CN109861616B - 永磁无刷直流电机二三相混合导通控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种永磁无刷直流电机二三相混合导通直接转矩控制系统及其控制方法属于电机控制领域；现有永磁无刷直流电机控制系统很复杂，实现操作困难；系统包括直流电源依次连接逆变器IPM模块、无刷直流电机，逆变器IPM模块与隔离电路双向连接，隔离电路与DSP控制模块双向连接，DSP控制模块与三相电流/反电势检测模块连接，三相电流/反电势检测模块连接逆变器IPM模块，电机分别通过BLDCM定子端电压检测模块和转子位置检测模块连接DSP控制模块；简化了永磁无刷直流电机二三相导通控制系统，使实现操作简单；方法包括检测定子端电压、反电势和三相电流信号，经DSP控制模块计算，选择合适的电压空间矢量、确定其作用时间，实现二三相混合导通方式对电机进行控制。

Description

永磁无刷直流电机二三相混合导通控制系统及其控制方法

技术领域

本发明属于电机控制领域，尤其涉及一种永磁无刷直流电机二三相混合导通直接转矩控制系统及其控制方法。

背景技术

永磁无刷直流电机(BLDCM)因其自身特点被应用于诸多领域中，但因其转矩脉动较大，限制了在高精度领域的应用。永磁无刷直流电机属于永磁同步电机的一种，其反电动势为梯形波形，驱动电流波形为矩形，采用两两导通三相六状态的控制方式时，会出现永磁无刷直流电机特有的换相转矩脉动，转矩脉动会降低运动控制系统特性并造成机器噪音和震动，降低了控制系统的动态性能和驱动系统的可靠性，限制了电机性能的进一步提高和发挥，阻碍了其在高精度场合的应用。

目前为了适应高精度场合，永磁无刷直流电机控制系统均采用磁链估算模块，但是这种控制系统很复杂，实现操作困难。

发明内容

本发明克服了上述现有技术的不足，提供一种永磁无刷直流电机二三相混合导通直接转矩控制系统，省略了磁链估算模块，简化了永磁无刷直流电机二三相导通控制系统，使实现操作简单；本发明还提供一种永磁无刷直流电机二三相混合导通控制方法，实现二三相混合导通方式对电机进行控制，使得关断相电流与开通相电流下降速率斜率尽可能相同，维持非换流相电流保持不变，从转矩脉动的产生环节有效抑制永磁无刷直流电机转矩脉动，提高电机的运行特性。

本发明的技术方案：

技术方案一

一种永磁无刷直流电机二三相混合导通直接转矩控制系统，包括直流电源、逆变器IPM模块、无刷直流电机、隔离电路、三相电流/反电势检测模块、上位机、DSP控制模块、BLDCM定子端电压检测模块和转子位置检测模块；所述直流电源的输出端连接逆变器IPM模块的输入端，所述逆变器IPM模块的输出端连接无刷直流电机的输入端，所述逆变器IPM模块与隔离电路双向连接，所述隔离电路与DSP控制模块双向连接，所述DSP控制模块与三相电流/反电势检测模块的输出端连接，所述三相电流/反电势检测模块的输入端连接在逆变器IPM模块和无刷直流电机之间，所述无刷直流电机分别连接BLDCM定子端电压检测模块的输入端和转子位置检测模块的输入端；所述BLDCM定子端电压检测模块的输出端和转子位置检测模块的输出端分别与DSP控制模块连接，所述DSP控制模块与上位机双向连接。

进一步地，所述逆变器IPM模块包括逆变器IPM单元1、逆变器IPM单元2、逆变器IPM单元3、逆变器IPM单元4、逆变器IPM单元5和逆变器IPM单元6；所述逆变器IPM单元1分别与端点PWMUP、端点GND、端点24UP、端点24UN、端点IGBT1H、端点UIN连接；所述逆变器IPM单元2分别与端点PWMUD、端点GND、端点15PUBLIC、端点5PUBLIC、端点IGBT1L、端点DCLINKN RIGHT连接；所述逆变器IPM单元3分别与端点PWMVP、端点GND、端点24VP、端点24VN、端点IGBT2H、端点VIN连接；所述逆变器IPM单元4分别与端点PWMVD、端点GND、端点15PUBLIC、端点5PUBLIC、端点IGBT2L、端点DCLINKNRIGHT连接；所述逆变器IPM单元5分别与端点PWMWP、端点GND、端点24WP、端点24WN、端点IGBT3H、端点WIN连接；所述逆变器IPM单元6分别与端点PWMWD、端点GND、端点15PUBLIC、端点5PUBLIC、端点IGBT3L、端点DCLINKN RIGHT连接；所述逆变器IPM单元1、逆变器IPM单元2、逆变器IPM单元3、逆变器IPM单元4、逆变器IPM单元5和逆变器IPM单元6的结构均相同。

