一种无刷直流电机的控制系统及控制方法与流程

本发明涉及无刷直流电机的控制领域，具体涉及一种无刷直流电机的控制系统及控制方法。

背景技术：

传统无刷直流电机工作时，转子每旋转60°电角度，逆变电路上开关管的通断就会改变一次，开关管的交替通断使定子绕组产生旋转磁场，转子才能旋转。对于整个无刷直流电机控制系统，开关管是一个重要元件。

但是，使用开关管也会带来一些问题：开关管并不是一个理想开关，它本身还存在开关损耗、导通损耗等各种热损耗，各类热损耗与开关管的具体使用环境有关，无刷直流电机开关管的热损耗主要是开关损耗，对于大功率开关管，单管热损耗可达上百瓦，有时需要风扇进行主动散热，热损耗降低了无刷直流电机控制系统的整体效率；开关管的开通和关断过程对温度比较敏感，温度过高会影响逆变电路的稳定性，散热不良时还会烧毁开关管，在实际使用中，开关管损坏的一个重要原因就是高温导致烧毁；开关管的寿命即它的开关总次数是有限的，需要定期更换。以上问题是由开关管的开关特性导致的，当无刷直流电机带某些特定类型的负载时，并不需要转子每旋转60°电角度就通断一次开关管。因此，可以通过改进无刷直流电机的控制方法，降低上述问题造成的影响。

技术实现要素：

本发明提供了一种无刷直流电机的控制系统及控制方法，当无刷直流电机所带负载是对转速控制精度要求不高的负载或高转速低转矩负载时，该控制系统及控制方法能够减少三相逆变电路上开关管的开关次数，达到延长开关管寿命、降低开关管发热损耗、提高控制系统效率和稳定性的目的。

本发明的无刷直流电机的控制系统，为实现上述目的所采用的技术方案在于：包括无刷直流电机、转子位置传感器、数字信号处理器及三相逆变电路，所述数字信号处理器通过转子位置传感器连接无刷直流电机，所述三相逆变电路的输入端连接数字信号处理器、三相逆变电路的输出端连接无刷直流电机。

进一步地，所述数字信号处理器通过驱动电路连接三相逆变电路的输入端。

进一步地，所述三相逆变电路与无刷直流电机之间的连接线通过电流检测电路连接数字信号处理器。

进一步地，所述转子位置传感器为霍尔位置传感器。

进一步地，所述三相逆变电路的六个开关管采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。

本发明的无刷直流电机的控制方法，为实现上述目的所采用的技术方案在于包括以下步骤：

S1，根据需要设定一个转速误差值，即电机的给定转速与实际转速的差值；

S2，电机起动后，对转子定位以获取无刷直流电机的转子的当前位置，同时通过数字信号处理器计算电机的当前转速；

S3，根据给定转速与当前转速计算当前转速误差并判断其是否大于设定值，

若判断当前转速误差大于设定值，电机开始换相直到达到设定转速；若判断当前转速误差小于设定值，则关断三相逆变电路上的所有开关管，等待下一个转子位置，直到当前转速误差大于设定值。

进一步地，在步骤S2中，通过霍尔位置传感器获取无刷直流电机转子的当前位置。

进一步地，在步骤S2中，无刷直流电机的当前转速由数字信号处理器根据相邻两次转子位置信号的时间间隔和电机的极对数计算获得，计算公式为：

其中，T为无刷直流电机转子旋转60°电角度的时间，p为电机极对数。

本发明的有益效果是：本发明的控制方法涉及的无刷直流电机所带负载为高转速低转矩负载或对转速控制精度要求不高的负载。本发明的控制方法，首先根据需要设定一个转速误差值，电机起动后，安装在定子上的霍尔位置传感器获取无刷直流电机转子的当前位置，同时数字信号处理器计算电机的当前转速，然后根据给定转速与当前转速计算当前转速误差并判断其是否大于设定值，若判断当前转速误差大于设定值，电机开始换相直到达到设定转速，若判断当前转速误差小于设定值，则关断三相逆变电路上的所有开关管，等待下一个转子位置，直到当前转速误差大于设定值，电机开始换相，在此期间，即使转速误差小于设定值，也不会关断开关管，电机会连续换相直到转速达到设定转速，如此反复循环，控制电机运行，从而通过减少逆变电路上开关管开关次数的方法延长了开关管的使用寿命，并且降低了开关管的热损耗，提高了控制系统的效率和稳定性；若开关管的散热系统发生故障(例如热敏电阻失效)，还能够降低开关管被烧毁的概率。本控制方法不影响电机的输出效果或达到相同输出效果。

