一种可控谐振直流环节的无刷直流电机软开关逆变器拓扑

技术领域

本发明属于软开关电路领域，具体设计一种可控谐振直流环节的无刷直流电机软开关逆变器拓扑，使用电感Lr和电容Cr的谐振单元，通过控制电感Lr和电容Cr谐振过程，使电容Cr在每一个谐振周期内充分充放电，其电压表现为零直流偏置的脉冲式波形，电容的充放电控制保证了前级LC谐振电路的工作于软开关工作模式，同时电容Cr的零电压区间为无刷直流电机中的三相全桥逆变电路开关管的通断过程提供了零电压条件，这样逆变电路的工作过程也为软开关过程。

本发明属于电机控制领域，具体设计一种可控谐振直流环节的无刷直流电机软开关逆变器拓扑，无刷直流电机在逆变器软开关模式下进行工作，大大减小了无刷直流电机的换向转矩波动，减小了电机的功率损耗，提高了电机的运行效率，同时减小了电机受到的电磁干扰，延长了电机的工作寿命。

背景技术

传统的无刷直流电机的工作过程，逆变器通常是在硬开关的工作模式下，通过脉宽调制进行驱动的。电机工作在硬开关的工作模式下，会产生较大的换向转矩波动，工作效率也比较低，当开关管的工作频率比较高时，开关损耗迅速增加，此时功率器件中存在的极间寄生电容在开关管导通与关断过程中会产生较大的电压和电流变化，可能耦合到输入端造成较高的电磁干扰EMI和二极管反向恢复电流问题。本发明采用新型LC谐振可控单元，基于独特的单脉冲驱动控制谐振过程，从而为系统电路提供零电压和零电流条件，使得前后级升压及逆变单元都可以在软开关模式下进行工作。本发明提出一种可控谐振直流环节的无刷直流电机软开关逆变器拓扑，降低了无刷直流电机的功率损耗，同时大大减小了无刷直流电机的换向转矩波动，提高了电机的运行效率，相比较传统的软开关逆变电路，做到了更小的体积，同时大大简化了系统电路的控制过程。

发明内容

为了实现无刷直流电机的软开关模式运行，本发明采用谐振电感Lr与电容Cr作为系统电路的谐振部分，基于独特的单脉冲驱动来合理地控制谐振过程，为系统电路提供零电压和零电流条件，可以使电机工作在软开关模式下，消除了电机工作在硬开关模式下的带来的问题，大大减小了无刷直流电机的换向转矩波动，减小了电机的开关功率损耗，提高了电机的运行效率，同时减小了电机受到的电磁干扰，延长了电机的工作寿命。

本发明的技术方案如下：

其特征在于：该软开关驱动电路拓扑包括前级LC谐振电路、后级三相全桥逆变电路、永磁无刷直流电机、系统控制电路。前级LC谐振电路由谐振电感Lr与电容Cr及开关器件构成桥式电路结构，采用单脉冲驱动来控制电感Lr与电容Cr的谐振过程，保证系统可以工作在软开关的模式下。永磁无刷直流电机包含无刷直流电机本体和位置检测装置，位置检测装置用于检测电机转子位置和电机转速。系统控制电路包括LC谐振电路的控制电路和三相全桥逆变电路的控制电路，LC谐振电路的控制电路通过控制前级LC谐振电路的开关管的通断来控制谐振电感Lr与Cr的谐振过程，同时采集谐振电感电流与谐振电容电压，为后级逆变电路的驱动提供同步信号，保证后级开关工作于零电压条件下。三相全桥逆变电路的控制电路通过控制后级三相全桥逆变电路来实现电机的启停、正反转和电机的转速控制和伺服驱动。

前级LC谐振电路的电容Cr为谐振电容，其容值远远小于稳压电容，从而减小了整个电路的体积。

前级LC谐振电路工作过程共有四个模态，电路状态相对较少，大大简化了整个电路的控制部分的复杂程度，四个模态的工作过程为整个电路提供了零电压和零电流条件，前后级电路均通过电感Lr与电感Cr的谐振实现开关管的ZCS和ZVS。

