CN107171602B - 一种无刷直流电机回馈制动运行的pwm控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种无刷直流电机回馈制动运行的PWM控制方法。无刷直流电机采用三相六状态两相绕组导通方式，通过霍尔传感器检测转子位置输出霍尔信号；回馈制动运行状态下采用转矩闭环控制，转矩反馈量与转矩给定量进行比较，得到转矩误差经转矩控制器后与霍尔信号一起输入到PWM_OFF_PWM模块；采用PWM_OFF_PWM调制方式，每个开关管导通的120°电角度期间，前30°和后30°进行PWM，中间60°保持关断，输出PWM信号控制开关管导通与关断，使对应相绕组导通。本发明能够抑制非导通相续流且不存在临界转速，任意时刻只有一个开关管进行PWM调制，不增加开关损耗，各个开关管发热均匀，有利于提高***可靠性。

Description

一种无刷直流电机回馈制动运行的PWM控制方法

技术领域

本发明涉及无刷直流电机控制领域，更具体地说，涉及一种无刷 直流电机回馈制动运行的PWM控制方法。

背景技术

无刷直流电机具有结构简单，功率密度大和效率高等优点，广泛 应用于电动汽车领域。在电动汽车运行过程中，有时需要根据实际情 况进行减速或制动。常见的制动方式有机械制动和电气制动，其中电 气制动包括能耗制动、反接制动和回馈制动。机械制动直接将机械能 转化为热能，制动方式简单可靠；能耗制动将***的动能转化为电能 消耗在制动电阻上；反接制动将电机绕组与电源相接的极性对调，制 动效果明显，但需要电源提供制动电流；回馈制动无需改变***硬件 结构，只需对回馈电流进行控制，即可实现较好的制动效果。因此一 般制动方式选择回馈制动。

脉冲宽度调制(PWM)就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即 通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形。

无刷直流电机工作在三相六状态两两导通模式下，当非导通相电 压高于直流母线电压或低于零(忽略二极管导通压降)时，会使相连 的二极管正向偏置，非导通相绕组中有电流产生，称为非导通相续流。

回馈制动时的PWM调制方式分为单臂斩波和双臂斩波。在单臂 斩波中，任意时刻只有一个开关管有PWM开关动作；而在双臂斩波 中，任意时刻上、下桥臂两个开关管均有PWM开关动作。传统单臂 斩波存在非导通相续流现象，加剧了转矩脉动，而双臂斩波没有非导 通相续流；双臂斩波两个开关管同时有PWM开关动作，开关损耗较 大；单臂斩波在整个PWM周期内，蓄电池没有能量输出，而双臂斩 波在续流阶段蓄电池有能量输出，使得双臂斩波存在临界转速，在电 机转速低于临界转速时，蓄电池输出能量大于电机回馈能量，无法实 现电机制动。

发明内容

本发明目的在于提供一种完全抑制非导通相续流现象且不存在 临界转速，不增加器件开关损耗的无刷直流电机回馈制动运行的 PWM控制方法。

本发明的目的是通过下列技术方案来实现：

步骤一：无刷直流电机采用三相六状态两相绕组导通方式，通过 霍尔传感器检测转子位置输出霍尔信号，得到三相霍尔信号HA、HB、 HC与逆变器中开关管的对应逻辑关系；

步骤二：回馈制动运行状态下采用转矩闭环控制，转矩反馈量与 转矩给定量进行比较，得到的转矩误差经过转矩控制器输出高、低电 平，与三相霍尔信号一起输入到PWM_OFF_PWM控制模块中；

步骤三：回馈制动运行下PWM控制采用PWM_OFF_PWM调制 方式，对任意开关管，设其作用区间为：θ～θ+30°、θ+90°～θ+120°， 令θ～θ+60°对应的霍尔信号延迟30°电角度得到θ+30°～θ+90°信号，将 θ+30°～θ+90°信号与θ～θ+120°对应的霍尔信号进行“异或”操作，再与 转矩控制器输出的高、低电平进行“与”操作，得到开关管的PWM信 号，在PWM_OFF_PWM调制方式下，任意开关管导通的120°电角 度期间内，前30°和后30°进行PWM调制，中间60°保持关断，输出 的PWM信号通过控制逆变器中开关管的导通与关断，使对应相绕组 导通，驱动无刷直流电机旋转。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：提供了一种无刷直流电 机回馈制动运行的PWM控制方法：PWM_OFF_PWM，该发明能够 完全抑制非导通相续流现象且不存在临界转速；保证了任意时刻只有 一个开关管进行PWM调制，不增加器件的开关损耗；六个开关管轮流进行PWM调制，各个开关管发热均匀，有利于提高***的可靠性。 该PWM控制不需增加硬件电路，控制方法简单，易于实现。

