CN103647482A - 无刷直流电机180°方波控制方法及其控制模块和变频器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了无刷直流电机180°方波控制方法及其控制模块和变频器。该控制方法包括以下步骤:获取逆变器输入电压Udc、无刷直流电机的相电流ia、ib、ic、实际转速ω和转子位置;根据ω和给定转速ω*算出给定转矩电流I*;根据I*和转子位置算出电机的三相给定相电流i* a、i* b和i* c;根据i* a、i* b、i* c和ia、ib、ic,算出电机的三相相电压U* a、U* b和U* c;根据转子位置和ω算出电机的三相相反电势ea、eb和ec;将U* a、U* b、U* c分别与ea、eb和ec求和,得到补偿后的相电压Ua、Ub和Uc;根据Udc以及Ua、Ub和Uc计算输出到逆变器的三相SPVWM信号的占空比。本发明能实现在无刷直流电机定子的三相绕组同时工作的情况下,各相电流的波形呈方波。
Description
技术领域
本发明涉及无刷直流电机的控制技术。
背景技术
无刷直流电机凭借结构简单、高效等优点,近些年来得到了很大关注,其应用也越来越广泛。无刷直流电机通常采用120°控制方式,在这种控制方式下,某一时刻只有两相工作,而另一相悬空。与一般的交流电机不同,由于无刷直流电机同一时刻只有两相工作,因此无法使用在交流电机控制中已经得到广泛应用的SVPWM调制。另外,在实现无刷直流电机无传感器控制时,通常需要端电压检测电路来检测悬空相的端电压,根据测得的端电压可以获得反电势过零点,进而获得换相位置。如果无刷直流电机三相同时工作,就可以根据每相的占空比计算出对应相的端电压,这样即使没有端电压检测电路也能实现无刷直流电机无传感器控制。无刷直流电机具有梯形反电势,若通正弦波电流,会引起转矩脉动,为了减小转矩脉动,其电流波形一般为方波。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种使用SVPWM调制的无刷直流电机180°方波控制方法,其能实现在无刷直流电机定子的三相绕组同时工作的情况下,各相电流的波形呈方波。
本发明所要解决的又一技术问题在于提供一种采用上述方法的无刷直流电机180°方波控制模块。
本发明所要解决的再一技术问题在于提供一种采用上述方法的变频器。
本发明提供了一种无刷直流电机180°方波控制方法,包括以下步骤:
实时采集逆变器的输入电压Udc和无刷直流电机a、b、c三相的三相相电流ia、ib和ic,并获取该无刷直流电机的实际转速ω和转子位置;
根据无刷直流电机的给定转速ω*和实际转速ω计算出给定转矩电流I*;
根据所述的给定转矩电流I*和无刷直流电机的转子位置计算出无刷直流电机的三相给定相电流i* a、i* b和i* c;
根据给定相电流i* a、i* b和i* c和采集到的实际相电流ia、ib和ic,计算出无刷直流电机的三相相电压U* a、U* b和U* c;
根据转子位置和实际转速ω计算出无刷直流电机的三相相反电势ea、eb和ec;将计算出的三相相电压U* a、U* b和U* c分别与三相相反电势ea、eb和ec求和,得到补偿后的三相相电压Ua、Ub和Uc;
根据采集的逆变器的输入电压Udc以及补偿后的三相相电压Ua、Ub和Uc计算输出到逆变器的三相SPVWM信号的占空比da、db和dc,将三相SPVWM信号输出到逆变器,通过逆变器控制无刷直流电机运行。
本发明还提供了一种无刷直流电机180°方波控制模块,包括:
速度调节单元,用于根据无刷直流电机的给定转速ω*和实际转速ω计算出给定转矩电流I*;
相电流给定计算单元,用于根据速度调节单元算出的给定转矩电流I*和无刷直流电机的转子位置计算出无刷直流电机的三相给定相电流i* a、i* b和i* c;
电流调节单元,用于根据实际相电流ia、ib和ic和相电流计算单元算出的三相给定相电流i* a、i* b和i* c,计算出无刷直流电机的三相相电压U* a、U* b和U* c;
相反电势计算单元,用于根据转子位置和实际转速ω计算出无刷直流电机的三相相反电势ea、eb和ec;
相反电势补偿单元,用于将电流调节单元计算出的三相相电压U* a、U* b和U* c分别与相反电势计算单元计算出的三相相反电势ea、eb和ec求和,得到补偿后的三相相电压Ua、Ub和Uc;
