CN107896054A - 一种eps无刷电机pwm波死区补偿装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电机控制技术领域，公开了一种EPS无刷电机PWM波死区补偿装置，包括死区逻辑运算模块以及依次连接的SVPWM模块、带死区功能的三相逆变PWM波输出模块、预驱模块、三相逆变模块，死区逻辑运算模块与PWM模块连接，SVPWM模块的输入端输入目标电压，三相逆变模块外接无刷电机；还包括用于判断无刷电机相电流极性的电压比较模块、死区补偿运算模块；电压比较模块的输入端与三相逆变模块连接，其输出端连接死区补偿运算模块，通过死区补偿运算模块计算出电压补偿值，死区补偿运算模块的输出端与SVPWM模块的输入端连接，将电压补偿值叠加到目标电压。本装置补偿精度高，有效抑制电流波形畸变，提高电机控制动静态性能。
Description
技术领域
本发明涉及电动助力转向器技术领域，更具体地，涉及一种EPS无刷电机PWM波死区补偿装置。
背景技术
相较于其他电机控制，EPS无刷电机对电机控制的动静态性能有更高的要求。目前常用的控制技术是空间矢量脉宽调制技术（SVPWM），它具备容易实现数字控制、输出电路波形好的优点。但是在采用SVPWM的三相逆变器中，为确保同一桥臂上下两功率开关管不致发生直通故障，需要加入死区时间，如图1所示。而死区时间的加入导致死区效应，如图2所示，iAbcFbck.A、iAbcFbck.B、iAbcFbck.C分别为加入死区时间后输出的电机三相电流波形图。从图中可看出，死区时间带来的死区效应，例如e处为输出电流波峰削平，d处为零电流钳位等。死区效应降低了电机的动静态性能，使输出电流波形畸变。
现有技术的死区补偿方法大多数是在特定场合下的补偿应用，或者补偿方法不够准确，或者补偿方法过于繁琐，需要很大的计算量负担，或者需要附加高成本电流传感器。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种能有效避免死区时间带来的输出电流波形畸变的EPS无刷电机PWM波死区补偿装置。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
提供一种EPS无刷电机PWM波死区补偿装置，包括死区逻辑运算模块以及依次连接的SVPWM模块、带死区功能的三相逆变PWM波输出模块、预驱模块、三相逆变模块，死区逻辑运算模块与PWM模块连接，SVPWM模块的输入端输入目标电压，三相逆变模块外接无刷电机；
还包括用于判断无刷电机相电流极性的电压比较模块、死区补偿运算模块；所述电压比较模块的输入端与三相逆变模块连接，通过采集无刷电机三相相电压以及母线电压并进行比较以判断出电流极性，其输出端连接死区补偿运算模块，通过死区补偿运算模块计算出电压补偿值，死区补偿运算模块的输出端与SVPWM模块的输入端连接，将电压补偿值叠加到目标电压。
本发明通过SVPWM模块进行SVPWM控制算法得到无刷电机ABC三相PWM波占空比，同时，死区逻辑运算模块根据设定的死区时间进行死区逻辑运算，最终得到加入死区时间控制后的新的电机ABC三相PWM波占空比；然后通过带死区功能的三相逆变PWM波输出模块输出PWM信号给预驱模块，预驱模块进行功率放大输出到三相逆变模块控制无刷电机；电压比较模块采集无刷电机ABC三相相电压和二分之一电机母线电压Vmotor进行比较，判断电机相电流的极性；根据相电流极性，通过死区补偿运算模块进行死区补偿运算，得到一个电压补偿值叠加到目标电压上，最终形成一个闭环反馈，实现死区补偿。闭环补偿，补偿精度高。
进一步地，所述预驱模块采用电荷泵升压电路。
进一步地，所述电荷泵升压电路采用预驱芯片TPD7210F。预驱芯片TPD7210F为三相全桥功率场效应管驱动器，内置电荷泵。
进一步地，所述三相逆变模块包括三对场效应管，分别驱动无刷电机的三相；每个场效应管的G极通过TVS管与自身的S极连接，TVS管并联有电阻；每个场效应管的D极和S极之间设有RC缓冲电路；每对场效应管中，均包括高边场效应管和低边场效应管，高边场效应管的D极与电源正极连接，低边场效应管的S极与电源负极连接；高边场效应管S极与低边场效应管的D极连接。
进一步地，所述电压比较模块包括分别判断三个电机相电流极性的三个电压比较器，每个电压比较器的两个输入端分别输入电机相电压信号与母线电压信号，三个电压比较器的输出端作为电压比较模块的输出端连接死区补偿运算模块。
进一步地，所述电压比较器为滞回比较器。滞回比较器具有滞回特性，即具有惯性，因此也就具有一定的抗干扰能力，能够抑制输出的频繁跳变和振荡。
