CN102611370A - 一种永磁同步电机的正弦调制控制方法及其控制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机的正弦调制控制方法及其控制电路，通过检测转子位置信息以获得转子位置信号，然后利用所述转子位置信号作为时间基准生成一全波的马蹄形调制波，所述马蹄形调制波与一三角波比较产生PWM控制信号，所述PWM控制信号用以控制逆变器中开关管的导通和关断，以实现对所述永磁同步电机的正弦波电流控制。本发明所公开的正弦调制控制方案简单易行，无需检测定子电流和进行矢量坐标变换，也不需要光电编码器等昂贵的转子位置检测设备，大幅降低了成本；并且所产生的调制波是完全对称的马蹄形调制波，降低了调制波的幅值，提高了直流电源的利用率。

Description

一种永磁同步电机的正弦调制控制方法及其控制电路
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，更具体的说，涉及一种永磁同步电机的正弦调制控制方法及其控制电路。
背景技术
永磁电机按照气隙磁动势及工作电流波形分为永磁同步电机(PMSM)和无刷直流电机(BLDCM)，其中，永磁同步电机(PMSM)由于其具有高控制精度、高转矩密度、良好的转矩稳定性以及低噪声等特点而得到广泛的重视和普遍应用。研究表明，在对永磁同步电机的控制过程中，正弦波控制电流对电机的驱动力矩是平滑的，能很好的改善电机的转矩控制性能，并且可大大降低运行和启动噪音，因此，永磁同步电机工作过程中一般要求电机工作电流(即定子电流)为正弦波电流。
传统的对永磁同步电机的正弦波控制主要是采用矢量控制方法，参考图1，所示为传统的基于矢量控制的永磁同步电机的系统框图，矢量控制的关键在于对定子电流的幅值和空间位置(频率和相位)的控制。如图1所示，其基本原理是将测量的相电流ia和ib，经过clark变换将其从三相定子静止坐标系变换到两相定子静止坐标系iα和iβ；iα和iβ与转子位置角θe结合，再经过Park变换从两相静止坐标系变换到转子两相旋转坐标系id和iq。转子位置和速度检测电路将测量的转子速度ne和参考转速nr进行比较，并通过PI调节器产生交轴参考电流iqref，交、直轴参考电流iqref、idref与实际反馈的交直轴电流iq、id进行比较，其中，取直轴参考电流idref＝0，再经过PI调节器，转化为电压vq和vd，电压vq和vd与检测到的转子位置角θe结合再进行Park逆变换，变换为两相静止坐标系的电压vα和vβ，电压vα和vβ经过正弦波脉宽调制电路(SVPWM)调制为六路开关信号从而控制逆变器中开关管的开通与关断。
从上述过程可看出，矢量控制方法通过将定子电流分解成独立的直轴电流分量id和交轴电流分量iq，分别进行调节，能够获得良好的解耦特性，从而控制定子电流为正弦波，得到高精度的转矩控制，但其不足之处在于：由于其需要借助复杂的坐标变换进行矢量控制，在一些功率不大，要求不高的场合，控制难度大，成本高；而且矢量控制方法对电机参数的依赖性很大，难以保证完全解耦，其控制效果也会受到影响。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种永磁同步电机的正弦调制控制方法及其控制电路，其根据所述永磁同步电机的转子位置信号来生成一全波的马蹄形调制波，然后根据所述马蹄形调制波与一三角波比较来产生PWM控制信号以控制逆变器中开关管的导通和关断，从而保证所述永磁同步电机的工作电流为正弦波电流。同时，本发明的控制方法还实现了对永磁同步电机的转速闭环控制。本发明的控制方案实现过程简单，且效果好。
本发明所述的一种永磁同步电机的正弦调制控制方法，包括：
步骤1：检测所述永磁同步电机上的转子位置信息，以获得一转子位置信号，并通过所述转子位置信号计算获得转子的转速测量值；
步骤2：将所述转速测量值与一参考转速值进行比较，产生一误差信号，所述误差信号通过一PI调节器产生一第一调节电压信号；
