CN205178925U - 一种无刷直流电机的启动控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种无刷直流电机的启动控制装置，包括直流电压源、功率管驱动电路、三相桥式逆变器和启动控制器，所述启动控制器的输出端连接功率管驱动电路的输入端，所述功率管驱动电路和所述直流电压源的输出端连接所述三相桥式逆变器的输入端，所述三相桥式逆变器的输出端连接无刷直流电机。本装置构建了一种“预定位+升压恒频+恒压恒频”的电机启动方式，可实现电机的正反转启动，整体结构简单、易于实现，成本低，可调性好，平稳性高，实用性强，为高性能要求的无刷直流电机控制场合提供了有利支持。

Description

一种无刷直流电机的启动控制装置

技术领域

本实用新型属于无刷直流电机的控制技术领域，具体地说是涉及一种无刷直流电机的启动控制装置。

背景技术

有刷直流电机由于机械电刷和换向器的存在，导致结构复杂、噪声大、易产生火花、可靠性差、寿命短，再加上制造成本高、维护困难等缺点，其控制性能难以保障，应用场合也受到极大的限制。针对此问题，无刷直流电机(BrushlessDCMotor,BLDC)以其结构简单、可靠性高、功率密度大、转矩大、维护简单等显著优点在工业领域得到日益广泛的应用。

目前，无刷直流电机的启动方法主要有三段式启动法、脉冲注入转子定位启动法和升频升压启动法等。

(1)三段式启动法

三段式启动法包括三个阶段，预定位、加速以及切换。预定位指的是将转子预定在某个位置，实现方法是先任意导通定子的两相而另一相断开，导通两相产生的合成磁势将转子直轴吸引过来，电机便能预定到相应的位置。预定位结束后在上一次导通状态的前提下依次按顺序导通开关管，同时增大换相频率和直流侧电压。为加快启动过程，需要根据频率、电压与电机转速间的对应关系提前设定一条加速曲线。当电机转速达到某个值时切换到正常运行状态，比如根据霍尔位置信号或反电势过零点判断转子位置并进行换相。此法虽简单，但加速曲线的提前离线确定比较麻烦。

(2)脉冲注入转子定位启动法

脉冲注入转子定位启动法也包括预定位、加速以及切换三个阶段。无刷直流电机在各个方向上的磁路饱和程度不同，导致定子铁芯的等效电感也不同。当幅值相等而方向不同的电压矢量脉冲在相同时间内作用在定子上，电压脉冲结束时产生的定子电流合成矢量值的大小也不同。如果所施加的电压矢量方向与转子N极方向一致时，该方向的磁路最饱和，对应的电感值也最小，电流上升最快，最终使定子绕组电流达到最大。具体实现时，分别将两两导通六个电压矢量施加到电机定子端，就可以将转子确定在60°范围内。之后的加速与切换过程与三段式启动法相同。此法可以实现转子初始位置的静态检测，但算法比较复杂。

(3)升频升压启动法

此法是一种运用硬件电路实现的启动方法。利用电容电压不能突变，得从0逐渐增大的原理，将电容电压施加于压控振荡器，压控振荡器的输出作为环形分配器的时钟信号，环形分配器的输出作为晶体管开关的驱动信号，因此换相频率随着电容电压的升高而升高。与此同时，电容电压加于PWM电路两端，控制PWM输出的占空比，起到控制输出电压幅值的作用。此法原理简单，但可调性较差，硬件成本较高。

以上三种启动方法在加速过程都是按照电机转向以及换相逻辑表依次进行两两导通，形成的定子磁场轨迹在空间上呈非连续状态，电磁转矩脉动较大，电机在加速过程中的转速不够平稳。

