CN108696206A - 一种改进的电机驱动装置及驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进的电机驱动装置及驱动方法，驱动装置包括：控制器和连接该控制器的占空比转换器、所述占空比转换器的输出连接三相全桥驱动电路；其中，所述控制器包括控制模块和三角波电流触发模块；所述控制模块输出的控制参数、所述电机运行的相电流信息、所述电机运行的工况对应的三角波信息输入到所述三角波电流触发模块；所述三角波电流触发模块的输出信息作为所述占空比转换器的输入信息；相电流是真实的电机三相中的电流，通过安装在电机相的电流传感器采集得到，工况三角波是虚拟的，是根据电机的运行情况由人工设定并输入的。本发明的方法能够降低三相全桥驱动电路的功耗，同时降低电机的能耗。

Description

一种改进的电机驱动装置及驱动方法

技术领域

本发明属于电机驱动技术，尤其涉及一种改进的电机驱动装置及驱动方法。

背景技术

电机驱动电路的优化和改进，主要体现在当电机启停、加/减速和稳定运行时，出现电磁干扰或负载发生突变等情况下，驱动电路还能保障电机快速稳定的输出力矩。早期采用RLC滤波器或共模变压器等元器件组成du/dt无源滤波器，过滤差模干扰，抑制共模干扰。设计带自动补偿锁相环的相位超前控制方法，补偿电机电感引起的绕组电流滞后问题。在电机驱动中使用软开关技术实现驱动换相平稳切换。

然后，转矩波动仍然是直流无刷电机面临的主要难题，这种波动源于机械上的齿槽转矩、电动势波形上的缺陷、电源中的电流波动(由于PWM触发波形或磁滞的结果)和换相电流波动，其中除换相时产生的反电动势和电流波动引起的转矩脉动外，由于转速带来的转矩波动可达到平均转矩的50％，并且转矩波动会降低控制性能，产生额外的机械振动和噪音，故转矩波动中的主要问题是解决换相转矩波动。抑制该类波动，在控制算法上可使用调节三相全桥触发波形的PWM占空比，电机电流控制，有限状态模型预计控制等多种控制算法。在电路硬件设计上可采用功率运算放大器提供高速瞬态电压源，在电机非换相阶段提供额外电源，换相时改变母线电压，基于DC-DC转换方式的电路拓扑结构进行换相调压控制等多种方法。

综上各种抑制转矩波动的设计，都确保在电机换相瞬间，可以提供稳定的电源，进而改善电流/电压的峰值，降低噪音干扰，减弱共振，实现电机效率的提高和保持输出转矩的稳定。在机器人关节驱动器实际设计中，期望驱动电路简单小巧，输出功率高，具有抗干扰能力，提高电机驱动效率。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明提供一种改进的电机驱动装置及驱动方法。

