CN102868344A - 直流无刷电机控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种直流无刷电机控制方法及装置，该控制方法包括根据位置传感器输出的信号计算转子的实际转速及转子位置角度，根据实际转速与设定的转速计算电压调制比因数的数值，并且，根据电压调制比因数的数值、位置角度位置以及死区补偿值计算向直流无刷电机的三相母线加载的电压值，向其中至少两相母线加载的电压值为电压调制比因数的数值与位置角度三角函数值的乘积加上死区补偿值。该控制装置是利用上述的控制方法计算向三相母线加载的电压值。本发明能够避免死区时间大于换相点邻近电压调制比，从而导致电机绕组电流提前截止，引起转矩脉动，换相噪音等问题，还能避免场效应管长时间进行开关工作，延长场效应管及电机的使用寿命。

Description

直流无刷电机控制方法及装置

技术领域

本发明涉及电机的控制领域，尤其是涉及一种对直流无刷电机的控制方法以及控制装置。

背景技术

直流无刷电机因其具备连续调速的优点，越来越受到人们的青睐，已经广泛应用在各种电器设备中。直流无刷电机的工作需要控制电路的控制驱动，控制电路包括控制器以及用于驱动直流无刷电机工作的逆变单元，逆变单元向电机的三相母线输出电压信号，控制电机工作。控制器向逆变单元输出的波形为正弦波或方波，因此分别称为正弦波驱动和方波驱动。

方波驱动的方式较为简单，也容易实现，但电机输出功率大时，电机明显存在转矩脉动、换相噪声等问题，在一些对噪声有较高要求的应用领域中存在使用局限性。针对这些应用，采用正弦波驱动方式可以有效降低转矩脉动、换相噪音等问题。

目前正弦波驱动的控制方式主要有以下两种：一种是通过以电机三相母线的端电压为控制目标，对电机的三相母线施加一定空间矢量PWM调制电压，使电机绕组中产生正弦波电流，通过控制正弦波电流的幅值及相位实现对电机的控制；另一种是通过以电机三相母线的相电流为控制目标，对相电流进行解耦操作，建立电流环，通过直接控制相电流的相位与幅值实现对电机的控制。

以三相母线端电压为控制目标的控制电路结构如图1所示，控制电路包括控制器10、逆变单元16以及位置传感器17，控制单元10为单片机或数字信号处理器（DSP）等器件，其内设置有电压调制比因数计算模块11、位置角度计算模块12以及电压计算模块13。

位置传感器17为光电编码器或磁电编码器、霍尔传感器等，用于检测直流无刷电机的转子位置，并将检测的信号输出至控制单元10。控制单元10的电压调制比计算模块11根据位置传感器17输出的信号，计算转子当前的转速，并与设定的转速进行比较，计算出电压调制比因数K。

此外，位置角度计算模块12根据位置传感器17输出的信号估算出转子当前的位置角度θ，并计算位置角度θ的三角函数，如sinθ、sin（θ-120）等，将计算结果输出至电压计算模块13。

电压计算模块13根据计算出的电压调制比因数K以及转子当前的位置角度θ的三角函数计算向逆变单元的三相母线对应的上桥臂的场效应管输出的PWM调制信号。

如图2所示，逆变单元16具有六个场效应管，每一个场效应管内部均并联一个反向的二极管，场效应管T1连接在正极直流电源端子B+与U相电流输出端子之间，场效应管T2连接在U相电流输出端子与负极直流电源端子B-之间。场效应管T1、T2组成U相一个桥臂。

相同地，场效应管T3、T4 组成V相一个桥臂，输出V相的电流，而场效应管T5、T6组成W相桥臂，输出W相的电流。

每一个桥臂分为上桥臂及下桥臂，例如，输出U相电流的逆变电路中，连接在正极直流电源B+与U相电流输出端子之间的电路为上桥臂，即图2中的场效应管T1。连接在U相电流输出端子与负极直流电源端子B-之间的电路为下桥臂，即图2中的场效应管T2。同理，场效应管T3 为V相电源逆变电路的上桥臂，场效应管T4为V相电源逆变电路的下桥臂，场效应管T5为W相电源逆变电路的上桥臂，场效应管T6为W相电源逆变电路的下桥臂。

