CN104767431A - 一种直流无刷电机脉冲宽度调制的控制方法、装置和系统 - Google Patents

一种直流无刷电机脉冲宽度调制的控制方法、装置和系统 Download PDF

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Abstract

一种直流无刷电机脉冲宽度调制的控制方法，其特征在于，所述方法包括：获取PWM脉冲宽度调制高精度占空比值；根据PWM高精度占空比值，确定PWM信号的精度扩展模式，其中，精度扩展模式包括精度扩展周期以及精度扩展输出序列；在精度扩展周期内，根据精度扩展输出序列，调制低精度PWM信号，并且输出控制信号。

Description

一种直流无刷电机脉冲宽度调制的控制方法、装置和系统
技术领域
本发明涉及直流无刷电机控制领域，尤其涉及一种直流无刷电机脉冲宽度调制的控制方法、装置和系统。
背景技术
直流无刷电机具有效率高、噪声低、运行可靠等优点，近年来应用日益广泛，发展迅速。在直流无刷电机控制中通常使用速度开环控制或者速度/转矩闭环控制，这两种控制方式都需要使用脉冲宽度调制(Pulse WidthModulation,简称PWM)单元来控制功率模块，对PWM单元的性能提出了较高要求，例如PWM单元的工作周期(对应PWM调制频率)，特别是PWM单元的精度(PWM单元的最小时间分辨力决定了PWM单元的精度)。在高性能方案中高速微控制单元(Micro Controller Unit,简称MCU)和数字信号处理器(Digital Signal Processor,简称DSP)可以轻易满足对PWM单元的性能要求，但这常常伴随着高的系统成本。在低成本方案中，由于受限于专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)/微控制器工作频率等限制因素，PWM单元工作在较高PWM调制频率时被迫采用较低的精度。较低的PWM精度在开环控制下会导致明显的速度阶梯效应，而在闭环控制下则会导致稳态速度误差波动较大。因此在低成本方案中如何在较低性能PWM单元基础上尽量提高系统性能成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种直流无刷电机脉冲宽度调制的控制方法、装置和系统，在保持系统原有较低性能PWM单元基础上提高系统性能，削弱开环控制下的速度阶梯效应，降低闭环控制的稳态速度误差。
第一方面，本发明提供了一种直流无刷电机脉冲宽度调制的控制方法，所述方法包括：
获取PWM脉冲宽度调制高精度占空比值；
根据PWM高精度占空比值，确定PWM信号的精度扩展模式，精度扩展模式包括精度扩展周期以及精度扩展输出序列；
在精度扩展周期内，根据精度扩展输出序列，调制低精度PWM信号，并且输出控制信号。
优选的，获取PWM高精度占空比值具体包括：根据直流无刷电机的运行状态数据获取PWM高精度占空比值。
优选的，根据PWM高精度占空比值，确定PWM信号的精度扩展模式步骤具体包括：将PWM高精度占空比值与前一次PWM高精度占空比值进行比较，获取差值；
当差值小于预定阈值时，确定PWM信号的精度扩展模式。
优选的，精度扩展周期以及精度扩展输出序列可根据电机系统的机电参数优化选取；
并且，精度扩展输出序列的每一序列项精度都要小于或等于低精度PWM信号的精度。
优选的，控制信号用于控制多组功率开关管中的一组或多组功率开关管的导通和关断的时间。
第二方面，本发明提供了一种直流无刷电机的驱动装置，所述装置包括：
控制模块，用于获取PWM高精度占空比值；
精度扩展模块，用于根据PWM高精度占空比值，确定PWM信号的精度扩展模式，精度扩展模式包括精度扩展周期以及精度扩展输出序列；
调制模块，用于在精度扩展周期内，根据精度扩展输出序列，调制低精度PWM信号，并且输出控制信号。
优选的，控制模块具体用于：根据直流无刷电机的运行状态数据获取PWM高精度占空比值。
优选的，精度扩展模块具体用于，将PWM高精度占空比值与前一次PWM高精度占空比值进行比较，获取差值；
当差值小于预定阈值时，确定PWM信号的精度扩展模式。
第三方面，本发明提供了一种直流无刷电机的驱动系统，所述系统包括：
如上述直流无刷电机的驱动装置和功率控制模块；
功率控制模块包括多组功率开关管，用于接收调制模块发出的控制信号，并且根据控制信号控制多组功率开关管中的一组或多组功率开关管的导通和关断的时间。
优选的，上述直流无刷电机驱动装置还用于，根据直流无刷电机的转子的位置信号控制多组功率开关管中的一组或多组功率开关管的导通和关断。
