CN101789739B - 双凸极电机移相交错角度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双凸极电机移相交错角度控制方法，将十二进制计数器和逻辑锁相环芯片构成锁相倍频电路，三相位置信号中任意一相位置信号经过锁相倍频电路进行m倍倍频处理得到倍频信号；将三相位置信号与倍频信号连接至DSP处理器捕获端口；建立移相角α、交错角θ和倍频信号脉冲数的角度脉冲关系表并导入DSP微处理器，通过DSP处理器捕获端口捕捉双凸极电机各相的位置信号下降沿作为功率开关管通断的基准信号，调用角度脉冲关系表重新设置换相控制来实现双凸极电机的功率开关管的通断信号并计算移相角α和交错角θ。本发明消除了上下功率开关管之间的死区时间，既能保证双凸极电机实现大的输出转矩，又能减小输出转矩的脉动，有效提高电机出力。

Description

双凸极电机移相交错角度控制方法

技术领域

本发明涉及一种双凸极电机，尤其涉及对双凸极电机的角度控制，属特种电机数字控制技术。

背景技术

目前，双凸极电机包括永磁、电励磁，混合励磁、双定子结构等不同励磁方式和结构。对双凸极电机的电动控制，一般采用标准角度控制，即当电机相绕组反电势为正时通正电，相绕组反电势为负时通负电，相绕组反电势为零时不通电，在此标准角度控制策略下，电机相电流上升率较小，且电机在中、高速场合下输出转矩较小。为了提高双凸极电机在中、高速下的出力，常采用提前角度控制，这种提前角度控制能够提高电机的出力，但其缺陷是；在提前角度控制和标准角度控制过程中具有死区时间，会使电机产生转矩脉动。

发明内容

本发明提出一种双凸极电机移相交错角度控制方法，旨在双凸极电机现有控制的基础上改善转矩脉动，通过采用移相交错角度控制消除死区时间，从而消除标准角度控制和提前角度控制由于死区而产生的转矩脉动。

本发明采用的技术方案是：将十二进制计数器CC4040和逻辑锁相环芯片CC4046构成锁相倍频电路，双凸极电机三相位置信号中任意一相位置信号经过锁相倍频电路进行m倍倍频处理得到倍频信号；将三相位置信号与倍频信号连接至DSP处理器捕获端口；建立相对于标准角度控制下的移相角α、与双凸极电机的前一导通功率开关管驱动信号之间的交错角θ和倍频信号脉冲数的角度脉冲关系表并导入DSP微处理器，通过DSP处理器捕获端口捕捉双凸极电机各相的位置信号下降沿作为功率开关管通断的基准信号，调用角度脉冲关系表重新设置换相控制来实现双凸极电机的功率开关管的通断信号，并计算移相角α和交错角θ。

本发明的技术效果是：

1、本发明利用位置信号的下降沿与双凸极电机反电势之间存在的前后时序关系，能合理地调节移相角和交错角，既能保证双凸极电机实现大的输出转矩，又能减小输出转矩的脉动，有效提高电机出力，简单易实现。

2、通过锁相倍频后的脉冲数进行角度定位计算，从而制造出变换器相应开关管的驱动信号的上升沿与下降沿，采用下降沿检测能实现最大移相角范围为120度电角度(即α＝+60°～α＝-60°)，实现了角度细分，有效地保证移相角和交错角的精度。

3、软件实现上消除了上、下功率开关管之间的死区时间，不需要插入死区时间，确定开关角简单迅速，能灵活自如地设定移相角和交错角，且可通过改变移相角度来实现相对电机相电势提前或滞后开通，使得电机实现大输出转矩的情况下，转矩脉动得以大幅度改善，电机的运行性能得以优化。

4、可应用于调速或驱动系统，提高电机的带载能力，优化电机的输出功率，有很好的应用价值和推广前景。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细说明。

