一种电机的驱动装置及电机系统的制作方法

1.本实用新型涉及电机控制领域，特别是涉及一种电机的驱动装置及电机系统。


背景技术：

2.在多电及全电航空器中，永磁电机在动力系统中扮演者重要的角色，其能够对航空器中的负载进行驱动。此外，对永磁电机进行驱动时，传统的永磁电机的驱动装置包括三相全桥电路，如图1所示，图1为现有技术中电机的驱动装置的结构示意图。在航空器中，驱动装置从直流配电母线上获取电能，并将直流电转换为永磁电机所需的交流电，以对永磁电机进行驱动。由于直流配电母线上的直流电通常存在纹波电压，驱动装置将直流电转换为交流电后，交流电中会使永磁电机产生谐波，且驱动装置无法对输出的交流电中纹波的幅值的大小进行改变，也即驱动装置输出的交流电中的谐波也较大，会使永磁电机的损耗增加。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的是提供一种电机的驱动装置及电机系统，能够基于永磁电机的转速对电压转换器输出的电压进行控制，也即使电压转换器输出与永磁电机在当前的转速存在的反电动势正相关的电压，从而使输入至永磁电机中的谐波减小，以减小永磁电机在直流电源输出的直流电中存在纹波电压时的损耗。
4.为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种电机的驱动装置，包括：
5.输入端与直流电源连接，控制端与数字控制电路的第一信号输出端连接的电压转换器，用于对所述直流电源输出的电压进行升压或降压，输出直流电；
6.输入端与所述电压转换器的输出端连接，输出端与永磁电机的电源输入端连接的逆变电路，用于将所述电压转换器输出的直流电逆变为交流电，以驱动所述永磁电机；
7.输入端与所述永磁电机连接的所述数字控制电路，用于对所述永磁电机的转速进行检测，并基于检测到的所述永磁电机的转速控制所述电压转换器输出与所述永磁电机的转速呈正相关的直流电。
8.优选地，所述电压转换器包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管及电感；
9.所述第一开关管的第一端为所述电压转换器的第一输入端与所述直流电源的第一输出端连接，第二端与所述第三开关管的第一端及所述电感的第一端连接，控制端为所述电压转换器的第一控制端与所述数字控制电路的第一信号输出端连接；
10.所述第二开关管的第一端为所述电压转换器的第一输出端与所述逆变电路的第一输入端连接，第二端与所述电感的第二端连接，控制端为所述电压转换器的第二控制端与所述数字控制电路的第一信号输出端连接；
11.所述第三开关管的第二端为所述电压转换器的第二输入端与所述直流电源的第二输出端及所述第四开关管的第二端连接，控制端为所述电压转换器的第三控制端与所述
数字控制电路的第一信号输出端连接；
12.所述第四开关管的第一端与所述第二开关管的第二端及所述电感的第二端连接，第二端为所述电压转换器的第二输出端与所述逆变电路的第二输出端连接，控制端为所述电压转换器的第四控制端与所述数字控制电路的第一信号输出端连接；
13.所述数字控制电路具体用于基于检测到的所述永磁电机的转速控制所述电压转换器中相应的开关管导通或关断，以控制所述电压转换器输出与所述永磁电机的转速呈正相关的直流电。
14.优选地，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管及所述第四开关管均为金属
‑
氧化物半导体场效应晶体管mos管。
15.优选地，所述逆变电路为设有开关管的三相全桥电路，所述三相全桥电路的控制端与所述数字控制电路的第二信号输出端连接；
16.所述数字控制电路还用于控制所述三相全桥电路中的开关管导通或关断，从而控制所述三相全桥电路将所述电压转换器输出的直流电逆变为交流电，以驱动所述永磁电机。
