單繞組直流無刷電機(jī)的正弦波電流驅(qū)動系統(tǒng)及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，具體說是單繞組直流無刷電機(jī)的正弦波電流驅(qū)動系統(tǒng)及其控制方法。該驅(qū)動系統(tǒng)及控制方法通過位置傳感器采集到的電機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率，計算得出輸入電流相位角瞬時值和輸入電流指令值，進(jìn)而依次得到電路控制電壓項、瞬時感應(yīng)電壓和輸出電壓指令值，最終得到輸出占空比α以生成脈寬調(diào)制PWM波信號，并傳送至全橋功率逆變電路中來控制大功率開關(guān)器件，從而實現(xiàn)單繞組直流無刷電機(jī)的驅(qū)動控制。采用該驅(qū)動系統(tǒng)及控制方法對單繞組直流無刷電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動控制，電機(jī)起動容易，制造成本較低，電機(jī)運行時振動和噪音小，適用范圍較廣。
【專利說明】單繞組直流無刷電機(jī)的正弦波電流驅(qū)動系統(tǒng)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，具體說是單繞組直流無刷電機(jī)的正弦波電流驅(qū)動系統(tǒng)及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]直流無刷電機(jī)，又稱永磁同步電機(jī)，以其高效節(jié)能和靜音、小型等優(yōu)點得到了廣泛地應(yīng)用。與傳統(tǒng)的異步電機(jī)相比，轉(zhuǎn)子內(nèi)嵌的磁鋼提供了磁場，使得電機(jī)勵磁電流大幅下降甚至無需勵磁電流，大幅度提高了電機(jī)本體效率。
[0003]目前，直流無刷電機(jī)大部分是三相繞組構(gòu)成，由三相變頻驅(qū)動裝置驅(qū)動。為了降低成本，單繞組直流無刷電機(jī)被提出并得到了實用驗證。由于單繞組直流無刷電機(jī)定子只有一相繞組，大大簡化了生產(chǎn)工藝和成本，同時通過優(yōu)化設(shè)計，單繞組直流無刷電機(jī)的效率可以做到與三相直流無刷電機(jī)相媲美。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中對單繞組直流無刷電機(jī)的驅(qū)動控制，大都沿用了三相直流無刷電機(jī)的120度通電的驅(qū)動方式，其驅(qū)動器構(gòu)成及控制方法如下:
[0005]單繞組直流無刷電機(jī)的驅(qū)動器由四個MOSFET或IGBT構(gòu)成的全橋功率逆變電路組成，逆變電路兩相的輸出端分別接在電機(jī)單繞組的兩端；電機(jī)轉(zhuǎn)子附近配置一個檢測轉(zhuǎn)子位置的霍爾等位置傳感器；當(dāng)電機(jī)磁鋼的磁場劃過霍爾傳感器時，霍爾信號將發(fā)生對應(yīng)磁極位置的高低電平信號；驅(qū)動器根據(jù)霍爾等位置傳感器的位置信息，對全橋功率逆變電路施加一個等占空比脈寬調(diào)制(PWM)的調(diào)制信號，當(dāng)霍爾信號發(fā)生變化時隨之切換導(dǎo)通相序，使得轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場旋轉(zhuǎn)；通過調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制(PWM)波的占空比使得驅(qū)動器輸出電壓發(fā)生變化，進(jìn)而使得單繞組直流無刷電機(jī)的電流和轉(zhuǎn)矩隨之發(fā)生變化，從而達(dá)到調(diào)節(jié)單繞組直流無刷電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的目的。這種控制方法簡單易行，驅(qū)動器控制甚至可以不使用CPU等處理器，完全由模擬數(shù)字電路硬件構(gòu)成。
[0006]但是，這種驅(qū)動方式存在以下缺點:
