一种小电枢电感高速无刷直流电机低功耗驱动系统及其控制方法

1.本发明属于电机技术领域，尤其设计一种小电枢电感高速无刷直流电机低功耗驱动系统及其控制方法。


背景技术：

2.无刷直流电机具有能量密度高、效率高、扭矩惯量比大的优点，已经广泛应用于航空航天、家用电器、分子泵、压缩机等领域。随着数字控制技术、控制理论、电机技术、电力电子技术和传感器技术的不断发展，无刷直流电机的一般控制技术已经日趋成熟。
3.无刷直流电机的功耗主要来自于以下方面：铁芯损耗、电枢绕组铜损耗、转子涡流损耗和逆变器损耗。无刷直流电机通常采用经典pi控制器，采用转速和电流双闭环控制策略，实现在一定范围内速度的调节或者定速稳速控制。无刷直流电机由三相全桥逆变电路驱动，运行在pwm工作模式下，采用六步换相法进行控制，通入三相定子绕组的电流是由脉冲宽度调制技术产生的方波电流，不是理想的正弦电流，电流中的谐波分量会产生谐波磁场，会在定转子中产生铁芯损耗和涡流损耗。电流中的高频分量会引起电机转矩脉动，导致电机功耗增大。与此同时，三相全桥电路的功率器件的开通和关断也会产生逆变器开关损耗和导通损耗。
4.氮化镓作为最新一代的半导体材料，氮化镓比硅禁带宽度大3倍，击穿场强高10倍，饱和电子迁移速度大3倍，热导率高2倍，这些性能的提升带来的优势是氮化镓比硅更适合做大功率高频的功率器件，同时体积小，功率密度大。使用氮化镓功率器件搭建的三相全桥电路，其开关损耗和导通损耗大大小于硅功率器件，同时其开关频率可以远远高于硅功率器件，能够有效减少三相定子绕组电流中的谐波分量，同时减小直流母线电流纹波，减小转矩脉动，从而提高运行效率，减少电机损耗。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题在于现有小电枢电感高速无刷直流电机的损耗较大的问题。为了解决上述问题，本发明提供了一种小电枢电感高速无刷直流电机低功耗驱动系统及其控制方法，通过考虑不同速度和不同负载时，综合考虑逆变器损耗和铁芯损耗，选择最优的pwm开关频率，能够最大程度的降低电机的整体功耗。
6.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种小电枢电感高速无刷直流电机低功耗驱动系统，包括：
8.控制单元，由dsp微控制器和fpga模块组成的数字控制器，负责控制算法运算和换相的逻辑处理；
9.驱动单元，由驱动电路和三相全桥电路组成，其接受所述控制单元的输出信号，并且产生输入高速无刷直流电机的三相电压；
10.电流检测单元，用于电机相电流和直流母线电流的采样，经过处理后，传入控制单
元；
11.位置检测单元，用于检测转子的实时位置和估计电机转速，传入控制单元。
12.进一步地，所述的驱动电路是由三个半桥驱动电路组成的，驱动芯片采用ncp51820。
13.进一步地，所述的三相全桥电路是由宽带隙半导体开关元件组成，所述宽带隙半导体是由氮化镓系材料构成。
14.进一步地，所述的宽带隙半导体开关元件工作时的开关频率为80khz—200khz。
15.进一步地，所述的电流检测单元包括电流采样电路和信号调理电路。
16.进一步地，所述的位置检测单元包括有位置检测单元和无位置检测单元，所述有位置检测单元包括开关霍尔元件，所述的无位置检测单元包括基于虚拟中性点的电压检测模块。
17.本发明还提供一种小电枢电感的高速无刷直流电机低功耗驱动系统的控制方法，包括如下步骤：
18.步骤1：通过所述位置检测单元获取位置信号，传入fpga模块获取转子的实时位置θ和当前电机转速n，将当前电机转速n送入dsp微控制器，根据当前转速n与给定转速n
ref
之间的差值，计算下一周期参考电流i
ref
；
19.步骤2：通过电流检测单元获取无刷直流电机的直流母线电流i，根据直流母线电流i和电流参考值i
ref
之间的差值，确定下一周期的电压参考值u
ref
；
20.步骤3：根据逆变器开关损耗公式，p
loss_sw
＝k*i
