一种基于直流无刷电机相电流相位角的控制装置及方法
【专利摘要】本发明公布了一种基于直流无刷电机相电流相位角的控制装置及方法，所述装置包括速度设定模块、中央处理器、电流放大电路、智能功率模块、霍尔传感器以及给上述各个模块供电的电源模块，所述控制方法如下：采集直流无刷电机的实时转速同时得到反电势，采集直流无刷电机的实时相电流，将实时转速与设定转速的速度差经过速度PI调节得到速度调节信号，将直流无刷电机的实时反电动势和相电流的相位偏差经过PWM补偿计算得到PWM补偿量，采用中央处理器根据速度调节信号和PWM补偿量计算得到PWM占空比信号，将PWM占空比信号输出至智能功率模块实现对直流无刷电机的相电流的相位的控制。本发明提高了电机效率，减小了电机的发热量。
【专利说明】一种基于直流无刷电机相电流相位角的控制装置及方法【技术领域】
[0001]本发明涉及一种无刷直流电机的控制装置及方法，尤其涉及一种基于直流无刷电机相电流相位角的控制装置及方法。
【背景技术】
[0002]永磁直流无刷电机具有效率高、可控性好等诸多优点。虽然在电机的制造成本方面，永磁直流无刷电机要高于电容启动的单相异步电机，且永磁直流无刷电机还必须要有配套的控制器才能正常工作，使得永磁直流无刷电机具有很高的可控制性，可适用于各种不同的工作环境。
[0003]永磁直流无刷电机(在小功率段〈500W)工作效率在90%左右。由于小功率的客观原因，想通过电机本身的设计，来降低机械损耗、磁损耗或电损耗，将是徒劳无功。目前永磁直流无刷电机控制器大多采用互差120度的方波信号来驱动，对于运行中的电流相位不予以控制，即使实时的采集了相电流也只是用作相应的保护功能，例如永磁直流无刷电机的过流、过载、堵转、缺相等等。由于直流无刷电机的定制都是通过漆包线绕制而成的，所以存在一定电感量，正是由于电感的存在，所以通过定子线圈上的电流和电压的相位会具有一定的相位差，导致输入侧的功率因素降低，从而使无功功率增大。
【发明内容】
[0004]本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种基于直流无刷电机相电流相位角的控制装置及方法。
[0005]本发明为实现上述目 的，采用如下技术方案:
[0006]本发明一种基于直流无刷电机相电流相位角的控制装置，包括速度设定模块、中央处理器、电流放大电路、智能功率模块、霍尔传感器以及给上述各个模块供电的电源模块，所述中央处理器包括AD转换器、PWM输出模块和专用定时器捕获端口，速度设定模块的输出端和电流放大电路的输出端分别接AD转换器的输入端，PWM输出模块的输出端接智能功率模块的输入端，智能功率模块的三相输出端接直流无刷电机的三相电源输入端，专用定时器捕获端口接安装于直流无刷电机内的三个霍尔传感器的输出端，电流放大电路的输入端采集智能功率模块的三相输出电流。
[0007]所述电流放大电路还包括电流比较单元，电流比较单元的输出直接连接到中央处理器的中断口。
[0008]一种基于直流无刷电机相电流相位角的控制装置的控制方法如下:
[0009]采用霍尔传感器采集直流无刷电机转子实时位置的同时计算出转子的实时转速，其直流无刷电机的三相反电势和对应相的霍尔传感器输出波形的相位相同从而得到直流无刷电机实时反电动势，采用电流放大电路采集直流无刷电机的实时相电流，将实时转速与速度设定模块输出的设定转速的速度差经过速度PI调节得到速度调节信号，将直流无刷电机的实时反电动势和相电流的相位偏差经过PWM补偿计算得到PWM补偿量，中央处理器根据速度调节信号和PWM补偿量计算得到PWM占空比信号，将中央处理器计算得到的PWM信号输出至智能功率模块实现对直流无刷电机的相电流的相位的控制。
