CN106877753B - 一种无刷直流电机单电流传感器同步整流控制系统 - Google Patents

一种无刷直流电机单电流传感器同步整流控制系统 Download PDF

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Abstract

一种无刷直流电机单电流传感器同步整流控制系统涉及电机控制技术领域。本发明使用一个放置在母线电容与储能元件之间的正母线或负母线上的电流传感器检测母线电流，根据母线电流重构获得相电流，进而实现无刷直流电机电动和制动运行下的相电流单闭环同步整流控制或相电流内环和母线电流外环构成的双闭环同步整流控制。本发明好处在于：同步整流控制利用MOSFET反向导通来取代二极管可提高系统效率；电流闭环控制可提高转矩控制能力；仅需要一个电流传感器，可降低成本；电流重构完全由软件实现，方便应用。

Description

一种无刷直流电机单电流传感器同步整流控制系统
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，具体地说，涉及一种应用单电流传感器的无刷直流电机同步整流控制系统。
背景技术
低压大电流是电动车辆无刷直流电机控制器的典型特征，普通二极管正向导通压降大、续流损耗尤为突出，无法满足低压大电流下的高效率要求，而MOSFET因导通电阻低、开关时间短等特点，已成为低压大电流功率控制器首选的器件，同步整流控制即利用这一特点通过MOSFET反向导通来取代二极管作为回路，从而提高系统效率。
电动车辆在起动、加速以及制动的过程中需要电机驱动系统提供要求的驱动转矩和制动转矩，所以必须对转矩进行闭环控制，即需对无刷直流电机的相电流进行闭环控制。传统的方法是直接通过电流传感器检测相电流，有时还需要检测母线电流，这样构成的系统需要多个传感器，成本较高，同时也增大了驱动装置的体积。如：文献“无刷直流电机双闭环控制系统的设计”(电源学报，2014/02)通过三个电流传感器直接检测无刷直流电机三相电流实现转速、相电流的双闭环控制系统；文献“分段式滑模变结构无刷直流电机直接转矩控制”(仪器仪表学报，2013/11)通过两个电流传感器检测无刷直流电机两相电流，根据已检测的两相电流推导第三相电流，从而完成相电流闭环控制，即便电流传感器数量已减小，但与单电流传感器相比还是成本较高。也有采用单电流传感器进行无刷直流电机相电流的检测，如文献“无刷直流电机换相力矩波动抑制”(电机与控制学报，2008/03)通过改变传统的三相功率桥拓扑结构实现，但增加了控制器硬件的复杂程度，也提高了系统成本。
发明内容
本发明在无刷直流电机传统三相功率桥拓扑结构基础上，通过母线电容与储能元件之间的一个电流传感器检测母线电流，并根据该母线电流重构获得相电流，从而实现电动和制动运行下的相电流单闭环或相电流与母线电流的双闭环同步整流控制，可降低电机控制器成本及功耗并提高转矩控制能力。
本发明所采用的技术方案：
无刷直流电机单电流传感器同步整流控制系统，包括：控制器，储能元件，电流传感器，母线电容，三相功率桥，无刷直流电机；其中控制器包含母线电流调节器，相电流重构单元，相电流调节器，PWM调制器；
无刷直流电机的三相绕组与三相功率桥的三个半桥臂相连；三相功率桥与母线电容和储能元件的正负母线并联在一起；电流传感器放置在母线电容与储能元件之间的正母线或负母线上用于检测母线电流；母线电流输入给控制器中的相电流重构单元和母线电流调节器；母线电流给定量输入到母线电流调节器，母线电流调节器输出信号到相电流调节器；相电流给定量输入到相电流调节器，相电流重构单元输出信号到相电流调节器；无刷直流电机的转子位置信号和相电流调节器的输出信号输入给PWM调制器，PWM调制器输出PWM信号给三相功率桥。
所述控制系统适用于无刷直流电机同步整流控制下的电动运行和制动运行，具有两种闭环控制方式：一种是相电流单闭环控制，相电流调节器的输入为相电流给定量与相电流重构单元输出信号的偏差；另一种是相电流内环和母线电流外环构成的双闭环控制，母线电流调节器的输入为母线电流给定量与母线电流的偏差，相电流调节器的输入为母线电流调节器的输出信号与相电流重构单元输出信号的偏差。
根据转子位置信号决定换相时刻，无刷直流电机每次只有两相导通，其中一相为正向导通，另一相为反向导通，形成一个回路，采用如下两种同步整流控制方法；
同步整流控制方法1：控制无刷直流电机正向导通相绕组连接的三相功率桥桥臂上下开关管互补PWM斩波，负向导通相绕组连接的三相功率桥桥臂下开关管保持恒导通；
同步整流控制方法2：控制无刷直流电机正向和负向导通相绕组分别连接的三相功率桥桥臂上下开关管互补PWM斩波，并且正向导通相绕组连接的桥臂上开关管与负向导通相绕组连接的桥臂下开关管为相同PWM斩波；
采用同步整流控制方法1时，母线电流Is和相电流Iph存在关系：D×Iph＝Is，其中D为开关管PWM占空比；
采用同步整流控制方法2时，母线电流Is和相电流Iph存在关系：(2D-1)×Iph＝Is，其中D为开关管PWM占空比；
所述控制系统中相电流重构单元使用的是一个PWM周期内电流的平均值形式，为获得母线电流在一个PWM周期内的平均值，采取如下的采样方式：在正向导通相绕组连接的三相功率桥桥臂上开关管一个PWM周期中导通时间的一半处采样母线电流Is。
本发明的好处在于：同步整流能降低续流器件上的功率损耗，提高系统效率；只使用一个电流传感器，成本较低；利用重构得到的相电流可实现无刷直流电机相电流单闭环控制，也可实现相电流内环和母线电流外环构成的双闭环控制，可提高转矩控制能力，并能有效控制储能元件的输入输出电流以延长其寿命。
