一种无刷直流电机回馈制动运行的PWM控制方法与流程

本发明涉及无刷直流电机控制领域，更具体地说，涉及一种无刷直流电机回馈制动运行的pwm控制方法。

背景技术：

无刷直流电机具有结构简单，功率密度大和效率高等优点，广泛应用于电动汽车领域。在电动汽车运行过程中，有时需要根据实际情况进行减速或制动。常见的制动方式有机械制动和电气制动，其中电气制动包括能耗制动、反接制动和回馈制动。机械制动直接将机械能转化为热能，制动方式简单可靠；能耗制动将系统的动能转化为电能消耗在制动电阻上；反接制动将电机绕组与电源相接的极性对调，制动效果明显，但需要电源提供制动电流；回馈制动无需改变系统硬件结构，只需对回馈电流进行控制，即可实现较好的制动效果。因此一般制动方式选择回馈制动。

脉冲宽度调制(pwm)就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形。

无刷直流电机工作在三相六状态两两导通模式下，当非导通相电压高于直流母线电压或低于零(忽略二极管导通压降)时，会使相连的二极管正向偏置，非导通相绕组中有电流产生，称为非导通相续流。

回馈制动时的pwm调制方式分为单臂斩波和双臂斩波。在单臂斩波中，任意时刻只有一个开关管有pwm开关动作；而在双臂斩波中，任意时刻上、下桥臂两个开关管均有pwm开关动作。传统单臂斩波存在非导通相续流现象，加剧了转矩脉动，而双臂斩波没有非导通相续流；双臂斩波两个开关管同时有pwm开关动作，开关损耗较大；单臂斩波在整个pwm周期内，蓄电池没有能量输出，而双臂斩波在续流阶段蓄电池有能量输出，使得双臂斩波存在临界转速，在电机转速低于临界转速时，蓄电池输出能量大于电机回馈能量，无法实现电机制动。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种完全抑制非导通相续流现象且不存在临界转速，不增加器件开关损耗的无刷直流电机回馈制动运行的pwm控制方法。

本发明的目的是通过下列技术方案来实现：

步骤一：无刷直流电机采用三相六状态两相绕组导通方式，通过霍尔传感器检测转子位置输出霍尔信号，得到三相霍尔信号ha、hb、hc与逆变器中开关管的对应逻辑关系；

步骤二：回馈制动运行状态下采用转矩闭环控制，转矩反馈量与转矩给定量进行比较，得到的转矩误差经过转矩控制器输出高、低电平，与三相霍尔信号一起输入到pwm_off_pwm控制模块中；

步骤三：回馈制动运行下pwm控制采用pwm_off_pwm调制方式，对任意开关管，设其作用区间为：θ～θ+30°、θ+90°～θ+120°，令θ～θ+60°对应的霍尔信号延迟30°电角度得到θ+30°～θ+90°信号，将θ+30°～θ+90°信号与θ～θ+120°对应的霍尔信号进行“异或”操作，再与转矩控制器输出的高、低电平进行“与”操作，得到开关管的pwm信号，在pwm_off_pwm调制方式下，任意开关管导通的120°电角度期间内，前30°和后30°进行pwm调制，中间60°保持关断，输出的pwm信号通过控制逆变器中开关管的导通与关断，使对应相绕组导通，驱动无刷直流电机旋转。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：提供了一种无刷直流电机回馈制动运行的pwm控制方法：pwm_off_pwm，该发明能够完全抑制非导通相续流现象且不存在临界转速；保证了任意时刻只有一个开关管进行pwm调制，不增加器件的开关损耗；六个开关管轮流进行pwm调制，各个开关管发热均匀，有利于提高系统的可靠性。该pwm控制不需增加硬件电路，控制方法简单，易于实现。

