专利名称：一种基于同步整流技术的开关磁阻电机控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于同步整流技术的开关磁阻电机控制器，属于电动机控制领域。
背景技术：
开关磁阻电机结构简单坚固，工作可靠，效率高，由其构成的开关磁阻电动机驱动系统与传统交直流调速系统相比，具有许多优点，如起动转矩大，调速范围宽，控制灵活，可方便实现四象限运行，具有较强的再生制动能力，在宽广的转速和功率范围内都具有高效率，有利于节能降耗；可工作于极高转速；可缺相运行，容错能力强等。相比于其它直流电机，开关磁阻电机的工作电流大，传统的利用二极管进行续流的方案由于二极管的正向导通电压大，故在续流阶段续流损耗要大的多，特别是在在大电流连续工作阶段，从而造成晶体管的工作温度高，长时间的温度积累或者由于斩波失效造成的电流瞬间增高都会造成续流二极管的温度击穿，从而对系统的可靠性及安全性都存在有较大的隐患。且传统的二极管方案对系统的布局散热也有很高的要求，故从降低损耗来源降低温度源的角度提出利用MOS管进行续流的方案，该方案利用MOS管沟道电阻较小的特性，在续流开始阶段开启MOS管，从而利用MOS管沟道进行续流，以达到降低续流损耗及工作温度的目的，提高系统可靠性及安全性。在直流无刷电机上，该种方案已经广泛运用，技术成熟，其原因为其特有的电机结构。该种电机的各相之间相互关联，在其中一相开启工作阶段，通过对其他相的开关管进行合理控制以此来作为该相的续流管工作。但在开关磁阻电机上尚未有如此的应用，这主要是由于开关磁阻电机的特殊架构原因造成的。本发明提出将整流技术运用到开关磁阻电机功率变换器中。可以降低开关磁阻电机在正常运行及大电流斩波运行下的工作损耗，降低系统温度积累，降低由于温度造成系统失效的情况。本方案电路较为简单，容易实现。
发明内容
发明目的本发明提出一种基于同步整流技术的开关磁阻电机控制器，能够降低功率变换器在续流阶段的功耗，降低温度以及热击穿的风险，提高系统的稳定性和可靠性。技术方案为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种基于同步整流技术的开关磁阻电机控制器，包括微处理器、第一与门、第一与非门、电流米样电路、米样放大电路、磁阻电机位置传感器和功率变换器。电流采样电路采集电机绕组的电流的瞬时值，并通过采样放大电路放大后输入到微处理器的模数转换模块。磁阻电机位置传感器向微处理 器的输入输出模块提供定、转子极间相对位置信号。微处理器根据电流的瞬时值和磁阻电机位置传感器的位置信号，控制两个与门的控制信号，继而控制功率变换器的工作状态，从而实现同步整流模式降低功耗。功率变换器包括上开关MOS管、下开关MOS管、下续流MOS管和上续流MOS管。上开关MOS管的源极与电机绕组的一端相连，漏极与直流电源连接，下开关MOS管的漏极与电机绕组的另一端相连，源极与第一电阻连接。上续流管MOS管的源极与下开关MOS管的漏极相连，其漏极与上开关MOS管相连，下续流MOS管的源极接地，其漏极接上开关MOS管的源极。所有MOS管均为η型MOS管。微处理器包括脉宽调制模块、输入输出模块和模数转换模块。脉宽调制模块分别向第一与门和第一与非门输出上开关管PWM驱动信号和下续流管驱动信号。输入输出模块向功率变换器输出下开关MOS管驱动信号和上续流MOS管驱动信号，分别接到下开关MOS管的栅极和上续流MOS管的栅极。输入输出模块还接收来自位置传感器的位置信号。模数转换模块接受来自采样放大电路的采样放大信号。