CN104852656A - 基于mcu矢量控制的空调用无刷直流电机控制方法 - Google Patents

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胡锋
王苗森
陈百均
余健
王兴龙
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Abstract

本发明公开了一种基于MCU矢量控制的空调用无刷直流电机控制方法，包括以下步骤：获取电机的三相相电流；根据三相相电流计算得到实际d轴电流和实际q轴电流；根据实际d轴电流和实际q轴电流估算转子的角速度和位置；利用转子角速度和设定的角速度进行PI控制，得到d轴电流设定值和q轴电流设定值，利用d轴电流设定值和实际d轴电流进行PI控制，得到d轴施加电压，利用q轴电流设定值和实际q轴电流进行PI控制，得到q轴施加电压；将d轴施加电压和q轴施加电压进行坐标逆变换，将坐标逆变换得到的三相相电压值调制成SVPWM信号后，驱动电机工作。本发明能够使得电机的安全性得到很大提升，电机在很大转速范围内能够高效率工作，电机振动小噪音小。

Description

基于MCU矢量控制的空调用无刷直流电机控制方法
技术领域
本发明涉及电机控制领域，尤其涉及一种基于MCU矢量控制的空调用无刷直流电机控制方法。
背景技术
目前空调用无刷直流电机的控制方案基本都是硬件控制。通过霍尔元件或者霍尔IC检测转子位置，将位置信号输入到逻辑控制芯片后，再经逻辑真值表计算，对电机进行换向。对于电机出力的控制，依靠受VSP控制的马鞍形调制波与三角载波的调制来实现。这种控制方式属于开环控制，如果初始进角设置过大，容易出现弱磁而使马达转速过高；因为电流分解能精度低，所以电流谐波大；由于逻辑芯片资源有限，而无法实现多种保护方式，安全性一般。
发明内容
本发明针对上述问题，提出了一种基于MCU矢量控制的空调用无刷直流电机控制方法。解决了现有技术容易出现弱磁而使马达转速过高以及电流分解精度低，电流谐波大的问题。
本发明采取的技术方案如下：
一种基于MCU矢量控制的空调用无刷直流电机控制方法，包括以下步骤：
获取无刷直流电机的三相相电流；
根据三相相电流计算得到实际d轴电流和实际q轴电流；
根据实际d轴电流和实际q轴电流估算无刷直流电机转子的角速度和位置；
利用估算得到的转子角速度和设定的角速度进行PI控制，得到d轴电流设定值和q轴电流设定值，利用d轴电流设定值和实际d轴电流进行PI控制，得到d轴施加电压，利用q轴电流设定值和实际q轴电流进行PI控制，得到q轴施加电压；
将d轴施加电压和q轴施加电压进行坐标逆变换，将坐标逆变换得到的三相相电压值调制成SVPWM信号后，驱动电机工作。
所述无刷直流电机的各相相电流获取方法为：采集无刷直流电机上的其中两相相电流，并通过两相相电流推算出第三相相电流。
通过两相相电流推算出第三相相电流的公式为：IU+IV+IW＝0，其中，IU为U相相电流，IV为V相相电流，IW为W相相电流。
实际d轴电流和实际q轴电流的计算方法为：将三相相电流进行克拉克变换，计算得到Iα以及Iβ，将Iα以及Iβ进行派克变换得到实际d轴电流和实际q轴电流。
Iα以及Iβ的计算公式为：
Iα＝2/3×(cos0×IU+cos120×IV+cos240×IW)
Iβ＝2/3×(sin0×IU+sin120×IV+sin240×IW)
其中，IU为U相相电流，IV为V相相电流，IW为W相相电流。
估算转子角速度的方法为：
将操作量设为转子角速度ωest、控制量设为d轴感应电压Ed，进行PI控制，其中，Ed＝Vd-R×Id+ωest×Lq×Iq，其中Id为实际d轴电流，Iq为实际q轴电流，Vd为d轴施加电压，R为转子线圈电阻，Lq为q轴转子线圈电感；
估算转子位置θ的计算公式为：θ＝θ0+Ts×ωest，其中，θ0为上一时刻的转子位置，Ts为控制周期。