进一步地，所述逆变器IPM单元1包括光耦合器U41、电阻Rin1、电阻R53、电阻R54、稳压二极管D41和稳压二极管D42；所述电阻Rin1一端连接端点PWMUP，另一端连接光耦合器U41的引脚2，光耦合器U41的引脚3连接GND，光耦合器U41的引脚5和引脚8分别连接端点24UN和24UP，光耦合器U41的引脚6分别连接光耦合器U41的引脚7和电阻R53的一端，所述电阻R53的另一端分别连接电阻R54的一端、二极管D41的一端和端点IGBT1H，所述电阻R54的另一端连接二极管D42的一端和端点UIN，所述二极管D42的另一端连接二极管D41的另一端。

进一步地，所述隔离电路包括隔离单元1、隔离单元2、隔离单元3、隔离单元4、隔离单元5、隔离单元6、锁存器U40和电容53；所述隔离单元1分别与端点PWM1、端点DSPGND、锁存器U40的引脚2连接，所述隔离单元2分别与端点PWM2、端点DSPGND、锁存器U40的引脚3连接，所述隔离单元3分别与端点PWM3、端点DSPGND、锁存器U40的引脚4连接，所述隔离单元4分别与端点PWM4、端点DSPGND、锁存器U40的引脚5连接，所述隔离单元5分别与端点PWM5、端点DSPGND、锁存器U40的引脚6连接，所述隔离单元6分别与端点PWM6、端点DSPGND、锁存器U40的引脚7连接；所述锁存器U40的引脚1连接端点245CTRL，锁存器U40的引脚10连接端点GND，端点GND连接电容C53的一端，另一端连接端点VCC，端点VCC连接锁存器U40的引脚11和引脚20，锁存器U40的引脚14至引脚19分别连接端点PWMWD、端点PWMWP、端点PWMVD、端点PWMVP、端点PWMUD、端点PWMUP，所述隔离单元1、隔离单元2、隔离单元3、隔离单元4、隔离单元5和隔离单元6的结构相同。

进一步地，所述隔离单元1所述隔离单元1包括电阻R41、光耦合器U1、电阻R47、电容C41和电容C47；所述电阻R41的一端连接端点PWM1，另一端连接光耦合器U1的引脚2，光耦合器U1的引脚3连接端点BSPGND，光耦合器U1的引脚5分别连接电容C41的一端和电容C47的一端，所述电容C41的另一端分别连接光耦合器U1的引脚6、电阻R47的一端和端点245CTRL，所述电阻R47的另一端分别连接光耦合器U1的引脚7、引脚8和电容C47的另一端。

进一步地，所述三相电流检测模块包括三相电流检测单元1和三相电流检测单元2；所述三相电流检测单元1分别与端点U CURRENT、端点ADCINA0、端点GNDF、+5V电源、端点ADCINA1、端点V CURRENT连接；所述三相电流检测单元2分别与端点W CURRENT、端点ADCINA2、端点GNDF、+5V电源、端点ADCINA3、端点DCLINK VOLTAGE连接；所述三相电流检测单元1和三相电流检测单元2的结构均相同；

所述反电势检测模块包括电阻R1、电阻R2、电容C1、电阻R3、电阻R4、电容C2、电阻R5、电阻R6和电容C3；所述电阻R1的一端连接端点Va，另一端分别连接电阻R2、电容C1和端点A/D，所述电阻R2的另一端分别连接电容C1的另一端和地线；所述电阻R3的一端连接端点Vb，另一端分别连接电阻R4、电容C2和端点A/D，所述电阻R4的另一端分别连接电容C2的另一端和地线；所述电阻R5的一端连接端点Vc，另一端分别连接电阻R6、电容C3和端点A/D，所述电阻R6的另一端分别连接电容C3的另一端和地线。

进一步地，所述BLDCM定子端电压检测模块包括定子端电压检测单元1、定子端电压检测单元2和定子端电压检测单元3；所述定子端电压检测单元1分别连接端点TEMPERATURE、端点ADCINA4、端点GNDF、+5V电源、端点ADCINA5、端点VOLTAGE U连接，所述定子端电压检测单元2分别连接端点VOLTAGE V、端点ADCINA6、端点GNDF、+5V电源、端点ADCINA7、端点FRE ANALOGUE GIVEN连接，所述定子端电压检测单元3分别连接端点VOLTAGEW、端点ADCINB0、端点GNDF、+5V电源、端点RESERVED1连接；所述定子端电压检测单元1、定子端电压检测单元2和定子端电压检测单元3的结构均相同。