图1是双凸极电机系统控制示意图。

图2是双凸极电机移相交错角度控制逻辑示意图。

图3是移相交错角度控制相位置信号锁相倍频示意图，其捕获口边沿检测为下降沿检测。

图4是提前换相控制中断程序流程图，

图5角度延时子程序图。

图1-5中各符号名称为：V_DC-输入直流电源；S1～S6-6个功率开关管；D1～D6-六个续流二极管；A、B、C-双凸极电机三相绕组；DR1～DR6-分别为功率开关管S1～S6的驱动信号；PWM1～PWM6-分别为各控制策略下功率开关管S1～S6的驱动逻辑信号；PA、PB、PC-分别为双凸极电机A、B、C相位置信号；VCOUT-倍频信号；EA、EB、EC-分别为双凸机电机A、B、C三相电势波形；α-相对于标准角度控制下的移相角；θ-与前一导通开关管驱动信号之间的交错角；CAP1～CAP4、CAP6-DSP微处理器捕获端口；CC4046-逻辑锁相环芯片；CC4040-十二进制计数器；PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5、PWM6-分别为S1～S6的驱动逻辑信号输出接口；CAP6FIFO-DSP芯片CAP6的二级缓冲堆栈寄存器；Flag-计算分频脉冲个数标志；pulse_n-对应角度下的脉冲数。

具体实施方式

如图1，双凸极电机移相交错角度控制由软件与硬件相结合而成。硬件部分包括将十二进制计数器CC4040和逻辑锁相环芯片CC4046构成锁相倍频电路，双凸极电机三相位置信号中任意一相位置信号经过锁相倍频电路进行m倍倍频处理得到倍频信号；将三相位置信号与倍频信号连接至DSP处理器捕获端口进行采集处理。具体方法是：将功率开关管S1-S6构成三相桥式驱动电路，功率开关管S1与S4，功率开关管S3与S6，功率开关管S5与S2进行串联作为双凸极电机的A相、B相和C相驱动桥臂。各相桥臂中点与各相绕组相连。双凸极电机的A相位置信号PA与DSP微处理器捕获端口CAP1和逻辑锁相环芯片CC4046的AIN端相连，B相位置信号PB与DSP微处理器捕获端口CAP2相连，C相位置信号PC与DSP微处理器捕获端口CAP3、CAP4相连，CAP4还可用来计算电机转速。逻辑锁相环芯片CC4046的倍频信号VCOUT与十二进制计数器CC4040的CLK相连，将倍频信号送至DSP微处理器捕获端口CAP6。逻辑锁相环芯片CC4046的BIN与Qn相连(n＝1…12，即将AIN的信号分频，使倍频信号VCOUT的频率是AIN信号的2ⁿ倍，图1中n＝9)。DSP微处理器的六个PWM口输出信号PWM1～PWM6分别送到驱动电路，得到驱动功率开关管的六个驱动信号DR1～DR2，分别与功率开关管S1-S6的栅极或门极相连。其中：功率开关管S1～S6这6个功率开关管可用MOSFET或IGBT，D1～D6这六个续流二极管可为MOSFET的体二极管或外并二极管。十二进制计数器CC4040与逻辑锁相环芯片CC4046构成锁相倍频电路，锁相的目的为了能得到与被处理位置信号相同的上升沿，而进行m倍倍频则是使检测到的位置信号所代表的电角度得到细分，以便进行移相角和交错角度值的精确计算定位。角度值定位的精度与倍频数m有关，m越大，精度值越高，精度为360/m电角度。图1中，m＝2⁹＝512，A相位置信号PA连接至DSP微处理器捕获端口CAP1和锁相环CC4046的信号输入端AIN；B相位置信号PB连接至DSP微处理器捕获端口CAP2。C相位置信号PC连接至DSP微处理器捕获端口CAP3、CAP4。逻辑锁相环芯片CC4046输出信号与十二进制计数器CC4040的CLK端相连输出A相位置信号PA的倍频信号，送至DSP微处理器捕获端口CAP6；DSP微处理器捕获端口CAP1、CAP2、CAP3分别检测双凸极电机三相位置信号的下降沿，DSP微处理器捕获端口CAP4可用于计算转速；DSP微处理器捕获端口CAP6用于捕获接收倍频信号VCOUT，计算倍频信号脉冲数。逻辑锁相环芯片CC4046的BIN端与十二进制计数器CC4040的Q9相连，当逻辑锁相环芯片CC4046锁定时，BIN信号(即Q9信号)始终跟随AIN信号，两者信号一致，频率相等。而对十二进制计数器CC4040而言，CLK信号频率f₀与Q9信号频率f有如下关系：f₀＝2⁹f，因此在十二进制计数器CC4040的时钟输入端(即VCO的输出)得到倍频信号的频率为512倍的输入信号频率，若将逻辑锁相环芯片CC4046输出端VCOUT与Q8相连，则倍频信号频率为2⁸＝256倍倍频，以此类推，倍频数的确定主要由应用的精度和DSP微处理器CAP捕获端口检测的分辨能力决定。同时，十二进制计数器CC4040也可采用其它形式的计数器芯片。

