一种三相电机控制装置的制作方法

本实用新型属于电机控制系统领域，具体涉及一种可有效消除电机控制系统中FOC算法中死区效应的三相电机控制装置。

背景技术：

目前，电机使用于吸尘器、洗衣机、厨房器具、电动车等各个领域中，FOC(场定向控制)算法逐渐替换原先的六步换相算法。FOC(field-oriented control)为磁场导向控制，又称为矢量控制(vector control)，是一种利用变频器(VFD)控制三相交流马达的技术，利用调整变频器的输出频率、输出电压的大小及角度，来控制马达的输出。其特性是可以个别控制马达的的磁场及转矩，类似他激式直流马达的特性。由于处理时会将三相输出电流及电压以矢量来表示，因此称为矢量控制。

达姆施塔特工业大学的K.Hasse及西门子公司的F.Blaschke分别在1968年及1970年代初期提出矢量控制的概念。Hasse提出的是间接矢量控制，Blaschke提出的是直接矢量控制。布伦瑞克工业大学的维尔纳·莱昂哈德(Leonhard further)进一步开发磁场导向控制的控术，因此交流马达驱动器开始有机会取代直流马达驱动器。

当时微处理器尚未商品化，但已经出现泛用的交流马达驱动器。当时相较于直流马达驱动器，交流马达驱动器的成本高、架构复杂，而且不易维护。而当时的矢量控制需要许多传感器及放大器等元件，因此无法将矢量控制应用在交流马达驱动器中。

派克变换一直被用在同步马达及感应马达的分析及研究，是了解磁场导向控制最需要知道的概念。这个概念是罗伯特·派克(Robert Park)在1929年的论文中提出的。派克变换被列为二十世纪发表电力电子相关论文中，第二重要的论文。派克变换的重要性是可以将马达有关的微分方程，由变系数微分方程变成“时不变”系数的微分方程。矢量控制可以适用在交流感应马达及直流无刷马达，早期开发的目的为了高性能的马达应用，可以在整个频率范围内运转、马达零速时可以输出额定转矩、且可以快速的加减速。不过相较于直流马达，矢量控制可配合交流马达使用，马达体积小，成本及能耗都较低，因此开始受到产业界的关注。矢量控制除了用在高性能的马达应用场合外，也已用在一些家电中。

FOC算法增加了能量使用效率，稳定性以及转速范围，降低了电机运转时的噪音。但是在FOC算法中，为了防止同一桥臂的两个导通管同时导通(图1中的a、b、c三相)，必须在两个PWM信号之间插入数个微秒的死区(图2中的Tdt)。死区时间会导致基波电压降低、电流弦波畸变、转矩波动电机不稳等死区效应。

为了解决死区时间导致的基波电压降低、电流弦波畸变、转矩波动电机不稳等死区效应问题，现今已有许多技术人员提出了各种补偿方法，来解决这一问题。不过现今这一问题的解决方法，大多可以分为两类，一是基于时间或平均电压的补偿方法，另一种方法是预测电流。通过多次采样，根据某一次检测到的电流、电机的数学模型以及下一次的理想电流，计算出补偿电压，然后再修改PWM脉宽来产生这一电压矢量。

现有技术中，理想情况为Q1、Q2两个导通管完全互补，实际情况为导通管打开和关闭都有一定的时间Ton和Toff，以及为了避免两管同时导通而增加的死区时间Tdt。两者理想情况与实际情况相差(Tdt+Ton-Toff)，只需要根据极性加减(Tdt+Ton-Toff)即可。使用平均电压方法计算时，需要增大或减小α轴的电压分量(图3)，而改变电压就是增大或减小PWM(脉冲宽度调制)脉宽，计算得到的结果实际与通过时间补偿的计算结果相同。这样就可以解决死区时间导致的基波电压降低、电流弦波畸变、转矩波动电机不稳定等死区效应问题。

另一种解决死区效应的方法是预测电流，通过多次采样，根据某一次检测到的电流、电机的数学模型以及下一次的理想电流，计算出补偿电压，然后再修改PWM脉宽来产生这一电压矢量。这种方式实时观测电流，预测下一次的采样电流所需要的电压矢量，符合当时的实际情况，将死区效应以及其他意外因素都归入电流，能够较为精确的进行补偿。

上述时间或平均电压的补偿方法虽简单易行，但是由于电流极性的检测非常重要，一旦检测错误，就会造成更大的误差；另外负载不同也会影响补偿电压，这一方法并没有考虑这一情况，因此补偿不够精确。也就无法彻底解决死区时间导致的基波电压降低、电流弦波畸变、转矩波动电机不稳等死区效应问题。

本实用新型提供了一种三相电机控制系统，可有效解决电机控制系统中出现死区效应的技术问题的，其通过间接消除死区效应，对死区效应的消除更加准确；消除了三相电机控制系统采用电压补偿法消除死区效应不够精确的缺陷；又克服了用预测电流法制造的三相电机控制系统机构复杂，成本过高的弊端，更加简单、稳定、实用。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种三相电机控制系统，可有效解决电机控制系统中出现死区效应的技术问题的。