第一与门接受来自微处理器的上开关管PWM驱动信号和换相斩波信号,并向上开关MOS管栅极输出驱动信号,第一与非门接收来自微处理器的下续流管驱动信号和下续流管控制信号，并向下续流MOS管输出驱动信号。电流采样电路包括第一电阻，其一端与下开关MOS管的源极相连，另一端接地。采样放大电路将第一电阻上的电压放大，并向微处理器的模数转换模块输出采样 放大信号。作为本发明的一种改进，电流采样电路中的第一电阻，采用高精度低温度系数的康铜丝制成，可以减少温度的影响，使采样的绕组电流更加精确。作为本发明的另一种改进，采样放大电路采用现有的基于运算放大器的电压放大电路，包括运算放大器、第二电阻和第三电阻。作为本发明的一种改进，微处理器采用32位单片机。通过读取位置信号和电流信号，微处理器让磁阻电机某一相导通工作，微处理器的输入输出模块驱动功率变换器中的下开关MOS管使其导通；然后将输入到二输入与非门的下续流管控制信号置为高电位，使下续流MOS管受下续流管驱动信号相同波形控制；经过数十微秒的间隔后，微处理器输入输出模块将输入到二输入与门的换相斩波信号置为高电位，使上开关MOS管受上开关管PWM驱动信号相同波形控制；当绕组励磁时，电流采样电路的采样值经采样放大电路放大后输出到微处理器模数转换模块，此时采用微处理器内部内置斩波判别算法判断是否需要开、关相绕组，当电流达到斩波上限时，通过微处理器输入输出模块将换相斩波信号置为低电位，功率变换器中的上开关MOS管关断，绕组电流通过功率变换器下续流MOS管体二极管续流；经过数十微秒的时间间隔后，微处理器输入输出模块将下续流管控制信号置为低电位，使下续流MOS管持续导通以通过沟道进行续流。当电机换相需要该相关断时，微处理器输入输出模块将输入到第一与门的换相斩波信号置为低电位，使上开关MOS管关断，再由微处理器输入输出模块将下开关MOS管驱动信号置为低电位，使下开关MOS管也关断，此时绕组中电流通过功率变换器中下续流MOS管的体二极管和上续流MOS管的体二极管进行回流；接着经过数十微秒的间隔后，微处理器输入输出模块将下续流管控制信号置为低电位，并将上续流MOS管驱动信号置为高电位，使上、下续流MOS管均持续开通利用沟道进行回流。当回流结束时，输入输出模块将上续流MOS管驱动信号为置低电位，使上续流MOS管持续关断。微处理器内置斩波判别算法的具体过程是当模数转换模块接受到来自采样放大电路的信号后开始运行该算法，如果采样放大信号大于斩波电流上限，则将微处理器输出的换相斩波信号置为低电平；如果采样放大信号低于斩波电流下限，则将换相斩波信号置为闻电平。
有益效果本发明能实现开关磁阻电机在运行时续流阶段的续流管的工作损耗，降低温度积累，从而降低热击穿的风险，提高系统的稳定性及可靠性。电路原理和结构简单实用，易于实现。
图I为本发明的结构示意 图2为本发明的功耗对比实验结果 图3为本发明的控制信号波形图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明 本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。如图I所不,本发明包括微处理器I、第一与门2、第一与非门3、电流米样电路5、采样放大电路6、磁阻电机位置传感器7和功率变换器4。微处理器I采用32位单片机，其内部包含脉宽调制模块11、输入输出模块12和模数转换模块13。脉宽调制模块11分别向第一与门2输出上开关管PWM驱动信号，及向第一与非门3输出下续流管驱动信号。输入输出模块12分别向第一与门2输出换相斩波信号，第一与非门3输出下续流管控制信号，向功率变换器4的下开关MOS管T2输出驱动信号，向功率变换器4的上续流MOS管输出驱动控制信号，并接受开关磁阻电机位置传感器7输入的信号。