SVPWM调制单元,用于根据逆变器的输入电压Udc以及补偿后的三相相电压Ua、Ub和Uc计算出输出到逆变器的三相SPVWM信号的占空比da、db和dc,将该三相SPVWM信号输出到逆变器。
本发明还提供了一种变频器,包括逆变器以及上述的无刷直流电机180°方波控制模块;该逆变器用于接收所述SVPWM调制单元输出的三相SPVWM信号,根据该三相SPVWM信号控制无刷直流电机运行。
本发明使用SVPWM调制对无刷直流电机进行控制,可以降低电流谐波,同时,由于定子的三相绕组同时工作,可以根据各相占空比来计算对应相的端电压,进而无需端电压检测电路就可以实现无刷直流电机的无传感器控制。
附图说明
图1是本发明无刷直流电机180°方波控制方法的一个实施例的流程示意图。
图2是给定相电流计算示意图。
图3示出了根据本发明一实施例的无刷直流电机180°方波控制模块及其变频器的原理框图。
图4示出了根据本发明又一实施例的无刷直流电机180°方波控制模块及其变频器的原理框图。
图5示出了采用180°方波控制时无刷直流电机的相电流波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做出进一步说明。
请参阅图1。根据本发明一实施例的无刷直流电机180°方波控制方法,包括以下步骤:
步骤S1:实时采集控制该无刷直流电机的逆变器的输入电压Udc和无刷直流电机a、b、c三相的三相相电流ia、ib和ic,并获取该无刷直流电机的实际转速ω和转子位置。
其中,输入电压Udc、相电流ia、ib和ic可以使用采样电阻或其它传感器来进行采样。转速既可以通过编码器等传感器测量获得,也可以根据电压、电流等估计出转速。转子位置获得的方式也有多种途径,例如,可以通过绝对式编码器等传感器获得连续的转子位置,或者是,由转速积分获得连续位置,并利用霍尔传感器等获得积分初始值,另外,也可以根据电压、电流等估计出连续的转子位置。
步骤S2:根据无刷直流电机的给定转速ω*和实际转速ω计算出给定转矩电流。在一种具体的实施方式中,可将该无刷直流电机的实际转速ω与给定转速ω*做差,将差值进行PI调节后得到所述的给定转矩电流I*。
步骤S3:根据所述的给定转矩电流I*和无刷直流电机的转子位置计算出无刷直流电机的三相给定相电流i* a、i* b和i* c。
根据转子位置和步骤S2计算出的给定转矩电流,就可以计算出各相的相电流,如图2所示,图中I*为给定转矩电流,ea、eb和ec为相反电势,换相点与相反电势过零点相差30°电角度。当采用120°控制时,如果转子位于区域Ⅰ,那么a相电流给定为I*,b相电流给定为-I*,c相悬空,无需控制,而采用180°方波控制时,c相导通,且给定电流为零。
步骤S4:根据给定相电流i* a、i* b和i* c和采集到的实际相电流ia、ib和ic,计算出无刷直流电机的三相相电压U* a、U* b和U* c。在一种具体的实施方式中,可将实际相电流ia、ib和ic分别与给定相电流i* a、i* b和i* c做差,将三个差值分别进行PI调节后得到所述的三相相电压U* a、U* b和U* c。
步骤S5:根据转子位置和实际转速ω计算出无刷直流电机的三相相反电势ea、eb和ec;将步骤S4中计算出的三相相电压U* a、U* b和U* c分别与三相相反电势ea、eb和ec求和,得到补偿后的三相相电压Ua、Ub和Uc。相反电势与转子位置的关系见图2所示。反电势幅值与转速成正比,而且比例关系可以根据实验测得,这样以来就可以根据转速和转子位置求得相反电势。如图2所示,将a相反电势增大段的过零点定义为转子位置0,那么a相反电势可以用下式来表示,其中K为常数,可以通过实验测得。
步骤S6:根据采集的逆变器的输入电压Udc以及补偿后的三相相电压Ua、Ub和Uc计算输出到逆变器的三相SPVWM信号的占空比da、db和dc,将三相SPVWM信号输出到逆变器,通过逆变器控制无刷直流电机运行。
图3示出了根据本发明一实施例的无刷直流电机的180°方波控制模块1及采用该180°方波控制模块1的变频器100。其中,变频器100包括该180°方波控制模块1、逆变器2、电压采集模块3和电流采集模块4。
