CN105207548A - 电子换向串励直流电机四象限运行控制装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可实现电子换向串励直流电机电子换向、速度调节、回馈发电等控制目标的电子换向串励直流电机四象限运行控制装置及其方法。包括采用半导体开关元件组成的整流逆变三相桥式电路，一个二极管，一个本地控制单元，一个驱动电路，一个位置传感器。本地控制单元通过位置传感器确定电机转子位置，选择控制整流逆变桥中六个开关管中的两个作为一组供电开关对，为电机三相绕组中的两相供电，通过改变此供电开关对的占空比，便能实现电子换向串励直流电机的驱动与调压调速。本发明的结构合理简单，方法先进，能够实现快速换向、回馈发电等控制功能，体积小，成本低，对串励电机的推广与应用起到积极作用。

Description

电子换向串励直流电机四象限运行控制装置及其方法

技术领域

本发明公开了一种电子换向串励直流电机四象限运行控制装置及其方法，属于直流有刷电机控制领域，特别涉及串励直流电机控制领域。

背景技术

串励直流电机因具有起动转矩大、过载能力强等优点，在工农业生产中应用十分广泛。传统结构串励电机内部换向器在电流过大的时候容易出现换向失败和环火等现象；无刷直流电机由永磁体提供励磁磁场，在经历过载、过温与震动之后容易出现失磁现象，而这些现象都会降低电机性能。

发明内容

本发明的目的就是针对上述现有技术存在的问题，提供一种可实现电子换向串励直流电机电子换向、速度调节、回馈发电等控制目标的电子换向串励直流电机四象限运行控制装置及其方法。

本发明有两种技术方案：

方案一：本发明装置包括采用半导体开关元件组成的整流逆变三相桥式电路，一个二极管，一个本地控制单元，一个驱动电路，一个位置传感器。其特征在于：所述整流逆变三相桥式电路三个下臂公共端接于电池负端，三个上臂公共端接于励磁绕组和二极管阳极的公共端，三组桥臂中上、下臂开关管公共端与所述电子换向串励直流电机采用三相星形接法的定子相连；所述二极管与励磁绕组并联，阴极接于电池正端，阳极接于整流逆变三相桥式电路的上臂公共端；所述本地控制单元通过位置传感器采样转子位置信号，通过驱动电路与所述整流逆变三相桥式电路相连。

方案二：本发明装置包括采用半导体开关元件组成的整流逆变三相桥式电路，一个二极管，一个本地控制单元，一个驱动电路，一个位置传感器。其特征在于：所述整流逆变三相桥式电路三个上臂公共端接于电池正端，三个下臂公共端接于励磁绕组和二极管阴极的公共端，三组桥臂中上、下臂开关管公共端与所述电子换向串励直流电机采用三相星形接法的定子相连；所述二极管与励磁绕组并联，阳极接于电池负端，阴极接于整流逆变三相桥式电路的下臂公共端；所述本地控制单元通过位置传感器采样转子位置信号，通过驱动电路与所述整流逆变三相桥式电路相连。

本发明还提出电子换向串励直流电机四象限运行的控制方法：

对于本发明提出的两种设计方案，所述本地控制单元通过位置传感器确定电机转子位置，选择控制整流逆变桥中六个开关管中的两个作为一组供电开关对，为电机三相绕组中的两相供电，通过改变此供电开关对的占空比，便能实现电子换向串励直流电机的驱动与调压调速；每当转子转过60°时，单片机便切换电枢绕组的供电开关对，按照一定的导通逻辑顺序依次切换供电开关对，便能实现电机的连续运转。逆变器的频率由位置传感器检测到的转子位置信号决定，是自动完成，无需控制系统加以干涉与控制。当电机需要反向旋转时，对整流逆变三相桥式电路中开关对的控制逻辑取反，便能改变电枢绕组中的电流方向，实现电机电磁力矩方向的改变，控制电机反向旋转。

为了让整流逆变三相桥式电路中的半导体开关关断后，电流仍能流过该桥臂，以上两种方案中三相整流逆变桥式电路中半导体开关元件为IGCT或MOSFET或与二极管反向并联的IGBT中的任意一种。