步骤3：接收所述转子位置信号和所述第一调节电压信号，以所述转子位置信号作为时间基准，生成一全波的马蹄形调制波；所述全波的马蹄形调制波与所述第一调节电压信号相乘，以产生一第二马蹄形调制波；
步骤4：将所述第二马蹄形调制波与一三角波进行比较，以产生PWM控制信号，所述PWM控制信号用以控制逆变器中开关管的导通和关断，从而调节所述永磁同步电机的电流，实现对所述永磁同步电机的正弦波电流控制。
进一步的，在所述步骤3中包括，以所述转子位置信号作为时间基准，将所述转子位置信号分成多个时间区间，在每个时间区间内生成一部分马蹄形调制波，依次将每部分马蹄形调制波连接起来，以此形成所述全波的马蹄形调制波。
优选的，利用一霍尔传感器来检测所述永磁同步电机上的转子位置信息，并获得一霍尔信号，所述霍尔信号作为所述转子位置信号。
优选的，采用无位置传感器的检测电路来检测所述永磁同步电机上的转子位置信息，以获得所述转子位置信号。
进一步的，所述转子位置角的调节由一外部使能信号驱动，所述外部使能信号使所述全波马蹄形调制波相对于所述转子位置信号左移或右移，从而改变定子磁动势与转子磁动势的夹角，以使每安培定子电流产生的转矩最大。
本发明所述的一种永磁同步电机的正弦调制控制电路，通过控制逆变器中开关管的开关状态，以控制所述永磁同步电机的电流为正弦波电流，包括一位置和速度检测电路、电压调节电路和PWM调制电路，
所述位置和速度检测电路用以检测所述永磁同步电机上的转子位置信息，以获得一转子位置信号，并通过所述转子位置信号计算获得转子的转速测量值；
所述电压调节电路将所述转速测量值与一参考转速值进行比较，产生一误差信号，所述误差信号通过一PI调节器产生一第一调节电压信号；
所述PWM控制电路接收所述转子位置信号、所述第一调节电压信号和一三角波，以产生一PWM控制信号，所述PWM控制信号用以控制逆变器中开关管的导通和关断，从而调节所述永磁同步电机的电流，实现对所述永磁同步电机的正弦波电流控制。
进一步的，所述PWM控制电路包括一调制波发生电路和一比较电路，其中，所述调制波发生电路接收所述转子位置信号和所述第一调节电压信号，并且以所述转子位置信号作为时间基准，生成一全波的马蹄形调制波；所述全波的马蹄形调制波与所述第一调节电压信号相乘，以产生一第二马蹄形调制波；
所述比较电路接收所述第二马蹄形调制波与一三角波，并进行比较以产生所述PWM控制信号。
进一步的，以所述转子位置信号作为时间基准，将所述转子位置信号分成多个时间区间，在每个时间区间内生成一部分马蹄形调制波，依次将每部分马蹄形调制波连接起来，以此形成一全波的马蹄形调制波。
依照以上技术方案实现的一种永磁同步电机的正弦调制控制方法及其控制电路，其利用转子位置信号生成一全波的马蹄形调制波，然后根据所述马蹄形调制波与一三角波的比较来产生PWM控制信号用以控制逆变器中开关管的开关状态，以保证永磁同步电机的工作电流为正弦波，与传统的矢量控制方法相比，本发明的控制方案简单易行，成本低；由于其调制波是完全对称的马蹄形调制波，降低了调制波的幅值，提高了直流电源的利用率。
附图说明
图1所示为传统的基于矢量控制的永磁同步电机的系统框图；
图2所示为依据本发明的一种永磁同步电机的正弦调制控制电路的一实施例的电路图；
图3所示为图2所示控制电路中的调制波发生电路的工作波形图；
图4所示为依据本发明的一种永磁同步电机的正弦调制控制方法的一实施例的流程框图；
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
参考图2，所示为依据本发明的一种永磁同步电机的正弦调制控制电路的一实施例的电路图，所述控制电路包含了一逆变器201、位置和速度检测电路202、电压调节电路203和PWM调制电路204，其中所述PWM调制电路204具体包含有一调制波发生电路204-1和一比较电路204-2。在本实施例中，所述永磁同步电机的定子绕组为三相绕组。
