专利名称：一种交流电动机脉宽调制变频驱动系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种交流电动机脉宽调制变频驱动系统，在国际专利分类表中，功能分类可属于H02P7/00。
背景技术：
目前典型的交流电动机变频驱动系统，是对直流电源供电的三相桥式6单元逆变电路以脉宽调制(PWM)方式控制，转换成变频的对称三相电源，驱动三相交流电动机。在这样的系统，传统上是使用双极性正弦波脉宽调制。各种调制方式的特点可见于《电动机变频调速系统图解》(中国电力出版社，2003年9月第1版)和《交流调速控制系统》(电子工业出版社，2003年3月第1版)等。
对于桥式逆变电路由来已久的问题是，每一桥臂的上下二个单元串联跨接于直流电源，当偶发干扰或误触发以至同时导通时，即在二个单元的低阻抗回路形成大电流的直通短路，以至烧毁元件。对于系统该薄弱环节，通常需选用比较优秀的单元元件，或设置较复杂的保护电路，甚至使用价格较高的智能功率模块(IPM)等，明显影响了成本。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是，提出一种交流电动机脉宽调制变频驱动系统，其相对于现有技术，有利于减少逆变电路桥臂直通短路故障，成本较低和性能较好。
本实用新型解决技术问题的技术方案之一是，一种交流电动机脉宽调制变频驱动系统，包括由直流电源供电和受控于控制机构的多相桥式逆变电路及其驱动的多相交流电动机；其特征在于——所述直流电源输出一正极、一负极和一零电位公共端；——所述逆变电路为二相桥式，其正电源母线、负电源母线分别接往所述直流电源正极、负极；——所述电动机为对称二相电动机，其二相绕组的公共端接往所述直流电源公共端，各相绕组的另一端分别接往逆变电路各一相桥臂的中点；——所述控制机构向逆变电路二相桥臂的控制端输出对称二相调制信号，该调制为单极性正弦波脉宽调制。
传统系统使用的三相电动机历史悠久，在工业设备上广泛应用，其有良好的性能众所周知。其实，对称多相电动机的驱动性能与相数无关。对称二相电动机由对称二相电源供电，也具有与传统三相系统同样良好的驱动性能。
与三相电动机不同的是，二相电动机仅使用相电压工作。本实用新型巧妙地把单极性调制用于二相系统，避免了单极性调制的如下缺点——线电压波形差；——同臂上下二个单元均为不导通时，会出现输出端电压的不确定性，因而影响波形；利用了它相对于传统双极性调制的如下优点——同臂上下二个单元中的一个按正弦规律在半个周期内调制通断的同时，另一单元始终关断，明显有利于避免桥臂直通；——可省去交替通断必要的延时触发环节，即简化了电路，又防止了延时引起的失真；——可减少逆变开关次数和相应的开关损耗一半。因而意想不到地在获得相同或优于传统系统性能的同时，大大提高了逆变电路的可靠性。
并且，本实用新型的系统中，逆变电路的单元数较三相系统减少三分之一；二相电动机与三相电动机相比，定子少一相槽数，绕组少一相平面，嵌线简化；尤其适合小功率系统，例如洗衣机等家用电动器具，可明显节省成本。
对于本技术方案使用的正、负双直流电源的二相桥式逆变电路，由于二相负载的公共端接往直流电源的公共端，单极性调制相对于双极性调制，有利于减少调制交替通断导致的相电压输出的脉动和损失。
本实用新型的技术方案和效果将在具体实施方式
中结合附图作进一步的说明。
图1是现有技术一种交流电动机脉宽调制变频驱动系统的电气框图；图2是图1所示交流电动机脉宽调制变频驱动系统调制信号波形图；图3是本实用新型实施例交流电动机脉宽调制变频驱动系统的电气框图；图4是本实用新型实施例交流电动机脉宽调制变频驱动系统调制信号波形图。
具体实施方式
本实用新型实施例交流电动机脉宽调制变频驱动系统是在现有技术一种交流电动机脉宽调制变频驱动系统的基础上改造而成。