发明内容

本实用新型正是针对背景技术中提出的启动方法所存在的技术问题，提供一种无刷直流电机的启动控制装置，该装置整体结构设计巧妙，操作方便，能够实现电机的快速稳定启动。

由于市面上绝大多数BLDC的反电势并非是严格的120°梯形波，而且转子极对数一般大于1，这就使得BLDC的反电势几乎呈正弦波形状，因此，该电机的启动控制装置是基于磁场定向控制(FieldOrientedControl，FOC)的思想，构建了一种“预定位+升压恒频+恒压恒频”启动方式，首先通过功率管驱动电路和逆变器产生幅值不变的恒向静止定子磁场，实现转子的预定位，之后产生幅值由小变大、后保持不变并且一直以恒定转速旋转的定子磁场，定子磁场轨迹在空间上呈连续状态，驱动转子从预定位置开始加速再到恒速运行。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为，一种无刷直流电机的启动控制装置，包括直流电压源、功率管驱动电路、三相桥式逆变器和启动控制器，所述启动控制器的输出端连接功率管驱动电路的输入端，所述功率管驱动电路和所述直流电压源的输出端连接所述三相桥式逆变器的输入端，所述三相桥式逆变器的输出端连接无刷直流电机；所述启动控制器包括初始位置给定模块、定位时间给定模块、位置极限给定模块、位置周期给定模块、锯齿波产生模块、直轴电压给定模块、交轴电压给定模块、SVPWM模块和PWM生成模块，所述初始位置给定模块、定位时间给定模块、位置极限给定模块和位置周期给定模块均连接至锯齿波产生模块的输入端，锯齿波产生模块的输出端连接SVPWM模块的输入端，所述直轴电压给定模块和交轴电压给定模块均连接SVPWM模块的输入端，SVPWM模块的输出端连接PWM生成模块的输入端，PWM生成模块的输出端连接功率管驱动电路的输入端。

作为本实用新型的一种改进，所述功率管驱动电路包括将启动控制器输出的PWM信号转变成能够驱动功率管的开关信号的IGBT/MOFET驱动芯片，所述IGBT/MOFET驱动芯片的输出端连接所述三相桥式逆变器的输入端；所述IGBT/MOFET驱动芯片的输入端连接所述启动控制器的输出端。功率管驱动电路的输入量为启动控制器输出的6路PWM弱电信号，通过该功率管驱动电路将该6路PWM弱电信号放大为6路PWM强电信号，用以驱动后级三相桥式逆变器的功率管。

作为本实用新型的一种改进，所述三相桥式逆变器采用三相桥式电压源型逆变器，包括三个桥臂，每个桥臂上设有两个功率管，所述的功率管可以是MOS管或IGBT管之类的开关器件，从三个桥臂中位于同一桥臂上的两个功率管之间各引出一条支路并分别连接到无刷直流电机的三相绕组接线端，所述直流电压源的正负极分别连接至所述三相桥式逆变器的电源输入端的正负极。因此，三相桥式电压源型逆变器的输入量为功率管驱动电路输出的6路PWM强电信号和直流电压源提供的直流电压，输出量为三相交流电压，供给无刷直流电机的三相绕组，产生定子磁场以驱动电机。

作为本实用新型的一种改进，所述启动控制器采用单片机、DSP或FPGA之类的数字控制微处理器(简称“数字控制器”)实现。

作为本实用新型的一种改进，所述SVPWM模块包括Park逆变换单元、扇区判断单元、矢量作用时间单元和矢量切换点单元，所述直轴电压给定模块和交轴电压给定模块的输出端连接Park逆变换单元的输入端，所述Park逆变换单元的输出端连接扇区判断单元以及矢量作用时间单元的输入端，扇区判断单元的输出端分别连接矢量作用时间单元和矢量切换点单元的输入端，矢量作用时间单元的输出端连接矢量切换点单元的输入端。该模块的功能是确定某个空间矢量扇区内的定子磁场所对应的两个电压矢量以及零矢量的作用时间；实现方式是将给定的直轴电压与交轴电压转变成三个比较器计数值，用以与所述PWM生产模块中比较器的基准值相比较来获得高低电平，进而构成6路PWM开关信号。

作为本实用新型的一种改进，所述PWM生成模块包括时钟控制单元、三角载波单元、死区时间设置单元以及PWM产生单元，所述矢量切换点单元的输出端连接PWM产生单元的输入端，所述时钟控制单元与三角载波单元相连，三角载波单元与PWM产生单元相连，死区时间设置单元也与PWM产生单元相连，时钟控制单元决定三角载波单元上的三角载波的幅值与频率。该模块的功能是输出6路PWM弱电信号。

相对于现有技术，本实用新型的优点如下，整个启动控制装置采用“预定位+升压恒频+恒压恒频”启动方式，首先实现转子的预定位，之后施加幅值由小变大、后保持不变并且一直以恒定转速旋转的定子磁场，驱动转子从预定位置开始加速再到恒速运行，可实现电机的正转和反转启动；整个控制装置的结构简单、易于实现，成本低，可调性好，平稳性高，实用性强，为高性能要求的无刷直流电机控制场合提供了有利支持。

附图说明

图1为本实用新型的实现结构图。

图2为本实用新型中三相桥式逆变器的结构图。

图3为本实用新型中给定交轴电压V_q与位置给定信号θ的波形图。

图4为本实用新型中SVPWM模块的实现结构框图。

图5为本实用新型中PWM生成模块的实现结构框图。

图6为采用本实用新型的无刷直流电机的启动实现流程图。

具体实施方式

为了加深对本实用新型的理解和认识，下面结合附图对本实用新型作进一步描述和介绍。

如图1所示，一种无刷直流电机的启动控制装置，包括直流电压源、功率管驱动电路、三相桥式逆变器和启动控制器。启动控制器的输出端连接功率管驱动电路的输入端，功率管驱动电路和直流电压源的输出端连接三相桥式逆变器的输入端，三相桥式逆变器的输出端连接无刷直流电机。功率管驱动电路的输入量为6路PWM弱电信号，将之放大为6路PWM强电信号，用以驱动后级三相桥式逆变器的功率管。