17.优选地，所述数字控制电路包括：
18.输入端为所述数字控制电路的输入端与所述永磁电机连接，输出端与控制模块连接的转速传感器，用于对所述永磁电机的转速进行检测；
19.第一信号输出端为所述数字控制电路的第一信号输出端与所述电压转换器的控制端连接的所述控制模块，用于基于所述永磁电机的转速控制所述电压转换器输出与所述永磁电机的转速呈正相关的直流电。
20.优选地，还包括：
21.第一端与所述电压转换电路的第一输出端及所述逆变电路的第一输入端连接，第二端与所述电压转换电路的第二输出端及所述逆变电路的第二输入端连接的电容，用于在所述电压转换电路的输出电压增大时充电，并在所述电压转换电路的输出电压减小时放电。
22.优选地，还包括：
23.输入端与所述直流电源的输出端连接，输出端与所述电压转换器的输入端连接的滤波器，用于对所述直流电源输出的直流电进行滤波处理。
24.为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种电机系统，包括如上述所述的电机的驱动装置，还包括输入端与所述电机的驱动装置的输出端连接的永磁电机。
25.本技术提供了一种电机的驱动装置及电机系统，包括电压转换器、逆变电路及数字控制电路，数字控制电路基于永磁电机的转速控制电压转换器输出与永磁电机的转速当前的转速呈正相关的电压，逆变电路将电压转换器输出的直流电转换为能够对永磁电机进行驱动的交流电，从而对永磁电机进行驱动。可见，本技术能够基于永磁电机的转速对电压转换器输出的电压进行控制，也即使电压转换器输出与永磁电机在当前的转速存在的反电动势正相关的电压，从而使输入至永磁电机中的谐波减小，以减小永磁电机在直流电源输出的直流电中存在纹波电压时的损耗。
附图说明
26.为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为现有技术中电机的驱动装置的结构示意图；
28.图2为本实用新型提供的一种电机的驱动装置的结构示意图；
29.图3为本实用新型提供的一种电压转换器的结构示意图；
30.图4为本实用新型提供的一种电机的驱动装置的具体的结构示意图；
31.图5为本实用新型提供的永磁电机起动时的控制过程的示意图；
32.图6为本实用新型提供的永磁电机调速时的控制过程的示意图；
33.图7为本实用新型提供的一种设有滤波器的电机的驱动装置的结构示意图。
具体实施方式
34.本实用新型的核心是提供一种电机的驱动装置及电机系统，能够基于永磁电机的转速对电压转换器输出的电压进行控制，也即使电压转换器输出与永磁电机在当前的转速存在的反电动势正相关的电压，从而使输入至永磁电机中的谐波减小，以减小永磁电机在直流电源输出的直流电中存在纹波电压时的损耗。
35.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
36.请参照图2，图2为本实用新型提供的一种电机的驱动装置的结构示意图。
37.该装置包括：
38.输入端与直流电源连接，控制端与数字控制电路3的第一信号输出端连接的电压转换器1，用于对直流电源输出的电压进行升压或降压，输出直流电；
39.输入端与电压转换器1的输出端连接，输出端与永磁电机的电源输入端连接的逆变电路2，用于将电压转换器1输出的直流电逆变为交流电，以驱动永磁电机；
40.输入端与永磁电机连接的数字控制电路3，用于对永磁电机的转速进行检测，并基于检测到的永磁电机的转速控制电压转换器1输出与永磁电机的转速呈正相关的直流电。
