CN105186946B - 一种高效率的永磁同步电机的驱动电路及驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效率的永磁同步电机的驱动电路及驱动方法，通过采样永磁同步电机的其中一相的电压和电流的幅值信息来估算出该相的反电势幅值，然后将估算的反电势幅值与利用反电势常数获得反电势幅值进行比较，以产生角度差值信号，根据所述角度差值信号控制所述反电势相位和电流相位一致，以实现每安培电流的转矩最大。本发明的永磁同步电机不需要复杂的坐标变换，算法简单、易于实现，且只需采样一相的转子电压电流信息即可推出三相的马蹄形调制波，电路简单，成本低。

Description

一种高效率的永磁同步电机的驱动电路及驱动方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，更具体的说，涉及一种高效率的永磁同步电机的驱动电路及驱动方法。

背景技术

永磁同步电机(PMSM)由于其自身具有重量轻、体积小、结构简单和功率密度高等一些优点，在日常生活、工农业生产以及国家经济发展中起到了重要的作用。由于永磁材料性能的不断提高和完善，以及电力电子器件的进一步发展，永磁同步电机的应用越来越广泛。在一些应用场合中希望能最大限度控制系统的成本，无位置传感器技术省去了常规的位置传感器，如光电编码盘、旋转变压器等设备，大大降低了系统的成本。传统的无位置传感器的永磁同步电机的控制方案采用矢量控制，无位置传感器的矢量控制可以实现较好的永磁同步电机控制，但是存在算法复杂，计算量大，需要较高级的处理器。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种高效率的永磁同步电机的驱动电路及驱动方法，通过采样永磁同步电机的其中一相的电压和电流的幅值信息来估算出该相的反电势幅值，然后将估算的反电势幅值与利用反电势常数获得反电势幅值进行比较，以产生角度差值信号，根据所述角度差值信号控制所述反电势相位和电流相位一致，以实现每安培电流的转矩最大。

依据本发明的一种高效率的永磁同步电机的驱动电路，通过控制三相逆变器中开关管的开关状态，以控制所述永磁同步电机的工作电流，所述驱动电路包括转速检测电路、相位差计算模块、三相调制波产生电路和三相PWM控制电路，

所述转速检测电路用以检测所述永磁同步电机上的定子电流信息，以获得转子的转速测量值；

所述相位差计算模块接收所述永磁同步电机的其中一相定子的电流幅值信号和电压幅值信号，并据此估算出该相的反电势幅值，所述相位差计算模块将估算的反电势幅值与通过电机的反电势常数获得的反电势幅值进行差值运算，以产生一角度差值信号；

每一相调制波产生电路接收所述转速测量值和所述角度差值信号，根据所述转速测量值获得一第一马蹄形调制波；然后根据所述角度差值信号调节所述马蹄形调制波的相位，以使得对应一相的反电势相位与电流相位一致，其中，三相的第一马蹄形调制波相位互差120°；

每一相PWM控制电路接收对应一相的第一马蹄形调制波和一比例系数，以获得第二马蹄形调制波，并将所述第二马蹄形调制波和一三角波进行比较，以产生PWM控制信号，所述PWM控制信号用以控制逆变器中对应一相的开关管的导通和关断，从而调节所述永磁同步电机的电流，实现对所述永磁同步电机的正弦波电流控制。

进一步的，所述相位差计算模块包括电流幅值采样电路、电压幅值采样电路、反电势估算模块和计算电路，

所述电流幅值采样电路采样所述永磁同步电机的其中一相的定子电流信息以获得该相的电流幅值信号；

所述电压幅值采样电路接收对应一相的定子电压信息，以获得该相的电压幅值信号；

所述反电势估算模块接收所述电流幅值信号和电压幅值信号，以据此估算出该相的反电势幅值；

所述计算电路接收所述估算的反电势幅值和通过电机的反电势常数计算的反电势幅值，所述计算电路将两者进行差值计算以输出所述角度差值信号。

优选的，所述反电势幅值的估算过程具体包括：根据所述永磁同步电机的向量等式估算反电势幅值大小，其中，永磁同步电机的向量等式为：

其中，Us是预定的电机电压，Em为永磁同步电机的反电势，X_d、X_q为永磁同步电机在d轴和q轴下的电感、Id、Iq为永磁同步电机在d轴和q轴下的电流，rs是定子电阻，is是定子电流幅值。

