直流無刷電機控制方法及裝置的製作方法
2024-03-25 00:19:05
專利名稱：直流無刷電機控制方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及電機的控制領域，尤其是涉及ー種對直流無刷電機的控制方法以及控制裝置。
背景技術：
直流無刷電機因其具備連續調速的優點，越來越受到人們的青睞，已經廣泛應用在各種電器設備中。直流無刷電機的工作需要控制電路的控制驅動，控制電路包括控制器以及用於驅動直流無刷電機工作的逆變單元，逆變單元向電機的三相母線輸出電壓信號，控制電機工作。控制器向逆變單元輸出的波形為正弦波或方波，因此分別稱為正弦波驅動和方波驅動。方波驅動的方式較為簡單，也容易實現，但電機輸出功率大時，電機明顯存在轉矩脈動、換相噪聲等問題，在一些對噪聲有較高要求的應用領域中存在使用局限性。針對這些應用，採用正弦波驅動方式可以有效降低轉矩脈動、換相噪音等問題。目前正弦波驅動的控制方式主要有以下兩種一種是通過以電機三相母線的端電壓為控制目標，對電機的三相母線施加一定空間矢量PWM調製電壓，使電機繞組中產生正弦波電流，通過控制正弦波電流的幅值及相位實現對電機的控制；另一種是通過以電機三相母線的相電流為控制目標，對相電流進行解耦操作，建立電流環，通過直接控制相電流的相位與幅值實現對電機的控制。以三相母線端電壓為控制目標的控制電路結構如圖I所示，控制電路包括控制器10、逆變單元16以及位置傳感器17，控制單元10為單片機或數位訊號處理器(DSP)等器件，其內設置有電壓調製比因數計算模塊11、位置角度計算模塊12以及電壓計算模塊13。位置傳感器17為光電編碼器或磁電編碼器、霍爾傳感器等，用於檢測直流無刷電機的轉子位置，並將檢測的信號輸出至控制單元10。控制單元10的電壓調製比計算模塊11根據位置傳感器17輸出的信號，計算轉子當前的轉速，並與設定的轉速進行比較，計算出電壓調製比因數K。此外，位置角度計算模塊12根據位置傳感器17輸出的信號估算出轉子當前的位置角度Θ，並計算位置角度Θ的三角函數，如sin0、sin ( Θ-120)等，將計算結果輸出至電壓計算模塊13。電壓計算模塊13根據計算出的電壓調製比因數K以及轉子當前的位置角度Θ的三角函數計算向逆變單元的三相母線對應的上橋臂的場效應管輸出的PWM調製信號。如圖2所不,逆變單兀16具有六個場效應管,姆ー個場效應管內部均並聯ー個反向的ニ極管，場效應管Tl連接在正極直流電源端子B+與U相電流輸出端子之間，場效應管T2連接在U相電流輸出端子與負極直流電源端子B-之間。場效應管T1、T2組成U相ー個橋臂。相同地,場效應管Τ3、Τ4組成V相一個橋臂，輸出V相的電流，而場效應管Τ5、Τ6組成W相橋臂，輸出W相的電流。
每一個橋臂分為上橋臂及下橋臂，例如，輸出U相電流的逆變電路中，連接在正極直流電源B+與U相電流輸出端子之間的電路為上橋臂，即圖2中的場效應管Tl。連接在U相電流輸出端子與負極直流電源端子B-之間的電路為下橋臂，即圖2中的場效應管T2。同理，場效應管T3為V相電源逆變電路的上橋臂，場效應管T4為V相電源逆變電路的下橋臂，場效應管T5為W相電源逆變電路的上橋臂，場效應管T6為W相電源逆變電路的下橋臂。使用上述方法對電機進行控制，需確定當前轉子位置角度所在的扇區以及矢量作用時間等複雜步驟，計算量非常大，佔用單片機等器件很大資源。並且，在電機360°電角度內，逆變單元16的六個場效應管需要在每個PWM調製信號的波形的周期內都被調製，場效應管的開關損耗較大，發熱量大，影響場效應管以及控制器的使用壽命。在理想狀態下，同一橋臂上的兩個場效應管的控制信號時互補的，即上橋臂的場效應管為高電平信號時，下橋臂的場效應管為低電平信號，這種情況稱為沒有死區時間的 控制信號，如圖4的第一個波形圖與第二個波形圖所示。