CN104167958A - 一种无刷直流电机的缺相应急控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无刷直流电机的缺相应急控制方法，针对使用6个开关管构成三相桥式逆变电路的无刷直流电机驱动器主回路，在三相桥式逆变电路中，每个桥臂的低压端均设置有电流检测元件，所述电流检测元件的出输信号经由A/D转换接口和模拟电压比较器接口输入与驱动器主回路相连接的处理器，处理器结合无刷直流电机的霍尔位置传感器输出信号，向6个开关管发送对应的控制信号。本发明基本无需改变常规无刷直流电机驱动器硬件结构，当无刷直流电机驱动器中的某个开关管击穿短路时，可以迅速识别，并加以保护，使得别的开关管不会因之而发生短路，电机在电磁力矩的驱动下继续安全运行，以使某些特殊任务在故障发生的情况下也得以完成。

Description

一种无刷直流电机的缺相应急控制方法

技术领域

本发明公开了一种无刷直流电机的缺相应急控制方法，具体来说是一种当无刷电机控制器中的开关管发生击穿短路而造成电机缺相的工况下，控制无刷直流电机继续运转的系统及方法，涉及无刷直流电机的控制方法技术领域。

背景技术

近年来，无刷直流电动机获得了广泛的应用。具体应用的领域包括各种电动车辆的驱动、自动控制门和窗的驱动、自动武器的驱动等。无刷直流电动机属于永磁同步电动机，相对与有刷直流电动机而言，相当于把有刷直流电动机中定子和转子互换了位置，从而可以去除了机械的电刷和换向器，代之以电子换向器。对于三相无刷直流电动机来说，电子换向器是由6个功率开关管构成的三相桥式逆变电路，亦称为无刷直流电机驱动器。在无刷直流电机的定子上装有转子位置传感器，以检测转子的位置，电子换向器根据转子位置检测器的信号完成换向。

相对于有刷直流电机，无刷直流电机有更长的使用寿命，但即使如此，也不能保证绝对的可靠性，主要的故障都是由于驱动器的功率开关管的击穿短路而引起的，并且最初只有一个开关管击穿短路，但由于不能很快识别，会随之很快导致同一桥臂的另外的开关管短路，进而影响到别的桥臂的开关管 。在这种情况下，不仅无刷电机无法继续驱动相应的机械装置运动，由于无刷电机定子绕组被开关管短路而形成阻力矩，使得即使希望通过人力来驱动机械装置继续运行也非常困难。如电动车辆在发生开关管短路时，很难通过人力推行。电动门禁系统在发生开关短路时，很难通过人力来使门窗关上或打开。

在有些应用场合，需要很高的可靠性，如飞机机库的自动门，无论在任何情况下（包括在无刷电机控制器发生故障的情况下）都要保证能开启或关闭，银行金库的自动门禁系统也有类似的要求。即使是普通的民用电动阻力车，也希望在无刷电机驱动器发生故障的情况下，不至于被阻力矩锁死 ，至少可以靠人力骑行或推行至目的地。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提供一种无刷直流电机的缺相应急控制方法，基本无需改变常规无刷直流电机驱动器硬件结构，当无刷直流电机驱动器中的某个开关管击穿短路时，可以迅速识别，并加以保护，使得别的开关管不会因之而发生短路。可以使电机在仍然存在的电磁力矩的驱动下，继续安全运行，以使某些特殊任务在故障发生的情况下也得以完成。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种无刷直流电机的缺相应急控制方法，针对使用6个开关管构成三相桥式逆变电路的无刷直流电机驱动器主回路，在三相桥式逆变电路中，每个桥臂的低压端均设置有电流检测元件，所述电流检测元件的输出信号经由A/D转换接口和模拟电压比较器接口输入与驱动器主回路相连接的处理器，处理器结合无刷直流电机的霍尔位置传感器输出信号，向6个开关管发送对应的控制信号，控制方法的具体步骤如下：