模数转换模块13接受来自采样放大电路6的采样放大信号。第一与门2接受来自脉宽调制模块11输出的上开关管PWM驱动信号和输入输出模块12输出的换相斩波信号，并向功率变换器4的上开关MOS管TI输出驱动控制信号。第一与非门3接受来自脉宽调制模块11的下续流管驱动信号和输入输出模块12的下续流管控制信号，并向功率变换器4输出下续流MOS管T3的驱动信号。功率变换器4由上开关MOS管Tl、下开关MOS管T2、下续流MOS管T3和上续流MOS管T4组成，上开关MOS管Tl接入由第一与门2输出的上开关MOS管驱动信号，下开关MOS管T2接入由输入输出模块12输出的下开关MOS管驱动信号，下续流MOS管T3接入来自第一与非门3输出的下续流MOS管驱动信号，上续流MOS管T4接入来自输入输出模块12输出的上续流MOS管驱动信号。电流采样电路5由采用高精度低温度系数康铜丝制成的第一电阻Rl组成，并与功率变换器4中的下开关MOS管T2的源极和地分别连接。采样放大电路6由第二电阻R2、第三电阻R3以及运算放大器OP组成。运算放大器OP的正输入端与电流采样电路5中的第一电阻Rl的一端及下开关MOS管T2的源端相连，运算放大器51的负输入端与第二电阻R2和第三电阻R3的连接点相连，第二电阻R2的另一端接地，运算放大器OP的输出端与第三电阻R3的另一端相连，并连接到模数转换模块13，输出采样放大信号。整个控制器的工作原理分为五个过程
一、当处在开通状态时，微处理器I的输入输出模块12首先将上续流MOS管驱动信号置为低电平，使上续流MOS管T4关断。经过数十微秒延迟，将下开关MOS管驱动信号置为高电位，从而使下开关MOS管T2导通；然后再将输入到第一与非门3的下续流管控制信号置为高电位，使下续流MOS管T3受下续流管驱动信号相同波形控制；继续经过数十微秒的时间间隔后，将输入到第一与门2的换相斩波信号置为高电位，使上开关MOS管Tl受上开关管PWM驱动信号相同波形控制，从而开始绕组励磁。二、当绕组电流增大至斩波上限，微处理器I内置斩波判别成立时，输入输出模块12立即将输入到第一与门2的换相斩波信号置为低电位，以关断上开关MOS管Tl，此时绕组电流立即通过功率变换器4的下续流MOS管T3的体二极管续流；经过数十微秒的时间间隔后，将输入到第一与非门3的下续流MOS管驱动信号置为低电位，使下续流MOS管T3持续导通以通过沟道进行续流。三、当斩波结束时，重新运行第一个过程。四、当微处理器I根据开关磁阻电机位置传感器7的信号进行换相时，微处理器I的输入输出模块12将输出到第一与门2的换相斩波信号置为低电位,使上开关MOS管Tl关断；再将下开关MOS管驱动信号置为低电位，使下开关MOS管T2也关断，此时电机绕组M中的电流通过功率变换器4中的下续流MOS管T3的体二极管和上续流MOS管T4的体二极 管进行回流；接着经过数十微秒的时间后将微处理器I的输入输出模块12的下续流MOS管驱动信号置为低电位，并将上续流MOS管驱动信号置为高电位，使上续流MOS管T3和下续流MOS管T4均持续导通，以利用其沟道进行回流。五、当回流结束后，将上续流MOS管驱动信号置为低电位，使上续流MOS管T4持续关断。从而实现开关磁阻电机同步整流控制过程。如图2所示为开关磁阻电机在100%占空比下斩波工作波形，其斩波上限21为220A，斩波下限22为200A。第一曲线23为电机绕组M中电流波形，第二曲线24为传统二极管续流的实时能量损耗，横坐标为时间，纵坐标为实时损耗，第三曲线25为MOS管沟道续流的实时能量损耗，横坐标为时间，纵坐标为实时损耗。