CN113422544B - 一种改善电机转速波动的pwm调制系统 - Google Patents

Abstract

本发明一种改善电机转速波动的PWM调制系统。解决了方波PWM调制时转速波动大和弦波PWM调制时电路复杂度高的问题。系统，其特征在于：包括换向逻辑电路、PWM调制电路、控制寄存器、PWM发生器和驱动电机转动的三相桥式驱动电路，换相逻辑电路控制开关管的导通关断，确定电机的换相时刻；PWM调制电路控制6路导通PWM的输出形式，上臂开关管导通时采用PWM调制，下管开关管导通时保持恒通，本发明将传统的方波PWM调制和弦波PWM调制相结合，形成新型PWM调制方法，调制的电机控制系统不仅转速波动较小，且稳定性较强。

Description

一种改善电机转速波动的PWM调制系统

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，尤其是涉及一种改善电机转速波动的PWM调制系统。

背景技术

直流无刷电机(BLDCM)是目前应用最广泛的电机之一，它有效的避免了直流有刷电机带来的寿命短，损耗大等问题，因其控制简单、生产成本低、体积小等优势应用在各种场所，成为当下的研究热点。直流无刷电机速度调节一般由PWM调制技术实现，通过改变PWM占空比改变电机速度。采用传统方波驱动的直流无刷电机控制系统存在转速波动较大、稳定性差的问题，一般适用于对电动机运行平稳性要求低但对出力要求较高的场合。相比之下，采用弦波驱动的直流无刷电机控制系统产生的转速波动较小，稳定性较强，并且还能有效提高电压利用率和电机调速响应速度，然而弦波驱动系统的数学模型复杂，算法设计和调试相对比较困难，一般只适用于高精度场所。弦波驱动系统有正弦波PWM调制和马鞍波PWM调制两种形式，正弦波PWM调制是调制波为正弦波波形，载波为三角波。马鞍波PWM的调制波是在正弦波的基础上注入三次谐波形成的马鞍波。正弦波调制和马鞍波调制电路的整体计算量不仅大而且复杂，一般采用MCU、DSP等计算能力强的处理器实现，同时，采用正弦波和马鞍波脉冲调制在电机运转出现故障时，对使用人员要求较高，出现故障维修麻烦。

发明内容

本发明主要是解决了方波PWM调制时转速波动大和弦波PWM调制时电路复杂度高的问题，提供了一种改善电机转速波动的PWM调制系统。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种改善电机转速波动的PWM调制系统，其特征在于：包括换向逻辑电路、PWM调制电路、控制寄存器、PWM发生器和驱动电机转动的三相桥式驱动电路，换相逻辑电路、控制寄存器分别连接PWM调制电路，换相逻辑电路、控制寄存器、PWM调制电路分别连接PWM发生器，PWM发生器与三相桥式驱动电路的各开关管控制端相连，

换向逻辑电路，获取转子位置信号，将位置信号转换成PWM开关使能信号发送给PWM发生器，将位置信号发送给PWM调制电路；通过霍尔传感器或者反电动势过零检测电路对电机转子位置进行检测，其中霍尔传感器检测到的转子位置信号可直接控制电机换相，反电动势过零检测电路需要将反电动势过零点延迟30°，确定电机的换相点，间接控制电机换相。有位置传感器电机控制系统中电机转子位置可直接由传感器信号确定，无位置传感控制系统中需要测量电路的反电动势过零信号，并通过将反电动势过零点延迟30°，间接确定电机转子的位置。

PWM调制电路，包括查找表，查找表内存储有弦波PWM调制方式的调制波形数据，PWM调制电路确定各路PWM输出脉冲的PWM调试方式，计算位置信号频率和电机实际转速，确定查找表输出数据频率和输出幅值，进而确定PWM周期和PWM占空比；

控制寄存器，设置控制数据并存储，输出控制数据到PWM调制电路和PWM发生器；

PWM发生器，根据控制寄存器计数值和占空比值比较结果，对各开关管通断进行控制，在各路开关管导通时，控制上臂开关管正常输出PWM输出脉冲，控制下臂开关管对脉冲进行屏蔽，输出恒定高电平。PWM发生器接口设计为通用型接口，包括3bit的PWM使能信号，1bit的死区使能信号，2bit的PWM计数方式选择信号,6bit的屏蔽使能信号以及6bit的屏蔽信号，用户可通过控制接口信号输出需要的PWM脉冲模式，比如PWM_ON模式、ON_PWM模式、H_PWM_L_ON模式、H_ON_L_PWM模式、H_PWM_L_PWM模式等。

本发明将传统的方波PWM调制和弦波PWM调制相结合，形成新型PWM调制方法，调制的电机控制系统不仅转速波动较小，且稳定性较强。解决了方波PWM调制时转速波动大和弦波PWM调制时电路复杂度高的问题。电机控制系统采用方波和弦波结合的形式，其中弦波幅值采用查找表方法实现，无需复杂电路。本发明电路结构简单、成本低、精度高。电路各个模块独立可分离，方便研究人员开发研究。

