[发明专利]单绕组直流无刷电机的正弦波电压驱动系统及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电机驱动系统，具体说是单绕组直流无刷电机的正弦波电压驱动系统及其控制方法。

背景技术

直流无刷电机，又称永磁同步电机，以其高效节能和静音、小型等优点得到了广泛地应用。与传统的异步电机相比，转子内嵌的磁钢提供了磁场，使得电机励磁电流大幅下降甚至无需励磁电流，大幅度提高了电机本体效率。

目前，直流无刷电机大部分是三相绕组构成，由三相变频驱动装置驱动。为了降低成本，单绕组直流无刷电机被提出并得到了实用验证。由于单绕组直流无刷电机定子只有一相绕组，大大简化了生产工艺和成本，同时通过优化设计，单绕组直流无刷电机的效率可以做到与三相直流无刷电机相媲美。

现有技术中对单绕组直流无刷电机的驱动控制，大都沿用了三相直流无刷电机的120度通电的驱动方式，其驱动器构成及控制方法如下：

单绕组直流无刷电机的驱动器由四个MOSFET或IGBT构成的全桥功率逆变电路组成，逆变电路两相的输出端分别接在电机单绕组的两端；电机转子附近配置一个检测转子位置的霍尔等位置传感器；当电机磁钢的磁场划过霍尔传感器时，霍尔信号将发生对应磁极位置的高低电平信号；驱动器根据霍尔等位置传感器的位置信息，对全桥功率逆变电路施加一个等占空比脉宽调制(PWM)的调制信号，当霍尔信号发生变化时随之切换导通相序，使得转子跟随定子磁场旋转；通过调节脉宽调制(PWM)波的占空比使得驱动器输出电压发生变化，进而使得单绕组直流无刷电机的电流和转矩随之发生变化，从而达到调节单绕组直流无刷电机旋转速度的目的。这种控制方法简单易行，驱动器控制甚至可以不使用CPU等处理器，完全由模拟数字电路硬件构成。

但是，这种驱动方式存在以下缺点：

1.由于单绕组直流无刷电机中只有一组绕组，随着电机转子停止时的初始角度不同而存在着一个电磁转矩趋于零的转矩死区，需要在设计时调节霍尔等位置传感器的位置，使得电机起动时控制较为困难；

2.单绕组直流无刷电机必须采用特殊的气隙、齿槽配合等结构设计，才能确保电机的正常起动，其结构复杂，制造成本相对较高；

3.由电机相电流所产生的磁场和转子永磁体的磁场合成了单绕组电机的旋转磁场，而等占空比脉宽调制(PWM)的定子方波电压所产生的电机相电流必然不是正弦波，使得电机旋转磁场含有大量的高次谐波电压成分，进而造成了电机的电磁转矩含有较大的脉动成分，使得单绕组直流无刷电机运行时的振动和噪声远远比三绕组直流无刷电机大；

4.等占空比脉宽调制(PWM)在起动时电机的电磁转矩是单方向的，也就是单绕组直流无刷电机起动的旋转方向只能是单方向，使其使用范围受到了极大的限制。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种单绕组直流无刷电机的正弦波电压驱动系统及其控制方法，采用该驱动系统及控制方法对单绕组直流无刷电机进行驱动控制，电机起动容易，制造成本较低，电机运行时振动和噪音小，适用范围较广。

为解决上述问题，采取以下技术方案：

本发明的单绕组直流无刷电机的正弦波电压驱动系统的特点是包括电源电路、全桥功率逆变电路、单绕组直流无刷电机、位置传感器、电压采样电路、控制运算单元、位置检测电路和外部指令接收电路。所述电源电路输出直流电源，通过DC+/DC-直流母线与全桥功率逆变电路连接。所述全桥功率逆变电路包括4组由IGBT或MOSFET组成的大功率开关器件，全桥功率逆变电路与所述控制运算单元呈电连接，4组大功率开关器件的开关信号来自于控制运算单元发出的脉宽调制波；全桥功率逆变电路通过两条交流动力线AC_U和AC_V与所述单绕组直流无刷电机连接，输出交流电压以驱动单绕组直流无刷电机。所述位置传感器安装在单绕组直流无刷电机中用于检测转子位置；位置传感器通过位置检测电路与控制运算单元呈电连接，使得位置传感器的采样信号通过位置检测电路处理后传送至控制运算单元。所述电源电路与全桥功率逆变电路间的DC+/DC-直流母线分别与电压采样电路呈电连接，电压采样电路与控制运算单元呈电连接，使得直流母线上的电压信号能够经电压采样电路处理后传送至控制运算单元。所述外部指令接受电路与控制运算单元呈电连接，外部指令接受电路用于接受外部上位机输入的转速或输出功率的指令信号，并经处理后传送至控制运算单元。所述控制运算单元包括不少于一个的运算处理器CPU，其用于接受上述的所有信号后完成单绕组直流无刷电机的驱动控制计算。

本发明的单绕组直流无刷电机的正弦波电压驱动系统的控制方法的特点是包括以下步骤：