專利名稱：一種交流電動機脈寬調制變頻驅動系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種交流電動機脈寬調制變頻驅動系統，在國際專利分類表中，功能分類可屬于H02P7/00。
背景技術：
目前典型的交流電動機變頻驅動系統，是對直流電源供電的三相橋式6單元逆變電路以脈寬調制(PWM)方式控制，轉換成變頻的對稱三相電源，驅動三相交流電動機。在這樣的系統，傳統上是使用雙極性正弦波脈寬調制。各種調制方式的特點可見于《電動機變頻調速系統圖解》(中國電力出版社，2003年9月第1版)和《交流調速控制系統》(電子工業出版社，2003年3月第1版)等。
對于橋式逆變電路由來已久的問題是，每一橋臂的上下二個單元串聯跨接于直流電源，當偶發干擾或誤觸發以至同時導通時，即在二個單元的低阻抗回路形成大電流的直通短路，以至燒毀元件。對于系統該薄弱環節，通常需選用比較優秀的單元元件，或設置較復雜的保護電路，甚至使用價格較高的智能功率模塊(IPM)等，明顯影響了成本。
發明內容
本實用新型所要解決的技術問題是，提出一種交流電動機脈寬調制變頻驅動系統，其相對于現有技術，有利于減少逆變電路橋臂直通短路故障，成本較低和性能較好。
本實用新型解決技術問題的技術方案之一是，一種交流電動機脈寬調制變頻驅動系統，包括由直流電源供電和受控于控制機構的多相橋式逆變電路及其驅動的多相交流電動機；其特征在于——所述直流電源輸出一正極、一負極和一零電位公共端；——所述逆變電路為二相橋式，其正電源母線、負電源母線分別接往所述直流電源正極、負極；——所述電動機為對稱二相電動機，其二相繞組的公共端接往所述直流電源公共端，各相繞組的另一端分別接往逆變電路各一相橋臂的中點；——所述控制機構向逆變電路二相橋臂的控制端輸出對稱二相調制信號，該調制為單極性正弦波脈寬調制。
傳統系統使用的三相電動機歷史悠久，在工業設備上廣泛應用，其有良好的性能眾所周知。其實，對稱多相電動機的驅動性能與相數無關。對稱二相電動機由對稱二相電源供電，也具有與傳統三相系統同樣良好的驅動性能。
與三相電動機不同的是，二相電動機僅使用相電壓工作。本實用新型巧妙地把單極性調制用于二相系統，避免了單極性調制的如下缺點——線電壓波形差；——同臂上下二個單元均為不導通時，會出現輸出端電壓的不確定性，因而影響波形；利用了它相對于傳統雙極性調制的如下優點——同臂上下二個單元中的一個按正弦規律在半個周期內調制通斷的同時，另一單元始終關斷，明顯有利于避免橋臂直通；——可省去交替通斷必要的延時觸發環節，即簡化了電路，又防止了延時引起的失真；——可減少逆變開關次數和相應的開關損耗一半。因而意想不到地在獲得相同或優于傳統系統性能的同時，大大提高了逆變電路的可靠性。
并且，本實用新型的系統中，逆變電路的單元數較三相系統減少三分之一；二相電動機與三相電動機相比，定子少一相槽數，繞組少一相平面，嵌線簡化；尤其適合小功率系統，例如洗衣機等家用電動器具，可明顯節省成本。
對于本技術方案使用的正、負雙直流電源的二相橋式逆變電路，由于二相負載的公共端接往直流電源的公共端，單極性調制相對于雙極性調制，有利于減少調制交替通斷導致的相電壓輸出的脈動和損失。
本實用新型的技術方案和效果將在具體實施方式
中結合附圖作進一步的說明。
圖1是現有技術一種交流電動機脈寬調制變頻驅動系統的電氣框圖；圖2是圖1所示交流電動機脈寬調制變頻驅動系統調制信號波形圖；圖3是本實用新型實施例交流電動機脈寬調制變頻驅動系統的電氣框圖；圖4是本實用新型實施例交流電動機脈寬調制變頻驅動系統調制信號波形圖。
具體實施方式
本實用新型實施例交流電動機脈寬調制變頻驅動系統是在現有技術一種交流電動機脈寬調制變頻驅動系統的基礎上改造而成。
