CN101986548B - 一种降低五相无刷直流电机脉动电流的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低五相无刷直流电机脉动电流的控制方法，该方法对所述五相无刷直流电机的原始的运行状态的每个状态后面依次插入一个新的运行状态，所述新的运行状态为某个原始的运行状态的四个开通桥臂开关中其中一个桥臂开关关断，另外三个桥臂开关仍然开通的运行状态。本发明通过改变每相绕组导通时间，即改变提前关断时间t的控制方法，使得插入的十个新的运行状态和原始的十个运行状态依次运行，能够使五相无刷直流电机的绕组脉动电流大幅降低，降低了电机运行噪音，尤其是电机空载时的噪音降低的非常明显，同时减少了转矩脉动，并提高了系统运行效率。

Description

一种降低五相无刷直流电机脉动电流的控制方法

技术领域

本发明涉及一种直流电机控制方法，具体来说涉及一种降低五相无刷直流电机脉动电流的控制方法。

背景技术

与现有的三相无刷直流电机相比，五相无刷直流电机可以使电机的绕组利用率由66.7％提高到80％，电机的功率密度大大提高，低速运转时的转矩提高了20％以上，换相时的最大转矩脉动减少为额定转矩的25％。同时，在输出同样功率的情况下，每相绕组的电流减少了一半，产品的可靠性得到进一步提高。

在五相无刷直流电机中，五个相绕组采用星形连接，每相绕组的一端与控制器的输出相连接，另一端全部连接在一起，在运转过程中有四相绕组同时导通，采用如说明书附图1中的导通逻辑，若A、B两相电流从控制器流出，并流入电机，则C、D、E中必有两相电流从电机流出，并流入控制相线，依此类推。根据电机的工作原理，假定各相绕组产生反电势分别记作e_a，e_b，e_c，e_d，e_e，由于每相绕组的反电势在导通的144°期间是变化的，且由于位置的原因可知在同一时刻反电势e_a，e_b，e_c，e_d，e_e均不相等，同时因桥臂开关导通时电流可以反向流动，在绕组间就产生了环流，该环流与电机的绕组电流叠加形成绕组内的实际电流如说明书附图2，各相电流均发生了较大的变化。

五相无刷直流电机有五个霍尔，采用十状态、“五、四”方式运行时，在每相绕组上会形成脉动电流，环流的存在改变了相电流的波形，即产生了脉动电流，特别是在空载的时候，由于反电势较高，产生的环流也较大，甚至改变了电流的方向，使得电机的转矩产生了很大的脉动，这种脉动电流随着电机转速的增加而增加，在电机达到空载转速时候最大，使电机产生了明显的噪音和脉动转矩，降低了电机的运行效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种降低五相无刷直流电机脉动电流的控制方法，该控制方法能够达到减少环流、减少转矩脉动和噪音、提高工作效率。

本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：

一种降低五相无刷直流电机脉动电流的控制方法，对所述五相无刷直流电机的原始的运行状态的每个状态后面依次插入一个新的运行状态，所述新的运行状态为某个原始的运行状态的4个开通桥臂开关中其中一个桥臂开关关断，另外三个桥臂开关仍然开通的运行状态。

所述五相无刷直流电机的原始的运行状态共有10个，且共插入10个新的运行状态。

所述五相无刷直流电机的10个原始的运行状态为：

状态1：A_上、E_上、B_下、C_下开通；

状态2：A_上、E_上、C_下、D_下开通；

状态3：A_上、B_上、C_下、D_下开通；

状态4：A_上、B_上、D_下、E_下开通；

状态5：B_上、C_上、D_下、E_下开通；

状态6：B_上、C_上、A_下、E_下开通；

状态7：C_上、D_上、A_下、E_下开通；

状态8：C_上、D_上、A_下、B_下开通；

状态9：D_上、E_上、A_下、B_下开通；

状态10：D_上、E_上、B_下、C_下开通；

对所述10个原始运行状态所插入的10个新的运行状态时，则依次提前关断所述10个原始运行状态中的以下桥臂开关：B_下、E_上、C_下、A_上、D_下、B_上、E_下、C_上、A_下、D_上，从而形成10个新的运行状态：

