CN102655388B

CN102655388B - 一种150°导通模式驱动无刷直流电机的方法

Info

Publication number: CN102655388B
Application number: CN201210152640.5A
Authority: CN
Inventors: 窦满峰; 郝晓宇; 张�浩; 张振华; 王蒙
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2012-05-17
Filing date: 2012-05-17
Publication date: 2014-11-12
Anticipated expiration: 2032-05-17
Also published as: CN102655388A

Abstract

本发明涉及一种永磁无刷直流电机150°导通模式的驱动方法，其特征在于：对电机磁极信号进行逻辑运算，再与PWM斩波信号相与，得到驱动无刷直流电机上下管调制信号。本发明提出的一种150°导通模式驱动无刷直流电机的方法，在150°导通模式下，一个换相过程中，非换相电流的变换趋势为绝对值先增大后减小，换相转矩脉动先升后降。与采用120°导通模式驱动电机时换相转矩脉动在换相过程中持续上升或下降相比，在150°导通模式下，电机的换相转矩脉动在功率管导通30°的时间内处于上升阶段，在关断功率管开始关断时起处于下降阶段，在电机高速运行阶段，此过程换相转矩的波动减小为一个可观数值。

Description

一种150°导通模式驱动无刷直流电机的方法

技术领域

本发明属于无刷直流电机驱动方法，具体涉及一种150°导通模式驱动无刷直流电机的方法。

背景技术

三相无刷直流电机主要采用120°两两导通方式，即电机每个周期换相6次，任一时刻只有两相导通，每次每个功率管导通120°，上下桥臂导通差60°。导通状态按时间顺序排列为T1T6、T1T2、T2T3、T3T4、T4T5、T5T6，每个导通状态为60°。

无刷直流电机的转矩与电机磁通和电流的幅值成正比。由于电机相电感的存在，换相过程中电机绕组的电流由一相切换到另一相产生换相延迟，导致换相转矩脉动的产生。转矩脉动影响无刷直流电机的控制精度和伺服性能，引起电机的振动和噪声。

采用120°导通模式换相时，三相电流分别处于开通，关断，非换相状态，由于相电感的存在，使得关断相电流的下降速率和开通相电流的上升速率不同，非换相电流发生变化，导致换向转矩脉动的产生。在电机低速阶段，非换相电流绝对值增加，转矩脉动为正；在电机高速阶段，非换相电流绝对值减小，转矩脉动为负。换相转矩脉动造成电机抖动，产生噪声，增加谐波污染。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种150°导通模式驱动无刷直流电机的方法，可有效抑制电机在高速时转矩脉动。

技术方案

一种永磁无刷直流电机150°导通模式的驱动方法，其特征在于：对电机磁极信号进行逻辑运算，再与PWM斩波信号相与，得到驱动无刷直流电机上下管调制信号，依次含有以下步骤：

步骤1：对6路电机磁极信号H1，H2，H3，H4，H5，H6进行逻辑变换，得到6路控制信号

Q 1 = H 4 \cdot \overset{&OverBar;}{H 1},

Q 2 = H 5 \cdot \overset{&OverBar;}{H 2},

Q 3 = H 6 \cdot \overset{&OverBar;}{H 3},

Q 4 = H 1 \cdot \overset{&OverBar;}{H 4},

Q 5 = H 2 \cdot \overset{&OverBar;}{H 5},

Q 6 = H 3 \cdot \overset{&OverBar;}{H 6};

步骤2：控制信号与PWM斩波信号相与，得到三相逆变桥所需的调制信号T1=Q1·PWM，T3=Q3·PWM，T5=Q5·PWM，T2=Q2，T4=Q4，T6=Q6；其中：T1，T3，T5为上管调制信号，T2，T4，T6为下管调制信号，PWM为斩波信号；

步骤3：将三相逆变桥的调制信号输入至永磁无刷直流电机三相逆变桥，以驱动无刷直流电机。

所述的步骤2中PWM斩波信号由如下步骤得到：

步骤（1）：根据设定的速度参考值ω^*和电机控制器输出的速度反馈值ω进行PI调节，得到参考斩波幅值，L=K_p·e_ω+K_i∫e_ωdt，K_p为比例增益，K_p>0，K_i为积分增益K_i>0，其中：e_ω=ω^*-ω；所述电机控制器输出的速度反馈值P为电机极对数，t>0；t为电机磁极信号H1=1到H1下一次为1的时间；

步骤（2）：以参考斩波幅值L与周期序列信号F的幅值|F|做差，Δδ=L-|F|，Δδ≥0则PWM=0，Δδ<0则PWM=1；F为频率为f的三角波，f＞0。

有益效果

本发明提出的一种150°导通模式驱动无刷直流电机的方法，在150°导通模式下，一个换相过程中，非换相电流的变换趋势为绝对值先增大后减小，换相转矩脉动先升后降。与采用120°导通模式驱动电机时换相转矩脉动在换相过程中持续上升或下降相比，在150°导通模式下，电机的换相转矩脉动在功率管导通30°的时间内处于上升阶段，在关断功率管开始关断时起处于下降阶段，在电机高速运行阶段，此过程换相转矩的波动减小为一个可观数值。