41.本实施例中，考虑到现有技术中永磁电机的驱动装置通常为三相全桥电路，三相全桥电路将直流电源输出的直流电进行逆变，从而输出交流电，以驱动永磁电机，但是，由于直流电源中的直流电一般由交流电整流得到，因此，直流电源中的直流电会存在纹波电压，也即直流电源输出的直流电中存在交流成分，现有技术中的三相全桥电路将存在纹波电压的直流电逆变，但是，由于现有技术中的三相全桥装置虽然能够将直流电转换为交流电，而无法对输出的交流电的幅值的大小进行改变，将存在谐波的交流电输入至永磁电机中的定子中后，永磁电机会产生不必要的损耗。
42.为了解决上述技术问题，本技术中的电机的驱动装置设有电压转换器1、逆变电路
2及数字控制电路3，其中，电压转换器1能够对直流电源输出的交流电进行转换，也即对直流电源输出的电压进行升压或降压，逆变电路2将电压转换器1输出的直流电进行逆变，以驱动永磁电机，具体地，申请人考虑到永磁电机的转速和其自身的反电动势成正比，本技术中的数字控制电路3能够对永磁电机的转速进行检测，并基于永磁电机的转速计算其反电动势，从而基于永磁电机的反电动势对电压转换器1输出的直流电的大小进行控制，从而使电压转换器1输出的直流电中的纹波电压也较小，以保证逆变电路2输出交流电中的谐波得到抑制，从而减小损耗。
43.需要说明的是，本技术中的电压转换电路即为直流
‑
直流转换电路，对其具体实现方式不做限定，能够实现基于永磁电机的转速对直流电源输出的电压进行相应的升压或降压即可。
44.此外，本技术中的电压转换器1的输入端可直接与直流配电母线连接，本技术对此不作限定。
45.此外，本技术中可以设置多个逆变电路3，且各个逆变电路3的输入端均与电压转换器1的输出端连接，各个逆变电路3并联连接至同一个永磁电机。
46.需要说明的是，本技术中的永磁电机所在的航空器减速或下降时，永磁电机的转速减小，此时，永磁电机可能会作为发电机产生电能，此时，逆变电路3作为整流电路，将永磁电机产生的交流电转换为直流电，电压转换器1再将逆变电路3输出的直流电进行升压或降压，从而将直流电反馈至直流电源，也即本技术中的电机的驱动装置能够使永磁电机在四象限均能正常运行。可见，本技术中的电压转换器1及逆变电路3均能够实现能量的双向流动。
47.此外，通过基于永磁电机的转速对电压转换器1的输出电压进行控制，能够实现在永磁电机的各个速度段对永磁电机更为优越的电机控制效果，提高永磁电机的超速能力，也即提高永磁电机的转速高于额定转速时的能力。具体地，现有技术中，当永磁电机超速后，反电动势高于额定的反电动势，此时，现有技术中输入至驱动装置的直流电的电压低于永磁电机的反电动势，导致电机控制器无法对永磁电机的转速进行控制。而在本技术中，可以通过对电机转换器1进行控制，使其升压，从而使电机转换器1输出的直流电的电压始终高于永磁电机的反电动势，从而在永磁电机超速时，能够使电机控制器继续对永磁电机的转速进行控制，对永磁电机的转速继续上升的趋势进行限制。
48.综上，本技术能够基于永磁电机的转速对电压转换器1输出的电压进行控制，也即使电压转换器1输出与永磁电机在当前的转速存在的反电动势正相关的电压，从而使输入至永磁电机中的谐波减小，以减小永磁电机在直流电源输出的直流电中存在纹波电压时的损耗。
49.在上述实施例的基础上：
50.作为一种优选的实施例，电压转换器1包括第一开关管t1、第二开关管t2、第三开关管t3、第四开关管t4及电感；
51.第一开关管t1的第一端为电压转换器1的第一输入端与直流电源的第一输出端连接，第二端与第三开关管t3的第一端及电感的第一端连接，控制端为电压转换器1的第一控制端与数字控制电路3的第一信号输出端连接；
52.第二开关管t2的第一端为电压转换器1的第一输出端与逆变电路2的第一输入端
连接，第二端与电感的第二端连接，控制端为电压转换器1的第二控制端与数字控制电路3的第一信号输出端连接；
53.第三开关管t3的第二端为电压转换器1的第二输入端与直流电源的第二输出端及第四开关管t4的第二端连接，控制端为电压转换器1的第三控制端与数字控制电路3的第一信号输出端连接；