进一步地，无刷电机母线上串联有两个电阻均分母线电压,取其中一个电阻的电压作为所述电压比较器的负向输入，所述电压比较器的正向输入端连接三相逆变模块中一对场效应管中高边场效应管和低边场效应管的公共点，并且通过电阻连接电压比较器自身的输出端。
进一步地，所述电压比较器采用比较器芯片LM2901。比较器芯片LM2901为低功耗、低失调电压四较器。
进一步地，所述SVPWM模块、带死区功能的三相逆变PWM波输出模块、死区补偿运算模块以及死区逻辑运算模块采用将其集成于一体的MCU模块。涉及的运算模块采用MCU模块以节约体积和成本。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
克服了死区时间带来的死区效应的缺陷，采用死区补偿能改善电机输出电流波形，有效抑制电流波形畸变，提高电机控制动静态性能；本发明装置结构精简、补偿精度高。
附图说明
图1为PWM死区原理示意图。
图2为现有技术引入死区的电机相电流输出波形图。
图3为死区补偿原理示意图。
图4为死区补偿技术应用原理框图。
图5为死区补偿技术系统框图。
图6为预驱模块电路原理示意图。
图7为三相逆变器电路原理示意图。
图8为电压比较器电路原理示意图。
图9为本发明加入死区补偿后的电机相电流输出波形图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
本实施例提供一种EPS无刷电机PWM波死区补偿装置。
如图3、图4所示，提供一种EPS无刷电机PWM波死区补偿装置，包括死区逻辑运算模块以及依次连接的SVPWM模块、带死区功能的三相逆变PWM波输出模块、预驱模块、三相逆变模块，死区逻辑运算模块与PWM模块连接，SVPWM模块的输入端输入目标电压，三相逆变模块外接无刷电机；还包括用于判断无刷电机相电流极性的电压比较模块、死区补偿运算模块；电压比较模块的输入端与三相逆变模块连接，通过采集无刷电机三相相电压以及母线电压并进行比较以判断出电流极性，其输出端连接死区补偿运算模块，通过死区补偿运算模块计算出电压补偿值，死区补偿运算模块的输出端与SVPWM模块的输入端连接，将电压补偿值叠加到目标电压。
本实施例中采用集成了SVPWM模块、带死区功能的三相逆变PWM波的输出模块、死区补偿运算模块以及死区逻辑运算模块的MCU模块，从而大幅地简化电路结构设计。
如图3、图5所示，无刷电机母线上串联有两个电阻均分母线电压,取其中一个电阻的电压作为所述电压比较器的负向输入电压比较器的正向输入端连接三相逆变模块中同一桥臂场效应管中高边场效应管和低边场效应管的公共点，电压比较器的输出端连接MCU模块的专用的PWM_X相电流极性捕捉端口。
如图6所示，预驱模块采用电荷泵升压电路。
本实例中预驱芯片U300为TPD7210F芯片。TPD7210F芯片的引脚1接使能端；引脚2通过电阻R307接地，引脚3、引脚4、引脚5、引脚6、引脚7、引脚8分别连接MCU模块的端口PWM_A0、PWM_A1、PWM_A2、PWM_B0、PWM_B1、PWM_B2；引脚9、引脚11、引脚16、引脚18公共接地；引脚19、引脚17、引脚15分别通过电阻R322、电阻R323、电阻R324分别接三相逆变模块三个低边场效应管的G极；引脚22、引脚21、引脚20分别通过电阻R319、电阻R320、电阻R321分别连接三相逆变模块的三个高边场效应管的G极；引脚24通过电容C306接地；引脚13接电源12V，电源12V与二极管D300的阳极连接，二极管D300、二极管D301、二极管D302依次连接；引脚10通过电容C304与二极管D300的阴极连接，引脚12通过电容C305与二极管D301的阴极连接，引脚23与二极管D302的阴极连接；电容C315一端接电源12V,一端接地，电容C315并联设置有电容C302；电容C303一端接二极管D302的阴极,一端接地，电容C303并联设置有电容C301。其中，二极管D300、二极管D301、二极管D302为肖特基二极管，用于预驱电荷泵升压；电容C315、电容C302为陶瓷电容，用于12V电源的蓄能和滤波；电容C303为陶瓷电容，电容C301为电解电容，用于泵升电压24V的蓄能和滤波；R307为薄膜电阻，C306为陶瓷电容，共同作用形成RC震荡，决定电荷泵的开关频率；电阻R319、电阻R320、电阻R321、电阻R322、电阻R323、电阻R324为厚膜电阻，防止驱动电压过冲。
