电驱动系列：四十一、电机控制器工作过程及原理

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41.1 电路控制的发展历程

（1）1904年出现二级真空管（真空中控制电子）

（2）1930年出现的水银整流器

（3）1947年出现的电晶体

（4）1957年出现的闸流体（单晶矽为半导体材料的整流器，可控制开通，但开通后无法控制关断，一般称为半控型元件）

（5）1970年代出现的MOSFET、BJT、GTO等全控型元件

（6）1980年代出现的IGBT（以MOSFET为本体，结合BJT的复合元件）

（7）目前以新一代半导体材料如SiC对以上控制元件的升级
41.2 电路控制的类型

对于MOSFET及IGBT之前已经进行原理的讲解，电路控制中主要用到二者的开关功能，我们称其为功率开关元件，使用这些功率开关元件的组合可以对电路实现以下控制：
表41.1 电路的几种控制

输出   输入	DC	AC
DC	直流截波	整流
AC	逆变Inverter	变频、变压

电机中，假如输入为DC直流电，电机类型为AC交流电机，则输入为DC，输出为AC，控制器使用有逆变功能的电路，因此称这种电机控制器为逆变器，同时逆变器还可以控制AC交流电的频率，从而实现调速的功能。41.3 逆变器的基本工作原理





图41.1 单相交流负载控制电路基本原理图

三相负载控制电路原理图：
同样的，对于三相负载，我们可以使用以下电路来实现逆变功能：


图41.2 三相交流负载控制电路基本原理图
将开关元件转化为IGBT或MOSFET、并设置稳压电容及续流二极管，可得电路图如下：


图41.3 逆变器控制电路基本原理图
其中6个IGBT的控制极门极接控制电路，通过控制电路的高低电压来控制IGBT的开通与关断；左侧的两个电容为直流稳压电容；与并联的六个二极管为续流二极管，可以起到平缓负载中的电流的目的，电机电感线圈在电路开闭瞬间产生的反向电动势通常会高过电源，此二极管可以防止反向击穿IGBT。每个IGBT所在的部分为桥臂，图41.3中共有6个桥臂，如图中U相连接点所在支路有上、下两个桥臂；41.4 逆变器的工作过程及获得的电压电流

为了使负载获得三相交流电，其工作过程如下：

（1）V1/V5/V6导通，其他关断

逆变器内定义的各点电流趋势的方向如图41.4所示（这里用的趋势是由于负载中存在电感，电感会导致电流相位的滞后）；假设三相U/V/W负载阻抗相同，则其等效电路图及各点处的电位如图41.5所示；由各点之间的电位可计算出任意两点之间的电压及各路电流，需要注意的是由于电感元件的存在，电流与电压之间会存在相位差，且波形也不同。部分电压与电流波形如图中虚线左侧所示。



图41.4 V1/V5/V6导通时电流趋势的方向
假设各相负载阻抗相同，且虚拟中性点N’接地，即电位为0，上图可简化为以下电路图，各点处的电位如括号中所示：


图41.5 V1/V5/V6导通时等效电路图
根据此电路图可得各点间的电压及各路电流，如图41.6所示


图41.6 不同位置处的电压及电流曲线（虚线之前部分）



图中负载（电机绕组）的接法是星型连接，星形接法是指三个相的一端连接在一起形成公共端，这个公共端被称为中性点，用字母“N”标识；采用星形接法时，相电压为各相线端与中性点之间的电压，线电压为各相线段之间的电压（这里线段可以指图中U/V/W三个点）。由于中性点N在电机内部，因此相电压无法直接测量。线电压和相电压可据下面的公式进行计算：相电压：


线电压：



根据以上公式可以计算得到电机绕组各相电压或线电压。

（2）V1/V2/V6导通，其他关断

根据上面的方法可的图41.7、图41.8、图41.9；同时电流之间有以下关系：





图41.7 V1/V2/V6导通时逆变器工作示意图



图41.9 V1/V2/V6导通时部分电压电流曲线（两虚线之间部分）
（3）当V1/V2/V3导通时：


图41.10 V1/V2/V3导通时逆变器工作示意图



图41.11 V1/V2/V3导通时部分电压电流曲线（两虚线之间部分）
（4）依此类推，按照以下导通顺序循环导通关断，我们即可获得三相交流电：


图41.12 各桥臂导通顺序及获得的电压电流曲线
（5）三相逆变器的导通规律综上，要想获得三相交流电，各桥臂的导通规律为：①任意时刻有三个桥臂同时导通；②同一相上下两桥臂交替导电，不能同时导通：比如V1/V4同时导通会造成短路；③设一个循环360°，每桥臂导电180°④各相开始导电的角度差为120°；如上桥臂：U相V1开始导电，120°之后V相的V3开始导电；⑤每次电流方向变化都是在同一相的上下两桥臂之间进行。