一种基于永磁无刷直流电机的电动自行车控制方法
【专利摘要】本发明公开一种基于永磁无刷直流电机的电动自行车控制方法，该方法采用细分的转子位置信息直接启动电机，省去了传统控制从方波启动到正弦波启动的切换程序，控制方法包括转子区间计算模块、速度计算模块、角度细分模块、相位调整模块、速度控制模块、限流控制模块、波形调制模块、三相逆变器和电机启动模块；该方法提高了控制效率和系统性能，在电机运行时通过电机绕组的电流为正弦波形式，相比传统方波控制转矩脉动小，电机运行噪声低，可以延长电机使用寿命；相比传统的空间矢量控制，算法简单，容易实现，对微处理器的要求较低，具有很高的性价比。
【专利说明】一种基于永磁无刷直流电机的电动自行车控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电动自行车的控制结构及方法，尤其是基于永磁无刷直流电机的电动自行车控制结构及方法。
【背景技术】
[0002]永磁无刷直流电机以其结构简单、运行可靠、维护方便、效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点，广泛应用于家用电器、仪器仪表、医疗器械等工业领域。
[0003]永磁无刷直流电机控制方式一般为方波(或梯形波)控制，这种控制方式方法简单，容易实现，但是由于定子电流和气隙磁通为方波或梯形波，所以转矩脉动大，静音效果差，对电机控制效率不高。而现有的控制方法有的是在方波控制的基础上对电机电流进行补偿处理，这种方法不能从根本上消除脉动、降低噪音；有的是采用正弦波控制，这种控制方法对电源的利用率较低；还有的是采用空间矢量控制方法，这种控制方法对单片机的要求较高，算法很复杂，不利于实际操作。
[0004]永磁无刷直流电机正弦波控制在启动时一般需要从方波启动切换到正弦波控制，这种控制方法需要增加额外的启动程序，不利于提高控制效率和系统性能。因此，如何设计一种转矩脉动小，控制效率高，算法简单的电机控制结构及方法非常重要。
【发明内容】
[0005]发明目的:为了克服现有技术的不足，本发明提供一种采用细分的转子位置信息直接启动电机的基于永磁无刷直流电机的电动自行车控制结构及方法。
[0006]技术方案:一种基于永磁无刷直流电机的电动自行车控制方法，包括转子区间计算模块、速度计算模块、角度细分模块、相位调整模块、速度控制模块、限流控制模块、波形调制模块、三相逆变器和电机启动模块；
[0007]转子区间计算模块输入端与电机输出端的三路霍尔传感器相连，输出端分别连接波形调制模块输入端、角度细分模块输入端和速度计算模块输入端；所述波形调制模块输出端连接三相逆变器输入端；所述速度计算模块输出端连接相位调整模块输入端和速度控制模块的输入端；相位调整模块输出端和角度细分模块输出端连接波形调制模块的输入端和电机启动模块的输入端；所述速度控制模块的输出端连接限流控制输入端，限流控制输出端连接波形调制模块输入端；所述三相逆变器一个输出端接入限流控制模块输出端，另一组输出端接入电机；
[0008]该方法包括以下步骤:
[0009]I)检测三路霍尔传感器信号得到电机转子位置所在区间和波形调制模块的周期；
[0010]2)检测母线电流得到限流控制所需的实际电流值i ;
[0011]3)三路霍尔传感器信号经过转子区间计算出的数值，经过速度计算模块得到电机实际速度ω ；[0012]4)实际速度ω经过速度环PI控制后，与实际电流i 一同经过限流控制，得到波形调制|吴块的幅值；
[0013]5)实际速度ω通过相位调整模块计算，三路霍尔传感器信号经过转子区间计算出的数值通过角度细分模块计算，共同得到波形调制模块的相位；
[0014]6)波形调制模块依据调制原则，根据步骤I)得到的周期、步骤4)得到的幅值和步骤5)得到的相位，依据调制原则输出马鞍状的脉冲宽度调制电压，在电机正常启动之后，驱动永磁无刷直流电机运行。
