一種無刷直流電機的控制系統及控制方法與流程

2023-12-02 00:16:31 3

本發明涉及無刷直流電機的控制領域，具體涉及一種無刷直流電機的控制系統及控制方法。

背景技術：

傳統無刷直流電機工作時，轉子每旋轉60°電角度，逆變電路上開關管的通斷就會改變一次，開關管的交替通斷使定子繞組產生旋轉磁場，轉子才能旋轉。對於整個無刷直流電機控制系統，開關管是一個重要元件。

但是，使用開關管也會帶來一些問題：開關管並不是一個理想開關，它本身還存在開關損耗、導通損耗等各種熱損耗，各類熱損耗與開關管的具體使用環境有關，無刷直流電機開關管的熱損耗主要是開關損耗，對於大功率開關管，單管熱損耗可達上百瓦，有時需要風扇進行主動散熱，熱損耗降低了無刷直流電機控制系統的整體效率；開關管的開通和關斷過程對溫度比較敏感，溫度過高會影響逆變電路的穩定性，散熱不良時還會燒毀開關管，在實際使用中，開關管損壞的一個重要原因就是高溫導致燒毀；開關管的壽命即它的開關總次數是有限的，需要定期更換。以上問題是由開關管的開關特性導致的，當無刷直流電機帶某些特定類型的負載時，並不需要轉子每旋轉60°電角度就通斷一次開關管。因此，可以通過改進無刷直流電機的控制方法，降低上述問題造成的影響。

技術實現要素：

本發明提供了一種無刷直流電機的控制系統及控制方法，當無刷直流電機所帶負載是對轉速控制精度要求不高的負載或高轉速低轉矩負載時，該控制系統及控制方法能夠減少三相逆變電路上開關管的開關次數，達到延長開關管壽命、降低開關管發熱損耗、提高控制系統效率和穩定性的目的。

本發明的無刷直流電機的控制系統，為實現上述目的所採用的技術方案在於：包括無刷直流電機、轉子位置傳感器、數位訊號處理器及三相逆變電路，所述數位訊號處理器通過轉子位置傳感器連接無刷直流電機，所述三相逆變電路的輸入端連接數位訊號處理器、三相逆變電路的輸出端連接無刷直流電機。

進一步地，所述數位訊號處理器通過驅動電路連接三相逆變電路的輸入端。

進一步地，所述三相逆變電路與無刷直流電機之間的連接線通過電流檢測電路連接數位訊號處理器。

進一步地，所述轉子位置傳感器為霍爾位置傳感器。

進一步地，所述三相逆變電路的六個開關管採用絕緣柵雙極型電晶體(IGBT)。

本發明的無刷直流電機的控制方法，為實現上述目的所採用的技術方案在於包括以下步驟：

S1，根據需要設定一個轉速誤差值，即電機的給定轉速與實際轉速的差值；

S2，電機起動後，對轉子定位以獲取無刷直流電機的轉子的當前位置，同時通過數位訊號處理器計算電機的當前轉速；

S3，根據給定轉速與當前轉速計算當前轉速誤差並判斷其是否大於設定值，

若判斷當前轉速誤差大於設定值，電機開始換相直到達到設定轉速；若判斷當前轉速誤差小於設定值，則關斷三相逆變電路上的所有開關管，等待下一個轉子位置，直到當前轉速誤差大於設定值。

進一步地，在步驟S2中，通過霍爾位置傳感器獲取無刷直流電機轉子的當前位置。

進一步地，在步驟S2中，無刷直流電機的當前轉速由數位訊號處理器根據相鄰兩次轉子位置信號的時間間隔和電機的極對數計算獲得，計算公式為：

其中，T為無刷直流電機轉子旋轉60°電角度的時間，p為電機極對數。

本發明的有益效果是：本發明的控制方法涉及的無刷直流電機所帶負載為高轉速低轉矩負載或對轉速控制精度要求不高的負載。本發明的控制方法，首先根據需要設定一個轉速誤差值，電機起動後，安裝在定子上的霍爾位置傳感器獲取無刷直流電機轉子的當前位置，同時數位訊號處理器計算電機的當前轉速，然後根據給定轉速與當前轉速計算當前轉速誤差並判斷其是否大於設定值，若判斷當前轉速誤差大於設定值，電機開始換相直到達到設定轉速，若判斷當前轉速誤差小於設定值，則關斷三相逆變電路上的所有開關管，等待下一個轉子位置，直到當前轉速誤差大於設定值，電機開始換相，在此期間，即使轉速誤差小於設定值，也不會關斷開關管，電機會連續換相直到轉速達到設定轉速，如此反覆循環，控制電機運行，從而通過減少逆變電路上開關管開關次數的方法延長了開關管的使用壽命，並且降低了開關管的熱損耗，提高了控制系統的效率和穩定性；若開關管的散熱系統發生故障(例如熱敏電阻失效)，還能夠降低開關管被燒毀的概率。本控制方法不影響電機的輸出效果或達到相同輸出效果。