一方面，本发明提供一种改进的电机驱动装置，所述电机驱动装置包括：控制器和连接该控制器的占空比转换器、所述占空比转换器的输出连接三相全桥驱动电路；

其中，所述控制器包括控制模块和三角波电流触发模块；

所述控制模块输出的控制参数、所述电机运行的相电流信息、所述电机运行的工况对应的三角波信息输入到所述三角波电流触发模块；

所述三角波电流触发模块的输出信息作为所述占空比转换器的输入信息。

其中，相电流是真实的电机三相中的电流，通过安装在电机相的电流传感器采集得到。工况三角波是虚拟的，是根据电机的运行情况由人工预先设定并输入的。

可选地，所述三角波电流触发模块具体用于：

根据所述控制参数和所述相电流信息，获取参考电压值；

将所述参考电压值与所述三角波信息进行比较，获取输出信息；

其中，所述输出信息为方形波，所述参考电压值大于等于三角波时，输出为开1，参考电压值小于三角波是，输出为关闭0。

可选地，所述电机为应用于机器人关节的驱动电机。

可选地，所述电机的驱动装置还包括：

并联在三相全桥驱动电路输出端和电机的驱动母线侧的超级电容组。

可选地，所述超级电容组包括超级电容和分压电阻。

可选地，所述电机为直流无刷电机。

另一方面，本发明提供一种改进的电机驱动方法，包括：

接收控制器中控制模块输出的控制参数；

接收电机当前运行的相电流信息、所述电机运行的工况对应的三角波信息；

将所述控制参数和所述相电流信息运算，获得参考电压值；

将所述参考电压值与所述三角波信息进行比较，获得用于输入向占空比转换器的输出电压。

本发明具有的有益效果如下：

本实施例的驱动装置在原PWM波三相全桥触发电路的软件编程基础上，串联一个三角波电流触发模块，可以在具体应用中降低三相全桥驱动电路的功耗，同时降低电机的能耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为现有技术中直流无刷电机的三相全桥驱动电路的示意图；

图2为本发明实施例提供的部分驱动装置的示意图；

图3为三角波电流触发模块中的波形示意图；

图4、图5和图6分别为控制算法的实验对比示意图；

图7为实验的超级电容电路板的示意图；

图8为电机母线侧并联超级电容组和没有并联超级电容组的实验结果示意图；

图9为本发明实施例提供的超级电容组的结构示意图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

在以下的描述中，将描述本发明的多个不同的方面，然而，对于本领域内的普通技术人员而言，可以仅仅利用本发明的一些或者全部结构或者流程来实施本发明。为了解释的明确性而言，阐述了特定的数目、配置和顺序，但是很明显，在没有这些特定细节的情况下也可以实施本发明。在其它情况下，为了不混淆本发明，对于一些众所周知的特征将不再进行详细阐述。

如图1所示，图1示出了直流无刷电机常见的三相全桥驱动电路的示意图，根据测量电机中转子的位置对应触发六个金属氧化物半导体场效应晶体管(简称MOS管)，给电机三相通电，从而形成电磁场，使电机转子在磁场中发生旋转。常用的触发方式如Q2和Q6导通，Q5反向(防止同一组桥导通)。该方法耗电高，换向脉冲大。

为减少图1中的耗电问题，本实施例中可不改变原直流无刷电机的驱动装置的接触上，设置一种新的电机驱动的方法，其等效示意图，如图2所示，增加一个三角波电流触发模块。

本实施例中是在现有技术的三相全桥驱动电路的软件编程基础上，在控制器内部设置一个串联的三角波电流触发模块。

在具体应用中，三角波电流触发模块需加入实际电机相电流的检测输入和工况选择开关，将原算法上的控制输出与测量的相电流值进行运算，生成参考电压值，然后根据设定的工况情景选择对比的三角波波形(峰值和频率)，参考电压值与三角波进行比较，当参考电压值大于三角波时，输出打开(为1)，值为参考电压值对应的占空比值；当参考电压值小于三角波时，输出关闭(为0)，和输出波形如图3所示。

上述方法需参考实际电机的相电流，可降低三相全桥电路功耗，同时可根据不同的工作情况进行三角波频率与幅值的改变，存在多模式触发方法。

在实际应用时，三角波中每个周期的t*和U*都可以根据电机工作或高级控制算法进行实时变化调整。同理举例三角波，是由于三角波是控制器软件算法最容易生成，最具代表性的，但还可以使用正弦波的绝对值等变化波形，或各种类似三角波有起伏变化的波形曲线，本实施例不对其进行限定。

下面给出控制方法的说明：不管电机使用什么控制算法，最终都会得到电机期望的控制力(该控制力即为期望的电机输出力矩)，下面的驱动算法是解释如何根据控制力得到三相全桥的MOS管触发的占空比。

本实验对比相同占空比情况下，两种方法的不同之处，因此在选用50MHz的外部晶振时，基础时钟周期是0.02μs，当占空比分母取2000时，PWM波的周期为0.02*2000＝40μs，固工况选择三角波的t*＝40μs，波峰值U*＝24V。

A、现有技术中一般的控制方法

需要得到电机期望的控制力τ_m，通过比例运算其中τ_max是电机驱动时能承受的最大力矩，2000是占空比的分母系数，n_pwm是输出的MOS管(三相全桥驱动电路的MOS管)触发的占空比，然后打开MOS管，MOS管的触发占空比值为n_pwm。举例，当时，n_pwm＝1000，即50％的占空比，如果驱动母线(电机侧的驱动母线)电压为24V，那么此时加载在电机相的电压为12V。占空比改变的是电机相电压的平均值大小。