現有技術該系統電氣框圖如圖1所示。在三相變頻控制板，橋式整流器BRD201的交流(AC)輸入端2和3分別連接220V(AC50HZ)的單相交流電源的中性線N和相線L，直流(DC)輸出端1和4連接由電容器225組成的濾波電路，輸出直流母線VDD對地母線的電壓約300V。逆變電路由絕緣柵雙極晶體管IGBT201和IGBT202組成的A相橋，IGBT203和IGBT204組成的B相橋，IGBT205和IGBT206組成的C相橋跨接于直流母線VDD和地母線之間。三相交流電動機(MOTOR)M201的三相端子A-phase、B-phase和C-phase分別接往逆變電路同相橋中點。單片機U201選用型號為ST7FMC1K276，是專用變頻控制芯片，其6個專用的三相SPWM調制信號開關量輸出口30(定義MC00.HS)、31(定義MC01.HS)、32(定義MC02.HS)、1(定義MC03.HS)、2(定義MC04.HS)和3(定義MC05.HS)號腳分別經驅動芯片U202、U203、U204、U205、U206和U207(選用型號IR2125)的輸入(IN)輸出(HO)，限流電阻R207、R208、R252、R253、R209和R210，接往各IGBT的G極。單片機U201寫入制造商推薦的典型程序。該程序使30和31，32和1，2和3號腳的輸出互補，并按照電壓正弦雙極性三角波調制法各輸出一相雙極性正弦波脈寬調制信號；并且各相調制正弦參考信號的相位依次相差2π/3。圖2(d)表示了在該程序使用現有技術由調制三角波Uc分別和三相參考正弦信號UmA、UmB和Umc相交獲得各相雙極性正弦波脈寬調制信號的原理，(a)、(b)、(c)分別表示所生成的A、B、C相調制信號UdA、UdB、UdC的脈寬調制波形。UdA脈沖系列的上半部分是30號腳發出和驅動芯片U202接收的波形，下半部分是31號腳發出和驅動芯片U203接收的波形；UdB脈沖系列的上半部分是經31號腳發出和驅動芯片U204接收的波形，下半部分是經1號腳發出和驅動芯片U205接收的波形；UdC脈沖系列的上半部分是經2號腳發出和驅動芯片U206接收的波形，下半部分是經3號腳發出和驅動芯片U207接收的波形。以上均屬于現有技術。
本實用新型實施例交流電動機脈寬調制變頻驅動系統電氣框圖如圖3所示。其相對于圖1所示交流電動機脈寬調制變頻驅動系統有以下修改——橋式整流器BRD201的直流(DC)輸出端1和4連接的濾波電路增加電容器226，電容器225與電容器226串聯后跨接于直流母線VDD和地母線間，構成以電容器225與電容器226的串聯點為公共端，經直流母線VDD和地母線輸出各約150V的一正電源和一負電源；——逆變電路中由IGBT205和IGBT206組成的C相橋、驅動芯片U206和U207、電阻R209和R210取消；——(MOTOR)M201改為對稱二相交流電動機，其公共端子COM連接電容器225與電容器226的串聯點，二相端子A-phase和B-phase仍分別接往逆變電路同相橋中點；——關于單片機U201，其專用的三相SPWM調制信號開關量輸出口仍在用的4個30、31、32和11號腳原分別接往驅動芯片U202、U203、U204和U205的電路，各插入一與門U206A、U207A、U208B和U209A(選用型號CD4081)；啟用4個新的開關量輸出口10(定義MCIA/PB1)、11(定義MCIB/PB2)、12(定義MCIC/PB3)和13(定義OAP/PC4)號腳；U206A的輸出端3號腳連接驅動芯片U202的輸入，輸入端2和1號腳分別連接單片機U201的30和10號腳；U207A的輸出端3號腳連接驅動芯片U203的輸入，輸入端2和1號腳分別連接單片機U201的31和11號腳；U208B的輸出端4連接驅動芯片U204的輸入，輸入端6和5號腳分別連接單片機U201的32和12號腳；U209A的輸出端3號腳連接驅動芯片U205的輸入，輸入端2和1號腳分別連接單片機U201的1和13號腳；——對單片機U201制造商推薦的程序修改，使專用的三相SPWM調制信號開關量輸出口仍在用的4個30和31，32和1號腳各輸出的一相雙極性正弦波脈寬調制信號相位差，由2π/3改為π/2；使新啟用開關量輸出口10號腳在調制正弦參考信號UmA大于零時為“1”和12號腳在調制正弦參考信號UmB大于零時為“1”，11與10號腳輸出互補和13與12號腳的輸出互補。
