技术领域
[0001] 本发明涉及但不限于电机控制和高效率逆变控制技术领域，尤指一种高效多功能的电机驱动控制器。
相关背景技术
[0002] 在现有技术中，电机驱动控制器的效率和性能受限于启动冲击电流的管理、运行期间的脉冲波形控制、断电时期的能量管理以及高速开关带来的电磁干扰。
[0003] 目前由于电机驱动控制器中逆变电路的功率开关管工作在硬开关的状态而存在严重的电磁干扰，往往需要在功率管上增加尖峰电压吸收电路，并且还需要在控制器输入侧增加一个体积较大的无源滤波器。更为突出了的问题是，为了解决电磁辐射干扰问题，往往还需要在控制器的输出线缆中，增加厚厚的屏蔽层。因此，上述解决方案往往不能很好地平衡上述各种因素，导致了电机驱动控制器的效率、稳定性及性能受限。
具体实施方式
[0048] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
[0049] 上述背景技术中已经说明，目前针对电机驱动控制器在使用中存在的电磁干扰，通常通过在功率管上增加尖峰电压吸收电路、在控制器输入侧增加无源滤波器、在控制器的输出线缆中增加厚厚的屏蔽层等方式解决电磁辐射干扰问题。
[0050] 然而，上述解决方案往往不能很好地平衡上述各种因素，导致了电机驱动控制器的效率、稳定性及性能受限的情况。因此，目前亟需一种新型的电机驱动控制器，能够解决上述各种问题，提供更高的效率、稳定性并最大限度的减少电磁兼容问题。
[0051] 针对上述需求问题，本发明实施例提供了一种高效多功能的电机驱动控制器，具体为一种结合谐振腔和新的电机控制算法的电机驱动控制器，以实现提高效率、降低电磁干扰、减小体积和提高稳定性的目的。
[0052] 本发明提供以下几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
[0053] 图1为本发明实施例提供的一种高效多功能的电机驱动控制器的组成结构示意图。本发明实施例提供的高效多功能的电机驱动控制器的总体组成包括：谐振腔电路、逆变电路以及逻辑与时序控制单元。
[0054] 如图1所示高效多功能的电机驱动控制器的结构中，谐振腔电路连接电机驱动控制器的供电输入端，且谐振腔电路中各功率开关管连接到逻辑与时序控制单元，谐振腔电路的输出端连接到逆变电路的输入端，逆变电路中各功率开关管连接到逻辑与时序控制单元，逆变电路的输出端连接至电机。
[0055] 本发明实施例中谐振腔电路的功能为：在电机驱动控制器的上电过程、电机启动过程、正常工作过程和下电过程中，通过逻辑与时序控制单元对其内部各功率开关管的开关控制，实现上电冲击抑制功能、电机软启动功能、正常工作时执行直流电压转换为脉冲电压的功能，以及下电维持输入电压稳定功能；
[0056] 本发明实施例中逻辑与时序控制单元的功能为：在正常工作过程中，根据谐振腔电路输出给逆变电路的脉冲电压，并根据实时运行参数和指令转速，控制逆变电路输出的交流脉冲电压的频率和幅值。
[0057] 本发明实施例中，谐振腔电路的作为电机驱动控制器中具有创新点的组成部分，上电冲击抑制功能，下电维持功能，以及正常工作时完成直流电压到脉冲电压的变换三者功能全部集成于谐振腔内，更重要的是，通过逻辑与时序控制单元控制谐振腔电路内的主要功率器件实现软开关，提高效率的同时，大大减小了电磁干扰(EMI)。
[0058] 在本发明实施例的一种实现方式中，如图2所示，为本发明实施例提供的高效多功能的电机驱动控制器中一种谐振腔电路与逻辑与时序控制单元的结构关系示意图。该实现方式中，谐振腔电路包括：电容C1、电容C2、电阻R1、电感L1、功率开关管Q1、功率开关管Q2、功率开关管Q3和功率开关管Q4。