以下结合图2～5来说明双凸极电机移相交错角度控制的软件实现：首先根据角度值与脉冲之间的关系制定角度脉冲关系表，确定不同对应角度值下的脉冲数pulse_n(或k₁、k₂)，然后导入DSP微处理器的RAM区，以便调用。相对于标准角度控制下的移相角α与后移脉冲数k₁、与前一导通开关管驱动信号之间的交错角θ与后移脉冲数k₂的相互对应关系表示如下：

$k_1=\frac{m(60-\mathrm{\α})}{360},$ $k_2=\frac{\mathrm{m\θ}}{360}$

移相角α可以满足α＞0，α＝0或α＜0，θ满足θ＞0。

按照图4-5软件流程图，通过DSP处理器捕获端口捕捉双凸极电机各相的位置信号下降沿，采用检测下降沿的控制方法，调用DSP微处理器中的角度脉冲关系表中的对应数值，重新设置换相控制逻辑与采用硬件锁相倍频电路来实现功率开关管的开通、关断信号，同时实现移相角α和交错角θ的精确计算。双凸极电机A相的下降沿被作为功率开关管S5、S6依次开通和功率开关管S3、S4依次关断的基准信号；B相的下降沿被作为功率开关管S1、S2依次开通和功率开关管S5、S6依次关断的基准信号；C相的下降沿被作为功率开关管S3、S4依次开通和功率开关管S1、S2依次关断的基准信号。根据移相角α从角度脉冲关系表中读取相对应的后移脉冲数k₁，将k₁值赋给变量对应角度下的脉冲数，调用DSP微处理器中的角度后移子程序后将功率开关管的相应驱动逻辑信号输出端口置低电平和高电平，实现双凸极电机相位置信号下降沿延后60-α电角度；根据交错角θ从角度脉冲表中读取相对应的后移脉冲数k₂，将k₂值赋给变量对应角度下的脉冲数，调用角度后移子程序后将功率开关管的相应驱动逻辑信号输出端口置低电平和高电平；实现双凸极电机相位置信号下降延后交错角θ电角度

具体流程如下：当DSP微处理器捕获端口CAP2检测到双凸极电机B相位置信号PB的下降沿时，根据要移相角α从角度脉冲表中读取相对应的脉冲数k₁，将k₁值赋给变量对应角度下的脉冲数pulse_n，调用DSP微处理器中的角度后移子程序后，将功率开关管S5的驱动逻辑信号输出接口PWM5输出端口置低电平，将功率开关管S1的驱动逻辑信号输出接口PWM1输出端口置高电平，调用DSP微处理器中的角度后移子程序的作用是实现双凸极电机B相位置信号PB下降沿延后60-α电角度，然后读取捕获端口CAP6的二级缓冲堆栈寄存器CAP6FIFO的值，每读取一次，就给计数标志Flag加1，当Flag的数值等于对应角度下的脉冲数pulse_n时返回；接着，根据与前一导通开关管驱动信号之间的交错角θ从角度脉冲表中读取相对应的脉冲数k₂，将k₂值赋给变量对应角度下的脉冲数pulse_n，调用DSP微处理器中的角度后移子程序后，将功率开关管S6的驱动逻辑信号输出接口PWM6输出端口置低电平，功率开关管S2的驱动逻辑信号输出接口PWM2输出端口置高电平；调用角度后移子程序的作用是实现延后交错角θ电角度。

与上述类似，当DSP微处理器捕获端口CAP3检测到双凸极电机C三相位置信号PC的下降沿时，根据要移相角α从角度脉冲表中读取相对应的脉冲数k₁，调用角度后移子程序，目的是实现双凸极电机C三相位置信号PC下降沿延后60-α电角度，将PWM1输出端口置低电平，将PWM3输出端口置高电平；接着，根据交错角θ从角度脉冲表中读取相对应的脉冲数k₂，调用角度后移子程序，目的是实现延后交错角θ电角度，将功率开关管S2的驱动逻辑信号输出接口PWM2输出端口置低电平，功率开关管S4的驱动逻辑信号输出接口PWM4输出端口置高电平。