在对永磁同步电机的控制过程中，所述逆变器201供电的频率和换流时刻取决于转子的实际位置信息，因此，在对电机的控制过程中，对转子位置信息的准确检测至关重要，本实施例中的所述位置和速度检测电路202用以检测所述永磁同步电机上的转子位置信息，以获得一转子位置信号和转子的转速测量值。在本实施例中，所述位置和速度检测电路具体为三个霍尔传感器，所述霍尔传感器检测所述转子位置信息，经译码处理后产生一三相霍尔信号，所述霍尔信号为方波信号，所述三相霍尔信号作为所述转子位置信号，相应的，所述转子位置信号也为三相位置信号且所述转子位置信号为方波信号，一般表示为Hu、Hv和Hw，并且，所述三相霍尔信号经换算后可获得所述转速测量值ne。这种利用传感器检测的驱动方式简单、方便，能够广泛应用于电动自行车和变频洗衣机中。
本领域技术人员可知，所述位置和速度检测电路202也可以由其他相同功能的电路等同替代，也可以由无位置传感器的检测电路结构实现，例如可以利用一过零检测电路来检测所述永磁同步电机上的定子绕组反电势的过零点，以获得一反电势过零信号，由于定子绕组的反电势通常是正负交替的，当某相绕组的反电势过零时，转子直轴就会刚好与该相绕组的轴线重合，因此只要检测到各相反电势的过零点，就可获得转子位置信息。这种通过检测反电势过零点得到的反电势过零信号与所述霍尔信号为等效，其也为一三相的方波信号，因此所述反电势过零信号也可以作为所述转子位置信号，且所述反电势过零信号经换算后可获得所述转速测量值。这种无需位置传感器的方法不受外界环境、温度等因素的干扰，可靠性好。
进一步的，所述位置和速度检测电路202输出的转速测量值ne传输给所述电压调节电路203，所述电压调节电路203具体包括误差放大器和一PI调节器，所述误差放大器用以将所述转速测量值ne与一参考转速值nr进行比较，产生一误差信号，所述误差信号通过一PI调节器调节后产生一第一调节电压信号V1。
所述PWM调制电路204包含有三相调制电路，每相调制电路分别包括一调制波发生电路204-1和一比较电路204-2，所述调制波发生电路204-1接收所述转子位置信号Hu、Hv、Hw，并且以所述转子位置信号作为时间基准，生成一全波的马蹄形调制波。下面结合图3所示工作波形图对马蹄形调制波产生的工作过程作详细描述，参考图3，所示为图2所示控制电路图中的调制波发生电路204-1的工作波形图。以u相霍尔信号为例，将所述霍尔信号根据霍尔状态分成六个不同的时间区间，当所述霍尔信号(转子位置信号)位于(1)区间时，记录下(1)区间的时间宽度，并将(1)区间的时间宽度作为需要生成的马蹄形调制波的时间宽度，对应的马蹄形调制波的时间宽度记为(1)’，在(1)’区间的时间内，生成本时间区间的马蹄形调制波的一部分，本发明中所述马蹄形调制波为通过模拟生成的方法产生，例如可通过一基波和三次谐波叠加的方法产生，其产生的波形如图3中(1)’区间的Su所示。依次类推，将所述霍尔信号的(2)、(3)、(4)、(5)、(6)区间的时间宽度作为生成的马蹄形调制波的(2)’、(3)’、(4)’、(5)’、(6)’区间的时间宽度，依次形成该时间区间内的马蹄形调制波的一部分，其中，每个时间区间内波形的起点和终点是以所述霍尔信号的上升沿或下降沿为基准的，例如：所述(1)’区间内波形的起点在w相霍尔信号的上升沿，其终点在v相霍尔信号的上升沿。6个区间的对应的每部分马蹄形调制波连接起来就形成了一全波的马蹄形调制波，这样，就完成了根据u相霍尔信号生成u相全波马蹄形调制波的过程，v相和w相全波马蹄形调制波的波形生成的过程与u相相同，在此不再赘述。需要声明的是，每相马蹄形调制波的相位根据每相霍尔信号的相位不同而不同，当霍尔信号Hu超前Hv 120°，霍尔信号Hv超前Hw 120°时，依据其生成的马蹄形调制波Su就会超前Sv 120°，马蹄形调制波Sv超前Sw120°，具体的波形参照图3所示。