使用上述方法对电机进行控制，需确定当前转子位置角度所在的扇区以及矢量作用时间等复杂步骤，计算量非常大，占用单片机等器件很大资源。并且，在电机360°电角度内，逆变单元16的六个场效应管需要在每个PWM调制信号的波形的周期内都被调制，场效应管的开关损耗较大，发热量大，影响场效应管以及控制器的使用寿命。

在理想状态下，同一桥臂上的两个场效应管的控制信号时互补的，即上桥臂的场效应管为高电平信号时，下桥臂的场效应管为低电平信号，这种情况称为没有死区时间的控制信号，如图4的第一个波形图与第二个波形图所示。但在实际过程中，若上桥臂场效应管的控制信号从高电平变为低电平的同时，下桥臂的场效应管的控制信号马上从低电平变为高电平，容易发生同一桥臂的两个场效应管同时导通的情况，导致流向电机的电流过大而引起短路，因此，从一个场效应管的关闭到另一场效应管导通之间需要有一定的间隔，这个时间间隔称为死区时间，如图4中的第三、第四个波形图就是具有死区时间同一桥臂上两个场效应管的控制信号波形图。

现在的电机控制过程中，控制器10通常只计算上桥臂的场效应管的控制信号波形，下桥臂的场效应管控制信号波形根据上桥臂场效应管的控制波形自动生成，生成的方法是下桥臂场效应管的控制信号波形基本与上桥臂场效应管控制信号的波形互补，只是在上桥臂的场效应管关闭后增加一定的时间间隔，也就形成死区时间。并且，在上桥臂的场效应管开启前的一定时间，下桥臂的场效应管先关闭。

而场效应管的导通时间由场效应管的占空比决定，在一个PWM调制信号的波形周期内，场效应管的导通时间占整个PWM调制信号的波形周期的时间称为占空比。占空比越大，场效应管的导通时间越长，加载到母线的平均电压越高，因此调节加载到母线上的电压值实际上是调节场效应管的占空比。

从上面的分析可知，在电机输出功率较小的时候，死区时间可能会大于换相点邻近电压调制比所确定的场效应管导通时间，从而导致电机绕组电流提前截止，引起转矩脉动，换相噪音等问题。

而以电机相电流为控制目标的正弦波驱动方法中，需要使用电流环的正弦控制方法，并需要进行电流的解耦操作，所以对单片机等器件的性能要求比较高，需要带有快速且灵活的模数（A/D）转换模块来检测电流值。使用该方法还需要应用基于开关状态六边形的SVPWM三角形函数，同时需要确定扇区及矢量作用时间等复杂步骤及算法过程，也存在电机360°电角度内逆变单元16的六个场效应管需要在每一个PWM调制信号波形的周期内进行PWM调制的问题，场效应管的开关损耗也比较大。

因此，公开号为CN1988365A的中国发明专利申请公开了一种名为“一种矢量空间脉宽调制输出的死区补偿方法”的发明创造，该方法主要针对交流伺服***中永磁同步电机的SVPWM控制，在转子位于不同位置角度时，向三相母线对应的逆变电路的上桥臂的场效应管加载的脉冲时长不相同，有些是增加一个死区补偿时间，有些是减去死区补偿时间，导致向不同相的母线的上桥臂的场效应管加载PWM信号的时间长度不同，上述方法应用在直流无刷电机的控制中，不但不能解决在低功率下的死区时间过长的问题，而且还会增加电压谐波，影响电机低转速静音效果。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种能有效解决死区时间过长的直流无刷电机的控制方法。