进一步地，所述转子位置检测模块包括转子位置检测单元1、转子位置检测单元2和转子位置检测单元3；所述转子位置检测单元1包括霍尔Hall A和电阻R1；所述霍尔HallA分别连接5V电源、地线、端点GAP和电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接5V电源；所述转子位置检测单元1、转子位置检测单元2和转子位置检测单元3结构相同，且相互并联。

技术方案二

一种基于技术方案一所述永磁无刷直流电机二三相混合导通直接转矩控制系统实现的控制方法，包括以下步骤：

步骤a、直流电源经过逆变器IPM模块输入到无刷直流电机；电机转子位置检测到的位置信号经过放大输入DSP控制模块中形成位置反馈控制；通过三相电流检测模块、反电势检测模块、BLDCM定子端电压检测模块，将无刷直流电机的三相电流信号、反电势信号、定子端电压信号输入到DSP控制板的A/D端口，根据PWM信号的产生原理，控制逆变器IPM模块的导通顺序，并结合二三相混合导通方式对无刷直流电机进行控制；当出现短路、过压、欠压故障时，隔离电路将封锁PWM输出信号，将无刷直流电机停机，保护系统；上位机完成与DSP控制模块的实时信息的传递，利于控制系统的调试；

步骤b、通过三相电流/反电势检测模块实时检测三相电流信号和反电势电流信号，通过BLDCM定子端电压检测模块实时检测无刷直流电机的定子端电压信号，所述三相电流信号、反电势电流信号和定子端电压信号实时传输至DSP控制模块；

步骤c、DSP控制模块通过检测到的无刷直流电机的定子端电压信号判断是否换相期，确定换相时间段；

步骤d、DSP控制模块在无刷直流电机的每个换相期间采用三相导通模式，在预存电压矢量选择表中选择与每个换相期间相应的两个电压空间矢量对续流电流进行控制，所述两个电压控制矢量均为非零矢量；

步骤e、通过定子端电压和三相电流，用矢量方程对两种续流方式进行描述，得出无刷直流电机每个换相期间的两个电压空间矢量补偿和抑制环节的作用时间，进而求出电流作用时间占空比，使得关断相电流与开通相电流斜率相匹配，进而使非换流相电流没有畸变；

步骤f、换相结束后，采用两相导通的电压矢量对无刷直流电机进行控制，实现二三相混合导通方式对无刷直流电机进行控制。

进一步地，所述电流作用时间占空比的方法包括：

列写电压方程：

定子绕组为Y接，三相电流之和为零，即：

将式(7)带入式(6)，得出三相导通模式下中性点电压为：

将式(8)带回式(6)，得到三相电流的变化率：

用同样的方法列写出端电压方程有：

式(6)和式(7)的第一式表明a相电流分别有增强和减小趋势，不防使a相电流在M(t)时间内执行式(6)第一式，(1－M)时间内执行式(7)第一式，M为占空比，得出在一个采样周期内三个相电流的平均变化率：

为抑制转矩脉动，使非换流相的电流变化率为零，则必须满足方程式：

将式(11)带入式(12)，得占空比M为：

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

本发明提供了一种永磁无刷直流电机二三相混合导通直接转矩控制系统，仅是直流电源、逆变器IPM模块、无刷直流电机、隔离电路、三相电流/反电势检测模块、上位机、DSP控制模块、BLDCM定子端电压检测模块和转子位置检测模块9个模块的连接，省略了磁链估算模块，简化了永磁无刷直流电机二三相导通控制系统，使实现操作简单；

本发明还提供了一种永磁无刷直流电机二三相混合导通控制方法，通过检测到的定子端电压、反电势和三相电流信号，经过DSP微控制模块计算，选择合适的电压空间矢量、确定其作用时间，实现二三相混合导通方式对电机进行控制，使得关断相电流与开通相电流下降速率斜率尽可能相同，维持非换流相电流保持不变，从转矩脉动的产生环节有效抑制永磁无刷直流电机转矩脉动，提高电机的运行特性。

并且本发明进行了仿真建模，并将仿真结果与传统直接转矩控制下得到的电机转矩波形进行对比，结果表明，在二三混合导通模式下，无论高速运行还是低速运行，转矩脉动都得到了有效抑制。