其中二极管型号为43CTQ100，其正向导通电压为O. 67V ;续流MOS管型号为A0T470，其导通电阻为8ι Ω。从中可以看出，MOS管沟道续流能量损耗要远小于二极管续流损耗。如图3所示，基于同步整流技术的开关磁阻电机功率变换器在各种工作模式下的各个MOS管的工作驱动信号。第四曲线31为上开关PWM驱动信号，第五曲线32为换相斩波信号，第六曲线33为上开关MOS管驱动信号，第七曲线34为下续流MOS管驱动信号，第八曲线35是下续流管控制信号，第九曲线36是下续流管驱动信号，第十曲线37是上续流MOS管驱动信号，第十一曲线38是下开关MOS管驱动信号。
权利要求
1.一种基于同步整流技术的开关磁阻电机控制器，包括微处理器(I)、第一与门(2)、第一与非门(3)、电流采样电路(5)、采样放大电路(6)、磁阻电机位置传感器(7)和功率变换器(4)，其特征在于 所述功率变换器包括上开关MOS管(Tl)、下开关MOS管(T2)、上续流MOS管(T4)和下续流MOS管(T3)， 上开关MOS管(Tl)的栅极接第一与门(2)的输出端，下开关MOS管(T2)的栅极接微处理器(I)输入输出模块(12)的输出端，下续流MOS管(T3)的栅极接第一与非门(3)输出的信号，上续流MOS管(T4)的栅极接微处理器(I)输入输出模块(12)的输出端， 上开关MOS管(Tl)的源极与电机绕组(M)的一端相连，漏极与直流电源(Vs)连接，下开关MOS管(T2)的漏极与电机绕组(M)的另一端相连，源极与第一电阻(Rl)连接， 上续流MOS管(T4)的源极与下开关MOS管(T2)的漏极相连，其漏极与上开关MOS管(Tl)相连，下续流MOS管(T3)的源极接地，其漏极接上开关MOS管(Tl)的源极； 所述微处理器(I)包括脉宽调制模块(11)、输入输出模块(12)和模数转换模块(13)，脉宽调制模块(11)输出的上开关管PWM驱动信号和输入输出模块(12)输出的换相斩波信号分别接第一与门(2)的两个输入端， 脉宽调制模块(11)输出的下续流管驱动信号和输入输出模块(12 )输出的下续流管控制信号分别接第一与非门(3)的两个输入端。
2.根据权利要求I所述的基于同步整流技术的开关磁阻电机控制器，其特征在于所述电流采样电路(5 )采用高精度低温度系数的康铜丝制成的第一电阻(Rl)。
3.根据权利要求I所述的基于同步整流技术的开关磁阻电机控制器，其特征在于所述采样放大电路(6)为基于运算放大器的电压放大电路。
4.根据权利要求I所述的基于同步整流技术的开关磁阻电机控制器，其特征在于所述微处理器(I)为32位单片机。
全文摘要
本发明公开了一种基于同步整流技术的开关磁阻电机控制器，包括微处理器、第一与门、第一与非门、电流采样电路、采样放大电路、磁阻电机位置传感器和功率变换器。电机运行阶段，微处理器通过分析来自开关磁阻电机位置传感器的信号，确定当前开通相。同时根据采样放大电路的采样放大信号，确定当前的电流状态。微处理器根据开关磁阻电机位置状态和电流状态，对功率变换器中的上下续流MOS管进行控制。本发明能实现利用MOS管沟道在开关磁阻电机绕组续流阶段提供续流通道，产生较现有二极管续流技术更小的导通损耗，从而降低能量损耗及降低功率变换器温升，系统更可靠安全。从而实现续流管的低温度效果，提高系统的可靠性和安全性。
文档编号H02P6/00GK102843077SQ20121034621
公开日2012年12月26日 申请日期2012年9月18日 优先权日2012年9月18日
发明者钟锐, 赵荣渟, 陈磊, 钱钦松, 孙伟锋, 陆生礼, 时龙兴 申请人:东南大学