进一步的，所述相位差计算模块包括第一乘法电路，所述第一乘法电路接收所述转速测量值和电机的反电势常数，经乘法运算后获得反电势的幅值。

进一步的，所述比例系数由转速调节电路产生，所述转速调节电路接收所述转速测量值和参考转速值，经误差计算获得一误差信号，所述误差信号经过比例积分微分运算后获得所述比例系数。

进一步的，所述每一相PWM控制电路包括第二乘法电路和开关信号产生电路，

所述第二乘法电路接收所述第一马蹄形调制波和所述比例系数，以生成第二马蹄形调制波；

所述开关信号产生电路接收所述第二马蹄形调制波和所述三角波信号，以产生所述PWM控制信号，其中，所述三角波信号由三角波产生电路提供。

优选的，采样对应相的定子电压信息以获得所述电压幅值信号，所述对应相与采样定子电流信息的相为相同的一相。

优选的，所述驱动电路还包括第三乘法电路，所述第三乘法电路接收一正弦波信号和所述比例系数，经乘法运算后产生所述电压幅值信号，其中，所述正弦波信号与所述第一马蹄形调制波相位相同。

依据本发明的一种高效率的永磁同步电机的驱动方法，通过控制三相逆变器中开关管的开关状态，以控制所述永磁同步电机的工作电流，包括以下步骤：

检测所述永磁同步电机上的定子电流信息，以获得转子的转速测量值；

接收所述永磁同步电机的其中一相定子的电流幅值信号和电压幅值信号，并据此估算出该相的反电势幅值，将估算的反电势幅值与通过电机的反电势常数计算的反电势幅值进行差值运算，以产生一角度差值信号；

接收所述转速测量值和所述角度差值信号，根据所述转速测量值获得一第一马蹄形调制波；然后根据所述角度差值信号调节所述马蹄形调制波的相位，以使得对应一相的反电势相位与电流相位一致，其中，三相的第一马蹄形调制波相位互差120°；

接收所述第一马蹄形调制波和一比例系数，以获得第二马蹄形调制波，并将所述第二马蹄形调制波和一三角波进行比较，以产生PWM控制信号，所述PWM控制信号用以控制逆变器中对应一相的开关管的导通和关断，从而调节所述永磁同步电机的电流，实现对所述永磁同步电机的正弦波电流控制。

进一步的，所述角度差值信号产生的具体步骤包括：

采样所述永磁同步电机的其中一相的定子电流信息以获得该相的电流幅值信号；

接收对应一相的定子电压信息，以获得该相的电压幅值信号；

接收所述电流幅值信号和电压幅值信号，以据此估算出该相的反电势幅值；

接收所述估算的反电势幅值和通过电机的反电势常数计算的反电势幅值，将两者进行差值计算以输出所述角度差值信号。

依据上述的高效率的永磁同步电机的驱动电路及驱动方法，通过采样永磁同步电机的其中一相的电压和电流的幅值信息来估算出该相的反电势幅值，然后将估算的反电势幅值与利用反电势常数获得的反电势幅值进行比较，以产生角度差值信号，根据所述角度差值信号控制所述反电势相位和电流相位一致，以实现每安培电流的转矩最大。本发明的永磁同步电机不需要复杂的坐标变换，算法简单、易于实现，且只需采样一相的转子电压电流信息即可推出三相的马蹄形调制波，电路简单，成本低。