[0015]步骤5)中的相位调制模块根据步骤3)得到电机实际速度ω来调整。步骤5)中的角度细分模块的Θ根据下式来计算:
[0016]Θ =
[0017]其中Θ = 1，2，3，4，5，6)为转子区间所在初始位置，分别是Θ: = 330, θ2 =30，Θ 3 = 90, θ4 = 150，θ 5 = 210, θ 6 = 270，θν = (60t)/T6。，t 为本次 60。区间内实时计数值，T6tl为上次60°区间所用时间。
[0018]步骤6)中使用电机启动模块来启动电机,启动电机的步骤是:接收到电机启动信号之后，给波形调制模块一个预定的幅值，把根据转子区间信息和角度细分得出的细分转子位置作为相位，确认不过流后启动电机；
[0019]如果电机发生倒转，把倒转之后所在区间作为起始启动区间重新启动，直到电机正常启动之后，退出电机启动程序。
[0020]所述方法的控制芯片为单片机，所述单片机分别与三相驱动电路模块、检测模块、转把输入模块和电流检测模块连接；
[0021]电机驱动电路模块包括三路独立驱动模块，分别与三相桥式功率开关管连接，三相桥式功率开关管与母线电流取样模块和无刷直流电机连接，霍尔位置传感器固定在无刷直流电机定子上。
[0022]所述转把模块包括一个线性霍尔传感器。电流取样模块是在母线上串连一取样电阻，获得取样电压后送到电流检测模块得出取样电流i。
[0023]有益效果:
[0024]1、根据细分的转子位置信息直接启动电机，省去了传统控制从方波启动到正弦波启动的切换程序，提高了控制效率和系统性能。
[0025]2、在电机运行时通过电机绕组的电流为正弦波形式，相比传统方波控制转矩脉动小，电机运行噪声低，可以延长电机使用寿命。
[0026]3、相比传统的空间矢量控制，算法简单，容易实现，对微处理器的要求较低，具有很高的性价比。
[0027]【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1是系统框图
[0029]图2是区间划分示意图
[0030]图3是角度细分方法示意图
[0031]图4是相电流与反电势关系示意图
[0032]图5是相电流与相电压关系示意图
[0033]图6是波形调制模块生成波形的原理示意图[0034]图7是电机启动过程处理流程图
[0035]图8是霍尔位置检测处理流程图
[0036]图9是速度环流程图
[0037]图10是电流环流程图
[0038]图11是硬件电路框图
【具体实施方式】
[0039]下面结合图对本发明做更进一步的解释。
[0040]如图1所示，一种基于永磁无刷直流电机的电动自行车控制方法，包括转子区间计算模块、速度计算模块、角度细分模块、相位调整模块、速度控制模块、限流控制模块、波形调制模块、三相逆变器和电机启动模块；
[0041]转子区间计算模块输入端与电机输出端的三路霍尔传感器相连，输出端分别连接波形调制模块输入端、角度细分模块输入端和速度计算模块输入端；所述波形调制模块输出端连接三相逆变器输入端；所述速度计算模块输出端连接相位调整模块输入端和速度控制模块的输入端；相位调整模块输出端和角度细分模块输出端连接波形调制模块的输入端和电机启动模块的输入端；所述速度控制模块的输出端连接限流控制输入端，限流控制输出端连接波形调制模块输入端；所述三相逆变器一个输出端接入限流控制模块输出端，另一组输出端接入电机；
[0042]该方法包括以下步骤:
[0043]I)检测三路霍尔传感器信号得到电机转子位置所在区间和波形调制模块的周期；
[0044]2)检测母线电流得到限流控制所需的实际电流值i ;
[0045]3)三路霍尔传感器信号经过转子区间计算出的数值，经过速度计算模块得到电机实际速度ω ;因为电机速度不能够直接测得，需要根据霍尔传感器的信号来计算。而电机速度与霍尔传感器信号的周期成正比，所以我们可以根据从三路霍尔传感器信息得到的转子区间来估算电机实际速度。
[0046]4)实际速度ω经过速度环PI控制后，与实际电流i 一同经过限流控制，得到波形调制|吴块的幅值；
