基于片上系统和igbt的自举式开关磁阻电机控制器的制造方法
【专利摘要】本技术发明是一种适合无轨的电动交通工具和有轨的电动交通工具带位置传感器的无刷双闭环开关磁阻电机控制器，通过将数字逻辑电路与微处理器(MCU)整合在片上系统(System-on-Chip)的一颗芯片中，将数字部分的硬件电路设计软件化，达到精简数字硬件电路的目的；采用分离的IGBT电力电子功率器件，针对各种复杂的电力拖动负载进行个性化设计，对于欠压、过流、过热、短路等保护电路，从开关磁阻电机控制器的全局出发进行量体裁衣的设计；将开关磁阻电机(SRM)在运行中产生的反电动势通过自举电路更好的转换为电机运行的能量，从安全性、稳定性等方面提高了开关磁阻电机控制器性能。
【专利说明】基于片上系统和IGBT的自举式开关磁阻电机控制器
所属【技术领域】
[0001]本技术发明是关于无轨的电动交通工具和有轨的电动交通工具带位置传感器的无刷双闭环开关磁阻电机(SRM)控制系统。其中，无轨的电动交通工具包括电动汽车、电动小轿车、电动公交车等；有轨的电动交通工具包括地铁、高铁、动车等。
【背景技术】
[0002]在环境污染压力之下，绿色交通成为人们出行、旅行、运输等工具的主旋律，为了适应这种生活环境的变化，电动交通工具成为人们理想的选择。由于开关磁阻电机(SRM)结构简单、坚固，维护方便，起动及低速时转矩大、电流小，高速恒定功率范围宽，容错能力强，而且开关磁阻电机(SRM)的转子是由硅钢片叠压而成，无绕组及永磁体，与传统的永磁电机相比，同样的输出功率，开关磁阻电机(SRM)所需的永磁体大大减少，由于稀土资源是国家控制的战略物资，而且价格昂贵，开发和研究开关磁阻电机控制器对产业界具有重要积极的意义。
[0003]目前的开关磁阻电机控制器普遍采用数字逻辑芯片或者可编程逻辑器件(CPLD)与微处理器(MCU)分离的布局方式，例如，2012年12月26日公布的，由中华人民共和国授权的专利号为2012103462111名称为《一种基于同步整流技术的开关磁阻电机控制器》就采用数字逻辑芯片与微处理器分离的布局方式对开关磁阻电机控制器的信号和控制进行处理，这种分离式的布局方式造成开关磁阻电机控制器硬件电路结构复杂，对外界抗干扰的能力不强，对生产和维护造成诸多的不便。由于功率模块IPM内置有欠压、过热、过流、短路等保护电路，能够避免因为系统失灵而导致的功率器件的损坏，集成度高，可以减少产品设计的工作量，因此在有些开关磁阻电机控制器中就直接采用了 IPM的电力电子功率器件，例如2012年I月25日公布的，由中华人民共和国授权的专利号为2011102827477名称为《一种基于IPM的开关磁阻电机通用功率变换器》，但是开关磁阻电机(SRM)面临驱动负载是多种多样的，这就会产生额定功率或者定、转子极数不一样的开关磁阻电机(SRM)，然而IPM的是上桥臂和下桥臂都集成化的半桥电力电子功率器件，型号有限，不能灵活的应对各种复杂负载的电力拖动，而且IPM中的保护电路是面向集成的IGBT实施的保护，不是从整个开关磁阻电机控制器的设计出发，合理布局整个控制器的保护电路，而且IPM的价格昂贵。现在的开关磁阻电机(SRM)控制器普遍存在处理开关磁阻电机(SRM)定子绕组的反电动势的时候，有的就通过自举电容将反电动势直接消耗掉了，有的没有考虑反电动势是交流电，直接反馈到电源，造成系统的不稳定。因此，基于片上系统(System-on-Chip)和IGBT的自举式开关磁阻电机控制器是面向各个开关磁阻电机(SRM)量体裁衣的设计，更切合实际，性能更稳定，性价比更高。
【发明内容】
