CN105337539A - 一种无刷直流电机转子位置检测技术 - Google Patents

一种无刷直流电机转子位置检测技术 Download PDF

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何彪
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查长礼
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Abstract

本发明公开了一种无刷直流电机转子位置检测技术,该电机转子位置检测技术包括与逆变器控制电路连接的无刷直流电机和电机转子位置检测方法;所述逆变器控制电路是三相全桥电压型逆变电路,所述电机转子位置检测方法是:采用下桥反并联续流二极管法,三相全桥电压型逆变电路的调制方式为H_PWM-L_ON,即上桥开关管T1、T3和T5工作于PWM调制,下桥开关管T4、T6和T2工作于直通模式;IGBT功率开关管T1、T2、T3、T4、T5和T6的工作模式为两两通电控制方式。本发明的技术方案,采用下桥反并联续流二极管法检测电机转子位置,不但检测信号少,控制简单灵活,而且提高了检测效率和可靠性,大幅降低了检测成本,应用范围广。

Description

一种无刷直流电机转子位置检测技术
技术领域
本发明属于电机控制领域,尤其是涉及一种无刷直流电机转子位置检测技术。
背景技术
永磁无刷直流电机是随着微处理器技术、高频低功耗的电力电子器件、新型控制方法和永磁材料的发展而出现并不断成熟的一种新型电机。与传统的直流电机相比,永磁无刷直流电机没有电刷,具有维护量小、结构坚固等优点。
续流二极管法不依赖电机的转速,可以应用在较低的转速范围,这是它最大的优点。无刷直流电机的控制电路大多采用三相全桥逆变电路,传统续流二极管法由于需要分别检测T1、T2、T3、T4、T5、T6的反并联二极管D1、D2、D3、D4、D5和D6的工作状态来确定电机转子位置,而不能用于集成的功率器件,不但检测信号多,提高了成本,而且这种方法只能用于前60°PWM调制后60°恒通的控制方式,即PWM_ON调制方式,这种调制方式大大限制了它的应用范围;另外,使用这种方法时,硬件上必须有六路互相隔离的电源,这会使硬件设计的难度加大,增加系统的复杂性和成本,控制更为复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无刷直流电机转子位置检测技术,该电机转子位置检测技术克服了现有技术的不足,采用下桥反并联续流二极管法检测电机转子位置,不但检测信号少,控制简单灵活,而且提高了检测效率和可靠性,大幅降低了检测成本,应用范围广。
为达到上述目的,本发明一种无刷直流电机转子位置检测技术的技术方案是:一种无刷直流电机转子位置检测技术,包括与逆变器控制电路连接的无刷直流电机和电机转子位置检测方法;
所述逆变器控制电路是三相全桥电压型逆变电路,包括IGBT功率开关管T1、T2、T3、T4、T5和T6以及续流二极管D1、D2、D3、D4、D5和D6;所述续流二极管D1、D2、D3、D4、D5和D6分别与开关管T1、T2、T3、T4、T5和T6反并联,开关管T1、T3和T5为上桥开关管,T4、T6和T2为下桥开关管,无刷直流电机的三相绕组a、b、c分别接在开关管T1与T4、T3与T6、T5与T2构成的三相桥路上;其特征在于:
所述电机转子位置检测方法是:采用下桥反并联续流二极管法,三相全桥电压型逆变电路的调制方式为H_PWM-L_ON,即上桥开关管T1、T3和T5工作于PWM调制,下桥开关管T4、T6和T2工作于直通模式;IGBT功率开关管T1、T2、T3、T4、T5和T6的工作模式为两两通电控制方式;在PWM调制模式的低电平时间即PWM关断期间,检测未导通相下桥反并联二极管D4、D6和D2的工作状态,来判断上桥开关管T1、T3和T5和下桥开关管T4、T6和T2是否导通,若下桥反并联二极管D4、D6和D2不导通,则在该时刻延时300电角度,就是该相上桥开关管T1、T3和T5的导通时刻;若下桥反并联二极管D4、D6和D2导通,则在该时刻延时300电角度,就是该相下桥开关管T4、T6和T2的导通时刻;通过检测下桥反并联二极管D4、D6和D2的工作状态来确定换相时刻,来检测电机转子的位置。