B、三角波电流触发模块的控制方法

得到电机期望的控制力τ_m，除以电机的扭矩常数，转化为电机期望的控制电流值I_d，该电流值I_d与实际检测的相电流I_a相减，得到ΔI，ΔI乘以虚拟电阻值，转换为U_d，通过比例运算U^*是三角波的峰值电压，是输出的MOS管触发的占空比，但此时还需要通过三角波来确定是否让MOS管打开，U_d与三角波进行比较，只有当U_d值大于三角波的值时，MOS管才打开，占空比值为三角波的波形设定是根据不同工作情况决定其频率和幅值。

比较总结上述方法A和B，式(1)是普通方式，式(2)和式(3)是本实施例中设计优化方式。

其中，τ_m为电机期望的控制力，τ_max是电机驱动时能承受的最大力矩，N_pwm是占空比的分母系数，n_pwm是输出的MOS管触发的占空比分子值，设定后MOS管进行开断。

其中，C_t为电机的扭矩常数，I_a为实际检测的相电流，为虚拟电阻值(该值可根据实际估算或其他算法得到)，U_d为参考电压值。

其中，U^*是三角波的峰值电压，是输出的MOS管打开时间，T_time是电路中的基础时钟周期，N_pwmT_time是一个PWM波的周期。

通过式(2)和式(3)，将原τ_m根据三角波电流触发模块算法生成新的值，但此时还需要通过参考电压值U_d与工况三角波进行比较，判断MOS管的开断情况，当U_d大于三角波的值时，MOS管打开(为’1’)，打开时间为当U_d小于三角波的值时，MOS管关断(为’0’)。

C、实验对比说明

两种控制算法均在电机空载工况下，三相全桥的PWM波触发周期均为40us，用示波器测量5％、10％和15％占空比情况下，两种算法生成的PWM的波形。图4中的(a)和(c)图为触发波形，(b)和(d)图为三相全桥中MOS管3脚(该引脚接电机三相中的一相)的输出波形。其中，图4(a)为控制器生成的触发波形(普通触发)，图4(c)为控制器生成的触发波形(串联三角波电流触发模块)，图4(b)为MOS管3脚波形(普通触发)，图4(d)为MOS管3脚波形(串联三角波电流触发模块)。

图4为5％的占空比，在未加入三角波电流触发模块，标注①可以看到存在反向电压，电机相的反向电压为-3.2V，加入三角波电流触发模块后，在关断时不存在反向电压。

图5为10％的占空比，在未加入三角波电流触发模块，标注①可以看到存在反向电压，电机相的反向电压为-3.2V，加入三角波电流触发模块后，在关断时不存在反向电压。

图6为15％的占空比，在未加入三角波电流触发模块，标注①可以看到存在反向电压，电机相的反向电压为-2.8V，加入三角波电流触发模块后，在关断时不存在反向电压，输出波形平稳。图5和图6中的(a)至(d)分别对应图4中(a)至(d)的说明。

由上述的图4至图6分析可知，三角波电流触发模块对能耗的作用。

在同样的占空比输出情况下，串联三角波电流触发模块还可以减少电机的耗能，表1给出了不同占空比下的总电源功耗。

表1：

根据本发明实施例进一步优选的实现方式中，超级电容可以在电机加速时供给额外电能，可有效吸收电机制动的回馈能量，结合实际情况，选用不同规格的超级电容简单并联到电机母线侧，通过电机空载实验，用示波器观察电机相电压的波形情况，说明并联超级电容可有效平滑输出波形，提供额外能量，图7为实验的超级电容电路板的示意图，图7(a)为0.33mF，图7(b)为1F，图7(c)为1.5F，图7(d)为4F,图7(e)为5F。