54.第四开关管t4的第一端与第二开关管t2的第二端及电感的第二端连接，第二端为电压转换器1的第二输出端与逆变电路2的第二输出端连接，控制端为电压转换器1的第四控制端与数字控制电路3的第一信号输出端连接；
55.数字控制电路3具体用于基于检测到的永磁电机的转速控制电压转换器1中相应的开关管导通或关断，以控制电压转换器1输出与永磁电机的转速呈正相关的直流电。
56.请参照图3，图3为本实用新型提供的一种电压转换器的结构示意图，本实施例中的电压转换器1中设有第一开关管t1、第二开关管t2、第三开关管t3、第四开关管t4及电感，数字控制电路3基于永磁电机当前的转速对各个开关管的导通及关断进行控制，从而控制电压转换器1输出与永磁电机的转速相应的直流电，也即输出与永磁电机的反电动势呈正相关的直流电，使逆变电路2输出相应的交流电至永磁电机，减小永磁电机的损耗。
57.具体地，电压转换器1可以对输入的直流电进行升压，也即使输出的直流电u
inv
大于输入的指令电u
bus
，也可以对输入的直流电进行降压，也即使输出的直流电u
inv
小于输入的指令电u
bus
。
58.需要说明的是，本技术中的数字控制电路3能够控制电压转换器1中的各个开关管零点压开通，降低了开关管的损耗，提高了开关管的开关频率，并且提高了电压转换器输出功率的功率密度。
59.作为一种优选的实施例，第一开关管t1、第二开关管t2、第三开关管t3及第四开关管t4均为mos管(metal
‑
oxide
‑
semiconductor field
‑
effect transistor，金属
‑
氧化物半导体场效应晶体管)。
60.本技术中的电压转换器1中的各个开关管均为mos管，不仅能够通过自身的关断及导通使电压转换器1输出与永磁电机当前的反电动势呈正相关的直流电，还具有结构简单，易于控制的特点。
61.当然，本技术中的各个开关管不限定为mos管，为能够实现对电压转换器1输出的直流电的大小进行控制的功率半导体开关器件即可。
62.作为一种优选的实施例，逆变电路2为设有开关管的三相全桥电路，三相全桥电路的控制端与数字控制电路3的第二信号输出端连接；
63.数字控制电路3还用于控制三相全桥电路中的开关管导通或关断，从而控制三相全桥电路将电压转换器1输出的直流电逆变为交流电，以驱动永磁电机。
64.请参照图4，图4为本实用新型提供的一种电机的驱动装置的具体的结构示意图，本实施例中的逆变电路2为三相全桥电路，数字控制电路3通过对三相全桥电路中的开关管的导通及关断进行控制，以使三相全桥电路对电压转换器1输出的直流电进行逆变，从而实现对三相全桥电路输出的交流电的幅值进行连续控制，以对永磁电机进行驱动。
65.当然，本技术中的逆变电路2并不限定为三相全桥电路，能够实现对直流电的逆变即可。
66.此外，本技术中的三相全桥电路中的开关管可以但不限定为mos管。
67.作为一种优选的实施例，数字控制电路3包括：
68.输入端为数字控制电路3的输入端与永磁电机连接，输出端与控制模块连接的转速传感器，用于对永磁电机的转速进行检测；
69.第一信号输出端为数字控制电路3的第一信号输出端与电压转换器1的控制端连接的控制模块，用于基于永磁电机的转速控制电压转换器1输出与永磁电机的转速呈正相关的直流电。
70.本实施例中的数字控制电路3中设有转速传感器及控制模块，转速传感器能够对永磁电机的转速进行检测，从而使控制模块对电压转换器1输出的直流电的大小进行控制，以及对逆变电路2进行控制，减小永磁电机的损耗。
71.作为一种优选的实施例，永磁电机处于起动状态；
72.数字控制电路3具体用于在检测到永磁电机的转速基于上一时刻的转速增加时，控制电压转换器1输出直流电的电压增大，并在检测到永磁电机的转速基于上一时刻的转速保持稳定不变时控制电压转换器1输出大小与永磁电机的转速对应的直流电。