[0007]1.由于單繞組直流無刷電機(jī)中只有一組繞組，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)子停止時的初始角度不同而存在著一個電磁轉(zhuǎn)矩趨于零的轉(zhuǎn)矩死區(qū)，需要在設(shè)計時調(diào)節(jié)霍爾等位置傳感器的位置，使得電機(jī)起動時控制較為困難；
[0008]2.單繞組直流無刷電機(jī)必須采用特殊的氣隙、齒槽配合等結(jié)構(gòu)設(shè)計，才能確保電機(jī)的正常起動，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本相對較高；
[0009]3.由電機(jī)相電流所產(chǎn)生的磁場和轉(zhuǎn)子永磁體的磁場合成了單繞組電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場，而等占空比脈寬調(diào)制(PWM)的定子方波電壓所產(chǎn)生的電機(jī)相電流必然不是正弦波，使得電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場含有大量的高次諧波成分，進(jìn)而造成了電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩含有較大的脈動成分，使得單繞組直流無刷電機(jī)運行時的振動和噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)比三繞組直流無刷電機(jī)大；
[0010]4.等占空比脈寬調(diào)制(PWM)在起動時電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是單方向的，也就是單繞組直流無刷電機(jī)起動的旋轉(zhuǎn)方向只能是單方向，使其使用范圍受到了極大的限制。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明要解決的問題是提供一種單繞組直流無刷電機(jī)的正弦波電流驅(qū)動系統(tǒng)及其控制方法，采用該驅(qū)動系統(tǒng)及控制方法對單繞組直流無刷電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動控制，電機(jī)起動容易，制造成本較低，電機(jī)運行時振動和噪音小，適用范圍較廣。
[0012]為解決上述問題，采取以下技術(shù)方案:
[0013]本發(fā)明的單繞組直流無刷電機(jī)的正弦波電流驅(qū)動系統(tǒng)的特點是包括電源電路、全橋功率逆變電路、單繞組直流無刷電機(jī)、位置傳感器、電流采樣電路、電壓采樣電路、控制運算單元、位置檢測電路和外部指令接受電路。所述電源電路輸出直流電源，通過DC+/DC-直流母線與全橋功率逆變電路連接。所述全橋功率逆變電路包括4組由IGBT或MOSFET組成的大功率開關(guān)器件，全橋功率逆變電路與所述控制運算單元呈電連接，4組大功率開關(guān)器件的開關(guān)信號來自于控制運算單元發(fā)出的脈寬調(diào)制波；全橋功率逆變電路通過兩條交流動力線AC_U和AC_V與所述單繞組直流無刷電機(jī)連接，輸出交流電壓以驅(qū)動單繞組直流無刷電機(jī)。所述位置傳感器安裝在單繞組直流無刷電機(jī)中用于檢測轉(zhuǎn)子位置；位置傳感器通過位置檢測電路與控制運算單元呈電連接，使得位置傳感器的采樣信號通過位置檢測電路處理后傳送至控制運算單元。所述全橋功率逆變電路與單繞組直流無刷電機(jī)間的交流動力線AC_V上設(shè)置有電流傳感器，該電流傳感器通過電流采樣電路與控制運算單元呈電連接，使得電流傳感器采集到的單繞組直流無刷電機(jī)的相電流瞬時值，能夠經(jīng)電流采樣電路處理后傳送至控制運算單元。所述電源電路與全橋功率逆變電路間的DC+/DC-直流母線分別與電壓采樣電路呈電連接，電壓采樣電路與控制運算單元呈電連接，使得直流母線上的電壓信號能夠經(jīng)電壓采樣電路處理后傳送至控制運算單元。所述外部指令接受電路與控制運算單元呈電連接，外部指令接受電路用于接受外部上位機(jī)輸入的轉(zhuǎn)速、電流或者輸出功率指令信號，并經(jīng)處理后傳送至控制運算單元。所述控制運算單元包括不少于一個的運算處理器CPU，其用于接受上述的所有信號后完成單繞組直流無刷電機(jī)的驅(qū)動控制計算。
[0014]本發(fā)明的單繞組直流無刷電機(jī)的正弦波電流驅(qū)動系統(tǒng)的控制方法的特點是包括以下步驟:
[0015]第一步，利用電機(jī)的設(shè)計參數(shù)或通過測量得到單繞組直流無刷電機(jī)的感應(yīng)電壓-頻率曲線，并將該曲線按照表格或計算公式的方式輸入至控制運算單元的存儲裝置中；將整個感應(yīng)電壓的波形與輸入電流相位角的對應(yīng)關(guān)系在單繞組直流無刷電機(jī)上進(jìn)行測量，得到高次諧波電壓成分與輸入電流相位角的對應(yīng)關(guān)系曲線，并將該曲線按照表格或計算公式的方式輸入至控制運算單元的存儲裝置中。
[0016]第二步，控制運算單元通過位置傳感器和位置檢測電路采集并計算得到電機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率，同時計算出單繞組直流無刷電機(jī)的輸入電流相位角瞬時值。
[0017]第三步，控制運算單元通過外部指令接受電路，直接得到單繞組直流無刷電機(jī)的輸入電流指令值；或由上位機(jī)通過外部指令接受電路給出電機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率指令值與位置傳感器和位置檢測電路采集到的電機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率作比例-積分-微分運算，得到單繞組直流無刷電機(jī)的輸入電流指令值，該電流指令值代表著電機(jī)輸入電流的有效值。
[0018]第四步，控制運算單元通過電流傳感器以及電流采樣電路，實時地采樣單繞組直流無刷電機(jī)的相電流瞬時值。
[0019]第五步，控制運算單元按照輸入電流相位角瞬時值求得正弦值，乘上根號2倍的電流指令值，作為瞬時電流指令值，并將該瞬時電流指令值與電流傳感器采樣得到的相電流瞬時值作比例-積分-微分運算，得到輸出電機(jī)的電流控制電壓項。
[0020]第六步，控制運算單元根據(jù)電機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率，按照第一步中的感應(yīng)電壓-頻率曲線查表或計算得到電機(jī)的感應(yīng)電壓有效值，并乘上根號2倍的輸入電流相位角瞬時值對應(yīng)的正弦值，還需要根據(jù)當(dāng)前輸入電流相位角瞬時值查表得出此時的實測高次諧波電壓，一并計入瞬時感應(yīng)電壓，得到瞬時感應(yīng)電壓。
[0021]第七步，將電機(jī)的電流控制電壓項與瞬時感應(yīng)電壓求和，得到全橋功率逆變電路的輸出電壓指令值。
[0022]第八步，通過輸出電壓指令值與電壓采樣電路采樣得到的直流母線電壓的比例計算得到輸出占空比，最后得到控制大功率開關(guān)器件的脈寬調(diào)制波信號，并傳送至全橋功率逆變電路。
[0023]整個控制流程按上述步驟，在預(yù)先設(shè)定的控制周期內(nèi)，從第二步至第八步周而復(fù)始的進(jìn)行，完成了單繞組直流無刷電機(jī)的正弦波電流驅(qū)動控制。
[0024]其中，當(dāng)所述位置傳感器為霍爾位置傳感器時，控制方法第二步中電機(jī)的輸入電流相位角瞬時值的計算公式如下:
[0025]Θ = 0sen+0pre+2 Jiffb At
[0026]式中，Θ為電機(jī)的輸入電流相位角瞬時值；Θ sen為霍爾位置傳感器采集到的位置傳感器相位角，它根據(jù)霍爾信號的高低電平變化動態(tài)更新；θρΜ為預(yù)先設(shè)置在控制運算單元中的進(jìn)相角，可以通過調(diào)節(jié)θρΜ的數(shù)值，來校正位置傳感器的誤差；ffb為位置傳感器和位置檢測電路所采集到的電機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率；At為霍爾位置傳感器更新相位角Θ _后的時間
變化量。
[0027]當(dāng)所述位置傳感器為編碼器時，控制方法第二步中電機(jī)的輸入電流相位角瞬時值的計算公式如下:
[0028]Θ = Θ sen+ Θ pre
[0029]式中，Θ為電機(jī)的輸入電流相位角瞬時值；Θ sen為編碼器采集到的位置傳感器相位角，它根據(jù)編碼器信號的變化動態(tài)更新；Θ pre為預(yù)先設(shè)置在控制運算單元中的進(jìn)相角，可以通過調(diào)節(jié)θρΜ的數(shù)值，來校正位置傳感器的誤差。