本发明的另一目的是提供一种避免增加电压谐波的直流无刷电机的控制装置。

为实现本发明的主要目的，本发明提供的直流无刷电机的控制方法包括根据位置传感器输出的信号计算转子的实际转速及转子位置角度，根据实际转速与设定的转速计算电压调制比因数的数值，并且，根据电压调制比因数的数值、位置角度位置以及死区补偿值计算向直流无刷电机的三相母线加载的电压值，向其中至少两相母线加载的电压值为电压调制比因数的数值与位置角度三角函数值的乘积加上死区补偿值。

由上述方案可见，计算向母线加载的电压值时加上一个死区补偿值，抵消死区时间对上桥臂控制信号占空比影响，提高向母线加载的电压值，每一桥臂中的上桥臂的场效应管导通时间相对于带有死区时间的控制信号有所延长，从而避免电机运行过程中死区时间过长而引起绕组电流提前截止的问题。

一个优选的方案是，向三相母线中的两相母线加载的电压值为电压调制比因数的数值与位置角度三角函数值的乘积加上死区补偿值，向第三相母线加载的电压值为死区补偿值。

由此可见，在计算三相母线加载的电压时，仅需其中两相使用位置角度三角函数值，而计算第三相母线的电压值时无需使用位置角度三角函数值，减少一个三角函数值的计算，提高控制器的计算速度。

进一步的方案是，直流无刷电机的控制器存储有转子在不同位置角度下的位置角度的三角函数值，计算母线的电压值时，位置角度的三角函数值通过查找转子的当前位置角度对应的三角函数值获得。

可见，计算向三相母线加载的电压值时，对三角函数值的计算是通过查表获得，而是不是直接计算三角函数值，这样能够减小单片机等控制器件的计算量，提高计算速度。

为实现本发明的另一目的，本发明提供的直流无刷电机的控制装置包括位置传感器以及接收位置传感器输出信号的控制器，控制器具有电压调制比因数计算模块、位置角度计算模块以及电压计算模块，电压调制比因数计算模块根据位置传感器输出的信号计算转子的实际转速，并根据实际转速与设定的转速计算电压调制比因数的数值，位置角度计算模块根据位置传感器输出的信号计算转子的当前位置角度，电压计算模块根据电压调制比因数的数值、位置角度位置以及死区补偿值计算向直流无刷电机的三相母线加载的电压值，向其中至少两相母线加载的电压值为电压调制比因数的数值与位置角度的三角函数值的乘积加上死区补偿值。

由上述方案可见，计算向母线加载的电压时将死区补偿值加上，抵消因死区时间导致上桥臂导通占空比理想状态小的作用，从而每一桥臂中的上桥臂的场效应管导通时间有所延长，避免电机在死区时间大于换相点邻近电压调制比，从而导致电机绕组电流提前截止，引起转矩脉动，换相噪音等问题。

一个优选的方案是，电压计算模块计算的向两相母线加载的电压值为电压调制比因数的数值与位置角度三角函数值的乘积加上死区补偿值，计算的向第三相母线加载的电压值为死区补偿值。

由此可见，向第三相母线加载的电压值仅为死区补偿值，因此计算向第三相母线加载的电压值时不需要计算位置角度的三角函数，减少单片机等控制器的计算量，该桥臂的上桥臂场效应管无需进行PWM脉冲调制，场效应管处于关断状态，且死区补偿值D所对应的时间小于或等于死区时间二分之一，因此每一桥臂中的上桥臂的场效应管无需在每一个PWM调制信号的波形周期内均被PWM调制，开关损耗较小，使用寿命较长。

附图说明

图1是现有直流无刷电机、逆变单元与控制器的结构示意框图。

图2是逆变单元的电原理图。

图3是本发明直流无刷电机控制装置实施例与直流无刷电机、逆变单元的结构示意框图。

图4是同一桥臂上的一对场效应管在没有死区时间、带有死区时间以及本发明带有死区时间补偿情况下的控制波形图。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