[0004]本技术发明的目的是精简微处理器(MCU)与数字逻辑电路，将数字部分的硬件电路设计软件化，将数字逻辑电路与微处理器(MCU)整合在片上系统(System-on-Chip)的一颗芯片中，达到精简硬件电路的目的，增强系统的稳定性，提高开关磁阻电机控制器在生产和维护的可操作性；采用分离的IGBT电力电子功率器件，针对各种复杂的电力拖动负载进行个性化设计，对于欠压、过流、过热、短路等保护电路，从开关磁阻电机控制器的全局出发进行设计，既保护IGBT的安全，又保护控制器其它电路和开关磁阻电机(SRM)的稳定运行，从而将开关磁阻电机(SRM)在运行中产生的反电动势更好的转换为电机运行的能量，既降低了开关磁阻电机(SRM)运行中的噪音，又增大了开关磁阻电机(SRM)运行的力矩，还能降低开关磁阻电机(SRM)在运行中杂波对IGBT和二极管等电力电子器件的干扰，延长开关磁阻电机控制器的使用寿命。
[0005]本技术发明的实现方案为:通过对开关磁阻电机控制器整体功能、整体稳定性、力口工工艺分别介绍，来实现开关磁阻电机控制器。
[0006]为了开关磁阻电机控制器的稳定运行，通过对开关磁阻电机控制器电源地(PGND)、模拟地(AGND)和数字地(DGND)进行分块，在低电压方面，必须对开关磁阻电机(SRM)控制器的功能模块严格按照模拟地(AGND)和数字地(DGND)进行划分，开关磁阻电机控制器采用双面PCB板，从开关磁阻电机控制器PCB板的正、反面的整体布局进行规划，使各个功能模块的模拟地(AGND)和数字地(DGND)连成片，减少PCB板在布线时产生寄生电容和寄生电感。模拟地(AGND)和数字地(DGND)通过短路保护的保险丝(FUSE)进行连接。因为保险丝(FUSE)由电阻率高、熔点低的银铜合金制成，所以保险丝(FUSE)既能够起到对开关磁阻电机控制器过流保护的作用，在IGBT管失效的情况下，保护整个开关磁阻电机控制器，又能起到电流采样电阻的作用，限流斩波电路的电流信号采集点取在保险丝(FUSE)模拟地(AGND)的一边。在开关磁阻电机控制器电路板的设计当中，遵循数字电路(DGND)和模拟地(AGND)通过隔离空间严格的分离，电源地(PGND)和模拟地(AGND)严格分离，DC-DC电源变换电路高电压一侧的电路与低电压一侧电路通过光耦PC817A严格分离，DC-DC电源变换电路的高频变压器和自举电路的高频电压器的原边绕组与次边绕组通过电磁隔离来抗干扰，由于限流斩波电路与DC-DC电源变换电路属于高频电路，因此限流斩波电路与DC-DC电路应该分开布置，电源地(PGND)通过电解电容和胆电容进行滤波，增强抗干扰能力。
[0007]通过对开关磁阻电机控制器加工工艺进行分块，模拟部分的电子电路和数字部分的电子电路都要采用贴片工艺，通过合理规划，使开关磁阻电机控制器各个电子元器件的数字地(DGND)和模拟地(AGND)集中在一起，形成大面积的覆铜，减少寄生电容和寄生电感，数字地(DGND)和模拟地(AGND)集中在一个面上，起到增大导电面积的作用。模拟地(AGND)的覆铜部分需要开天窗，起到增大导电电流，IGBT电源转换板和IGBT触发电路的各相连接处都需要开天窗，IGBT电源转换板开天窗部分需要加铜片附件(铜片附件是根据IGBT功率变换电路的电源部分的形状来定制的)和增厚锡膏，起到加大导电电流的作用，这样大大简化了开关磁阻电机控制器电路板的结构，减少机械几何尺寸，增加了开关磁阻电机控制器的稳定性，降低了开关磁阻电机控制器的成本，其中，IGBT管需要外加散热片。电源正、负极(即电源地PGND)错位布置，避免产生寄生电容和寄生电感，模拟地(AGND)和数字地(DGND)分开布置，通过保险丝(FUSE)连接，使得控制信号稳定，避免误动作。
