CN103986377A - 一种直流无刷电动机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流无刷电动机控制方法；所应用的控制***包括对于三相逆变器，在120°导通区间，其中一相桥臂上下开关管控制互补开通，而另外两相下桥臂交替恒通60°的方式。即在0°～60°区间内，T1与T4互补开通，T6常开；在60°～120°区间内，T1与T4互补开通，T2常开；在120°～180°区间内，T3与T6互补开通，T2常开；在180°～240°区间内，T3与T6互补开通，T4常开；在240°～300°区间内，T2与T5互补开通，T4常开；在300°～360°区间内，T2与T5互补开通，T6常开。

Description

一种直流无刷电动机控制方法

技术领域

本发明涉及一种直流无刷电动机控制方法。

背景技术

目前直流无刷电动机的主要调制方式一般有五种，分别为PWM-ON型、ON-PWM型、H_PWM-L_ON型、H_ON-L_PWM型、H_PWM-L_PWM型，其控制方法如下：

⑴PWM-ON型：在120°导通区间，各开关管前60°采用PWM调制，后60°则恒通；

⑵ON-PWM型：在120°导通区间，各开关管前60°恒通，后60°采用PWM调制；

⑶H_PWM-L_ON型：在120°导通区间，上桥臂开关管采用PWM调制，下桥臂恒通；

⑷H_ON-L_PWM型：在各自的120°导通区间，上桥臂开关管恒通，下桥臂采用PWM调制；

⑸H_PWM-L_PWM型：在120°导通区间，上下桥臂均采用PWM调制。

可以看出，前四种调制方式，由于始终是2个不同相的开关管动作，在减速或停机过程中，只能由相应的下桥臂二极管续流，形成内部续流，而没有相应的Boost升压电路作能量反馈通道，使能量利用率不高，电机的制动性能不佳。第五种方式，由于是双极性调制，其反馈通道是由相应二极管来续流完成的。电动机负载始终与电源有能量交换，但是开关损耗大约是其他方式的2倍，影响了它的应用范围。

综上所述，传统的控制策略存在以下缺点：

1、传统的直流无刷电动机控制策略在换相时转矩脉动较大，限制了直流无刷电动机的广泛应用。

2、传统的PI控制所需传感器较多，参数调整较复杂。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种直流无刷电动机控制方法，该方法具有抑制转矩脉动、实现能量快速传递的优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种直流无刷电动机控制***，包括三相全桥逆变电路，三相全桥逆变电路包括并联的三条支路，每条支路包括两个串联的功率晶体管，每条支路中性点分别串联有电阻、电感和一相定子绕组，三相定子绕组为星型连接，每条支路的两端连接直流电源，功率晶体管两端并联有一个二极管。

所述三相定子绕组分别为A、B、C三相；对应的支路上桥臂功率晶体管分别为T1、T3、T5，下桥臂功率晶体管分别为T2、T4、T6。

一种基于上述控制***的控制方法为：三相逆变器，在120°导通区间，其中一相桥臂上下开关管控制互补开通，而另外两相下桥臂交替恒通60°。

所述控制方法的具体方式为：

在0°～60°区间内，T1与T4互补开通，T6常开；在60°～120°区间内，T1与T4互补开通，T2常开；在120°～180°区间内，T3与T6互补开通，T2常开；在180°～240°区间内，T3与T6互补开通，T4常开；在240°～300°区间内，T2与T5互补开通，T4常开；在300°～360°区间内，T2与T5互补开通，T6常开。

本发明的有益效果为：

1.有效抑制直流无刷电动机换相时转矩脉动；

2.有利于能量的反馈，实现电动机的快速停机和反转；

3.可以有效减少换相时转矩脉动。

附图说明

图1为直流无刷电动机控制***图；

图2为PWM-ON型电动机控制策略图；

图3为ON-PWM型电动机控制策略图；

图4为H_PWM-L_ON型电动机控制策略图；

图5为H_ON-L_PWM型电动机控制策略图；

图6为H_PWM-L_PWM型电动机控制策略图；

图7为直流无刷电动机控制策略图；

图8为电流双向限电路；

图9为DSP输入信号稳压保真电路；

图10为占空比为0.5条件下，电动机低速即轻载时A相电流与线电压U_AB波形图；

图11为电机带载时换相过程中转矩脉动波形图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，直流无刷电动机控制***的核心是逆变器。整个电路由直流供电，控制***的核心器件逆变器一般由6个功率晶体管(T1～T6)实现控制，其中上桥臂为T1、T3、T5，下桥臂为T2、T4、T6。逆变器是控制电机线圈有无电流的开关。而逆变器的核心是控制策略，其产生脉冲宽度调制信号控制晶体管开通和关短的频率及正反转的时间。

目前直流无刷电动机的主要调制方式一般有五种，分别为PWM-ON型、ON-PWM型、H_PWM-L_ON型、H_ON-L_PWM型、H_PWM-L_PWM型。如图2-6。

