一种无刷直流电机新型方波倍频控制方法与流程

本发明属于bldc控制领域，涉及一种bldc方波，具体是一种无刷直流电机新型方波倍频控制方法。

背景技术：

传统bldc方波控制，是在导通三相bldc中的两相(如导通b+c-两相)时，保持c相控制低端桥臂pwmc_l长通，b相控制桥臂调制。单个霍尔换相周期内其它导通相(b+a-，c+a-，c+b-，a+b-，a+c-)控制方法相同。在单个无刷电机换相周期内，电流流经三相下桥臂的时间远大于流经上桥臂的时间，由于电流流经mos管或igbt时产生热量，故以上传统控制方法容易导致下桥臂产生的热量大于上桥臂产生的热量，致使下桥臂mos管或igbt温度普遍比上桥臂mos管或igbt温度高。为了解决上述缺陷，现提供一种方案。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种无刷直流电机新型方波倍频控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种无刷直流电机新型方波倍频控制方法,所述方法包含以下步骤：

步骤一：给定电机的目标速度wr^*；

步骤二：利用速度检测装置测得bldc的此时反馈速度wr；

步骤三：获取目标速度和电机反馈速度之间的速度差；

步骤四：将速度差传输到速度调节器；

步骤五：速度调节器结合速度差经过pid调节输出调节电机所需目标电流i^*；

步骤六：利用电流检测装置检测得到bldc反馈电流i；

步骤七：获取目标电流i^*与反馈电流i之间的电流差；

步骤八：将电流差传输到电流调节器；

步骤九：步骤九：电流调节器根据电流差经过pid调节输出目标占空比pwmout；

步骤十：电机控制器依据特定公式计算出高端相输出占空比pwmhigh和低端相输出占空比pwmlow；

步骤十一：电机控制器将pwmhigh和pwmlow输出到当前bldc导通两相的高端相和低端相；

步骤十二：bldc按照pwmhigh和pwmlow完成控制。

进一步地，所述步骤十中特定公式为

进一步地，所述步骤三中速度差为目标速度减去反馈速度。

进一步地，所述步骤七中电流差为目标电流减去反馈电流。

本发明的有益效果：本发明提出了一种新的控制算法，该算法使电流流经上、下桥臂的时间几乎相等，从而保证上下桥臂温度均衡。通过本发明算法，不但能够解决上下桥臂温度不均衡问题，而且比传统方波控制具有以下两大优势：

(1)由于硬件限制，上下桥臂之间pwm需加入死区，传统bldc控制无法输出死区时间内的pwm，只能设定最小占空比为死区占空比，因此bldc无法从零转速缓慢增加。而本发明可以保证bldc从零速缓慢增加，因为本发明算法输出占空比是从50％开始调制，此时一般不存在死区影响。

(2)采用本发明，bldc最终输出的电流波形频率是pwm调制频率的两倍；因此本发明也称为倍频控制；本发明简单实用。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的流程图；

图2为倍频控制单周期示意图；

图3为hall_bc导通相pwmb_h和pwmc_l均为高电平系统电流流向示意图；

图4为hall_bc导通相pwmb_l和pwmc_l均为高电平系统电流流向示意图；

图5为hall_bc导通相pwmb_h和pwmc_h均为高电平系统电流流向示意图；

图6为倍频控制hall_cb单周期示意图；

图7为hall_cb导通相pwmc_h和pwmb_l均为高电平系统电流流向示意图；

图8为hall_cb导通相pwmb_l和pwmc_l均为高电平系统电流流向示意图；

图9为hall_cb导通相pwmb_h和pwmc_h均为高电平系统电流流向示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种无刷直流电机新型方波倍频控制方法,所述方法包含以下步骤：

步骤一：给定电机的目标速度wr^*；

步骤二：利用速度检测装置测得bldc的此时反馈速度wr；

步骤三：获取目标速度和电机反馈速度之间的速度差；

步骤四：将速度差传输到速度调节器；

步骤五：速度调节器结合速度差经过pid调节输出调节电机所需目标电流i^*；

步骤六：利用电流检测装置检测得到bldc反馈电流i；

步骤七：获取目标电流i^*与反馈电流i之间的电流差；

步骤八：将电流差传输到电流调节器；

步骤九：步骤九：电流调节器根据电流差经过pid调节输出目标占空比pwmout；

步骤十：电机控制器依据特定公式计算出高端相输出占空比pwmhigh和低端相输出占空比pwmlow；

步骤十一：电机控制器将pwmhigh和pwmlow输出到当前bldc导通两相的高端相和低端相；

步骤十二：bldc按照pwmhigh和pwmlow完成控制。

其中，所述步骤十中特定公式为

其中，所述步骤三中速度差为目标速度减去反馈速度。

其中，所述步骤七中电流差为目标电流减去反馈电流。

作为本发明的实施例，当按照上述方法对bldc进行控制时，根据以上分析，可画出导通hall_bc相、系统需输出70％占空比时，各相驱动波形以及相电流波形示意图(系统调制频率10khz)：

根据图2可见，在调制周期为100us,采用本专利新型倍频控制下，电流波形周期变为50us，即电流变化频率为20khz。而系统调制频率为10khz，系统输出电流波形相较于传统方波控制达到2倍频的效果。

根据图2所示，我们可以将单个调制周期内电流流向分成两个阶段：1、电流驱动阶段(pwmb_h高电平，pwmc_h低电平)；2、电流续流阶段(pwmb_h和pwmc_h都是高电平以及pwmb_h和pwmc_h都是低电平)。在此，根据单周期驱动波形，画出单周期内各个阶段的电流流向示意图：