[0047]5)实际速度ω通过相位调整模块计算，三路霍尔传感器信号经过转子区间计算出的数值通过角度细分模块计算，共同得到波形调制模块的相位；
[0048]6)波形调制模块依据调制原则，根据步骤I)得到的周期、步骤4)得到的幅值和步骤5)得到的相位，依据图6的调制原则输出马鞍状的脉冲宽度调制电压，在电机正常启动之后，驱动永磁无刷直流电机运行。
[0049]步骤5)中的相位调制模块根据步骤3)得到电机实际速度ω来调整。
[0050]如图2所示，三个霍尔传感器信号可以确定电子转子的六个位置，软件中可以用三个bit位来表示。对于霍尔传感器按照120°空间分布安装的电机来说，表示范围为000-111，其中000和111为无效的两个状态。电机一个电周期是360°，霍尔传感器确定的六个位置可以把360°划分为六个区间，每个区间表示60°。从区间I至区间6，完成一次电机旋转既一个电周期。[0051]如图3所示，步骤5)中的角度细分模块的Θ根据下式来计算:
[0052]Θ =
[0053]其中Θ = 1，2，3，4，5，6)为转子区间所在初始位置，分别是Θ工=330, Θ 2 =30，Θ 3 = 90, θ4 = 150，05 = 210，Θ 6 = 270，θν = (60t)/T6。，t 为本次 60。区间内实时计数值，T6tl为上次60°区间所用时间。
[0054]相位调制模块根据电机实际速度ω来调整。对于永磁无刷直流电机，由于电机为感性负载，因此电机相电压超前电机相电流一个角度，称为相位超前角S，如图5所示。由于电机相电压与反电势是同相位的，同时相电压超前相电流的角度为S，因此相电流滞后于反电势的角度为S。由于只有电机相电流与反电势同相位时(如图4所示)电机才能输出最大转矩，因此通过调整相位超前角S可使生成的正弦波相电压超前于反电势从而可以提高输出转矩，达到提高效率的目的。角度S的值通过实际测试不同的速度对应相应的调整角度，然后做成固定数据在电机运行时通过软件查表来实现。
[0055]本控制方法所用的波形调制策略是正弦波加三次谐波的形式，调制原理是在正弦波的基础上加入一个三次谐波，三次谐波的频率是基波的三倍，幅值是基波幅值的1/6。如图6所示，左边是单个的正弦波加单个的三次谐波，右边是复合波的效果，也是我们最终想要的正弦波加三次谐波调制方式的波形。在电机运行时通过电机绕组的电流为正弦波形式，相比传统方波控制转矩脉动小，电机运行噪声低，可以延长电机使用寿命。
[0056]如图7所示,步骤6)中使用电机启动模块来启动电机,启动电机的步骤是:接收到电机启动信号之后，给波形调制模块一个预定的幅值，把根据转子区间信息和角度细分得出的细分转子位置作为相位，确认不过流后启动电机；根据细分的转子位置信息直接启动电机，省去了传统控制从方波启动到正弦波启动的切换程序，提高了控制效率和系统性能。
[0057]如果电机发生倒转，把倒转之后所在区间作为起始启动区间重新启动，直到电机正常启动之后，退出电机启动程序。
[0058]图8为霍尔位置检测与处理流程图，单片机通过中断程序检测霍尔信号，在经过软件滤波之后，根据检测到的信号判断电机运行方向，划分转子所在位置区间。
[0059]如图9和图10所示，速度控制的输入为转把给定和速度反馈的误差，在经过PI控制后输出数据至电流环，限流控制的输入为速度控制的输出和实际电流的误差，在进过PI控制后得到波形调制的幅值。
[0060]如图11所示，方法的控制芯片为单片机，所述单片机分别与三相驱动电路模块、检测模块、转把输入模块和电流检测模块连接；
[0061]电机驱动电路模块包括三路独立驱动模块，分别与三相桥式功率开关管连接，三相桥式功率开关管与母线电流取样模块和无刷直流电机连接，霍尔位置传感器固定在无刷直流电机定子上。
[0062]所述转把模块包括一个线性霍尔传感器。电流取样模块是在母线上串连一取样电阻，获得取样电压后送到电流检测模块得出取样电流i。