然后，所述调制波发生电路204-1将所述全波的马蹄形调制波和所述第一调节电压信号v1相乘，也可以根据实际需要按一定的比例相乘，以产生一第二马蹄形调制波，这里所述的第二马蹄形调制波也为一全波的马蹄形调制波，最后所述比较电路204-2将所述第二马蹄形调制波(包括u、v、w三相)分别与一三角波进行比较并产生PWM控制信号，如图2所示，所述PWM控制信号具体为六路开关控制信号，分别表示为u、x、v、y、w、z，所述PWM控制信号用以控制所述逆变器201中开关管的导通和关断，从而调节所述永磁同步电机的电流，以实现对所述永磁同步电机的正弦波电流控制。图2中所示的电路框图只表示了u相的电路图，v相、w相和u相电路图相同，故不重复表示，其中，所述三角波由一外部的三角波发生电路提供。
由上述工作过程可知，由于所述全波马蹄形调制波与所述永磁同步电机的转子位置信号结合，这样，所述PWM控制信号由所述转子位置信号控制，进而实现了所述逆变器换流时刻由所述转子位置信号决定，可保证电机能够连续稳定运行，而且，通过产生所述全波马蹄形调制波来控制逆变器的供电电流，可保证三相定子电流为一正弦波，完成了正弦电流控制的目的。这里所述第一调节电压信号V1主要用以调节转速的快慢，以使其能满足不同的需求。本发明尤其适用于一些对于电机转速精度要求不高及负载扰动不大的情况下，十分经济适用。
参考图4，所示为依据本发明的一种永磁同步电机的正弦调制控制方法的一实施例的流程框图，其包括以下步骤：
S401：检测所述永磁同步电机上的转子位置信息，以获得一转子位置信号，并通过所述转子位置信号计算获得转子的转速测量值；
S402：将所述转速测量值与一参考转速值进行比较，产生一误差信号，所述误差信号通过一PI调节器产生一第一调节电压信号；
S403：接收所述转子位置信号和所述第一调节电压信号，以所述转子位置信号作为时间基准，生成一全波的马蹄形调制波；所述全波的马蹄形调制波与所述第一调节电压信号相乘，以产生一第二马蹄形调制波；
S404：将所述第二马蹄形调制波与一三角波进行比较，以产生PWM控制信号，所述PWM控制信号用以控制逆变器中开关管的导通和关断，从而调节所述永磁同步电机的电流，实现对所述永磁同步电机的正弦波电流控制。
在本实施例中，所述永磁同步电机的定子绕组为三相绕组，所以所述转子位置信号为与所述三相定子绕组相对应的三相的方波信号。
进一步的，在所述步骤403中还包括，以所述转子位置信号作为时间基准，将所述转子位置信号分成多个时间区间，在每个时间区间内生成一部分马蹄形调制波，依次将每部分马蹄形调制波连接起来，以此形成所述全波的马蹄形调制波。
此外，本发明实施例还阐述了一种获得最大输出转矩的方法，通过调节所述转子位置和定子电流相位的夹角，具体为调节定子磁动势和转子磁动势的夹角，以使每安培定子电流产生的转矩最大。所述转子位置和定子电流相位的夹角调节由一外部使能信号驱动，所述外部使能信号使所述全波马蹄形调制波相对于所述转子位置信号左移或右移，以改变定子磁动势与转子磁动势的夹角。在保证最大转矩的情况下，使定子电流最小，这样就减小了电机的铜耗，提高了电源利用率。
由上可知，在依据本发明的一种永磁同步电机的正弦调制控制方法的实施例中，其通过转子位置信号作为时间基准来生成一全波的马蹄形调制波，再通过所述马蹄形调制波来产生PWM控制信号，以使永磁同步电机中的定子电流为正弦波电流。另外，本发明实施例还通过表征转速反馈信息的第一调节电压信号来调节转子转速，能满足不同场合转速快慢调节的要求。
通过上述对本发明实施例的阐述，本发明所述的一种永磁同步电机的正弦调制控制方法及其控制电路，根据转子位置信号作为时间基准来生成一全波马蹄形调制波，从而控制逆变器的输出，以保证永磁同步电机的定子电流为一正弦波电流；通过对转子转速的反馈控制调节，实现对永磁同步电机的转速快慢的调节；并且通过对输出转矩的调节，使得在输出转矩最大时，定子电流最小，以减小电机损耗，提高利用率。本发明的控制方案步骤简单，无需检测定子电流和复杂的坐标转换计算，控制难度小，电路成本相对也较低，适用范围也更为广泛；而且本发明中调制波为完全对称的马蹄形调制波，其幅值低，提高了直流电源的利用率。
