CN112532120A - 一种无刷直流电机电动与再生制动一体化控制方法 - Google Patents

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孙建平
李洪亮
袁宇凤
李宇
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    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/24—Arrangements for stopping

Abstract

本发明涉及一种无刷直流电机电动与再生制动一体化控制方法。所述一体化控制方法应用于三相六状态Y形接法的无刷直流电机，包括：对参与工作的两个桥臂当中的一个桥臂的上功率开关管和下功率开关管施加互补驱动信号，对另一个桥臂的下功率开关管施加恒通的驱动信号，构成降压斩波BUCK/升压斩波BOOST电路，实现电流双方向流通；当所述无刷直流电机工作在电动状态时，所述无刷直流电机的电路处于BUCK模式，通过降压斩波方式调压调速；当所述无刷直流电机工作在再生制动状态时，所述无刷直流电机的电路处于BOOST模式，通过升压斩波方式实现再生制动状态下的调速。本发明能够根据路况的变化自动在电动状态与制动状态之间自由转换。

Description

一种无刷直流电机电动与再生制动一体化控制方法
技术领域
本发明涉及无刷直流电机电动与再生制动状态转换的稳速控制领域，特别是涉及一种无刷直流电机电动与再生制动一体化控制方法。
背景技术
采用永磁无刷直流电机直接驱动的电动汽车，如果运行在定速巡航模式下或者智能驾驶模式下，并且遇到坡路时，电机就要在电动和再生制动两种状态之间来回切换，以保证汽车以恒定的速度运行。在制动过程中可以将汽车下坡时的能量吸收并转化为电能给电池充电，提高车辆的续航里程。
对于无刷直流电机的电动和制动控制，目前的方法是整车控制器发送运行状态控制命令，电机控制根据控制命令分别采用不同的调制方法来实现电动和制动。在定速巡航模式下，整车控制器给电机控制器只发送转速命令，要求电机在恒定的转速下运行，而没有运行状态命令；且如果道路崎岖不平，坡路较多，那么电机在电动和制动两种状态之间的切换就越频繁，无法实现稳速控制。
传统的无刷直流电机控制在电动与再生制动两种状态下，采用两种不同的PWM调制方法和换相逻辑。这样在两种状态切换时，就必须有运行状态命令，否则，无法改变调制方法和换相逻辑。因此，传统控制方法在电动与再生制动两种状态下采用不同的相逻辑，在只有转速控制命令，没有运行状态控制命令的情况下无法实现电动和制动这两种状态自动切换的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种无刷直流电机电动与再生制动一体化控制方法，以解决传统控制方法在电动与再生制动两种状态下采用不同的相逻辑，在只有转速控制命令，没有运行状态控制命令的情况下无法实现电动和制动这两种状态自动切换的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种无刷直流电机电动与再生制动一体化控制方法，所述一体化控制方法应用于三相六状态Y形接法的无刷直流电机，所述一体化控制方法包括：
对参与工作的两个桥臂当中的一个桥臂的上功率开关管和下功率开关管施加互补驱动信号，对另一个桥臂的下功率开关管施加恒通的驱动信号，构成降压斩波BUCK/升压斩波BOOST电路，实现电流双方向流通；
当所述无刷直流电机工作在电动状态时，所述无刷直流电机的电路处于BUCK模式，通过降压斩波方式调压调速；当所述无刷直流电机工作在再生制动状态时，所述无刷直流电机的电路处于BOOST模式，通过升压斩波方式实现再生制动状态下的调速。电机在电动和再生制动这两种状态之间根据负载的变化可以自由切换，而无需切换命令。
可选的，所述无刷直流电机的第一桥臂包括串联的第一功率开关管VT1以及第四功率开关管VT4；
所述无刷直流电机的第二桥臂包括串联的第三功率开关管VT3以及第六功率开关管VT6；
所述无刷直流电机的第三桥臂包括串联的第五功率开关管VT5以及第二功率开关管VT2。
可选的，所述第一功率开关管VT1的导通逻辑表达式为：