附图说明
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
图1为无刷直流电机单电流传感器同步整流控制系统结构；
图2为无刷直流电机电动运行或制动运行时的同步整流控制方法1；
图3为无刷直流电机电动运行或制动运行时的同步整流控制方法2；
图4为无刷直流电机电动运行时采用同步整流控制方法2的电流回路；
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
如图1所示，无刷直流电机单电流传感器同步整流控制系统，包括：控制器1，储能元件2，电流传感器3，母线电容4，三相功率桥5，无刷直流电机6；其中控制器包含母线电流调节器1-1，相电流重构单元1-2，相电流调节器1-3，PWM调制器1-4；
无刷直流电机6的三相绕组与三相功率桥5的三个半桥臂相连；无刷直流电机6的三相绕组分别为A、B、C，其中A相绕组连接的三相功率桥5桥臂上下开关管分别为V1和V2，B相绕组连接的三相功率桥5桥臂上下开关管分别为V3和V4，C相绕组连接的三相功率桥5桥臂上下开关管分别为V5和V6；三相功率桥5与母线电容4和储能元件2的正负母线并联在一起；电流传感器3放置在母线电容4与储能元件2之间的正母线或负母线上用于检测母线电流Is；母线电流Is输入给控制器1中的相电流重构单元1-2和母线电流调节器1-1；母线电流给定量Is *输入到母线电流调节器1-1，母线电流调节器1-1输出信号Iph *到相电流调节器1-3；相电流给定量Iph *输入到相电流调节器1-3，相电流重构单元1-2输出信号Iph到相电流调节器1-3；无刷直流电机6的转子位置信号H1/H2/H3和相电流调节器1-3的输出信号输入给PWM调制器1-4，PWM调制器1-4输出PWM信号给三相功率桥5；
所述控制系统适用于无刷直流电机6同步整流控制下的电动运行和制动运行，具有两种闭环控制方式：一是相电流单闭环控制，相电流调节器1-3的输入为相电流给定量Iph *与相电流重构单元1-2输出信号Iph的偏差；二是相电流内环和母线电流外环构成的双闭环控制，母线电流调节器1-1的输入为母线电流给定量Is *与母线电流Is的偏差，相电流调节器1-3的输入为母线电流调节器1-1的输出信号Iph *与相电流重构单元1-2输出信号Iph的偏差；
在电动运行或制动运行下，无刷直流电机6根据转子位置信号H1/H2/H3给出控制系统的换相时刻，电机每次只有两相导通，其中一相为正向导通，另一相为反向导通，形成一个回路，采用同步整流控制方法1或同步整流控制方法2进行控制，如图2、3所示，假设无刷直流电机6两相导通状态为A+B-；
同步整流控制方法1：控制电机A相绕组连接的三相功率桥5桥臂上下开关管V1和V2互补PWM斩波，电机B相绕组连接的三相功率桥5桥臂下开关管V4保持恒导通；
同步整流控制方法2：控制电机A相和B相绕组分别连接的三相功率桥5桥臂上下开关管V1和V2、V3和V4互补PWM斩波，并且电机A相绕组连接的桥臂上开关管V1与电机B相绕组连接的桥臂下开关管V4为相同PWM斩波；
在电动运行或制动运行下，采用同步整流控制方法1时，母线电流Is和相电流Iph存在关系：D×Iph＝Is，其中D为开关管V1的PWM占空比；
在电动运行或制动运行下，采用同步整流控制方法2时，母线电流Is和相电流Iph存在关系：(2D-1)×Iph＝Is，其中D为开关管V1的PWM占空比；
所述控制系统中相电流重构单元1-2使用的是一个PWM周期内电流的平均值形式，为获得母线电流Is在一个PWM周期内的平均值，采取如下的采样方式：无刷直流电机6在正向导通相绕组连接的三相功率桥5桥臂上开关管一个PWM周期中导通时间的一半处采样母线电流Is。
下面以无刷直流电机6采用同步整流控制方法2电动运行为例说明相电流Iph重构原理。
如图4所示，假设两相导通状态为A+B-，在开关管V1导通阶段，V1和V4导通，通过图中电流回路电枢绕组电感储能，母线电容C处于放电状态，在此期间通过电容的电流Ic(t)可用相电流Iph(t)和母线电流Is(t)之差来表示：
Ic(t)＝Iph(t)-Is(t)
在开关管V1关断阶段，V2和V3导通，电感由图中回路经V2和V3释放能量，母线电容C处于充电状态，在此期间负向通过电容的电流Icf(t)可用相电流Iphf(t)和母线电流Isf(t)之和来表示：
-Icf(t)＝Iphf(t)+Isf(t)
由于PWM频率较高，电机为感性负载，相电流Iph不能突变，可用一个PWM周期内相电流的平均值〈Iph(t)〉来代替该周期内的相电流瞬时值，即开关管V1导通时的相电流Iph(t)、开关管V1关断时的相电流Iphf(t)、一个PWM周期内相电流的平均值〈Iph(t)〉存在下述关系：
Iph(t)≈Iphf(t)≈<Iph(t)>
电流传感器直接检测母线电流Is，由于线路寄生电感的存在，母线电流Is不能突变，用一个PWM周期内母线电流平均值〈Is(t)〉代替该周期内相电流瞬时值，即开关管V1导通时的母线电流Is(t)、开关管V1关断时的母线电流Isf(t)、一个PWM周期内母线电流的平均值〈Is(t)〉存在下述关系：
Is(t)≈Isf(t)≈<Is(t)>
由上述各表达式及电容安秒特性可得一个PWM周期内母线电流Is(t)和相电流平均值〈Iph(t)〉之间关系为：
(2D-1)×<Iph(t)>＝<Is(t)>
其中，D为开关管V1的PWM占空比。