[0008]通过对开关磁阻电机控制器整体功能进行分块，将开关磁阻电机(SRM)控制器硬件分为片上系统(System-on-Chip)控制电路、IGBT功率变换电路、IGBT驱动电路、自举电路、位置检测电路、限流斩波电路、输入输出(I/o)模块、通讯模块，八个方面进行详细阐述:
[0009](一)片上系统(System-on-Chip)控制电路:由于片上系统将单片机和PLD/CPLD/FPGA的功能集于一身，既具有单片机(MCU)的软件功能，又具有PLD/CPLD/FPGA的硬件功能，将数字逻辑电路与微处理器(MCU)整合在片上系统(System-on-Chip)的一颗芯片中，原来需要分立的电子元器件实现的放大电路、比较电路、译码电路等，现在一般都集成到了片上系统(System-on-Chip)中，通过软件的编程就能实现硬件电路的组织，例如Cypress的PSOCl和PS0C3等，实现了硬件电路的软件化，达到精简硬件电路的目的，提高开关磁阻电机(SRM)控制器在生产和维护的可操作性。
[0010]( 二)IGBT功率变换电路:考虑到开关磁阻电机(SRM)针对有轨负载和无轨负载的技术特征，IGBT管的耐压选择一般在DC500V-1500V之间，IGBT管的耐压一般选择在高于开关磁阻电机(SRM)额定电压的1.2倍左右，根据开关磁阻电机(SRM)定子绕组极数，可以计算出IGBT管的数量为开关磁阻电机(SRM)定子绕组极数的4倍，开关磁阻电机(SRM)定子绕组相数的2倍，开关磁阻电机(SRM)定子的每一相由4个IGBT管组成一个全桥，其中每2个IGBT管组成一个半桥式功率变换电路，驱动开关磁阻电机(SRM)定子的一个极，由4个IGBT管组成的一个全桥电路中，每组半桥式电路分为上桥臂和下桥臂，根据上桥臂IGBT管的触发电路和所接受的电压来看，上桥臂的IGBT管的耐压应该高于下桥臂的耐压。
[0011](三)IGBT驱动电路:IGBT驱动电路方案采用以半桥式电路为单元，利用分立元器件实现，每组半桥式驱动电路分为上桥臂驱动电路和下桥臂驱动电路。上桥臂驱动电路采用一个具有IGBT栅极驱动能力的高速光耦驱动，例如HCPL-314J，直接驱动上桥臂的IGBT管；下桥臂采用两个高频、高压的PNP型三极管组成恒流驱动电路，例如2SA1412或者2SA1006，直接驱动下桥臂的IGBT管。
[0012](四)自举电路:自举电路主要是靠一个高频变压器来吸收开关磁阻电机运行中产生的反电动势，一方面反电动势经过阻容滤波后，给高频、高速的光耦提供直流电源，另一方面反电动势作为励磁电源进行励磁，经过耦合的电磁能转换为电源，经过稳压管，然后把反电动势转化的电能反馈给电源。其中，开关磁阻电机的导通角和关断角与自举电路的整流、滤波和自举电路中高频变压器的励磁相对应，自举电路的高频变压器由原边绕组和次边绕组组成，开关磁阻电机有多少相，高频变压器的原边绕组就有相对应的多少路。
[0013](五)位置检测电路:位置传感器信号电路主要接收开关磁阻电机(SRM)的位置传感器信号，旋转编码器信号或者霍尔传感器信号，位置传感信号通过片上系统(System-on-Chip)进行解码，根据解码驱动相应的IGBT管，每台开关磁阻电机控制器只有一路位置传感器信号的输入。
[0014](六)限流斩波电路:经过提取模拟地(AGND)—侧的保险丝(FUSE)的微弱信号进入运算放大器，由双路的运算放大器组成电流放大电路和电路比较电路，片上系统(System-on-Chip)通过接受和运算上述两路信号来做出控制决策,其中电路比较电路可以用来关断半桥式电路的上桥臂，用以保护半桥式电路的IGBT管。电流放大电路和电路比较电路组成限流斩波电路，通过控制IGBT管的关断和导通形成的电脉冲，从而安全地驱动开关磁阻电机(SRM)。