前级LC谐振电路与后级三相全桥逆变电路的耦合方式为直接耦合，后级后级三相全桥逆变电路的输入端直接并联在前级LC谐振电路中的电容Cr的两端。

后级三相全桥逆变电路的六个开关管均并联一个电容，为开关管的关断提供缓冲作用。

永磁无刷直流电机中的位置检测装置采用的是霍尔传感器，为前后级电路控制电路提供转子的位置信息和转速信息。

系统控制电路的LC谐振电路控制部分基于开关管的通断来实现电感Lr与电容Cr的谐振过程，同时采集流过电感Lr上的电流、电容Cr两端的电压与直流母线上的电流实现对前级LC谐振电路的合理控制。

系统控制电路的三相全桥逆变电路的控制部分对电机采取两两导通模式，通过控制逆变桥的开关管的通断来控制的电机的运行，同时采集位置检测装置监测到的电机的转子的位置信息和转速信息，实现电机的正确运行。

系统控制电路采用MCU作为控制核心，实现对电路的信息采集和对开关管通断的控制指令的给出。

附图说明

图1为本发明一种可控谐振直流环节的无刷直流电机软开关逆变器拓扑的系统结构图，其中1为直流电压源，2为LC可控谐振环节，3为逆变电路，4为无刷直流电机。

图2为本发明一种可控谐振直流环节的无刷直流电机软开关逆变器拓扑的简化电路图，其中5为电机简化图。

图3为本发明一种可控谐振直流环节的无刷直流电机软开关逆变器拓扑的谐振环节工作过程中的电流电压波形图。

图4为本发明一种可控谐振直流环节的无刷直流电机软开关逆变器拓扑的谐振环节工作模态a示意图。

图5为本发明一种可控谐振直流环节的无刷直流电机软开关逆变器拓扑的谐振环节工作模态b示意图。

图6为本发明一种可控谐振直流环节的无刷直流电机软开关逆变器拓扑的谐振环节工作模态c示意图。

图7为本发明一种可控谐振直流环节的无刷直流电机软开关逆变器拓扑的谐振环节工作模态d示意图。

图8为本发明一种可控谐振直流环节的无刷直流电机软开关逆变器拓扑的控制系统框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

图1为本发明一种可控谐振直流环节的无刷直流电机软开关逆变器拓扑的系统结构图；其中通过控制前级的LC谐振环节的开关管的通断，来控制电感Lr和电容Cr的谐振过程，图2为系统电路简化图，对谐振过程进行分析，图3为工作过程中的电流电压波形图。整个谐振过程总共分为四个模态，模态a电路工作过程如图4所示，这个过程起始开关管打开，由于谐振电感Lr上的电流为0，实现开关管的零电流开通，Lr开始充电，Cr开始放电，直到Cr电压为0，该过程结束；模态b电路工作过程如图5所示，二极管导通，整个模态过程中Cr上电压为0，所以这个过程为零电流导通，Lr持续充电；模态c电路工作过程如图6所示，这个过程起始开关管关断，这个过程为零电压关断，Lr开始放电，Cr开始充电，直到Lr电流为0，该过程结束；模态d电路工作过程如图7所示，整个模态过程中Lr上电流为0，二极管关断，这个过程为零电流关断，Cr缓慢放电，直到下一个周期开始；由上可知，前级谐振电路的整个工作过程都处于软开关模式。图8为电路控制系统框图，电机的控制方法为直接转矩控制，前级控制电路采集Lr上流过的电流、Cr两端的电压和后级直流母线上电流，对谐振环节进行控制，通过同步延时环节，在Cr的零电压时段，后级逆变器进行开关动作，这样后级逆变器的工作过程就工作在零电压条件下，实现电机逆变器的软开关运行。

以上所列出的具体实施例是为了更好的对本发明的工作原理进行说明，并不对本发明进行限制，本发明所属技术领域人员可以对LC可控谐振电路拓扑进行修改，但并不偏离本发明的核心原理，也不偏离本发明权利要求书所限定的范围。