[发明专利]一种基于单相桥式相控整流器的无刷风机PAM控制器及方法

说明书

本发明属于无刷风机控制技术领域，具体提供了一种基于单相桥式相控整流器的无刷风机PAM控制器及方法，该控制器将转速控制和换向控制相分离，转速控制部分使用单相桥式相控整流，换向控制部分基于三相逆变桥臂架构使用无传感器控制方案。具体来说，单相桥式相控整流部分将单相交流电输入变换为直流输出，通过调节晶闸管的导通角以实现电流闭环，进而实现无刷风机转速闭环。在单相交流输入供电情况下，使用单相桥式相控整流器一个部件，就可以替换传统架构中整流器和DC/DC变换器两个部件，节约了成本、降低了电路结构的复杂度，提高了效率和可靠性。在换向控制部分，通过电机线电压采样电路、驱动电路及三相桥臂逆变电路实现对无刷风机的无传感器换向控制，解决了传统反电动势法的延迟换向问题。

技术领域

本发明涉及无刷风机控制技术领域，更具体地，涉及一种基于单相桥式相控整流器的无刷风机PAM控制器及方法。

背景技术

随着现代科技的进步，无刷风机在工业、家用电器、船舶、航空航天和能源等领域得到了广泛的应用。在工业领域中，无刷风机被应用于燃料电池离心式空气压缩机、涡轮增压机、工业鼓风机等。燃料电池中所用无刷风机，其转速可达10万转，该电机可以为燃料电池系统输送大量清洁空气，为电堆反应提供足够氧气，从而提高燃料电池的效率。在家用电器领域中，高速无刷风机被广泛应用于电吹风机、吸尘器、空调等。高速吸尘器可以快速吸起地面附着灰尘。戴森吹风机，该吹风机转速高达11万转，可以提供强劲风力，快速吹干头发。高速无刷风机在家用电器领域的应用大幅改善了用户体验，提升了使用舒适度，现在越来越多的用户开始选择使用高速无刷风机的家用电器。

无刷风机的电磁转矩是由定子绕组中的电流与转子磁场相互作用而产生的，即

式中T_em为电磁转矩；ω为电机机械转速，

可见，电磁转矩大小与电流幅值成正比，所以控制输出电流的幅值即可控制无刷风机的电磁转矩。无刷风机的电磁转矩、负载转矩以及转速之间的关系可用电机的机械运动方程来描述：

式中，T_L为负载转矩；B为阻尼系数；J为转动惯量。

对于风机类负载，负载转矩与转速的平方成正比，即：

T_L＝Cω²

式中，C为常数，根据负载情况而定。当无刷风机转速达到稳定时，电磁转矩T_em与负载转矩T_L相等，可见控制输出电流的幅值即可控制无刷风机的转速。

传统的中低速无刷风机的控制方式一般为PWM调制模式，即在三相桥臂逆变电路的基础上，通过对开关管进行PWM控制从而一并实现电机的转速控制和换向控制。但是由于高速无刷风机中电感值较低，PWM调制方式会产生更多的谐波分量，使电机转矩脉动增大，运行不够平稳。由于高速无刷风机电感值较小，PAM控制方式更加适合高速无刷风机，如图2所示，将电机转速控制和换向控制分离，PAM控制方式前一级是电流源，通过控制输出电流的幅值完成对电机的转速控制，后一级是三相逆变电路，负责电机的换向控制。但是由电网进行交流供电时，传统的基于PAM结构的电机控制器需要整流、DC/DC变换、三相逆变桥臂三级结构，会导致控制器成本上升、效率降低、可靠性降低等问题，需要对传统PAM结构的电路进行改进。

无刷风机的控制策略可分为有位置传感器(以下简称有感)控制方案和无位置传感器(以下简称无感)控制方案两种。有感控制方案是指在电机主轴内安装霍尔传感器等位置传感器，依靠位置传感器来检测转子所处的位置，根据位置传感器得到的信息计算电机转子的转速和电机的换向时机。但是在高速无刷风机内安装位置传感器会大大降低电机运行的可靠性和稳定性。因为高速无刷风机转速高、电频率高、温升快，电磁辐射和高温等因素。