附图说明

图1是本发明系统结构图；

图2a是逆变器IPM单元1电路图；

图2b是逆变器IPM单元2电路图；

图2c是逆变器IPM单元3电路图；

图2d是逆变器IPM单元4电路图；

图2e是逆变器IPM单元5电路图；

图2f是逆变器IPM单元6电路图；

图3是隔离电路图；

图4是隔离单元1电路图；

图5a是三相电流检测单元1电路图；

图5b是三相电流检测单元2电路图；

图6是反电势检测模块电路图；

图7a是BLDCM定子端电压检测单元1电路图；

图7b是BLDCM定子端电压检测单元2电路图；

图7c是BLDCM定子端电压检测单元3电路图；

图8是转子位置检测模块电路图；

图9是以a相续流为例，续流电流补偿的电压矢量V'2(101001)图；

图10是以a相续流为例，续流电流抑制的电压矢量V'4(011010)图；

图11是关断相相电流的补偿变化趋势图；

图12是关断相相电流的抑制变化趋势图；

图13是本发明的仿真模型图；

图14是传统直接转矩控制下的三相电流的波形图；

图15是本发明的三相电流波形图；

图16是n＝1000r/min时传统直接转矩控制下电机转矩波形图；

图17是n＝1000r/min时本发明的电机转矩波形图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明进行详细说明。

具体实施方式一

一种永磁无刷直流电机二三相混合导通直接转矩控制系统，如图1所示，包括直流电源、逆变器IPM模块、无刷直流电机、隔离电路、三相电流/反电势检测模块、上位机、DSP控制模块、BLDCM定子端电压检测模块和转子位置检测模块；所述直流电源的输出端连接逆变器IPM模块的输入端，所述逆变器IPM模块的输出端连接无刷直流电机的输入端，所述逆变器IPM模块与隔离电路双向连接，所述隔离电路与DSP控制模块双向连接，所述DSP控制模块与三相电流/反电势检测模块的输出端连接，所述三相电流/反电势检测模块的输入端连接在逆变器IPM模块和无刷直流电机之间，所述无刷直流电机分别连接BLDCM定子端电压检测模块的输入端和转子位置检测模块的输入端；所述BLDCM定子端电压检测模块的输出端和转子位置检测模块的输出端分别与DSP控制模块连接，所述DSP控制模块与上位机双向连接。

具体地，所示DSP控制模块包括型号为TMS320F2812的芯片；

具体地，如图2a-2f所示，所述逆变器IPM模块包括逆变器IPM单元1、逆变器IPM单元2、逆变器IPM单元3、逆变器IPM单元4、逆变器IPM单元5和逆变器IPM单元6；所述逆变器IPM单元1分别与端点PWMUP、端点GND、端点24UP、端点24UN、端点IGBT1H、端点UIN连接；所述逆变器IPM单元2分别与端点PWMUD、端点GND、端点15PUBLIC、端点5PUBLIC、端点IGBT1L、端点DCLINKN RIGHT连接；所述逆变器IPM单元3分别与端点PWMVP、端点GND、端点24VP、端点24VN、端点IGBT2H、端点VIN连接；所述逆变器IPM单元4分别与端点PWMVD、端点GND、端点15PUBLIC、端点5PUBLIC、端点IGBT2L、端点DCLINKN RIGHT连接；所述逆变器IPM单元5分别与端点PWMWP、端点GND、端点24WP、端点24WN、端点IGBT3H、端点WIN连接；所述逆变器IPM单元6分别与端点PWMWD、端点GND、端点15PUBLIC、端点5PUBLIC、端点IGBT3L、端点DCLINKNRIGHT连接；所述逆变器IPM单元1、逆变器IPM单元2、逆变器IPM单元3、逆变器IPM单元4、逆变器IPM单元5和逆变器IPM单元6的结构均相同。

具体地，所述逆变器IPM单元1包括光耦合器U41、电阻Rin1、电阻R53、电阻R54、稳压二极管D41和稳压二极管D42；所述电阻Rin1一端连接端点PWMUP，另一端连接光耦合器U41的引脚2，光耦合器U41的引脚3连接GND，光耦合器U41的引脚5和引脚8分别连接端点24UN和24UP，光耦合器U41的引脚6分别连接光耦合器U41的引脚7和电阻R53的一端，所述电阻R53的另一端分别连接电阻R54的一端、二极管D41的一端和端点IGBT1H，所述电阻R54的另一端连接二极管D42的一端和端点UIN，所述二极管D42的另一端连接二极管D41的另一端。