但在實際過程中，若上橋臂場效應管的控制信號從高電平變為低電平的同時，下橋臂的場效應管的控制信號馬上從低電平變為高電平，容易發生同一橋臂的兩個場效應管同時導通的情況，導致流向電機的電流過大而引起短路，因此，從一個場效應管的關閉到另一場效應管導通之間需要有一定的間隔，這個時間間隔稱為死區時間，如圖4中的第三、第四個波形圖就是具有死區時間同一橋臂上兩個場效應管的控制信號波形圖。現在的電機控制過程中，控制器10通常只計算上橋臂的場效應管的控制信號波形，下橋臂的場效應管控制信號波形根據上橋臂場效應管的控制波形自動生成，生成的方法是下橋臂場效應管的控制信號波形基本與上橋臂場效應管控制信號的波形互補，只是在上橋臂的場效應管關閉後增加一定的時間間隔，也就形成死區時間。並且，在上橋臂的場效應管開啟前的一定時間，下橋臂的場效應管先關閉。而場效應管的導通時間由場效應管的佔空比決定，在一個PWM調製信號的波形周期內，場效應管的導通時間佔整個PWM調製信號的波形周期的時間稱為佔空比。佔空比越大，場效應管的導通時間越長，加載到母線的平均電壓越高，因此調節加載到母線上的電壓值實際上是調節場效應管的佔空比。從上面的分析可知，在電機輸出功率較小的時候，死區時間可能會大於換相點鄰近電壓調製比所確定的場效應管導通時間，從而導致電機繞組電流提前截止，引起轉矩脈動，換相噪音等問題。而以電機相電流為控制目標的正弦波驅動方法中，需要使用電流環的正弦控制方法，並需要進行電流的解耦操作，所以對單片機等器件的性能要求比較高，需要帶有快速且靈活的模數(A/D)轉換模塊來檢測電流值。使用該方法還需要應用基於開關狀態六邊形的SVPWM三角形函數，同時需要確定扇區及矢量作用時間等複雜步驟及算法過程，也存在電機360°電角度內逆變單元16的六個場效應管需要在每一個PWM調製信號波形的周期內進行PWM調製的問題，場效應管的開關損耗也比較大。因此，公開號為CN1988365A的中國發明專利申請公開了一種名為「一種矢量空間脈寬調製輸出的死區補償方法」的發明創造，該方法主要針對交流伺服系統中永磁同步電機的SVPWM控制，在轉子位於不同位置角度時，向三相母線對應的逆變電路的上橋臂的場效應管加載的脈衝時長不相同，有些是增加ー個死區補償時間，有些是減去死區補償時間，導致向不同相的母線的上橋臂的場效應管加載PWM信號的時間長度不同，上述方法應用在直流無刷電機的控制中，不但不能解決在低功率下的死區時間過長的問題，而且還會增加電壓諧波，影響電機低轉速靜音效果。
發明內容
本發明的主要目的是提供一種能有效解決死區時間過長的直流無刷電機的控制方法。本發明的另ー目的是提供ー種避免增加電壓諧波的直流無刷電機的控制裝置。為實現本發明的主要目的，本發明提供的直流無刷電機的控制方法包括根據位置傳感器輸出的信號計算轉子的實際轉速及轉子位置角度，根據實際轉速與設定的轉速計算 電壓調製比因數的數值，並且，根據電壓調製比因數的數值、位置角度位置以及死區補償值計算向直流無刷電機的三相母線加載的電壓值，向其中至少兩相母線加載的電壓值為電壓調製比因數的數值與位置角度三角函數值的乘積加上死區補償值。由上述方案可見，計算向母線加載的電壓值時加上一個死區補償值，抵消死區時間對上橋臂控制信號佔空比影響，提高向母線加載的電壓值，每ー橋臂中的上橋臂的場效應管導通時間相對於帶有死區時間的控制信號有所延長，從而避免電機運行過程中死區時間過長而引起繞組電流提前截止的問題。一個優選的方案是，向三相母線中的兩相母線加載的電壓值為電壓調製比因數的數值與位置角度三角函數值的乘積加上死區補償值，向第三相母線加載的電壓值為死區補償值。由此可見，在計算三相母線加載的電壓時，僅需其中兩相使用位置角度三角函數值，而計算第三相母線的電壓值時無需使用位置角度三角函數值，減少ー個三角函數值的計算，提高控制器的計算速度。進ー步的方案是，直流無刷電機的控制器存儲有轉子在不同位置角度下的位置角度的三角函數值，計算母線的電壓值時，位置角度的三角函數值通過查找轉子的當前位置角度對應的三角函數值獲得。可見，計算向三相母線加載的電壓值時，對三角函數值的計算是通過查表獲得，而是不是直接計算三角函數值，這樣能夠減小單片機等控制器件的計算量，提高計算速度。