一种四相直流无刷电机驱动系统及其方法
【专利摘要】本发明公开了一种四相直流无刷电机驱动系统及其方法。它包括主电路、检测电路、控制器，主电路包括开关器件及其驱动电路，采用12个单向开关单元，每个单向开关单元由IGBT或MOSFET开关器件与二极管串联，电流只能单向流动；四相电机每相分别用三个开关单元与三相电源各相连接，检测电路由3个电压传感器、4个电流传感器和1个编码器组成，控制器由9个AD转换器和一个FPGA控制器组成，电源为三相正弦交流电源；本发明省去了中间储能环节如直流稳压电容，减小了驱动器的体积与重量，提高了驱动器的可靠性，扩展了适用环境范围。但大大简化了换相逻辑，使系统可靠性大幅提高。
【专利说明】-种四相直流无刷电机驱动系统及其方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种四相直流无刷电机驱动系统及其方法。
【背景技术】
[0002] 电机的驱动通常由电力电子变换器提供。常见的变换器有DC-DC斩波器，AC-DC整 流器，DC-AC逆变器，以及AC-AC整流逆变器。其中最常用的是AC-AC变换器，通常由两部 分组成：整流部分和逆变部分。先将电压频率恒定的三相交流电源经不控整流或可控整流 转变为直流，经中间储能元件，由逆变桥转换为电压、频率可变的交流输出。对于电压源型 变换器，中间储能元件为电容；对电流源型变换器，中间储能元件为电感。
[0003] 直流无刷电机（英文简称BLDC)是永磁电机的一种，区别于普通直流电机，采用电 力电子开关来替代电刷与换向器实现换相。电源为交流电源时，通常需要采用AC-DC变流 器。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种四相直流无刷电机驱动系统及其 方法。
[0005] 四相直流无刷电机驱动方法是以相电流为控制对象，电流超过上限则施加负向最 大电压；电流低于下限则施加正向最大电压，产生所需参考电压信号。通过电压传感器以确 定每一时刻的电源电压幅值大小关系，来得到每一时刻对应的正向最大电压与负向最大电 压，产生电压等级信号，驱动信号模块将电压等级信号与电压参考信号相结合输出开关门 信号，以实现电机的控制。
[0006] 四相直流无刷电机驱动系统包括主电路、检测电路、控制器，主电路包括开关器件 及其驱动电路，采用12个单向开关单元，每个单向开关单元由IGBT或M0SFET开关器件与 二极管串联，电流只能单向流动，四相电机每相分别用三个开关单元与三相电源各相连接， 分别记为八1、81、(：132、82、02、43、83、0334、84、04，检测电路由3个电压传感器、4个电 流传感器和1个编码器组成，控制器由9个AD转换器和一个FPGA控制器组成，FPGA控制 器由PI控制器、电流滞环控制器、驱动信号模块和电压识别模块组成，电源为三相正弦交 流电源；
[0007] 三相正弦交流电源的三相A、B、C经3个电压传感器、3个AD转换器与FPGA控制 器中电压识别模块相连，主电路的一端与3个电压传感器相连，主电路另一端通过4个电流 传感器与四相电机绕组相连，4个电流传感器通过4个AD转换器与FPGA控制器中电流滞环 控制器相连，编码器安装在电机轴上，其连接线通过1个AD转换器与FPGA控制器中PI控 制器相连，速度参考信号模块通过AD转换器与FPGA控制器中PI控制器相连，FPGA控制器 中的驱动信号模块与主电路的驱动电路相连。
[0008] 本发明系统采用交流电源供电，与常规交直变流器相比，省去了中间储能环节如 直流稳压电容，减小了变流器的体积与重量，提高了驱动系统的可靠性，扩展了适用环境范 围。
[0009] 本发明的主电路开关采用单向开关，电流只能单向流动，因此只适用于直流无刷 电机、开关磁阻电机等用单向电流即可驱动的电机，但大大简化了换相逻辑，使系统可靠性 大幅提高。而控制策略选用电流滞环控制，简单可靠，无需DSP等复杂处理器，进一步提高 了系统可靠性，比较适于航空等对可靠性要求很高的应用场合。
【专利附图】
【附图说明】
[0010] 图1四相直流无刷电机的驱动系统结构示意图；
[0011] 图2本发明的FPGA控制器结构示意图；
[0012] 图3本发明的四相电流波形；
[0013] 图4本发明的电流滞环控制原理图；
[0014] 图5本发明的供电电压等级。
【具体实施方式】
[0015] 四相直流无刷电机驱动方法是以相电流为控制对象，电流超过上限则施加负向最 大电压；电流低于下限则施加正向最大电压，产生所需参考电压信号。通过电压传感器以确 定每一时刻的电源电压幅值大小关系，来得到每一时刻对应的正向最大电压与负向最大电 压，产生电压等级信号，驱动信号模块将电压等级信号与电压参考信号相结合输出开关门 信号，以实现电机的控制。