现有技术该系统电气框图如图1所示。在三相变频控制板，桥式整流器BRD201的交流(AC)输入端2和3分别连接220V(AC50HZ)的单相交流电源的中性线N和相线L，直流(DC)输出端1和4连接由电容器225组成的滤波电路，输出直流母线VDD对地母线的电压约300V。逆变电路由绝缘栅双极晶体管IGBT201和IGBT202组成的A相桥，IGBT203和IGBT204组成的B相桥，IGBT205和IGBT206组成的C相桥跨接于直流母线VDD和地母线之间。三相交流电动机(MOTOR)M201的三相端子A-phase、B-phase和C-phase分别接往逆变电路同相桥中点。单片机U201选用型号为ST7FMC1K276，是专用变频控制芯片，其6个专用的三相SPWM调制信号开关量输出口30(定义MC00.HS)、31(定义MC01.HS)、32(定义MC02.HS)、1(定义MC03.HS)、2(定义MC04.HS)和3(定义MC05.HS)号脚分别经驱动芯片U202、U203、U204、U205、U206和U207(选用型号IR2125)的输入(IN)输出(HO)，限流电阻R207、R208、R252、R253、R209和R210，接往各IGBT的G极。单片机U201写入制造商推荐的典型程序。该程序使30和31，32和1，2和3号脚的输出互补，并按照电压正弦双极性三角波调制法各输出一相双极性正弦波脉宽调制信号；并且各相调制正弦参考信号的相位依次相差2π/3。图2(d)表示了在该程序使用现有技术由调制三角波Uc分别和三相参考正弦信号UmA、UmB和Umc相交获得各相双极性正弦波脉宽调制信号的原理，(a)、(b)、(c)分别表示所生成的A、B、C相调制信号UdA、UdB、UdC的脉宽调制波形。UdA脉冲系列的上半部分是30号脚发出和驱动芯片U202接收的波形，下半部分是31号脚发出和驱动芯片U203接收的波形；UdB脉冲系列的上半部分是经31号脚发出和驱动芯片U204接收的波形，下半部分是经1号脚发出和驱动芯片U205接收的波形；UdC脉冲系列的上半部分是经2号脚发出和驱动芯片U206接收的波形，下半部分是经3号脚发出和驱动芯片U207接收的波形。以上均属于现有技术。
本实用新型实施例交流电动机脉宽调制变频驱动系统电气框图如图3所示。其相对于图1所示交流电动机脉宽调制变频驱动系统有以下修改——桥式整流器BRD201的直流(DC)输出端1和4连接的滤波电路增加电容器226，电容器225与电容器226串联后跨接于直流母线VDD和地母线间，构成以电容器225与电容器226的串联点为公共端，经直流母线VDD和地母线输出各约150V的一正电源和一负电源；——逆变电路中由IGBT205和IGBT206组成的C相桥、驱动芯片U206和U207、电阻R209和R210取消；——(MOTOR)M201改为对称二相交流电动机，其公共端子COM连接电容器225与电容器226的串联点，二相端子A-phase和B-phase仍分别接往逆变电路同相桥中点；——关于单片机U201，其专用的三相SPWM调制信号开关量输出口仍在用的4个30、31、32和11号脚原分别接往驱动芯片U202、U203、U204和U205的电路，各插入一与门U206A、U207A、U208B和U209A(选用型号CD4081)；启用4个新的开关量输出口10(定义MCIA/PB1)、11(定义MCIB/PB2)、12(定义MCIC/PB3)和13(定义OAP/PC4)号脚；U206A的输出端3号脚连接驱动芯片U202的输入，输入端2和1号脚分别连接单片机U201的30和10号脚；U207A的输出端3号脚连接驱动芯片U203的输入，输入端2和1号脚分别连接单片机U201的31和11号脚；U208B的输出端4连接驱动芯片U204的输入，输入端6和5号脚分别连接单片机U201的32和12号脚；U209A的输出端3号脚连接驱动芯片U205的输入，输入端2和1号脚分别连接单片机U201的1和13号脚；——对单片机U201制造商推荐的程序修改，使专用的三相SPWM调制信号开关量输出口仍在用的4个30和31，32和1号脚各输出的一相双极性正弦波脉宽调制信号相位差，由2π/3改为π/2；使新启用开关量输出口10号脚在调制正弦参考信号UmA大于零时为“1”和12号脚在调制正弦参考信号UmB大于零时为“1”，11与10号脚输出互补和13与12号脚的输出互补。