73.本实施例中，当永磁电机处于起动状态时，永磁电机的转速从0开始增大，直至增大至预设转速，因此，数字控制电路3在永磁电机的转速处于增大状态时，控制电压转换器1输出的直流电相应地增大，并且在永磁电机的转速稳定时控制电压转换器1输出的直流电为和永磁电机当前的转速对应的直流电，以保证永磁电机中的反电动势能够抑制输入的交流电的谐波，减小损耗。永磁电机的转速、电压转换器1输出的直流电的电压及永磁电机的反电动势之间的关系请参照图5，图5为本实用新型提供的永磁电机起动时的控制过程的示意图，图5中的曲线1为永磁电机的转速，曲线2为电压转换器1输出的直流电的电压，曲线3为永磁电机的反电动势。
74.作为一种优选的实施例，还包括：
75.输出端与永磁电机的指令输入端以及数字控制电路3的指令输入端连接的电机调速模块，用于输出调速指令，以改变永磁电机的转速；
76.数字控制电路3具体用于在检测到永磁电机的转速基于上一时刻的转速增加时，控制电压转换器1输出与调速指令对应的转速成正相关的直流电，并在检测到永磁电机的转速基于上一时刻的转速减小且减小至与调速指令对应的转速时，控制电压转换器1输出大小与调速指令对应的转速成正相关的直流电。
77.本实施例中，当永磁电机处于调速状态时，也即电机调速模块输出调速指令时，永磁电机的转速存在两种变化情况，一种是转速增加，一种是转速下降。当永磁电机的转速增加的同时，数字控制电路3控制电压转换器1输出大小增大至电压预设值的直流电；当永磁电机的转速下降时，数字控制电路3控制电压转换器1输出的直流电减小，且当永磁电机的转速减小至指令转速且不再变化时控制电压转换器1输出的直流电减小至与永磁电机当前的转速对应的直流电，以抑制输入的交流电的谐波，减小损耗。永磁电机的转速、电压转换器1输出的直流电的电压及永磁电机的反电动势之间的关系请参照图6，图6为本实用新型提供的永磁电机调速时的控制过程的示意图，图6中的曲线1为永磁电机的转速，曲线2为电压转换器1输出的直流电的电压，曲线3为永磁电机的反电动势。
78.作为一种优选的实施例，还包括：
79.第一端与电压转换电路的第一输出端及逆变电路2的第一输入端连接，第二端与电压转换电路的第二输出端及逆变电路2的第二输入端连接的电容c，用于在电压转换电路的输出电压增大时充电，并在电压转换电路的输出电压减小时放电。
80.本实施例中的电压转换电路与逆变电路2之间还设有电容c，能够保证输入至逆变电路2中的电压稳定，保证逆变电路2的正常工作，也即保证永磁电机的正常工作。
81.作为一种优选的实施例，还包括：
82.输入端与直流电源的输出端连接，输出端与电压转换器1的输入端连接的滤波器4，用于对直流电源输出的直流电进行滤波处理。
83.请参照图7，图7为本实用新型提供的一种设有滤波器的电机的驱动装置的结构示意图。本实施例中的直流电源与电压转换器1之间还设有滤波器4，能够将直流电源输出的直流电中的纹波电压进行滤波，从而进一步保证永磁电机的损耗降低。
84.其中，滤波器4可以但不限定为emi(electromagnetic interference，电磁干扰)滤波器，能够实现对输入至电压转换器1的直流电进行滤波即可。
85.为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种电机系统，包括如上述的电机的驱动装置，还包括输入端与电机的驱动装置的输出端连接的永磁电机。
86.本技术中的电机系统具有与上述电机的驱动装置相同的有益效果，本技术不再赘述。
87.还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
88.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。