CN105006986B - 一种直流无刷电机的软开关控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于开关电源的变换电路领域，尤其涉及一种直流无刷电机的软开关控制系统。该软开关控制系统包括直流电源、辅助开关、续流二极管、LC串联电路、辅助电感、移相脉冲发生器以及三相逆变桥；移相脉冲发生器分别输出第一控制脉冲和第二调制脉冲控制辅助开关和逆变桥的通断，且第一控制脉冲与第二调制脉冲的频率和占空比相同，前者仅在相位上超前后者一预设时间。根据此移相脉冲发生器输出的一前一后两组脉冲信号，能够实现辅助开关和三相逆变桥的软开关功能，在所有开关管两端的电压或电流为零时才导通或关断，减少开关切换损耗，降低噪声干扰，使开关条件得以改善，能有效的降低逆变桥故障率，提高逆变器的性能，提高电路工作可靠性。

Description

一种直流无刷电机的软开关控制系统

技术领域

本发明属于开关电源的变换电路领域，尤其涉及一种直流无刷电机的软开关控制系统。

背景技术

近年来，直流无刷电机以其优越的性能获得了迅猛发展，然而，直流无刷电机通常采用硬开关逆变器来驱动。直流无刷电机的逆变器是一个高频开关，存在诸多弊端。例如，硬开关逆变器开通时，开关器件的电流上升和电压下降同时进行；硬开关逆变器关断时，电压上升和电流下降同时进行。因此，电压和电流波形的交叠产生了开关损耗，该损耗随开关频率的提高而急速增加。另一方面，直流无刷电机和分布电感在关断时会感应出尖峰电压，开关频率愈高，关断愈快，该感应电压也愈高，di/dt和dv/dt也同时增大，会产生严重的电磁干扰。高频率工作导致电磁干扰增大，干扰逆变器和周围电子设备的工作。因此，采用硬开关的逆变器系统性能低，开关器件的电压和电流应力也严重限制了逆变器的功率密度和大功率应用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的即在于提供一种直流无刷电机的软开关控制系统，实现软开关控制，降低开关器件的开关损耗和噪声干扰，从而提高逆变器的性能。

为了实现上述目的，本发明提供的直流无刷电机的软开关控制系统，包括：直流电源、辅助开关K7、续流二极管D1、LC串联电路、辅助电感L1、移相脉冲发生器以及通过三个极点与所述直流无刷电机相连的三相逆变桥；

所述辅助开关K7和所述辅助电感L1依次串接在所述直流电源的输出端和所述三相逆变桥回路中，所述续流二极管D1的阴极接所述辅助开关K7和所述辅助电感L1的共接点，所述续流二极管D1的阳极接所述直流电源的地，所述LC串联电路连接在所述辅助开关K7和所述辅助电感L1的共接点与所述直流电源的地之间；所述移相脉冲发生器一方面通过输出第一控制脉冲来控制所述辅助开关K7的通断，另一方面通过输出第二调制脉冲来控制所述三相逆变桥任一桥臂的通断；并且，所述第一控制脉冲与所述第二调制脉冲的频率和占空比相同，所述第一控制脉冲在相位上超前所述第二调制脉冲一预设时间t1。

本发明提供的直流无刷电机的软开关控制系统，移相脉冲发生器输出第一控制脉冲控制辅助开关K7的通断，输出第二调制脉冲来控制三相逆变桥任一桥臂的通断；并且，第一控制脉冲与第二调制脉冲的频率和占空比相同，前者仅在相位上超前后者一预设时间t1。根据此移相脉冲发生器输出的一前一后两组脉冲信号，能够实现辅助开关K7和三相逆变桥的软开关功能，在所有开关管两端的电压或电流为零时才导通或关断，减少开关切换损耗，降低噪声干扰，使开关条件得以改善，能有效的降低逆变桥故障率，提高逆变器的性能，提高电路工作可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的直流无刷电机的软开关控制系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的直流无刷电机的软开关控制系统的工作时序示例图；

图3是与图2对应的各开关管上的电流电压变化波形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是本发明实施例提供的直流无刷电机的软开关控制系统的结构示意图；为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，如图所示：

一种直流无刷电机的软开关控制系统，与直流无刷电机相连，包括：直流电源、辅助开关K7、续流二极管D1、LC串联电路、辅助电感L1、移相脉冲发生器10以及通过三个极点与所述直流无刷电机相连的三相逆变桥。

具体而言，辅助开关K7和辅助电感L1依次串接在直流电源的输出端和三相逆变桥回路中，续流二极管D1并接在辅助开关K7的后端与直流电源地之间，即续流二极管D1的阴极接辅助开关K7与辅助电感L1的共接点，阳极接直流电源地；LC串联电路的一端接辅助开关K7和辅助电感L1的共接点，另一端接直流电源地。移相脉冲发生器10输出两路脉冲信号，一方面通过输出第一控制脉冲Dt+来控制辅助开关K7的通断，另一方面通过输出第二调制脉冲Dt来控制三相逆变桥中任一桥臂开关管K1-K6的通断；并且，第一控制脉冲Dt+与第二调制脉冲Dt的频率和占空比相同，第一控制脉冲Dt+在相位上超前第二调制脉冲Dt一个预设时间t1。