⑴PWM-ON型：在120°导通区间，各开关管前60°采用PWM调制，后60°则恒通；

⑵ON-PWM型：在120°导通区间，各开关管前60°恒通，后60°采用PWM调制；

⑶H_PWM-L_ON型：在120°导通区间，上桥臂开关管采用PWM调制，下桥臂恒通；

⑷H_ON-L_PWM型：在各自的120°导通区间，上桥臂开关管恒通，下桥臂采用PWM调制；

⑸H_PWM-L_PWM型：在120°导通区间，上下桥臂均采用PWM调制。

可以看出，前四种调制方式，由于始终是2个不同相的开关管动作，在减速或停机过程中，只能由相应的下桥臂二极管续流，形成内部续流，而没有相应的Boost升压电路作能量反馈通道，使能量利用率不高，电机的制动性能不佳。第五种方式，由于是双极性调制，其反馈通道是由相应二极管来续流完成的。电动机负载始终与电源有能量交换，但是开关损耗大约是其他方式的2倍，影响了它的应用范围。

三相对称正弦波信号，其幅值大小每隔60°改变一次，且当PWM的开关频率与正弦波频率相比足够高时，一个PWM开关周期中的调制信号幅值可以近似不变。因此，根据三相电压幅值大小关系进行分区，一个正弦波周期可以分为6个区。如图2，提出的新型直流无刷电动机控制策略，其特征是，对于三相逆变器，在120°导通区间，其中一相桥臂上下开关管控制互补开通，而另外两相下桥臂交替恒通60°的方式。即在0°～60°区间内，T1与T4互补开通，T6常开；在60°～120°区间内，T1与T4互补开通，T2常开；在120°～180°区间内，T3与T6互补开通，T2常开；在180°～240°区间内，T3与T6互补开通，T4常开；在240°～300°区间内，T2与T5互补开通，T4常开；在300°～360°区间内，T2与T5互补开通，T6常开。

这种调制方式下六个状态中任一状态都有三个开关管工作，不同于前面五种。它的优点是在电动机运行时，有利于能量的反馈，使电动机的停机和反转更迅速。因为当电动机运行时，从单相来看是电流双象限电路。

如在某时刻，为T₁、T₄管上下调制，而T6管恒通，电动机运行于某一占空比。其电路如简化成图8。图中U_A0为电动机负载星型接法中点电压U_N与反电动势之和。

从电流正向来看，电源、T₁、D₄和负载是Buck电路；当电能反向流时，开关管T₄和D₁组成Boost升压电路。当电动机占空比减小(即减速)或者要求停机时，导致电压U_A<U_A0，则电流会减小甚至反向，此时此电路是Boost电路。能量从电动机负载反馈给电源，能够实现正向制动，达到节能和快速停机的目的。

转矩的脉动主要来自电流的脉动，尤其换相时脉动最大。原因是：不管是上桥臂还是下桥臂换相，其关断相电流均不会瞬间为0，开通相也不会瞬间达到稳定值，这期间电流脉动引起转矩脉动。而这个时间Δt(换相到稳定)，一般是开关周期的几倍甚至更长。

先分析电动机平稳运行时，即不换相时电磁转矩大小。设T_e表示无刷电动机产生的电磁转矩(单位N·m)，则三相电磁转矩总合可以表示为：

T_e＝(e_Ai_A+e_Bi_B+e_Ci_C)/ω

式中ω表示转子机械角速度。

由于直流无刷电动机的磁势为梯形波，所以电动机运行过程中任意时刻，只有反电动势值最大者开通，即只有两相开通(假如此时A相T₁T₄互补开通，则B相T₆恒通)，得到：

$\begin{array}{cc}\left(\begin{array}{c}{e}_A=E\\ e_B=-E\end{array}\right.& \left(\begin{array}{c}{i}_A=-i_B=I_A\\ i_A+i_B+i_C=0\end{array}\right.\end{array}$

则有总的电磁转矩为：T_e＝2EI_A/ω

式中I_A是稳定运行时A相电流的平均值。

由于换相分为上桥臂换相和下桥臂换相，因此需要分别比较上下桥臂换相时的电流脉动。先比较下桥臂换相时电流脉动情况。

以A相上下调制为例，此时，开关从T₁T₄T₆，转换到T₁T₄T₂，即电流从B相下桥臂换到C相下桥臂。

此时，则有 $\left(\begin{array}{c}{e}_A=E\\ e_B=e_C=-E\end{array}\right.$

由于电流的连续性，在换相瞬间，T₆管子会关断，但i_B不会马上为0，导致二极管D₃续流导通，故有以下方程：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_A={\mathrm{DU}}_d={\mathrm{Ri}}_A+L\frac{{\mathrm{di}}_A}{\mathrm{dt}}+e_A+U_N\\ U_B=U_d={\mathrm{Ri}}_B+L\frac{{\mathrm{di}}_B}{\mathrm{dt}}+e_B+U_N\\ U_C=0={\mathrm{Ri}}_C+L\frac{{\mathrm{di}}_C}{\mathrm{dt}}+e_C+U_N\end{array}\right.---\left(1\right)$