坐标逆变换得到的三相相电压通过SVPWM调制输出PWM信号。
本发明的有益效果是：通过控制Id＝0，电机不会出现弱磁状态，同时，电机转速与速度指令电压是成线性关系，这个转速范围是可控的。通过本控制方法使得电机的安全性得到很大提升，电机在很大转速范围内能够高效率工作，电机振动小噪音小。
附图说明：
图1为利用本发明MCU矢量控制方法的控制系统示意图；
图2为本发明MCU矢量控制方法的原理框图；
图3为电流检测回路；
图4为过负载保护回路；
图5为过压保护回路和欠压保护回路；
图6为过热保护回路；
图7为反电势检测回路。
具体实施方式：
现结合说明书附图和实施例对本发明作进一步的说明。
本发明的方法在图1所示的系统中进行。以上图1所示的一种基于速度指令电压的过热保护设计是本发明的具体实施例，已经体现出本发明实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其相关控制原理、电路、元件参数等方面的等同修改，均在本发明的保护范围之列。
本发明空调用无刷直流电机的MCU矢量控制方法最关键的元件是MCU，通过MCU来检测相电流和母线电流，检测母线电压，计算电机转速，检测功率芯片温度，启动各种保护。
MCU矢量控制方法如图2所示，包括如下步骤：
步骤1，获取无刷直流电机的三相相电流。电机运转后，MCU通过马达相线上的取样电阻，采样电机两相或者三相电流。在本发明实施例中，通过采集无刷直流电机上的其中两相相电流，并通过两相相电流推算出第三相相电流。
步骤2，根据三相相电流计算得到实际d轴电流和实际q轴电流。如图2所示，实际d轴电流和实际q轴电流的计算方法为：先将三相相电流进行克拉克变换，从3相变为2相，计算得到Iα以及Iβ。Iα以及Iβ的计算公式为：
Iα＝2/3×(cos0×IU+cos120×IV+cos240×IW)
Iβ＝2/3×(sin0×IU+sin120×IV+sin240×IW)
其中，IU为U相相电流，IV为V相相电流，IW为W相相电流。
接着，将Iα以及Iβ进行派克变换，得到实际d轴电流和实际q轴电流，计算公式为：
Id＝cosθ×Iα+sinθ×Iβ
Iq＝-sinθ×Iα+cosθ×Iβ
其中，θ为转子的位置；相对于等式左边的电流，等式左边转子的位置为上一个时段的值。
步骤3，根据实际d轴电流和实际q轴电流估算无刷直流电机转子的角速度和位置。
其中，估算转子角速度的方法为：
将操作量设为转子角速度ωest、控制量设为d轴感应电压Ed，进行PI控制，其中，ωest满足以下计算公式：
Vd＝R×Id-ωest×Lq×Iq+Ed；
而该公式可以变换为：
Ed＝Vd-R×Id+ωest×Lq×Iq
其中，Id为实际d轴电流，Iq为实际q轴电流，Vd为d轴施加电压，R为转子线圈电阻，Lq为q轴转子线圈电感；Ed的目标值常常为0，即偏差为-Ed。
上述公式中，相对于等式左边的Ed，等式右边的Vd、Id、Iq、Lq、ωest均为上一时刻的对应值。
估算转子位置θ的计算公式为：
θ＝θ0+Ts×ωest，其中，θ0为等式左边θ上一时刻的值，Ts为控制周期。
本申请中，一个时刻对应一个周期，上一时刻指的是上一周期。
步骤4，利用估算得到的转子角速度和设定的角速度进行PI控制，得到d轴电流设定值和q轴电流设定值，利用d轴电流设定值和实际d轴电流进行PI控制，得到d轴施加电压，利用q轴电流设定值和实际q轴电流进行PI控制，得到q轴施加电压；
图2中，Id_ref表示d轴电流设定值，Iq_ref表示q轴电流设定值，通过这两个电流设定值可以设定角速度和转矩。
步骤5，将d轴施加电压和q轴施加电压进行坐标逆变换，将坐标逆变换得到的三相相电压值调制成SVPWM信号后，驱动电机工作。
其中，相电流检测回路如图3所示，U相和V相电流通过电阻R3、R5汇合后接地，由于该电流比较大，所以选取的是几个大功率的贴片电阻并联。同时该取样电阻阻值很小，所以需要对该采样电阻上的电压进行放大再输入到MCU的A/D转换器。通过MCU换算成相电流，从而进行矢量变换。