本发明的直流无刷电机控制装置用于对直流无刷电机进行控制，参见图1，控制装置包括控制器20，控制器20为单片机或数字信号处理器等具有编程、运算能力的器件，控制器20内设有电压调制比因数计算模块21、位置角度计算模块22、电压计算模块23以及存储单元24。控制装置还具有逆变单元26以及位置传感器27。

位置传感器27为光电编码器或磁电编码器、霍尔传感器等，用于检测直流无刷电机的转子位置。优选地，位置传感器27包括三个双极锁定型霍尔元件，在转子上固定安装有永磁体，在转子旋转时，霍尔元件通过检测磁场信号来检测转子的位置，从而输出相应的电信号。位置传感器27输出的信号被控制器20所接收。

控制器20的电压调制比因数计算模块21根据所接收的信号计算当前转子的实际转速，并根据设定转速与实际转速之间的比值计算电压调制比因数K的数值。由于永磁体固定在转子上，因此转子旋转时永磁体是相对于霍尔元件旋转的，因此计算霍尔元件每分钟接收的永磁体发出电磁信号的数量可以计算转子的转速。设定转速时控制器20根据接收到外部输入的信号确定的转速，电压调制比因数K为设定转速与实际转速之间的比值。

位置角度计算模块22根据接收的位置传感器27输出的信号估算转子当前的位置角度。估算位置角度时，将360°的电角度平均划分为六个扇区，每一个扇区为60°的电角度。由于位置传感器27为三个双极锁定型霍尔元件，其向控制器20输出六个位置信号，位置角度计算模块22根据所接收的六个位置信号计算出转子当前所处的六个扇区起始位置。

然后，根据下述的公式计算转子当前的位置角度θ

                                                            

                 （式1）

其中θn是转子所在扇区的起始位置，N是转子在前一电角度周期，即在360°的电角度内接收的PWM调制电压的脉冲的个数，M是电机在当前扇区所经历的PWM调制电压的脉冲的个数，Δθ是补偿超前角度。由于电机绕组存在电感作用，因此相电流滞后于相电压，估算转子当前的位置角度θ时，需要进行超前角度补偿，即需要加上超前角度Δθ以计算得到位置角度θ，实现相电流与相反电势同相位。超前角度Δθ根据电机性能及运行功率确定，可以预先写入到控制器20内。

计算电压调制比因数K以及位置角度θ后，电压计算模块23计算加载到逆变单元26的三相母线所对应的上桥臂的场效应管的PWM信号的电压值，也就是计算加载到三相母线的端电压的电压值。

由于直流无刷电机使用正弦波驱动方式，因此理论上加载到每一相母线电压的电压值均应该是电压调制比因数K与位置角度θ的三角函数的乘积，考虑到死区时间的存在，加载到每一相母线的电压值还需要加上死区补偿值D，死区补偿值D是一个固定值，预先写入到控制器20内，计算加载到母线的电压值时直接将死区补偿值D加上。

然而，若每一相的母线的电压值均通过计算位置角度θ的三角函数值与调制比乘积，对单片机等控制器件的计算要求很高，导致单片机的计算量过大。

由于三相电机的三相母线电压的线电压的电角度两两之间形成120°的角度，可以在一定电角度内只使用位置角度θ的三角函数值与电压调制比因数计算其中两相母线的电压值，而第三相母线的电压值可直接计算为死区补偿值D。在360°的电角度内，向三相母线加载的电压值如表1所示。

电角度	Uu	Uu	Uw
				0°- 120°	K×sin(θ)+D	D	K×(-sin(θ-120))+D
120°- 240°	K×(-sin(θ-240))+D	K×sin(θ-120)+D	D
				240°- 360°	D	K×(-sin(θ))+D	K×(sin(θ -240))+D

