CN104038116A - 采用功耗均衡式pwm调制的无刷直流电机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用功耗均衡式PWM调制的无刷直流电机控制方法,在相邻两个PWM周期内使逆变电路的上下桥臂分别承受续流电流。该调制方法在不增加功耗的前提下，使功耗更均衡地分布于各功率管，上下桥臂功率管具有相同的功耗和温升，改善散热效果，有助于提高无刷直流电机控制器的可靠性。

Description

采用功耗均衡式PWM调制的无刷直流电机控制方法

技术领域

本发明涉及无刷直流电机的控制，具体涉及一种具有功耗均衡式逆变驱动功能的无刷直流电机控制方法。

背景技术

逆变驱动桥臂中的功率管(MOSFET和IGBT)是无刷直流电机控制器最主要的功耗元件，在低速重载工况时功耗大，温度高，其过热损坏成为控制器的主要故障形式之一。常规的PWM调制方法均存在一个共同的缺点，即上下桥臂功率管的功耗不均衡，载荷越重，功耗越不均衡，进行PWM调制的桥臂功率管功耗较低，而恒通桥臂的功率管功耗较高，因此恒通桥臂功率管更容易发生过热损坏。

发明内容

鉴于此，本发明的目的是提供一种采用功耗均衡式PWM调制的无刷直流电机控制方法，该方法在相邻两个PWM周期内使逆变电路的上下桥臂分别承受续流电流。该调制方法在不增加功耗的前提下，使功耗更均衡地分布于各功率管，上下桥臂功率管具有相同的功耗和温升，改善散热效果，有助于提高无刷直流电机控制器的可靠性。

本发明的目的是通过以下的技术方案实现的，一种采用功耗均衡式PWM调制的无刷直流电机控制方法，所述无刷直流电机由控制器控制，所述控制器包括由六个开关管构成的三相逆变器，三相逆变器的三个桥臂与无刷直流电机连接，每个开关管并联一个续流二极管，所述三个桥臂为第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂，

步骤1.当PWM为ON时，控制器控制第一桥臂的上桥臂V1导通，控制第二桥臂的下桥臂(V6)导通，

步骤2.当PWM为OFF时，第一桥臂的上桥臂V1关断，第一桥臂的下桥臂V4导通，此时第一桥臂的下桥臂V4与第二桥臂的下桥臂V6完成续流；

步骤3.当PWM为ON时，第一桥臂的上桥臂V1再次导通，第一桥臂的下桥臂V4关断；

步骤4.当PWM为OFF时，第一桥臂的下桥臂V4关断，第二桥臂的上桥臂V3导通，此时第一桥臂的上桥臂V1与第二桥臂的上桥臂V3完成续流；

步骤5.当电机需要换相时，控制器重复步骤1-4控制相应桥臂的开关管导通与关断。

进一步，各个桥臂调制频率为PWM频率的一半，第一桥臂的上桥臂V1与第二桥臂的下桥臂V6为工作桥臂，所述工作桥臂的调制波形的占空比为[0.5,1]，相位差为180°；

第一桥臂的下桥臂V4与第二桥臂的上桥臂V3为续流桥臂，所述续流桥臂的调制波形的占空比为[0,0.5]，相位差为180°。

进一步，各桥臂调制波形的占空比分别为：D_V1＝D_V6＝(1+D)/2，D_V3＝D_V4＝(1-D)/2，D_V1表示第一桥臂的上桥臂调制波形的占空比，D_V6表示第二桥臂的下桥臂调制波形的占空比，D_V3表示第二桥臂的上桥臂调制波形的占空比，D_V4表示第一桥臂的下桥臂调制波形的占空比，D表示PWM波的占空比，

(1)工作桥臂功耗之比为

r_on＝P_V6/P_V1＝D_V6/D_V1＝1

(2)下桥臂总功耗与上桥臂总功耗之比为

$r_{\mathrm{total}}=\frac{P_{V4}+P_{V6}}{P_{V1}+P_{V3}}=\frac{D_{V4}+D_{V6}}{D_{V1}+D_{V3}}=1$

其中P_V1表示第一桥臂的上桥臂导通时的功耗，P_V6表示第二桥臂的下桥臂导通时的功耗，P_V3表示第二桥臂上桥臂导通时的功耗，P_V4表示第二桥臂下桥臂导通时的功耗。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

(1)在功耗均衡度方面，常规PWM调制方法随着PWM占空比的减小，各功率管的功耗越来越不均衡。采用功耗均衡式PWM调制时，在每个调制周期内，两个工作桥臂功耗相等，上下桥臂功耗也相等，功耗是均衡分布的，降低了局部瞬时最高温度，有利于改善散热性能和提高可靠性。