所述逆变器IPM单元1、逆变器IPM单元2、逆变器IPM单元3、逆变器IPM单元4、逆变器IPM单元5和逆变器IPM单元6中的光耦合器型号为TLP250。

具体地，如图3所示，所述隔离电路包括隔离单元1、隔离单元2、隔离单元3、隔离单元4、隔离单元5、隔离单元6、锁存器U40和电容53；所述隔离单元1分别与端点PWM1、端点DSPGND、锁存器U40的引脚2连接，所述隔离单元2分别与端点PWM2、端点DSPGND、锁存器U40的引脚3连接，所述隔离单元3分别与端点PWM3、端点DSPGND、锁存器U40的引脚4连接，所述隔离单元4分别与端点PWM4、端点DSPGND、锁存器U40的引脚5连接，所述隔离单元5分别与端点PWM5、端点DSPGND、锁存器U40的引脚6连接，所述隔离单元6分别与端点PWM6、端点DSPGND、锁存器U40的引脚7连接；所述锁存器U40的引脚1连接端点245CTRL，锁存器U40的引脚10连接端点GND，端点GND连接电容C53的一端，另一端连接端点VCC，端点VCC连接锁存器U40的引脚11和引脚20，锁存器U40的引脚14至引脚19分别连接端点PWMWD、端点PWMWP、端点PWMVD、端点PWMVP、端点PWMUD、端点PWMUP，所述隔离单元1、隔离单元2、隔离单元3、隔离单元4、隔离单元5和隔离单元6的结构相同。

具体地，如图4所示，所述隔离单元1包括电阻R41、光耦合器U1、电阻R47、电容C41和电容C47；所述电阻R41的一端连接端点PWM1，另一端连接光耦合器U1的引脚2，光耦合器U1的引脚3连接端点BSPGND，光耦合器U1的引脚5分别连接电容C41的一端和电容C47的一端，所述电容C41的另一端分别连接光耦合器U1的引脚6、电阻R47的一端和端点245CTRL，所述电阻R47的另一端分别连接光耦合器U1的引脚7、引脚8和电容C47的另一端。

所示隔离单元1、隔离单元2、隔离单元3、隔离单元4、隔离单元5、隔离单元6中的光耦合器型号均为6N137，锁存器U40的型号为74HC563。

具体地，如图5a和图5b所示，所述三相电流检测模块包括三相电流检测单元1和三相电流检测单元2；所述三相电流检测单元1分别与端点U CURRENT、端点ADCINA0、端点GNDF、+5V电源、端点ADCINA1、端点V CURRENT连接；所述三相电流检测单元2分别与端点WCURRENT、端点ADCINA2、端点GNDF、+5V电源、端点ADCINA3、端点DCLINK VOLTAGE连接；所述三相电流检测单元1和三相电流检测单元2的结构均相同；

所示三相电流检测单元1包括电阻R71、稳压二极管D71、电容C71、双运算放大器U9、电容C72、稳压二极管D72和电阻R72；所述电阻R71的一端连接端点U CURRENT，另一端分别连接稳压二极管D71的一端、电容C71的一端、双运算放大器U9的引脚3，所述稳压二极管D71的另一端分别连接电容C71的另一端和地线，所述双运算放大器U9的引脚1分别连接双运算放大器U9的引脚2和端点ADCINA0，双运算放大器U9的引脚4连接端点GNDF，双运算放大器U9的引脚5分别连接电容C72的一端、稳压二极管D72的一端和电阻R72的一端，所述电容C72的另一端分别连接稳压二极管D72的另一端和地线，电阻R72的另一端连接端点VCURRENT，双运算放大器U9的引脚的引脚6分别连接双运算放大器U9的引脚7和端点ADCINA1，双运算放大器U9的引脚8连接5V电源；

所述三相电流检测单元1和三相电流检测单元2中的双运算放大器的型号均为LM358。

如图6所示，所述反电势检测模块包括电阻R1、电阻R2、电容C1、电阻R3、电阻R4、电容C2、电阻R5、电阻R6和电容C3；所述电阻R1的一端连接端点Va，另一端分别连接电阻R2、电容C1和端点A/D，所述电阻R2的另一端分别连接电容C1的另一端和地线；所述电阻R3的一端连接端点Vb，另一端分别连接电阻R4、电容C2和端点A/D，所述电阻R4的另一端分别连接电容C2的另一端和地线；所述电阻R5的一端连接端点Vc，另一端分别连接电阻R6、电容C3和端点A/D，所述电阻R6的另一端分别连接电容C3的另一端和地线。

具体地，如图7a、图7b和图7c所示，所述BLDCM定子端电压检测模块包括定子端电压检测单元1、定子端电压检测单元2和定子端电压检测单元3；所述定子端电压检测单元1分别连接端点TEMPERATURE、端点ADCINA4、端点GNDF、+5V电源、端点ADCINA5、端点VOLTAGEU连接，所述定子端电压检测单元2分别连接端点VOLTAGE V、端点ADCINA6、端点GNDF、+5V电源、端点ADCINA7、端点FRE ANALOGUE GIVEN连接，所述定子端电压检测单元3分别连接端点VOLTAGE W、端点ADCINB0、端点GNDF、+5V电源、端点RESERVED1连接；所述定子端电压检测单元1、定子端电压检测单元2和定子端电压检测单元3的结构均相同。