表1

其中，Uu、Uv、Uw分别表示加载到U、V、W三相母线的电压值。

从表1可以看出，在360°的电角度内，三相母线电压值是分段函数。但电机定子绕组的相电压两两之间的相位差是120°，且为完整正弦函数。如表2所示。

电角度	Uu - Uv	Uv - Uw	Uw - Uu
				0°- 120°	K×sin(θ)	K×sin(θ-120)	K×sin(θ-240)
120°- 240°	K×sin(θ)	K×sin(θ-120)	K×sin(θ-240)
				240°- 360°	K×sin(θ)	K×sin(θ-120)	K×sin(θ-240)

表2

由表1、表2可知，本发明与现有的SPWM调制方式不同，施加在电机三相母线的端电压Uu、Uv、Uw并非正弦波电压，而是带有死区补偿值的分段函数，此时直流无刷电机中心点电压并非为0，但电机相电压(Uu-Uv、Uv-Uw、Uw-Uu)仍然为正弦波电压且相位差为120°。

这样，三相母线对应的上桥臂的场效应管在360°的电角度范围内，总有一相在120°电角度的时间不需要被PWM信号调制，场效应管可以处于关闭状态，并且死区补偿值D所对应的时间小于或等于死区时间二分之一，如图4所示。这样，场效应管不是每时每刻地工作，其使用寿命得以延长，也有利于电机的长时间工作。

由于单片机计算三角函数所消耗的时间较长，为了减少单片机的运算量，避免直接计算正弦函数，按表1描绘出电机在360°的电角度三相母线端电压幅值的数组，此时表1中的电压调制比因数K取常数1，且死区补偿值D取常数0。按照上述公式，计算出一个二维数组TAB[T]，每一个数组包括三个数值，分别是转子在同一位置角度下计算加载在三相母线的电压时所使用的三个三角函数值，当然，每一数组中必然至少有一个数值为零，因为计算其中一项母线的电压值时不需要使用三角函数值。这些数组连续地存储在控制器20的存储单元24内，所有数组的数值对应电机六个扇区。

例如，对应于位置角度θ为5°时，数组的三个数值分别是sin5、0、-sin（-115），对应于位置角度θ为135°，数组的三个数值分别是-sin（-105）、sin15、0，如此类推。

电压计算模块23计算向三相母线加载的电压值时，查询当前位置角度θ对应的一组三角函数的数值，然后根据表1中的关系，将相应的母线对应的三角函数值乘上电压调制比因数K并加上死区补偿值D，即可计算出向某一相母线加载的电压值。

由于数组是连续排列的，查找数值时，可以根据以下的公式查找对应的数值，

              

                          （式2）

其中L1是计算U相母线加载电压时所使用的三角函数值在数组的位置，T是所有数值的数值总数。

对应计算向V相母线、W相母线加载电压时所使用的三角函数值L2、L3在数组位置可以使用以下公式计算获得：

       （式3）       

       （式4） 

这样可方便地通过查表获得同一位置角度下计算向三相母线加载的电压值所使用的三角函数值，减小单片机的计算量，对单片机的性能要求降低，可以使用更为低廉的单片机实现对电机的精确控制。

查询同一位置角度下的三个数值，如查询θ为5°下的三个数值L1、L2、L3后，根据表1的公式，计算的向三相母线加载的电压值分别是

、

、

。

当然，向三相母线加载的电压值实际上是向逆变单元26中三相母线所对应的逆变电路中的上桥臂的场效应管加载的电压值。通过上述的计算，可以灵活、方便且精确地实现电机的正弦波驱动，在120°的电角度时间内，总有一相母线对应的上桥臂的场效应管不被PWM信号调制，并且死区补偿值   D所对应的时间小于或等于死区时间二分之一，开关损耗较小，有利于场效应管的长时间使用。

对于向下桥臂的场效应管加载的信号，由控制器10自动计算生成，计算方法与现有的方法相同，都是根据上桥臂的场效应管的控制信号，生成一个大致与上桥臂场效应管控制信号互补的信号，并且确保上桥臂的场效应管关闭后经过死区时间后下桥臂的场效应管才导通，也确保下桥臂的场效应管关闭后经过死区时间后上桥臂的场效应管才导通。