附图说明

图1为本发明一种无刷直流电机回馈制动运行的pwm控制方法控制原理图。

图2为回馈制动运行下反电动势和相电流对应波形图。

图3为该发明pwm_off_pwm下的pwm控制方式图。

图4为图1原理图中pwm_off_pwm控制模块实施框图。

图5(a)回馈制动运行状态ab相导通前30°电角度开关管vt4pwm为高电平时电流流向图。

图5(b)回馈制动运行状态ab相导通前30°电角度开关管vt4pwm为低电平时电流流向图。

图5(c)回馈制动运行状态ab相导通后30°电角度开关管vt3pwm为高电平时电流流向图。

图5(d)回馈制动运行状态ab相导通后30°电角度开关管vt3pwm为低电平时电流流向图。

图6为单臂斩波中pwm_off下的a相电流仿真波形图。

图7为双臂斩波hpwm_lpwm下的a相电流仿真波形图。

图8为该发明pwm_off_pwm下的a相电流仿真波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1是无刷直流电机回馈制动运行的控制原理图，制动运行状态下电机转速与转矩反向，电机转速为给定量，转矩为控制量，采用转矩闭环控制。转矩反馈量与转矩给定量进行比较，得到的转矩误差经过转矩控制器后输出高、低电平，与霍尔信号一起输入到pwm_off_pwm控制模块，控制三相逆变器中开关管导通与关断，实现无刷直流电机回馈制动运行。

图2为无刷直流电机两相绕组导通回馈制动运行下理想反电动势和相电流对应波形图，制动运行状态下反动电势和相电流反向，其中反电动势为梯形波，电流为矩形波，ea、eb、ec、ia、ib、ic分别为三相反电动势和三相相电流，e为反电势幅值，θ为电角度。

图3为该发明下pwm_off_pwm调制方式图，可以看出，在每个开关管导通的120°电角度期间内，前30°和后30°进行pwm，中间60°保持关断，任意时刻只有一个开关管有pwm开关动作。

常用的几种单臂斩波pwm控制如下：(1)hpwm_loff，即上桥臂开关管pwm，下桥臂开关管关断；(2)hoff_lpwm，即上桥臂开关管关断，下桥臂开关管pwm；(3)pwm_off，即在每个开关管导通的120°电角度期间内，前60°进行pwm，后60°关断；(4)off_pwm，即在每个开关管导通的120°电角度期间内，前60°关断，后60°进行pwm，单臂斩波在任意时刻都只有一个开关管进行pwm调制。双臂斩波为hpwm_lpwm调制方式，即在任意时刻上、下桥臂两个开关管同时进行pwm调制。

表一回馈制动运行状态下三相霍尔信号与开关管对应逻辑

图4为该pwm_off_pwm调制方式实施框图，三相霍尔信号与开关管的对应逻辑关系如表一所示。对开关管vtm(m表示1～6)，设其作用区间为：θ～θ+30°，θ+90°～θ+120°，令θ～θ+60°对应的霍尔信号延迟30°电角度得到θ+30°～θ+90°信号，将延迟信号θ+30°～θ+90°信号与θ～θ+120°对应的霍尔信号进行“异或”操作，再与转矩控制器输出的高、低电平进行“与”操作，即可得到开关管vtm的pwm信号。以开关管vt1为例，其作用区间为180°～210°、270°～300°。a.将180°～240°对应的霍尔信号010(即)延迟30°电角度；b.该延迟信号与180°～300°对应的霍尔信号01x(即其中x代表0、1信号)进行“异或”操作；c.再与转矩控制器输出的高、低电平进行“与”操作，即可得到开关管vt1的pwm信号。当转矩控制器输出高电平时，pwm信号为高电平，对应开关管导通；当转矩控制器输出低电平时，pwm信号为低电平，对应开关管关断。同理可得到其他5个开关管的pwm信号。