附图说明

图1所示为依据本发明的永磁同步电机的驱动电路的第一实施例的电路框图；

图2所示为依据本发明的永磁同步电机的在转矩最大时的矢量图；

图3所示为依据本发明的永磁同步电机的驱动电路的第二实施例的电路框图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。

参考图1，所示为依据本发明的永磁同步电机的驱动电路的第一实施例的电路框图；三相逆变器11接收外部电压信号V_bus，以转换为三相交变电压信号供给永磁同步电机(PMSM)，所述驱动电路根据所述永磁同步电机的定子电流和电压信息，以产生PWM控制信号控制所述永磁同步电机的逆变器中开关管的开关状态，从而控制所述永磁同步电机的工作电流。如图1中所示，所述三相逆变器11输出的三相交变电压信号分别记为A相、B相和C相。

在本发明实施例中，所述驱动电路包括转速检测电路16、相位差计算模块、三相调制波产生电路和三相PWM控制电路，所述转速检测电路16用以检测所述永磁同步电机上的定子电流信息，以获得转子的转速测量值n_e。具体的，所述转速检测电路16利用采样得到的相电流的波形获得电子的转速。当电机稳定运转时，每个周期内，定子电流都会是一个完整的正弦波，计算这个电流的周期可得到电流的频率，根据频率可计算出电机的电速度，根据电速度与机械速度的关系，可计算出电机的运转速度，所述电机的运转速度即是上述转子的转速度。

所述相位差计算模块进一步包括电流幅值采样电路12、电压幅值采样电路13、反电势估算模块14和计算电路15，所述电流幅值采样电路12采样所述永磁同步电机的其中一相的定子电流信息以获得该相的电流幅值信号Via；所述电压幅值采样电路13接收对应一相的定子电压信息，以获得该相的电压幅值信号Ua，这里以采样A相为例说明。所述反电势估算模块接收所述电流幅值信号Via和电压幅值信号Ua，以据此估算出该相的反电势幅值，这里幅值记为V1，所述计算电路15接收所述估算的反电势幅值V1和通过电机的反电势常数计算的反电势幅值(记为V2)，所述计算电路将两者进行差值计算以输出角度差值信号Δθ。

本实施例中，三相调制波产生电路均相同，以A相为例，调制波产生电路16-1接收所述转速测量值n_e和所述角度差值信号Δθ，根据所述转速测量值获得一第一马蹄形调制波，所述第一马蹄形调制波为半波，如图1中所示；然后根据所述角度差值信号调节所述马蹄形调制波的相位，以使得对应一相的反电势相位与电流相位一致，其中，三相调制波产生电路产生三相第一马蹄形调制波，且三相的第一马蹄形调制波相位互差120°。

之后，PWM控制电路接收对应一相的第一马蹄形调制波和一比例系数K，以获得第二马蹄形调制波，并将所述第二马蹄形调制波和一三角波进行比较，以产生PWM控制信号，所述PWM控制信号用以控制逆变器中对应一相的开关管的导通和关断，从而调节所述永磁同步电机的电流，实现对所述永磁同步电机的正弦波电流控制。具体的，每一相PWM控制电路包括第二乘法电路和开关信号产生电路，这里，A相的第二乘法电路为乘法器X2-1，开关信号产生电路为比较器C-1，所述第二乘法器X2-1接收所述第一马蹄形调制波和所述比例系数K，以生成第二马蹄形调制波；所述比较器C-1接收所述第二马蹄形调制波和所述三角波信号，以产生所述PWM控制信号，其中，所述三角波信号由三角波产生电路提供。

其中，所述相位差计算模块进一步包括第一乘法电路X1，所述第一乘法电路接收所述转速测量值n_e和电机的反电势常数Kt，经乘法运算后获得反电势的幅值V2，电机的反电势常数Kt为已知常量。

本实施例中，比例系数K由转速调节电路17产生，所述转速调节电路17接收所述转速测量值n_e和参考转速值n_ref，经误差计算获得一误差信号，所述误差信号经过PID调节器的比例积分微分运算后获得所述比例系数K。