本实用新型的具体技术方案是：

三相电机控制系统的总体结构包括32位微控制器和电机驱动电路，其中32位微控制器包括32位CPU内核、12bit精度ADC、串口UART、3组6路PWM、位置传感器接口，其中ADC连接到电流反馈电路，PWM连接到三相逆变器，位置传感器接口连接到电机中的位置传感器。其中所述电机驱动电路反馈信息给微控制器，而微控制器通过PWM驱动来控制电机驱动电路。如图5，控制系统以32位MCU为主，共有3个作用：1、输出6路PWM控制MOS管的导通与关闭；2、使用ADC(模数转换)采样三相中2相的反馈电流，同时获取电机转子位置，再通过如图7，所述的FOC算法,计算出当前电压矢量，进而计算出PWM的占空比动态调整电压矢量，保证电机持续稳定转动；3、使用UART与电脑或其他终端通讯，接收终端的指令以及发送电机状态给终端。

如图6，电机驱动系统包括1个三相逆变器和电流反馈电路，这里的三相逆变器，根据控制部分的PWM来导通或关闭MOS管，形成三相交流电来驱动电机；所述三相逆变器包括6个PWM和六个二极MOS管组成a、b、c三相电路，所述a相电路包括Q1、Q2、PWM1H、PWM1L；所述b相电路包括Q3、Q4、PWM2H、PWM2L，其中PWM2H用于控制Q3的通断，PWM2L用来控制Q4的通断；所述c相电路包括Q5、Q6、PWM3H、PWM3L，其中PWM3H用于控制Q5的通断，PWM3L用来控制Q6的通断；

如图8、9、10所述a相中当电流方向为正方向，导通管Q1关闭，电流通过Q2的二极管，导通管Q1的开关的开启关闭对电机没有影响，此时在上桥臂按照计算得到的脉宽控制通断时间，下桥臂插入2个死区时间，通过这一方法来避免死区效应的产生。当电流为负方向，导通管Q2关闭，电流流经导通管Q1的二极管，在这段时间内，导通管Q2的开关可以通断而对电机没有影响，此时在下桥臂按照计算得到的时间控制通道时间，在上桥臂插入2个死区时间，通过这种方法来避免死区效应的产生。

所述b相中当电流方向为正方向，导通管Q3关闭，电流通过Q4的二极管，导通管Q3的开关的开启关闭对电机没有影响，此时在上桥臂按照计算得到的脉宽控制通断时间，下桥臂插入2个死区时间，通过这一方法来避免死区效应的产生。当电流为负方向，导通管Q4关闭，电流流经导通管Q3的二极管，在这段时间内，导通管Q4的开关可以通断而对电机没有影响，此时在下桥臂按照计算得到的时间控制通道时间，在上桥臂插入2个死区时间，通过这种方法来避免死区效应的产生。

所述c相中当电流方向为正方向，导通管Q5关闭，电流通过Q6的二极管，导通管Q5的开关的开启关闭对电机没有影响,此时在上桥臂按照计算得到的脉宽控制通断时间，下桥臂插入2个死区时间，通过这一方法来避免死区效应的产生。当电流为负方向，导通管Q6关闭，电流流经导通管Q5的二极管，在这段时间内，导通管Q6的开关可以通断而对电机没有影响,此时在下桥臂按照计算得到的时间控制通道时间，在上桥臂插入2个死区时间，通过这种方法来避免死区效应的产生。

所述的反馈电路分由两个子反馈电路组成，用于获取反馈电流和转子位置，再计算出当前PWM的占空比，从而形成闭环网络，动态调节电压矢量，使电机稳定转动。

所述电流反馈电路直接与ADC电路相连接。

电机的三相电路分别连接于a、b、c三相电路上桥臂和下桥臂之间。

本实用新型的有益效果是：对三相电机控制系统中死区效应的消除更加准确，且结构简单，制造成本低，运行稳定。

说明书附图

图1：现有技术中三相电机电路结构示意图；

图2：三相电机中的死区效应示意图；

图3：空间电压矢量示意图；

图4：三相电机整体电路结构示意图；

图5：三相电机控制部分电路图；

图6：三相电机驱动部分电路图；

图7：FOC算法总体方框图；

图8：三相电路a相电路结构图；

图9：正电流方向插入死区时间示意图；

图10：负电流方向插入死区时间示意图；

具体实施例

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

实施列1：如图4，本实用新型的总体结构包括32位微控制器和电机驱动电路，其中32位微控制器包括CPU32bit、UART、ADC12bit、QEP。其中ADC12bit一端与电流反馈电路相连，另一端与QEP及三相逆变器相连。其中所述电机驱动电路反馈信息给微控制器，而微控制器通过PWM驱动来控制电机驱动电路。如图5，控制系统以32位MCU为主，共有3个作用：1、输出6路PWM控制MOS管的导通与关闭；2、使用ADC(模数转换)采样三相中2相的反馈电流，同时获取电机转子位置，再通过如图7，所述的FOC算法,计算出当前电压矢量，进而计算出PWM的占空比动态调整电压矢量，保证电机持续稳定转动；3、使用UART与电脑或其他终端通讯，接收终端的指令以及发送电机状态给终端。