状态1-2：B_下关断，A_上、E_上、C_下开通；

状态2-3：E_上关断，A_上、C_下、D_下开通；

状态3-4：C_下关断，A_上、B_上、D_下开通；

状态4-5：A_上关断，B_上、D_下、E_下开通；

状态5-6：D_下关断，B_上、C_上、E_下开通；

状态6-7：B_上关断，C_上、A_下、E_下开通；

状态7-8：E_下关断，C_上、D_上、A_下开通；

状态8-9：C_上关断，D_上、A_下、B_下开通；

状态9-10：A_下关断，D_上、E_上、B_下开通；

状态10-1：D_上关断，E_上、B_下、C_下开通；

其中，A、B、C、D、E分别为所述五相无刷直流电机的五相绕组，A_上、B_上、C_上、D_上、E_上分别为所述五相绕组全桥开关回路的上桥桥臂开关，A_下、B_下、C_下、D_下、E_下分别为所述五相绕组全桥开关回路的下桥桥臂开关。

所述插入的新的运行状态的运行时间为t，其中t为所述设定的新的运行状态中提前关断的桥臂开关的提前关断时间。

所述提前关断时间为环流峰值减少为相电流平均值10％以内的最小提前关断时间值。或者也可通过试验确定，选取若干个关断时间进行测试，并根据脉动电流进行判断，选取能够使绕组脉动电流最低的最小时间t作为最后确定的提前关断时间。

本发明的降低五相无刷直流电机脉动电流的控制方法具有以下有益效果：本发明通过改变每相绕组导通时间，即改变提前关断时间t的控制方法，使得插入的10个新的运行状态和原始的10个运行状态依次运行，能够使五相无刷直流电机的绕组脉动电流大幅降低，降低了电机运行噪音，尤其是电机空载时的噪音降低的非常明显，同时减少了转矩脉动，并提高了系统运行效率。

附图说明

图1是使用本方法前普通五相控制器的脉动电流波形图；

图2是使用本方法后五相控制器的脉动电流波形；

图3是脉动电流在平均电流一倍时电流波形图；

图4是脉动电流在平均电流50％时电流波形图；

图5是脉动电流在平均电流10％时电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图和测试实例对本发明作进一步的描述。

普通五相控制器的10个运行状态及桥臂开关开通方式的状态列表如下面表1所示，现有五相无刷电机控制器的开通方式是五相10状态，因为反电势不平衡，相电流的波形如图1所示，出现了较大的脉动，在空载时特别明显。

表1

因此，本发明方法对该五相无刷直流电机的控制器的运行过程中插入10个新的运行状态，新的运行状态为某个原始的运行状态的4个开通桥臂开关中其中一个桥臂开关关断，另外三个桥臂开关仍然开通的运行状态。具体来说是对10个原始运行状态所插入的10个新的运行状态时，依次提前关断该10个原始运行状态中的以下桥臂开关：B_下、E_上、C_下、A_上、D_下、B_上、E_下、C_上、A_下、D_上，从而形成10个新的运行状态：

状态1-2：B_下关断，A_上、E_上、C_下开通；

状态2-3：E_上关断，A_上、C_下、D_下开通；

状态3-4：C_下关断，A_上、B_上、D_下开通；

状态4-5：A_上关断，B_上、D_下、E_下开通；

状态5-6：D_下关断，B_上、C_上、E_下开通；

状态6-7：B_上关断，C_上、A_下、E_下开通；

状态7-8：E_下关断，C_上、D_上、A_下开通；

状态8-9：C_上关断，D_上、A_下、B_下开通；

状态9-10：A_下关断，D_上、E_上、B_下开通；

状态10-1：D_上关断，E_上、B_下、C_下开通；

其中，A、B、C、D、E分别为五相无刷直流电机的五相绕组，A _上、B _上、C _上、D_上、E_上分别为五相绕组全桥开关回路的上桥桥臂开关，A_下、B_下、C_下、D_下、E_下分别为五相绕组全桥开关回路的下桥桥臂开关。