步骤（1）、使用电流检测元件实时监测无刷电机驱动器的主电路中的三个桥臂，当其中一个开关管被击穿短路时，通过电流检测元件确定发生开关管短路的桥臂；

步骤（2）、根据步骤（1）所确认的发生开关管短路的桥臂，将该桥臂中两个开关管的控制信号均置于无效状态，此时，该桥臂中只有一个开关管处于实际短路状态；

步骤（3）、向依上述步骤确定的故障桥臂中的高压侧开关管和低压侧开关管交替输出窄脉冲控制信号，通过电流检测元件确定短路开关管的位置；

步骤（4）、根据短路开关管所处的位置，确定在全部6个基本电压矢量输出中仍可输出的相邻3个基本电压矢量，所述6个基本电压矢量输出的标注方法为：在圆周360°范围内，以0°为起点，每间隔60°标注一个基本电压矢量输出；

步骤（5）、根据步骤（4）分析得出的3个电压矢量输出情况，以及希望无刷直流电机继续转动的方向，将无刷直流电机每对磁极下的360°电角度划分成：第一电磁转矩可作用区域、第二电磁转矩可作用区域和电磁转矩不可作用区域，

其中，仍可输出的相邻3个基本电压矢量所形成的120°扇区为第一电磁转矩可作用区域，与第一电磁转矩可作用区域互补的60°扇区为电磁转矩不可作用区域，剩余的180°扇区为第二电磁转矩可作用区域；

步骤（6）、根据无刷直流电机霍尔位置传感器的输出信号，确定电机转子的位置；根据电机转子的转动方向以及开关管短路的情况，判定无刷直流电机的转子具体处于第一电磁转矩可作用区域或是第二电磁转矩可作用区域或是电磁转矩不可作用区域；

（601）、若转子处于第一电磁转矩可作用区域，依据定子和转子磁场尽量正交的原则，从输出的电压矢量中做出选择，通过SVPWM的方式使输出的电压矢量连续转动，带动转子运行；

（602）、若转子处于第二电磁转矩可作用区域，依据希望无刷直流电机继续转动的方向，选择最接近转子位置的输出电压矢量，带动转子运行；

（603）、若转子处于电磁转矩不可作用区域，则根据转子是正在运动或静止，选择如下：

（6031） 若转子正在运动，则选择输出零电压矢量，使转子依靠惯性转过电磁转矩不可作用区；

（6032）若转子是静止的，则先使转子往相反方向运动，离开电磁转矩不可作用区域，然后改变运动方向按照步骤（6）继续判断。

作为本发明的进一步优选方案，步骤（4）中，将全部6个基本电压矢量输出按逆时针方向依次间隔60°扇区的定义为U1至U6，则开关管短路时电压矢量的输出情况具体如下：

当A相桥臂高压侧开关管短路，逆变器仍可输出电压矢量U6、U1、U2 ；

当A相桥臂低压侧开关管短路，逆变器仍可输出电压矢量U3、U4、U5 ；

当B相桥臂高压侧开关管短路，逆变器仍可输出电压矢量U2、U3、U4 ；

当B相桥臂低压侧开关管短路，逆变器仍可输出电压矢量U5、U6、U1 ；

当C相桥臂高压侧开关管短路，逆变器仍可输出电压矢量U4、U5、U6 ；

当C相桥臂低压侧开关管短路，逆变器仍可输出电压矢量U1、U2、U3。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：当驱动器电路中的某个功率开关管击穿短路时，采用本发明提出的方法，可以避免同一桥臂的另一开关管也随之击穿短路，并能防止无刷直流电机被开关管短路而引起的阻力矩锁死，利用驱动器中仍可输出的部分电压矢量，驱动无刷电机继续运转，使某些特定的任务得以完成。本发明提供的方法，可以在很多领域得到应用，如在重要的门禁系统中，采用本发明提供的方法，可以进一步提高安全性和可靠性。在民用电动助力车中，采用本发明提供的方法，可以保证电动车在驱动器故障状态下能继续前行，抵达目的地再行检修。