在上述技术方案中,采用下桥反并联续流二极管法,与无刷直流电机连接的逆变器控制电路为三相全桥电压型逆变电路,其调制方式为H_PWM-L_ON,即上桥开关管T1、T3和T5工作于PWM调制,下桥开关管T4、T6和T2工作于直通模式;开关管T1、T2、T3、T4、T5和T6的工作模式为两两通电控制方式。本发明只需检测逆变器控制电路中的下桥开关管T4、T6和T2的三个下桥反并联二极管D4、D6和D2的工作状态,就可以确定电机转子位置。本发明的技术方案有以下有益效果:第一,较传统调制方式PWM_ON,本发明采用下桥反并联续流二极管法,其逆变器控制电路的调制方式H_PWM-L_ON更为简单可靠;第二,本发明只需检测T4、T6、T2的三个下桥反并联二极管D4、D6和D2的工作状态,检测信号少,控制简单灵活;第三,提高了检测效率和可靠性,大幅降低了检测成本,应用范围广。
附图说明
图1为本发明一种无刷直流电机转子位置检测技术中逆变器控制电路原理图;
图2为本发明一种无刷直流电机转子位置检测技术中逆变器控制电路的调制方式为H_PWM-L_ON的开关管驱动信号示意图;
图3为本发明一种无刷直流电机转子位置检测技术中上桥开关管T5为PWM模式、下桥开关管T6为直通方式时电流信号流向示意图;
图4为本发明一种无刷直流电机转子位置检测技术中上桥开关管T5关断、下桥开关管T6直通、二极管D2续流时电流信号流向示意图;
图5为本发明一种无刷直流电机转子位置检测技术的下桥反并联续流二极管法原理示意图;
图6为本发明一种无刷直流电机转子位置检测技术上桥开关管T3为PWM模式、下桥开关管T2为直通方式时电流信号流向示意图;
图7为本发明一种无刷直流电机转子位置检测技术上桥开关管T3关断、下桥开关管T2为直通、二极管D6续流时电流信号流向示意图;
图8为本发明一种无刷直流电机转子位置检测技术的无刷直流电机控制系统结构图;
图9为图8中无刷直流电机控制系统的转矩仿真波形图;
图10为图8中无刷直流电机控制系统的电流仿真波形图;
图11为图8中无刷直流电机控制系统的转速仿真波形图。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明中的技术方案进行清晰、完整地阐述,所述的实施例仅为本发明的一部分,基于本发明中的发明要点,本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他发明创造,都属于本发明保护的范围。
图1是本发明一种无刷直流电机转子位置检测技术中逆变器控制电路原理图,图2为逆变器控制电路的调制方式为H_PWM-L_ON的开关管驱动信号示意图。如图1、图2可见,本实施例的无刷直流电机转子位置检测技术,包括与逆变器控制电路连接的无刷直流电机和电机转子位置检测方法;本实施例中,逆变器控制电路为三相全桥电压型逆变电路,包括IGBT功率开关管T1、T2、T3、T4、T5和T6以及续流二极管D1、D2、D3、D4、D5和D6,续流二极管D1、D2、D3、D4、D5和D6分别与开关管T1、T2、T3、T4、T5和T6反并联,开关管T1、T3和T5为上桥开关管,T4、T6和T2为下桥开关管,无刷直流电机的三相绕组a、b、c分别接在开关管T1与T4、T3与T6、T5与T2构成的三相桥路上。本实施例中,电机转子位置检测方法采用下桥反并联续流二极管法,三相全桥电压型逆变电路的调制方式为H_PWM-L_ON,即上桥开关管T1、T3和T5工作于PWM调制,下桥开关管T4、T6和T2工作于直通模式;IGBT功率开关管T1、T2、T3、T4、T5和T6的工作模式为两两通电控制方式;在PWM调制模式的低电平时间即PWM关断期间,检测未导通相下桥反并联二极管D4、D6和D2的工作状态,来判断上桥开关管T1、T3和T5和下桥开关管T4、T6和T2是否导通,若下桥反并联二极管D4、D6和D2不导通,则在该时刻延时300电角度,就是该相上桥开关管T1、T3和T5的导通时刻;若下桥反并联二极管D4、D6和D2导通,则在该时刻延时300电角度,就是该相下桥开关管T4、T6和T2的导通时刻;通过检测下桥反并联二极管D4、D6和D2的工作状态来确定换相时刻,来检测电机转子的位置。
在图1中,当上桥开关管T1和下桥开关管T6通电时,上桥开关管T1工作于PWM模式,下桥开关管T6处于直通模式,在上桥开关管T1处于PWM关断期间时,检测下桥开关管T2的反并联二极管D2的工作状态,当D2导通时,就会有无刷直流电机c相的相反电势穿过零点,此时刻延后300电角度就是换相时刻,即关断下桥开关管T6,开通下桥开关管T2。