所述定子端电压检测单元1包括电阻R75、稳压二极管D75、电容C75、双运算放大器U11、电容C76、稳压二极管D76和电阻R76；所述电阻R75的一端连接端点TEMPERATURE，另一端分别连接稳压二极管D75的一端、电容C75的一端、双运算放大器U11的引脚3，所述稳压二极管D75的另一端分别连接电容C75的另一端和地线，所述双运算放大器U11的引脚1分别连接双运算放大器U11的引脚2和端点ADCINA4，双运算放大器U11的引脚4连接端点GNDF，双运算放大器U11的引脚5分别连接电容C76的一端、稳压二极管D76的一端和电阻R76的一端，所述电容C76的另一端分别连接稳压二极管D76的另一端和地线，电阻R76的另一端连接端点VOLTAGE U，双运算放大器U11的引脚的引脚6分别连接双运算放大器U11的引脚7和端点ADCINA5，双运算放大器U11的引脚8连接5V电源。

所述定子端电压检测单元1、定子端电压检测单元2和定子端电压检测单元3中双运算放大器型号均为LM358。

具体地，如图8所示，所述转子位置检测模块包括转子位置检测单元1、转子位置检测单元2和转子位置检测单元3；所述转子位置检测单元1包括霍尔Hall A和电阻R1；所述霍尔Hall A分别连接5V电源、地线、端点GAP和电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接5V电源；所述转子位置检测单元1、转子位置检测单元2和转子位置检测单元3结构相同，且相互并联。

图2a至图2f中的端点PWMUP、PWMUD、PWMVP、PWMVD、PWMWP、PWMWD、GND分别与隔离电路引脚19、18、17、16、15、14、10连接，图2a至图2f的端点15PUBLIC、5PUBLIC、分别与直流电源连接，图2a至图2f的端点24UP、24UN、24VP、24VN、24WP、24WN分别与无刷直流电机和三相电流/反电势检测模块连接，图2a至图2f的端点IGBT1H、IGBT1L、IGBT2H、IGBT2L、IGBT3H、IGBT3L、UIN、VIN、WIN、DCLINKN RIGHT、分别与主电路连接；

图3和图4中端点PWM1至PWM6、DSPGND分别与DSP控制电路的PWM端口连接；隔离电路还与DSP控制电路的PDPINT端口连接；

图5a和图5b中端点U CURRENT、V CURRENT、W CURRENT、DCLINK VOLTAGE分别用于连接在逆变器IPM模块与无刷直流电机之间，端点ADCINA0至ADCINA3分别与DSP控制模块连接；

图6中端点Va、Vb、Vc分别用于连接在逆变器IPM模块与无刷直流电机之间，所述端点A/D与DSP控制模块的A/D端口连接；

图7a至图7c中端点TEMPERATURE、VOLTAGE U、VOLTAGE V、FRE ANALOGUE GIVEN、VOLTAGE W、RESERVED1分别与无刷直流电机连接，端点ADCINA4至ADCINA7、ADCINB0分别与DSP控制模块连接。

具体实施方式二

一种基于具体实施方式一所述永磁无刷直流电机二三相混合导通直接转矩控制系统实现的控制方法，包括以下步骤：

步骤a、直流电源经过逆变器IPM模块输入到无刷直流电机；电机转子位置检测到的位置信号经过放大输入DSP控制模块中形成位置反馈控制；通过三相电流检测模块、反电势检测模块、BLDCM定子端电压检测模块，将无刷直流电机的三相电流信号、反电势信号、定子端电压信号输入到DSP控制板的A/D端口，根据PWM信号的产生原理，控制逆变器IPM模块的导通顺序，并结合二三相混合导通方式对无刷直流电机进行控制；当出现短路、过压、欠压故障时，隔离电路将封锁PWM输出信号，将无刷直流电机停机，保护系统；上位机完成与DSP控制模块的实时信息的传递，利于控制系统的调试；

步骤b、通过三相电流/反电势检测模块实时检测三相电流信号和反电势电流信号，通过BLDCM定子端电压检测模块实时检测无刷直流电机的定子端电压信号，所述三相电流信号、反电势电流信号和定子端电压信号实时传输至DSP控制模块；