附图说明

图1是带有桥臂短路检测的无刷电机驱动器的电路原理框图。

图2是三相桥式逆变电路的基本开关状态。

图3是与三相桥式逆变电路的基本开关状态对应的电压矢量的定义。

图4是当A相桥臂高压侧开关管短路时，在无刷直流电机内部一对磁极下电磁转矩的可作用区域和不可作用区域。

图5是无刷直流电机的缺相应急控制软件流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明公开了一种无刷直流电机的缺相应急控制方法，原理如图1所示。无刷直流电机驱动器采用TMS320F28035为处理器,主回路是由6个开关管构成的3相桥式逆变电路，TMS320F28035的SVPWM输出接口，用于控制主回路中的6个开关管。的每个桥臂都有独立的电流检测元件，电流检测元件的输出信号经过TMS320F28035的A/D转换接口和模拟电压比较器接口输入，用于检测主回路中是否有开关管短路。无刷电机霍尔位置传感器输出的信号，经过I/O接口输入到TMS320F28035，用于检测无刷电机转子位置。

控制方法流程图如图5所示，包括如下步骤：

（1）无刷电机驱动器的主电路的三个桥臂的低压端，均有电流检测元件，当某一开关管被击穿短路时，通过桥臂中的检测元件，即可确定有开关管短路的桥臂。

（2）先将有开关管短路的桥臂中的两个开关管的控制信号均置于无效状态，以防止发生“直通”而导致同桥臂的另一开关管因之短路。此时该桥臂中只有一个开关管实际处于短路状态。

（3）对依上述步骤确定的故障桥臂中的高压侧开关管和低压侧开关管交替输出窄脉冲控制信号，并通过桥臂中的检测元件，即可确定短路的开关管的位置。

（4）如图2、图3所示，完整的三相桥式逆变电路可输出6个基本电压矢量，当发生一个开关管短路时，输出的电压矢量减少为3个。具体的情况如下：

当A相桥臂高压侧开关管短路，逆变器仍可输出电压矢量U6、U1、U2 ；

当A相桥臂低压侧开关管短路，逆变器仍可输出电压矢量U3、U4、U5 ；

当B相桥臂高压侧开关管短路，逆变器仍可输出电压矢量U2、U3、U4 ；

当B相桥臂低压侧开关管短路，逆变器仍可输出电压矢量U5、U6、U1 ；

当C相桥臂高压侧开关管短路，逆变器仍可输出电压矢量U4、U5、U6 ；

当C相桥臂低压侧开关管短路，逆变器仍可输出电压矢量U1、U2、U3 ；

另外，无论哪个开关管短路，逆变器都可以输出零电压矢量。

（5）根据上述步骤确定的开关管短路和仍然可利用的电压矢量的6种情况，以及希望的转动方向，可以将无刷电机每对磁极下的360°电角度划分成第一电磁转矩可作用区域、第二电磁转矩可作用区域和电磁转矩不可作用区域，仍可输出的相邻3个基本电压矢量所形成的120°扇区为第一电磁转矩可作用区域，与第一电磁转矩可作用区域互补的60°扇区为电磁转矩不可作用区域，剩余的180°扇区为第二电磁转矩可作用区域。在每种情况下，电磁转矩可作用区域为300°电角度，不可作用区域为60°电角度。图4是当A相桥臂高压侧开关管短路，逆变器仍可输出电压矢量U6、U1、U2，并且希望转子逆时针运转时，第一电磁转矩可作用区域、第二电磁转矩可作用区域和电磁转矩不可作用区域的具体示意图。

（6）根据无刷电机霍尔位置传感器的输出信号，确定电机转子的位置。并根据电机转子的转动方向，以及开关管短路的情况，判定无刷电机转子是否处于第一电磁转矩可作用区域、第二电磁转矩可作用区域，或者是处于电磁转矩不可作用区域。

（7）若转子处于第一电磁转矩可作用区域，根据“使定子和转子磁场尽量接近正交”的原则，从仍然可以利用的3个电压矢量中做出选择,并且可以通过SVPWM的方式使电压矢量连续转动，带动转子运行。

（8）若转子处于第二电磁转矩可作用区域，应当根据希望的转动方向，选择最接近转子位置的电压矢量，此时电磁转矩仍然是正的。

（9）若转子处于电磁转矩不可作用区域，并且此时转子正在运动，应当选择零电压矢量，使转子依靠惯性转过电磁转矩不可作用区。

（10）若对于希望的运动方向，转子处于电磁转矩不可作用区域，并且此时转子是静止的，那么此时对于相反的运动方向，转子是处于电磁转矩可作用区，所以可以先按前述步骤使转子往相反方向运动，离开电磁转矩不可作用区域，然后改变运动方向即可。

