一种三相电机驱动电路的制作方法

本实用新型涉及三相电机，具体涉及一种三相电机驱动电路。

背景技术：

中国实用新型“一种多相交流电机结构及其驱动电路”，专利号201620230492.8，公开了定子线圈单元由二组以上的由各自全桥逆变器驱动的相互隔断不电连接的定子线圈组成的结构，这种多相交流电机结构及其驱动电路，启动和调速均无需额外电路，且噪音低，功耗小。但是由于正弦波值区间为[-1,1],所以需要有正反方向的驱动信号到定子线圈，因此它只能由全桥逆变器驱动，这大大增加了交流电机的成本。

另一方面，传统的三相直流电机其相线圈绕组一般采用星型接法，三个相线圈绕组具有公共端点,这样每组线圈不独立，相互牵制，采用半桥逆变器驱动线圈时，驱动电流信号流入一组线圈，从另两组线圈中的任一组流出，这种情况下，逆变器输出的只能是类似正弦的电压或电流，而这种电压或电流用来驱动的直流无刷马达会导致多的功耗和可听见的噪音。

技术实现要素：

实用新型内容

本实用新型需要解决的技术问题是，如何提供一种三相电机驱动电路，启动电路结构简单、调速方便且成本低。

本实用新型的上述技术问题这样解决，构建一种三相电机驱动电路，包括定子线圈单元及其驱动模块，其特征在于，所述驱动模块包括定子线圈控制模块、半桥逆变器单元和用于检测定子线圈单元电流的电流检测单元；所述半桥逆变器单元由三个半桥逆变器组成，所述电流检测单元由三个电流检测子单元组成，所述定子线圈单元由三个由各自半桥逆变器驱动的相互电隔断的定子线圈组成，所述半桥逆变器、电流检测子单元与所述定子线圈一一对应。

按照本实用新型提供的驱动电路，所述定子线圈控制模块是FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)或其他具有类似功能的芯片(IC)。

按照本实用新型提供的驱动电路，所述定子线圈控制模块包括用于根据定子线圈电流检测结果获取当前旋转坐标系的位置矢量夹角θ的反馈回路单元和与该反馈回路电连接的将旋转坐标系的位置矢量夹角θ调制成由半桥逆变器输出的PWM信号的数字驱动单元。

按照本实用新型提供的驱动电路，旋转坐标系的位置矢量夹角θ是指定子转子经过克拉克变换和派克变换后的旋转坐标系的位置矢量夹角，取值范围是0-360度。

按照本实用新型提供的驱动电路，该三相电机驱动电路还包括与所述定子线圈控制模块电连接的电机控制器。

按照本实用新型提供的驱动电路，所述三相电机是交流电机或直流电机。

本实用新型提供的三相电机驱动电路，突破常规定子线圈星型或三角形接法，与现有技术相比，具有以下优势：

1、启动和调速均无需额外电路，噪音低，功耗小；

2、算法简单，实现所有的绕组全部用平滑的纯正弦波来驱动；

3、每个绕组使用半桥逆变器，大大降低了产品成本。

附图说明

下面结合附图和具体实施例进一步对本实用新型进行详细说明。

图1是本实用新型优选实施例的三相电机结构中的独立定子线圈连接方式示意图；

图2是与图1所示三相电机结构对应的驱动电路的电路结构示意图；

图3是图1中任一相的半桥逆变器驱动电路结构示意图；

图4是传统三相电机结构对应的驱动原理方框示意图；

图5是磁场定向坐标转换原理示意图；

图6是传统三相电机结构对应磁场定向坐标转换后的驱动信号示意图。

具体实施方式

本实用新型优选实施例的三相电机，电机定子结构如图1，配置了三组没有公共端点的独立的定子线圈，互不干扰，转子和普通三相电机无异。

定子部分驱动系统框图如图2，半桥逆变器单元使用三个半桥逆变器驱动三相电机，某一相的半桥逆变器驱动电路结构图如图3。

按照这种结构设计的电机，可以实现定子线圈单元中所有的定子线圈都用平滑的纯正弦波来驱动，使电机的定子线圈具有最小电力谐波，达到最大的驱动效率。另外，该电机使用了一个功能强大的高速FPGA同时驱动三个半桥逆变器。FPGA由电机控制器控制，FPGA内部包括数字驱动单元和反馈回路单元，反馈回路单元的输入为每组定子线圈的电流信号，按正弦波算法计算后能够得到给每组定子线圈半桥逆变的驱动信号。