如图7所示，三相逆变模块包括三对场效应管，如场效应管Q700和场效应管Q703、场效应管Q701和场效应管Q704、场效应管Q702和场效应管Q705分别驱动无刷电机的三相；每个场效应管的G极通过TVS管与自身的S极连接，TVS管并联有电阻；每个场效应管的D极和S极之间设有RC缓冲电路；每对场效应管中，均包括高边场效应管和低边场效应管，高边场效应管的D极与电源正极连接，低边场效应管的S极与电源负极连接；高边场效应管S极与低边场效应管的D极连接。
场效应管Q700的G极通过TVS管D700与自身的S极连接,TVS管D700并联有电阻R704；D极和S极之间设有相互串联的电容705和电阻R714。场效应管Q703的G极通过TVS管D703与自身的S极连接，D极和S极之间设有相互串联的电容708和电阻R717。场效应管Q700的D极与电源正极连接，S极与场效应管Q703的D极连接；场效应管Q703的S极与电源负极连接。
场效应管Q701的G极通过TVS管D701与自身的S极连接,TVS管D701并联有电阻R705；D极和S极之间设有相互串联的电容706和电阻R715。场效应管Q704的G极通过TVS管D704与自身的S极连接，D极和S极之间设有相互串联的电容709和电阻R718。场效应管Q701的D极与电源正极连接，S极与场效应管Q704的D极连接；场效应管Q704的S极与电源负极连接。
场效应管Q702的G极通过TVS管D702与自身的S极连接,TVS管D702并联有电阻R706；D极和S极之间设有相互串联的电容707和电阻R716。场效应管Q705的G极通过TVS管D705与自身的S极连接，D极和S极之间设有相互串联的电容710和电阻R719。场效应管Q702的D极与电源正极连接，S极与场效应管Q705的D极连接；场效应管Q705的S极与电源负极连接。
本实例中采用的场效应管的型号为AUIRFS8407，最大电流可达240A。电容C700、电容C701为电解电容，用于电机母线供电和吸收纹波。TVS管D700、TVS管D701、TVS管D702、TVS管D703、TVS管D704、TVS管D705用于保护场效应管栅极，防止电压过高。电阻R701、电阻R702、电阻R703、电阻R707、电阻R708、电阻R709为薄膜电阻，防止驱动电压过冲。电容C705和电阻R714、电容C706和电阻R715、电容C707和电阻R716、电容C708和电阻R717、电容C709和电阻R718、电容C710和电阻R719构成RC缓冲电路，吸收电机三相上的噪声。
如图8所示，电压比较模块包括分别判断三个电机相电流极性的三个电压比较器：电压比较器U604A、电压比较器U604B、电压比较器U604C。无刷电机母线上串联电阻R630和电阻R631,均分母线电压,电压比较器U604A、电压比较器U604B、电压比较器U604C的负极输入端相连，并与电阻R630、电阻R31的公共连接点连接,电阻R631并联有电容C646。
三个电压比较器的正向输入端通过电阻分别连接三相逆变模块中三对场效应管中高边场效应管和低边场效应管的公共点，并且通过电阻连接电压比较器自身的输出端。如图所示，电压比较器U604A的正向输入端通过电阻R642接电机母线，通过电阻R648接地，通过电阻R632接三相逆变模块中场效应管Q700与场效应管Q703的公共连接点B，通过电阻635接电压比较器U604A的输出端，电压比较器U604A的输出端通过电阻R645连接电源5V。同理，电压比较器U604B的正向输入端通过电阻R643接电机母线，通过电阻R649接地，通过电阻R633接三相逆变模块中场效应管Q701与场效应管Q704的公共连接点A，通过电阻636接电压比较器U604B的输出端，电压比较器U604B的输出端通过电阻R646连接电源5V。电压比较器U604C的正向输入端通过电阻R644接电机母线，通过电阻R650接地，通过电阻R634接三相逆变模块中场效应管Q702与场效应管Q705的公共连接点C，通过电阻637接电压比较器U604C的输出端，电压比较器U604C的输出端通过电阻R647连接电源5V。
每个电压比较器的两个输入端分别输入电机相电压信号与母线电压信号，三个电压比较器的输出端作为电压比较模块的输出端连接死区补偿运算模块。
本实例中电压比较器采用比较器芯片为LM2901。电阻R630和电阻R631为薄膜电阻，均分Vmotor电压。电阻R643、电阻R633、电阻R649、电阻R636、电阻R646和电压比较器U604B构成A相的滞回比较器；同理，其余B、C两相也都构成滞回比较器，能有效削减电机相上的噪声造成的状态反馈信号的波动。