(2)增加功率管和选用低导通阻抗的功率管等提高可靠性的常规方法会增加硬件成本，功耗均衡式PWM调制方法通过采用新型的调制方法来提高可靠性，不增加硬件成本。

(3)提出了采用定时器中断程序实现功耗均衡式PWM调制的流程，不依赖于专用硬件资源，具有通用性。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1H_pwm-L_on调制方法时的电流回路，图1(a)为V1,V6导通时的电流回路，图1(b)为V4,V6导通时的电流回路；

图2H_pwm-L_on调制方法时的各桥臂调制波形；

图3功耗之比和占空比的关系；

图4功耗均衡式PWM调制方法时的电流回路，图4(a)为V1,V6导通时的电流回路，图4(b)为V1,V3导通时的电流回路，图4(c)为V1,V6再次导通时的电流回路；图4(d)为V4,V6导通时的电流回路；

图5功耗均衡式PWM调制时的A、B相桥臂的PWM波形；

图6为采用定时器中断程序实现功耗均衡式PWM调制的流程图。

具体实施方法

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

无刷直流电机处于低速重载或堵转工况时，相电流接近或等于限流值，功率管功耗最大，最容易发生过热损坏，因此功耗分析主要针对低速重载和堵转工况进行研究，并且此时换相周期较长，而PWM周期仅几十个us，远小于低速重载工况时的换相周期(一般在几十ms以上)，因此在进行功耗可靠性分析时不考虑换相。

常规PWM调制方法有4种，分别为H_pwm-L_on、H_on-L_pwm、on_pwm、pwm_on。on_pwm、pwm_on只是H_pwm-L_on和H_on-L_pwm在不同时段的组合，对于低速重载工况，只需考虑一个时段的调制方法，因此只需分析H_pwm-L_on和H_on-L_pwm两种调制方法。H_pwm-L_on和H_on-L_pwm的组合方法还有pwm_on_pwm等，其功耗特性与on_pwm、pwm_on类似，与H_pwm-L_on和H_on-L_pwm具有相同的特性，因此也不用单独考虑。

上述分析表明，在研究功率管功耗时可以不考虑换相，从功耗分布的角度对常规PWM调制方法进行分类，常规PWM调制方法仅包括H_pwm-L_on和H_on-L_pwm。由于H_pwm-L_on和H_on-L_pwm均为单桥臂调制，功耗特性相同，下面只对H_pwm-L_on调制方法进行分析。

图1为桥臂电路和电机三相绕组对的电路示意图，Us是电池电压，V1～V6是6个桥臂的功率管，A、B、C表示电机的三相桥臂，R是相电阻，L是相电感。

为降低功耗发热，在重载工况时采用同步续流控制。以A-B相工作为例，PWM为on时，V1和V6导通，电流回路如图1(a)，电源向电机供电，V1和V6产生功耗。PWM为off时，V4和V6导通，电流回路如图1(b)，电流通过V4和V6续流，此时V4和V6产生功耗。可见，在A、B两相桥臂四个功率管中，V1只在PWM为on时产生功耗，V4只在PWM为off时产生损耗，V3始终不产生功耗，而V6则始终流过电流并产生功耗，因此V6的功耗最大，最容易发生过热损坏。

A、B相上下桥臂的PWM调制波形如图2所示，可见各桥臂的导通时间存在很大差别。为了更加形象地表示各桥臂的功耗大小和简化分析，忽略死区时间和功率管开关损耗。另外，对于功率驱动型电机，因L/R较大，近似分析时，可忽略续流期间的电流衰减。可见，经过简化，功率管的功耗和导通时间成正比，各桥臂的功耗之比就等于各桥臂PWM调制波形的占空比之比。

设PWM占空比为D，则A、B相各桥臂调制波形的占空比分别为：D_V1＝D，D_V3＝0，D_V4＝1-D，D_V6＝1。

在A-B相工作期间，V1和V6称为工作桥臂，V3和V4称为续流桥臂。

(1)工作桥臂功耗之比为

r_on＝P_V6/P_V1＝D_V6/D_V1＝1/D

(2)下桥臂总功耗与上桥臂总功耗之比为

$r_{\mathrm{total}}=\frac{P_{V4}+P_{V6}}{P_{V1}+P_{V3}}=\frac{D_{V4}+D_{V6}}{D_{V1}+D_{V3}}=\frac{2-D}{D}$