附图说明

图1是本发明的控制系统的结构示意图；

图2是本发明的控制方法的流程图；

图3为PWM波的占空比为0.75时，IGBT和定子绕组的导通顺序图；

图4为设电机开始稳态运行后AB相首先导通时，IGBT和定子绕组的导通顺序图；

图5是本发明的控制过程图。

具体实施方式

参照图1，该无刷直流电机的控制系统，包括无刷直流电机1、转子位置传感器2、数字信号处理器3及三相逆变电路4，所述数字信号处理器3通过转子位置传感器2连接无刷直流电机1，所述三相逆变电路4的输入端连接数字信号处理器3、三相逆变电路4的输出端连接无刷直流电机1。所述数字信号处理器3通过驱动电路5连接三相逆变电路4的输入端。所述三相逆变电路4与无刷直流电机1之间的连接线通过电流检测电路6连接数字信号处理器3。

所述转子位置传感器2为霍尔位置传感器；所述三相逆变电路4的六个开关管采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)；所述数字信号处理器(DSP)的型号为TMS320F2812，控制程序采用速度环和电流环相结合的双闭环控制，闭环反馈量包括电机的转子位置、定子相电流以及当前转速。

参照图2，本发明的无刷直流电机的控制方法，包括以下步骤：

S1，根据需要设定一个转速误差值，即电机的给定转速与实际转速的差值；

S2，电机起动后，对转子定位以获取无刷直流电机1的转子的当前位置，同时通过数字信号处理器3计算电机的当前转速；

S3，根据给定转速与当前转速计算当前转速误差并判断其是否大于设定值，

若判断当前转速误差大于设定值，电机开始换相直到达到设定转速；若判断当前转速误差小于设定值，则关断三相逆变电路4上的所有开关管，等待下一个转子位置，直到当前转速误差大于设定值。

在步骤S2中，通过霍尔位置传感器获取无刷直流电机转子的当前位置。

在步骤S2中，无刷直流电机1的当前转速由数字信号处理器3根据相邻两次转子位置信号的时间间隔和电机的极对数计算获得，计算公式为：

其中，T为无刷直流电机转子旋转60°电角度的时间，p为电机极对数。

以下对采用传统控制方法和采用本发明的控制方法作对比说明：

传统控制方法采用三相六状态全桥控制，转子每旋转60°电角度定子绕组换相一次，其中空间机械角度与电角度的关系为：Ω＝ω×p，式中p为电机的极对数，假设电机起动达到设定转速后不改变负载、不进行调速，电机保持稳态运行。

设无刷直流电机定子电枢绕组的平均电压为：

式中：t₁为IGBT的导通时间；

t₂为IGBT的关断时间；

T为IGBT的开关周期，T＝t₁+t₂；

U_d为直流母线电压；

α为PWM波的占空比，

无刷直流电机本体的输入功率为：P₁＝U_aI_a＝αU_dI_a，式中I_a为定子电枢绕组的平均相电流。无刷直流电机是当今效率最高的电机之一，忽略电机本体的损耗(本控制方法不会额外增加电机本体损耗)，则对于电机输出功率P₂，有P₂≈P₁，即P₂＝U_aI_a＝αU_dI_a。

采用本发明的控制方法时，电机转子平均每旋转(60×m)°(其中m>1)电角度，逆变电路上IGBT的通断改变一次，若占空比仍然为α，则换相次数即定子绕组的通断次数变为原来的定子平均相电流变为电机输出功率为

为了不改变电机的输出功率即负载获得的机械能，需要延长IGBT的导通时间t₁，设平均导通时间延长m倍，m既是IGBT平均导通时间延长的倍数也是平均换相占空比提高的倍数，则PWM波的平均换相占空比变为其中平均换相占空比是指：若要关断IGBT，则需要PWM波在开关周期恒为零，除去这些恒为零的开关周期，取其它具有实际换相作用的开关周期，这些开关周期的占空比称为换相占空比，若干个开关周期的换相占空比取平均值，则为平均换相占空比，为方便叙述，以下将平均换相占空比倍数m简称为占空比倍数m。传统控制由于换相均匀，PWM波占空比不变，平均换相占空比就是占空比。平均换相电压同理。