附圖說明

圖1是本發明的控制系統的結構示意圖；

圖2是本發明的控制方法的流程圖；

圖3為PWM波的佔空比為0.75時，IGBT和定子繞組的導通順序圖；

圖4為設電機開始穩態運行後AB相首先導通時，IGBT和定子繞組的導通順序圖；

圖5是本發明的控制過程圖。

具體實施方式

參照圖1，該無刷直流電機的控制系統，包括無刷直流電機1、轉子位置傳感器2、數位訊號處理器3及三相逆變電路4，所述數位訊號處理器3通過轉子位置傳感器2連接無刷直流電機1，所述三相逆變電路4的輸入端連接數位訊號處理器3、三相逆變電路4的輸出端連接無刷直流電機1。所述數位訊號處理器3通過驅動電路5連接三相逆變電路4的輸入端。所述三相逆變電路4與無刷直流電機1之間的連接線通過電流檢測電路6連接數位訊號處理器3。

所述轉子位置傳感器2為霍爾位置傳感器；所述三相逆變電路4的六個開關管採用絕緣柵雙極型電晶體(IGBT)；所述數位訊號處理器(DSP)的型號為TMS320F2812，控制程序採用速度環和電流環相結合的雙閉環控制，閉環反饋量包括電機的轉子位置、定子相電流以及當前轉速。

參照圖2，本發明的無刷直流電機的控制方法，包括以下步驟：

S1，根據需要設定一個轉速誤差值，即電機的給定轉速與實際轉速的差值；

S2，電機起動後，對轉子定位以獲取無刷直流電機1的轉子的當前位置，同時通過數位訊號處理器3計算電機的當前轉速；

S3，根據給定轉速與當前轉速計算當前轉速誤差並判斷其是否大於設定值，

若判斷當前轉速誤差大於設定值，電機開始換相直到達到設定轉速；若判斷當前轉速誤差小於設定值，則關斷三相逆變電路4上的所有開關管，等待下一個轉子位置，直到當前轉速誤差大於設定值。

在步驟S2中，通過霍爾位置傳感器獲取無刷直流電機轉子的當前位置。

在步驟S2中，無刷直流電機1的當前轉速由數位訊號處理器3根據相鄰兩次轉子位置信號的時間間隔和電機的極對數計算獲得，計算公式為：

其中，T為無刷直流電機轉子旋轉60°電角度的時間，p為電機極對數。

以下對採用傳統控制方法和採用本發明的控制方法作對比說明：

傳統控制方法採用三相六狀態全橋控制，轉子每旋轉60°電角度定子繞組換相一次，其中空間機械角度與電角度的關係為：Ω＝ω×p，式中p為電機的極對數，假設電機起動達到設定轉速後不改變負載、不進行調速，電機保持穩態運行。

設無刷直流電機定子電樞繞組的平均電壓為：

式中：t1為IGBT的導通時間；

t2為IGBT的關斷時間；

T為IGBT的開關周期，T＝t1+t2；

Ud為直流母線電壓；

α為PWM波的佔空比，

無刷直流電機本體的輸入功率為：P1＝UaIa＝αUdIa，式中Ia為定子電樞繞組的平均相電流。無刷直流電機是當今效率最高的電機之一，忽略電機本體的損耗(本控制方法不會額外增加電機本體損耗)，則對於電機輸出功率P2，有P2≈P1，即P2＝UaIa＝αUdIa。

採用本發明的控制方法時，電機轉子平均每旋轉(60×m)°(其中m>1)電角度，逆變電路上IGBT的通斷改變一次，若佔空比仍然為α，則換相次數即定子繞組的通斷次數變為原來的定子平均相電流變為電機輸出功率為

為了不改變電機的輸出功率即負載獲得的機械能，需要延長IGBT的導通時間t1，設平均導通時間延長m倍，m既是IGBT平均導通時間延長的倍數也是平均換相佔空比提高的倍數，則PWM波的平均換相佔空比變為其中平均換相佔空比是指：若要關斷IGBT，則需要PWM波在開關周期恆為零，除去這些恆為零的開關周期，取其它具有實際換相作用的開關周期，這些開關周期的佔空比稱為換相佔空比，若干個開關周期的換相佔空比取平均值，則為平均換相佔空比，為方便敘述，以下將平均換相佔空比倍數m簡稱為佔空比倍數m。傳統控制由於換相均勻，PWM波佔空比不變，平均換相佔空比就是佔空比。平均換相電壓同理。