超级电容的耐压值一般为5.5V，当电机母线电压为24V，在设计时需采用串联电阻分压的方法，工程上流过电阻的电流值需为电容漏电流的5倍以上，根据该方法计算匹配容值的电阻值和封装。也就是说，并联在三相全桥驱动的线路输出端和电机的驱动母线侧的超级电容组，如图9所示。

图8给出了两种PWM生成后不并联超级电容和并联1F电容组后，MOS管3脚输出电压波形，图中标注①②③的位置即波形的上升沿和下降沿的尖角变小，图中标注④的平均电压值均上升(普通情况从2.88V上升到3.08V；串联三角波情况从2.34V上升到2.71V)，符合超级电容的特性。因此在空间允许的情况下，可在电机母线侧并联超级电容组抑制尖峰并补充电能。图8(a)为现有技术的无电容的电压波形，图8(b)为现有技术中的无三角波电流触发模块的且并联有1F超级电容的电压波形，图8(c)为设置有本发明的串联三角波电流触发模块，无并联电容的电压波形，图8(d)为设置有本发明的串联三角波电流触发模块和并联1F超级电容的电压波形。

关于超级电容组，以下结合图9进行举例说明。

例如，当母线电压U为24V，若超级电容的容值C_i为0.33F，耐压为5.5V，可选择5个超级电容串联，串联后的超级电容组总耐压为27.5V大于母线电压，可以并联使用在母线上，其分压电阻选择为5个200Ω。

具体实现过程中，需要计算分压电阻的功率，选择正确的封装值，同理需要根据电机加速功率要求选择超级电容值。

每个超级电容两端的电压：

流过电阻R的电流I_r必须远大于电容器的漏电流I_L，工程上要求电阻R的流经电流为电容器漏电流的5倍以上，而电容器的稳定漏电流I_L≈0.003C_iU_i＝0.003*0.33*4.8＝0.004752(实际漏电流会小于该值)，故I_r≥0.02376A。那么均压电阻的计算公式为：

电阻侧电流值：

每个电阻消耗的功率：P＝I²×R＝0.1152W；

故电阻至少要选择功率的电阻(至少要0805封装200Ω)。

总电容量值：

总能量：

即在电机启动为1s时，0.33F的超级电容组可提供额外19W的功率。

综上，本发明实施例中可不用修改硬件电路，直接在原有驱动程序上加入一个模块即可有效抑制脉动，并减小总功耗。当电机侧和驱动装置之间存在空间尺寸时，可以通过在驱动母线上并联超级电容的方法优化驱动波形。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种改进的电机驱动装置，其特征在于，所述驱动装置包括：控制器和连接该控制器的占空比转换器、所述占空比转换器的输出连接三相全桥驱动电路；

其中，所述控制器包括控制模块和三角波电流触发模块；

所述控制模块输出的控制参数、所述电机运行的相电流信息、所述电机运行的工况对应的三角波信息输入到所述三角波电流触发模块；

所述三角波电流触发模块的输出信息作为所述占空比转换器的输入信息。

2.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，所述三角波电流触发模块具体用于：

根据所述控制参数和所述相电流信息，获取参考电压值；

将所述参考电压值与所述三角波信息进行比较，获取输出信息；

其中，所述输出信息为方形波，所述参考电压值大于等于三角波时，输出为开1，参考电压值小于三角波是，输出为关闭0。

3.根据权利要求2所述的驱动装置，其特征在于，

所述电机为应用于机器人关节的驱动电机。

4.根据权利要求1至3任一所述的驱动装置，其特征在于，所述电机的驱动装置还包括：

并联在三相全桥驱动电路输出端和电机的驱动母线侧的超级电容组。

5.根据权利要求4所述的驱动装置，其特征在于，

所述超级电容组包括超级电容和分压电阻。

6.根据权利要求1至5任一所述的驱动装置，其特征在于，所述电机为直流无刷电机。

7.一种改进的电机驱动方法，其特征在于，包括：

接收控制器中控制模块输出的控制参数；

接收电机当前运行的相电流信息、所述电机运行的工况对应的三角波信息；

将所述控制参数和所述相电流信息运算，获得参考电压值；

将所述参考电压值与所述三角波信息进行比较，获得用于输入向占空比转换器的输出电压。