[0063]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种基于永磁无刷直流电机的电动自行车控制方法，其特征在于，包括转子区间计算模块、速度计算模块、角度细分模块、相位调整模块、速度控制模块、限流控制模块、波形调制模块、三相逆变器和电机启动模块； 所述转子区间计算模块输入端与电机输出端的三路霍尔传感器相连，输出端分别连接波形调制模块输入端、角度细分模块输入端和速度计算模块输入端；所述波形调制模块输出端连接三相逆变器输入端；所述速度计算模块输出端连接相位调整模块输入端和速度控制模块的输入端；相位调整模块输出端和角度细分模块输出端连接波形调制模块的输入端和电机启动模块的输入端；所述速度控制模块的输出端连接限流控制输入端，限流控制输出端连接波形调制模块输入端；所述三相逆变器一个输出端接入限流控制模块输入端，另一组输出端接入电机； 该方法包括以下步骤: 1)检测三路霍尔传感器信号得到电机转子位置所在区间和波形调制模块的周期； 2)检测母线电流得到限流控制所需的实际电流值i; 3)三路霍尔传感器信号经过转子区间计算出的数值，经过速度计算模块得到电机实际速度ω ； 4)实际速度ω经过速度环PI控制后，与实际电流i一同经过限流控制，得到波形调制模块的幅值； 5)实际速度ω通过相位调整模块计算，三路霍尔传感器信号经过转子区间计算出的数值通过角度细分模块计算，共同得到波形调制模块的相位； 6)波形调制模块依据调制原则，根据步骤I)得到的周期、步骤4)得到的幅值和步骤5)得到的相位，依据调制原`则输出马鞍状的脉冲宽度调制电压，在电机正常启动之后，驱动永磁无刷直流电机运行。
2.如权利要求1所述的一种基于永磁无刷直流电机的电动自行车控制方法，其特征在于，所述步骤5)中的相位调制模块根据步骤3)得到电机实际速度ω来调整。
3.如权利要求1所述的一种基于永磁无刷直流电机的电动自行车控制方法，其特征在于，所述步骤5)中的角度细分模块的Θ根据下式来计算:
θ = Θ.+ Θ
IV 其中Θ i α = 1，2，3，4，5，6)为转子区间所在初始位置，分别是0 I = 330，Θ 2 = 30, Θ 3= 90，θ4 = 150, θ5 = 210, θ 6 = 270，θν= (60t)/T6Q，t 为本次 60° 区间内实时计数值，T6tl为上次60°区间所用时间。
4.如权利要求1所述的一种基于永磁无刷直流电机的电动自行车控制方法，其特征在于，所述步骤6)中使用电机启动模块来启动电机,启动电机的步骤是:接收到电机启动信号之后，给波形调制模块一个预定的幅值，把根据转子区间信息和角度细分得出的细分转子位置作为相位，确认不过流后启动电机； 如果电机发生倒转，把倒转之后所在区间作为起始启动区间重新启动，直到电机正常启动之后，退出电机启动程序。
5.如权利要求1所述的一种基于永磁无刷直流电机的电动自行车控制方法，其特征在于:所述方法的控制芯片为单片机，所述单片机分别与三相驱动电路模块、检测模块、转把输入模块和电流检测模块连接；所述电机驱动电路模块包括三路独立驱动模块，分别与三相桥式功率开关管连接，三相桥式功率开关管与母线电流取样模块和无刷直流电机连接，霍尔位置传感器固定在无刷直流电机定子上。
6.如权利要求5所述的一种基于永磁无刷直流电机的电动自行车控制方法，其特征在于:所述转把模块包括一个线性霍尔传感器。
7.如权利要求5所述的一种基于永磁无刷直流电机的电动自行车控制方法，其特征在于:所述电流取样模块是在母线上串连一个取样电阻，获得取样电压后送到电流检测模块得出取样电流i。
【文档编号】H02P6/16GK103731076SQ201410001321
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2014年1月2日 优先权日:2014年1月2日
【发明者】王会明, 李世华, 颜赟达, 杨俊
申请人:东南大学