根据图3至图5，为了使计算效果能满足所有情况，我们设定调制周期为t，系统所需输出占空比为x(0≤x≤1)。结合图2，可计算出单个调制周期内：

图3阶段的时间为：x*t；

图4阶段的时间为：(1-x)*t/2；

图5阶段的时间为：(1-x)*t/2。

故可计算出b相上桥臂流经电流的时间为：

x*t+(1-x)*t/2＝(1+x)*t/2。公式(2)

b相下桥臂流经电流的时间为：(1-x)*t/2。公式(3)

c相上桥臂流经电流的时间为：(1-x)*t/2。公式(4)

c相下桥臂流经电流的时间为：x*t+(1-x)*t/2＝(1+x)*t/2。公式(5)

无刷电机换相一共有六个阶段：b+c-，b+a-，c+a-，c+b-，a+b-，a+c-。其中，b+c-与c+b-，c+a-与a+c-，b+a-与a+b-互为逆反过程。上面分析了b+c-的电流流向过程，我们再分析c+b-的情况。

同样，首先画出c+b-时单个调制周期内驱动波形示意图，同样以系统输出70％占空比为例，如右图6所示。其中i_cb电流波形同样达到倍频效果。

对于电流流向分析，根据b+c-分析结果可画出电流流向示意图：

根据图7至图9，为了使计算效果能满足所有情况，同样我们设定调制周期为t，系统所需输出占空比为x(0≤x≤1)。结合图2，可计算出单个调制周期内：

图7阶段的时间为：x*t；

图8阶段的时间为：(1-x)*t/2；

图9阶段的时间为：(1-x)*t/2。

故可计算出b相上桥臂流经电流的时间为：(1-x)*t/2。公式(6)

b相下桥臂流经电流的时间为：x*t+(1-x)*t/2＝(1+x)*t/2。公式(7)

c相上桥臂流经电流的时间为：x*t+(1-x)*t/2＝(1+x)*t/2。公式(8)

c相下桥臂流经电流的时间为：(1-x)*t/2。公式(9)

分别将公式(2)与公式(6)相加、公式(3)与公式(7)相加、公式(4)与公式(8)相加、公式(5)与公式(9)相加，得到b+c-与b-c+两个导通相序阶段的两个调制周期内

b相上桥臂流经电流的时间为：(1+x)*t/2+(1-x)*t/2＝t。

b相下桥臂流经电流的时间为：(1-x)*t/2+(1+x)*t/2＝t。

c相上桥臂流经电流的时间为：(1-x)*t/2+(1+x)*t/2＝t。

c相下桥臂流经电流的时间为：(1+x)*t/2+(1-x)*t/2＝t。

由此可知，b+c-与c+b-两个阶段内，b相上桥臂电流流经的时间t_bcb_h、b相下桥臂电流流经的时间t_bcb_l、c相上桥臂电流流经的时间t_bcc_h、c相下桥臂电流流经的时间t_bcc_l这四个时间相等。即

t_bcb_h＝t_bcb_l＝t_bcc_h＝t_bcc_l公式(10)

同理，a+c-到与c+a-两个阶段内，a相上桥臂电流流经的时间t_aca_h、a相下桥臂电流流经的时间t_aca_l、c相上桥臂电流流经的时间t_acc_h、c相下桥臂电流流经的时间t_acc_l这四个时间相等。即

t_aca_h＝t_aca_l＝t_acc_h＝t_acc_l公式(11)

a+b-到与b+a-两个阶段内，a相上桥臂电流流经的时间t_aba_h、a相下桥臂电流流经的时间t_aba_l、b相上桥臂电流流经的时间t_abb_h、b相下桥臂电流流经的时间t_abb_l这四个时间相等。即

t_aba_h＝t_aba_l＝t_abb_h＝t_abb_l公式(12)

在无刷电机单个霍尔换相周期内：

a相上桥臂电流流经的时间ta_h＝t_aca_h+t_aba_h

a相下桥臂电流流经的时间ta_l＝t_aca_l+t_aba_l

b相上桥臂电流流经的时间tb_h＝t_abb_h+t_bcb_h

b相下桥臂电流流经的时间tb_l＝t_abb_l+t_bcb_l

c相上桥臂电流流经的时间tc_h＝t_acc_h+t_bcc_h

c相下桥臂电流流经的时间tc_l＝t_acc_l+t_bcc_l

综上分析，可轻易得到ta_h＝ta_l＝tb_h＝tb_l＝tc_h＝tc_l。即单个换相周期内，电流流经bldc三相控制上下桥臂的时间相同，这样即可从理论上(实际应用中，每个桥臂的内阻会有偏差，可产生微小的偏差温度，且本发明虽然推到的是偶数个pwm调制周期，但是奇数个调制周期中多余的单个周期产生的影响可完全忽略不计)，保证每个桥臂的温度一样，这就从根本上解决传统控制方法导致的电流流经上、下桥臂时间不均匀引起的温度偏差。

本发明提出了一种新的控制算法，该算法使电流流经上、下桥臂的时间几乎相等，从而保证上下桥臂温度均衡。通过本发明算法，不但能够解决上下桥臂温度不均衡问题，而且比传统方波控制具有以下两大优势：

(1)由于硬件限制，上下桥臂之间pwm需加入死区，传统bldc控制无法输出死区时间内的pwm，只能设定最小占空比为死区占空比，因此bldc无法从零转速缓慢增加。而本发明可以保证bldc从零速缓慢增加，因为本发明算法输出占空比是从50％开始调制，此时一般不存在死区影响。

(2)采用本发明，bldc最终输出的电流波形频率是pwm调制频率的两倍；因此本发明也称为倍频控制；本发明简单实用。

以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。