[0030]控制方法第三步中，上位機(jī)通過外部指令接受電路給出電機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率指令值時，單繞組直流無刷電機(jī)的輸入電流指令值通過比例-積分-微分(PID)運算得出，其計算公式如下:
【權(quán)利要求】
1.單繞組直流無刷電機(jī)的正弦波電流驅(qū)動系統(tǒng)，其特征在于包括電源電路、全橋功率逆變電路、單繞組直流無刷電機(jī)、位置傳感器、電流采樣電路、電壓采樣電路、控制運算單元、位置檢測電路和外部指令接受電路； 所述電源電路輸出直流電源，通過DC+/DC-直流母線與全橋功率逆變電路連接；所述全橋功率逆變電路包括4組由IGBT或MOSFET組成的大功率開關(guān)器件，全橋功率逆變電路與所述控制運算單元呈電連接，4組大功率開關(guān)器件的開關(guān)信號來自于控制運算單元發(fā)出的脈寬調(diào)制波；全橋功率逆變電路通過兩條交流動力線ACJJ和AC_V與所述單繞組直流無刷電機(jī)連接，輸出交流電壓以驅(qū)動單繞組直流無刷電機(jī)； 所述位置傳感器安裝在單繞組直流無刷電機(jī)中用于檢測轉(zhuǎn)子位置；位置傳感器通過位置檢測電路與控制運算單元呈電連接，使得位置傳感器的采樣信號通過位置檢測電路處理后傳送至控制運算單元； 所述全橋功率逆變電路與單繞組直流無刷電機(jī)間的交流動力線AC_V上設(shè)置有電流傳感器，該電流傳感器通過電流采樣電路與控制運算單元呈電連接，使得電流傳感器采集到的單繞組直流無刷電機(jī)的相電流瞬時值，能夠經(jīng)電流采樣電路處理后傳送至控制運算單元; 所述電源電路與全橋功率逆變電路間的DC+/DC-直流母線分別與電壓采樣電路呈電連接，電壓采樣電路與控制運算單元呈電連接，使得直流母線上的電壓信號能夠經(jīng)電壓采樣電路處理后傳送至控制運算單元； 所述外部指令接受電路與控制運算單元呈電連接，外部指令接受電路用于接受外部上位機(jī)輸入的轉(zhuǎn)速、電流或者輸出功率指令信號，并經(jīng)處理后傳送至控制運算單元； 所述控制運算單元包括不少于一個的運算處理器CPU，其用于接受上述的所有信號后完成單繞組直流無刷電機(jī)的驅(qū)動控制計算。
2.如權(quán)利要求1所述的單繞組直流無刷電機(jī)的正弦波電流驅(qū)動系統(tǒng)的控制方法，其特征在于包括以下步驟: 第一步，利用電機(jī)的設(shè)計參數(shù)或通過測量得到單繞組直流無刷電機(jī)的感應(yīng)電壓-頻率曲線，并將該曲線按照表格或計算公式的方式輸入至控制運算單元的存儲裝置中；將整個感應(yīng)電壓的波形與輸入電流相位角的對應(yīng)關(guān)系在單繞組直流無刷電機(jī)上進(jìn)行測量，得到高次諧波電壓成分與輸入電流相位角的對應(yīng)關(guān)系曲線，并將該曲線按照表格或計算公式的方式輸入至控制運算單元的存儲裝置中； 第二步，控制運算單元通過位置傳感器和位置檢測電路采集并計算得到電機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率，同時計算出單繞組直流無刷電機(jī)的輸入電流相位角瞬時值； 第三步，控制運算單元通過外部指令接受電路，直接得到單繞組直流無刷電機(jī)的輸入電流指令值；或由上位機(jī)通過外部指令接受電路給出電機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率指令值與位置傳感器和位置檢測電路采集到的電機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率作比例-積分-微分運算，得到單繞組直流無刷電機(jī)的輸入電流指令值，該電流指令值代表著電機(jī)輸入電流的有效值； 第四步，控制運算單元通過電流傳感器以及電流采樣電路，實時地采樣單繞組直流無刷電機(jī)的相電流瞬時值； 第五步，控制運算單元按照輸入電流相位角瞬時值求得正弦值，乘上根號2倍的電流指令值，作為瞬時電流指令值，并將該瞬時電流指令值與電流傳感器采樣得到的相電流瞬時值作比例-積分-微分運算，得到輸出電機(jī)的電流控制電壓項； 