一种直流无刷电动机控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种直流无刷电动机控制方法；所应用的控制系统包括对于三相逆变器，在120°导通区间，其中一相桥臂上下开关管控制互补开通，而另外两相下桥臂交替恒通60°的方式。即在0°～60°区间内，T1与T4互补开通，T6常开；在60°～120°区间内，T1与T4互补开通，T2常开；在120°～180°区间内，T3与T6互补开通，T2常开；在180°～240°区间内，T3与T6互补开通，T4常开；在240°～300°区间内，T2与T5互补开通，T4常开；在300°～360°区间内，T2与T5互补开通，T6常开。
【专利说明】一种直流无刷电动机控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种直流无刷电动机控制方法。
【背景技术】
[0002]目前直流无刷电动机的主要调制方式一般有五种，分别为PWM-ON型、ON-PWM型、H_PWM-L_0N 型、H_0N-L_PWM 型、H_PWM-L_PWM 型，其控制方法如下:
[0003]⑴PWM-ON型:在120°导通区间，各开关管前60°采用PWM调制，后60°则恒通；
[0004](2) ON-PWM型:在120°导通区间，各开关管前60°恒通，后60°采用PWM调制；
[0005](3) H_PWM-L_0N型:在120°导通区间，上桥臂开关管采用PWM调制，下桥臂恒通；
[0006]⑷H_0N-L_PWM型:在各自的120°导通区间，上桥臂开关管恒通，下桥臂采用PWM调制；
[0007](5) H_PWM-L_PWM型:在120°导通区间，上下桥臂均采用PWM调制。
[0008]可以看出，前四种调制方式，由于始终是2个不同相的开关管动作，在减速或停机过程中，只能由相应的下桥臂二极管续流，形成内部续流，而没有相应的Boost升压电路作能量反馈通道，使能量利用率不高，电机的制动性能不佳。第五种方式，由于是双极性调制，其反馈通道是由相应二极管来续流完成的。电动机负载始终与电源有能量交换，但是开关损耗大约是其他方式的2倍，影响了它的应用范围。
[0009]综上所述，传统的控制策略存在以下缺点:
[0010]1、传统的直流无刷电动机控制策略在换相时转矩脉动较大，限制了直流无刷电动机的广泛应用。
[0011]2、传统的PI控制所需传感器较多，参数调整较复杂。
【发明内容】
[0012]本发明为了解决上述问题，提出了一种直流无刷电动机控制方法，该方法具有抑制转矩脉动、实现能量快速传递的优点。
[0013]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0014]一种直流无刷电动机控制系统，包括三相全桥逆变电路，三相全桥逆变电路包括并联的二条支路，每条支路包括两个串联的功率晶体管，每条支路中性点分别串联有电阻、电感和一相定子绕组，三相定子绕组为星型连接，每条支路的两端连接直流电源，功率晶体管两端并联有一个二极管。
[0015]所述三相定子绕组分别为A、B、C三相；对应的支路上桥臂功率晶体管分别为Tl、T3、T5，下桥臂功率晶体管分别为T2、T4、T6。
[0016]—种基于上述控制系统的控制方法为:三相逆变器,在120°导通区间,其中一相桥臂上下开关管控制互补开通，而另外两相下桥臂交替恒通60°。
[0017]所述控制方法的具体方式为:
[0018]在0°?60°区间内，Tl与T4互补开通，T6常开；在60°?120°区间内，Tl与T4互补开通，Τ2常开；在120°?180°区间内，Τ3与Τ6互补开通，Τ2常开；在180°?240°区间内，Τ3与Τ6互补开通，Τ4常开；在240°?300°区间内，Τ2与Τ5互补开通，Τ4常开；在300°?360°区间内，Τ2与Τ5互补开通，Τ6常开。
[0019]本发明的有益效果为:
[0020]1.有效抑制直流无刷电动机换相时转矩脉动；
[0021]2.有利于能量的反馈，实现电动机的快速停机和反转；
[0022]3.可以有效减少换相时转矩脉动。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为直流无刷电动机控制系统图；
[0024]图2为PWM-ON型电动机控制策略图；
[0025]图3为ON-PWM型电动机控制策略图；
[0026]图4为H_PWM-L_0N型电动机控制策略图；
[0027]图5为H_0N-L_PWM型电动机控制策略图；
[0028]图6为H_PWM_L_PWM型电动机控制策略图；
[0029]图7为直流无刷电动机控制策略图；
[0030]图8为电流双向限电路；
[0031 ]图9为DSP输入信号稳压保真电路；
[0032]图10为占空比为0.5条件下，电动机低速即轻载时A相电流与线电压Uab波形图；
[0033]图11为电机带载时换相过程中转矩脉动波形图。
【具体实施方式】:
[0034]下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0035]如图1所示，直流无刷电动机控制系统的核心是逆变器。整个电路由直流供电，控制系统的核心器件逆变器一般由6个功率晶体管(Tl?T6)实现控制，其中上桥臂为Tl、丁335，下桥臂为1234、16。逆变器是控制电机线圈有无电流的开关。而逆变器的核心是控制策略，其产生脉冲宽度调制信号控制晶体管开通和关短的频率及正反转的时间。