功耗比和占空比的关系曲线如图3所示，随着PWM占空比D的减小，功耗之比快速增加，各功率管的功耗越来越不均衡。在重载工况时，无刷直流电机为恒功率运行，相电流大于直流母线的平均电流，负载越大，占空比越小，功耗越不均衡。例如，当D＝0.3时，r_on＝3.3，r_total＝5.7，可见上下桥臂功耗严重不均衡，下桥臂功耗大大高于上桥臂。

为了缓解下桥臂功率管的热负荷，目前的解决办法是对下桥臂采用导通阻抗较小的功率管，或者两个(或多个)功率管并联使用。这两种措施的缺点是，因为功耗的不均衡程度是随占空比变化的，但下桥臂的导通阻抗却是基本固定的，因此只能在某一占空比下保证功耗的均衡性。

针对常规PWM调制方法在重载工况下各桥臂功耗严重不均衡，从而造成功率管容易过热损坏的问题，提出了一种功耗均衡式PWM调制方法，在相邻两个PWM周期内使逆变电路的上下桥臂分别承受续流电流。该调制方法在不增加功耗的前提下，使功耗更均衡地分布于各功率管，上下桥臂功率管具有相同的功耗和温升，改善散热效果，有助于提高无刷直流电机控制器的可靠性。

在同一换相周期内，对上下桥臂采用不同的调制方法是造成上下桥臂功耗不均衡的原因，因此，可以从改进PWM调制方法上进行解决，只要上下桥臂采用相同的调制方法就可以保证上下桥臂功耗均衡。比如采用H_pwm-L_on调制时，下桥臂之所以上桥臂功耗大，是因为下桥臂要承受续流电流，而上桥臂无需承受续流电流，因此只要上下桥臂轮流承受续流电流就可以达到上下桥臂功耗均衡。

基于上述思想，本发明提供一种采用功耗均衡式PWM调制的无刷直流电机控制方法，所述无刷直流电机由控制器控制，所述控制器包括由六个开关管(MOSFET或IGBT)构成的三相逆变器，三相逆变器的三个桥臂与无刷直流电机连接，每个开关管并联一个续流二极管，所述三个桥臂为第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂，

步骤1.当PWM为ON时，控制器控制第一桥臂的上桥臂V1导通，控制第二桥臂的下桥臂V6导通；

步骤2.当PWM为OFF时，第一桥臂的上桥臂V1关断，第一桥臂的下桥臂V4导通，此时第一桥臂的下桥臂V4与第二桥臂的下桥臂V6完成续流；

步骤3.当PWM为ON时，第一桥臂的上桥臂V1再次导通，第一桥臂的下桥臂V4关断；

步骤4.当PWM为OFF时，第一桥臂的下桥臂V4关断，第二桥臂的上桥臂V3导通，此时第一桥臂的上桥臂V1与第二桥臂的上桥臂V3完成续流；

功耗均衡式PWM调制方法以两个PWM周期为一个控制周期，分为4个阶段，以A-B相工作为例对各阶段进行说明，调制过程如图4所示。

PWM为on时，V1和V6导通，电源向电机供电，电流回路如图4(a)，V1和V6产生功耗。PWM为off时，V1和V3导通，电流通过V1和V3续流，电流回路如图4(b)，V1和V3产生功耗。PWM再次为on时，V1和V6导通，电流回路如图4(c)，与图4(a)相同。PWM再次为off时，V4和V6导通，电流通过V4和V6续流，电流回路如图4(d)，V4和V6产生功耗。显而易见，图4(a)、4(b)与H_on-L_pwm调制方法相同，图4(c)、4(d)与H_pwm-L_on调制方法相同。

采用功耗均衡式PWM调制方法时，各桥臂调制波形如图5所示，各桥臂调制频率是PWM频率的一半，工作桥臂功率管V1和V6的调制波形的占空比范围为[0.5,1]，相位相差180°，续流桥臂功率管V3和V4的调制波形的占空比范围为[0,0.5]，相位相差180°，各桥臂调制波形的占空比分别为：D_V1＝D_V6＝(1+D)/2，D_V3＝D_V4＝(1-D)/2，D_V1表示第一桥臂的上桥臂调制波形的占空比，D_V6表示第二桥臂的下桥臂调制波形的占空比，D_V3表示第二桥臂的上桥臂调制波形的占空比，D_V4表示第一桥臂的下桥臂调制波形的占空比，D表示PWM波的占空比，

(1)工作桥臂功耗之比为

r_on＝P_V6/P_V1＝D_V6/D_V1＝1

(2)下桥臂总功耗与上桥臂总功耗之比为

$r_{\mathrm{total}}=\frac{P_{V4}+P_{V6}}{P_{V1}+P_{V3}}=\frac{D_{V4}+D_{V6}}{D_{V1}+D_{V3}}=1.$

