[发明专利]无刷电动机功率驱动电路及其驱动方法

说明书

本发明涉及一种用于无刷电动机功率驱动的电路及其驱动方法，特别适用于电动汽车的主轴驱动以及具有多个独立电源的，低电压(低转速)、大力矩(大电流)场合和家用风扇、空调、吸尘器、缝纫、泵类的调速驱动控制。

已有的无刷电动机功率驱动电路均采用一个直流电源或一对含中点的直流电源。对于三相无刷电动机，其驱动电路大都采用H桥或三相桥结构，如图1所示。这种驱动电路的明显缺点是，使用的晶体管功率开关数量比较多，一般是电动机相数的2倍或4倍；另外，上、下桥臂晶体管容易发生直通故障可靠性变差，因此必须设置上、下桥臂的间隙时间(或称死区时间)，而间隙时间限止了功率晶体管在脉宽调制控制时的开关频率，大力矩(也即大电流)驱动中尤为严重。人们一直希望研究一种使用晶体管功率开关比较少，驱动可靠性比较高，也即性能价格比较高的无刷电动机驱动电路，但是均采获得成功。图2是一种可用于微型无刷电动机的驱动电路。这种电路中，每相绕组的电流只能按正方向流动，电机效率低；而且没有续流能力，所以不可能通过对三个晶体管功率开关采用脉宽调制技术进行调速控制，这种电路只能在微型的、恒速的驱动系统中作用。常见的步进电动机单极性驱动电路，不能用于无刷电动机的驱动。很明显，如图3所示的典型电路中，续流与阻尼二极管会短路电动机的反电势的负半周。图4是一种续流能量消耗型无刷电动机驱动电路。它在微型无刷电动机或小型开关磁阻电动机中采用，在运行过程中，续流能量通过续流二极管D向电容器C转移，电容电压增加，直至达到稳压管W击穿电压后，通过稳压管W和电阻R向U_S回馈。由于大部分续流能量消耗在电阻上，“泵升现象”严重，绕组电流无法反向，效率低，均是其弱点。很明显，这种电路也只能在微电机范围中使用。所以三相或多相大功率无刷电动机至今一直未能找到性能价格比较高的驱动电路和驱动方法。

对于二相电动机一般用双H桥驱动，使用的晶体管功率开关数量比三相桥更多。所以，二相电机不如三相电机使用广泛。而且H桥驱动同样存在，上、下桥臂晶体管易发生直通故障使可靠性变差的问题，因此，必须设置上、下桥臂的间隙时间(或称死区时间)，而间隙时间限止了功率晶体管在脉宽调制控制时的开关频率，高速运行时尤为严重。二相无刷电动机的另外一种驱动电路如图5所示，称为T型驱动电路，这种电路使用一对含中点的直流电源，T型电路上、下桥臂需要使用N型和P型互补晶体管对。众所周知，大功率P型晶体管由于生产工艺性差而无法实用，所以这种双T型驱动电路，只能在微电机中使用。双H桥驱电路和双T型驱动电路属于双极性驱动电路，也即允许电机绕组双向通电，电路本身具有续流能力，所以，可以通过对功率开关驱动信号的脉宽调制来实现对无刷电动机的转速控制或转矩控制。但由于使用元件数量多，电路复杂，成本较高，很难在家用、民用电机驱动领域中广泛作用。

本发明的目的在于提供一种无刷电动机电路及驱动方法，使电机具有较简单的结构，使驱动电路具有元器件少，可靠性好，成本低，同时又具有H桥，双T型这类双极性驱动电路的类拟特性，也即能够通过脉宽调制来实现对无刷电动机的转速控制或转矩控制。

本发明无刷电动机驱动电路，当元刷电动机为三相或三相以上的多相时，其电动机的多相绕组按星形连接，其要点在于，相邻星端之间构成的桥臂是由按正向顺序串联连接的独立直流电源U₁，U₂…U_m和晶体管功率开关T₁、T₂…T_m构成的支路，每个晶体管功率开关的集电极与发射极之间反向并联一个续流二极管D₁、D₂、…D_m，每个晶体管功率开关的基极连接电机驱动控制器的输出端，m个桥臂支路按同方向串联成闭合回路，m为大于等于3的自然数。

当无刷电动机为二相时，采用四个晶体管功率开关T_a、T_b、T_c、T_d，四个续流二极管D_a、D_b、D_c、D_d；每个晶体管功率开关均与一个续流二极管反向并联，四个晶体管功率开关按照相同方向顺序串联，构成具有四个桥臂的闭合回路，形成四个桥臂节点a、b、c、d，独立电源U_d和U_c被串联在奇数桥臂或者偶数桥臂中，电动机的两相绕组为正交独立绕组，按绕组相序跨接到四相桥臂节点上。