以回馈制动运行ab相导通为例，由图2和图3可知，a相电流为正，b相电流为负，开关管vt4和vt3每30°电角度交替进行pwm，电流过程如图5(a)-图5(d)所示。在前30°电角度内，当pwm信号为高电平时，vt4导通，vt4与vd6导通续流，电感储能，此时处于续流状态；当pwm信号为低电平时，vt4关断，vd1与vd6导通向蓄电池回馈能量，电感放电，此时处于回馈状态。后30°电角度内，当pwm信号为高电平时，vt3导通，vt3与vd1导通续流，电感储能，此时处于续流状态；当pwm信号为低电平时，vt3关断，vd1与vd6导通向蓄电池回馈能量，电感放电，此时处于回馈状态。在整个ab相导通期间蓄电池没有能量输出，不存在临界转速，同理可分析其它相导通情况。

当非导通相电压高于直流母线电压ud或低于零(忽略二极管导通压降)时，会使相连的二极管正向偏置，非导通相绕组中将会有电流产生，称为非导通相续流。非导通相相电压表达式为：uoff＝un+eo(uoff、un、eo分别是非导通相电压、中性点电压和非导通相反电势)

对无刷直流电机，ud＞2e，端电压方程为：其中，r，l分别为相电阻和等效相电感，x∈{a,b,c}。

分析该发明pwm_off_pwm调制方式下非导通相续流现象，中性点电压的取值有以下三种：

由图2可知，①在0～360°电角度期间内，-e＜eo＜e，当pwm信号为低电平时，上、下桥臂两个二极管导通向蓄电池回馈能量，此时处于回馈状态，中性点电压

②在0～30°、90°～120°、120°～150°、210°～240°、240°～270°、330°～360°期间内，0＜eo＜e，下桥臂开关管pwm，当pwm信号为高电平时，下桥臂对应开关管与二极管导通续流，此时处于续流状态，中性点电压un＝0，0＜uoff＜e＜ud。

③在30°～60°、60°～90°、150°～180°、180°～210°、270°～300°、300°～330°期间内，-e＜eo＜0，上桥臂开关管pwm，当pwm信号为高电平时，上桥臂对应开关管与二极管导通续流，此时处于续流状态，中性点电压un＝ud，0＜ud-e＜uoff＜ud。

因此该pwm调制方式在0～360°电角度内都有0＜uoff＜ud，不会产生非导通相续流。

本发明实施例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

实施例

本发明采用无刷直流电机各参数值如下：额定蓄电池电压ud＝300v，额定电机转速n＝1500r/min，磁极对数p＝4，等效电感l＝0.1884mh进行仿真验证。由于回馈制动运行状态下电机转速与转矩反向，给定转矩t＝-17nm。对开关管vtm(m表示1～6)，设其作用区间为：θ～θ+30°，θ+90°～θ+120°，令θ～θ+60°对应的霍尔信号延迟30°电角度得到θ+30°～θ+90°信号，将该延迟信号与θ～θ+120°对应的霍尔信号进行“异或”操作，再与转矩控制器输出的高、低电平进行“与”操作，即可得到开关管vtm在pwm_off_pwm调制方式下的pwm信号。图6～8分别对应单臂斩波pwm_off、双臂斩波hpwm_lpwm和该发明pwm_off_pwm调制方式下a相电流仿真波形图。由图6可以看出，回馈制动运行状态下单臂斩波时存在非导通相续流，如图中画圈的地方；图7中双臂斩波hpwm_lpwm调制方式下不存在非导通相续流，但由于双臂斩波两个开关管pwm，其非换相期间非换相电流波动较大；图8中新型pwm_off_pwm调制方式下也没有非导通相续流。仿真结果符合理论分析情况。

综上可知，采用一种无刷直流电机回馈制动运行的pwm_off_pwm控制方法能够抑制非导通相续流现象并且不存在临界转速；保证了任意时刻只有一个开关管进行pwm调制，不增加器件的开关损耗；六个开关管轮流进行pwm调制，各个开关管发热均匀，有利于提高系统的可靠性；不增加硬件复杂程度，控制方法简单且易于实现。