Figure BDA0002799207760000021
Figure BDA0002799207760000022
所述第二功率开关管VT2的导通逻辑表达式为：
Figure BDA0002799207760000023
Figure BDA0002799207760000024
所述第三功率开关管VT3的导通逻辑表达式为：
Figure BDA0002799207760000025
所述第四功率开关管VT4的导通逻辑表达式为：
Figure BDA0002799207760000026
Figure BDA0002799207760000027
所述第五功率开关管VT5的导通逻辑表达式为：
Figure BDA0002799207760000028
所述第六功率开关管VT6的导通逻辑表达式为：
Figure BDA0002799207760000029
Figure BDA00027992077600000212
其中，Ha为A相霍尔信号；Hb为B相霍尔信号；Hc为C相霍尔信号；
Figure BDA00027992077600000210
为A相霍尔信号的逻辑“非”；
Figure BDA00027992077600000211
为B相霍尔信号的逻辑“非”；
Figure BDA0002799207760000031
为C相霍尔信号的逻辑“非”；PWMA为A相脉冲宽度调制信号，PWMB为B相脉冲宽度调制信号，PWMA与PWMB为占空比互补的脉冲宽度调制信号；上功率开关管的顺序依次为VT1、VT3、VT5，下功率开关管的顺序依次为VT4、VT6、VT2；∩为逻辑“与”，∪为逻辑“或”。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种无刷直流电机电动与再生制动一体化控制方法，对参与工作的两个桥臂当中的一个桥臂的上功率开关管和下功率开关管施加互补驱动信号，对另一个桥臂的下功率开关管施加恒通的驱动信号，三相桥的某一功率管，电机绕组电感，通过图2所示的换相逻辑和调制方法，构成降压斩波BUCK/升压斩波BOOST电路，实现电流双方向流通。基于本发明的控制方法，电机在电动和再生制动两种状态之间切换时无需判断电机工作状态，更不需要改变换相逻辑，根据路况的变化自动在两种状态之间自由转换。
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他的附图。
图1为永磁无刷直流电机的主功率电路图；
图2为单极性调制电动与再生制动一体化换相逻辑控制图；
图3为无刷直流电机在电动状态下的传统换相逻辑图；
图4为无刷直流电机在再生制动状态下的传统换相逻辑图；
图5为基于DSP与CPLD实现一体化控制的控制系统示意图；
图6为基于DSP实现一体化控制的控制系统示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种无刷直流电机电动与再生制动一体化控制方法，实现电动与制动使用统一换相逻辑，电机在电动和再生制动两种状态之间切换时无需判断电机工作状态，更不需要改变换相逻辑，根据路况的变化自动在两种状态之间自由转换。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明针对三相六状态Y形接法的永磁无刷直流电机，发明了一种无刷直流电机电动与再生制动一体化控制方法，图1为永磁无刷直流电机的主功率电路图，主功率电路如图1所示，功率管采用绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)。
电机在电动和再生制动两种状态之间切换时无需判断电机工作状态，更不需要改变换相逻辑，根据路况的变化自动在两种状态之间自由转换。调制方法及换相逻辑如图2所示。每个开关管的导通逻辑表达式如下：
Figure BDA0002799207760000041
Figure BDA0002799207760000042
Figure BDA0002799207760000043
Figure BDA0002799207760000044
Figure BDA0002799207760000045
Figure BDA0002799207760000046