本发明在电机持续受外力驱动，电枢绕组反向电动势大于电池供电电压时，通过控制对应开关管的占空比，可以控制馈电电流的大小和馈电的百分比时间，从而控制电机轴机械能向电源回馈电能的大小。电机转子持续旋转产生旋转磁场，电枢绕组切割磁场产生的感应电动势方向不变。关闭整流逆变三相桥式电路中的所有开关管，电枢绕组因感应电动势产生的电枢电流被迫通过整流逆变三相桥式电路中开关管体内的反向二极管、励磁绕组并联的二极管向电池馈电，实现机械能向电能转变；导通整流逆变三相桥式电路中对应的开关管，可改变电枢电流续流回路，电枢电流在感应电动势的激励下上升，控制对应开关管的占空比，可控制电子换向串励直流电机向电池馈电电流的大小。此时励磁绕组通过并联的二极管续流，维持一定磁场强度，在励磁电流下降到一定程度时，重新选择并导通供电开关对，为励磁绕组充电，维持励磁电流在一定水平。

本发明提供一种可实现电子换向串励直流电机电子换向、速度调节、回馈发电等控制目标的控制装置及其控制方法。包括采用半导体开关元件组成的整流逆变三相桥式电路，一个二极管，一个本地控制单元，一个驱动电路，一个电机转子位置传感器。本地控制单元通过位置传感器确定电机转子位置，选择控制整流逆变桥中六个开关管中的两个作为一组供电开关对，为电机三相绕组中的两相供电，通过改变此供电开关对的占空比，便能实现电子换向串励直流电机的驱动与调压调速。

本发明的结构合理简单，方法先进，电子换向串励直流电机通过电子换向取代传统机械式换向装置，能够实现快速换向、回馈发电等控制功能，体积小，成本低，系统效率高。通过两个碳刷与供电滑环连接电枢与励磁绕组，并为励磁绕组供电的方法，减少传统串励电机的碳刷数量，结构简单、运行稳定性更高；也不会因为长时间过载或者过温等情况造成转子失磁现象，降低电机运行性能。一种实现电子换向串励直流电机电子换向、速度调节、回馈发电等控制目标的控制装置及其控制方法，对串励电机的推广与应用起到积极作用。

附图说明

图1电子换向串励直流电机结构图。

图2方案一电子换向串励直流电机控制拓扑。

图3第一象限电机转子位置及电枢电流。

图4供电开关对M1、M4都导通时电枢与励磁电流流向。

图5开关管M1关断、M4导通时电枢与励磁电流流向。

图6开关管M1关断、M4导通时非导通相续流时电枢与励磁电流流向。

图7第三象限电机转子位置及电枢电流。

图8开关管M2、M3都导通时电枢与励磁电流流向。

图9开关管M2关断、M3导通时电枢与励磁电流流向。

图10第二象限电机转子位置及电枢电流。

图11开关管都关断时电枢与励磁电流流向。

图12开关管M2导通时电枢与励磁电流流向。

图13第四象限电机转子位置及电枢电流。

图14开关管都关断时电枢与励磁电流流向。

图15开关管M2关断、M1导通时电枢与励磁电流流向。

图16方案二电子换向串励直流电机控制拓扑。

具体实施方式

下面详细说明本发明的技术方案。

如图1所示，所述电子换向串励直流电机电枢绕组采用三相星形接法，安装在定子上；励磁绕组为绕线式，安装在转子上；通过两个封闭滑环将励磁绕组与电枢绕组串联，并为励磁绕组供电。

所述方案一电子换向串励直流电机控制装置设有采用六个半导体开关元件M1、M2、M3、M4、M5、M6组成的整流逆变三相桥式电路，一个本地控制单元，一个驱动电路，驱动电路为门极驱动电路，一个二极管D,电子换向串励直流电机控制拓扑如图2所示。所述整流逆变三相桥式电路三个下臂公共端接于电池负端A6，三个上臂公共端接于励磁绕组和二极管D阳极的公共端A2，三相整流逆变桥上、下臂公共端A3、A4、A5分别与所述电子换向串励直流电机采用三相星形接法的定子相连；所述二极管D与励磁绕组并联，阴极接于电池正端A1，阳极接于整流逆变三相桥式电路的上臂公共端A2；所述本地控制单元通过位置传感器采样电机转子位置信号，通过驱动电路与整流逆变三相桥式电路相连。

