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CN108988699B - 一种无刷直流电机五段式pwm发生及控制方法 - Google Patents

一种无刷直流电机五段式pwm发生及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于无刷直流电机控制技术，涉及一种无刷直流电机五段式PWM发生及控制方法。本发明采取的方案为：设定采用传统无刷直流电机三相六状态的换相逻辑，采集电机霍尔传感器的信号Ha、Hb、Hc；检测Ha上升沿与下降沿之间的时间间隔T，并判断Ha、Hb、Hc的相序，确定转速反馈ωback；接收转速指令ωref并与ωback进行转速PI调节，得到电流指令Iref；采集电机三相绕组电流ia、ib、ic，通过三者的大小及相序确定电流反馈Iback；由Iref、Iback执行电流PI调节得到原始占空比duty；根据duty、Ha、Hb、Hc计算当前需要开通的两相绕组的目标占空比duty1、duty2；输出五段式PWM脉冲控制电机运行。本发明实现了无刷直流电机自带极性的转速、电流双闭环策略，采用五段式PWM控制，提高了电机的动态响应。

Description

一种无刷直流电机五段式PWM发生及控制方法
技术领域
本发明属于无刷直流电机控制技术，涉及一种无刷直流电机五段式PWM发生及控制方法。
背景技术
无刷直流电机以其高功率密度、高可靠性、长寿命等优点广泛应用于各种驱动场合，例如电动汽车、机械臂、医疗器械等，传统无刷直流电机采用转速、电流双闭环控制架构时，多采集母线电流作为电流反馈，由于无论电机是正向电动还是反向电动，母线电流的值均为正值，这就要求电流指令、电流反馈均为单极性的值，在电机工作状态切换的过程中，削弱了电机的动态性能，另外，PWM多采用上斩下不斩的方式，难以满足高频正、反转切换场合的需求。因此，采用一种无刷直流电机五段式PWM发生及控制方法，将无刷直流电机需要开通两相绕组的上管、下管同时调制，实现系统对静摩擦的润滑，特别是将开通两相绕组上管的PWM脉冲按照五段式组合，在保证加到绕组两端平均电压不变的情况下，减小了脉振，而且采用的转速、电流双闭环的指令值及反馈值均为带有正负号的双极性值，使得计算输出的占空比自然带有极性，并且与电机的正反向电磁转矩严格对应，提高了电机的动态响应。
发明内容
本发明的目的是：提出一种无刷直流电机五段式PWM发生及控制方法。
本发明的技术方案是：一种无刷直流电机五段式PWM发生及控制方法，其特征在于，该方法在无刷直流电机及其控制器硬件无故障的环境下一直循环进行，采取如下步骤：设定采用传统无刷直流电机三相六状态的换相逻辑，采集电机霍尔传感器的信号Ha、Hb、Hc；检测Ha上升沿与下降沿之间的时间间隔T，并判断Ha、Hb、Hc的相序，确定转速反馈ωback；接收转速指令ωref并与ωback进行转速PI调节，得到电流指令Iref；采集电机三相绕组电流ia、ib、ic，通过三者的大小及相序确定电流反馈Iback；由Iref、Iback执行电流PI调节得到原始占空比duty；根据duty、Ha、Hb、Hc计算当前需要开通的两相绕组的目标占空比duty1、duty2；输出五段式PWM脉冲控制电机运行。具体步骤如下：
步骤一、设定采用传统无刷直流电机三相六状态的换相逻辑，采集电机霍尔传感器A的信号Ha、霍尔传感器B的信号Hb、霍尔传感器C的信号Hc；
步骤二、检测电机霍尔传感器A的信号Ha上升沿与下降沿之间的时间间隔T，根据电机极对数P计算电机转速反馈的绝对值|ωback|＝30/PT，若电机霍尔传感器信号Ha、Hb、Hc的相序为Ha、Hb、Hc，则转速反馈ωback＝30/PT，若相序为Ha、Hc、Hb，则转速反馈ωback＝-30/PT；
步骤三、接收转速指令ωref并与转速反馈ωback进行转速PI调节，得到电流指令Iref；
步骤四、采集电机三相绕组电流ia、ib、ic，计算电流反馈的绝对值|Iback|＝0.5×(|ia|+|ib|+|ic|)，若电机三相绕组电流ia、ib、ic的相序为ia、ib、ic，则电流反馈Iback＝0.5×(|ia|+|ib|+|ic|)，相序为ia、ic、ib，则电流反馈Iback＝-0.5×(|ia|+|ib|+|ic|)；