為實現本發明的另一目的，本發明提供的直流無刷電機的控制裝置包括位置傳感器以及接收位置傳感器輸出信號的控制器，控制器具有電壓調製比因數計算模塊、位置角度計算模塊以及電壓計算模塊，電壓調製比因數計算模塊根據位置傳感器輸出的信號計算轉子的實際轉速，並根據實際轉速與設定的轉速計算電壓調製比因數的數值，位置角度計算模塊根據位置傳感器輸出的信號計算轉子的當前位置角度，電壓計算模塊根據電壓調製比因數的數值、位置角度位置以及死區補償值計算向直流無刷電機的三相母線加載的電壓值，向其中至少兩相母線加載的電壓值為電壓調製比因數的數值與位置角度的三角函數值的乘積加上死區補償值。由上述方案可見，計算向母線加載的電壓時將死區補償值加上，抵消因死區時間導致上橋臂導通佔空比理想狀態小的作用，從而每一橋臂中的上橋臂的場效應管導通時間有所延長，避免電機在死區時間大於換相點鄰近電壓調製比，從而導致電機繞組電流提前截止，引起轉矩脈動，換相噪音等問題。一個優選的方案是，電壓計算模塊計算的向兩相母線加載的電壓值為電壓調製比因數的數值與位置角度三角函數值的乘積加上死區補償值，計算的向第三相母線加載的電壓值為死區補償值。由此可見，向第三相母線加載的電壓值僅為死區補償值，因此計算向第三相母線加載的電壓值時不需要計算位置角度的三角函數，減少單片機等控制器的計算量，該橋臂的上橋臂場效應管無需進行PWM脈衝調製，場效應管處於關斷狀態，且死區補償值D所對應的時間小於或等於死區時間二分之一，因此每一橋臂中的上橋臂的場效應管無需在每一個PWM調製信號的波形周期內均被PWM調製，開關損耗較小，使用壽命較長。
圖I是現有直流無刷電機、逆變單元與控制器的結構示意框圖。圖2是逆變單元的電原理圖。圖3是本發明直流無刷電機控制裝置實施例與直流無刷電機、逆變單元的結構示意框圖。圖4是同一橋臂上的一對場效應管在沒有死區時間、帶有死區時間以及本發明帶有死區時間補償情況下的控制波形圖。以下結合附圖及實施例對本發明作進一步說明。
具體實施例方式本發明的直流無刷電機控制裝置用於對直流無刷電機進行控制，參見圖I，控制裝置包括控制器20，控制器20為單片機或數位訊號處理器等具有編程、運算能力的器件，控制器20內設有電壓調製比因數計算模塊21、位置角度計算模塊22、電壓計算模塊23以及存儲單元24。控制裝置還具有逆變單元26以及位置傳感器27。位置傳感器27為光電編碼器或磁電編碼器、霍爾傳感器等，用於檢測直流無刷電機的轉子位置。優選地，位置傳感器27包括三個雙極鎖定型霍爾元件，在轉子上固定安裝有永磁體，在轉子旋轉時，霍爾元件通過檢測磁場信號來檢測轉子的位置，從而輸出相應的電信號。位置傳感器27輸出的信號被控制器20所接收。控制器20的電壓調製比因數計算模塊21根據所接收的信號計算當前轉子的實際轉速，並根據設定轉速與實際轉速之間的比值計算電壓調製比因數K的數值。由於永磁體固定在轉子上，因此轉子旋轉時永磁體是相對於霍爾元件旋轉的，因此計算霍爾元件每分鐘接收的永磁體發出電磁信號的數量可以計算轉子的轉速。設定轉速時控制器20根據接收到外部輸入的信號確定的轉速，電壓調製比因數K為設定轉速與實際轉速之間的比值。位置角度計算模塊22根據接收的位置傳感器27輸出的信號估算轉子當前的位置角度。估算位置角度時，將360°的電角度平均劃分為六個扇區，每一個扇區為60°的電角度。由於位置傳感器27為三個雙極鎖定型霍爾元件，其向控制器20輸出六個位置信號，位置角度計算模塊22根據所接收的六個位置信號計算出轉子當前所處的六個扇區起始位置。
然後，根據下述的公式計算轉子當前的位置角度Θ
Λ 3 60 X M Λ .^
θ = θ H---H Δθ(式 I ノ
N
其中θ η是轉子所在扇區的起始位置，N是轉子在前ー電角度周期，即在360°的電角度內接收的PWM調製電壓的脈衝的個數，M是電機在當前扇區所經歷的PWM調製電壓的脈衝的個數，△ Θ是補償超前角度。由於電機繞組存在電感作用，因此相電流滯後於相電壓，估算轉子當前的位置角度Θ時，需要進行超前角度補償，即需要加上超前角度△ Θ以計算得到位置角度Θ，實現相電流與相反電勢同相位。超前角度△ Θ根據電機性能及運行功率確定，可以預先寫入到控制器20內。