[0015](七)输入输出(1/0)模块:输入输出(1/0)模块包括报警信号输出电路、调速电路、速度选择电路、EABS刹车电路、防盗电路、欠压保护电路、过流保护电路和过热保护电路等组成。
[0016]1、报警信号输出电路主要是用来指示操作人员，根据指示信号方便的进行操作，例如，控制器的过热保护等。
[0017]2、调速电路和速度选择电路主要是根据不同的状况选择不同档位的速度，在同一档位速度下调节开关磁阻电机(SRM)的速度。
[0018]3、刹车电路(EABS)主要是用来给片上系统(System-on-Chip) —个刹车信号，高电平和低电平均可，通过不同的转换电路，将高、低电平转换成一个确定的低电平信号，用来片上系统(System-on-Chip)做出决策,通过电磁的稱合力锁死开关磁阻电机的转子,保证运行安全性。
[0019]4、防盗电路主要是接收防盗器的一个防盗信号，片上系统(System-on-Chip)用一个脚位来驱动喇叭报警。
[0020]5、欠压保护电路、过流保护电路和过热保护电路主要是从开关磁阻电机控制器的整体考虑，将传感器安装到合适的位置，将报警信号传入到片上系统(System-on-Chip)，进行集中管理。例如，过流一定时间一定会引起开关磁阻电机控制器过热，通过片上系统(System-on-Chip)进行智能化管理。
[0021](八)通讯模块包括SMBus电路和CANBUS电路两个部分。
[0022]1、SMBus是集成动力电池专用的通讯总线,和集成动力电池进行通信的SMBus电路。
[0023]2、CAN BUS电路用来和外围的汽车电子和集成动力电池通讯，在整个汽车电子中传递通讯信号
[0024]下面从开关磁阻电机控制器的软方面进行阐述:
[0025]软件部分由控制主程序、刹车中断服务程序、电源欠压处理子程序、堵转保护处理子程序、位置传感器采样处理子程序组成、速度环和电流环组成的双闭环控制系统，主要以流程图在说明书附图(图9-图14)中进行详细讲解。
[0026]本技术发明的有益效果可以总结以下六点:
[0027]1.电源地(PGND)、模拟地(AGND)与数字地(DGND)的分区布置，实现模块化管理，减少寄生电容和寄生电感，隔离噪音，增加系统的抗干扰能力。
[0028]2.取消自举电容，全新设计自举电路，依靠开关磁阻电机定子绕组的反电动势来为IGBT的驱动电路提供电源以及给电源反向充电，开关磁阻电机的导通角与关断角与自举电路的励磁合拍，既给IGBT管的驱动电路提供电源，大大提高了产品的稳定性，又降低了开关磁阻电机(SRM)运行中的噪音，增大了开关磁阻电机(SRM)运行的力矩，还能降低开关磁阻电机(SRM)在运行中杂波对IGBT和二极管等电力电子器件的干扰，延长开关磁阻电机控制器的使用寿命，节省了电能，降低成本。
[0029]3.采用分立元件构成IGBT驱动电路，能够应付各种复杂负载的电力拖动，通过对开关磁阻电机控制器PCB板的合理布局，IGBT电源转换器的正极部分在PCB电路板上采用双层布线并添加铜片附件，开天窗部分加厚锡膏，增大导电电流，相当于增大了导电面积，从而减少开关磁阻电机控制器的机械几何尺寸。
[0030]4.限流斩波电路和DC-DC电源变换电路分开，由于这两者都是高频电路，分开布置可以减少干扰。采用保险丝(FUSE)替代康铜电阻和大电流的绕线电阻，增加了短路保护功能，降低成本，保险丝(FUSE)在大电流和高温环境下工作，保险丝的电阻值增大，关断电压增大，有效的保护IGBT管，一个电子元器件两种用途，减少了成本，精简了开关磁阻电机控制器的PCB布局结构。
[0031]5.输入电源正、负极(PGND)错位布置，避免了开关磁阻电机控制器工作时产生的寄生电容和寄生电感，模拟地(AGND)和数字地(DGND)分开布置，通过保险丝(FUSE)连接，使得控制信号稳定，避免误动作。