步骤五、由Iref、Iback执行电流PI调节得到原始占空比duty；
步骤六、根据duty、Ha、Hb、Hc计算当前需要开通的两相绕组的目标占空比duty1＝0.5*(1+duty)、duty2＝0.5*(1-duty)，若duty≥0，则duty1为正向电流绕组的占空比，duty2为负向电流绕组的占空比，若duty<0，则duty1为负向电流绕组的占空比，duty2为正向电流绕组的占空比；
步骤七、输出五段式PWM脉冲控制电机运行。
优选地，步骤二所述电机霍尔传感器信号Ha、Hb、Hc的相序以Ha的上升沿为基准，检测到Ha的上升沿后，如果在Hb、Hc信号中首先检测到Hb的上升沿，则相序为Ha、Hb、Hc，如果在Hb、Hc信号中首先检测到Hc的上升沿，则相序为Ha、Hc、Hb。
优选地，步骤三所述的转速指令ωref可以来自上位机或者信号发生器。
优选地，步骤三所述的转速指令ωref与转速反馈ωback均为带有正负号的双极性数值。
优选地，步骤四所述的采集电机三相绕组电流ia、ib、ic采用过采样的方式提高精度，同时采样的时刻必须为同一时刻。
优选地，步骤五所述的电流指令Iref、电流反馈Iback均为带有正负号的双极性数值。
优选地，步骤五所述的原始占空比duty为带有正负号的双极性数值，并且范围为±1。
优选地，步骤三所述的转速PI调节及步骤五所述的电流PI调节均采用遇限削弱抗饱和PI算法。
优选地，步骤六所述的目标占空比duty1、duty2的范围为0～1，并且满足duty1+duty2＝1。
优选地，步骤七所述的五段式PWM脉冲，开通两相绕组上管的PWM开关状态在一个PWM周期内呈现出5段式的组合。
优选地，步骤七所述的PWM脉冲，开通的两相绕组同一相上、下管的PWM均为带有死区的互补型PWM，剩余关断相绕组的上、下管均关断。
优选地，步骤一至步骤七均由微处理器处理。
本发明的优点是：采用一种无刷直流电机五段式PWM发生及控制方法，将无刷直流电机需要开通两相绕组的上管、下管同时调制，实现系统对静摩擦的润滑，特别是将开通两相绕组上管的PWM脉冲按照五段式组合，在保证加到绕组两端平均电压不变的情况下，减小了脉振，而且采用的转速、电流双闭环的指令值及反馈值均为带有正负号的双极性值，使得计算输出的占空比自然带有极性，并且与电机的正反向电磁转矩严格对应，提高了电机的动态响应。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是五段式PWM脉冲示意图。
具体实施方式
下面对本发明做详细说明，参见说明书附图1，所述一种无刷直流电机五段式PWM发生及控制方法，其特征在于，该方法在无刷直流电机及其控制器硬件无故障的环境下一直循环进行，采取如下步骤：
步骤一、微处理器设定采用传统无刷直流电机三相六状态的换相逻辑，采集电机霍尔传感器A的信号Ha、霍尔传感器B的信号Hb、霍尔传感器C的信号Hc；
步骤二、微处理器检测电机霍尔传感器A的信号Ha上升沿与下降沿之间的时间间隔T，根据电机极对数P计算电机转速反馈的绝对值|ωback|＝30/PT，若电机霍尔传感器信号Ha、Hb、Hc的相序为Ha、Hb、Hc，则转速反馈ωback＝30/PT，若相序为Ha、Hc、Hb，则转速反馈ωback＝-30/PT；
步骤三、微处理器接收转速指令ωref并与转速反馈ωback进行转速PI调节，得到电流指令Iref；
步骤四、微处理器采集电机三相绕组电流ia、ib、ic，计算电流反馈的绝对值|Iback|＝0.5×(|ia|+|ib|+|ic|)，若电机三相绕组电流ia、ib、ic的相序为ia、ib、ic，则电流反馈Iback＝0.5×(|ia|+|ib|+|ic|)，相序为ia、ic、ib，则电流反馈Iback＝-0.5×(|ia|+|ib|+|ic|)；
步骤五、微处理器由Iref、Iback执行电流PI调节得到原始占空比duty；
步骤六、微处理器根据duty、Ha、Hb、Hc计算当前需要开通的两相绕组的目标占空比duty1＝0.5*(1+duty)、duty2＝0.5*(1-duty)，若duty≥0，则duty1为正向电流绕组的占空比，duty2为负向电流绕组的占空比，若duty<0，则duty1为负向电流绕组的占空比，duty2为正向电流绕组的占空比；
步骤七、微处理器输出五段式PWM脉冲控制电机运行。