ref
*u
ref
*(t
on
+t
off
)*f
sw
，确定开关损耗与开关频率之间的函数关系，其中p
loss_sw
为逆变器开关损耗，k为常数，t
on
为逆变器打开一次需要的时间，t
off
为逆变器关闭一次需要的时间，f
sw
为逆变器开关频率；
21.步骤4：综合考虑开关频率对电机铁芯损耗的影响，结合dsp微控制器中的离线损耗表，计算无刷直流电机总体损耗；
22.步骤5：给出无刷直流电机整体损耗最小的最优开关频率；
23.步骤6：根据步骤1中转子位置θ和步骤5中的最优开关频率，确定换向信号，对无刷直流电机进行pwm控制。
24.本发明至少具有以下有益效果：
25.1、本发明在三相全桥电路中使用氮化镓半导体开关器件，充分发挥氮化镓系材料的优势，与硅材料相比，既能减少逆变器的开关损耗和导通损耗，又可以大幅度提高三相电压信号的调制频率，从而减少无刷直流电机中相电流的纹波，减少磁场波动，从而大大降低无刷直流电机的铁芯损耗和转子涡流损耗。综上，可以从多个角度降低无刷直流电机的功耗。
26.2、本发明提出的小电枢电感高速无刷直流电机低功耗控制方法，通过考虑不同速度和不同负载时，综合考虑逆变器损耗和铁芯损耗，选择最优的pwm开关频率，能够最大程度的降低电机的整体功耗。
附图说明
27.图1是本发明的实施方式的小电枢电感高速无刷直流电机低功耗驱动系统的整体结构的框图；
28.图2是本发明的实施方式的小电枢电感高速无刷直流电机低功耗驱动系统控制方法的流程图。
具体实施方式
29.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
30.如图1所示，本发明的小电枢电感高速无刷直流电机低功耗驱动系统包括控制单元10、驱动单元20、无刷直流电机30、电流检测单元40和位置检测单元50。所述控制单元10负责控制算法运算和换相的逻辑处理；所述驱动单元20是由驱动电路和三相全桥电路组成，其将接受所述控制单元10的输出信号，并且产生输入高速无刷直流电机的三相电压；所述电流检测单元40负责所述无刷直流电机30相电流和直流母线电流的采样，经过处理后，传入控制单元10；所述位置检测单元50负责检测转子的实时位置和估计所述无刷直流电机30转速，传入控制单元10。
31.更具体的，控制单元10包括dsp微控制器101和fpga模块102，dsp微控制器101的型号为ti公司的28335系列，主要负责算法运算，fpga模块102的型号为a3p250，主要负责包括换相在内的并行逻辑处理，输出控制信号。所述fpga模块102接受位置检测单元50传输的位置信号，经过处理后，传送转速n至dsp微控制器101，同时电流检测单元40传送电流i至dsp微控制器101，dsp微控制器101负责进行电机核心控制算法运算，然后输出控制信号给fpga模块102，fpga模块102负责pwm调制、换向、转速测量等功能，然后输出换向pwm信号给驱动单元20。驱动单元20包括三个半桥驱动电路201和三相全桥电路202。三个半桥驱动电路201所采用的的驱动芯片型号为onsemi公司的ncp51820，接收来自fpga模块102的换向pwm信号，产生可以驱动三相全桥电路202中功率器件的信号，从而产生三相电压驱动所述无刷直流电机30。
32.所述的三相全桥电路202是由宽带隙半导体开关元件组成，能够驱动宽带隙半导体开关元件的开通和关闭，该宽带隙半导体是由氮化镓系材料构成，型号是gan systems公司的gs61008t。所述的宽带隙半导体开关元件工作时的开关频率为80khz—200khz。优选的，宽带隙半导体开关元件为6个。
33.所述的电流检测单元40包括电流采样电路和信号调理电路。进一步的，所述的电流采样电路是由高精度无感精密采样电阻和仪表放大器ad620组成，仪表放大器ad620将采样电阻两端的电压值进行分压并做差分运算以获得电流值信号，所述的信号调理电路对放大器输出的信号进行偏置、放大和二阶低通滤波后，经过电压匹配后送到控制单元10中的ad转换器输入端口，完成从模拟量到数字量的转变。