EPS无刷电机PWM波死区补偿工作原理如下：通过SVPWM控制算法计算目标电压PWM波占空比，根据PWM波占空比插入死区时间，PWM波输出给电机驱动模块的开关管驱动电机；通过死区时间和开关管开启时间、关闭时间计算电压瞬态损失值，将电压瞬态损失值作为补偿值补充到目标电压。
具体包括以下步骤：
S1.判断电机相电流流向。
根据电机相电压和电机母线电压的大小关系判断电流流向。当电机相电压大于二分之一电机母线电压，判断电流流向为负；否则，判断电流流向为正。
通过电压比较器比较电机相电压和二分之一电机母线电压的大小。
在整个电压输出过程中，均对目标电压进行补偿。
S2.计算电压补偿值大小。
补偿值a的计算公式为：
其中，Vin为目标电压，td为死区时间，toff为MOS关闭时间，ton为MOS开启时间，Vmotor为母线电压，T为MOS管导通时间，Vd为二极管导通压降，Vsat为MOS管导通压降。
S3.根据电流流向对目标电压增加或减少电压补偿值。
当电流流向为正时，给目标电压增加一个补偿值；否则，给目标电压减少一个补偿值。
图9是加入死区补偿后的电机相电流输出波形，对比图2，加入死区补偿后，电流波形畸变消失，电机输出电流波形明显改善。
本实施例的EPS无刷电机PWM波死区补偿装置能改善电机输出电流波形，有效抑制电流波形畸变，提高电机控制动静态性能，且装置结构精简，补偿精度高。
附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种EPS无刷电机PWM波死区补偿装置，其特征在于，包括死区逻辑运算模块以及依次连接的SVPWM模块、带死区功能的三相逆变PWM波输出模块、预驱模块、三相逆变模块，死区逻辑运算模块与PWM模块连接，SVPWM模块的输入端输入目标电压，三相逆变模块外接无刷电机；
还包括用于判断无刷电机相电流极性的电压比较模块、死区补偿运算模块；所述电压比较模块的输入端与三相逆变模块连接，通过采集无刷电机三相相电压以及母线电压并进行比较以判断出电流极性，其输出端连接死区补偿运算模块，通过死区补偿运算模块计算出电压补偿值，死区补偿运算模块的输出端与SVPWM模块的输入端连接，将电压补偿值叠加到目标电压。
2.根据权利要求1所述的EPS无刷电机PWM波死区补偿装置，其特征在于，所述预驱模块采用电荷泵升压电路。
3.根据权利要求2所述的EPS无刷电机PWM波死区补偿装置，其特征在于，所述电荷泵升压电路采用预驱芯片TPD7210F。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的EPS无刷电机PWM波死区补偿装置，其特征在于，所述三相逆变模块包括三对场效应管，分别驱动无刷电机的三相；每个场效应管的G极通过TVS管与自身的S极连接，TVS管并联有电阻；每个场效应管的D极和S极之间设有RC缓冲电路；每对场效应管中，均包括高边场效应管和低边场效应管，高边场效应管的D极与电源正极连接，低边场效应管的S极与电源负极连接；高边场效应管S极与低边场效应管的D极连接。
5.根据权利要求1至3任意一项所述的EPS无刷电机PWM波死区补偿装置，其特征在于，所述电压比较模块包括分别判断三个电机相电流极性的三个电压比较器，每个电压比较器的两个输入端分别输入电机相电压信号与母线电压信号，三个电压比较器的输出端作为电压比较模块的输出端连接死区补偿运算模块。
6.根据权利要求4所述的EPS无刷电机PWM波死区补偿装置，其特征在于，所述电压比较模块包括分别判断三个电机相电流极性的三个电压比较器，每个电压比较器的两个输入端分别输入电机相电压信号与母线电压信号，三个电压比较器的输出端作为电压比较模块的输出端连接死区补偿运算模块。
7.根据权利要求6所述的EPS无刷电机PWM波死区补偿装置，其特征在于，所述电压比较器为滞回比较器。
8.根据权利要求6或7所述的EPS无刷电机PWM波死区补偿装置，其特征在于，无刷电机母线上串联有两个电阻均分母线电压,取其中一个电阻的电压作为所述电压比较器的负向输入，所述电压比较器的正向输入端连接三相逆变模块中一对场效应管中高边场效应管和低边场效应管的公共点，并且通过电阻连接电压比较器自身的输出端。
9.根据权利要求8所述的EPS无刷电机PWM波死区补偿装置，其特征在于，所述电压比较器采用比较器芯片LM2901。
10.根据权利要求1或2或3或6或7所述的EPS无刷电机PWM波死区补偿装置，其特征在于，所述SVPWM模块、带死区功能的三相逆变PWM波输出模块、死区补偿运算模块以及死区逻辑运算模块采用将其集成于一体的MCU模块。
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