作为一优选实施例，根据控制系统中各元器件的参数配置，该预设时间t1可以设置为0.5～2微秒，即第一控制脉冲Dt+在相位上超前第二调制脉冲Dt为0.5～2微秒。根据图1所示的第一控制脉冲Dt+与第二调制脉冲Dt的示意图，当第一控制脉冲Dt+的正驱动脉冲打开辅助开关K7的0.5～2微秒时间内，直流电源经辅助开关K7、LC串联电路到电源地，给电容C1充电，因为有电感L2串联在电路中，电流只能从零缓慢上升；此时，直流电源、辅助电感L1、三相逆变桥到直流电源地的这个回路，因为三相逆变桥还没有打开而没有电流，所以辅助开关K7是零电流软开通；0.5～2微秒之后辅助开关K7完全打开，三相逆变桥在第二调制脉冲Dt的驱动下开启任一桥臂给电机其中一相绕组通电，因为电感L2串联在该回路中，电流也只能从零缓慢上升，所以三相逆变桥的也是零电流软开通。下一步，在辅助开关K7和逆变桥开通期内，电容C1已充满电，电容C1两端的电压等于电源电压，即辅助开关K7两端的电压相等。辅助开关K7关闭，因为电容C1两端的电压不能突变，在辅助开关K7关断时能够维持电压，所以辅助开关K7是零电压软关断；辅助开关K7关断后，由于辅助电感L1的电流不能突变，续流二极管D1进行续流，辅助电感L1的能量经逆变桥到电机回路释放；与此同时，电容C1的能量经电感L2、辅助电感L1和逆变桥到电机回路释放。0.5～2微秒后，电感L1、电容C1的能量释放完成，此时逆变桥已无电压和电流，逆变桥通电的桥臂也实现零电压和零电流软关断。

由此可知，本发明实施例提供的直流无刷电机的软开关控制系统，在所有开关管两端的电压或电流为零时才导通或关断，切实减少开关切换损耗，降低噪声干扰，使开关条件得以改善，能有效的降低逆变桥故障率，提高逆变器的性能，提高电路工作可靠性。

需要特别强调的是，第一控制脉冲Dt+在相位上超前第二调制脉冲Dt为0.5～2微秒是根据各元器件的参数配置实现的，在具体实施过程中，两路脉冲信号的相位差可以根据实际情况进行配置。并且，产生该两路脉冲信号的移相脉冲发生器的原型可以由软件编程产生，例如在单片机或者DSP中实现，也可以通过硬件电路产生，例如通过放大电路驱动后用于本系统中辅助开关K6和三相逆变桥中各个开关管的通断控制。

在具体实施过程中，直流电源可以为交流市电经整流后形成的直流电源，也可以为由若干电池串并在一起形成的电池组。

具体的，LC串联电路可以包括电感L2和电容C1。继续参见图1，电感L2的第一端接辅助开关K7和辅助电感L1的共接点，电感L2的第二端通过电容C1接直流电源地。实际上，该LC串联电路中的电感L2和电容C1的位置也可以互换，即电容C1的第一端接辅助开关K7和辅助电感L1的共接点，电容C1的第二端通过电感L2接直流电源地。

进一步的，辅助电感L1可以选用带磁芯的电感或者空芯电感。而LC串联电路中的电感L2的选材一般与辅助电感L1相同，只是其过电流要较辅助电感L1小。电容C1一般选用薄膜电容为佳。辅助开关K7一般选用体内带有二极管的MOS管或者IGBT。而三相逆变桥中的六个开关管也同样可以选用MOS管或者IGBT；逆变桥中的每个开关管中分别包括一个功率开关和一个反向并联的续流二极管。图1仅为示意图，并未完整体现开关管的具体结构。

下面再根据图2对本发明实施例提供的直流无刷电机软开关控制系统的移相脉冲控制的工作原理进行简要说明。为了描述方便，这里仅选取三相逆变桥AC相的其中一个控制周期的工作状态来说明，并且，第一控制脉冲Dt+在相位上仍是超前第二调制脉冲Dt为0.5～2微秒。参见图2：

1.T1时刻，第一控制脉冲Dt+控制辅助开关K7打开，逆变桥的开关管都是关断的。电流回路为：直流电源正——辅助开关K7——电感L2——电容C1——直流电源负。本回路中因为串联有电感L2，经过辅助开关K7给电容C2充电的电流从零开始上升，因此，此时辅助开关K7是零电流软开通的。

2.经过T1～T2的时间(时长0.5～2微秒)，在T2时刻，第二调制脉冲Dt打开逆变桥的AC相。电流回路为：直流电源正——辅助开关K7——辅助电感L1——开关管K1——电机绕组——开关管K6——直流电源负。本回路中因为串联有辅助电感L1，直流无刷电机绕组的电流也是从零开始上升，此时逆变桥中的开关管K1、K6零电流软开通。

