(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010927785.2
(22)申请日 2020.09.07
(71)申请人 浙江博千科技有限公司
地址 317500 浙江省台州市温岭市城西街
道中心大道676号
(72)发明人 金一甿 陈学富
(74)专利代理机构 杭州浙科专利事务所(普通
合伙) 33213
代理人 吴秉中
(51)Int.Cl.
H02P 6/08(2016.01)
H02P 6/10(2006.01)
H02M 7/48(2007.01)
(54)发明名称
(57)摘要
本发明提供了一种无电解电容永磁同步电
机控制驱动，属于电机驱动系统技术领域。它解
幅度波动的问题。本无电解电容永磁同步电机控
线电压测量电路和三相逆变电路依次串接组成，
三相逆变电路的控制信号由控制驱动和控制芯
片提供，控制软件计算出直流母线电压的最大值
Vmax，最小值Vmin，和实时增量值X，计算出实时
增量值X后，
根据公式PWM=
计算出三相逆变电路所需的当前占空比PWM量，
根据当前占空比PWM量向电机输出相应的U，V，W
三相定子电流，产生驱动电机转子旋转的定子旋
转磁场。本发明具有在直流母线电压有大幅度波
动的工况下，保持电机输出转速和转矩稳定的优
点。权利要求书1页 说明书3页 附图2页CN 112072962 A 2020.12.11
C N 112072962
A
1.一种无电解电容永磁同步电机控制驱动，由单相整流电路（D1，D2，D3，D4）、高频纹波吸收电路（C1），母线电压测量电路（R1，R2）和三相逆变电路（S1，S2，S3，S4，S5，S6）依次串接组成，所述三相逆变电路的控制信号由控制驱动和控制芯片提供，控制软件计算出直流母线电压的最大值Vmax，最小值Vmin，和实时增量值X，计算出实时增量值X后，根据公式PWM=
计算出三相逆变电路（S1，S2，S3，S4，S5，S6）所需的当前占空比PWM量，根据
当前占空比PWM量向电机输出相应的U，V，W三相定子电流，产生驱动电机转子旋转的定子旋转磁场。
2.根据权利要求1所述的一种无电解电容永磁同步电机控制驱动，其特征在于，三相逆变电路（S1，S2，S3，S4，S5，S6）功率开关所需的控制信号由前置驱动电路所提供，该前置驱动电路为带自举电路的直接耦合驱动或带光偶的隔离驱动电路。
3.根据权利要求2所述的一种无电解电容永磁同步电机控制驱动，其特征在于，三相逆变电路（S1，S2，S3，S4，S5，S6）功率开关的导通时间由前置驱动电路的占空比PWM决定，用于改变电机定子线圈内的电流方向，以产生拖动电机转子所需要的旋转磁场。
4.根据权利要求1所述的一种无电解电容永磁同步电机控制驱动，其特征在于，母线电压测量电路（R1，R2）的数值通过电压采样电路来测量，母线电压的最大值为Vmax，最小值为Vmin，母线数值用X+Vmin来表达，X是瞬间母线电压高于最低值的增量部分。
权 利 要 求 书1/1页CN 112072962 A
无电解电容永磁同步电机控制驱动
技术领域
[0001]本发明属于电机驱动系统技术领域，涉及一种无电解电容永磁同步电机控制驱动。
背景技术
[0002]永磁同步电机需要相应的控制器进行工作，控制器的功能是把直流母线电压转变成交流电压以驱动电机，在单相交流供电的情况下，经整流器后直流母线电压会大幅度波动，需要大容量的储能电容进行滤波，以保证电压波动在一定的范围之内，大容量的电解电容体积大，成本高，寿命短，不利于驱动系统的小型化和低成本化。一般工况下电机控制器的使用寿命主要取决于电解电容的寿命。
[0003]永磁同步电动机控制器一般用直流电源供电，在用交流电源供电的工况下，需要用整流器把交流电源转变为直流电源再给控制器供电，这种供电方式需要大容值电解电容维持直流母线电压稳定，为电机高性能运行提供工作条件。然而，电解电容的特性是电机驱动系统出现故障的主要原因，同时也是阻碍电机控制器小型化的主要困难，如果电机控制器可以接受大幅度的直流母线电压波动，大容量母线滤波电容不再是必须的。