同理，当DSP微处理器捕获端口CAP1检测到双凸极电机A三相位置信号PA的下降沿时，根据要移相角α从角度脉冲表中读取相对应的脉冲数k₁，调用角度后移子程序，目的是实现双凸极电机A三相位置信号PA下降沿延后60-α电角度，将功率开关管S3的驱动逻辑信号输出接口PWM3输出端口置低电平，将功率开关管S5的驱动逻辑信号输出接口PWM5输出端口置高电平；接着，根据交错角θ从角度脉冲表中读取相对应的脉冲数k₂，调用角度后移子程序，目的是实现延后交错角θ电角度，将功率开关管S4的驱动逻辑信号输出接口PWM4输出端口置低电平，功率开关管S6的驱动逻辑信号输出接口PWM6输出端口置高电平；至此，就完成了双凸极电机移相交错角度控制的软件实现。

本发明基于三相桥式变换器驱动电机，在软件上功率开关管的开通和关断时序发生了改变，即换相控制逻辑和开关管的控制信号发生变化，采用换相控制以实现双凸极电机的提前换相；在硬件上采用与提前角度控制一样的锁相倍频以实现移相角度和交错角度值的精确计算。

Claims (1)

1.一种双凸极电机移相交错角度控制方法，其特征是采用如下步骤：

1)将十二进制计数器CC4040和逻辑锁相环芯片CC4046构成锁相倍频电路，双凸极电机三相位置信号中任意一相位置信号经过锁相倍频电路进行m倍倍频处理得到倍频信号；将三相位置信号与倍频信号连接至DSP处理器捕获端口；

2)建立相对于标准角度控制下的移相角α、与双凸极电机的前一导通功率开关管驱动信号之间的交错角θ和倍频信号脉冲数的角度脉冲关系表如下，

$k_1=\frac{m(60-\mathrm{\α})}{360},$ $k_2=\frac{\mathrm{m\θ}}{360}$ θ＞0

k₁——相对于标准角度控制下的后移脉冲数；

k₂-与前一导通功率开关管驱动信号之间的后移脉冲数；

将所述角度脉冲关系表导入DSP微处理器；

3)通过DSP处理器捕获端口捕捉双凸极电机各相的位置信号下降沿作为功率开关管通断的基准信号，调用角度脉冲关系表重新设置换相控制来实现双凸极电机的功率开关管的通断信号，并计算移相角α和交错角θ；

所述调用角度脉冲关系表重新设置换相控制的方法是：双凸极电机A相的下降沿被作为功率开关管S5、S6依次开通和功率开关管S3、S4依次关断的基准信号；B相的下降沿被作为功率开关管S1、S2依次开通和功率开关管S5、S6依次关断的基准信号；C相的下降沿被作为功率开关管S3、S4依次开通和功率开关管S1、S2依次关断的基准信号；当DSP微处理器捕获端口CAP2检测到双凸极电机B相位置信号PB的下降沿时，根据移相角α从角度脉冲表中读取相对应的脉冲数k₁，将k₁值赋给变量对应角度下的脉冲数pulse_n，调用DSP微处理器中的角度后移子程序后，将功率开关管S5的驱动逻辑信号输出接口PWM5输出端口置低电平，将功率开关管S1的驱动逻辑信号输出接口PWM1输出端口置高电平，实现双凸极电机B相位置信号PB下降沿延后60-α电角度；然后读取捕获端口CAP6的二级缓冲堆栈寄存器CAP6FIFO的值，每读取一次，就给计数标志Flag加1，当Flag的数值等于对应角度下的脉冲数pulse_n时返回；根据与前一导通开关管驱动信号之间的交错角θ从角度脉冲表中读取相对应的脉冲数k₂，将k₂值赋给变量对应角度下的脉冲数pulse_n，调用DSP微处理器中的角度后移子程序后，将功率开关管S6的驱动逻辑信号输出接口PWM6输出端口置低电平，功率开关管S2的驱动逻辑信号输出接口PWM2输出端口置高电平，实现延后交错角θ电角度。

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