所述整流逆变三相桥式电路中半导体开关元件为IGCT或MOSFET或与二极管反向并联的IGBT中的任意一种。

以方案一为例对电子换向串励直流电机四象限运行进行控制过程分析，方案二拓扑如图16所示，控制方法与方案一类似，将不再赘述。

对所述电子换向串励直流电机转子位置进行区间划分，每60°一个区间，划分成六个区间，转子每转过60°单片机按照一定的逻辑顺序切换一次电枢绕组的供电开关对，始终保持转子受到的电磁转矩方向与电机旋转方向一致，为电机提供连续的驱动力矩。电机旋转一周，开关管共有六种导通状态，当电机处于A、B两相导通的初始位置时，且电机顺时针旋转，即电机工作在第一象限时，开关管的导通逻辑顺序为：M1、M4→M1、M6→M3、M6→M3、M2→M5、M2→M5、M4→M1、M4；对应的电枢绕组导通相为：A→B，A→C，B→C，B→A，C→A，C→B，A→B。

由于全桥调制功率开关的动态损耗是半桥调制方式的两倍，会降低系统效率，不容易散热，同时为了减小换相过程中出现的转矩脉动，因而本控制系统采用半桥调制方式。如按照一个PWM周期和下一个PWM周期的交错方式选择上桥臂通断后选择下桥臂通断，这样可以让开关的发热均匀地出现在两个供电开关上，减少开关管的温度脉动，增强短时过载能力。

如图3–6所示，假设电机处于A、B两相导通的初始位置，则开关管M1、M4作为供电开关对，在一个PWM周期为例介绍开关管通断时控制过程。在t₀–t₁时刻，开关管M1、M4导通，电流从电池正端A1流出、经励磁绕组、开关管M1、A、B相电枢绕组、开关管M4回到电池负端A6，构成电机励磁与电枢绕组供电回路，电枢电流和励磁电流在电池与电枢绕组感应电动势之差（U-E_b-E_a）激励下上升。在t₁–t₂时刻，M1关断、M4导通，电枢电流经A、B两相电枢绕组、开关管M4、开关管M2的体内二极管D2构成续流回路，电枢电流在反向电动势作用下下降；在M1、M4导通区间的后30°，E_c<0，开关管M6的二极管D6导通，出现经D6、C相电枢绕组构成的非导通相续流回路，如图6所示。而励磁电流经并联二极管D构成续流回路，缓慢下降。在电机转至下一个区间时，按照一定的逻辑顺序依次切换供电开关对，便能为电机提供连续的驱动力矩，让电机顺时针连续转动，此时电机运行在第一象限。通过改变两个供电开关管同时导通的占空比，便能实现对电机的调压调速，也可让电流追随负载驱动所需而稳定运行在某个方向的旋转下。由于PWM周期远小于电机的机电常数，因开关关断造成的电枢与励磁绕组电流相差很小，并且会在下一次开关对都导通供电时重新补齐，可以认为两绕组内的电流始终保持相等。

当电机轴受到外力驱动导致电枢反向电动势（E_b+E_a）大于电池供电电压U，则电枢与励磁绕组电流在开关管M1、M4同时导通时，在反向电动势与电池电压之差（E_b+E_a-U）作用下下降，当开关管M1导通、M4关断时电枢电流下降速度更快，调节供电开关对全导通的占空比，可以控制两绕组中电流的下降速度。当励磁电流下降到一定程度无法维持足够的主磁场时反向电动势重新小于电池供电电压，电机需要改变旋转方向时，通过调节供电开关对的全导通占空比，便能让两绕组电流逐渐下降为零，可以不出现回馈发电的暂态过程。再按照逆时针旋转时供电开关对导通逻辑顺序切换供电开关对，励磁电流方向不变，而电枢电流方向改变，致使电磁力矩方向改变，而电机旋转方向还未改变，电磁力矩变为电机制动力矩，强制电机旋转换向，实现电子换向控制功能。电枢与励磁电流在电池和反向电动势共同作用下上升，需控制好占空比大小、电流的大小和上升速率。在这一过程中，电池和电机机械轴共同提供能量，为能耗式制动，实现串励直流电机提供电子制动功能。

