間間隔，將導(dǎo)致正弦波頻率的改變。
[0033]在該實施例中，為了驅(qū)動三相直流電機，通過把32位滿刻度值1/3與角度值相加，得到落后于第一相繞組120度的第二相繞組相位電流的正弦波數(shù)據(jù)，同樣通過把32位滿刻度值2/3與角度值相加，得到落后于第一相繞組240度的第三相繞組相位電流的正弦波數(shù)據(jù)，按照這個順序，電流先后流進各相繞組，從而帶動電機轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)完美同步。
[0034]圖5給出了 FPGA給到Η橋逆變器的控制信號和逆變器橋輸出到馬達的相電壓之間的真值關(guān)系。
[0035]對于不同類型的多相電機，只要它的相與相之間的角度是相同的，都可以可采用同樣的方法來驅(qū)動，比如相位角度為90度的兩相無刷直流電機，其電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。二相直流電機的FPGA控制算法與三相直流電機的類似，二相直流電機的FPGA給到Η橋逆變器的控制信號和逆變器橋輸出到馬達的相電壓之間的真值關(guān)系與三相直流電機的相同，不再重復(fù)描述。
[0036]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明權(quán)利要求范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明權(quán)利要求的涵蓋范圍。
【主權(quán)項】
1.一種多相無刷直流電機，包括電機本體及其驅(qū)動模塊，所述驅(qū)動模塊包括相線圈繞組(1)，其特征在于，該驅(qū)動模塊還包括: 控制器，各個不同輸出端分別控制電連接每個相的Η橋單級逆變器的控制腳，其輸出信號為:脈寬調(diào)制的正弦波，分別驅(qū)動每個相的Η橋單級逆變器，每個脈寬調(diào)制的正弦波信號的頻率與幅度相同； 每個相的Η橋單級逆變器，輸出端對應(yīng)電連接的各自對應(yīng)的相線圈繞組的兩端； 所述相線圈繞組是獨立相線圈繞組；每相鄰二個所述相線圈繞組對應(yīng)的所述脈寬調(diào)制的正弦波之間具有非零相位差且相位差是相同的。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述多相無刷直流電機，其特征在于，所述相線圈繞組是2組、3組或2與3的任意倍數(shù)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述多相無刷直流電機，其特征在于，所述控制器是FPGA。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述多相無刷直流電機，其特征在于，所述控制器是模擬或數(shù)字電路單元。5.一種多相無刷直流電機的驅(qū)動方法，其特征在于，利用控制器和每一相的輸出端電連接對應(yīng)獨立相線圈繞組(1)兩端的Η橋單級逆變器，包括以下步驟: 501)控制器輸出頻率與幅度相同的脈寬調(diào)制的正弦波來分別驅(qū)動每個相的Η橋單級逆變器；每相鄰二個所述相線圈繞組對應(yīng)的所述脈寬調(diào)制的正弦波之間具有非零相位差且相位差是相同的； 502)每個相的Η橋單級逆變器向各自對應(yīng)電連接的獨立相線圈繞組(1)輸出對應(yīng)相位的正弦波驅(qū)動電壓或正弦波驅(qū)動電流。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述多相無刷直流電機的驅(qū)動方法，其特征在于，每個相的Η橋單級逆變器都工作在單級模式。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述多相無刷直流電機的驅(qū)動方法，其特征在于，所述相線圈繞組是2組、3組或2與3的任意倍數(shù)。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種多相無刷直流電機及其驅(qū)動方法，其中電機中驅(qū)動模塊包括依次電連接的控制器、每一相的H橋單級逆變器和獨立相線圈繞組(1)，方法包括：601)控制器輸出頻率與幅度相同的脈寬調(diào)制的正弦波來分別驅(qū)動每一相的H橋單級逆變器；每相鄰二個所述相線圈繞組對應(yīng)的所述脈寬調(diào)制的正弦波之間具有非零相位差且相位差是相同的；602)每一相的H橋單級逆變器向各自對應(yīng)電連接的獨立相線圈繞組輸出對應(yīng)相位的正弦波驅(qū)動電壓或正弦波驅(qū)動電流。這種多相無刷直流電機及其驅(qū)動方法，能實現(xiàn)完美正弦的電壓或電流驅(qū)動，從而提高效率并降低噪音。
【IPC分類】H02P7/29
【公開號】CN105337541
【申請?zhí)枴緾N201510872243
【發(fā)明人】劉振韜
【申請人】劉振韜
【公開日】2016年2月17日
【申請日】2015年12月2日