其中：Ha，Hb，Hc表示三相霍尔信号；
Figure BDA0002799207760000047
表示霍尔信号的逻辑“非”；PWMA与PWMB表示占空比互补(相位相反且有死区)的脉冲宽度调制信号。VT1～VT6表示无刷电机三相桥的功率开关管，其上三管的顺序依次为VT1、VT3、VT5，下三管的顺序依次为VT4、VT6、VT2。∩表示逻辑“与”，∪表示逻辑“或”。
对于两相导通三相六状态控制的无刷直流电机，共有六个换相区间，在每一个换相区间有两个开关管导通，传统的换相逻辑在电动状态下如图3所示，再生制动状态下如图4所示。电动状态下典型的调制方式为HPWM_LON方式，即上管进行PWM调制而下管恒通。对于三相逆变桥，结合图1和图3，可以看出任一换相区间有两个桥臂参与调制，另一个桥臂不工作。参与调制的桥臂只有一个开关施加驱动信号，要么是PWM调制信号，要么是恒通的驱动信号。
本发明给参与调制的某一桥臂施加互补的单极性调制信号，将电动与再生制动统一起来，实现统一换相，如图2所示。其思想是通过给某一桥臂的上下两个功率管施加互补驱动信号，给另一桥臂的下管施加恒通的驱动信号，构成BUCK/BOOST电路，实现电流双方向流通。如图3所示，当工作在电动状态时电路处于BUCK模式，通过降压斩波实现调压调速，如图4所示，再生制动状态时电路处于BOOST模式，实现再生制动状态下的调速。
应用同样的思路，可以对现有的调制方法如：PWM_ON，ON_PWM，HPWM_LON，HON_LPWM，PWM_OFF，OFF_PWM，HPWM_LOFF，HOFF_LPWM，HPWM_LPWM等进行修改，就可以设计出一系列的调制方法实现电动与再生制动一体化控制。
基于本发明所提供的无刷直流电机电动与再生制动一体化控制方法，通过以下两个实施例对本发明做进一步解释说明。
实施例一
本发明所提的控制方法可在DSP+CPLD架构下控制的无刷直流电机系统中实现。此架构下，CPLD作为外设，通过并行的数据总线地址总线和控制总线与DSP相连。图5为基于DSP与CPLD实现一体化控制的控制系统示意图，如图5所示。DSP根据控制算法实时的改变占空比，形成互补的PWM信号和换相逻辑选择信号送给CPLD。CPLD根据无刷直流电机的霍尔位置信号、DSP发出的互补PWM信号以及换相逻辑选择信号进行逻辑运算，形成驱动信号控制无刷直流电机的主功率电路，从而实现电机转速的稳定与控制。
具体实现步骤如下：
第一步：在无刷直流电机的DSP控制程序里，配置ePWM控制模块的输出控制，使GPIO0和GPIO1为PWM功能。
GpioCtrlRegs.GPAMUX1.bit.GPIO0＝1；//配置为PWM功能
GpioCtrlRegs.GPAMUX1.bit.GPIO1＝1；//配置为PWM功能
GpioCtrlRegs.GPAPUD.bit.GPIO0＝0；//使能内部上拉
GpioCtrlRegs.GPAPUD.bit.GPIO1＝0；//使能内部上拉
第二步：在无刷直流电机的DSP控制程序里，配置ePWM控制模块的死区控制，使的互补的PWM信号PWMA与PWMB之间有死区。
EPwm1Regs.DBCTL.bit.OUT_MODE＝0x03；//使能死区控制
EPwm1Regs.DBCTL.bit.POLSEL＝0x02；//PWM的极性选择
EPwm1Regs.DBRED＝100；//设置死区时间
EPwm1Regs.DBFED＝100；//设置死区时间
通过上面两步DSP可以输出两路互补且有死区的PWM信号PWMA与PWMB。
第三步：在CPLD控制程序设计单极性调制实现电动与再生制动一体化控制的换相逻辑，按照如下关系式设计。
Figure BDA0002799207760000061
Figure BDA0002799207760000062
Figure BDA0002799207760000063
Figure BDA0002799207760000064
Figure BDA0002799207760000065
Figure BDA0002799207760000066