图1中,当上桥开关管T1和下桥开关管T2通电时,T1工作于PWM模式,T2处于直通模式,在T1处于PWM关断期间时,检测下桥开关管T6的反并联二极管D6的工作状态,当D6不导通时,就会有无刷直流电机b相的相反电势穿过零点,此时刻延后300电角度就是换相时刻,即关断开关管T1,开通开关管T3。
图1中,当下桥开关管T2和上桥开关管T3通电时,开关管T3工作于PWM模式,T2处于直通模式,直通模式也就是处于直接导通模式;在上桥开关管T3处于PWM关断期间时,检测下桥开关管T4的反并联二极管D4的工作状态,当D4导通时,就会有无刷直流电机a相的相反电势穿过过零点,此时刻延后300电角度就是换相时刻,即关断开关管T2,开通开关管T4。
图1中,当上桥开关管T3和下桥开关管T4通电时,开关管T3工作于PWM模式,T4处于直通模式,在上桥开关管T3处于PWM关断期间时,检测下桥开关管T2的反并联二极管D2的工作状态,当D2不导通时,就会有无刷直流电机c相的相反电势穿过过零点,此时刻延后300电角度就是换相时刻,即关断上桥开关管T3,开通上桥开关管T5。
图1中,当下桥开关管T4和上桥开关管T5通电时,开关管T5工作于PWM模式,T4处于直通模式,在上桥开关管T5处于PWM关断期间时,检测下桥开关管T6的反并联二极管D6的工作状态,当D6导通时,就会有无刷直流电机b相的相反电势穿过过零点,此时刻延后300电角度就是换相时刻,即关断开关管T4,开通开关管T6。
图1中,当上桥开关管T5和下桥开关管T6通电时,开关管T5工作于PWM模式,T6处于直通模式,在上桥开关管T5处于PWM关断期间时,检测下桥开关管T4的反并联二极管D4的工作状态,当D4不导通时,就会有无刷直流电机a相的相反电势穿过零点,此时刻延后300电角度就是换相时刻,即关断开关管T5,开通开关管T1。
下面首先对判断上桥开关管开通时刻进行理论分析。当有效的驱动信号加在上桥开关管T5和下桥开关管T6上时,上桥开关管T5处于PWM模式、下桥开关管T6处于直通方式,当开关管T5处于导通状态时,如图3可见,电流从上桥开关管T5流向无刷直流电机的c相,开关管T6直通。当T5处于关断状态时,如图4可见,电流从下桥开关管T2流向无刷直流电机的c相,开关管T6直通。
当上桥开关管T5关断、下桥开关管T2的反并联二极管D2续流、下桥开关管T6导通时,电压方程可以描述为:
而此时是小于0的因此在穿过零点前只要上桥开关管T5在PWM关断期间,下桥开关管T4的反并联二极管D4就导通;当穿过零点后,开关管T5在PWM关断期间,反并联二极管D4就不会导通。以上各式中,ea、eb、ec表示abc三相绕组反电动势,ia、ib、ic表示三绕组电流,VT、VD、Vn分别表示开关管两端电压、反并联二极管两端电压、电机中性点电压。
综上可以得出,当上桥开关管T5和下桥开关管T6通电时,开关管T5工作于PWM模式,T6处于直通模式,在开关管T5处于PWM关断期间时,检测下桥开关管T4的反并联二极管D4的工作状态,当D4不导通时,就会有a相的相反电势穿过零点,此时刻延后300电角度就是换相时刻,即关断T5,开通T1。当开通开关管T1后,逆变器控制电路又回到了开关管T1和T6通电状态,实现这六种通电方式的循环工作状态。如图5所示的本发明的下桥反并联续流二极管法原理示意图。
同理有当上桥开关管T3和下桥开关管T4通电时,开关管T3工作于PWM模式,T4处于直通模式,在上桥开关管T3处于PWM关断期间时,检测下桥开关管T2的反并联二极管D2的工作状态,当D2不导通时,就会有无刷直流电机c相的相反电势穿过零点,此时刻延后300电角度就是换相时刻,即关断开关管T3,开通开关管T5。当上桥开关管T1和下桥开关管T2通电时,上桥开关管T1工作于PWM模式,下桥开关管T2处于直通模式,在开关管T1处于PWM关断期间时,检测下桥开关管T6的反并联二极管D6的工作状态,当D6不导通时,就会有无刷直流电机b相的相反电势穿过零点,此时刻延后300电角度就是换相时刻,即关断开关管T1,开通开关管T3。
其次对判断下桥开关管开通时刻进行理论分析。当有效的驱动信号加在开关管T2、T3上时,T3工作于PWM模式,T2处于直通模式,如图6可见,当开关管T3处于导通状态时,电流从上桥开关管T3流向无刷直流电机的b相,开关管T2直通。当T3处于关断状态时,如图7可见,电流从下桥开关管T6流向无刷直流电机的b相,开关管T2直通。
当上桥开关管T3关断、下桥开关管T6的反并联二极管D6续流、下桥开关管T2导通时,电压方程可以描述为:
以上各式中,ea、eb、ec表示abc三相绕组反电动势,ia、ib、ic表示三绕组电流,VT、VD、Vn分别表示开关管两端电压、反并联二极管两端电压、电机中性点电压。
综上可以得出,当下桥开关管T2和上桥开关管T3通电时,开关管T3工作于PWM模式,T2处于直通模式,在T3处于PWM关断期间时,检测下桥开关管T4的反并联二极管D4的工作状态,当D4导通时,就会有无刷直流电机a相的相反电势穿过零点,此时刻延后300电角度就是换相时刻,即关断开关管T2,开通开关管T4。如图5所示的本发明的下桥反并联续流二极管法原理示意图。
同理有,当下桥开关管T4和上桥开关管T5通电时,上桥开关管T5工作于PWM模式,下桥开关管T4处于直通模式,在T5处于PWM关断期间时,检测下桥开关管T6的反并联二极管D6的状态,当D6导通时,就会有无刷直流电机b相的相反电势穿过零点,此时刻延后300电角度就是换相时刻,即关断开关管T4,开通开关管T6。当上桥开关管T1和下桥开关管T6通电时,上桥开关管T1工作于PWM模式,下桥开关管T6处于直通模式,在上桥开关管T1处于PWM关断期间时,检测下桥开关管T2的反并联二极管D2的工作状态,当D2导通时,就会有无刷直流电机c相的相反电势穿过零点,此时刻延后300电角度就是换相时刻,即关断开关管T6,开通开关管T2。
本发明以一台4极15kw无刷直流电动机为例进行了仿真验证。如图8所示,在PSIM软件环境下搭建无刷直流电机控制系统,主要包括逆变器模块、无刷直流电机、霍尔模块、检测模块、控制模块。利用霍尔信号进行无刷直流电机的启动,当启动完成后切换到续流二极管法转子位置检测模式下。系统仿真得到仿真波形图如图9、图10、图11所示,图9、图10、图11分别表示图8的无刷直流电机控制系统仿真状态下的转矩、电流、转速波形图,在0-0.5s内为霍尔信号启动,0.5秒切换到新型续流二极管检测状态。
由于传统的无刷直流电机续流二极管法检测转子位置,运用PWM_ON逆变器调制方式,需要检测开关管T1、T2、T3、T4、T5、T6六个反并联二极管的状态,检测信号之多,控制复杂,成本高。本实施例采用一种下桥反并联续流二极管法,运用H_PWM-L_ON逆变器控制电路调制方式,即上桥开关管T1、T3和T5工作于PWM调制,下桥开关管T4、T6和T2工作于直通模式;开关管T1、T2、T3、T4、T5和T6的工作模式为两两通电控制方式。只需要检测T4、T6、T2三个反并联二级管的状态,检测信号少,控制更简单灵活,成本低,应用范围广。
以上所述,仅是本发明的实施例,并非对本发明作任何限制,凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效方法的变化,均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (1)

1.一种无刷直流电机转子位置检测技术,包括与逆变器控制电路连接的无刷直流电机和电机转子位置检测方法;
所述逆变器控制电路是三相全桥电压型逆变电路,包括IGBT功率开关管T1、T2、T3、T4、T5和T6以及续流二极管D1、D2、D3、D4、D5和D6;所述续流二极管D1、D2、D3、D4、D5和D6分别与IGBT功率开关管T1、T2、T3、T4、T5和T6反并联,开关管T1、T3和T5为上桥开关管,T4、T6和T2为下桥开关管,所述无刷直流电机的三相绕组a、b、c分别接在开关管T1与T4、T3与T6、T5与T2构成的三相桥路上;其特征在于:
所述电机转子位置检测方法是:采用下桥反并联续流二极管法,三相全桥电压型逆变电路的调制方式为H_PWM-L_ON,即上桥开关管T1、T3和T5工作于PWM调制,下桥开关管T4、T6和T2工作于直通模式;开关管T1、T2、T3、T4、T5和T6的工作模式为两两通电控制方式;在PWM调制模式的低电平时间即PWM_OFF状态,检测未导通相下桥反并联二极管D4、D6和D2的工作状态,来判断上桥开关管T1、T3和T5和下桥开关管T4、T6和T2是否导通,若下桥反并联二极管D4、D6和D2不导通,则在该时刻延时300电角度,就是该相上桥开关管T1、T3和T5的导通时刻;若下桥反并联二极管D4、D6和D2导通,则在该时刻延时300电角度,就是该相下桥开关管T4、T6和T2的导通时刻;通过检测下桥反并联二极管D4、D6和D2的工作状态来确定换相时刻,来检测电机转子的位置。
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