[0059] 该实现方式中，谐振腔电路内部电路结构中，供电输入正端连接到分别连接到电容C1的正电极、功率开关管Q2的漏极(D)、功率开关管Q1的漏极(D)，由功率开关管Q1的源极(S)连接到逆变电路的输入端，电容C2并联连接到功率开关管Q1的漏极(D)和源极(S)之间，功率开关管Q4的源极(S)和漏极(D)并联在电阻R1两端。
[0060] 电容C1的负电极通过电阻R1连接供电输入负端，功率开关管Q2的源极(S)连接到功率开关管Q3的漏极(D)，并通过电感L1连接到逆变电路的输入端，功率开关管Q3的源极(S)连接供电输入负端；功率开关管Q1、功率开关管Q2、功率开关管Q3和功率开关管Q4的栅极(G)分别连接到逻辑与时序控制单元。
[0061] 在具体实施中，如图3所示，为本发明实施例提供的高效多功能的电机驱动控制器中另一种谐振腔电路与逻辑与时序控制单元的结构关系示意图。图3中的谐振腔电路中还包括：辅助电源；电容C1两端通过采样电路连接到逻辑与时序控制单元；供电输入端还连接到辅助电源的输入端，辅助电源的输出端连接到逻辑与时序控制单元；电机的三相电流通过采集电路连接到逻辑与时序控制单元；外部上位机通过串口通讯连接到逻辑与时序控制单元。
[0062] 本发明实施例中的逻辑与时序控制单元，具体用于通过电容C1两端电压对功率开关管Q4的开关状态进行控制；通过电机三相电流和串口通讯指令对功率开关管Q1、Q2、Q3以及逆变桥内部功率管进行控制。
[0063] 基于图2和图3所提供的高效多功能的电机驱动控制器的结构结构形式，如下对本发明实施例提供的电机驱动控制器在上电工作状态、启动电机工作状态、正常工作状态和下电工作状态的处理方式进行详细说明。
[0064] (1)谐振腔电路在上电工作状态的处理方式为：
[0065] 电机驱动控制器在上电时刻，由谐振腔电路中的R1、C1和Q4形成的阻尼子电路开始工作，在上电时刻通过R1的限流作用对上电冲击电流产生抑制作用。当上电完成后，逻辑与时序控制单元基于R1或C1两端电压，获取完成上电状态，以控制功率开关管Q4导通，阻尼子电阻被短接，进入启动电机工作状态。
[0066] (2)谐振腔电路在启动电机工作状态的处理方式为：
[0067] 逻辑与时序控制单元接收到上位机发动的电机启动指令时，控制功率开关管Q1导通，保持功率开关管Q2和Q3关闭，且控制功率开关管Q1的占空比按照预设的斜率爬升，使功率开关管Q1输出端的等效电压逐渐升高，直至电机启动完成。
[0068] (3)谐振腔电路在正常工作状态的处理方式为：
[0069] 逻辑与时序控制单元通过实时采集的电机转速，在电机转速达到预设转速时，控制导通功率开关管Q2，且控制功率开关管Q1和Q3关闭，使得L1与C2发生谐振，直至电容C2两端电压降到0V时，控制功率开关管Q1导通，L1的电流开始下降，直至L1的电流下降到0A时，控制功率开关管Q2关闭；
[0070] 基于Q1和Q2的开关周期，控制Q2重复开启，并依据上述开关控制时序在周期内控制Q1和Q2的开关，形成输出的脉冲电压，即为Q1的输出电压。
[0071] (4)谐振腔电路在下电工作状态的处理方式为：
[0072] 当逻辑与时序控制单元采集到的输入电压达到欠压状态时，控制功率开关管Q1关闭，控制功率开关管Q2始终处于导通状态，且控制Q3以动态可调占空比开关。
[0073] 该状态下，由L1，Q3，C1形成泵升子电路，Q1的输出电压经过泵升子电路后由C1两端输出，当Q3导通时，Q1的输出电压经L1、Q3形成回路，L1电感储存能量，C1向辅助电源供电；当Q3关闭时，L1电感向C1两端和辅助电源释放能量，使C1两端电压大于Q1的输出电压。