本发明提出的方法，在150°导通模式可对电机高速状态下，由电感等因素造成电流为非理想方波的情况进行补偿，从而达到减小转矩脉动的目的。

附图说明

图1：无刷直流电机结构；

(a）电机磁极及绕组位置；(b)电机霍尔传感器位置；

图2：三相无刷直流电机等效电路图；

图3：150°导通模式换相原理图；

图4：120°导通模式下电磁转矩（T=2N·m）；

图5：150°导通模式下电磁转矩（T=2N·m）。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

某三相永磁无刷直流电机技术指标额定功率P=1.5kW，额定转矩T=2N·m，极对数p=1。三相无刷直流电机等效电路图参见图2。等效电路图包括控制器逆变电路功率桥和无刷直流电机本体两部分。控制器逆变电路功率桥由六个功率管(T1～T6)和六个续流二极管(D1～D6)组成，其中T1、T4组成的桥臂与电机A相绕组相连，T3、T6组成的桥臂与电机B相绕组相连，T5、T2组成的桥臂与电机C相绕组相连。无刷直流电机本体如图1，六个霍尔传感器如图1（b）所示，H1与H2，H3与H4，H5与H6之间差30°；H2与H3，H4与H5，H6与H1之间差90°。

其实施过程如下：

给定周期信号F为频率为f的三角波，f＝10kHZ

Q 1 = H 4 \cdot \overset{&OverBar;}{H 1} = 1,

Q 2 = H 5 \cdot \overset{&OverBar;}{H 2} = 0,

Q 3 = H 6 \cdot \overset{&OverBar;}{H 3} = 0,

Q 4 = H 1 \cdot \overset{&OverBar;}{H 4} = 0,

Q 5 = H 2 \cdot \overset{&OverBar;}{H 5} = 1,

Q 6 = H 3 \cdot \overset{&OverBar;}{H 6} = 1;

2）根据设定的速度参考值ω^*和电机控制器输出的速度反馈值ω进行PI调节，得到参考斩波幅值，L=K_p·e_ω+K_i∫e_ωdt，电机未启动，ω=0，其中e_ω=ω^*-ω=ω^*，则L=K_p·e_ω+K_i∫e_ωdt=K_p·ω^*+K_i∫ω^*dt；

3）参考斩波幅值L与周期序列信号F的幅值|F|做差：Δδ=L-|F|=K_p·ω^*+K_i∫ω^*dt-|F|则

\{\begin{matrix} K_{p} \cdot ω^{*} + K_{i} {&Integral; ω}^{*} dt &GreaterEqual; | F |, PWM = 1 \\ K_{p} \cdot ω^{*} + K_{i} {&Integral; ω}^{*} dt \leq | F |, PWM = 0 \end{matrix};

4）控制信号与PWM斩波信号相与，得到三相逆变桥所需的调制信号T1=Q1·PWM=PWM，T3=Q3·PWM=0，T5=Q5·PWM=PWM，T2=Q2=0，T4=Q4=0，T6=Q6=1。功率管T1T5T6开通，A相绕组、B相绕组、C相绕组通电，绕组电流分别从A相C相流进，从B相流出，电机定、转子励磁磁场相互作用，拖动电机转子旋转；

5）当转子稀土永磁体转过30°，电机霍尔位置传感器检测转子位置信号Hall1，Hall2，Hall3，Hall4，Hall5，Hall6，计算得6路电机磁极信号H1，H2，H3，H4，H5，H6，对其进行逻辑变换，得到6路控制信号

Q 1 = H 4 \cdot \overset{&OverBar;}{H 1},

Q 2 = H 5 \cdot \overset{&OverBar;}{H 2},

Q 3 = H 6 \cdot \overset{&OverBar;}{H 3},

Q 4 = H 1 \cdot \overset{&OverBar;}{H 4},

Q 5 = H 2 \cdot \overset{&OverBar;}{H 5},

Q 6 = H 3 \cdot \overset{&OverBar;}{H 6};

6）重复步骤2）-4），功率管T1T6开通，A相绕组、B相绕组通电，绕组电流A相，从B相流出，电机定、转子励磁磁场相互作用，拖动电机转子旋转

7）重复步骤5）-6），电机旋转一周功率管开通顺序为T5T6T1、T1T6、T1T6T2、T1T2、T1T2T3、T2T3、T2T3T4、T3T4、T3T4T5、T4T5、T4T5T6、T5T6，依此循环，电机启动完成，进入调速阶段；