[0010]将所述采集的相电流经放大滤波完后的电流值送入模拟比较器，与设定的电流值进行比较得到的输出的信号作为中央处理器的中断信号，在直流无刷电机发生过流或堵转的情况下，关闭PWM输出，以保护智能功率模块由于过流而烧毁。
[0011]本发明的有益的效果是:通过控制算法能将电机的效率在原来的基础上再提高几个百分点，且减小了电机的发热量，而控制器的硬件成本几乎与普通直流无刷电机的控制器持平。但对于同样功率的电机成本有一定的下降空间，因为采用该控制装置后，输入侧的无功功率减小，无功电流也随之下降，即流过电机定子线圈上的电流也随之减小，所以绕制定子线圈的漆包线线径可以有所减小，为电机降成本提供了一个很好的空间。由于提高了电机的效率，对于用户而言，带来的直接效益就是使用费用大幅度的降低，对于供电电网而言，带来的直接好处就是网损大幅度的降低。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是本发明整体原理方框示意图；
[0013]图2是本发明方法原理方框示意图；
[0014]图3是本发明方法流程图；
[0015]图4是本发明过流中断流程图；
[0016]图5是本发明霍尔捕获中断流程图；
[0017]附图标记说明:速度设定模块1，电源模块2，中央处理器3，电流放大电路4，智能功率模块5，永磁直流无刷电机6。
【具体实施方式】
[0018]如图1所示，这种基于直流无刷电机相电流相位角的高效控制装置，包括速度设定模块1、中央处理器3、电流放大电路4、智能功率模块5、霍尔传感器以及电源模块2，中央处理器3为8位，且内部含有如下外设:8通道10位AD转换器、6路自带死区功能的互补PWM输出、专用定时器捕获口。中央处理器3共包含有6路数字量输出、4路模拟量输入、3路捕获口输入，I路中断输入。6路PWM包括:上桥臂三路PWM波和下桥臂三路PWM波，分别输出到了智能功率模块5 ;4路模拟量输入包括:1路用于速度设定，与速度设定模块I连接，其余3路分别用于3个相电流的采集，与电流放大电路4连接；3路捕获量输入是来自于埋于永磁直流无刷电机6内部的3路霍尔传感器信号。装置中包含给控制板上所有的弱电模块供电的电源模块2。
[0019]所述电流放大电路4，通过采集串接在每一相上的电阻两端的电压，由于相电流的方向是双向的，所以采样电阻上的电流也是双向的，这就要求辅助电源不但要输出正电压也要输出负电压，一边让运放工作于双电源状态，电流信号经过电阻采样后变成电压信号，再经过放大电路后还是不能直接送入中央处理器3的AD端口，还需要经过直流电平的抬升处理后送入中央处理器3的AD转换端。同时该电路中还包含有电流比较单元，其输出直接连接到中央处理器3的中断口，当永磁直流无刷电机发生过流时，比较器就会产生一个下跳变出触发中央处理器3的中断，如图1。[0020]如图2、图3所示，本发明一种基于直流无刷电机相电流相位角的控制装置的控制方法如下:
[0021]采用霍尔传感器采集直流无刷电机转子实时位置的同时计算出转子的实时转速，其直流无刷电机的三相反电势和对应相的霍尔传感器输出波形的相位相同从而得到直流无刷电机实时反电动势，采用电流放大电路采集直流无刷电机的实时相电流，将实时转速与速度设定模块输出的设定转速的速度差经过速度PI调节得到速度调节信号，将直流无刷电机的实时反电动势和相电流的相位偏差经过PWM补偿计算得到PWM补偿量，中央处理器根据速度调节信号和PWM补偿量计算得到PWM占空比信号，将中央处理器计算得到的PWM信号输出至智能功率模块实现对直流无刷电机的相电流的相位的控制。
[0022]本装置根据永磁直流无刷电机6的反电动势和相电流的相位偏差，动态调节输送到永磁直流无刷电机6每相的PWM的占空比，实现对直流永磁无刷电机6的相电流的相位的控制，达到永磁直流无刷电机6的高效率控制的目标。