[0016] 四相直流无刷电机驱动系统包括主电路、检测电路、控制器，主电路包括开关器件 及其驱动电路，采用12个单向开关单元，每个单向开关单元由IGBT或M0SFET开关器件与 二极管串联，电流只能单向流动，四相电机每相分别用三个开关单元与三相电源各相连接， 分别记为八1、81、(：132、82、02、43、83、0334、84、04，检测电路由3个电压传感器、4个电 流传感器和1个编码器组成，控制器由9个AD转换器和一个FPGA控制器组成，FPGA控制 器由PI控制器、电流滞环控制器、驱动信号模块和电压识别模块组成，电源为三相正弦交 流电源；
[0017] 三相正弦交流电源的三相A、B、C经3个电压传感器、3个AD转换器与FPGA控制 器中电压识别模块相连，主电路的一端与3个电压传感器相连，主电路另一端通过4个电流 传感器与四相电机绕组相连，4个电流传感器通过4个AD转换器与FPGA控制器中电流滞环 控制器相连，编码器安装在电机轴上，其连接线通过1个AD转换器与FPGA控制器中PI控 制器相连，速度参考信号模块通过AD转换器与FPGA控制器中PI控制器相连，FPGA控制器 中的驱动信号模块与主电路的驱动电路相连。
[0018] 本发明采用的电压传感器的型号为：LEM LV25-P，电流传感器的型号为：LEM LV25-NP，编码器的型号为：TS5214N8579，AD转换器的型号为：ADS8410，FPGA控制器的型号 为：Actel A500K。
[0019] 实施例
[0020] 本系统中，四相电机每相电流为单相导通，每相导通为180 □，每个时刻有两相同 时导通。假设11、13通电方向为正方向，则系统有四个状态，分别为1+4-，1+2-，2-3+，3+4-， 其中第1、3相通正电流，第2、4相通负电流，如图1、3所示。
[0021] PI控制器通过传感器获得电机实际转速与预设转速的误差值，得到参考电流幅 值，结合转子位置可以得到参考电流的波形。
[0022] 参考电流波形作为电流滞环控制器的输入，与电流传感器得到的电流反馈比较。 电流滞环控制器内部为一个比较器，电流大于环带上限，则需要提供最大负电压V-以降低 实际电流。若电流小于环带下限，则需要提供最大正电压V+以提高实际电流。若电流处于 环带中间，则保持上一电压状态不变，如图4所示。
[0023] 电压识别模块需要实时检测供电电压幅值大小关系。一个周期内三相供电电压波 形如图5所示。一个周期内波形可以分为6个状态，每个状态所对应的最大正电压V+和负 电压V-如表1所示。
[0024] 表1供电电压状态图
[0025]
【权利要求】
1. 一种四相直流无刷电机驱动方法，其特征在于以相电流为控制对象，电流超过上限 则施加负向最大电压；电流低于下限则施加正向最大电压，产生所需参考电压信号，通过电 压传感器以确定每一时刻的电源电压幅值大小关系，来得到每一时刻对应的正向最大电压 与负向最大电压，产生电压等级信号，驱动信号模块将电压等级信号与电压参考信号相结 合输出开关门信号，以实现电机的控制。
2. -种实施如权利要求1所述方法的四相直流无刷电机驱动系统，其特征在于：它包 括主电路、检测电路、控制器，主电路包括开关器件及其驱动电路，采用12个单向开关单 元，每个单向开关单元由IGBT或MOSFET开关器件与二极管串联，电流只能单向流动，四相 电机每相分别用三个开关单元与三相电源各相连接，分别记为八1、81、(：1、六2、82、02、八3、 B3、C3、A4、B4、C4,检测电路由3个电压传感器、4个电流传感器和1个编码器组成，控制器 由9个AD转换器和一个FPGA控制器组成，FPGA控制器由PI控制器、电流滞环控制器、驱 动信号模块和电压识别模块组成，电源为三相正弦交流电源； 三相正弦交流电源的三相A、B、C经3个电压传感器、3个AD转换器与FPGA控制器中 电压识别模块相连，主电路的一端与3个电压传感器相连，主电路另一端通过4个电流传感 器与四相电机绕组相连，4个电流传感器通过4个AD转换器与FPGA控制器中电流滞环控制 器相连，编码器安装在电机轴上，其连接线通过1个AD转换器与FPGA控制器中PI控制器 相连，速度参考信号模块通过AD转换器与FPGA控制器中PI控制器相连，FPGA控制器中的 驱动信号模块与主电路的驱动电路相连。
【文档编号】H02P6/06GK104253567SQ201410440496
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2014年9月1日 优先权日:2014年9月1日
【发明者】姜洋, 丁明军 申请人:浙江机电职业技术学院