可见，两个工作桥臂功耗相等，上下桥臂功耗也相等，所以称为功耗均衡式PWM调制方法。

当电机需要换相时，控制器重复步骤1-4控制相应桥臂的开关管导通与关断。

例如，当电机B-C相导通时，PWM为on时，V3和V2导通，电源向电机供电，V3和V2产生功耗。PWM为off时，V3和V5导通，电流通过V3和V5续流，V3和V5产生功耗。PWM再次为on时，V3和V2导通。PWM再次为off时，V6和V2导通，电流通过V6和V2续流，V6和V2产生功耗。

当电机A-C相导通时，V1和V2导通，电源向电机供电，V1和V2产生功耗。PWM为off时，V1和V5导通，电流通过V1和V5续流，V1和V5产生功耗。PWM再次为on时，V1和V2导通。PWM再次为off时，V4和V2导通，电流通过V4和V2续流，V4和V2产生功耗。

本发明提出一种采用定时器中断程序实现功耗均衡式PWM调制的流程，如图6所示。

本发明在功耗均衡度方面，常规PWM调制方法随着PWM占空比的减小，各功率管的功耗越来越不均衡。采用功耗均衡式PWM调制时，在每个调制周期内，两个工作桥臂功耗相等，上下桥臂功耗也相等，功耗是均衡分布的，降低了局部瞬时最高温度，有利于改善散热性能和提高可靠性。

增加功率管和选用低导通阻抗的功率管等提高可靠性的常规方法，但这些方法会增加硬件成本，功耗均衡式PWM调制方法通过采用新型的调制方法来提高可靠性，不增加硬件成本。

本发明提出了采用定时器中断程序实现功耗均衡式PWM调制的流程，不依赖于专用硬件资源，具有通用性。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种采用功耗均衡式PWM调制的无刷直流电机控制方法，所述无刷直流电机由控制器控制，所述控制器包括由六个开关管构成的三相逆变器，三相逆变器的三个桥臂与无刷直流电机连接，每个开关管并联一个续流二极管，所述三个桥臂为第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂，其特征在于：

步骤1.当PWM为ON时，控制器控制第一桥臂的上桥臂(V1)导通，控制第二桥臂的下桥臂(V6)导通，

步骤2.当PWM为OFF时，第一桥臂的上桥臂(V1)关断，第一桥臂的下桥臂(V4)导通，此时第一桥臂的下桥臂(V4)与第二桥臂的下桥臂(V6)完成续流；

步骤3.当PWM为ON时，第一桥臂的上桥臂(V1)再次导通，第一桥臂的下桥臂(V4)关断；

步骤4.当PWM为OFF时，第一桥臂的下桥臂(V4)关断，第二桥臂的上桥臂(V3)导通，此时第一桥臂的上桥臂(V1)与第二桥臂的上桥臂(V3)完成续流；

步骤5.当电机需要换相时，控制器按步骤1-4控制相应桥臂的开关管导通与关断。

2.根据权利要求1所述的采用功耗均衡式PWM调制的无刷直流电机控制方法，其特征在于：各个桥臂调制频率为PWM频率的一半，第一桥臂的上桥臂(V1)与第二桥臂的下桥臂(V6)为工作桥臂，所述工作桥臂的调制波形的占空比为[0.5,1]，相位差为180°；

第一桥臂的下桥臂(V4)与第二桥臂的上桥臂(V3)为续流桥臂，所述续流桥臂的调制波形的占空比为[0,0.5]，相位差为180°。

3.根据权利要求2所述的采用功耗均衡式PWM调制的无刷直流电机控制方法，其特征在于：各桥臂调制波形的占空比分别为：D_V1＝D_V6＝(1+D)/2，D_V3＝D_V4＝(1-D)/2，D_V1表示第一桥臂的上桥臂调制波形的占空比，D_V6表示第二桥臂的下桥臂调制波形的占空比，D_V3表示第二桥臂的上桥臂调制波形的占空比，D_V4表示第一桥臂的下桥臂调制波形的占空比，D表示PWM波的占空比，

(1)工作桥臂功耗之比为

r_on＝P_V6/P_V1＝D_V6/D_V1＝1

(2)下桥臂总功耗与上桥臂总功耗之比为

$r_{\mathrm{total}}=\frac{P_{V4}+P_{V6}}{P_{V1}+P_{V3}}=\frac{D_{V4}+D_{V6}}{D_{V1}+D_{V3}}=1$

其中P_V1表示第一桥臂的上桥臂导通时的功耗，P_V6表示第二桥臂的下桥臂导通时的功耗，P_V3表示第二桥臂上桥臂导通时的功耗，P_V4表示第二桥臂下桥臂导通时的功耗。