第六步，控制運算單元根據(jù)電機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率，按照第一步中的感應(yīng)電壓-頻率曲線查表或計算得到電機(jī)的感應(yīng)電壓有效值，并乘上根號2倍的輸入電流相位角瞬時值對應(yīng)的正弦值，還需要根據(jù)當(dāng)前輸入電流相位角瞬時值查表得出此時的實測高次諧波電壓成分，一并計入瞬時感應(yīng)電壓，得到瞬時感應(yīng)電壓； 第七步，將電機(jī)的電流控制電壓項與瞬時感應(yīng)電壓求和，得到全橋功率逆變電路的輸出電壓指令值； 第八步，通過輸出電壓指令值與電壓采樣電路采樣得到的直流母線電壓的比例計算得到輸出占空比，最后得到控制大功率開關(guān)器件的脈寬調(diào)制波信號，并傳送至全橋功率逆變電路； 整個控制流程按上述步驟，在預(yù)先設(shè)定的控制周期內(nèi)，從第二步至第八步周而復(fù)始的進(jìn)行，完成了單繞組直流無刷電機(jī)的正弦波電流驅(qū)動控制。
3.如權(quán)利要求2所述的單繞組直流無刷電機(jī)的正弦波電流驅(qū)動系統(tǒng)的控制方法，其特征在于當(dāng)所述位置傳感器為霍爾位置傳感器時，第二步中電機(jī)的輸入電流相位角瞬時值的計算公式如下:
9 = 9 sen+ 9 pre+2 ^ ffb Δ t 式中，Θ為電機(jī)的輸入電流相位角瞬時值；為霍爾位置傳感器采集到的位置傳感器相位角，它根據(jù)霍爾信號的高低電平變化動態(tài)更新；9_為預(yù)先設(shè)置在控制運算單元中的進(jìn)相角，可以通過調(diào)節(jié)Θ pre的數(shù)值，來校正位置傳感器的誤差；ffb為位置傳感器和位置檢測電路所采集到的電機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率；At為霍爾位置傳感器更新相位角Θ _后的時間變化量。
4.如權(quán)利要求2所述的單繞組直流無刷電機(jī)的正弦波電流驅(qū)動系統(tǒng)的控制方法，其特征在于當(dāng)所述位置傳感器為編碼器時，第二步中電機(jī)的輸入電流相位角瞬時值的計算公式如下: Θ = Θ + Θ
sen pre 式中，θ為電機(jī)的輸入電流相位角瞬時值；為編碼器采集到的位置傳感器相位角，它根據(jù)編碼器信號的變化動態(tài)更新；θ pre為預(yù)先設(shè)置在控制運算單元中的進(jìn)相角，可以通過調(diào)節(jié)θρΜ的數(shù)值，來校正位置傳感器的誤差。
5.如權(quán)利要求2所述的單繞組直流無刷電機(jī)的正弦波電流驅(qū)動系統(tǒng)的控制方法，其特征在于第三步中單繞組直流無刷電機(jī)的輸入電流指令值通過比例-積分-微分(PID)運算得出，其計算公式如下:
6.如權(quán)利要求2所述的單繞組直流無刷電機(jī)的正弦波電流驅(qū)動系統(tǒng)的控制方法，其特征在于第五步中按照比例-積分-微分(PID)運算計算輸出電機(jī)的電流控制電壓項的計算公式如下:
7.如權(quán)利要求2所述的單繞組直流無刷電機(jī)的正弦波電流驅(qū)動系統(tǒng)的控制方法，其特征在于第六步中瞬時感應(yīng)電壓的計算公式如下: eo =々K、sin⑷+(、(汐) 式中，e。為瞬時感應(yīng)電壓；V。為在當(dāng)前電機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率ffb下查表計算得到的感應(yīng)電壓有效值；Θ為當(dāng)前電機(jī)的輸入電流相位角瞬時值；eh( Θ )為感應(yīng)電壓中的高次諧波成分。
8.如權(quán)利要求2所述的單繞組直流無刷電機(jī)的正弦波電流驅(qū)動系統(tǒng)的控制方法，其特征在于第七步中全橋功率逆變電路的輸出電壓指令值的計算公式如下:
Vuv = Vi+e0 式中，Vuv為全橋功率逆變電路輸出電壓指令值A(chǔ)為電流控制電壓項;e0為瞬時感應(yīng)電壓。
9.如權(quán)利要求2所述的單繞組直流無刷電機(jī)的正弦波電流驅(qū)動系統(tǒng)的控制方法，其特征在于第八步中輸出占空比的計算公式如下:
【文檔編號】H02P6/10GK104038115SQ201410253518
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月9日
【發(fā)明者】戴政, 孔小明 申請人:江蘇仁源電氣有限公司