本发明提供的直流无刷电机脉冲宽度调制的控制方法，通过比较当前PWM的高精度占空比值与前一次PWM高精度占空比值，获取差值，当差值小于预定阈值时，确定精度扩展模式。并利用精度扩展模式中的精度扩展输出序列对低精度PWM信号进行调制。从而削弱开环控制下的速度阶梯效应，降低闭环控制的稳态速度误差波动范围，提高了系统性能。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种直流无刷电机脉冲宽度调制的控制方法流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种直流无刷电机的驱动装置的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种直流无刷电机的驱动系统的结构示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本发明实施例提供的一种直流无刷电机脉冲宽度调制的控制方法流程示意图。如图1所示，本发明实施例具体包括以下步骤：
步骤101，获取PWM高精度占空比值。
具体的，根据直流无刷电机的运行状态数据获取PWM高精度占空比值。其中，运行状态数据包括闭环控制系统中的直流无刷电机的转子角速度或者转矩电流，或者开环控制系统中的直接通过外部设定的数据。根据这些运行状态数据通过一定的控制算法计算，可以获取PWM高精度占空比值。
优选的，本实施例中通过直流无刷电机的转子角速度获取PWM高精度占空比值。
步骤102，根据PWM高精度占空比值，确定PWM信号的精度扩展模式。
具体的，记录当前的PWM高精度占空比值，并将当前的PWM高精度占空比值与前一次的PWM高精度占空比值进行比较，计算并记录差值。当差值小于某一预定阈值时(该阈值是根据实际情况来预定的)，则根据当前的PWM高精度占空比值，确定PWM信号的精度扩展模式，其中，精度扩展模式包括精度扩展周期以及精度扩展输出序列。并且，精度扩展周期和精度扩展输出序列可根据电机系统的机电参数优化选取；精度扩展输出序列的每一序列项精度都要小于或者等于低精度PWM信号的精度。
步骤103，在精度扩展周期内，根据精度扩展输出序列，调制低精度PWM信号，并且输出控制信号。
具体的，在精度扩展周期内，依次执行每一个精度扩展输出序列，用于调制低精度PWM信号，执行每一个精度扩展输出序列的时间为低精度PWM信号的工作周期时间。当执行完所有的精度扩展输出序列后，重复该执行过程，直到获取新的PWM高精度占空比值后，再与前一次的PWM高精度占空比进行比较。调制低精度PWM信号后，输出与精度扩展输出序列相对应的控制信号，用于控制多组功率开关管中的一组或多组功率开关管的导通和关断时间，从而使得每一个功率开关管在PWM单元工作周期内，其占空比值与精度扩展输出序列的占空比值一一对应。
需要说明的是，当差值大于某一预定阈值时，则不再根据高精度占空比值来确定精度扩展输出序列，并执行该精度扩展输出序列，从而输出控制信号来控制功率开关管的导通和关断时间(这通常发生在高精度PWM占空比值发生快速大幅变化过程中)。而是将当前的PWM高精度占空比值转换为系统中与其最接近的PWM低精度占空比值，并且根据该低精度占空比值，输出与之相对应的控制信号，用于控制多组功率开关管中的一组或多组功率开关管的导通和关断时间，从而使得每一个功率开关管在PWM单元工作周期内，其占空比值与该低精度PWM信号的占空比值一一对应。
在一个具体的例子中，根据直流无刷电机的转子角速度通过一定的控制算法计算，可以获取PWM高精度占空比值。例如获取的当前的占空比值为257/512(50.19％)，前一次的PWM占空比值为255/512(49.80％)，低精度PWM占空比值的精度为6比特精度。记录当前的PWM占空比值，并且将当前的PWM占空比值与前一次的PWM占空比值进行比较，其差值为0.39％，而设定的阈值为1％。所以，该差值小于设定的阈值，可以根据当前的PWM占空比值257/512(50.19％)，确定PWM信号的精度扩展模式。
根据电机系统的机电参数优化选择一个合适的精度扩展周期，例如本实施例中选择将8个低精度PWM信号的工作周期作为一个精度扩展周期，其精度扩展输出序列同样可以根据电机系统的机电参数优化选择调制方式生成。例如单比特调制方式获取的精度扩展输出序列为：{32/64，32/64，32/64，32/64，32/64，32/64，32/64，(32+1)/64}，多比特调制方式获取的精度扩展输出序列为：{32/64，32/64，32/64，(32-1)/64，32/64，32/64，32/64，(32+2)/64}，并且，精度扩展输出序列的每一序列项的精度都要等于或者小于低精度PWM信号的精度。在精度扩展周期内，依次执行每一个精度扩展输出的序列，用于调制低精度PWM信号，执行每一个精度扩展输出序列的时间为低精度PWM信号的工作周期时间。当执行完所有的精度扩展输出序列后，重复该执行过程，直到获取新的PWM高精度占空比后，再与前一次的PWM高精度占空比进行比较。调制低精度PWM信号后，输出与精度扩展输出序列相对应的控制信号，用于控制多组功率开关管中的一组或多组功率开关管的导通和关断时间，从而使得每一个功率开关管在PWM单元工作周期内，占空比值与精度扩展输出序列的占空比值一一对应。