该180°方波控制模块1包括:速度调节单元11、相电流给定计算单元12、电流调节单元13、相反电势计算单元14、相反电势补偿单元15以及SVPWM调制单元16。速度调节单元11用于根据无刷直流电机的给定转速ω*和实际转速ω计算出给定转矩电流I*。相电流给定计算单元12用于根据速度调节单元算出的给定转矩电流I*和无刷直流电机的转子位置计算出无刷直流电机的三相给定相电流i* a、i* b和i* c。电流调节单元13用于根据实际相电流ia、ib和ic和相电流计算单元12算出的三相给定相电流i* a、i* b和i* c,计算出无刷直流电机的三相相电压U* a、U* b和U* c。相反电势计算单元14用于根据转子位置和实际转速ω计算出无刷直流电机的三相相反电势ea、eb和ec。相反电势补偿单元15用于将电流调节单元13计算出的三相相电压U* a、U* b和U* c分别与相反电势计算单元14计算出的三相相反电势ea、eb和ec求和,得到补偿后的三相相电压Ua、Ub和Uc。SVPWM调制单元16用于根据逆变器2的输入电压Udc(即逆变器2的母线电压)以及补偿后的三相相电压Ua、Ub和Uc计算出输出到逆变器2的三相SPVWM信号的占空比da、db和dc,将该三相SPVWM信号输出到逆变器2。
逆变器2用于接收所述SVPWM调制单元16输出的三相SPVWM信号,根据该三相SPVWM信号控制无刷直流电机200运行。电压采集模块3用于实时采集逆变器2的输入电压Udc,并将采集结果提供给SVPWM调制单元16。电流采集模块4用于实时采集无刷直流电机a、b、c三相的三相相电流ia、ib和ic,并将采集结果提供给所述的电流调节单元13。
转子位置检测传感器300用于检测无刷直流电机200的转子位置,并将检测结果提供给相电流计算单元12和相反电势计算单元14。转速检测传感器400用于检测无刷直流电机200的实际转速ω,并将检测结果提供给速度调节单元11和相反电势计算单元14。转子位置和转速也可以通过估计的方式获得。
在一更加具体的实施例中,如图4所示。其中:转速检测传感器400采用了增量式编码器,通过增量式编码器测出实际转速。而转子位置由转速积分获得,为此,180°方波控制模块1增设了一转子位置计算单元17。换相时,作为转子位置检测传感器300的霍尔传感器可以提供准确的转子位置(也就是换相位置),将该值作为下一个区域内转速积分的初始值,这样可以避免因积分带来的累计误差。如图2所示,若将a相反电势增大段的过零点定义为转子位置0,当转子位于区域Ⅱ时,转速积分的初始值为区域Ⅰ和区域Ⅱ的临界位置π/2。速度调节单元包括11包括转速加法器111和转矩电流PI调节器112。转速加法器111用于将该无刷直流电机200的实际转速ω与给定转速ω*做差,将差值作为转矩电流PI调节器112的输入;转矩电流PI调节器112用于将实际转速ω与给定转速ω*的差值进行PI调节后得到给定转矩电流I*。电流调节单元13包括a相电流加法器131、b相电流加法器133、c相电流加法器135、a相电流PI调节器132、b相电流PI调节器134和c相电流PI调节器136。a相电流加法器131用于将实际相电流ia与给定相电流i* a做差;b相电流加法器133用于将实际相电流ib与给定相电流i* b做差;c相电流加法器135用于将实际相电流ic与给定相电流i* c做差。a相电流PI调节器132用于将实际相电流ia与给定相电流i* a的差值进行PI调节后得到a相相电压U* a;b相电流PI调节器134用于将实际相电流ib与给定相电流i* b的差值进行PI调节后得到b相相电压U* b;c相电流PI调节器136用于将实际相电流ic与给定相电流i* c的差值进行PI调节后得到c相相电压U* c。SVPWM调制单元16为七段式SVPWM调制单元。
图5为采用180°方波控制时的相电流波形,由图可见,尽管三相都导通,但电流波形依然呈比较理想的方波,与120°控制方法得到的电流波形很接近。由于采用了SVPWM调制,降低了电流谐波,而且采用这种控制方式,可以在没有端电压检测电路的情况下进行端电压估计,进而实现无刷直流电机无位置传感器控制。
Claims (10)
1.无刷直流电机180°方波控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
实时采集逆变器的输入电压Udc和无刷直流电机a、b、c三相的三相相电流ia、ib和ic,并获取该无刷直流电机的实际转速ω和转子位置;
根据无刷直流电机的给定转速ω*和实际转速ω计算出给定转矩电流I*;
根据所述的给定转矩电流I*和无刷直流电机的转子位置计算出无刷直流电机的三相给定相电流i* a、i* b和i* c;