由于以上修改，驅動芯片U202和U203接收的信號分別為圖4中(a)Uda的上半部分和下半部分，U204和U205接收的信號分別為圖4中(b)UdB的上半部分和下半部分，可見UdB滯后UdA相位角π/2。這樣，各驅動芯片對所輸入的信號跟隨、整形和放大后輸出，經各限流電阻驅動逆變電路各IGBT，向對稱二相交流電動機輸出二相對稱的單極性正弦波脈寬調制電壓，實施變頻驅動。
以上設計主要是考慮盡量采用單片機供應商推薦的典型程序，把所輸出的三相對稱雙極性正弦波脈寬調制信號變換為二相對稱單極性正弦波脈寬調制信號，程序編制工作量比較少。當然，也可以采用其它通用芯片，按照現有技術關于單極性正弦波脈寬調制的調制原理編制程序，可不使用4個與門電路。此外，也可以使用具有成對輸入輸出的偶數(常見為2)單元驅動芯片，這些成對輸入輸出如果除跟隨放大關系外，還有其它邏輯關系，則所述門電路的設計需按照現有技術，綜合這些邏輯關系，使單片機U201的30、31、32和11號腳與10、11、12和13號腳至各IGBT的G極維持前述的控制關系。
本實施例電動機使用傳統單相電容運轉電動機的空間相差π/2電角度的二相對稱磁路結構，甚至二相繞組也對稱的結構(例如洗衣機電動機)。當然，也可以使用二相磁路或繞組欠對稱的電動機。此時，通過計算或實驗，調整調制電路的控制信號，使逆變電路輸出的二相電流Ia和Ib，按照電動機二相繞組的有效匝數(繞組系數×實際匝數)KdpaWa和KdpbWb，完全符合以下公式表示的二相電動機對稱運行的圓形旋轉磁勢條件IaKdpaWa＝±jIbKdpbWb對于空間電角度θ為任意值的非正交軸的二相繞組電動機，該條件的公式是IaKdpaWa＝IbKdpbWbej(π±θ)這也是本實用新型技術方案調制電路產生關于二相電動機對稱二相調制信號的意義所在。
權利要求1.一種交流電動機脈寬調制變頻驅動系統，包括由直流電源供電和受控于控制機構的多相橋式逆變電路及其驅動的多相交流電動機；其特征在于——所述直流電源輸出一正極、一負極和一零電位公共端；——所述逆變電路為二相橋式，其正電源母線、負電源母線分別接往所述直流電源正極、負極；——所述電動機為對稱二相電動機，其二相繞組的公共端接往所述直流電源公共端，各相繞組的另一端分別接往逆變電路各一相橋臂的中點；——所述控制機構向逆變電路二相橋臂的控制端輸出對稱二相調制信號，該調制為單極性正弦波脈寬調制。
2.按照權利要求1所述交流電動機脈寬調制變頻驅動系統，其特征在于——所述二相電動機是空間相差π/2電角度的二相繞組對稱電動機；——所述控制機構包括一單片機，其8個開關量輸出口第1相上橋臂調制信號口、第1相下橋臂調制信號口、第2相上橋臂調制信號口、第2相下橋臂調制信號口、第1相上橋臂極性選通口、第1相下橋臂極性選通口、第2相上橋臂極性選通口和第2相下橋臂極性選通口；同相上橋臂調制信號口的輸出與下橋臂調制信號口的輸出互補，按照電壓正弦雙極性三角波調制法輸出一相雙極性正弦波脈寬調制信號，并且第1相調制正弦參考信號與第2相調制正弦參考信號的相位差為π/2；上橋臂極性選通口的輸出在同相調制正弦參考信號大于零時為“1”，下橋臂極性選通口的輸出與同相上橋臂極性選通口的輸出互補；——所述控制機構包括4個與門第1相上橋臂控制與門、第1相下橋臂控制與門、第2相上橋臂控制與門和第2相下橋臂控制與門；所述各調制信號口和極性選通口的輸出接往同相同橋臂控制與門的輸入，該與門的輸出接往逆變電路同相同橋臂的控制端。
專利摘要一種交流電動機脈寬調制變頻驅動系統，包括由直流電源供電和受控于控制機構的多相橋式逆變電路及其驅動的多相交流電動機；所述直流電源輸出一正極、一負極和一零電位公共端；所述逆變電路為二相橋式，其正電源母線、負電源母線分別接往所述直流電源正極、負極；所述電動機為對稱二相電動機，其二相繞組的公共端接往所述直流電源公共端，各相繞組的另一端分別接往逆變電路各一相橋臂的中點；所述控制機構向逆變電路二相橋臂的控制端輸出對稱二相調制信號，該調制為單極性正弦波脈寬調制。該設計具有相同或優于傳統三相系統的工作電壓波形和驅動性能，且明顯減少逆變電路橋臂直通的幾率，提高逆變電路的可靠性。
文檔編號H02P27/04GK2840518SQ200520119680
公開日2006年11月22日 申請日期2005年11月25日 優先權日2005年11月25日
發明者區長釗, 朱健昭 申請人:江門市洗衣機廠