計算電壓調製比因數K以及位置角度Θ後，電壓計算模塊23計算加載到逆變單元26的三相母線所對應的上橋臂的場效應管的PWM信號的電壓值，也就是計算加載到三相母線的端電壓的電壓值。由於直流無刷電機使用正弦波驅動方式，因此理論上加載到每一相母線電壓的電壓值均應該是電壓調製比因數K與位置角度Θ的三角函數的乘積，考慮到死區時間的存在，加載到每一相母線的電壓值還需要加上死區補償值D，死區補償值D是ー個固定值，預先寫入到控制器20內，計算加載到母線的電壓值時直接將死區補償值D加上。然而，若每ー相的母線的電壓值均通過計算位置角度Θ的三角函數值與調製比乘積，對單片機等控制器件的計算要求很高，導致單片機的計算量過大。由於三相電機的三相母線電壓的線電壓的電角度兩兩之間形成120°的角度，可
以在一定電角度內只使用位置角度Θ的三角函數值與電壓調製比因數計算其中兩相母線
的電壓值，而第三相母線的電壓值可直接計算為死區補償值D。在360°的電角度內，向三
相母線加載的電壓值如表I所示。
電角度puIUu[Uw
0° -120°KXsin( Θ )+DDKX (-sin( θ -120))+D
120° -240°KX (-sin( θ -240))+DKXsin( Θ -120)+D D
240。-360。ID]ΚΧ (-sin( Θ ))+DJKX (sin( Θ -240))+D表I
其中，Uu、Uv、Uw分別表示加載到U、V、W三相母線的電壓值。從表I可以看出，在360°的電角度內，三相母線電壓值是分段函數。但電機定子
繞組的相電壓兩兩之間的相位差是120°，且為完整正弦函數。如表2所示。
電角度I^Ju-Uv]Uv-UwllJw-Uu
O。-120。KXsin(e) KXsin( Θ -120) KXsin( Θ -240)
120。-240。 KXsin( Θ ) KXsin( Θ -120) KXsin( Θ -240)
240。-360。 IKXsin( Θ ) ]KXsin( Θ -120) IKXsin( Θ -240)表2
由表I、表2可知，本發明與現有的SPWM調製方式不同，施加在電機三相母線的端電壓Uu、Uv、Uw並非正弦波電壓，而是帶有死區補償值的分段函數，此時直流無刷電機中心點電壓並非為0，但電機相電壓(Uu-Uv、Uv-Uw、Uw-Uu)仍然為正弦波電壓且相位差為120°。這樣,三相母線對應的上橋臂的場效應管在360°的電角度範圍內，總有ー相在120°電角度的時間不需要被PWM信號調製，場效應管可以處於關閉狀態，並且死區補償值D所對應的時間小於或等於死區時間二分之一，如圖4所示。這樣，場效應管不是每時每刻地工作，其使用壽命得以延長，也有利於電機的長時間工作。由於單片機計算三角函數所消耗的時間較長，為了減少單片機的運算量，避免直接計算正弦函數，按表I描繪出電機在360°的電角度三相母線端電壓幅值的數組，此時表I中的電壓調製比因數K取常數I，且死區補償值D取常數O。按照上述公式，計算出一個二維數組TAB [T]，每一個數組包括三個數值，分別是轉子在同一位置角度下計算加載在三相母線的電壓時所使用的三個三角函數值，當然，每一數組中必然至少有一個數值為零，因為計算其中一項母線的電壓值時不需要使用三角函數值。這些數組連續地存儲在控制器20的存儲單元24內，所有數組的數值對應電機六個扇區。例如，對應於位置角度Θ為5°時，數組的三個數值分別是sin5、0、-sin(_115)，對應於位置角度Θ為135°，數組的三個數值分別是-sin (_105)、sinl5、0，如此類推。電壓計算模塊23計算向三相母線加載的電壓值時，查詢當前位置角度Θ對應的一組三角函數的數值，然後根據表I中的關係，將相應的母線對應的三角函數值乘上電壓調製比因數K並加上死區補償值D，即可計算出向某一相母線加載的電壓值。由於數組是連續排列的，查找數值時，可以根據以下的公式查找對應的數值，