下面详细介绍角度差值信号Δθ的详细计算过程：当永磁同步电机在稳定状态下运行时，其向量公式为：

其中，Us是预定的电机电压，Em为永磁同步电机的反电势，X_d、X_q为永磁同步电机在d轴和q轴下的电感、Id、Iq为永磁同步电机在d轴和q轴下的电流，rs是定子电阻is是电子电流幅值。

对于永磁同步电机，本领域技术人员可知，当所述反电势相位和电流相位一致时，每安培电流转矩最大，这时即是实现id＝0的控制，而在id＝0的情况下，一般定子电阻会较小，这样公式(1)的矢量图可以简化为图2所示，根据图2所示的矢量图，其向量公式可为：

根据式(2)有，可将反电势的幅值的计算转化到标量，有，

U_s ²≈E_m ²+(X_qi_q)²＝E_m ²+(ωL_qi_s)² (3)

根据公式(3)中，当检测到一相的电压幅值Us，电流幅值is后，则利用勾股定理即可算出当前情况下id＝0时的反电势幅值，即是上述的反电势幅值V1。

而又因为反电势幅值可以根据永磁同步电机的反电势常数获得：

E_m＝K_t×n (4)

通过公式(4)获得反电势幅值记为V2。

计算电路15比较幅值V1和幅值V2的大小，在理想情况下，在id＝0时，两个幅值应相等，即是Δθ＝0，当两者不相等时，则调制波产生电路会调节调制波的相位，例如将调制波前移或后移，以最终使得两者相等。即是实现id＝0，也即是实现每安培电流转矩最大的控制。

如图1所示，各相的PWM控制信号分别用以控制三相逆变器中开关管的导通和关断，以控制所述永磁同步电机的工作电流为正弦波电流。因此，在本发明实施例中，通过采样A相的相电压和相电流的幅值信息就可以获得A相的反电势幅值信息。本发明通过将估算的反电势幅值与利用反电势常数获得反电势幅值进行比较，以产生角度差值信号，根据所述角度差值信号控制所述反电势相位和电流相位一致，以实现每安培电流的转矩最大，电机工作效率高。本发明的永磁同步电机不需要复杂的坐标变换，算法简单、易于实现，且只需采样一相的定子电压电流信息即可推出三相的马蹄形调制波，电路简单，成本低，效率高。

优选的，本发明的电压采样信号还可以通过计算的方式获得，参考图3所示为依据本发明的永磁同步电机的驱动电路的第二实施例的电路框图，本实施例除了相电压采样与实施例一不相同，其他均与实施例一相同，在本实施例中，所述驱动电路还包括第三乘法电路X3，所述第三乘法电路接收一正弦波信号Vsin和所述比例系数K，经乘法运算后生成所述电压采样信号Ua，其中，所述正弦波信号与所述第一马蹄形调制波相位相同。这里，所述电压采样信号Ua与实施例一中采样的电压信号为成正比例关系，且比例系数为K/Vbus。

通过上述的永磁同步电机的驱动电路可知，本发明通过采样其中一相的相电压和相电流的幅值信息就可以获得该相的反电势幅值信息。根据获得的转速测量值信息可以得到三相的马蹄形调制波，根据反电势幅值信号可以控制马蹄形调制波的相位，以实现每安培电流的转矩最大，工作效率高。本发明中无需位置传感器来检测转子的转速信息，并且只需采样其中一相的相电压和相电流即可推出其他两相的转速信息，本发明的技术方案简单，成本低。

最后，本发明还公开了一种高效率的永磁同步电机的驱动方法，通过控制三相逆变器中开关管的开关状态，以控制所述永磁同步电机的工作电流，所述驱动方法包括以下步骤：检测所述永磁同步电机上的定子电流信息，以获得转子的转速测量值；