由于向每一母线加载的电压值均加上了死区补偿值D，这样要求加载在母线上的电压平均值有所增加，母线对应的上桥臂的场效应管在一个PWM调制信号的波形周期内导通时间相比于带有死区时间的控制信号有所延长，此时同一桥臂的两个场效应管的控制信号如图4中第五、第六个波形图所示，能够避免因死区时间过长而导致上桥臂的场效应管导通时间过短，引起电流提前截止的现象。

当然，上述实施方式仅是本发明优选的实施方式，实际应用时还可以有更多的改变，如不在存储单元中预先存储计算的三角函数值，而是在每次计算向三相母线加载的电压时直接计算三角函数值这样的改变也能实现本发明的目的。

最后需要强调的是，本发明不限于上述实施方式，如计算三角函数的公式改变、数组数量的改变等变化也应该包括在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.直流无刷电机控制方法，包括

根据位置传感器输出的信号计算转子的实际转速及转子位置角度，根据所述实际转速与设定的转速计算电压调制比因数的数值；

其特征在于：

根据所述电压调制比因数的数值、所述位置角度位置以及死区补偿值计算向所述直流无刷电机的三相母线加载的电压值，向其中至少两相母线加载的电压值为所述电压调制比因数的数值与所述位置角度三角函数值的乘积加上所述死区补偿值。

2.根据权利要求1所述的直流无刷电机控制方法，其特征在于：

向所述三相母线中的两相母线加载的电压值为所述电压调制比因数的数值与所述位置角度三角函数值的乘积加上所述死区补偿值，向第三相母线加载的电压值为所述死区补偿值。

3.根据权利要求1或2所述的直流无刷电机控制方法，其特征在于：

所述直流无刷电机的控制器存储有所述转子在不同位置角度下的位置角度的三角函数值，计算所述母线的电压值时，所述位置角度的三角函数值通过查找转子的当前位置角度对应的所述三角函数值获得。

4.根据权利要求3所述的直流无刷电机控制方法，其特征在于：

被存储的所述三角函数值排列成多个连续排列的数组。

5.根据权利要求4所述的直流无刷电机控制方法，其特征在于：

每一所述数组包括同一位置角度下所述三相母线分别对应的三个三角函数值。

6.直流无刷电机控制装置，包括

位置传感器以及接收所述位置传感器输出信号的控制器，所述控制器具有：

电压调制比因数计算模块，根据所述位置传感器输出的信号计算转子的实际转速，并根据所述实际转速与设定的转速计算电压调制比因数的数值；

位置角度计算模块，根据所述位置传感器输出的信号计算转子的当前位置角度；

其特征在于：

所述控制器还设有电压计算模块，根据所述电压调制比因数的数值、所述位置角度位置以及死区补偿值计算向所述直流无刷电机的三相母线加载的电压值，向其中至少两相母线加载的电压值为所述电压调制比因数的数值与所述位置角度的三角函数值的乘积加上所述死区补偿值。

7.根据权利要求6所述的直流无刷电机控制装置，其特征在于：

所述电压计算模块计算的向两相母线加载的电压值为所述电压调制比因数的数值与所述位置角度三角函数值的乘积加上所述死区补偿值，计算的向第三相母线加载的电压值为所述死区补偿值。

8.根据权利要求6或7所述的直流无刷电机控制装置，其特征在于：

所述控制器设有存储单元，用于存储所述转子在不同位置角度下的位置角度的三角函数值。

9.根据权利要求8所述的直流无刷电机控制装置，其特征在于：

存储在所述存储单元的所述三角函数值排列多个连续排列的数值。

10.根据权利要求9所述的直流无刷电机控制装置，其特征在于：

每一所述数组包括同一位置角度下所述三相母线分别对应的三个三角函数值。

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