附图说明

图1为本发明一种无刷直流电机回馈制动运行的PWM控制方法 控制原理图。

图2为回馈制动运行下反电动势和相电流对应波形图。

图3为该发明PWM_OFF_PWM下的PWM控制方式图。

图4为图1原理图中PWM_OFF_PWM控制模块实施框图。

图5(a)回馈制动运行状态AB相导通前30°电角度开关管VT4 PWM为高电平时电流流向图。

图5(b)回馈制动运行状态AB相导通前30°电角度开关管VT4 PWM为低电平时电流流向图。

图5(c)回馈制动运行状态AB相导通后30°电角度开关管VT3 PWM为高电平时电流流向图。

图5(d)回馈制动运行状态AB相导通后30°电角度开关管VT3 PWM为低电平时电流流向图。

图6为单臂斩波中PWM_OFF下的A相电流仿真波形图。

图7为双臂斩波HPWM_LPWM下的A相电流仿真波形图。

图8为该发明PWM_OFF_PWM下的A相电流仿真波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1是无刷直流电机回馈制动运行的控制原理图，制动运行状态 下电机转速与转矩反向，电机转速为给定量，转矩为控制量，采用转 矩闭环控制。转矩反馈量与转矩给定量进行比较，得到的转矩误差经 过转矩控制器后输出高、低电平，与霍尔信号一起输入到PWM_OFF_PWM控制模块，控制三相逆变器中开关管导通与关断， 实现无刷直流电机回馈制动运行。

图2为无刷直流电机两相绕组导通回馈制动运行下理想反电动 势和相电流对应波形图，制动运行状态下反动电势和相电流反向，其 中反电动势为梯形波，电流为矩形波，e_A、e_B、e_C、i_A、i_B、i_C分 别为三相反电动势和三相相电流，E为反电势幅值，θ为电角度。

图3为该发明下PWM_OFF_PWM调制方式图，可以看出，在 每个开关管导通的120°电角度期间内，前30°和后30°进行PWM， 中间60°保持关断，任意时刻只有一个开关管有PWM开关动作。

常用的几种单臂斩波PWM控制如下：(1)HPWM_LOFF，即 上桥臂开关管PWM，下桥臂开关管关断；(2)HOFF_LPWM，即 上桥臂开关管关断，下桥臂开关管PWM；(3)PWM_OFF，即在每个开关管导通的120°电角度期间内，前60°进行PWM，后60°关 断；(4)OFF_PWM，即在每个开关管导通的120°电角度期间内， 前60°关断，后60°进行PWM，单臂斩波在任意时刻都只有一个开 关管进行PWM调制。双臂斩波为HPWM_LPWM调制方式，即在任 意时刻上、下桥臂两个开关管同时进行PWM调制。

表一回馈制动运行状态下三相霍尔信号与开关管对应逻辑

图4为该PWM_OFF_PWM调制方式实施框图，三相霍尔信号与 开关管的对应逻辑关系如表一所示。对开关管VTM(M表示1～6)， 设其作用区间为：θ～θ+30°，θ+90°～θ+120°，令θ～θ+60°对应的霍尔信 号延迟30°电角度得到θ+30°～θ+90°信号，将延迟信号θ+30°～θ+90° 信号与θ～θ+120°对应的霍尔信号进行“异或”操作，再与转矩控制器输 出的高、低电平进行“与”操作，即可得到开关管VTM的PWM信号。 以开关管VT1为例，其作用区间为180°～210°、270°～300°。a.将 180°～240°对应的霍尔信号010(即)延迟30°电角度；b.该延 迟信号与180°～300°对应的霍尔信号01X(即其中X代表0、 1信号)进行“异或”操作；c.再与转矩控制器输出的高、低电平进行“与” 操作，即可得到开关管VT1的PWM信号。当转矩控制器输出高电 平时，PWM信号为高电平，对应开关管导通；当转矩控制器输出低 电平时，PWM信号为低电平，对应开关管关断。同理可得到其他5 个开关管的PWM信号。

以回馈制动运行AB相导通为例，由图2和图3可知，A相电流 为正，B相电流为负，开关管VT4和VT3每30°电角度交替进行PWM， 电流过程如图5(a)-图5(d)所示。在前30°电角度内，当PWM 信号为高电平时，VT4导通，VT4与VD6导通续流，电感储能，此 时处于续流状态；当PWM信号为低电平时，VT4关断，VD1与VD6 导通向蓄电池回馈能量，电感放电，此时处于回馈状态。后30°电角 度内，当PWM信号为高电平时，VT3导通，VT3与VD1导通续流， 电感储能，此时处于续流状态；当PWM信号为低电平时，VT3关断， VD1与VD6导通向蓄电池回馈能量，电感放电，此时处于回馈状态。 在整个AB相导通期间蓄电池没有能量输出，不存在临界转速，同理 可分析其它相导通情况。