[0036]目前直流无刷电动机的主要调制方式一般有五种，分别为PWM-ON型、ON-PWM型、H_PWM-L_0N 型、H_0N-L_PWM 型、H_PWM_L_PWM 型。如图 2-6。
[0037](I)PWM-ON型:在120°导通区间，各开关管前60°采用PWM调制，后60°则恒通；
[0038](2) ON-PWM型:在120°导通区间，各开关管前60°恒通，后60°采用PWM调制；
[0039](3) H_PWM-L_0N型:在120°导通区间，上桥臂开关管采用PWM调制，下桥臂恒通；
[0040]⑷H_0N-L_PWM型:在各自的120°导通区间，上桥臂开关管恒通，下桥臂采用PWM调制；
[0041](5) H_PWM-L_PWM型:在120°导通区间，上下桥臂均采用PWM调制。
[0042]可以看出，前四种调制方式，由于始终是2个不同相的开关管动作，在减速或停机过程中，只能由相应的下桥臂二极管续流，形成内部续流，而没有相应的Boost升压电路作能量反馈通道，使能量利用率不高，电机的制动性能不佳。第五种方式，由于是双极性调制，其反馈通道是由相应二极管来续流完成的。电动机负载始终与电源有能量交换，但是开关损耗大约是其他方式的2倍，影响了它的应用范围。
[0043]三相对称正弦波信号，其幅值大小每隔60°改变一次，且当PWM的开关频率与正弦波频率相比足够高时，一个PWM开关周期中的调制信号幅值可以近似不变。因此，根据三相电压幅值大小关系进行分区，一个正弦波周期可以分为6个区。如图2，提出的新型直流无刷电动机控制策略，其特征是，对于三相逆变器，在120°导通区间，其中一相桥臂上下开关管控制互补开通，而另外两相下桥臂交替恒通60°的方式。即在0°~60°区间内，Tl与T4互补开通，T6常开；在60°~120°区间内，Tl与T4互补开通，T2常开；在120°~180°区间内，T3与T6互补开通，T2常开；在180°~240°区间内，T3与T6互补开通，T4常开；在240°~300°区间内，T2与T5互补开通，T4常开；在300°~360°区间内，T2与T5互补开通，T6常开。
[0044]这种调制方式下六个状态中任一状态都有三个开关管工作，不同于前面五种。它的优点是在电动机运行时，有利于能量的反馈，使电动机的停机和反转更迅速。因为当电动机运行时，从单相来看是电流双象限电路。[0045]如在某时刻，为1\、T4管上下调制，而T6管恒通，电动机运行于某一占空比。其电路如简化成图8。图中Uaci为电动机负载星型接法中点电压Un与反电动势之和。
[0046]从电流正向来看，电源、T1、D4和负载是Buck电路；当电能反向流时，开关管T4和D1组成Boost升压电路。当电动机占空比减小(即减速)或者要求停机时，导致电压UA〈UAQ，则电流会减小甚至反向，此时此电路是Boost电路。能量从电动机负载反馈给电源,能够实现正向制动，达到节能和快速停机的目的。
[0047]转矩的脉动主要来自电流的脉动，尤其换相时脉动最大。原因是:不管是上桥臂还是下桥臂换相，其关断相电流均不会瞬间为0，开通相也不会瞬间达到稳定值，这期间电流脉动引起转矩脉动。而这个时间At(换相到稳定)，一般是开关周期的几倍甚至更长。
[0048]先分析电动机平稳运行时，即不换相时电磁转矩大小。设Te表示无刷电动机产生的电磁转矩(单位N.m)，则三相电磁转矩总合可以表示为:
[0049]Te = (eAiA+eBiB+ecic) / ω
[0050]式中ω表示转子机械角速度。
[0051]由于直流无刷电动机的磁势为梯形波，所以电动机运行过程中任意时刻，只有反电动势值最大者开通，即只有两相开通(假如此时A相T1T4互补开通，则B相T6恒通)，得到:
【权利要求】
1.一种直流无刷电动机控制系统，其特征是:包括三相全桥逆变电路，三相全桥逆变电路包括并联的二条支路，每条支路包括两个串联的功率晶体管，每条支路中性点分别串联有电阻、电感和一相定子绕组，三相定子绕组为星型连接，每条支路的两端连接直流电源，功率晶体管两端并联有一个二极管。
2.如权利要求1所述的一种直流无刷电动机控制系统，其特征是:所述三相定子绕组分别为A、B、C三相；对应的支路上桥臂功率晶体管分别为T1、T3、T5，下桥臂功率晶体管分别为 Τ2、Τ4、Τ6。
3.一种基于权利要求1-2中任一项所述的控制系统的控制方法，其特征是:具体方法为:三相逆变器在120°导通区间，其中一相桥臂上下开关管控制互补开通，而另外两相下桥臂交替恒通60°。
4.如权利要求3所述的控制方法，其特征是:具体方式为:在0°?60°区间内，Tl与Τ4互补开通，Τ6常开；在60°?120°区间内，Tl与Τ4互补开通，Τ2常开；在120°?180°区间内，Τ3与Τ6互补开通，Τ2常开；在180°?240°区间内，Τ3与Τ6互补开通，Τ4常开；在240°?300°区间内，Τ2与Τ5互补开通，Τ4常开；在300°?360°区间内，Τ2与Τ5互补开通，Τ6常开。
【文档编号】H02P6/22GK103986377SQ201410245343
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年6月4日 优先权日:2014年6月4日
【发明者】吴奎华, 王建, 杨波, 吴健, 王浩, 孙伟, 张晓磊, 郑志杰, 杨慎全, 王轶群, 梁荣, 贾善杰 申请人:国家电网公司, 国网山东省电力公司经济技术研究院