根据给定相电流i* a、i* b和i* c和采集到的实际相电流ia、ib和ic,计算出无刷直流电机的三相相电压U* a、U* b和U* c;
根据转子位置和实际转速ω计算出无刷直流电机的三相相反电势ea、eb和ec;将计算出的三相相电压U* a、U* b和U* c分别与三相相反电势ea、eb和ec求和,得到补偿后的三相相电压Ua、Ub和Uc;
根据采集的逆变器的输入电压Udc以及补偿后的三相相电压Ua、Ub和Uc计算输出到逆变器的三相SPVWM信号的占空比da、db和dc,将三相SPVWM信号输出到逆变器,通过逆变器控制无刷直流电机运行。
2.如权利要求1所述的无刷直流电机180°方波控制方法,其特征在于,所述的给定转矩电流是通过以下方式计算得出:将该无刷直流电机的实际转速ω与给定转速ω*做差,将差值进行PI调节后得到所述的给定转矩电流。
3.如权利要求1所述的无刷直流电机180°方波控制方法,其特征在于,所述的三相相电压U* a、U* b和U* c根据以下方式计算得出:将实际相电流ia、ib和ic分别与给定相电流i* a、i* b和i* c做差,将三个差值分别进行PI调节后得到所述的三相相电压U* a、U* b和U* c。
4.如权利要求1所述的无刷直流电机180°方波控制方法,其特征在于,所述的实际转速ω和转子位置均可通过测量或者估算获得。
5.无刷直流电机180°方波控制模块,其特征在于,包括:
速度调节单元,用于根据无刷直流电机的给定转速ω*和实际转速ω计算出给定转矩电流I*;
相电流给定计算单元,用于根据速度调节单元算出的给定转矩电流I*和无刷直流电机的转子位置计算出无刷直流电机的三相给定相电流i* a、i* b和i* c;
电流调节单元,用于根据实际相电流ia、ib和ic和相电流计算单元算出的三相给定相电流i* a、i* b和i* c,计算出无刷直流电机的三相相电压U* a、U* b和U* c;
相反电势计算单元,用于根据转子位置和实际转速ω计算出无刷直流电机的三相相反电势ea、eb和ec;
相反电势补偿单元,用于将电流调节单元计算出的三相相电压U* a、U* b和U* c分别与相反电势计算单元计算出的三相相反电势ea、eb和ec求和,得到补偿后的三相相电压Ua、Ub和Uc;
SVPWM调制单元,用于根据逆变器的输入电压Udc以及补偿后的三相相电压Ua、Ub和Uc计算出输出到逆变器的三相SPVWM信号的占空比da、db和dc,将该三相SPVWM信号输出到逆变器。
6.如权利要求5所述的无刷直流电机180°方波控制模块,其特征在于,所述的速度调节单元包括:
转速加法器,用于将该无刷直流电机的实际转速ω与给定转速ω*做差;
转矩电流PI调节器,用于将实际转速ω与给定转速ω*的差值进行PI调节后得到所述的给定转矩电流I*。
7.如权利要求5所述的无刷直流电机180°方波控制模块,其特征在于,所述的电流调节单元包括:
a相电流加法器,用于将实际相电流ia与给定相电流i* a做差;
b相电流加法器,用于将实际相电流ib与给定相电流i* b做差;
c相电流加法器,用于将实际相电流ic与给定相电流i* c做差;
a相电流PI调节器,用于将实际相电流ia与给定相电流i* a的差值进行PI调节后得到a相相电压U* a;
b相电流PI调节器,用于将实际相电流ib与给定相电流i* b的差值进行PI调节后得到b相相电压U* b;
c相电流PI调节器,用于将实际相电流ic与给定相电流i* c的差值进行PI调节后得到c相相电压U* c。
8.如权利要求5所述的无刷直流电机180°方波控制模块,其特征在于,所述的SVPWM调制单元为七段式SVPWM调制单元。
9.变频器,其特征在于,包括逆变器以及如权利要求5至8中任何一项所述的无刷直流电机180°方波控制模块;
所述的逆变器用于接收所述SVPWM调制单元输出的三相SPVWM信号,根据该三相SPVWM信号控制无刷直流电机运行。
10.如权利要求9所述的变频器,其特征在于,该变频器包括:
电压采集模块,用于实时采集逆变器的输入电压Udc,并将采集结果提供给所述的SVPWM调制单元;
电流采集模块,用于实时采集无刷直流电机a、b、c三相的三相相电流ia、ib和ic,并将采集结果提供给所述的电流调节单元。
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