此时平均换相电压为：

式中：t₁′为采用本控制方法时IGBT的平均导通时间；

t₂′为采用本控制方法时IGBT的平均关断时间；

α′为采用本控制方法时PWM波的占空比，

此过程提高的只是平均换相占空比，平均占空比不会变化，平均电压也不变(即此过程不属于调压调速)，所以平均相电流保持不变，同样忽略电机本体的损耗，此时电机输出功率为：

m的大小与负载和所设定的转速误差值有关，不同的负载和转速误差设定值会有不同的m值，电机实际运行时，DSP并不会计算m值，程序中也不出现此变量，当电机转速下降使转速误差大于设定值后，DSP输出PWM波的平均换相占空比会大于采用传统控制方式时PWM波的占空比。电机保持稳态运行时，由于传统控制方法换相均匀，其PWM波的占空比会保持不变；当采用本发明的控制方法时，由于换相不均匀，PWM波的占空比呈非均匀变化，但是若按照平均换相电角度计算，PWM波占空比倍数的平均值是固定的，其值为m。这样便通过提高PWM波平均换相占空比的方式弥补了换相次数减少导致的电机输出功率亏损。另外，由于IGBT平均导通时间不变，故不会增加IGBT的导通损耗。

采用传统控制方法控制电机时，电机转子每旋转60°电角度定子绕组换相一次，若采用本发明的控制方法，电机转子平均每旋转ω°电角度换相一次，可使开关管开关次数减少平均换相占空比提高m倍，平均占空比不变，其中不同的平均旋转电角度ω都会有占空比调节的上限，上限值为若采用传统控制时的占空比已经大于上限值，则无法使用本控制方法，电机将按照传统控制方式运行，否则电机会最终停转。例如每360°电角度换相4次，则相当于转子平均每转过90°电角度换相一次，开关管开关次数减少了换相占空比提高1.5倍；每360°电角度换相3次，则转子每转过120°电角度换相一次，开关管开关次数减少了一半，换相占空比提高2倍；每720°电角度换相7次，则相当于转子平均每转过102.86°电角度换相一次，开关管开关次数减少了换相占空比提高1.7倍。电机在实际运行时不一定始终保持稳态运行，由于负载的变化以及对电机调速作用，平均电角度ω、IGBT减少的开关次数、PWM波占空比倍数m、占空比调节上限都会不断变化，也可能出现电机在本控制方法与传统控制方法之间不断切换的情况，IGBT减少的热损耗以及延长的寿命时间也会有所不同。

上述平均电角度、平均占空比分别是指：

平均电角度：实际的无刷直流电机位置传感器一定是按照60°电角度间隔安装，定子绕组也一定是在转子转过60°电角度的正整数倍才进行换相，实际运行时不会出现转子转过90°、102.86°等电角度进行换相的情况。但是会出现以下情况：定子绕组在转子连续转过的两个60°电角度都换相，在转过第三个60°电角度后不换相，即每连续两次换相后就停止换相一次，此时就相当于转子平均每转过90°电角度换相一次。

平均占空比：仍然以ω＝90°为例，若采用传统控制方式，设其运行时的占空比为0.5，IGBT在每个开关周期内的导通时间占50％，3个开关周期完全相同；若采用本发明的控制方法，3个开关周期变成2个，前两个开关周期内均有开关管导通使电机换相，其值为0.75，第三个开关周期由于不需要导通IGBT，PWM波占空比恒为零，平均到3个开关周期中得到平均占空比，其值为0.5，与传统控制方式的占空比相同，保证电机输出功率不变，同时IGBT的开关次数由3次减少为2次。

对于对转速控制精度要求不高的负载，例如水泵、风机等，只要保证单位时间内输出足够的水流量或风量即可，这就要求电机的输出功率能够满足负载所需要的机械能。这类负载需要无刷直流电机良好的调速性能，但不需要很高的转速控制精度和很小的转矩脉动，对此类负载采用本发明的控制方法不会影响电机的输出效果，并且能够减少开关管的发热损耗，增加逆变器的使用寿命，若开关管的散热系统出现故障，当采用本发明的控制方法时，由于开关管发热减少，所以降低了其被立刻烧毁的概率，相关人员可及时发现并关闭控制系统。