如图2所示，三相桥式逆变器采用三相桥式电压源型逆变器，包括三个桥臂，每个桥臂上设有两个功率管，功率管可以是MOS管或IGBT管之类的开关器件，从三个桥臂中位于同一桥臂上的两个功率管之间各引出一条支路并分别连接到无刷直流电机的三相绕组接线端，直流电压源的正负极分别连接至三相桥式逆变器的电源输入端的正负极。因此，三相桥式逆变器的输入量为功率管驱动电路输出的6路PWM强电信号和直流电压源提供的直流电压，输出量为三相交流电压，供给无刷直流电机的三相绕组，产生定子磁场以驱动电机。

启动控制器是由数字控制器实现，它包括初始位置给定模块、定位时间给定模块、位置极限给定模块、位置周期给定模块、锯齿波产生模块、直轴电压给定模块、交轴电压给定模块、SVPWM模块和PWM生成模块。初始位置给定模块、定位时间给定模块、位置极限给定模块和位置周期给定模块均连接至锯齿波产生模块的输入端。锯齿波产生模块的输出端连接SVPWM模块的输入端，直轴电压给定模块和交轴电压给定模块均连接SVPWM模块的输入端，SVPWM模块的输出端连接PWM生成模块的输入端，PWM生成模块的输出端连接功率管驱动电路的输入端。

锯齿波产生模块的输入量有初始位置给定模块输出的θ₀、定位时间给定模块输出的T₀、位置极限给定模块输出的θ_max和位置周期给定模块输出的T_c，锯齿波产生模块输出位置给定信号θ，其中θ₀设为0°～360°内的任意值，θ_max设为360°，θ的取值范围是0°～360°。如图3所示，θ先保持为恒值θ₀，维持时间为T₀，之后为周期T_c、幅值从0增大到θ_max的锯齿波。

直轴电压给定模块的直轴电压给定值V_d设为常数0，也可将之设为适当的负值来提高输出转矩，缩短启动时间。交轴电压给定模块的给定交轴电压V_q的波形如图3所示，以正转为例，V_q在上电后的T₀时间内保持恒值，将它设成最大值V_qmax可以加快转子预定位过程，T₀后，V_q按一定的斜率从0开始上升，经过时间T_r达到V_qmax，并维持V_qmax不变。同样可得反转运行时V_q的波形，不同之处在于预定位过程的恒值和最终的稳定值均为-V_qmax。

如图4所示，SVPWM模块包括Park逆变换单元、扇区判断单元、矢量作用时间单元和矢量切换点单元，直轴电压给定模块和交轴电压给定模块的输出端连接Park逆变换单元的输入端，Park逆变换单元的输出端连接扇区判断单元以及矢量作用时间单元的输入端，扇区判断单元的输出端分别连接矢量作用时间单元和矢量切换点单元的输入端，矢量作用时间单元的输出端连接矢量切换点单元的输入端。该模块的输入量有直轴电压给定值V_d、交轴电压给定位置V_q和位置给定信号θ，其输出是三个比较器的计数值t_cm1、t_cm2、t_cm3。主要功能是确定某个空间矢量扇区内的定子磁场所对应的两个电压矢量以及零矢量的作用时间。

如图5所示，PWM生成模块包括时钟控制单元、三角载波单元、死区时间设置单元以及PWM产生单元，矢量切换点单元的输出端连接PWM产生单元的输入端，时钟控制单元与三角载波单元相连，三角载波单元与PWM产生单元相连，死区时间设置单元也与PWM产生单元相连。该模块的输入量是SVPWM模块输出的三个比较器的计数值t_cm1、t_cm2、t_cm3，时钟控制单元决定三角载波单元上的三角载波的幅值与频率，计数值t_cm1、t_cm2、t_cm3与三角载波交截得到三相桥式逆变器上桥臂3个功率管的PWM调制信号，同一桥臂上的2个功率管的PWM调制信号互补，设置死区时间是为了防止上下桥臂同时导通而损坏逆变器。