在当前实施例中，利用本发明方法的系统还存在如图4所示的过负载保护回路，U、V、W三相相电流通过采样电阻R4、R6后接地，该电阻上的压降经过低通滤波后输入到MCU的A/D转换器。通过MCU的比较启动过负载保护功能。
如图5所示，在当前实施例中的过压保护回路和欠压保护回路310V电压通过电阻R14、R15、R20、R22后接地，电阻R22上的压降输入到MCU的A/D转换器。通过MCU的比较启动过压或者欠压保护功能。
本发明当前实施例的过热保护回路如图6所示，放置在功率芯片IPM旁边的热敏电阻，将温度信号转换成电压信号。通过MCU的比较启动过热保护功能。
本发明当前实施例的反电势检测回路如图7所示，U相、V相通过分压电阻和钳位二极管，将反电势信号降压整形输入到MCU。在逆风启动的时候，起到辅助定位作用。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此即限制本发明的专利保护范围，凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于MCU矢量控制的空调用无刷直流电机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取无刷直流电机的三相相电流；
根据三相相电流计算得到实际d轴电流和实际q轴电流；
根据实际d轴电流和实际q轴电流估算无刷直流电机转子的角速度和位置；
利用估算得到的转子角速度和设定的角速度进行PI控制，得到d轴电流设定值和q轴电流设定值，利用d轴电流设定值和实际d轴电流进行PI控制，得到d轴施加电压，利用q轴电流设定值和实际q轴电流进行PI控制，得到q轴施加电压；
将d轴施加电压和q轴施加电压进行坐标逆变换，将坐标逆变换得到的三相相电压值调制成SVPWM信号后，驱动电机工作。
2.如权利要求1所述的基于MCU矢量控制的空调用无刷直流电机控制方法，其特征在于，所述无刷直流电机的各相相电流获取方法为：采集无刷直流电机上的其中两相相电流，并通过两相相电流推算出第三相相电流。
3.如权利要求2所述的基于MCU矢量控制的空调用无刷直流电机控制方法，其特征在于，通过两相相电流推算出第三相相电流的公式为：IU+IV+IW＝0，其中，IU为U相相电流，IV为V相相电流，IW为W相相电流。
4.如权利要求1所述的基于MCU矢量控制的空调用无刷直流电机控制方法，其特征在于，实际d轴电流和实际q轴电流的计算方法为：将三相相电流进行克拉克变换，计算得到Iα以及Iβ，将Iα以及Iβ进行派克变换得到实际d轴电流和实际q轴电流。
5.如权利要求4所述的基于MCU矢量控制的空调用无刷直流电机控制方法，其特征在于，Iα以及Iβ的计算公式为：
Iα＝2/3×(cos0×IU+cos120×IV+cos240×IW)
Iβ＝2/3×(sin0×IU+sin120×IV+sin240×IW)
其中，IU为U相相电流，IV为V相相电流，IW为W相相电流。
6.如权利要求5所述的基于MCU矢量控制的空调用无刷直流电机控制方法，其特征在于，估算转子角速度的方法为：
将操作量设为转子角速度ωest、控制量设为d轴感应电压Ed，进行PI控制，其中，Ed＝Vd-R×Id+ωest×Lq×Iq，其中，Id为实际d轴电流，Iq为实际q轴电流，Vd为d轴施加电压，R为转子线圈电阻，Lq为q轴转子线圈电感；
估算转子位置θ的计算公式为：θ＝θ0+Ts×ωest，其中，θ0为上一时刻的转子位置，Ts为控制周期。
7.如权利要求1所述的基于MCU矢量控制的空调用无刷直流电机控制方法，其特征在于，坐标逆变换得到的三相相电压通过SVPWM调制输出PWM信号。
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