[0004]现有技术中，如专利号为201810706277.4所公布的永磁同步电机驱动系统无电解电容功率变换器及控制方法，其主要应用小容量薄膜电容替代电解电容作为系统的滤波解耦器件，在这种电机驱动
方案中直流母线电压存在大幅度波动，进而导致电机输出功率和转矩脉动增加，严重降低了电机的静、动态性能。
[0005]如何在无大容量直流母线电容及不增加控制器成本的基础上提高控制器的输出稳定性的技术具有较大的市场实用价值。无电解电容驱动系统从实现技术出发可分为两大类:
第一类是在整流器和逆变功率开关之间加功率解耦电路抑制直流母线电压波动，提升驱动系统电网侧和电机侧性能，提高电机转速和转矩的稳定性，但是功率解耦电路的体积，功耗和成本因素对电机控制器总体影响很大。
[0006]第二类是对控制软件算法的改进，对电机的转速和转矩进行动态补偿以抵消或大幅度由于缺少大容量母线电容引起的母线电压波动，这种母线电压波动补偿方案于对一些电机性能要求不高，但对控制器价格敏感的的场合，如空调压缩机、水泵，风机，洗衣机等，有较大的应用价值。
发明内容
[0007]本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提供了一种无电解电容永磁同步电机控制驱动，能使控制器在没有大容量直流母线滤波电容，直流母线电压有大幅度波动的工况下，保持电机输出转速和转矩的稳定，为于永磁同步电机的控制提供了一种低成本的驱动方法。
[0008]本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种无电解电容永磁同步电机控制驱
动，由单相整流电路（D1，D2，D3，D4）、高频纹波吸收电路（C1），母线电压测量电路（R1，R2）和三相逆变电路（S1，S2，S3，S4，S5，S6）依次串接组成，三相逆变电路的控制信号由控制驱动和控制芯片提供，控制软件计算出直流母线电压的最大值Vmax，最小值Vmin，和实时增量值
X，计算出实时增量值X后，根据公式PWM= 计算出三相逆变电路（S1，S2，S3，S4，S5，S6）所需的当前占空比PWM量，根据当前占空比PWM量向电机输出相应的U，V，W三相定子电流，产生驱动电机转子旋转的定子旋转磁场。
[0009]在上述的无电解电容永磁同步电机控制驱动中，三相逆变电路（S1，S2，S3，S4，S5，S6）功率开关所需的控制信号由前置驱动电路所提供，该前置驱动电路为带自举电路的直接耦合驱动或带光偶的隔离驱动电路。
[0010]在上述的无电解电容永磁同步电机控制驱动中，三相逆变电路（S1，S2，S3，S4，S5，S6）功率开关的导通时间由前置驱动电路的占空比PWM决定，用于改变电机定子线圈内的电流方向，以产生拖动电机转子所需要的旋转磁场。
[0011]在上述的无电解电容永磁同步电机控制驱动中，母线电压测量电路（R1，R2）的数值通过电压采样电路来测量，母线电压的最大值为Vmax，最小值为Vmin，母线数值用X+Vmin 来表达，X是瞬间母线电压高于最低值的增量部分。
[0012]与现有技术相比，本无电解电容永磁同步电机控制驱动具有以下优点：
1、本发明基于通用的单相整流电路，去除大容量母线滤波电解电容，仅保留小容量的薄膜电容滤除高频纹波，整流电路和三相逆变电路之间无其他功率器件，控制软件实时调整三相逆变器的占空比，以保持电机输出转速和转矩的稳定。在母线电压上升期间，三相逆变器的占空比下降，反之在母线电压下降期间，三相逆变器的占空比上升，以补偿母线电压的波动;