本发明所提的控制方法在DSP28335与CPLD构成的无刷直流电机控制器中实现。DSP通过EPWM1A与EPWM1B口输出两路互补的PWM信号，送给CPLD，CPLD根据输入的Hall位置信号Ha，Hb，Hc形成功率开关管的驱动信号。
实施例二
本发明所提的控制方法也可在DSP控制的无刷直流电机系统中实现。图6为基于DSP实现一体化控制的控制系统示意图，如图6所示，其中，M1为无刷直流电机。DSP通过捕获口(CAP口)捕获霍尔信号，再根据单极性调制实现电动与再生制动一体化的换相逻辑，以及控制算法生成的占空比，最终形成驱动信号控制无刷直流电机的主功率电路，从而实现电机转速的稳定与控制。下面给出了电机在一个旋转方向和一个换相区间(如图2中30°～90°区间)的实现步骤，相反方向的换相逻辑和其他换相区间的实现类似。
具体实现步骤如下：
第一步：在无刷直流电机的DSP控制程序里，配置ePWM控制模块的输出控制，使GPIO0和GPIO1为PWM功能。
GpioCtrlRegs.GPAMUX1.bit.GPIO0＝1；//配置为PWM功能
GpioCtrlRegs.GPAMUX1.bit.GPIO1＝1；//配置为PWM功能
GpioCtrlRegs.GPAMUX1.bit.GPIO2＝1；//配置为PWM功能
GpioCtrlRegs.GPAMUX1.bit.GPIO3＝1；//配置为PWM功能
GpioCtrlRegs.GPAMUX1.bit.GPIO4＝1；//配置为PWM功能
GpioCtrlRegs.GPAMUX1.bit.GPIO5＝1；//配置为PWM功能
GpioCtrlRegs.GPAPUD.bit.GPIO0＝0；//使能内部上拉
GpioCtrlRegs.GPAPUD.bit.GPIO1＝0；//使能内部上拉
GpioCtrlRegs.GPAPUD.bit.GPIO2＝0；//使能内部上拉
GpioCtrlRegs.GPAPUD.bit.GPIO3＝0；//使能内部上拉
GpioCtrlRegs.GPAPUD.bit.GPIO4＝0；//使能内部上拉
GpioCtrlRegs.GPAPUD.bit.GPIO5＝0；//使能内部上拉
第二步：设计换相函数。
Figure BDA0002799207760000071
Figure BDA0002799207760000081
其中HallAngle为霍尔信号Ha、Hb、Hc的二进制值，按照顺序综合成十六进制数，并转换成十进制形成的数值，其值分别为5，1，3，4，6，2。
第三步：根据发明内容中提到的每个开关的导通逻辑表达式，设计每一个换相区间的调制函数。
Pwm1APWM2B()//用于驱动VT1、VT6
{
EALLOW；//关闭中断
EPwm1Regs.AQCSFRC.bit.CSFA＝0；//EPwm1A输出PWM
EPwm1Regs.AQCSFRC.bit.CSFB＝0；//EPwm1B输出PWM
EPwm2Regs.AQCSFRC.bit.CSFA＝0x02；//EPwm2A强制为高电平输出
EPwm2Regs.AQCSFRC.bit.CSFB＝0x02；//EPwm2B强制为高电平输出
EPwm3Regs.AQCSFRC.bit.CSFA＝0x02；//EPwm3A强制为高电平输出
EPwm3Regs.AQCSFRC.bit.CSFB＝0x01；//EPwm3B强制为低电平输出
EPwm2Regs.DBCTL.bit.OUT_MODE＝0；//关闭死区使能
EPwm3Regs.DBCTL.bit.OUT_MODE＝0；//关闭死区使能
EPwm1Regs.AQCTLA.bit.CAU＝0x01；//计数值与比较寄存器的值相等时输出低电平
EPwm1Regs.AQCTLA.bit.CAD＝0x02；//计数值与比较寄存器的值相等时输出高电平
EPwm1Regs.DBCTL.bit.IN_MODE＝0；//设置信号源
EPwm1Regs.DBCTL.bit.OUT_MODE＝0；//使能死区
EPwm1Regs.DBCTL.bit.POLSEL＝0x02；//极性选择
EPwm1Regs.DBFED＝40；//设置死区时间
EPwm1Regs.DBRED＝40；//设置死区时间
EDIS；//开中断
}
函数PWM1APWM3B()；PWM2APWM3B()；PWM2APWM1B()；PWM3APWM1B()；PWM3APWM2B()；的设计与PWM1APWM2B()类似。