[0032]6.双方约定通讯协议,采用SMBus通讯总线和CAN BUS通讯总线，保护知识产权，实现外围器件实现对它的控制，例如，集成动力电池组与它的通讯。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]下面结合附图和实施例对本技术发明作进一步说明:
[0034]图1是开关磁阻电机控制器整体功能结构布局图。
[0035]图2是开关磁阻电机控制器整体功能流程图。
[0036]图3是开关磁阻电机控制器主板PCB的正、反面布局图。
[0037]图4是限流斩波控制电路图。
[0038]图5是自举电路的高频变压器电路图。
[0039]图6是开关磁阻电机(SRM)的导通角与关断角与自举电路高频变压器的原边绕组与次边绕组电压、电流和励磁的关系图。
[0040]图7是开关磁阻电机控制器每相定子绕组的IGBT功率变换以及IGBT功率变换的驱动图。
[0041]图8是DC-DC电源转换器原理图。
[0042]图9是电流、速度双闭环控制调速系统。
[0043]图10是主程序流程图。
[0044]图11是开关磁阻电机(SRM)刹车中断服务程序。
[0045]图12是电源欠压处理程序。
[0046]图13是开关磁阻电机(SRM)堵转处理程序。
[0047]图14是位置传感器采样解码开关磁阻电机(SRM)驱动程序。
【具体实施方式】
[0048]图1中采用SMBus和CAN BUS总线，双方约定通讯协议保护知识产权。
[0049]图3中开关磁阻电机控制器的PCB板采用双面板，在开关磁阻电机控制器PCB板的正面中，以数字地(DGND)与模拟地(AGND)隔离区为界限，隔离区的上面是模拟电路，这些模拟电路包括各相IGBT半桥的驱动电路、自举电路、DC-DC电源变换电路和各相的IGBT功率变换电路；隔离区的下面是限流斩波电路和以片上系统(System-on-Chip)为核心的数字电路；介于隔离区的数字地(DGND)和模拟地(AGND)之间，用保险丝(FUSE)跨接；在开关磁阻电机控制器PCB板的反面中，主要是以两大覆铜为基础，一块覆铜是驱动电路PCB位置反面的模拟地(AGND)，另外一块覆铜是以片上系统(System-on-Chip)为中心的数字电路的数字地(DGND)和电源地(PGND)，其中数字地(DGND)和电源地(PGND)重合，其中，在控制器与电机各相连接处，开辟一块用于驱动开关磁阻电机(SRM)各相导线连接的单独覆铜，并且开天窗，在开关磁阻电机控制器PCB板的正、反面的顶端相同区域，都有一个L型覆铜，而且正、反面都需要开天窗，用于功率变换器的正极导电。
[0050]图4中限流斩波电路采用的双路的运算放大器，UA和UB，例如LM358，经过提取保险丝(FUSE)模拟地端的电流信号经过R2电阻进入UA的-端，经过Rl电阻进入UB的+端，在UB的+端处连接一个上拉电阻R3，上拉电压为5V，在UB的+端处连接一个滤波电容Cl，在UB路通过电阻R6和R7组成放大电路，放大增益为Av，其中Av = (R6+R7) +R7 ；UA路的+端通过分压电阻R4、R5分压得到比较电压，比较电压为Vi，其中Vi = (R5+ (R4+R5)) X5，比较结果通过电阻R8输出，在R8处接一个下拉电阻R9，其中电容C2、C3分别起到滤波和去耦的作用。