优选地，步骤二所述电机霍尔传感器信号Ha、Hb、Hc的相序以Ha的上升沿为基准，检测到Ha的上升沿后，如果在Hb、Hc信号中首先检测到Hb的上升沿，则相序为Ha、Hb、Hc，如果在Hb、Hc信号中首先检测到Hc的上升沿，则相序为Ha、Hc、Hb。
优选地，步骤三所述的转速指令ωref可以来自上位机或者信号发生器。
优选地，步骤三所述的转速指令ωref与转速反馈ωback均为带有正负号的双极性数值。
优选地，步骤四所述的采集电机三相绕组电流ia、ib、ic采用过采样的方式提高精度，同时采样的时刻必须为同一时刻。
优选地，步骤五所述的电流指令Iref、电流反馈Iback均为带有正负号的双极性数值。
优选地，步骤五所述的原始占空比duty为带有正负号的双极性数值，并且范围为±1。
优选地，步骤三所述的转速PI调节及步骤五所述的电流PI调节均采用遇限削弱抗饱和PI算法。
优选地，步骤六所述的目标占空比duty1、duty2的范围为0～1，并且满足duty1+duty2＝1。
优选地，步骤七所述的五段式PWM脉冲，开通两相绕组上管的PWM开关状态在一个PWM周期内呈现出5段式的组合。
优选地，步骤七所述的PWM脉冲，开通的两相绕组同一相上、下管的PWM均为带有死区的互补型PWM，剩余关断相绕组的上、下管均关断。
本发明一种无刷直流电机五段式PWM发生及控制方法的原理是：在保证一个PWM周期内施加到电机绕组两端平均电压值不变的原则下，合理调整无刷直流电机相应霍尔状态下开通两相PWM脉冲的发生方法，提高电机系统的灵敏度，同时通过将所有闭环PI调节的输入量根据系统实际状态等价转换为带有正负号的双极性变量，使得中间环节与最终环节的输出均变为带有正负号的双极性变量，从而实现系统的快速响应。
实施例
一种无刷直流电机五段式PWM发生及控制方法，在无刷直流电机及其控制器硬件无故障的环境下一直循环进行，采取如下步骤：
步骤一、TMS320F28377D处理器设定采用传统无刷直流电机三相六状态的换相逻辑，采集电机霍尔传感器A的信号Ha、霍尔传感器B的信号Hb、霍尔传感器C的信号Hc；
步骤二、TMS320F28377D处理器检测电机霍尔传感器A的信号Ha上升沿与下降沿之间的时间间隔T，根据电机极对数P计算电机转速反馈的绝对值|ωback|＝30/PT，并且检测到Ha的上升沿后，如果在Hb、Hc信号中首先检测到Hb的上升沿，则相序为Ha、Hb、Hc，转速反馈ωback＝30/PT，如果在Hb、Hc信号中首先检测到Hc的上升沿，则相序为Ha、Hc、Hb，转速反馈ωback＝-30/PT；
步骤三、TMS320F28377D微处理器接收来自上位机的转速指令ωref并与转速反馈ωback进行转速PI调节，得到电流指令Iref；
步骤四、TMS320F28377D微处理器采用过采样并且同时采样的方式采集电机三相绕组电流ia、ib、ic，计算电流反馈的绝对值|Iback|＝0.5×(|ia|+|ib|+|ic|)，若电机三相绕组电流ia、ib、ic的相序为ia、ib、ic，则电流反馈Iback＝0.5×(|ia|+|ib|+|ic|)，相序为ia、ic、ib，则电流反馈Iback＝-0.5×(|ia|+|ib|+|ic|)；
步骤五、TMS320F28377D微处理器由Iref、Iback执行电流PI调节得到原始占空比duty；
步骤六、TMS320F28377D微处理器根据duty、Ha、Hb、Hc计算当前需要开通的两相绕组的目标占空比duty1＝0.5*(1+duty)、duty2＝0.5*(1-duty)，若duty≥0，则duty1为正向电流绕组的占空比，duty2为负向电流绕组的占空比，若duty<0，则duty1为负向电流绕组的占空比，duty2为正向电流绕组的占空比，剩余关断相绕组上、下管PWM脉冲的占空比均为零；
步骤七、TMS320F28377D微处理器输出五段式PWM脉冲控制电机运行。

Claims (12)

1.一种无刷直流电机五段式PWM发生及控制方法，其特征在于，该方法在无刷直流电机及其控制器硬件无故障的环境下一直循环进行，采取如下步骤：设定采用传统无刷直流电机三相六状态的换相逻辑，采集电机霍尔传感器的信号Ha、Hb、Hc；检测Ha上升沿与下降沿之间的时间间隔T，并判断Ha、Hb、Hc的相序，确定转速反馈ωback；接收转速指令ωref并与ωback进行转速PI调节，得到电流指令Iref；采集电机三相绕组电流ia、ib、ic，通过三者的大小及相序确定电流反馈Iback；由Iref、Iback执行电流PI调节得到原始占空比duty；根据duty、Ha、Hb、Hc计算当前需要开通的两相绕组的目标占空比duty1、duty2；输出五段式PWM脉冲控制电机运行；