3.经过T2～T3的时间，到了T3时刻，辅助开关K7关断。因为此时电容C1的两端已充满电，辅助开关K7两端的电压相等，即便辅助开关K7关断，但由于电容C1两端的电压不能突变，因此辅助开关K7是零电压软关断。

4.在T3～T4时刻期间，辅助开关K7已关断，辅助电感L1的电流不能突变。电流回路变为：续流二极管D1+——辅助电感L1——开关管K1——电机绕组——开关管K6——直流电源负——续流二极管D1-(续流时长0.5～2微秒，这里要注意，续流时长跟两路脉冲的相位差时间相等)；与此同时，电容C1进行放电，回路为：电容C1+——电感L2——辅助电感L1——开关管K1——电机绕组——开关管K6——电容C1-。在T4时刻，电感L1续流、电容C1放电完成。

5.T4时刻，由于辅助电感L1续流和电容C1放电已完成，回路中已无电流和电压，三相逆变桥中的开关管K1和/或开关管K6关闭，此时逆变桥开关管K1和/或开关管K6也是零电流、零电压软关闭。

以上过程完成一个调制工作周期，当直流无刷电机换相时，辅助开关K7的控制信号第一控制脉冲Dt+也同时换成另一相调制的相应脉冲。

图3进一步示出了与图2的移相脉冲波形相对应的流经辅助开关K7、逆变桥中开关管K1和K6的电流和电压的波形图。

参见图3，上半部分是辅助开关K7上的电流电压波形图；其中虚线表示的是电压波形，实线表示的是电流波形。下半部分是逆变桥中开关管K1和K6上的电流电压波形，同样的，虚线表示的是电压波形，实线表示的是电流波形。

由图3可知，不论是辅助开关K7还是逆变桥中开关管K1和K6，它们的电压波形与电流波形均没有重叠、交叠的部分，即有电压的时候电流为零、有电流的时候电压又为零，因此，在整个开关过程中，各个开关管都没有产生损耗，切实减少了开关切换损耗，降低噪声干扰，使开关条件得以改善，进一步的降低逆变桥故障率，提高逆变器的性能，提高电路工作可靠性。

值得注意的是，上述实施例中，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

另外，本领域普通技术人员可以理解实现上述各实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，相应的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了较详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改、或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种直流无刷电机的软开关控制系统，其特征在于，所述软开关控制系统包括：直流电源、辅助开关K7、续流二极管D1、LC串联电路、辅助电感L1、移相脉冲发生器以及通过三个极点与所述直流无刷电机相连的三相逆变桥；

所述辅助开关K7和所述辅助电感L1依次串接在所述直流电源的输出端和所述三相逆变桥回路中，所述续流二极管D1的阴极接所述辅助开关K7与所述辅助电感L1的共接点，所述续流二极管D1的阳极接所述直流电源地，所述LC串联电路连接在所述辅助开关K7和所述辅助电感L1的共接点与所述直流电源地之间；所述移相脉冲发生器一方面通过输出第一控制脉冲来控制所述辅助开关K7的通断，另一方面通过输出第二调制脉冲来控制所述三相逆变桥任一桥臂的通断；并且，所述第一控制脉冲与所述第二调制脉冲的频率和占空比相同，所述第一控制脉冲在相位上超前所述第二调制脉冲一预设时间t1。

2.如权利要求1所述的直流无刷电机的软开关控制系统，其特征在于，所述LC串联电路包括电感L2和电容C1；

所述电感L2的第一端接所述辅助开关K7和所述辅助电感L1的共接点，所述电感L2的第二端通过所述电容C1接所述直流电源地。

3.如权利要求1所述的直流无刷电机的软开关控制系统，其特征在于，所述LC串联电路包括电感L2和电容C1；

所述电容C1的第一端接所述辅助开关K7和所述辅助电感L1的共接点，所述电容C1的第二端通过所述电感L2接所述直流电源地。

4.如权利要求2或3所述的直流无刷电机的软开关控制系统，其特征在于，所述辅助电感L1为带磁芯的电感或者空芯电感。

5.如权利要求4所述的直流无刷电机的软开关控制系统，其特征在于，所述电感L2的选材与所述辅助电感L1相同，并且过电流较所述辅助电感L1小；所述电容C1为薄膜电容。

6.如权利要求1所述的直流无刷电机的软开关控制系统，其特征在于，所述辅助开关K7为体内带有二极管的MOS管或者IGBT。

7.如权利要求1所述的直流无刷电机的软开关控制系统，其特征在于，所述移相脉冲发生器包括单片机或者DSP。

8.如权利要求1所述的直流无刷电机的软开关控制系统，其特征在于，所述直流电源为交流市电整流后的直流电源或者为电池串并在一起形成的电池组。

9.如权利要求1所述的直流无刷电机的软开关控制系统，其特征在于，所述三相逆变桥中的六个开关管均为MOS管或者IGBT；每个开关管中分别包括一个功率开关和一个反向并联的续流二极管。