[0051]图5中开关磁阻电机(SRM)定子的相数与自举电路中高频变压器的原线圈的数量相对应，所述的原线圈的起始端对应VCCl、VCC2、VCCx，所述的原线圈的末端对应PHA、PHB、PHX,所述的VCC1、VCC2、VCCx分别为高频、高速的光耦U5和U6提供电源，高频变压器励磁时对应开关磁阻电机的关断角，高频变压器经过阻容滤波后给高频、高速的光耦提供电源，其中光耦U5和U6给出的驱动信号与开关磁阻电机的开通角相对应，所述的PHA、PHB、PHX分别连接高频、高速光耦的VEE端，也就是半桥中上桥臂IGBT管的发射极与下桥臂IGBT管的集电极连接点。其中VCCx中的X与开关磁阻电机定子绕组的极数相对应。
[0052]图6中开关磁阻电机(SRM)定子绕组的反电动势从PHA、PHB和PHX进入，在自举电路的高频变压器原边产生电动势VCE1、VCE2和VCEx，以及由这些反电动势产生励磁和在高频变压器次边产生感应电动势VL之间与开关磁阻电机(SRM)导通角和关断角之间的对应关系。开关磁阻电机的导通角和关断角与自举电路的整流、滤波和自举电路中高频变压器的励磁相对应，自举电路的高频变压器由原边绕组和次边绕组组成，开关磁阻电机有多少相，高频变压器的原边绕组就有相对应的多少路，原边线圈和次边线圈的电压、电流都与开关磁阻电机的导通角和关断都是相对应关系。
[0053]图7中以开关磁阻电机(SRM)定子绕组的任意一相为例，所述的该相绕组由4个耐压在DC500V-1500V的IGBT管组成一个全桥电路，其中每2个IGBT管组成一组半桥，每组半桥电路连接这相开关磁阻电机(SRM)定子绕组的一个端口，每组半桥电路分为上桥臂和下桥臂，上桥臂的驱动电路由一个具有栅极驱动能力的高速光耦U5和U6组成，例如HCPL-314J，这个具有栅极驱动能力的高速光耦U5和U6应该有功能相当于HCPL-314J的ANODE、CATHODE、VCC、VO、VEE这几个端子，其中ANODE端通过电阻R20和R21连接5V电源，CATHODE连接PWM信号，高速光耦U5和U6的VCC端连接自举电路高频变压器的VCCl端和VCC2端，VO通过电阻R22和R24连接所述的半桥驱动的上桥臂的IGBT管的栅极，所述的半桥上桥臂IGBT管的发射极与该驱动半桥下桥臂IGBT管的集电极相连，连接点为PHA和PHB, PHA连接到高速光耦U5的VEE端；下桥臂驱动由两个高频、高压的PNP三极管Q20与Q22和Q21与Q23组成恒流驱动电路，例如2SA1412或者2SA1006，三极管Q20和Q21的基极接收PWM信号，Q20和Q21的集电极连接数字地(DGND)，Q20和Q21的发射极通过电阻R23、R25和隔离二极管D20、D21以串联的形式连接下桥臂IGBT管U2和U4的栅极，在隔离二极管D20、D21与IGBT管U2和U4的栅极之间以电阻R30、R31连接PNP三极管Q22、Q23的集电极，PNP三级管Q22、Q23的发射极和基极之间跨接电阻R32、R33，Q22、Q23的发射极连接15V的电源，Q22、Q23的基极连接PNP三极管Q20、Q21的发射极，上桥臂和下桥臂的IGBT管Ul、U2、U3和U4的栅极和发射极之间分别跨接电阻R26、R27、R28和R29。
[0054]图8中DC-DC电源变换电路主要从高频变压器输入绕组的励磁、高频变压器反馈绕组的输出、高频变压器输出绕组的滤波、输出电压的采样以及TOP系列开关管的PWM驱动信号、三端稳压电路，总体来说包括DC-DC电路和三端稳压电路两个部分:
[0055]UDC-DC电路:电源电路采用反激式直流转换DC-DC电路组成，通过一个大的电解电容和一个小高压贴片电容将输入的直流电源进行滤波，避免噪音干扰，然后通过励磁绕组进行励磁，通过TOP系列开关管与反馈绕组的配合与TL431A进行斩波，在输出绕组中通过整流滤波分别得到需要的5V和15V直流电压。