本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了最好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能最好地利用这个发明。修改的实施例同样也适用于预期的特定应用。本发明的范围为权利要求书全部范围以及其等效物。

Claims (8)

1.一种永磁同步电机的正弦调制控制方法，其特征在于，包括：
步骤1：检测所述永磁同步电机上的转子位置信息，以获得一转子位置信号，并通过所述转子位置信号计算获得转子的转速测量值；
步骤2：将所述转速测量值与一参考转速值进行比较，产生一误差信号，所述误差信号通过一PI调节器产生一第一调节电压信号；
步骤3：接收所述转子位置信号和所述第一调节电压信号，以所述转子位置信号作为时间基准，生成一全波的马蹄形调制波；所述全波的马蹄形调制波与所述第一调节电压信号相乘，以产生一第二马蹄形调制波；
步骤4：将所述第二马蹄形调制波与一三角波进行比较，以产生PWM控制信号，所述PWM控制信号用以控制逆变器中开关管的导通和关断，从而调节所述永磁同步电机的电流，实现对所述永磁同步电机的正弦波电流控制。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在所述步骤3中进一步包括，以所述转子位置信号作为时间基准，将所述转子位置信号分成多个时间区间，在每个时间区间内生成一部分马蹄形调制波，依次将每部分马蹄形调制波连接起来，以此形成所述全波的马蹄形调制波。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，利用一霍尔传感器来检测所述永磁同步电机上的转子位置信息，并获得一霍尔信号，所述霍尔信号作为所述转子位置信号。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，采用无位置传感器的检测电路来检测所述永磁同步电机上的转子位置信息，以获得所述转子位置信号。
5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述转子位置角的调节由一外部使能信号驱动，所述外部使能信号使所述全波马蹄形调制波相对于所述转子位置信号左移或右移，从而改变定子磁动势与转子磁动势的夹角，以使每安培定子电流产生的转矩最大。
6.一种永磁同步电机的正弦调制控制电路，通过控制逆变器中开关管的开关状态，以控制所述永磁同步电机的电流为正弦波电流，其特征在于，包括一位置和速度检测电路、电压调节电路和PWM调制电路，
所述位置和速度检测电路用以检测所述永磁同步电机上的转子位置信息，以获得一转子位置信号，并通过所述转子位置信号计算获得转子的转速测量值；
所述电压调节电路将所述转速测量值与一参考转速值进行比较，产生一误差信号，所述误差信号通过一PI调节器产生一第一调节电压信号；
所述PWM控制电路接收所述转子位置信号、所述第一调节电压信号和一三角波，以产生一PWM控制信号，所述PWM控制信号用以控制逆变器中开关管的导通和关断，从而调节所述永磁同步电机的电流，实现对所述永磁同步电机的正弦波电流控制。
7.根据权利要求6所述的控制电路，其特征在于，所述PWM控制电路包括一调制波发生电路和一比较电路，其中，
所述调制波发生电路接收所述转子位置信号和所述第一调节电压信号，并且以所述转子位置信号作为时间基准，生成一全波的马蹄形调制波；所述全波的马蹄形调制波与所述第一调节电压信号相乘，以产生一第二马蹄形调制波；
所述比较电路接收所述第二马蹄形调制波与一三角波，并进行比较以产生所述PWM控制信号。
8.根据权利要求7所述的控制电路，其特征在于，以所述转子位置信号作为时间基准，将所述转子位置信号分成多个时间区间，在每个时间区间内生成一部分马蹄形调制波，依次将每部分马蹄形调制波连接起来，以此形成一全波的马蹄形调制波。
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