具体步骤如下：
步骤一、设定采用传统无刷直流电机三相六状态的换相逻辑，采集电机霍尔传感器A的信号Ha、霍尔传感器B的信号Hb、霍尔传感器C的信号Hc；
步骤二、检测电机霍尔传感器A的信号Ha上升沿与下降沿之间的时间间隔T，根据电机极对数P计算电机转速反馈的绝对值|ωback|＝30/PT，若电机霍尔传感器信号Ha、Hb、Hc的相序为Ha、Hb、Hc，则转速反馈ωback＝30/PT，若相序为Ha、Hc、Hb，则转速反馈ωback＝-30/PT；
步骤三、收转速指令ωref并与转速反馈ωback进行转速PI调节，得到电流指令Iref；
步骤四、采集电机三相绕组电流ia、ib、ic，计算电流反馈的绝对值|Iback|＝0.5×(|ia|+|ib|+|ic|)，若电机三相绕组电流ia、ib、ic的相序为ia、ib、ic，则电流反馈Iback＝0.5×(|ia|+|ib|+|ic|)，相序为ia、ic、ib，则电流反馈Iback＝-0.5×(|ia|+|ib|+|ic|)；
步骤五、由Iref、Iback执行电流PI调节得到原始占空比duty；
步骤六、根据duty、Ha、Hb、Hc计算当前需要开通的两相绕组的目标占空比duty1＝0.5*(1+duty)、duty2＝0.5*(1-duty)，若duty≥0，则duty1为正向电流绕组的占空比，duty2为负向电流绕组的占空比，若duty<0，则duty1为负向电流绕组的占空比，duty2为正向电流绕组的占空比；
步骤七、输出五段式PWM脉冲控制电机运行。
2.如权利要求1所述的一种无刷直流电机五段式PWM发生及控制方法，其特征在于，步骤二所述电机霍尔传感器信号Ha、Hb、Hc的相序以Ha的上升沿为基准，检测到Ha的上升沿后，如果在Hb、Hc信号中首先检测到Hb的上升沿，则相序为Ha、Hb、Hc，如果在Hb、Hc信号中首先检测到Hc的上升沿，则相序为Ha、Hc、Hb。
3.如权利要求1所述的一种无刷直流电机五段式PWM发生及控制方法，其特征在于，步骤三所述的转速指令ωref可以来自上位机或者信号发生器。
4.如权利要求1所述的一种无刷直流电机五段式PWM发生及控制方法，其特征在于，步骤三所述的转速指令ωref与转速反馈ωback均为带有正负号的双极性数值。
5.如权利要求1所述的一种无刷直流电机五段式PWM发生及控制方法，其特征在于，步骤四所述的采集电机三相绕组电流ia、ib、ic采用过采样的方式提高精度，同时采样的时刻必须为同一时刻。
6.如权利要求1所述的一种无刷直流电机五段式PWM发生及控制方法，其特征在于，步骤五所述的电流指令Iref、电流反馈Iback均为带有正负号的双极性数值。
7.如权利要求1所述的一种无刷直流电机五段式PWM发生及控制方法，其特征在于，步骤五所述的原始占空比duty为带有正负号的双极性数值，并且范围为±1。
8.如权利要求1所述的一种无刷直流电机五段式PWM发生及控制方法，其特征在于，步骤三所述的转速PI调节及步骤五所述的电流PI调节均采用遇限削弱抗饱和PI算法。
9.如权利要求1所述的一种无刷直流电机五段式PWM发生及控制方法，其特征在于，步骤六所述的目标占空比duty1、duty2的范围为0～1，并且满足duty1+duty2＝1。
10.如权利要求1所述的一种无刷直流电机五段式PWM发生及控制方法，其特征在于，步骤七所述的五段式PWM脉冲，开通两相绕组上管的PWM开关状态在一个PWM周期内呈现出5段式的组合。
11.如权利要求1所述的一种无刷直流电机五段式PWM发生及控制方法，其特征在于，步骤七所述的PWM脉冲，开通的两相绕组同一相上、下管的PWM均为带有死区的互补型PWM，剩余关断相绕组的上、下管均关断。
12.如权利要求1所述的一种无刷直流电机五段式PWM发生及控制方法，其特征在于，步骤一至步骤七均由微处理器执行。
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