步骤c、DSP控制模块通过检测到的无刷直流电机的定子端电压信号判断是否换相期，确定换相时间段；

步骤d、DSP控制模块在无刷直流电机的每个换相期间采用三相导通模式，在预存电压矢量选择表中选择与每个换相期间相应的两个电压空间矢量对续流的电流进行控制，所述两个电压控制矢量均为非零矢量；

步骤e、通过定子端电压和三相电流，用矢量方程对两种续流方式进行描述，得出无刷直流电机每个换相期间的两个电压空间矢量补偿和抑制环节的作用时间，进而求出电流作用时间占空比，使得关断相电流与开通相电流斜率相匹配，进而使非换流相电流没有畸变；

步骤f、换相结束后，采用两相导通的电压矢量对无刷直流电机进行控制，实现二三相混合导通方式对无刷直流电机进行控制。

具体地，所述判断是否换相期的方法包括：

无刷直流电机定子三相绕组的电压平方程式如(1)式

式中，Rs为定子的相绕组，uA、uB、uC为定子相绕组电压，iA、iB、iC为定子相绕组电流，eA、eB、eC是梯形波反电动势，L为每相绕组自感，Ls表示为每相绕组自感,M为每两相绕组互感，P为微分算子；

其中：

式中ua、ub、uc分别为电机的端电压，un为电机中性点电压；

无刷直流电机定子侧绕组为星型联结，三相电流之和为零，即：

i_a+i_b+i_c＝0 (3)

当非换向工作时，设i、j两相导通，满足i、j＝a、b、c，且i≠j，i、j表示导通的两相电路，结合式(1)、(2)、(3)得到：

当换相工作时：

其中，a、b、c表示三相压a相、b相、c相，ui、uj表示导通的两相电压，ei、ej表示导通的两相电路反电势，ea、eb、ec表示a相、b相、c相的反电势；

由式(4)、(5)得出，换相与非换相中性点电压不相同，通过检测无刷直流电机的定子端电压来判断是否为换相期。

具体地，所述DSP控制模块在无刷直流电机的每个换相期间采用三相导通模式，以a相续流为例，对二三相混合导通直接转矩控制模式描述，如图8和图9所示。

在图9中，此时选用续流电流增强的电压矢量V'2(101001)，使已经关断的a相重新接电源，a相电流有上升的趋势，同时，非换流相c相电流也得到了补偿；而对于图10，此时选用续流电流增强的电压矢量V'4(011010)，使关断相a相直接接地，a相电流快速减小，同时使c相接电源正极，抑制了非换流相电流的上升。两种情况分别如图11和图12所示，换相电流和非换相电流变化趋势用取值区域内的箭头表示。

根据同样的原理，在无刷直流电机的每个换相期间，都有相应的两个电压空间矢量，均为非零矢量，来对续流的电流进行控制，引入每个换相期相应的电压空间矢量如表1所示。

表1二三相混合导通时电压矢量选择表

具体地，用矢量方程对以上所提出两种续流方式进行描述，得出无刷直流电机换相期间补偿和抑制环节的作用时间，进而求出电流作用时间占空比。首先对图11列写电压方程有：

其中，dia/dt表示对电流ia关于时间t的求导，dt、dib、dic表示电流ia关于时间t的求导，ud表示定子端电压；

定子绕组为Y接，三相电流之和为零，即：

将式(7)带入式(6)，得出三相导通模式下中性点电压为：

将式(8)带回式(6)，得到三相电流的变化率：

用同样的方法对图12列写出端电压方程有：

式(6)和式(7)的第一式表明a相电流分别有增强和减小趋势，不防使a相电流在M(t)时间内执行式(6)第一式，(1－M)时间内执行式(7)第一式，M为占空比，得出在一个采样周期内三个相电流的平均变化率：

为抑制转矩脉动，使非换流相的电流变化率为零，则必须满足方程式：

将式(11)带入式(12)，得占空比M为：

其中，Em表示反电势的幅值。

将本实施方式在Simulink环境下搭建仿真模型。永磁无刷直流电机的具体参数为UN＝55V，IN＝2A，nN＝1000r/min，R＝2.875Ω，L＝0.0085H。本实施方式中的永磁无刷直流电机二三相混合导通直接转矩控制系统的仿真模型如图13所示。

截取时间段0.50s-0.52s进行分析，传统的直接转矩控制下的三相电流的波形图与本实施方式的作用效果如图14、图15所示。由图可知，永磁无刷直流电机在0.513s左右开始换相。从图14中可以看出，传统直接转矩控制下，换相期间A相电流的下降速率和B相电流的上升速率不相等，且C相电流发生波动。图15是本实施方式的电流波形图，其A相电流和B相电流的变化速率近似相等，C相电流波动很小。