从而形成如下面表2所示的运行状态：

表2

以A相为例，在一个电周期内，控制器在上半周期开通上桥桥臂开关144°时，在前两个节拍72°，B相上桥开通，后两个节拍72°，E相上桥开通，相电流波形在A、B关断时变化最大；控制器在下半周期开通下桥桥臂开关144°时，在前两个节拍72°，B相下桥开通，后两个节拍72°，E相下桥开通，相电流波形同样在A、B关断时变化最大，使得A相中的环流i_ab、i_ae在A、B相关断时有较大变化，引起A相电流发生严重的跳变。进一步观察各相绕组相电流波形，发现所有关断相的反电势在关断前下降都较快。

本发明的控制方法中由于在每两个原有状态之间插入了一个新的状态，就需要提前关断前一个状态的桥臂开关，新的状态从这个提前关断的时间点开始运行，一直到被关断的桥臂开关的原有的运行时间结束，将这段时间设为t，即，所插入的新的运行状态的运行时间为t。提前关断时间的取值可采用环流峰值减少为相电流平均值10％以内的最小提前关断时间值。因此，本发明控制方法就是通过控制每相绕组的关断时间，来减小上桥和下桥同时导通两相的反电势差值，降低脉动电流，完整控制程序如下：

如说明书附图3所示，当霍尔为00111时，A相上桥桥臂开关开通，正常情况下，开通144°后在霍尔信号为11100时关断，为了实现提前关断，如果提前关断时间大于0°时，在霍尔信号变化为01100时，需要计算A相关断时间，在时间到时关断A相上桥，这时绕组中只有E_上、B_下、C_下三相导通，到霍尔信号变化为11100时，开通D_上，此时D_上、E _上、B_下、C_下四相导通，同时，在霍尔信号变化为11100时，开始计算C_下的提前关断时间，时间到则提前关断C_下，此时D_上、E_上、B_下导通，到霍尔信号变化为11000时，开通A_下，此时D_上、E_上、B_下、A_下四相导通，并计算E_上提前关断时间，……依此类推，五相无刷直流电机新的导通逻辑调整为说明书附图3，电机运行状态由以前的10种变化为现在的20种。

采用上述导通逻辑，插入新的运行状态从而实现提前关断的方式进行控制，五相电机的相电流如图2所示，脉动电流减少明显。由于采用提前关断会带来电机转速下降，因此在满足控制脉动电流的指标时，应取最小的提前关断时间。

提前关断的时间，需要通过试验进行确定，t的初值可以设定为0°(电角度)，意味着新插入的状态的运行时间为t。测试电机空载运行时的脉动电流幅值，然后逐步增加t直到36°，所选的合适时间是在环流峰值减少为相电流平均值10％以内的最小提前关断时间t。

为了准确确定提前关断时间，对于已经定型的五相无刷直流电机，可以选取不同的几个关断时间进行试验，并根据脉动电流进行判断，在满足要求的前提下，取最小的提前关断时间t作为最后的确定值。

其中的选取受到电机反电势波形、绕组电阻等因素的影响，反电势波形又受到气隙磁幂和绕组的影响，通过计算的方法确定脉动电流幅值与提前关断时间的关系非常复杂，本发明提供一种试验的方法来确定这种关系。

对已经设计好的五相无刷直流电机，参数如下：额定电压48V，空载转速416转/分，额定功率450W，额定转速390转/分(负载转矩11.3N.M)，按正常方式进行控制时，电机单相脉动电流最高达到了平均电流的10倍以上，本发明用来确定每相的提前关断时间t，达到减少脉动电流的实际要求，以下测试实例均以前述电机参数为基准。

测试实例1

在空载条件下，确定脉动电流在平均电流一倍的提前关断时间。

试验方法：在电机空载条件下，驱动电压加到最大使电机转速最高，通过改变关断时间t来确定桥臂开关的导通时间，使得脉动电流维持在单相平均电流的一倍处，记录此刻关断时间点为t1，测试电流波形如图3所示。

测试实例2

确定空载条件下，确定脉动电流在平均电流50％的提前关断时间。

试验方法：在电机空载条件下，驱动电压加到最大使电机转速最高，通过改变关断时间t来确定桥臂开关的导通时间，使得脉动电流维持在单相平均电流的50％处，记录此刻关断时间点为t2，测试电流波形如图4所示。