本系统的处理器是采用TMS320F28035,三相桥臂检测元件的信号输入到TMS320F28035的A/D转换接口和模拟电压比较器接口，SVPWM模块由TMS320F28035内部的硬件实现。主回路由智能功率模块IRAMX20UP60A实现。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种无刷直流电机的缺相应急控制方法，针对使用6个开关管构成三相桥式逆变电路的无刷直流电机驱动器主回路，其特征在于：在三相桥式逆变电路中，每个桥臂的低压端均设置有电流检测元件，所述电流检测元件的输出信号经由A/D转换接口和模拟电压比较器接口输入与驱动器主回路相连接的处理器，处理器结合无刷直流电机的霍尔位置传感器输出信号，向6个开关管发送对应的控制信号，控制方法的具体步骤如下：

步骤（1）、使用电流检测元件实时监测无刷电机驱动器的主电路中的三个桥臂，当其中一个开关管被击穿短路时，通过电流检测元件确定发生开关管短路的桥臂；

步骤（2）、根据步骤（1）所确认的发生开关管短路的桥臂，将该桥臂中两个开关管的控制信号均置于无效状态，此时，该桥臂中只有一个开关管处于实际短路状态；

步骤（3）、向依上述步骤确定的故障桥臂中的高压侧开关管和低压侧开关管交替输出窄脉冲控制信号，通过电流检测元件确定短路开关管的位置；

步骤（4）、根据短路开关管所处的位置，确定在全部6个基本电压矢量输出中仍可输出的相邻3个基本电压矢量，所述6个基本电压矢量输出的标注方法为：在圆周360°范围内，以0°为起点，每间隔60°标注一个基本电压矢量输出；

步骤（5）、根据步骤（4）分析得出的3个电压矢量输出情况，以及希望无刷直流电机继续转动的方向，将无刷直流电机每对磁极下的360°电角度划分成：第一电磁转矩可作用区域、第二电磁转矩可作用区域和电磁转矩不可作用区域，

其中，仍可输出的相邻3个基本电压矢量所形成的120°扇区为第一电磁转矩可作用区域，与第一电磁转矩可作用区域互补的60°扇区为电磁转矩不可作用区域，剩余的180°扇区为第二电磁转矩可作用区域；

步骤（6）、根据无刷直流电机霍尔位置传感器的输出信号，确定电机转子的位置；根据电机转子的转动方向以及开关管短路的情况，判定无刷直流电机的转子具体处于第一电磁转矩可作用区域或是第二电磁转矩可作用区域或是电磁转矩不可作用区域；

（601）、若转子处于第一电磁转矩可作用区域，依据定子和转子磁场尽量正交的原则，从输出的电压矢量中做出选择，通过SVPWM的方式使输出的电压矢量连续转动，带动转子运行；

（602）、若转子处于第二电磁转矩可作用区域，依据希望无刷直流电机继续转动的方向，选择最接近转子位置的输出电压矢量，带动转子运行；

（603）、若转子处于电磁转矩不可作用区域，则根据转子是正在运动或静止，选择如下：

（6031） 若转子正在运动，则选择输出零电压矢量，使转子依靠惯性转过电磁转矩不可作用区；

（6032）若转子是静止的，则先使转子往相反方向运动，离开电磁转矩不可作用区域，然后改变运动方向按照步骤（6）继续判断。

2.如权利要求1所述的基于无刷直流电机的缺相应急控制系统的控制方法，其特征在于：步骤（4）中，将全部6个基本电压矢量输出按逆时针方向依次间隔60°扇区的定义为U1至U6，则开关管短路时电压矢量的输出情况具体如下：

当A相桥臂高压侧开关管短路，逆变器仍可输出电压矢量U6、U1、U2 ；

当A相桥臂低压侧开关管短路，逆变器仍可输出电压矢量U3、U4、U5 ；

当B相桥臂高压侧开关管短路，逆变器仍可输出电压矢量U2、U3、U4 ；

当B相桥臂低压侧开关管短路，逆变器仍可输出电压矢量U5、U6、U1 ；

当C相桥臂高压侧开关管短路，逆变器仍可输出电压矢量U4、U5、U6 ；

当C相桥臂低压侧开关管短路，逆变器仍可输出电压矢量U1、U2、U3。