2、电机定子相电流控制算法使得三相逆变电路输出电流跟踪直流母线电压变化，有效降低了直流母线电压波动对电机输出特性的影响，降低了整流器输入端电流的谐波含量，有效实现电机和供电电网控制解耦，可实现电网输出电流低谐波、高功率因数的运行，在保证电机运行性能的前提下，有效提高电网侧电能质量;
3、控制器直流母线的平均电压低于电网峰值电压，可直接使用现有的三相逆变器，降低了驱动系统成本，便于现有驱动系统的升级和改造。
附图说明
[0013]图1是本无电解电容永磁同步电机控制驱动的电路原理图；
图2是本电路母线电压特性图。
具体实施方式
[0014]以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
[0015]如图1、图2所示，本无电解电容永磁同步电机控制驱动，由单相整流电路D1，D2，D3，D4、高频纹波吸收电路C1，母线电压测量电路R1，R2和三相逆变电路S1，S2，S3，S4，S5，S6依次串接组成，三相逆变电路的控制信号由控制驱动和控制芯片提供，控制软件计算出直
流母线电压的最大值Vmax，最小值Vmin，和实时增量值X，计算出实时增量值X后，根据公式
PWM=计算出三相逆变电路（S1，S2，S3，S4，S5，S6）所需的当前调制量MOD。
再进一步由调制量MOD计算出占空比PWM的值，根据当前占空比PWM的大小向电机输出相应的U，V，W三相定子电流，产生驱动电机转子旋转的定子旋转磁场。
[0016]单相交流电源通过D1，D2，D3，D4组成的桥式整流电路转换为脉动直流，再经过是高频滤波电容C1消除驱动器产生的高频纹波。
[0017]功率开关管S1，S2，S3，S4，S5，S6组成的三相逆变电路，把电源母线上的直流电压转换成驱动电机所需要的交流电压，功率开关所需的控制信号由前置控制驱动电路所提供。
[0018]前置控制驱动电路有两种结构，第一种式带自举电路的直接耦合驱动，第二种是带光偶的隔离驱动电路。这两种驱动方式各有优劣点，一般有实际应用场合来选取。驱动控制逻辑信号来自于控制芯片。控制芯片可选用专用电机控制芯片和通用MCU芯片。[0019]三相逆变电路S1，S2，S3，S4，S5，S6功率开关所需的控制信号由前置驱动电路所提供，该前置驱动电路为带自举电路的直接耦合驱动或带光偶的隔离驱动电路。
[0020]三相逆变电路S1，S2，S3，S4，S5，S6功率开关的导通时间由前置驱动电路的占空比PWM决定，用于改变电机定子线圈内的电流方向，以产生拖动电机转子所需要的旋转磁场。[0021]占空比PWM越大，逆变电路输出电流越大，同时不同的开关导通和关断组合可以改变电机定子线圈内的电流方向，以产生拖动电机转子所需要的旋转磁场，产生所需旋转磁场的定子线圈电流大小可以用调制系数MOD来改变，调制系数MOD越大，电机相电流越大，调制系数MOD为零的时候，电机相电流等于零。
[0022]母线电压测量电路R1，R2的数值通过电压采样电路来测量，母线电压的最大值为Vmax，最小值为Vmin，母线数值用X+Vmin来表达，X是瞬间母线电压高于最低值的增量部分。[0023]电机的实时转速和输出转矩于母线电压相关，母线电压越高，电机的转速和转矩也越高，在无直流母线滤波电容的情况下，直流母线电压在波动会造成电机的转速和转矩的波动。
[0024]控制芯片和控制软件产生一个随母线电压可变的调制度信号MOD如上述方程所示，这项可变的调制度信号可以使得电机的转速和转矩发生变化，这种变化在受到准确的控制条件下可以抵消由于母线电压波动引起的电机的转速和转矩的改变，以达到稳定电机转速和转矩的目的。
[0025]本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
[0026]尽管本文中较多地使用了各种术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
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