由于以上修改，驱动芯片U202和U203接收的信号分别为图4中(a)Uda的上半部分和下半部分，U204和U205接收的信号分别为图4中(b)UdB的上半部分和下半部分，可见UdB滞后UdA相位角π/2。这样，各驱动芯片对所输入的信号跟随、整形和放大后输出，经各限流电阻驱动逆变电路各IGBT，向对称二相交流电动机输出二相对称的单极性正弦波脉宽调制电压，实施变频驱动。
以上设计主要是考虑尽量采用单片机供应商推荐的典型程序，把所输出的三相对称双极性正弦波脉宽调制信号变换为二相对称单极性正弦波脉宽调制信号，程序编制工作量比较少。当然，也可以采用其它通用芯片，按照现有技术关于单极性正弦波脉宽调制的调制原理编制程序，可不使用4个与门电路。此外，也可以使用具有成对输入输出的偶数(常见为2)单元驱动芯片，这些成对输入输出如果除跟随放大关系外，还有其它逻辑关系，则所述门电路的设计需按照现有技术，综合这些逻辑关系，使单片机U201的30、31、32和11号脚与10、11、12和13号脚至各IGBT的G极维持前述的控制关系。
本实施例电动机使用传统单相电容运转电动机的空间相差π/2电角度的二相对称磁路结构，甚至二相绕组也对称的结构(例如洗衣机电动机)。当然，也可以使用二相磁路或绕组欠对称的电动机。此时，通过计算或实验，调整调制电路的控制信号，使逆变电路输出的二相电流Ia和Ib，按照电动机二相绕组的有效匝数(绕组系数×实际匝数)KdpaWa和KdpbWb，完全符合以下公式表示的二相电动机对称运行的圆形旋转磁势条件IaKdpaWa＝±jIbKdpbWb对于空间电角度θ为任意值的非正交轴的二相绕组电动机，该条件的公式是IaKdpaWa＝IbKdpbWbej(π±θ)这也是本实用新型技术方案调制电路产生关于二相电动机对称二相调制信号的意义所在。
权利要求1.一种交流电动机脉宽调制变频驱动系统，包括由直流电源供电和受控于控制机构的多相桥式逆变电路及其驱动的多相交流电动机；其特征在于——所述直流电源输出一正极、一负极和一零电位公共端；——所述逆变电路为二相桥式，其正电源母线、负电源母线分别接往所述直流电源正极、负极；——所述电动机为对称二相电动机，其二相绕组的公共端接往所述直流电源公共端，各相绕组的另一端分别接往逆变电路各一相桥臂的中点；——所述控制机构向逆变电路二相桥臂的控制端输出对称二相调制信号，该调制为单极性正弦波脉宽调制。
2.按照权利要求1所述交流电动机脉宽调制变频驱动系统，其特征在于——所述二相电动机是空间相差π/2电角度的二相绕组对称电动机；——所述控制机构包括一单片机，其8个开关量输出口第1相上桥臂调制信号口、第1相下桥臂调制信号口、第2相上桥臂调制信号口、第2相下桥臂调制信号口、第1相上桥臂极性选通口、第1相下桥臂极性选通口、第2相上桥臂极性选通口和第2相下桥臂极性选通口；同相上桥臂调制信号口的输出与下桥臂调制信号口的输出互补，按照电压正弦双极性三角波调制法输出一相双极性正弦波脉宽调制信号，并且第1相调制正弦参考信号与第2相调制正弦参考信号的相位差为π/2；上桥臂极性选通口的输出在同相调制正弦参考信号大于零时为“1”，下桥臂极性选通口的输出与同相上桥臂极性选通口的输出互补；——所述控制机构包括4个与门第1相上桥臂控制与门、第1相下桥臂控制与门、第2相上桥臂控制与门和第2相下桥臂控制与门；所述各调制信号口和极性选通口的输出接往同相同桥臂控制与门的输入，该与门的输出接往逆变电路同相同桥臂的控制端。
专利摘要一种交流电动机脉宽调制变频驱动系统，包括由直流电源供电和受控于控制机构的多相桥式逆变电路及其驱动的多相交流电动机；所述直流电源输出一正极、一负极和一零电位公共端；所述逆变电路为二相桥式，其正电源母线、负电源母线分别接往所述直流电源正极、负极；所述电动机为对称二相电动机，其二相绕组的公共端接往所述直流电源公共端，各相绕组的另一端分别接往逆变电路各一相桥臂的中点；所述控制机构向逆变电路二相桥臂的控制端输出对称二相调制信号，该调制为单极性正弦波脉宽调制。该设计具有相同或优于传统三相系统的工作电压波形和驱动性能，且明显减少逆变电路桥臂直通的几率，提高逆变电路的可靠性。
文档编号H02P27/04GK2840518SQ200520119680
公开日2006年11月22日 申请日期2005年11月25日 优先权日2005年11月25日
发明者区长钊, 朱健昭 申请人:江门市洗衣机厂