[发明专利]一种小电枢电感高速无刷直流电机低功耗驱动系统及其控制方法

说明书

本发明公开了一种小电枢电感高速无刷直流电机低功耗驱动系统及其控制方法，对于小电枢电感电机，提高开关器件的开关频率能够减小其直流母线电流纹波。本发明公开的小电枢电感高速无刷直流电机低功耗驱动系统采用高精度的控制芯片和使用氮化镓系材料的宽带隙半导体开关器件的三相全桥电路，能够大大提高脉宽调制(PWM)开关频率。电机内部直流母线电流纹波减少，能够减小电机内的磁场波动，从而减少由于磁场变化引起的铁芯损耗。本发明的控制方法，通过考虑不同速度和不同负载时，综合考虑逆变器损耗和铁芯损耗，选择最优的PWM开关频率，能够最大程度的降低电机的整体功耗。

技术领域

本发明属于电机技术领域，尤其设计一种小电枢电感高速无刷直流电机低功耗驱动系统及其控制方法。

背景技术

无刷直流电机具有能量密度高、效率高、扭矩惯量比大的优点，已经广泛应用于航空航天、家用电器、分子泵、压缩机等领域。随着数字控制技术、控制理论、电机技术、电力电子技术和传感器技术的不断发展，无刷直流电机的一般控制技术已经日趋成熟。

无刷直流电机的功耗主要来自于以下方面：铁芯损耗、电枢绕组铜损耗、转子涡流损耗和逆变器损耗。无刷直流电机通常采用经典PI控制器，采用转速和电流双闭环控制策略，实现在一定范围内速度的调节或者定速稳速控制。无刷直流电机由三相全桥逆变电路驱动，运行在PWM工作模式下，采用六步换相法进行控制，通入三相定子绕组的电流是由脉冲宽度调制技术产生的方波电流，不是理想的正弦电流，电流中的谐波分量会产生谐波磁场，会在定转子中产生铁芯损耗和涡流损耗。电流中的高频分量会引起电机转矩脉动，导致电机功耗增大。与此同时，三相全桥电路的功率器件的开通和关断也会产生逆变器开关损耗和导通损耗。

氮化镓作为最新一代的半导体材料，氮化镓比硅禁带宽度大3倍，击穿场强高10倍，饱和电子迁移速度大3倍，热导率高2倍，这些性能的提升带来的优势是氮化镓比硅更适合做大功率高频的功率器件，同时体积小，功率密度大。使用氮化镓功率器件搭建的三相全桥电路，其开关损耗和导通损耗大大小于硅功率器件，同时其开关频率可以远远高于硅功率器件，能够有效减少三相定子绕组电流中的谐波分量，同时减小直流母线电流纹波，减小转矩脉动，从而提高运行效率，减少电机损耗。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于现有小电枢电感高速无刷直流电机的损耗较大的问题。为了解决上述问题，本发明提供了一种小电枢电感高速无刷直流电机低功耗驱动系统及其控制方法，通过考虑不同速度和不同负载时，综合考虑逆变器损耗和铁芯损耗，选择最优的PWM开关频率，能够最大程度的降低电机的整体功耗。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种小电枢电感高速无刷直流电机低功耗驱动系统，包括：

控制单元，由DSP微控制器和FPGA模块组成的数字控制器，负责控制算法运算和换相的逻辑处理；

驱动单元，由驱动电路和三相全桥电路组成，其接受所述控制单元的输出信号，并且产生输入高速无刷直流电机的三相电压；

电流检测单元，用于电机相电流和直流母线电流的采样，经过处理后，传入控制单元；

位置检测单元，用于检测转子的实时位置和估计电机转速，传入控制单元。

进一步地，所述的驱动电路是由三个半桥驱动电路组成的，驱动芯片采用NCP51820。

进一步地，所述的三相全桥电路是由宽带隙半导体开关元件组成，所述宽带隙半导体是由氮化镓系材料构成。

进一步地，所述的宽带隙半导体开关元件工作时的开关频率为80khz—200khz。

进一步地，所述的电流检测单元包括电流采样电路和信号调理电路。