接收所述永磁同步电机的其中一相定子的电流幅值信号和电压幅值信号，并据此估算出该相的反电势幅值，将估算的反电势幅值与通过电机的反电势常数计算的反电势幅值进行差值运算，以产生一角度差值信号；

接收所述转速测量值和所述角度差值信号，根据所述转速测量值获得一半波的第一马蹄形调制波；然后根据所述角度差值信号调节所述马蹄形调制波的相位，以使得对应一相的反电势相位与电流相位一致，其中，三相的第一马蹄形调制波相位互差120°；

接收所述第一马蹄形调制波和一比例系数，以获得第二马蹄形调制波，并将所述第二马蹄形调制波和一三角波进行比较，以产生PWM控制信号，所述PWM控制信号用以控制逆变器中对应一相的开关管的导通和关断，从而调节所述永磁同步电机的电流，实现对所述永磁同步电机的正弦波电流控制。

进一步的，所述角度差值信号产生的具体步骤包括：

采样所述永磁同步电机的其中一相的定子电流信息以获得该相的电流幅值信号；

接收对应一相的定子电压信息，以获得该相的电压幅值信号；

接收所述电流幅值信号和电压幅值信号，以据此估算出该相的反电势幅值；

接收所述估算的反电势幅值和通过电机的反电势常数计算的反电势幅值，将两者进行差值计算以输出所述角度差值信号。

进一步的，所述反电势幅值的估算过程具体包括：根据所述永磁同步电机的向量等式估算反电势幅值大小，其中，永磁同步电机的向量等式为：

其中，Us是预定的电机电压，Em为永磁同步电机的反电势，X_d、X_q为永磁同步电机在d轴和q轴下的电感、Id、Iq为永磁同步电机在d轴和q轴下的电流，rs是定子电阻，is是定子电流幅值。

以上对依据本发明的优选实施例的高效率的永磁同步电机的驱动电路及驱动方法进行了详尽描述，本领域普通技术人员据此可以推知其他技术或者结构以及电路布局、元件等均可应用于所述实施例。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (11)

1.一种高效率的永磁同步电机的驱动电路，通过控制三相逆变器中开关管的开关状态，以控制所述永磁同步电机的工作电流，其特征在于，所述驱动电路包括转速检测电路、相位差计算模块、三相调制波产生电路和三相PWM控制电路，

所述转速检测电路用以检测所述永磁同步电机上的定子电流信息，以获得转子的转速测量值；

所述相位差计算模块接收所述永磁同步电机的其中一相定子的电流幅值信号和电压幅值信号，并据此估算出该相的反电势幅值，所述相位差计算模块将估算的反电势幅值与通过电机的反电势常数获得的反电势幅值进行差值运算，以产生一角度差值信号；

每一相调制波产生电路接收所述转速测量值和所述角度差值信号，根据所述转速测量值获得一第一马蹄形调制波；然后根据所述角度差值信号调节所述马蹄形调制波的相位，以使得对应一相的反电势相位与电流相位一致，其中，三相的第一马蹄形调制波相位互差120°；

每一相PWM控制电路接收对应一相的第一马蹄形调制波和一比例系数，以获得第二马蹄形调制波，并将所述第二马蹄形调制波和一三角波进行比较，以产生PWM控制信号，所述PWM控制信号用以控制逆变器中对应一相的开关管的导通和关断，从而调节所述永磁同步电机的电流，实现对所述永磁同步电机的正弦波电流控制。

2.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述相位差计算模块包括电流幅值采样电路、电压幅值采样电路、反电势估算模块和计算电路，

所述电流幅值采样电路采样所述永磁同步电机的其中一相的定子电流信息以获得该相的电流幅值信号；

所述电压幅值采样电路接收对应一相的定子电压信息，以获得该相的电压幅值信号；

所述反电势估算模块接收所述电流幅值信号和电压幅值信号，以据此估算出该相的反电势幅值；

所述计算电路接收所述估算的反电势幅值和通过电机的反电势常数计算的反电势幅值，所述计算电路将两者进行差值计算以输出所述角度差值信号。

3.根据权利要求2所述的驱动电路，其特征在于，所述反电势幅值的估算过程具体包括：根据所述永磁同步电机的向量等式估算反电势幅值大小，其中，永磁同步电机的向量等式为：