实施例：采用三个定时器分别载入计数值T₀、T_c、T_r，电机启动的实现流程图如图6所示。首先给θ₀、θ_max、T₀、T_c、T_r、V_d、V_qmax赋值，并将T₀、T_c、T_r分别载入计时器Timer0、Timer1、Timer2，这里设置V_d＝0即可。接着启动计时器Timer0，当计时器未记满溢出时，令θ＝θ₀，并按转向设置V_q为V_qmax或-V_qmax，θ、V_d以及V_q共同决定六个功率管的开关信号，逆变器产生恒定指向的定子磁场，使得电机的N极与定子磁场指向重合。待到Timer0记满溢出时，预定位阶段结束，此时同时启动计时器Timer1和Timer2，并实时检测θ_max与V_qmax。对于Timer1，当计时器未记满溢出并且θ<θ_max时，θ增加一个增量Δθ，Δθ由θ_max与T_c共同决定，当计时器记满溢出或者θ≥θ_max时，θ与Timer1的计数值均复位至0，再次循环。对于Timer2，当计时器未记满溢出并且|V_q|<V_qmax时，按转向使V_q增加或减少一个ΔV_q，ΔV_q由V_qmax与T_r共同决定，此阶段为升压恒频阶段，电机处于加速启动状态。待到Timer2记满溢出或者|V_q|≥V_qmax时，升压恒频阶段结束，此时令V_q保持不变，步入恒压恒频阶段，电机也逐步进入恒速运行状态。

需要说明的是上述实施例，并非用来限定本实用新型的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本实用新型权利要求所保护的范围。

Claims (8)

1.一种无刷直流电机的启动控制装置，其特征在于：包括直流电压源、功率管驱动电路、三相桥式逆变器和启动控制器，所述启动控制器的输出端连接功率管驱动电路的输入端，所述功率管驱动电路和所述直流电压源的输出端连接所述三相桥式逆变器的输入端，所述三相桥式逆变器的输出端连接无刷直流电机；所述启动控制器包括初始位置给定模块、定位时间给定模块、位置极限给定模块、位置周期给定模块、锯齿波产生模块、直轴电压给定模块、交轴电压给定模块、SVPWM模块和PWM生成模块，所述初始位置给定模块、定位时间给定模块、位置极限给定模块和位置周期给定模块均连接至锯齿波产生模块的输入端，锯齿波产生模块的输出端连接SVPWM模块的输入端，所述直轴电压给定模块和交轴电压给定模块均连接SVPWM模块的输入端，SVPWM模块的输出端连接PWM生成模块的输入端，PWM生成模块的输出端连接功率管驱动电路的输入端。

2.如权利要求1所述的一种无刷直流电机的启动控制装置，其特征在于，所述直流电压源的正负极分别连接至所述三相桥式逆变器的电源输入端的正负极。

3.如权利要求2所述的一种无刷直流电机的启动控制装置，其特征在于，所述三相桥式逆变器采用三相桥式电压源型逆变器，包括三个桥臂，每个桥臂上设有两个功率管，从三个桥臂中位于同一桥臂上的两个功率管之间各引出一条支路并分别连接到无刷直流电机的三相绕组接线端。

4.如权利要求3所述的一种无刷直流电机的启动控制装置，其特征在于，所述功率管采用MOS管或IGBT管的功率开关器件。

5.如权利要求1所述的一种无刷直流电机的启动控制装置，其特征在于，所述功率管驱动电路包括将启动控制器输出的PWM信号转变成能够驱动功率管的开关信号的IGBT/MOFET驱动芯片，所述IGBT/MOFET驱动芯片的输出端连接所述三相桥式逆变器的输入端；所述IGBT/MOFET驱动芯片的输入端连接所述启动控制器的输出端。

6.如权利要求1所述的一种无刷直流电机的启动控制装置，其特征在于，所述启动控制器采用数字控制微处理器实现。

7.如权利要求1或6所述的一种无刷直流电机的启动控制装置，其特征在于，所述SVPWM模块包括Park逆变换单元、扇区判断单元、矢量作用时间单元和矢量切换点单元，所述直轴电压给定模块和交轴电压给定模块的输出端连接Park逆变换单元的输入端，所述Park逆变换单元的输出端连接扇区判断单元以及矢量作用时间单元的输入端，扇区判断单元的输出端分别连接矢量作用时间单元和矢量切换点单元的输入端，矢量作用时间单元的输出端连接矢量切换点单元的输入端。

8.如权利要求7所述的一种无刷直流电机的启动控制装置，其特征在于，所述PWM生成模块包括时钟控制单元、三角载波单元、死区时间设置单元以及PWM产生单元，所述矢量切换点单元的输出端连接PWM产生单元的输入端，所述时钟控制单元与三角载波单元相连，三角载波单元与PWM产生单元相连，死区时间设置单元也与PWM产生单元相连。