此時平均換相電壓為：

式中：t1′為採用本控制方法時IGBT的平均導通時間；

t2′為採用本控制方法時IGBT的平均關斷時間；

α′為採用本控制方法時PWM波的佔空比，

此過程提高的只是平均換相佔空比，平均佔空比不會變化，平均電壓也不變(即此過程不屬於調壓調速)，所以平均相電流保持不變，同樣忽略電機本體的損耗，此時電機輸出功率為：

m的大小與負載和所設定的轉速誤差值有關，不同的負載和轉速誤差設定值會有不同的m值，電機實際運行時，DSP並不會計算m值，程序中也不出現此變量，當電機轉速下降使轉速誤差大於設定值後，DSP輸出PWM波的平均換相佔空比會大於採用傳統控制方式時PWM波的佔空比。電機保持穩態運行時，由於傳統控制方法換相均勻，其PWM波的佔空比會保持不變；當採用本發明的控制方法時，由於換相不均勻，PWM波的佔空比呈非均勻變化，但是若按照平均換相電角度計算，PWM波佔空比倍數的平均值是固定的，其值為m。這樣便通過提高PWM波平均換相佔空比的方式彌補了換相次數減少導致的電機輸出功率虧損。另外，由於IGBT平均導通時間不變，故不會增加IGBT的導通損耗。

採用傳統控制方法控制電機時，電機轉子每旋轉60°電角度定子繞組換相一次，若採用本發明的控制方法，電機轉子平均每旋轉ω°電角度換相一次，可使開關管開關次數減少平均換相佔空比提高m倍，平均佔空比不變，其中不同的平均旋轉電角度ω都會有佔空比調節的上限，上限值為若採用傳統控制時的佔空比已經大於上限值，則無法使用本控制方法，電機將按照傳統控制方式運行，否則電機會最終停轉。例如每360°電角度換相4次，則相當於轉子平均每轉過90°電角度換相一次，開關管開關次數減少了換相佔空比提高1.5倍；每360°電角度換相3次，則轉子每轉過120°電角度換相一次，開關管開關次數減少了一半，換相佔空比提高2倍；每720°電角度換相7次，則相當於轉子平均每轉過102.86°電角度換相一次，開關管開關次數減少了換相佔空比提高1.7倍。電機在實際運行時不一定始終保持穩態運行，由於負載的變化以及對電機調速作用，平均電角度ω、IGBT減少的開關次數、PWM波佔空比倍數m、佔空比調節上限都會不斷變化，也可能出現電機在本控制方法與傳統控制方法之間不斷切換的情況，IGBT減少的熱損耗以及延長的壽命時間也會有所不同。

上述平均電角度、平均佔空比分別是指：

平均電角度：實際的無刷直流電機位置傳感器一定是按照60°電角度間隔安裝，定子繞組也一定是在轉子轉過60°電角度的正整數倍才進行換相，實際運行時不會出現轉子轉過90°、102.86°等電角度進行換相的情況。但是會出現以下情況：定子繞組在轉子連續轉過的兩個60°電角度都換相，在轉過第三個60°電角度後不換相，即每連續兩次換相後就停止換相一次，此時就相當於轉子平均每轉過90°電角度換相一次。

平均佔空比：仍然以ω＝90°為例，若採用傳統控制方式，設其運行時的佔空比為0.5，IGBT在每個開關周期內的導通時間佔50％，3個開關周期完全相同；若採用本發明的控制方法，3個開關周期變成2個，前兩個開關周期內均有開關管導通使電機換相，其值為0.75，第三個開關周期由於不需要導通IGBT，PWM波佔空比恆為零，平均到3個開關周期中得到平均佔空比，其值為0.5，與傳統控制方式的佔空比相同，保證電機輸出功率不變，同時IGBT的開關次數由3次減少為2次。

對於對轉速控制精度要求不高的負載，例如水泵、風機等，只要保證單位時間內輸出足夠的水流量或風量即可，這就要求電機的輸出功率能夠滿足負載所需要的機械能。這類負載需要無刷直流電機良好的調速性能，但不需要很高的轉速控制精度和很小的轉矩脈動，對此類負載採用本發明的控制方法不會影響電機的輸出效果，並且能夠減少開關管的發熱損耗，增加逆變器的使用壽命，若開關管的散熱系統出現故障，當採用本發明的控制方法時，由於開關管發熱減少，所以降低了其被立刻燒毀的概率，相關人員可及時發現並關閉控制系統。

對高轉速低轉矩負載，由於電機轉速很高、負載轉矩小，轉子每旋轉60°電角度後的轉速下降很小。若採用傳統控制方式，轉速誤差仍會使DSP輸出佔空比非常小的PWM波，儘管它幾乎不產生功率，電機基本沒有額外的功耗，但這需要通斷一次開關管。若採用本發明的控制方法，設定一個很小的轉速誤差仍然可以達到很高甚至原本的控制精度，而非只要有轉速誤差就通斷開關管。如果設定的轉速誤差稍大一些，控制方法則與對轉速精度要求不高的負載類似，通過增加PWM波換相佔空比的方式保持電機輸出功率不變。此類負載的PWM佔空比比較小，如果設定稍大一些的轉速誤差，可以大大降低開關管的發熱損耗，這是由此類負載的性質決定的，不過轉速誤差還是應該根據實際需要而定。