權利要求
1.直流無刷電機控制方法，包括 根據位置傳感器輸出的信號計算轉子的實際轉速及轉子位置角度，根據所述實際轉速與設定的轉速計算電壓調製比因數的數值； 其特徵在於 根據所述電壓調製比因數的數值、所述位置角度位置以及死區補償值計算向所述直流無刷電機的三相母線加載的電壓值，向其中至少兩相母線加載的電壓值為所述電壓調製比因數的數值與所述位置角度三角函數值的乘積加上所述死區補償值。
2.根據權利要求I所述的直流無刷電機控制方法，其特徵在於 向所述三相母線中的兩相母線加載的電壓值為所述電壓調製比因數的數值與所述位置角度三角函數值的乘積加上所述死區補償值，向第三相母線加載的電壓值為所述死區補償值。
3.根據權利要求I或2所述的直流無刷電機控制方法，其特徵在於 所述直流無刷電機的控制器存儲有所述轉子在不同位置角度下的位置角度的三角函數值，計算所述母線的電壓值時，所述位置角度的三角函數值通過查找轉子的當前位置角度對應的所述三角函數值獲得。
4.根據權利要求3所述的直流無刷電機控制方法，其特徵在於 被存儲的所述三角函數值排列成多個連續排列的數組。
5.根據權利要求4所述的直流無刷電機控制方法，其特徵在於 每一所述數組包括同一位置角度下所述三相母線分別對應的三個三角函數值。
6.直流無刷電機控制裝置，包括 位置傳感器以及接收所述位置傳感器輸出信號的控制器，所述控制器具有 電壓調製比因數計算模塊，根據所述位置傳感器輸出的信號計算轉子的實際轉速，並根據所述實際轉速與設定的轉速計算電壓調製比因數的數值； 位置角度計算模塊，根據所述位置傳感器輸出的信號計算轉子的當前位置角度； 其特徵在於 所述控制器還設有電壓計算模塊，根據所述電壓調製比因數的數值、所述位置角度位置以及死區補償值計算向所述直流無刷電機的三相母線加載的電壓值，向其中至少兩相母線加載的電壓值為所述電壓調製比因數的數值與所述位置角度的三角函數值的乘積加上所述死區補償值。
7.根據權利要求6所述的直流無刷電機控制裝置，其特徵在於 所述電壓計算模塊計算的向兩相母線加載的電壓值為所述電壓調製比因數的數值與所述位置角度三角函數值的乘積加上所述死區補償值，計算的向第三相母線加載的電壓值為所述死區補償值。
8.根據權利要求6或7所述的直流無刷電機控制裝置，其特徵在於 所述控制器設有存儲單元，用於存儲所述轉子在不同位置角度下的位置角度的三角函數值。
9.根據權利要求8所述的直流無刷電機控制裝置，其特徵在於 存儲在所述存儲単元的所述三角函數值排列多個連續排列的數值。
10.根據權利要求9所述的直流無刷電機控制裝置，其特徵在於每一所述數組包括同一位置角度下所述三相母線分別對應的三個三角 函數值。
全文摘要
本發明提供一種直流無刷電機控制方法及裝置，該控制方法包括根據位置傳感器輸出的信號計算轉子的實際轉速及轉子位置角度，根據實際轉速與設定的轉速計算電壓調製比因數的數值，並且，根據電壓調製比因數的數值、位置角度位置以及死區補償值計算向直流無刷電機的三相母線加載的電壓值，向其中至少兩相母線加載的電壓值為電壓調製比因數的數值與位置角度三角函數值的乘積加上死區補償值。該控制裝置是利用上述的控制方法計算向三相母線加載的電壓值。本發明能夠避免死區時間大於換相點鄰近電壓調製比，從而導致電機繞組電流提前截止，引起轉矩脈動，換相噪音等問題，還能避免場效應管長時間進行開關工作，延長場效應管及電機的使用壽命。
文檔編號H02P6/16GK102868344SQ20121035660
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月21日 優先權日2012年9月21日
發明者吳文賢, 胡安永, 王周葉 申請人:珠海格力電器股份有限公司, 珠海凱邦電機製造有限公司, 合肥凱邦電機有限公司, 重慶凱邦電機有限公司, 河南凱邦電機有限公司