需要说明的是，若前一次的PWM高精度占空比值为248/512(48.44％)，记录当前的PWM占空比值257/512(50.19％)，并且将当前的PWM占空比值与前一次的PWM占空比值进行比较，其差值为1.75％，而设定的阈值为1％。由此可知，该差值大于设定的阈值，所以不再根据高精度占空比值257/512(50.19％)来确定精度扩展输出序列，并执行该精度扩展输出序列，从而输出控制信号来控制功率开关管的导通和关断时间。而是将当前的PWM高精度占空比值257/512(50.19％)转换为系统中与其最接近的PWM低精度占空比值，例如系统中与其最接近的占空比值为32/64(50％)，则根据该低精度占空比值，输出与之相对应的控制信号，用于控制多组功率开关管中的一组或多组功率开关管的导通和关断时间，从而使得每一个功率开关管在PWM单元工作周期内，其占空比值与该低精度PWM信号的占空比值一一对应。
本发明实施例提供的直流无刷电机脉冲宽度调制的控制方法，通过比较当前PWM的占空比值与前一次PWM占空比值，获取差值，当差值小于预定阈值时，确定精度扩展模式，利用精度扩展模式中的精度扩展输出序列对低精度PWM信号进行调制。从而实现对直流无刷电机的PWM精度控制，削弱开环控制下的速度阶梯效应，降低闭环控制的稳态速度误差波动范围，提高了系统性能。
图2为本发明实施例提供的一种直流无刷电机的驱动装置；该装置用于实现上述实施例提供的直流无刷电机脉冲宽度调制的控制方法。该装置包括：控制模块201、精度扩展模块202、调制模块203。
控制模块201用于获取PWM高精度占空比值。精度扩展模块202用于根据PWM高精度占空比值，确定PWM信号的精度扩展模式。具体为：将PWM高精度占空比值与前一次PWM高精度占空比值进行比较，获取差值，当差值小于某一预定阈值时，确定PWM信号的精度扩展模式。精度扩展模式包括精度扩展周期以及精度扩展输出序列。调制模块203，用于在精度扩展周期内，根据精度扩展输出序列，调制低精度PWM信号，并且输出控制信号。
优选的，控制模块201根据直流无刷电机的运行状态数据获取PWM高精度占空比值，其中运行状态数据具体包括：闭环控制系统中的直流无刷电机的转子角速度或者转矩电流，或者在开环控制系统中直接使用外部设定的数据。
本发明实施例提供的直流无刷电机驱动装置，通过控制模块获取PWM高精度占空比值，并且根据该占空比值，获取精度扩展模式；调制模块利用精度扩展模式中的精度扩展输出序列对低精度PWM信号进行调制。从而削弱开环控制下的速度阶梯效应，降低闭环控制的稳态速度误差波动范围。
图3为本发明实施例提供的一种直流无刷电机的驱动系统，该系统除了包括了上述所介绍的驱动装置以外，还包括功率控制模块204。
功率控制模块204，包括多组功率开关管，用于接收调制模203发出的控制信号，并且根据控制信号，控制多组功率开关管中的一组或多组功率开关管的导通和关断的时间。
此外，驱动装置还用于根据直流无刷电机的转子的位置信号控制多组功率开关管中的一组或多组功率开关管的导通和关断。
在一个具体的例子中，控制模块201根据直流无刷电机的转子角速度通过一定的控制算法计算，可以获取PWM高精度占空比值。例如控制模块201获取的当前的占空比值为257/512(50.19％)，前一次的PWM占空比值为255/512(49.80％)，低精度PWM占空比值的精度为6比特精度。精度扩展模块202记录当前的PWM占空比值，并且将当前的PWM占空比值与前一次的PWM占空比值进行比较，其差值为0.39％，而设定的阈值为1％。所以，该差值小于预定的阈值，可以根据当前的PWM占空比值257/512(50.19％)，确定PWM信号的精度扩展模式。
精度扩展模块202根据电机系统的机电参数优化选择一个合适的精度扩展周期，例如本实施例中选择将8个低精度PWM信号的工作周期作为一个精度扩展周期，其精度扩展输出序列同样可以根据电机系统的机电参数优化选择调制方式生成。例如单比特调制方式获取的精度扩展输出序列为：{32/64，32/64，32/64，32/64，32/64，32/64，32/64，(32+1)/64}；多比特调制方式获取的精度扩展输出序列为：{32/64，32/64，32/64，(32-1)/64，32/64，32/64，32/64，(32+2)/64}。并且，精度扩展输出序列的每一序列项的精度都要等于或者小于低精度PWM信号的精度。在精度扩展周期内，调制模块203依次执行每一个精度扩展输出的序列，用于调制低精度PWM信号，执行每一个精度扩展输出序列的时间为低精度PWM信号的工作周期时间。当调制模块203执行完所有的精度扩展输出序列后，重复该执行过程，直到获取新的PWM高精度占空比值后，再与前一次的PWM高精度占空比值进行比较。调制低精度PWM信号后，调制模块203还用于输出与精度扩展输出序列相对应的控制信号。