[0023]控制器实时跟踪电机6的相电流与反电势，计算得到电流与电压的相位差，利用该相位差去修正每一个周期内的PWM占空比,基本做到电流波形和电压波形同相位,从而提高电机对母线电压的利用率，也就是提高电机的工作效率。
[0024]中央处理器3通过专用捕获口来捕获霍尔传感器的电讯号，以此来确定永磁直流无刷电机的转子位置，由于霍尔的波形和电机的反电势波形的相位是相同的，所以中央处理器3就不用去检测相电压了，从而降低了硬件的复杂程度，增加了系统的稳定性。相电流采用采样电阻的方案，经过相应的放大和滤波，送入中央处理器3的AD引脚。通过软件算法，捕获相电流的过零点。放大滤波完后的波形同时送入模拟比较器，与硬件设定的电流值进行比较，输出的信号作为中央处理器3的中断信号，在电机发生过流或堵转的情况下，以最短的时间关闭PWM输出，到达保护电机和控制器的目的，如图4。
[0025]通过霍尔不仅能够实时的获得转子的位置，根据转子的磁钢的极对数，还是实时的计算出转子的转速，为软件做闭环控制提供了速度的反馈值。
[0026]软件方面:如图2、5所示，上电后首先软件对自身的及外设的初始化，初始化完成后调用永磁直流无刷电机的启动算法，以及判断在启动过程中电机是否处于堵转状态。正常启动后，软件就实时的通过比较计算霍尔传感器出来的上升沿或下降沿和该相电流的过零点时的时间差，从而计算出一个电流周期内相电压和相电流之间的相位差，为下一个周期的输出相电压时间作为参考。
【权利要求】
1.一种基于直流无刷电机相电流相位角的控制装置，其特征在于包括速度设定模块、中央处理器、电流放大电路、智能功率模块、霍尔传感器以及给上述各个模块供电的电源模块，所述中央处理器包括AD转换器、PWM输出模块和专用定时器捕获端口，速度设定模块的输出端和电流放大电路的输出端分别接AD转换器的输入端，PWM输出模块的输出端接智能功率模块的输入端，智能功率模块的三相输出端接直流无刷电机的三相电源输入端，专用定时器捕获端口接安装于直流无刷电机内的三个霍尔传感器的输出端，电流放大电路的输入端采集智能功率模块的三相输出电流。
2.根据权利要求1所述的一种基于直流无刷电机相电流相位角的控制装置，其特征在于所述电流放大电路还包括电流比较单元，电流比较单元的输出直接连接到中央处理器的中断口。
3.—种如权利要求1所述的一种基于直流无刷电机相电流相位角的控制装置的控制方法，其特征在于所述方法如下: 采用霍尔传感器采集直流无刷电机转子实时位置的同时计算出转子的实时转速，其直流无刷电机的三相反电势和对应相的霍尔传感器输出波形的相位相同从而得到直流无刷电机实时反电动势，采用电流放大电路采集直流无刷电机的实时相电流，将实时转速与速度设定模块输出的设定转速的速度差经过速度PI调节得到速度调节信号，将直流无刷电机的实时反电动势和相电流的相位偏差经过PWM补偿计算得到PWM补偿量，中央处理器根据速度调节信号和PWM补偿量计算得到PWM占空比信号，将中央处理器计算得到的PWM信号输出至智能功率模块实现对直流无刷电机的相电流的相位的控制。
4.根据权利要求1所述的一种基于直流无刷电机相电流相位角的控制装置的控制方法，其特征在于将所述采集的相电流经放大滤波完后的电流值送入模拟比较器，与设定的电流值进行比较得到的输出的信号作为中央处理器的中断信号，在直流无刷电机发生过流或堵转的情况下，关闭PWM输出，以保护智能功率模块由于过流而烧毁。
【文档编号】H02P6/16GK103580558SQ201210283136
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2012年8月10日 优先权日:2012年8月10日
【发明者】金波, 范长江, 寿金乔 申请人:金华英科尔电机有限公司