[0074] 本发明实施例在具体实施中，上述下电工作状态下控制Q3以动态可调占空比开关的方式为：
[0075] 下电工作状态，电机减速转动，直到停止转动的过程中，通过实时控制Q3的占空比来控制C1两端的电压相对稳定；当C1电压比期望电压小时，控制Q3的占空比变大，当C1电压比期望值电压大时，控制Q3的占空比变小，以达到稳定C1两端的目的。
[0076] 图4为本发明实施例提供的高效多功能的电机驱动控制器的谐振腔电路中功率开关管Q1、Q2的控制逻辑示意图；图5为本发明实施例提供的高效多功能的电机驱动控制器的逆变电路的控制逻辑示意图。
[0077] 需要说明的是，以下对本发明实施例中，逻辑与时序控制单元根据谐振腔电路输出给逆变电路的脉冲电压，并根据实时运行参数(电机转速、电流、电压、位置)和指令转速，控制逆变电路输出的交流脉冲电压的频率和幅值的方式进行说明。
[0078] 如图6所示，为本发明实施例提供的高效多功能的电机驱动控制器中逆变电路的结构示意图。本发明实施例中的逆变电路采用三相桥构型，每个桥具有2个功率开关管，则逆变电路中6个功率开关管的导通状态形成6个基本矢量U1～U6，且6个基本矢量将平面分成6个矢量扇区。
[0079] 如图7所示，为图6所示实施例提供的高效多功能的电机驱动控制器中逆变电路形成的电压空间矢量(SVPWM)的电压矢量图。本发明实施例中，逻辑与时序控制单元根据电机位置获取电机位置所在矢量扇区，并根据实时运行参数和指令转速计算出矢量输出电压Uout，从而可计算出电机位置所在矢量扇区的两个相邻的基本矢量的作用时间Ti和Tj。
[0080] 具体实施中，逻辑与时序控制单元根据谐振腔电路输出的脉冲电压周期Ta、占空比Da，计算出Ti总时间由n个脉冲电压组成，计算出Tj总时间由m个脉冲电压组成；则控制Ui对应的功率开关管导通，直到n个脉冲电压通过后关闭Ui对应的功率开关管，并控制Uj对应的功率开关管导通，直到m个脉冲电压通过后关闭Uj对应的功率开关管。
[0081] 逻辑与时序控制单元计算Ti总时间的脉冲电压个数n，以及计算Tj总时间的脉冲电压个数m的计算方式为：
[0082] n＝Ti/(Ta*Da)
[0083] m＝Tj/(Ta*Da)。
[0084] 本发明实施例提供一种高效多功能的电机驱动控制器，具体为一种结合谐振腔和新的电机控制算法的电机驱动控制器，该电机驱动控制器由谐振腔电路、逆变电路以及逻辑与时序控制单元组成，谐振腔电路抑制上电冲击、维持下电状态及完成直流电压到脉冲电压的变换，其中功率器件通过逻辑与时序控制单可以实现软开关，以提高效率并减小电磁干扰；逆变电路通过特殊算法实现矢量圆的控制，完成电机控制，使开关管在软开关状态下工作，实现高效率；逻辑与时序控制单元通过特殊的逻辑与时序控制，实现变换功能以及其他必要辅助功能。本发明实施例具有如下有益效果：
[0085] 第一，谐振腔电路作为主要的创新点之一，将上电冲击抑制功能，下电维持功能，以及正常工作时完成直流电压到脉冲电压的变换三者功能全部集成于谐振腔电路内，更重要的是通过时序控制谐振腔电路内的主要功率器件实现软开关，提高效率的同时，大大减小了电磁干扰(EMI)。
[0086] 第二，逆变电路通过脉冲电压选择的特殊算法，该算法也是创新点之一，主要功能是完成矢量圆的控制，进而完成电机控制，正常工作时，逆变器的开关管可以工作在软开关状态，实现整个电机控制器高效率。
[0087] 第三，控制算法：控制算法主要在逻辑与时序控制单元中实现，其创新点在于通过特殊的逻辑与时序控制，除了完成主要的变换功能(向逆变变换器提供直流到交流的变换逻辑)外，还可以实现其他必要辅助功能，比如上电冲击电流抑制、带载软启动、下电时泵升电压维持整个驱动控制器一段时间的工作。