[0056]2、三端稳压电路:三端稳压电路的输入端经过电容滤波将控制器底板的15V电压通过三端稳压管7815得到稳定的15V的直流电源提供给IGBT驱动的15V恒流驱动电源和其它需要15V的恒流驱动电源；三端稳压电路的输入端经过电容滤波将控制器的5V电压通过三端稳压管7805得到稳定的5V的直流电源，该5V电压经过电容滤波后提供给小模块的三极管、放大电路芯片、片上系统(System-on-Chip)等，使它们正常工作。由于限流斩波电路和DC/DC的三端稳压电路涉及到高频电路，PCB的电路布置应该分开布置，防止干扰。
[0057]图9中电流、转速双闭环串级控制，速度反馈信号来自转子位置信号的间接测量，片上系统中通过定时器将位置信号的频率测出，间接得到开关磁阻电机(SRM)的转速，操作面板给定速度与反馈速度相比较获得速度误差信号，经过PI调节器调整后得到电流环参考信号输入，再与测得的实际相电流信号相比较得出电流误差信号，再经过PI调节器调整为PWM信号的占空比，控制开关磁阻电机的转速。
【权利要求】
1.一种适合无轨的电动交通工具和有轨的电动交通工具基于片上系统和IGBT的自举式开关磁阻电机控制器，其特征是:采用片上系统替代分立元件，达到硬件软件化的效果；采用分立的IGBT管、三极管、电阻和光耦组成功率变换电路以及它们的驱动电路；采用自举电路吸收开关磁阻电机产生的反电动势；采用限流斩波电路实现开关磁阻电机控制器在启动、刹车和超载的安全性；采用PCB板电源地(PGND)、数字地(DGND)和模拟地(AGND)的合理布局增强开关磁阻电机控制器的稳定性；采用速度环和电流环实现开关磁阻电机控制器的双闭环控制。
2.根据权利要求1所述基于片上系统和IGBT的自举式开关磁阻电机控制器，其特征是:采用具有单片机和PLD/CPLD/FPGA功能的片上系统，将数字逻辑电路与微处理器(MCU)的任务整合在片上系统(System-on-Chip)中，实现数字部分的硬件电路软件化，达到精简硬件电路的目的，提高开关磁阻电机控制器在生产和维护的可操作性。
3.根据权利要求1所述基于片上系统和IGBT的自举式开关磁阻电机控制器，其特征是:在开关磁阻电机(SRM)定子绕组的一个X相中，所述的该相绕组由4个耐压在DC500V-1500V的IGBT管组成一个全桥电路，其中每2个IGBT管组成一组半桥，每组半桥电路连接这相开关磁阻电机(SRM)定子绕组的一个端口，每组半桥电路分为上桥臂和下桥臂，上桥臂的驱动电路由一个具有门极驱动能力的高速光耦U5和U6组成，例如HCPL-314 J，这个具有门极驱动能力的高速光耦U5和U6应该有功能相当于HCPL-314J的ANODE、CATHODE、VCC、VO、VEE这几个端子，其中ANODE端通过电阻R20和R21连接5V电源，CATHODE连接PWM信号，所述光耦U5和U6的VCC端连接自举电路高频变压器的VCC1端和VCC2端，所述光耦的V0端通过电阻R22和R24连接所述的半桥驱动的上桥臂的IGBT管的栅极，所述的半桥上桥臂IGBT管的发射极与该驱动半桥下桥臂IGBT管的集电极相连，连接点为PHA和PHB，PHA连接到所述光耦U5的VEE端；下桥臂驱动由两个高频、高压的PNP三极管Q20与Q22和Q21与Q23组成恒流驱动电路，三极管Q20和Q21的基极接收PWM信号，Q20和Q21的集电极连接数字地(DGND)，Q20和Q21的发射极通过电阻R23、R25和隔离二极管D20、D21以串联的形式连接下桥臂IGBT管U2和U4的栅极，在隔离二极管D20、D21与IGBT管U2和U4的栅极之间以电阻R30、R31连接PNP三极管Q22、Q23的集电极，PNP三级管Q22、Q23的发射极和基极之间跨接电阻R32、R33，Q22、Q23的发射极连接15V的电源，Q22、Q23的基极连接PNP三极管Q20、Q21的发射极，上桥臂和下桥臂的IGBT管Ul、U2、U3和U4的栅极和发射极之间分别跨接电阻R26、R27、R28和R29。