无刷直流电机电机运行在n＝1000r/min，TL＝1.2N·m时，传统的直接转矩控制下的电磁转矩波形图与本实施方式的作用效果如图16、图17所示。由图16可以看出，在传统直接转矩控制下，当电机负载变化时，电流和转矩突变的幅度比较大，电流峰值高达2.9A，转矩转矩峰值高达1.7N·m。而采用本实施方式，由图17可以看出，转矩和电流的突变得到了很好的抑制，其中A相电流的变动完全得到了消除。

本实施方式通过检测到的定子端电压和三相电流信号，经过DSP控制模块计算，在换相瞬间，采用三相导通的电压矢量；换相结束后，采用两相导通的电压矢量对电机进行控制，使电机换相前后电流的变化率尽可能相同，从转矩脉动的产生环节消除转矩脉动。

Claims (2)

1.一种永磁无刷直流电机二三相混合导通直接转矩控制方法，其依托实现的一种永磁无刷直流电机二三相混合导通直接转矩控制系统，包括直流电源、逆变器IPM模块、无刷直流电机、隔离电路、三相电流/反电势检测模块、上位机、DSP控制模块、BLDCM定子端电压检测模块和转子位置检测模块；所述直流电源的输出端连接逆变器IPM模块的输入端，所述逆变器IPM模块的输出端连接无刷直流电机的输入端，所述逆变器IPM模块与隔离电路双向连接，所述隔离电路与DSP控制模块双向连接，所述DSP控制模块与三相电流/反电势检测模块的输出端连接，所述三相电流/反电势检测模块的输入端连接在逆变器IPM模块和无刷直流电机之间，所述无刷直流电机分别连接BLDCM定子端电压检测模块的输入端和转子位置检测模块的输入端；所述BLDCM定子端电压检测模块的输出端和转子位置检测模块的输出端分别与DSP控制模块连接，所述DSP控制模块与上位机双向连接；

其特征在于，控制方法包括以下步骤：

步骤a、直流电源经过逆变器IPM模块输入到无刷直流电机；电机转子位置检测到的位置信号经过放大输入DSP控制模块中形成位置反馈控制；通过三相电流检测模块、反电势检测模块、BLDCM定子端电压检测模块，将无刷直流电机的三相电流信号、反电势信号、定子端电压信号输入到DSP控制板的A/D端口，根据PWM信号的产生原理，控制逆变器IPM模块的导通顺序，并结合二三相混合导通方式对无刷直流电机进行控制；当出现短路、过压、欠压故障时，隔离电路将封锁PWM输出信号，将无刷直流电机停机，保护系统；上位机完成与DSP控制模块的实时信息的传递，利于控制系统的调试；

步骤b、通过三相电流/反电势检测模块实时检测三相电流信号和反电势电流信号，通过BLDCM定子端电压检测模块实时检测无刷直流电机的定子端电压信号，所述三相电流信号、反电势电流信号和定子端电压信号实时传输至DSP控制模块；

步骤c、DSP控制模块通过检测到的无刷直流电机的定子端电压信号判断是否换相期，确定换相时间段；

步骤d、DSP控制模块在无刷直流电机的每个换相期间采用三相导通模式，在预存电压矢量选择表中选择与每个换相期间相应的两个电压空间矢量对续流电流进行控制，所述两个电压控制矢量均为非零矢量；

步骤e、通过定子端电压和三相电流，用矢量方程对两种续流方式进行描述，得出无刷直流电机每个换相期间的两个电压空间矢量补偿和抑制环节的作用时间，进而求出电流作用时间占空比，使得关断相电流与开通相电流斜率相匹配，进而使非换流相电流没有畸变；

步骤f、换相结束后，采用两相导通的电压矢量对无刷直流电机进行控制，实现二三相混合导通方式对无刷直流电机进行控制。

2.根据权利要求1所述一种永磁无刷直流电机二三相混合导通直接转矩的控制方法，其特征在于，所述电流作用时间占空比的方法包括：

列写电压方程：

(6)

定子绕组为Y接，三相电流之和为零，即：

(7)

将式(7)带入式(6)，得出三相导通模式下中性点电压为：

(8)

将式(8)带回式(6)，得到三相电流的变化率：

(9)

用同样的方法列写出端电压方程有：

(10)

式(6)和式(7)的第一式表明a相电流分别有增强和减小趋势，不防使a相电流在M(t)时间内执行式(6)第一式，(1－M)时间内执行式(7)第一式，M为占空比，得出在一个采样周期内三个相电流的平均变化率：

(11)

为抑制转矩脉动，使非换流相的电流变化率为零，则必须满足方程式：

(12)

将式(11)带入式(12)，得占空比M为：

(13)。