从中三式相加，得到：

(1+D)U_d＝e_A+e_B+e_C+3U_N＝-E+3U_N

解出： $U_N=\frac{(1+D)U_d+E}{3}---\left(2\right)$

再次代入式⑴中第一式，得到：

$U_A={\mathrm{DU}}_d={\mathrm{Ri}}_A+L\frac{{\mathrm{di}}_A}{\mathrm{dt}}+e_A+\frac{(1+D)U_d+E}{3}$ 忽略电阻上电压变化，得：

${\mathrm{\&Delta;i}}_{A1}=\frac{(2D-1)U_d-4E}{3L}\mathrm{\&Delta;t}---\left(3\right)$

同理，可以分析PWM-ON、ON-PWM和H-PWM-L-PWM这三种PWM策略换相时电流的变化，可得换相引起的电流变化为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;i}}_{A2}=\frac{{\mathrm{DU}}_d-4E}{3L}\mathrm{\&Delta;t}\\ {\mathrm{\&Delta;i}}_{A3}=\frac{(2D-1)U_d-4E}{3L}\mathrm{\&Delta;t}\\ {\mathrm{\&Delta;i}}_{A4}=\frac{(2D-1)U_d-4E}{3L}\mathrm{\&Delta;t}\end{array}\right.---\left(4\right)$

由于 $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;i}}_{A1}={\mathrm{\&Delta;i}}_{A3}={\mathrm{\&Delta;i}}_{A4}\\ {\mathrm{\&Delta;i}}_{A1}-{\mathrm{\&Delta;i}}_{A2}<0\end{array}\right.---\left(5\right)$

所以此种调制方式电流脉动属于很小的一种，转矩脉动小。

再比较上桥臂换相时，T₁换到T₃转矩脉动，如T₁T₄T₂换到T₃T₆T₂。此时A相电流要减小且各相反电势满足下式： $\left(\begin{array}{c}{e}_A=e_B=E\\ e_C=-E\end{array}\right.$

根据同样的思路可以得出，不同调制方式下电流脉动绝对值存在如下关系：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;i}}_{A1}={\mathrm{\&Delta;i}}_{A2}\\ {\mathrm{\&Delta;i}}_{A1}<{\mathrm{\&Delta;i}}_{A4}<{\mathrm{\&Delta;i}}_{A3}\end{array}---\left(6\right)\right.$

从式⑸、⑹可以看出Δi_A1都很小，表明本专利提出的新型直流无刷电动机控制方式下，不管是上桥臂还是下桥臂换相时，电流脉动都很小。

通过以上分析比较，本专利提出的新型直流无刷电动机控制方式策略的转矩脉动很小，有利于电动机的平稳运行。

本发明采用DSP作为控制单元实现控制过程，为提高输入信号的高保真、高质量，设计了DSP输入信号稳压保真电路，如图9，其原理是在电流传感器输出端加装3.3V的稳压管及RC滤波电路，从而实现传感器输出信号的高保真。同时，若输出电压过大时，DSP输入端的电压始终处于3.3V以下，不会烧毁DSP原件，对DSP构成保护***。

实验参数如下：电动机的额定功率为550W，电压范围220-240V，极对数为2，额定电流为3.5A，转矩为1.7N·m，额定转速3000r/m。

在实验中，采用3KHz的开关频率。图10为占空比比0.5条件下，电动机低速即轻载时A相电流与线电压U_AB波形。

从图10可以看出，T₁、T₄上下调制，T₆开通时，线电压U_AB为正时，A相电流呈上升趋势；线电压U_AB为正时，A相电流呈下降趋势。

如图11为电机带载时换相过程中转矩脉动波形，可以看出提出的新型直流无刷电动机控制方式策略在电动机换相过程中表现出良好的动态性能，有利于电动机的平稳运行。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种直流无刷电动机控制***，其特征是：包括三相全桥逆变电路，三相全桥逆变电路包括并联的三条支路，每条支路包括两个串联的功率晶体管，每条支路中性点分别串联有电阻、电感和一相定子绕组，三相定子绕组为星型连接，每条支路的两端连接直流电源，功率晶体管两端并联有一个二极管。

2.如权利要求1所述的一种直流无刷电动机控制***，其特征是：所述三相定子绕组分别为A、B、C三相；对应的支路上桥臂功率晶体管分别为T1、T3、T5，下桥臂功率晶体管分别为T2、T4、T6。

3.一种基于权利要求1-2中任一项所述的控制***的控制方法，其特征是：具体方法为：三相逆变器在120°导通区间，其中一相桥臂上下开关管控制互补开通，而另外两相下桥臂交替恒通60°。

4.如权利要求3所述的控制方法，其特征是：具体方式为：在0°～60°区间内，T1与T4互补开通，T6常开；在60°～120°区间内，T1与T4互补开通，T2常开；在120°～180°区间内，T3与T6互补开通，T2常开；在180°～240°区间内，T3与T6互补开通，T4常开；在240°～300°区间内，T2与T5互补开通，T4常开；在300°～360°区间内，T2与T5互补开通，T6常开。