4.根据权利要求1所述基于片上系统和IGBT的自举式开关磁阻电机控制器，其特征是:开关磁阻电机(SRM)定子的相数与自举电路中高频变压器的原线圈的数量相对应，所述的原线圈的起始端对应VCC1、VCC2、VCCx，高频变压器励磁时对应开关磁阻电机的关断角，高频变压器经过阻容滤波后给高频、高速的光耦提供电源时对应开关磁阻电机的开通角，所述的原线圈的末端对应PHA、PHB、PHX，所述的VCC 1、VCC2、VCCx分别为高频、高速的光耦提供电源，所述的PHA、PHB、PHX分别连接高频、高速光耦的VEE端，也就是半桥中上桥臂IGBT管的发射极与下桥臂IGBT管的集电极连接点。
5.根据权利要求1所述基于片上系统和IGBT的自举式开关磁阻电机控制器，其特征是:开关磁阻电机控制器的PCB板采用双面板，在开关磁阻电机控制器PCB板的正面中，以数字地(DGND)与模拟地(AGND)隔离区为界限，隔离区的上面是模拟电路，这些模拟电路包括各相IGBT半桥的驱动电路、自举电路、DC-DC电源变换电路和各相的IGBT功率变换电路；隔离区的下面是限流斩波电路和以片上系统(System-on-Chip)为核心的数字电路；介于隔离区的数字地(DGND)和模拟地(AGND)之间，用保险丝(FUSE)跨接；在开关磁阻电机控制器PCB板的反面中，主要是以两大覆铜为基础，一块覆铜是驱动电路PCB位置反面的模拟地(AGND)，另外一块覆铜是以片上系统(System-on-Chip)为中心的数字电路的数字地(DGND)和电源地(PGND)，其中数字地(DGND)和电源地(PGND)重合，其中，在控制器与电机各相连接处，开辟一块用于驱动开关磁阻电机(SRM)各相导线连接的单独覆铜，并且开天窗，在开关磁阻电机控制器PCB板的正、反面的顶端相同区域，都有一个L型覆铜，而且正、反面都需要开天窗，用于功率变换器的正极导电，其中限流斩波电路与DC-DC电源变换电路分开布置，避免干扰。
6.根据权利要求1所述基于片上系统和IGBT的自举式开关磁阻电机控制器，其特征是:限流斩波电路采用的双路的运算放大器，UA和UB，经过提取保险丝(FUSE)模拟地端的电流信号经过R2电阻进入UA的-端，经过R1电阻进入UB的+端，在UB的+端处连接一个上拉电阻R3，上拉电压为5V，在UB的+端处连接一个滤波电容C1，在UB路通过电阻R6和R7组成放大电路，放大增益为Av，其中Av = (R6+R7) +R7 ；UA路的+端通过分压电阻R4、R5分压得到比较电压，比较电压为Vi，其中Vi = (R5+ (R4+R5)) X5，比较结果通过电阻R8输出，在R8处接一个下拉电阻R9，其中电容C2、C3分别起到滤波和去耦的作用。
7.根据权利要求1所述基于片上系统和IGBT的自举式开关磁阻电机控制器，其特征是:电流、速度双闭环控制系统是电流、转速双闭环串级控制，速度反馈信号来自转子位置信号的间接测量，片上系统中通过定时器将位置信号的频率测出，间接得到开关磁阻电机(SRM)的转速，操作面板给定速度与反馈速度相比较获得速度误差信号，经过PI调节器调整后得到电流环参考信号输入，再与测得的实际相电流信号相比较得出电流误差信号，再经过PI调节器调整为PWM信号的占空比，控制开关磁阻电机的转速。
【文档编号】H02P6/08GK104333274SQ201410530868
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年10月9日 优先权日:2014年10月9日
【发明者】李鑫 申请人:李鑫