电子换向串励直流电机工作在第三象限时，假设电机处于A、B两相导通的初始位置，开关管的导通逻辑顺序为：M3、M2→M3、M6→M1、M6→M1、M4→M5、M4→M5、M2→M3、M2；相对应的导通相为：B→A，B→C，A→C，A→B，C→B，C→A，B→A。则电机转子位置与供电开关对通断过程中电枢与励磁电流流向如图7–9所示，控制方法与第一象限类似，此处不再赘述。

所述电子换向串励直流电机控制系统在电机持续受到外力驱动，电枢绕组感应电动势大于电池供电电压时，关闭三相整流逆变桥中的所有开关管，可迫使电机轴上的机械能通过励磁绕组并联的二极管D向电池回馈发电，将机械能转化为电能，实现串励直流电机在第二象限运行控制。

以电机转子处于A、B两相导通的初始位置为例，假设电机顺时针旋转，由于电机轴上机械力矩的参与导致电枢绕组反向电动势大于电池供电电压U，则在供电开关对M1、M4导通时电枢电流与励磁电流在电压之差（E_b+E_a-U）的作用下迅速下降为零。关闭三相桥式电路中所有开关管，电枢电流在感应电动势的作用下通过二极管D1、D4、D6和二极管D向电池回馈发电，电流流向如图10–12所示。导通M2，则电枢电流经过A、B向电枢绕组、M2、二极管D4构成续流回路；也通过二极管D4和C相电枢绕组构成非导通相续流回路，电枢电流在反向电动势的作用下上升；而励磁电流通过二极管D续流，维持主磁场强度在一定的水平范围内，产生大于电池供电电压的感应电动势。励磁电流在供电开关对没有同时导通时会缓慢下降，扩大和电枢绕组电流的差别，所以需在差别到一定水平后，导通此时转子所处区间反方向旋转时的供电开关对一段时间，让励磁绕组电流重新恢复。在转子处于A、B两相导通这一区间时，控制开关管M2的通断，就可以维持电枢电流在所要求的水平上，实现机械能向电池的稳定馈电。如果此时电机转动惯量过大或负载持续出力维持电机的转动方向不变，电机电磁力矩会维持与电机旋转相反方向，并且电枢反向电动势极性和电枢电流方向一致，电机轴机械能持续向电池供电，实现串励直流电机在第二象限运行控制。因电机运行在第二象限时，电磁力矩方向与电机旋转方向相反，若此电机为车辆提供驱动，此时电机还可以提供发电式的电子刹车功能，提高系统效率的同时，还可以减小车辆制动距离，减少刹车片磨损。

所述电子换向串励直流电机处于逆时针旋转电磁制动，即第四象限运行时，若电机持续受外力驱动实现发电运行，开关对控制过程如图13–15所示，方法与第二象限相同，此处不再赘述。

Claims (6)

1.一种电子换向串励直流电机四象限运行控制装置，包括电子换向串励直流电机，电子换向串励直流电机的电枢绕组采用三相星形接法，安装在定子上，电子换向串励直流电机的励磁绕组为绕线式，安装在转子上，通过两个封闭滑环将电枢绕组、励磁绕组串联，并为励磁绕组供电，还包括一个采用半导体开关元件组成的整流逆变三相桥式电路，一个二极管，一个本地控制单元，一个驱动电路，一个位置传感器；其特征在于：

所述整流逆变三相桥式电路三个下臂公共端接于电池负端，三个上臂公共端接于励磁绕组和二极管阳极的公共端，三组桥臂中上、下臂开关管公共端与所述电子换向串励直流电机采用三相星形接法的定子相连；

所述二极管与励磁绕组并联，阴极接于电池正端，阳极接于整流逆变三相桥式电路的上臂公共端；

所述采样转子位置信号的位置传感器与本地控制单元相连，本地控制单元通过驱动电路与所述整流逆变三相桥式电路相连。

2.根据权利要求1所述的电子换向串励直流电机四象限运行控制装置，其特征是：所述整流逆变三相桥式电路中的半导体开关元件为IGCT或MOSFET或与二极管反向并联的IGBT中的任意一种。