8）读取电机磁极信号进行逻辑变换

Q 1 = H 4 \cdot \overset{&OverBar;}{H 1},

Q 2 = H 5 \cdot \overset{&OverBar;}{H 2},

Q 3 = H 6 \cdot \overset{&OverBar;}{H 3},

Q 4 = H 1 \cdot \overset{&OverBar;}{H 4},

Q 5 = H 2 \cdot \overset{&OverBar;}{H 5},

Q 6 = H 3 \cdot \overset{&OverBar;}{H 6};

计算电机转速：读取H1=1到H1下一次为1的时间为t，则电机控制器输出的速度反馈值

9）根据设定的速度参考值ω^*和电机控制器输出的速度反馈值ω进行PI调节，得到参考斩波幅值，L=K_p·e_ω+K_i∫e_ωdt，其中则

L = K_{p} \cdot e_{ω} + K_{i} &Integral; e_{ω} dt = K_{p} \cdot (ω^{*} - \frac{1}{t}) + K_{i} &Integral; (ω^{*} - \frac{1}{t}) dt;

10）参考斩波幅值L与周期序列信号F的幅值|F|做差：

ΔδL - | F | = K_{p} \cdot (ω^{*} - \frac{1}{t}) + K_{i} &Integral; (ω^{*} - \frac{1}{t}) dt - | F |

则

\{\begin{matrix} K_{p} \cdot (ω^{*} - \frac{1}{t}) + K_{i} &Integral; (ω^{*} - \frac{1}{t}) dt &GreaterEqual; | F |, PWM = 1 \\ K_{p} \cdot (ω^{*} - \frac{1}{t}) + K_{i} &Integral; (ω^{*} - \frac{1}{t}) dt \leq | F |, PWM = 0 \end{matrix};

11）控制信号与PWM斩波信号相与，得到三相逆变桥所需的调制信号T1=Q1·PWM，T3=Q3·PWM，T5=Q5·PWM，T2=Q2，T4=Q4，T6=Q6，相应功率管导通，电机旋转，重复步骤8）-11）即完成电机的驱动。

该无刷直流电机150°导通模式换相原理参见图3。电机相反电势波形为120°梯形波，相电流为150°方波。无刷直流电机在150°导通模式下换相时，开通相电流上升时，其它两相电流保持不变，开通的功率管开通30°后，关断功率管关断。非换相电流绝对值随开通电流的上升而有所上升，然后随关断相电流的下降有所下降，30°电角度后进入下个换相过程。

分别采用120°导通模式和150°导通模式对该无刷直流电机在带额定负载条件下进行仿真，仿真结果为：120°导通模式下，电机稳态的转矩脉动为0.6N·m，参见图4；150°导通模式下，电机稳态的转矩脉动为0.5N·m，参见图5。结果表明采用150°导通模式使该无刷直流电机转矩脉动比采用120°导通模式时转矩脉动减小17％。

Claims

1.一种永磁无刷直流电机150°导通模式的驱动方法，其特征在于：对电机磁极信号进行逻辑运算，再与PWM斩波信号相与，得到驱动无刷直流电机上下管调制信号，依次含有以下步骤：

Q 1 = H 4 \cdot \overset{&OverBar;}{H 1}, Q 2 = H 5 \cdot \overset{&OverBar;}{H 2}, Q 3 = H 6 \cdot \overset{&OverBar;}{H 3}, Q 4 = H 1 \cdot \overset{&OverBar;}{H 4}, Q 5 = H 2 \cdot \overset{&OverBar;}{H 5},

其中H1与H2，H3与H4，H5与H6之间差30°，H2与H3，H4与H5，H6与H1之间差90°；

步骤2：控制信号与PWM斩波信号相与，得到三相逆变桥所需的调制信号T1＝Q1·PWM，T3＝Q3·PWM，T5＝Q5·PWM，T2＝Q2，T4＝Q4，T6＝Q6；其中：T1，T3，T5为上管调制信号，T2，T4，T6为下管调制信号，PWM为斩波信号；

3.根据权利要求1所述的永磁无刷直流电机150°导通模式的驱动方法，其特征在于：所述的步骤2中PWM斩波信号由如下步骤得到：

步骤(1)：根据设定的速度参考值ω^*和电机控制器输出的速度反馈值ω进行PI调节，得到参考斩波幅值，L＝K_p·e_ω+K_i∫e_ωdt，K_p为比例增益，K_p＞0,K_i为积分增益K_i＞0，其中：e_ω＝ω^*-ω；所述电机控制器输出的速度反馈值P为电机极对数，t>0；t为电机磁极信号H1＝1到H1下一次为1的时间；

步骤(2)：以参考斩波幅值L与周期序列信号F的幅值|F|做差，Δδ＝L-|F|,Δδ≥0则PWM＝0，Δδ<0则PWM＝1；F为频率为f的三角波，f>0。