功率控制模块204，接收调制模块203发出的控制信号，并且根据该控制信号，控制多组功率开关管中的一组或多组功率开关管的导通和关断时间，从而使得每一个功率开关管在PWM单元工作周期内，占空比值与精度扩展输出序列的占空比值一一对应。此外，驱动装置还用于，根据直流无刷电机的转子的位置信号控制多组功率开关管中的一组或多组功率开关管的导通和关断。
需要说明的是，若前一次的PWM高精度占空比值为248/512(48.44％)，精度扩展模块202记录当前的PWM占空比值257/512(50.19％)，并且将当前的PWM占空比值与前一次的PWM占空比值进行比较，其差值为1.75％，而预定的阈值为1％。由此可知，该差值大于预定的阈值，所以精度扩展模块203不再根据高精度占空比值257/512(50.19％)来确定精度扩展输出序列，进而，调制模块203也无需执行精度扩展输出序列，从而输出控制信号来控制功率开关管的导通和关断时间。而是利用调制模块203内部的转换装置将当前的PWM高精度占空比值257/512(50.19％)转换为系统中与其最接近的PWM低精度占空比值，例如系统中与其最接近的占空比值为32/64(50％)，则调制模块203根据该低精度占空比值，输出与之相对应的控制信号，用于功率控制模块204控制多组功率开关管中的一组或多组功率开关管的导通和关断时间，从而使得每一个功率开关管在PWM单元工作周期内，其占空比值与该低精度PWM信号的占空比值一一对应。
本发明提供的直流无刷电机的驱动系统，利用驱动装置中的控制模块获取PWM高精度占空比值；并且根据该占空比值，获取精度扩展模式；调制模块利用精度扩展模式中的精度扩展输出序列对低精度PWM信号进行调制，并且输出控制功率开关管的控制信号，利用功率控制模块控制功率开关管的导通和关断的时间。从而，削弱开环控制下的速度阶梯效应，降低闭环控制的稳态速度误差波动范围，提高了系统性能。
专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种直流无刷电机脉冲宽度调制的控制方法，其特征在于，所述方法包括：
获取PWM脉冲宽度调制高精度占空比值；
根据所述PWM高精度占空比值，确定PWM信号的精度扩展模式，所述精度扩展模式包括精度扩展周期以及精度扩展输出序列；
在所述精度扩展周期内，根据所述精度扩展输出序列，调制低精度PWM信号，并且输出控制信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取PWM高精度占空比值具体包括：根据直流无刷电机的运行状态数据获取PWM高精度占空比值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述PWM高精度占空比值，确定PWM信号的精度扩展模式步骤具体包括：将所述PWM高精度占空比值与前一次PWM高精度占空比值进行比较，获取差值；
当所述差值小于预定阈值时，确定所述PWM信号的精度扩展模式。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述精度扩展周期以及精度扩展输出序列可根据电机系统的机电参数优化选取；
并且，所述精度扩展输出序列的每一序列项精度都要小于或等于所述低精度PWM信号的精度。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制信号用于控制多组功率开关管中的一组或多组功率开关管的导通和关断的时间。
6.一种直流无刷电机的驱动装置，其特征在于，所述装置包括：
控制模块，用于获取PWM高精度占空比值；
精度扩展模块，用于根据所述PWM高精度占空比值，确定PWM信号的精度扩展模式，所述精度扩展模式包括精度扩展周期以及精度扩展输出序列；
调制模块，用于在所述精度扩展周期内，根据所述精度扩展输出序列，调制低精度PWM信号，并且输出控制信号。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述控制模块具体用于：根据直流无刷电机的运行状态数据获取PWM高精度占空比值。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述精度扩展模块具体用于，将PWM高精度占空比值与前一次PWM高精度占空比值进行比较，获取差值；
当所述差值小于预定阈值时，确定所述PWM信号的精度扩展模式。
9.一种直流无刷电机的驱动系统，其特征在于，包括如权利要求6所述的驱动装置和功率控制模块；
所述功率控制模块包括多组功率开关管，用于接收调制模块发出的控制信号，并且根据所述控制信号控制所述多组功率开关管中的一组或多组功率开关管的导通和关断的时间。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述驱动装置还用于，根据直流无刷电机的转子的位置信号控制所述多组功率开关管中的一组或多组功率开关管的导通和关断。
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