3.一种电子换向串励直流电机四象限运行控制装置，包括电子换向串励直流电机，电子换向串励直流电机的电枢绕组采用三相星形接法，安装在定子上，电子换向串励直流电机的励磁绕组为绕线式，安装在转子上，通过两个封闭滑环将电枢绕组、励磁绕组串联，并为励磁绕组供电，还包括一个采用半导体开关元件组成的整流逆变三相桥式电路，一个二极管，一个本地控制单元，一个驱动电路，一个位置传感器；其特征在于：

所述整流逆变三相桥式电路三个上臂公共端接于电池正端，三个下臂公共端接于励磁绕组和二极管阴极的公共端，三组桥臂中上、下臂开关管公共端与所述电子换向串励直流电机采用三相星形接法的定子相连；

所述二极管与励磁绕组并联，阳极接于电池负端，阴极接于整流逆变三相桥式电路的下臂公共端；

所述采样转子位置信号的位置传感器与本地控制单元相连，本地控制单元通过驱动电路与所述整流逆变三相桥式电路相连。

4.根据权利要求3所述的电子换向串励直流电机四象限运行控制装置，其特征是：所诉整流逆变三相桥式电路中的半导体开关元件为IGCT或MOSFET或与二极管反向并联的IGBT中的任意一种。

5.一种电子换向串励直流电机四象限运行控制方法，包括电子换向串励直流电机，电子换向串励直流电机的电枢绕组采用三相星形接法，安装在定子上，电子换向串励直流电机的励磁绕组为绕线式，安装在转子上，通过两个封闭滑环将电枢绕组、励磁绕组串联，并为励磁绕组供电，其特征在于：还包括一个由半导体开关元件组成的整流逆变三相桥式电路，一个二极管，一个本地控制单元，一个驱动电路，一个位置传感器；所述整流逆变三相桥式电路三个下臂公共端接于电池负端，三个上臂公共端接于励磁绕组和二极管阳极的公共端，三组桥臂中上、下臂开关管公共端与所述电子换向串励直流电机采用三相星形接法的定子相连；所述二极管与励磁绕组并联，阴极接于电池正端，阳极接于整流逆变三相桥式电路上臂公共端；所述本地控制单元通过位置传感器采样转子位置信号，通过驱动电路与所述整流逆变三相桥式电路相连；本地控制单元通过采样转子的位置信息，按照一定的导通逻辑顺序依次选择整流逆变三相桥式电路中两个开关管作为电枢绕组的供电开关对，通过改变两个开关管都导通的占空比，实现电子换向串励直流电机的驱动与调速；通过控制对应单个开关管的通断，实现电机向电池回馈电能大小的控制。

6.一种电子换向串励直流电机四象限运行控制方法，包括电子换向串励直流电机，电子换向串励直流电机的电枢绕组采用三相星形接法，安装在定子上，电子换向串励直流电机的励磁绕组为绕线式，安装在转子上，通过两个封闭滑环将电枢绕组、励磁绕组串联，并为励磁绕组供电，其特征在于：还包括一个由半导体开关元件组成的整流逆变三相桥式电路，一个二极管，一个本地控制单元，一个驱动电路，一个位置传感器；所述整流逆变三相桥式电路三个上臂公共端接于电池正端，三个下臂公共端接于励磁绕组和二极管阴极的公共端，三组桥臂中上、下臂开关管公共端与所述电子换向串励直流电机采用三相星形接法的定子相连；所述二极管与励磁绕组并联，阳极接于电池负端，阴极接于整流逆变三相桥式电路下臂公共端；所述本地控制单元通过位置传感器采样转子位置信号，通过驱动电路与所述整流逆变三相桥式电路相连；本地控制单元通过采样转子的位置信息，按照一定的导通逻辑顺序依次选择整流逆变三相桥式电路中两个开关管作为电枢绕组的供电开关对，通过改变两个开关管都导通的占空比，实现电子换向串励直流电机的驱动与调速；通过控制对应单个开关管的通断，实现电机向电池回馈电能大小的控制。