採用本發明的控制方法的電機所帶負載並不限於上述兩種類型負載，由於轉子每旋轉60°電角度就立即計算轉速誤差，若轉速誤差始終大於設定值，則本發明的控制方法就變為傳統控制方法，即使DSP中的程序為本控制方法，電機仍然可以帶任何類型的負載，但此時不再具有本發明的控制方法的有益效果。

下面結合實例對本發明的控制方法做進一步說明，本事例中電機起動達到設定轉速後不進行調速也不改變負載和其它參數，保持電機穩態運行。

無刷直流電機所帶負載是一個中型風機，採用傳統控制方法時，轉子每旋轉60°電角度定子繞組換相一次，設PWM波的佔空比為0.75，IGBT和定子繞組的導通順序如圖3所示。

現採用本發明的控制方法控制上述無刷直流電機，首先設定一個較小的轉速誤差使轉子平均旋轉電角度ω＝67.5°，即電機轉子每旋轉1080°電角度換相16次，此時換相次數即每相定子繞組的導通次數減少佔空比倍數PWM波平均換相佔空比由0.75提高到0.844(平均換相佔空比上限為0.889)，電機的輸出功率不變。設電機開始穩態運行後AB相首先導通，則IGBT和定子繞組的導通順序如圖4所示。

IGBT和定子繞組循環導通過程分析：轉速誤差超過設定值後，AB相導通，電機加速以減小轉速誤差，在隨後轉子連續轉過的480°電角度內，電機始終沒有達到設定轉速，電機定子繞組與傳統控制方法一樣連續換相8次，下一個正常換相位置對應BC相，需要導通的IGBT為T2、T3，但轉子旋轉60°電角度到達BC相的換相位置時，電機轉速達到設定轉速，此時關斷T2、T3，轉子繼續旋轉60°電角度，到達BA相的換相位置，此時轉速誤差超過設定值，需要導通BA相，之後上述過程相同，在連續換相8次後停止換相1次，如此反覆循環。在此過程中，PWM波的換相佔空比是非均勻變化的，它將隨轉速誤差的減小而減小，直至達到設定轉速後，下一個轉子位置的轉速誤差小於設定值，換相佔空比變為零並停止換相，但整個開關周期內PWM波的平均換相佔空比為定值0.844，平均佔空比為0.75。

上述換相位置是指：當電機製造完成後，只要它與控制板的接線固定，轉子位置與對應導通相和開關管的關係就是確定的，轉子位置在DSP中表現為霍爾位置信號，它是六個三位的二進位數，與六個轉子位置一一對應。

本實施例無刷直流電機所帶中型風機負載屬於對轉速控制精度要求不高的負載，但由於負載轉矩比較大且設定轉速誤差較小，所以平均旋轉電角度67.5°非常接近傳統控制方法的60°電角度，PWM波佔空比的提高比較有限，佔空比倍數只有1.125，IGBT的通斷次數為原來的88.89％，此時減少的IGBT熱損耗和延長的壽命時間也比較有限。負載的轉速下降越大、設定的轉速誤差越小，轉子平均旋轉電角度就越接近60°，本控制方法的有益效果就越不明顯，反之，負載的轉速下降越小、設定的轉速誤差越大，轉子平均旋轉電角度就越大，本控制方法的有益效果越能得到體現。

參見圖5，本發明的控制過程如下：

首先設定轉速誤差值；電機起動達到設定轉速(起動過程必定是按照傳統控制方法控制的)，轉子在當前位置的基礎上轉過60°電角度後，霍爾位置傳感器獲取無刷直流電機轉子的位置，通過DSP計算電機的當前轉速和轉速誤差，判斷轉速誤差是否大於設定值，若轉速誤差大於設定值，電機開始換相直到達到設定轉速；若判斷當前轉速誤差小於設定值，關斷所有IGBT，轉子轉過60°電角度的或60°電角度的正整數倍後，轉速誤差超過設定值，輸出佔空比調整後的PWM波，使電機換相。在此期間，即使轉速誤差已經小於設定值，電機仍會不斷換相直到轉速達到設定值。如此反覆循環，控制電機運行。在此過程中，隨著負載的變化以及對電機的調速作用(相當於改變設定轉速)，佔空比倍數m也會不斷改變。在此期間，如果m值超過佔空比可調上限，將切換為傳統控制方法，保證電機安全穩定的運行。