优选实施例中的某一相半桥逆变器，结构如图3所示，通过两个场效应管Q1，Q2，的栅极驱动，输出电机驱动信号提供给接在端子J5上的对应定子线圈。为了达到最好的开关效率，所有的逆变器都以栅极信号驱动，单级模式运行。

通过定子线圈电流检测反馈，然后用正弦波算法来计算每组线圈的半桥逆变驱动信号的原理：

正弦波算法是通过三相中的每相线圈的电流反馈，经过一些变换，来分析和计算得出更符合本电机的三相驱动信号，得出动态输出正弦波或接近正弦波电流到三相线圈的算法。目前比较成熟用的是FOC算法。

如图4所示，FOC是通过控制变频器输出电压的幅值和频率控制三相电机的一种变频驱动控制办法，它的主要思想就是通过测量和控制电机的定子电流矢量，根据磁场定向原理对转矩电流进行控制。磁场定向原理主要基于坐标变换，将三相静止坐标系转化为两相旋转的坐标系，从而使三相耦合的定子电流转换为相互正交。图4中的符号意义简要说明如下：其中Vd,Vq代表旋转坐标系的电压信号，id,iq代表旋转坐标系的电流信号；Vα,Vβ代表静止坐标系的电压信号，iα,iβ代表静止坐标系的电流信号；ia,ib,ic分别代表三相线圈的某相电流。

图5所示为经图4SVM部分的信号处理后准备输出至三相驱动桥逆变器的电压空间矢量，简称逆变器输出电压空间矢量图。其中V1-V6为6个有效矢量，V0,V7是两个无效矢量。图6则为对应图5区域1的三相PWM栅极信号图，其中：PWMUH、PWMUL、PWMVH、PWMVL、PWMWH、PWMWL都是PWM信号。

这是目前最为先进的电机驱动方法，但我们也可以很简单看出其自身限制，1)只能适用于Y型接法的三相电机；2)由于电机接线限制，如果三相线圈有微小不平衡，电机启动和运转的功耗和噪声将很大，因为这个理论是基于电子三相电机的定子线圈绝对平衡；3)最后也是最重要的是这种控制方式不能精确确定电机转子位置，从而达不到三相电机转矩和速度的完全平滑控制，因为如图5所示的每两个有效矢量夹角对应的矢量空间，对应的逆变桥开关状态最多只有8组(如图6)。所以整个矢量空间最多只能有6*8＝48种逆变桥的开关状态。也就是FOC的最高精度只能达到360度/48＝7.5度。

本实用新型优选实施例的三相电机正弦波驱动方法按FOC算法原理进行修正，配合电机的接法，来达到完全平滑的正弦波信号输出至三相逆变器驱动桥。本实用新型的三相电机是三相6线，每一相完全独立，所以电机逆变驱动桥功率管的开关不会有如图6所示的限制(每个矢量空间只可以有8组开关状态)，这样电机逆变驱动桥功率管的输出电压通过下面算法来决定：通过对定子线圈电流的检测和坐标变换得出旋转坐标系的位置矢量夹角θ和当前需要给三相电机每组线圈施加的驱动电压Va,Vb,Vc，其中Va,Vb,Vc为振幅相等为Vm，相位相差120度的正弦信号,介于正弦值取值在【-1,1】这个区间，(1+sinθ)的值就在【0,2】这个区间，这样使用Vm(1+sinθ)来调制给某组定子线圈的PWM信号，其他两组的信号分别为Vm(1+sin(120+θ)),Vm(1+sin(240+θ)).就可以达到使用半桥逆变器推动三相电机的目的。确定功率管最快的最安全的开关信号，将正弦波驱动信号调制成高频的PWM信号给到每一组定子线圈，这样就可以实现用平滑正弦驱动三相电机的目的，其精度仅仅只局限于功率管的安全开关时间限制和FPGA的工作频率，实用上远超于传统三相电机的7.5度。通过用平滑正弦驱动三相电机，就可以实现在任何阶段下对三相电机的速度和转矩的平滑高效控制。

本实用新型的正弦波算法对定子线圈没有限制，如果是完全独立的6线三相接法的电机，那么输出到每个定子线圈的信号将是完美的正弦波信号。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本实用新型权利要求的涵盖范围。