对高转速低转矩负载，由于电机转速很高、负载转矩小，转子每旋转60°电角度后的转速下降很小。若采用传统控制方式，转速误差仍会使DSP输出占空比非常小的PWM波，尽管它几乎不产生功率，电机基本没有额外的功耗，但这需要通断一次开关管。若采用本发明的控制方法，设定一个很小的转速误差仍然可以达到很高甚至原本的控制精度，而非只要有转速误差就通断开关管。如果设定的转速误差稍大一些，控制方法则与对转速精度要求不高的负载类似，通过增加PWM波换相占空比的方式保持电机输出功率不变。此类负载的PWM占空比比较小，如果设定稍大一些的转速误差，可以大大降低开关管的发热损耗，这是由此类负载的性质决定的，不过转速误差还是应该根据实际需要而定。

采用本发明的控制方法的电机所带负载并不限于上述两种类型负载，由于转子每旋转60°电角度就立即计算转速误差，若转速误差始终大于设定值，则本发明的控制方法就变为传统控制方法，即使DSP中的程序为本控制方法，电机仍然可以带任何类型的负载，但此时不再具有本发明的控制方法的有益效果。

下面结合实例对本发明的控制方法做进一步说明，本事例中电机起动达到设定转速后不进行调速也不改变负载和其它参数，保持电机稳态运行。

无刷直流电机所带负载是一个中型风机，采用传统控制方法时，转子每旋转60°电角度定子绕组换相一次，设PWM波的占空比为0.75，IGBT和定子绕组的导通顺序如图3所示。

现采用本发明的控制方法控制上述无刷直流电机，首先设定一个较小的转速误差使转子平均旋转电角度ω＝67.5°，即电机转子每旋转1080°电角度换相16次，此时换相次数即每相定子绕组的导通次数减少占空比倍数PWM波平均换相占空比由0.75提高到0.844(平均换相占空比上限为0.889)，电机的输出功率不变。设电机开始稳态运行后AB相首先导通，则IGBT和定子绕组的导通顺序如图4所示。

IGBT和定子绕组循环导通过程分析：转速误差超过设定值后，AB相导通，电机加速以减小转速误差，在随后转子连续转过的480°电角度内，电机始终没有达到设定转速，电机定子绕组与传统控制方法一样连续换相8次，下一个正常换相位置对应BC相，需要导通的IGBT为T2、T3，但转子旋转60°电角度到达BC相的换相位置时，电机转速达到设定转速，此时关断T2、T3，转子继续旋转60°电角度，到达BA相的换相位置，此时转速误差超过设定值，需要导通BA相，之后上述过程相同，在连续换相8次后停止换相1次，如此反复循环。在此过程中，PWM波的换相占空比是非均匀变化的，它将随转速误差的减小而减小，直至达到设定转速后，下一个转子位置的转速误差小于设定值，换相占空比变为零并停止换相，但整个开关周期内PWM波的平均换相占空比为定值0.844，平均占空比为0.75。

上述换相位置是指：当电机制造完成后，只要它与控制板的接线固定，转子位置与对应导通相和开关管的关系就是确定的，转子位置在DSP中表现为霍尔位置信号，它是六个三位的二进制数，与六个转子位置一一对应。

本实施例无刷直流电机所带中型风机负载属于对转速控制精度要求不高的负载，但由于负载转矩比较大且设定转速误差较小，所以平均旋转电角度67.5°非常接近传统控制方法的60°电角度，PWM波占空比的提高比较有限，占空比倍数只有1.125，IGBT的通断次数为原来的88.89％，此时减少的IGBT热损耗和延长的寿命时间也比较有限。负载的转速下降越大、设定的转速误差越小，转子平均旋转电角度就越接近60°，本控制方法的有益效果就越不明显，反之，负载的转速下降越小、设定的转速误差越大，转子平均旋转电角度就越大，本控制方法的有益效果越能得到体现。

参见图5，本发明的控制过程如下：

首先设定转速误差值；电机起动达到设定转速(起动过程必定是按照传统控制方法控制的)，转子在当前位置的基础上转过60°电角度后，霍尔位置传感器获取无刷直流电机转子的位置，通过DSP计算电机的当前转速和转速误差，判断转速误差是否大于设定值，若转速误差大于设定值，电机开始换相直到达到设定转速；若判断当前转速误差小于设定值，关断所有IGBT，转子转过60°电角度的或60°电角度的正整数倍后，转速误差超过设定值，输出占空比调整后的PWM波，使电机换相。在此期间，即使转速误差已经小于设定值，电机仍会不断换相直到转速达到设定值。如此反复循环，控制电机运行。在此过程中，随着负载的变化以及对电机的调速作用(相当于改变设定转速)，占空比倍数m也会不断改变。在此期间，如果m值超过占空比可调上限，将切换为传统控制方法，保证电机安全稳定的运行。