测试实例3

确定空载条件下，确定脉动电流在平均电流的10％的提前关断时间。

试验方法：在电机空载条件下，驱动电压加到最大使电机转速最高，通过改变关断时间t来确定桥臂开关的导通时间，使得脉动电流维持在单相平均电流的10％处，记录此刻关断时间点为t3，测试电流波形如图5所示。

通过对以上三个试验实例的电流波型比较，说明通过试验方法调整提前关断时间t为t3时脉动电流效果最佳，即当t＝t3时为最佳的关断时间，从而实现了控制脉动电流的目的。

本发明通过改变每相绕组导通时间，即改变提前关断时间t的控制方法，能够明显降低电机的脉动电流，使电机运转时的噪音明显下降，在空载运转时的噪音下降10dB，同时减小了脉动转矩，使电机的最高效率提高了2个百分点，提高了电机的运行性能。

本发明的实施方式不限于此，在本发明上述基本技术思想前提下，按照本领域的普通技术知识和惯用手段对本发明内容所做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (4)

1.一种降低五相无刷直流电机脉动电流的控制方法，其特征在于：对所述五相无刷直流电机的原始的运行状态的每个状态后面依次插入一个新的运行状态，所述新的运行状态为某个原始的运行状态的四个开通桥臂开关中其中一个桥臂开关关断，另外三个桥臂开关仍然开通的运行状态；

所述五相无刷直流电机的原始的运行状态共有十个，且共插入十个新的运行状态；

所述五相无刷直流电机的十个原始的运行状态为：

状态1：A_上、E_上、B_下、C_下开通；

状态2：A_上、E_上、C_下、D_下开通；

状态3：A_上、B_上、C_下、D_下开通；

状态4：A_上、B_上、D_下、E_下开通；

状态5：B_上、C_上、D_下、E_下开通；

状态6：B_上、C_上、A_下、E_下开通；

状态7：C_上、D_上、A_下、E_下开通；

状态8：C_上、D_上、A_下、B_下开通；

状态9：D_上、E_上、A_下、B_下开通；

状态10：D_上、E_上、B_下、C_下开通；

对所述十个原始运行状态所插入的十个新的运行状态时，则依次提前关断所述十个原始运行状态中的以下桥臂开关：B_下、E_上、C_下、A_上、D_下、B_上、E_下、C_上、A_下、D_上，从而形成十个新的运行状态：

状态1-2：B_下关断，A_上、E_上、C_下开通；

状态2-3：E_上关断，A_上、C_下、D_下开通；

状态3-4：C_下关断，A_上、B_上、D_下开通；

状态4-5：A_上关断，B_上、D_下、E_下开通；

状态5-6：D_下关断，B_上、C_上、E_下开通；

状态6-7：B_上关断，C_上、A_下、E_下开通；

状态7-8：E_下关断，C_上、D_上、A_下开通；

状态8-9：C_上关断，D_上、A_下、B_下开通；

状态9-10：A_下关断，D_上、E_上、B_下开通；

状态10-1：D_上关断，E_上、B_下、C_下开通；

其中，A、B、C、D、E分别为所述五相无刷直流电机的五相绕组，A_上、B_上、C_上、D_上、E_上分别为所述五相绕组全桥开关回路的上桥桥臂开关，A_下、B_下、C_下、D_下、E_下分别为所述五相绕组全桥开关回路的下桥桥臂开关。

2.根据权利要求1所述的降低五相无刷直流电机脉动电流的控制方法，其特征在于：所述插入的新的运行状态的运行时间为t，其中t为所述设定的新的运行状态中提前关断的桥臂开关的提前关断时间。

3.根据权利要求2所述的降低五相无刷直流电机脉动电流的控制方法，其特征在于：所述提前关断时间为环流峰值减少为相电流平均值10％以内的最小提前关断时间值。

4.根据权利要求2所述的降低五相无刷直流电机脉动电流的控制方法，其特征在于：所述提前关断时间的选取过程为：用若干个关断时间进行测试，并根据脉动电流进行判断，选取能够使绕组脉动电流最低的最小时间t作为最后确定的提前关断时间。

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