[0088] 第四，作为创新点之一的谐振腔电路，里面有上电的缓冲控制电路，谐振电路部分组成，由于电路的特殊设计，辅助于特殊的时序控制，既可以保证正常工作时以高效形式输出特定的脉冲电压，又可以保证下电时电压可以泵升实现电压稳定。
[0089] 第五，逆变电路采用的是传统三相桥的结构，但是控制算法是创新点之一。与传统的稳定的直流输入相比，逆变电路的输入为脉冲式的直流电压。因此需要采用特殊的算法实现矢量圆运算。
[0090] 第六，本发明实施例的关键创新点在于结合谐振腔电路和新的电机控制算法；这不仅可以在上电、启动和断电过程中实现平稳过渡，降低冲击电流，而且在正常工作状态下，能够使开关管工作在软开关状态，大大提高了工作效率的同时还可以降低EMI干扰。
[0091] 以下通过一个具体实施示例对本发明实施例提供的高效多功能的电机驱动控制器的实施方式进行示意性说明。
[0092] 参考图1到图3所示的高效多功能的电机驱动控制器，该实施例提供高效多功能的电机驱动控制器由谐振腔电路、逆变电路以及逻辑与时序控制单元组成。
[0093] 如下对上述电机驱动控制器中各电路的工作方式进行说明：
[0094] 1谐振腔电路
[0095] 谐振腔电路是本发明的核心组件之一，在整个工作过程中，谐振腔电路的工作状态也不一样。以下按工作过程详述各电路的结构和功能：
[0096] 1.1上电工作状态：
[0097] 电机驱动控制器上电时刻，由R1、C1和Q4形成的阻尼子电路开始工作，由于R1的限流作用将会在上电时对上电冲击电流产生抑制作用。当上电完成后，逻辑与时序控制单元基于R1或C1两端电压，获取完成上电状态，以控制功率开关管Q4导通，阻尼子电阻被短接，进入下一阶段的工作，即进入启动电机工作状态。
[0098] 1.2启动电机工作状态：
[0099] 收到电机启动指令，控制Q1导通，为保证电机运行的软启动，此阶段Q2，Q3全部关闭，只有功率开关管Q1的占空比按照一定的斜率爬升，使Q1输出端的等效电压逐渐升高，直至电机启动完成。
[0100] 1.3正常工作状态：
[0101] 逻辑与时序控制单元通过采集电机转速，在电机转速达到预设转速时，控制导通功率开关管Q2，且控制功率开关管Q1和Q3关闭，使得L1与C2发生谐振，直至Q1达到软开关的条件[C2两端电压降到0V]时，控制功率开关管Q1导通，然后L1的电流开始下降，直至开关管Q2的达到软关断的条件[L1的电流下降到0A]时，控制Q2的开关管关闭。
[0102] 基于Q1和Q2的开关周期，控制Q2重复开启，理论上，控制Q1开启时刻即为Q1达到软开关时刻，依据上述开关控制时序在周期内控制Q1和Q2的开关，形成输出的脉冲电压，即为Q1的输出电压。
[0103] 举例来说，典型的功率开关管Q1，Q2在正常工作状态的逻辑时序见图4。为保证电机速度的可调范围尽可宽，谐振腔电路默认的输出脉冲占空比为95％(即输出脉冲高电平持续时间与周期时间的比值，即Q1高电平的占空比)，优选Q1频率300kHz‑500kHz。同时，根据转速指令可离散或连续调整占空比输出(例如，控制单元接收到的转速降低指令，内部形成的占空比输出跟随指令，控制Q1的占空比降低)，保证转速调整的精度。
[0104] 1.4下电工作状态：
[0105] 逻辑与时序控制单元通过采集输入端电压(此时为电容C1两端电压)，当输入电压达到欠压状态(例如正常270，欠压点180V)时，控制Q1关闭，且控制Q2一直处于导通状态，且控制Q3以动态可调占空比开关。