34.所述位置检测单元50包括有位置检测单元和无位置检测单元。进一步的，所述有位置检测单元主要包括开关霍尔元件，安装在无刷直流电机30内部，不需要复杂的运算就可以检测转子的实时位置，用于控制逆变器换向；所述的无位置检测单元包括基于虚拟中性点的电压检测模块，该方法运算较复杂，但是不需要安装霍尔元件。进一步的，基于虚拟中性点的电压检测模块分为电阻网络分压电路、rc低通滤波器和电压比较电路三个部分，
其中三相电压信号分别经过电阻网络分压电路与rc低通滤波器处理后与电阻网络产生的虚拟中性点信号经过电压比较电路后，可以得到三路过零点信号，在控制器的控制下，产生换向信号。
35.接下来，对本发明实施例的一种小电枢电感高速无刷直流电机的低功耗驱动系统的控制方法进行说明。
36.如图2所示，本发明实施例的一种小电枢电感高速无刷直流电机的低功耗驱动系统的控制方法具体包括如下步骤：
37.步骤s11，fpga模块102根据位置检测单元50中霍尔传感器或者无位置传感模块检测到的位置信号，经过计算后得到转子位置θ和转速n。
38.步骤s12，根据步骤s11中的转速反馈值n和给定转速n
ref
之间的差值，计算下一周期电流参考值i
ref
；
39.步骤s13，检测电机的直流母线电流i，
40.步骤s14，根据步骤s13中的直流母线电流i和电流参考值i
ref
之间的差值，确定下一周期的电压参考值u
ref
；
41.步骤s15，根据逆变器开关损耗公式，确定开关损耗与开关频率f
sw
之间的函数关系；
42.步骤s16，综合考虑开关频率f
sw
对电机铁芯损耗的影响，结合dsp微控制器101中的离线损耗表，计算无刷直流电机30总体损耗；
43.步骤s17，给出在不同电流下，电机整体损耗最小的最优开关频率；
44.步骤s18，根据步骤s11中的转子位置θ和步骤17中的最优开关频率，确定换向信号，对无刷直流电机30进行pwm控制；
45.其结果为，能够在尽量不增加逆变器开关损耗的情况下，大幅度减少由于电流波动导致的铁芯损耗。
46.其中，所述最优开关频率考虑如下两个部分来确定：
47.第一部分：开关频率对铁芯损耗的影响；
48.第二部分：开关频率对开关损耗的影响。
49.所述的开关频率对铁芯损耗和转子涡流损耗的影响在于：由于本发明中的电机是小电枢电感高速无刷直流电机，输入电机三相绕组的电压的变化对直流母线电流的波动影响比较大。根据公式可以得到电流波动值施加电压的时间δt越短，即选择的pwm频率越高，电流的波动越小，导致电机内部磁场波动小,电机铁芯损耗和转子涡流损耗小，其中u为相电压，r为相电阻，i为相电流，l为相电感，e为相反电动势，δt为一个pwm周期中逆变器导通的时间，δi为相电流波动值。
50.所述的开关频率对开关损耗的影响在于：
51.根据逆变器开关损耗公式：p
loss_sw
＝k*i
ref
*u
ref
*(t
on
+t
off
)*f
sw
，确定开关损耗与开关频率之间的函数关系，即开，关损耗与开关频率成正比其中p
loss_sw
为逆变器开关损耗，k为常数，t
on
为逆变器打开一次需要的时间，t
off
为逆变器关闭一次需要的时间，f
sw
为逆变器开关频率。
52.综合考虑两部分的影响，当高速无刷直流电机运行在不同速度和不同负载时，输
出电压的最优pwm调制频率。
53.本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。
54.尽管上面已经对本发明的具体实施细节进行了描述，方便相关领域的技术人员理解本发明，但值得注意的是，本发明不限于具体应用的范围，对于相关领域的普通技术人员而言，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的范围内，这些改变都是显而易见的，一切利用本发明构思得到的发明创造均在被保护的范围之内。