如图6，电机驱动系统包括1个三相逆变器和电流反馈电路，这里的三相逆变器，根据控制部分的PWM来导通或关闭MOS管，形成三相交流电来驱动电机；所述三相逆变器包括6个PWM和六个二极MOS管组成a、b、c三相电路，所述a相电路包括Q1、Q2、PWM1H、PWM1L；所述b相电路包括Q3、Q4、PWM2H、PWM2L，其中PWM2H用于控制Q3的通断，PWM2L用来控制Q4的通断；所述c相电路包括Q5、Q6、PWM3H、PWM3L，其中PWM3H用于控制Q5的通断，PWM3L用来控制Q6的通断；

本实施例中电流方向的判断方法是通过采样的a、b、c相电流计算得出，即通过双电阻测电流法得到ia和ib，采样电流ia和ib经过Clarke(克拉克)变换得到2轴静止坐标系的电流iα和iβ；再经过Park(帕克)变换得到2轴旋转坐标系下的id和iq；id和iq通过一个低通滤波器滤除高次谐波；最后得到的两个电流值用来判断电流的极性，通过这种方式减少电流在零点时的误差。最后根据a、b、c三相电流的极性插入死区，执行FOC(场定向控制)运算，动态调整PWM(脉冲宽度调制)脉宽。

如图8、9、10所述a相中当电流方向为正方向，导通管Q1关闭，电流通过Q2的二极管，导通管Q1的开关的开启关闭对电机没有影响，此时上桥臂按照计算得到的脉宽时间执行通断操作，在上桥臂不插入死区时间，在下桥臂插入两个死区时间，通过这种方法来避免死区效应的产生。当电流为负方向，导通管Q2关闭，电流流经导通管Q1的二极管，在这段时间内，导通管Q2的开关可以通断而对电机没有影响，此时下桥臂按照计算得到的脉宽时间执行通断操作，在下桥臂不插入死区时间，在上桥臂插入两个死区时间，通过这种方法来避免死区效应的产生。

所述b相中当电流方向为正方向，导通管Q3关闭，电流通过Q4的二极管，导通管Q3的开关的开启关闭对电机没有影响，此时上桥臂按照计算得到的脉宽时间执行通断操作，在上桥臂不插入死区时间，在下桥臂插入两个死区时间，通过这种方法来避免死区效应的产生。当电流为负方向，导通管Q4关闭，电流流经导通管Q3的二极管，在这段时间内，导通管Q4的开关可以通断而对电机没有影响，此时在下桥臂按照计算得到的时间控制通道时间，在上桥臂插入2个死区时间，通过这种方法来避免死区效应的产生。

所述c相中当电流方向为正方向，导通管Q5关闭，电流通过Q6的二极管，导通管Q5的开关的开启关闭对电机没有影响,此时上桥臂按照计算得到的脉宽时间执行通断操作，在上桥臂不插入死区时间，在下桥臂插入两个死区时间，通过这种方法来避免死区效应的产生。当电流为负方向，导通管Q6关闭，电流流经导通管Q5的二极管，在这段时间内，导通管Q6的开关可以通断而对电机没有影响,此时在下桥臂按照计算得到的时间控制通道时间，在上桥臂插入2个死区时间，通过这种方法来避免死区效应的产生。

因此根据电流方向的不同，控制上下桥臂的通断即可。在每一个周期中，当电流方向为正，上桥臂按照计算得到的时间进行控制，对下桥臂插入2个死区时间，见图9；当电流方向为负，下桥臂按照计算得到的时间进行控制，对上桥臂插入2个死区，见图10。

本实用新型中a、b、c三相的电流方向与死区位置对应关系如下：

对于a相，当电流矢量位于0到π/2、3π/2到2π时，在下桥臂插入2个死区；当电流矢量位于π/2到3π/2时，在上桥臂插入2个死区。

对于b相，当电流矢量位于π/6到7π/6时，在下桥臂插入2个死区；当电流矢量位于0到π/6、7π/6到2π时，在上桥臂插入2个死区。

对于c相，电流矢量位于5π/6到11π/6时，在下桥臂插入2个死区；电流矢量位于0到5π/6、11π/6到2π时，在上桥臂插入2个死区。

所述这里的反馈电路分为两个小的子反馈电路，其直接与ADC电路相连接，用于获取反馈电流和转子位置，再计算出当前PWM的占空比，从而形成闭环网络，动态调节电压矢量，使电机稳定转动。

电机的三相电路分别连接于a、b、c三相电路上桥臂和下桥臂之间。从而有效准确的消除三相电机中死区效应，使三相电机控制电路结构更加简单，运行更加稳定。