当非导通相电压高于直流母线电压U_d或低于零(忽略二极管导 通压降)时，会使相连的二极管正向偏置，非导通相绕组中将会有电 流产生，称为非导通相续流。非导通相相电压表达式为：U_off＝U_n+e_o (U_off、U_n、e_o分别是非导通相电压、中性点电压和非导通相反电势)

对无刷直流电机，U_d＞2E，端电压方程为：其中，R，L分别为相电阻和等效相电感，x∈{A,B,C}。

分析该发明PWM_OFF_PWM调制方式下非导通相续流现象， 中性点电压的取值有以下三种：

由图2可知，①在0～360°电角度期间内，-E＜e_o＜E，当PWM 信号为低电平时，上、下桥臂两个二极管导通向蓄电池回馈能量，此 时处于回馈状态，中性点电压

②在0～30°、90°～120°、120°～150°、210°～240°、240°～270°、 330°～360°期间内，0＜e_o＜E，下桥臂开关管PWM，当PWM信号 为高电平时，下桥臂对应开关管与二极管导通续流，此时处于续流状 态，中性点电压U_n＝0，0＜U_off＜E＜U_d。

③在30°～60°、60°～90°、150°～180°、180°～210°、270°～300°、 300°～330°期间内，-E＜e_o＜0，上桥臂开关管PWM，当PWM信 号为高电平时，上桥臂对应开关管与二极管导通续流，此时处于续流 状态，中性点电压U_n＝U_d，0＜U_d-E＜U_off＜U_d。

因此该PWM调制方式在0～360°电角度内都有0＜U_off＜U_d，不 会产生非导通相续流。

本发明实施例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在发 明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变， 都落入本发明的保护范围。

实施例

本发明采用无刷直流电机各参数值如下：额定蓄电池电压 U_d＝300V，额定电机转速n＝1500r/min，磁极对数p＝4，等效电感 L＝0.1884mH进行仿真验证。由于回馈制动运行状态下电机转速与转 矩反向，给定转矩T＝-17Nm。对开关管VTM(M表示1～6)，设其 作用区间为：θ～θ+30°，θ+90°～θ+120°，令θ～θ+60°对应的霍尔信号 延迟30°电角度得到θ+30°～θ+90°信号，将该延迟信号与θ～θ+120°对 应的霍尔信号进行“异或”操作，再与转矩控制器输出的高、低电平进 行“与”操作，即可得到开关管VTM在PWM_OFF_PWM调制方式下 的PWM信号。图6～8分别对应单臂斩波PWM_OFF、双臂斩波 HPWM_LPWM和该发明PWM_OFF_PWM调制方式下A相电流仿真 波形图。由图6可以看出，回馈制动运行状态下单臂斩波时存在非导 通相续流，如图中画圈的地方；图7中双臂斩波HPWM_LPWM调 制方式下不存在非导通相续流，但由于双臂斩波两个开关管PWM， 其非换相期间非换相电流波动较大；图8中新型PWM_OFF_PWM调 制方式下也没有非导通相续流。仿真结果符合理论分析情况。

综上可知，采用一种无刷直流电机回馈制动运行的 PWM_OFF_PWM控制方法能够抑制非导通相续流现象并且不存在 临界转速；保证了任意时刻只有一个开关管进行PWM调制，不增加 器件的开关损耗；六个开关管轮流进行PWM调制，各个开关管发热 均匀，有利于提高***的可靠性；不增加硬件复杂程度，控制方法简 单且易于实现。

Claims (1)

1.一种无刷直流电机回馈制动运行的PWM控制方法，包括以下步骤：

步骤一：无刷直流电机采用三相六状态两相绕组导通方式，通过霍尔传感器检测转子位置输出霍尔信号，得到三相霍尔信号HA、HB、HC与逆变器中开关管的对应逻辑关系；

步骤二：回馈制动运行状态下采用转矩闭环控制，转矩反馈量与转矩给定量进行比较，得到的转矩误差经过转矩控制器输出高、低电平，与三相霍尔信号一起输入到PWM_OFF_PWM控制模块中；

步骤三：回馈制动运行下PWM控制采用PWM_OFF_PWM调制方式，对任意开关管，设其作用区间为：θ～θ+30°、θ+90°～θ+120°，θ为电角度，令θ～θ+60°对应的霍尔信号延迟30°电角度得到θ+30°～θ+90°信号，将θ+30°～θ+90°信号与θ～θ+120°对应的霍尔信号进行“异或”操作，再与转矩控制器输出的高、低电平进行“与”操作，得到开关管的PWM信号，在PWM_OFF_PWM调制方式下，任意开关管导通的120°电角度期间内，前30°和后30°进行PWM调制，中间60°保持关断，输出的PWM信号通过控制逆变器中开关管的导通与关断，使对应相绕组导通，驱动无刷直流电机旋转。