[0106] 该状态下，由L1，Q3，C1形成泵升子电路，Q1的输出电压经过泵升子电路后由C1两端输出，当Q3导通时，Q1的输出电压经L1、Q3形成回路，L1电感储存能量，C1向辅助电源供电；当Q3关闭时，L1电感向C1两端和辅助电源释放能量，使C1两端电压大于Q1的输出电压，以在下电时维持输入端电压的稳定性。
[0107] 该下电过程中，电机减速转动，直到停止转动的过程中，通过实时控制Q3的占空比来控制C1两端的电压相对稳定，具体的，当C1电压比期望电压小时，控制Q3的占空比变大，当C1电压比期望值电压大时，控制Q3的占空比变小，以达到稳定C1两端的目的。这可以为辅助系统的继续提供长时间的供电需求。
[0108] 对于谐振腔电路，在硬件上，通过使用特定的电路配置和组件(例如，SiC开关管、电容和电感)，谐振腔电路可以实现高效的变换(将直流电压转换为脉冲电压的变化形式)，并为逆变电路提供所需的脉冲输入电压。
[0109] 2逆变电路
[0110] 逆变电路作为电机驱动控制器中另一个核心组件，主要负责脉冲电压的选择和合成。以下详述其结构和功能：
[0111] 由控制单元根据电机的实际运行参数和需求(指定转速)，控制逆变电路输出相应的交流脉冲电压。通过实时监控电机的运行参数(如电流、电压、转速和电机位置)，通过控制单元的控制以够动态调整逆变电路输出交流脉冲电压的频率和幅值，以实现更好的性能和效率。
[0112] 本发明实施例中，逻辑与时序控制单元选择波形的方式如下说明：
[0113] 以传统的电压矢量算法(SVPWM)控制算法为例，说明本发明实施例提供的该新型算法的与传统算法的区别。传统的电压矢量算法，根据逆变器中开关管的导通状态形成6个基本矢量(U1～U6)，由6个基本矢量将平面分成6个矢量扇区，如图7所示；传统方案中，根据电机当前位置确定电机位置所在的矢量扇间，然后用相邻的基本矢量再配合零矢量合成最终的矢量输出电压Uout，其中最关键的是得到相邻矢量作用的有效时间，假设电机此时运行在第I扇区，以图8所示，T4、T6时间分别是基本矢量U4，U6的作用时间，图8为图7所示逆变电路形成的电压空间矢量(SVPWM)中第I扇区的合成示意图。
[0114] 在新型的算法中，逆变电路的输入由于是脉冲电压，而非稳定的直流形式，因此需要新的矢量合成方式使矢量输出电压为Uout。仍假设电机运行在第I扇区，要使矢量输出电压为Uout，需要基本矢量U4、U6作用时间为T4＝40μs、T6＝50μs。根据谐振腔电路输出的脉冲电压周期假设为2μs，占空比为0.95。计算后得T4总时间需要21个脉冲电压组成，那么逻辑与时序控制单元将控制Q11导通，直到21个脉冲电压通过，再把Q11开关管关闭。同理，计算后的T6的总时间需要26个脉冲电压组成，那么逻辑控制单元将控制Q11、Q13导通，直到26个脉冲电压通过，再把Q11、Q13开关管关闭。
[0115] 3逻辑与时序控制单元对逆变电路的时序控制：
[0116] 由于逆变电路中的逆变桥结构为传统的三相逆变桥结构，为了实现最小的开关损耗，设计采用特殊的时序控制。假设某个时刻计算出来的矢量圆参考大小需要选择的逆变电路输入脉冲电压的个数为3个，则逆变桥的某个上管驱动需要在脉冲为低电平时导通，经三个脉冲高电平之后，在脉冲低电平时关闭，这样可以保证此桥臂的开关管工作在软开关状态，此时的损耗最小，效率最高。典型的时序图如图5所示。
[0117] 根据现在的时序控制可以看出，三相桥的内开关管都是在漏极与源极之间的电压差等于0的情况下，控制开关管导通的，这样与传统的硬开关控制相比，避免了开关管的开通损耗，同时也避免了由于开关管快速开通产生的漏源间电压振荡，引起大的电磁干扰。
[0118] 虽然本发明所揭露的实施方式如上，但内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