其中，Us是预定的电机电压，Em为永磁同步电机的反电势，X_d、X_q为永磁同步电机在d轴和q轴下的电感、Id、Iq为永磁同步电机在d轴和q轴下的电流，rs是定子电阻，is是定子电流幅值。

4.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述相位差计算模块进一步包括第一乘法电路，

所述第一乘法电路接收所述转速测量值和电机的反电势常数，经乘法运算后获得反电势的幅值。

5.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述比例系数由转速调节电路产生，

所述转速调节电路接收所述转速测量值和参考转速值，经误差计算获得一误差信号，所述误差信号经过比例积分微分运算后获得所述比例系数。

6.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述每一相PWM控制电路包括第二乘法电路和开关信号产生电路，

所述第二乘法电路接收所述第一马蹄形调制波和所述比例系数，以生成第二马蹄形调制波；

所述开关信号产生电路接收所述第二马蹄形调制波和所述三角波信号，以产生所述PWM控制信号，其中，所述三角波信号由三角波产生电路提供。

7.根据权利要求2所述的驱动电路，其特征在于，采样对应相的定子电压信息以获得所述电压幅值信号，所述对应相与采样定子电流信息的相为相同的一相。

8.根据权利要求5所述的驱动电路，其特征在于，所述驱动电路还包括第三乘法电路，所述第三乘法电路接收一正弦波信号和所述比例系数，经乘法运算后产生所述电压幅值信号，其中，所述正弦波信号与所述第一马蹄形调制波相位相同。

9.一种高效率的永磁同步电机的驱动方法，通过控制三相逆变器中开关管的开关状态，以控制所述永磁同步电机的工作电流，其特征在于，包括以下步骤：

检测所述永磁同步电机上的定子电流信息，以获得转子的转速测量值；

接收所述永磁同步电机的其中一相定子的电流幅值信号和电压幅值信号，并据此估算出该相的反电势幅值，将估算的反电势幅值与通过电机的反电势常数计算的反电势幅值进行差值运算，以产生一角度差值信号；

接收所述转速测量值和所述角度差值信号，根据所述转速测量值获得一第一马蹄形调制波；然后根据所述角度差值信号调节所述马蹄形调制波的相位，以使得对应一相的反电势相位与电流相位一致，其中，三相的第一马蹄形调制波相位互差120°；

接收所述第一马蹄形调制波和一比例系数，以获得第二马蹄形调制波，并将所述第二马蹄形调制波和一三角波进行比较，以产生PWM控制信号，所述PWM控制信号用以控制逆变器中对应一相的开关管的导通和关断，从而调节所述永磁同步电机的电流，实现对所述永磁同步电机的正弦波电流控制。

10.根据权利要求9所述的驱动方法，其特征在于，所述角度差值信号产生的具体步骤包括：

采样所述永磁同步电机的其中一相的定子电流信息以获得该相的电流幅值信号；

接收对应一相的定子电压信息，以获得该相的电压幅值信号；

接收所述电流幅值信号和电压幅值信号，以据此估算出该相的反电势幅值；

接收所述估算的反电势幅值和通过电机的反电势常数计算的反电势幅值，将两者进行差值计算以输出所述角度差值信号。

11.根据权利要求10所述的驱动方法，其特征在于，所述反电势幅值的估算过程具体包括：根据所述永磁同步电机的向量等式估算反电势幅值大小，其中，永磁同步电机的向量等式为：

其中，Us是预定的电机电压，Em为永磁同步电机的反电势，X_d、X_q为永磁同步电机在d轴和q轴下的电感、Id、Iq为永磁同步电机在d轴和q轴下的电流，rs是定子电阻，is是定子电流幅值。