Claims (3)

1.一种无刷直流电机单电流传感器同步整流控制系统，其特征在于包括：控制器(1)，储能元件(2)，电流传感器(3)，母线电容(4)，三相功率桥(5)，无刷直流电机(6)；其中控制器(1)包含母线电流调节器(1-1)，相电流重构单元(1-2)，相电流调节器(1-3)，PWM调制器(1-4)；
无刷直流电机(6)的三相绕组与三相功率桥(5)的三个半桥臂相连；三相功率桥(5)与母线电容(4)、储能元件(2)并联；母线电容(4)和储能元件(2)的正负母线串联在一起；电流传感器(3)放置在母线电容(4)与储能元件(2)之间的正母线或负母线上用于检测母线电流Is；母线电流Is输入给控制器(1)中的相电流重构单元(1-2)以获得相电流Iph；无刷直流电机(6)的转子位置信号和相电流调节器(1-3)的输出信号输入给PWM调制器(1-4)，PWM调制器(1-4)输出PWM信号给三相功率桥(5)；
所述控制系统具有两种闭环控制方式：一是相电流单闭环控制，相电流调节器(1-3)的输入为相电流给定量Iph *与相电流重构单元(1-2)输出信号Iph的偏差；二是相电流内环和母线电流外环构成的双闭环控制，母线电流调节器(1-1)的输入为母线电流给定量Is *与母线电流Is的偏差，相电流调节器(1-3)的输入为母线电流调节器(1-1)的输出信号Iph *与相电流重构单元(1-2)输出信号Iph的偏差；
所述同步整流有两种方式：方式一为无刷直流电机(6)正向和负向导通相绕组分别连接的三相功率桥(5)桥臂上下开关管互补PWM斩波，并且正向导通相绕组连接的桥臂上开关管与负向导通相绕组连接的桥臂下开关管为相同PWM斩波；方式二为无刷直流电机(6)正向导通相绕组连接的三相功率桥(5)桥臂上下开关管互补PWM斩波，负向导通相绕组连接的三相功率桥(5)桥臂下开关管保持恒导通；
所述相电流Iph和母线电流Is关系与同步整流方式有关，相电流Iph重构方法为：在所述同步整流方式一时为(2D-1)×Iph＝Is，在所述同步整流方式二时为D×Iph＝Is，其中D为正向导通相绕组连接的三相功率桥(5)桥臂上开关管PWM占空比。
2.根据权利要求1中所述的控制系统，其特征在于：相电流重构单元(1-2)输入是母线电流Is在一个PWM周期内的平均值，在正向导通相绕组连接的三相功率桥(5)桥臂上开关管一个PWM周期中导通时间的一半处采样母线电流Is。
3.根据权利要求1中所述的控制系统，其特征在于：无刷直流电机(6)在同步整流控制下电动运行或制动运行。
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