本发明提出的一种无刷直流电机电动与再生制动一体化控制方法，实现了电动与再生制动状态平滑过渡和两种状态下的稳速控制。
本发明与现有技术相比有如下优点：
(1)本发明所提方法与现有驱动无刷直流电机硬件电路电路完全相同的，只需通过修改软件改变无刷直流电机换相逻辑和调制方法。
(2)无需状态转换命令，能自动在电动与再生制动两种状态间转换。传统的无刷直流电机电动和制动再生制动的调制方法和换相逻辑不能实现电动电动到再生制动的自动过渡，从电动到制动需要人为发出控制指令，然后改变换相逻辑从而实现状态的切换。本发明所提的控制方法能够实现电动与再生制动状一体化控制，能够实现电动到再生制动的平滑过渡，而无需人为控制的指令，完全根据负载情况自动实现两种状态的切换。
(3)能实现电动与再生制动状态转换时的稳速控制。传统的无刷直流电机控制只能实现电动状态或者再生制动状态下的稳速控制。两种状态的是独立运行的，不能实现电动再生制动两种状态过渡时稳速控制。本发明所提的方法，在两种状态下的过渡时也能实现转速闭环控制。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种无刷直流电机电动与再生制动一体化控制方法，其特征在于，所述一体化控制方法应用于三相六状态Y形接法的无刷直流电机，所述一体化控制方法包括：
对参与工作的两个桥臂中的一个桥臂的上功率开关管和下功率开关管施加互补驱动信号，对另一个桥臂的下功率开关管施加恒通的驱动信号，构成降压斩波BUCK/升压斩波BOOST电路，实现电流双方向流通；
当所述无刷直流电机工作在电动状态时，所述无刷直流电机的电路处于BUCK模式，通过降压斩波方式调压调速；当所述无刷直流电机工作在再生制动状态时，所述无刷直流电机的电路处于BOOST模式，通过升压斩波方式实现再生制动状态下的调速。
2.根据权利要求1所述的无刷直流电机电动与再生制动一体化控制方法，其特征在于，所述无刷直流电机的第一桥臂包括串联的第一功率开关管VT1以及第四功率开关管VT4；
所述无刷直流电机的第二桥臂包括串联的第三功率开关管VT3以及第六功率开关管VT6；
所述无刷直流电机的第三桥臂包括串联的第五功率开关管VT5以及第二功率开关管VT2。
3.根据权利要求2所述的无刷直流电机电动与再生制动一体化控制方法，其特征在于，所述第一功率开关管VT1的导通逻辑表达式为：
Figure FDA0002799207750000011
Figure FDA0002799207750000012
所述第二功率开关管VT2的导通逻辑表达式为：
Figure FDA0002799207750000013
Figure FDA0002799207750000014
所述第三功率开关管VT3的导通逻辑表达式为：
Figure FDA0002799207750000015
所述第四功率开关管VT4的导通逻辑表达式为：
Figure FDA0002799207750000016
Figure FDA0002799207750000017
所述第五功率开关管VT5的导通逻辑表达式为：
Figure FDA0002799207750000018
所述第六功率开关管VT6的导通逻辑表达式为：
Figure FDA0002799207750000021
Figure FDA0002799207750000022
其中，Ha为A相霍尔信号；Hb为B相霍尔信号；Hc为C相霍尔信号；
Figure FDA0002799207750000023
为A相霍尔信号的逻辑“非”；
Figure FDA0002799207750000024
为B相霍尔信号的逻辑“非”；
Figure FDA0002799207750000025
为C相霍尔信号的逻辑“非”；PWMA为A相脉冲宽度调制信号，PWMB为B相脉冲宽度调制信号，PWMA与PWMB为占空比互补的脉冲宽度调制信号；上功率开关管的顺序依次为VT1、VT3、VT5，下功率开关管的顺序依次为VT4、VT6、VT2；∩为逻辑“与”，∪为逻辑“或”。
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