作为一种优选方案，弦波PWM调试方式包括H_SPWM_ON调制方式和H_SAPWM_ON调制方式，H_SPWM_ON调制方式和H_SAPWM_ON调制方式中的调制波形数据存在在查找表中，在确定输出PWM调试方式为H_SPWM_ON调制方式时，查找表输出数据为正弦波存储数据值，确定输出PWM调制方式为H_SAPWM_L_ON调制方法时，查找表输出数据为马鞍波存储数据值。弦波调制采用查找表方法实现，操作简单，无需复杂电路。

作为一种优选方案，查找表输出数据频率确定过程包括：

对位置信号的周期进行测量；

获取位置信号周期内查找表数据整体加载次数和查找表数据数量，计算查找表数据输出频率＝(位置信号周期/查找表数据整体加载次数)/查找表数据数量。

作为一种优选方案，查找表输出幅值确定过程包括：

对位置信号的周期T_c和出现次数M₁进行测量，转换成电机的实际转速值

设定电机的设置转速，通过外部PID控制器调节转速，根据实际转速和设置转速的偏差计算调节值，PID控制器输出调节值为，

△u(k)＝k_p[e(k)-e(k-1)]+k_ie(k)+k_d[e(k)-2e(k-1)-e(k-2)]

其中，k为采样次数，e(k)为第k次转速采样时的偏差值，k_p为PID控制器比例系数，k_i为PID控制器积分系数，k_d为PID控制器微分系数；

调节后查找表输出幅值为，

So＝S_i(1+△u(k))

其中S_o为幅值，S_i为查找表数据幅值。

作为一种优选方案，PWM周期计算过程包括：

对位置信号的周期进行测量，获取位置信号频率，

PWM周期为计数器设置周期值＝(cnr*2+1)T，其中cnr为计数值，由位置信号频率确定，T为电机系统的时钟周期。

作为一种优选方案，PWM占空比确定过程包括：

根据控制寄存器设置的PWM调制模式，确定PWM占空比的输出值为传统方波数据或者正弦波幅值表调节后的数据或者马鞍波幅值表调节后的数据。

作为一种优选方案，控制寄存器包括PWM计数器，对输入信号进行计数，将PWM计数器值与PWM占空比值进行比较，当计数器值大于PWM占空比值，PWM发生器输出低电平，当计数器值小于占空比值，PWM发生器输出高电平。

作为一种优选方案，在各路PWM输出脉冲上升沿或下降沿处，启动一个高频时钟的减法计数器，减法计数器初始值根据驱动管的实际死区时间确定，初始值为T_d0＝T_df_{d_c}-1，其中T_d为驱动管所需死区时间，f_d__c为死区计数时钟频率，死区计数器由初始值T_d0开始计数，当该计数器输出不为零时，屏蔽PWM输出脉冲，当该计数器输出为零时正常输出PWM输出脉冲。采用一个死区计数器实现两路互补PWM的死区功能。

因此，本发明的优点是：

1.将传统的方波PWM调制和弦波PWM调制相结合，形成新型PWM调制方法，调制的电机控制系统不仅转速波动较小，且稳定性较强。

2.电路结构简单、成本低、精度高；电路各个模块独立可分离，方便研究人员开发研究。

附图说明

图1是本发明的一种系统结构框示图；

图2是本发明中H_SPWM_L_ON调制方法波形示意图。

1-换向逻辑电路 2-PWM调制电路 3-控制寄存器 4-PWM发生器 5-三相桥式驱动电路。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

本实施例一种改善电机转速波动的PWM调制系统，如图1所示，包括换向逻辑电路1、PWM调制电路2、控制寄存器3、PWM发生器4和驱动电机转动的三相桥式驱动电路5，换相逻辑电路、控制寄存器分别连接PWM调制电路，换相逻辑电路、控制寄存器、PWM调制电路分别连接PWM发生器，PWM发生器与三相桥式驱动电路的各开关管控制端相连，三相桥式驱动电路A、B、C端点分布连接电机三相线路。

换向逻辑电路，获取转子位置信号，将位置信号转换成PWM开关使能信号发送给PWM发生器，将位置信号发送给PWM调制电路；

PWM调制电路，包括查找表，查找表内存储有弦波PWM调制方式的调制波形数据，PWM调制电路确定各路PWM输出脉冲的PWM调试方式，计算位置信号频率和电机实际转速，确定查找表输出数据频率和输出幅值，进而确定PWM周期和PWM占空比；

控制寄存器，设置控制数据并存储，输出控制数据到PWM调制电路和PWM发生器；控制寄存器为一个32bit控制寄存器conr，设置如下，其中conr[1:0]控制PWM调制方法的选择，conr[1:0]＝01时电路工作在H_SPWM_L_ON调制模式下，conr[1:0]＝10时电路工作在H_SAPWM_L_ON调制模式下，conr[1:0]＝00时电路工作在用户自设置PWM调制模式下。conr[4]为本系统电路的使能开关，高电平有效，conr[4]＝1时电路处于工作状态，conr[4]＝0时电路处于关断状态。conr[8]控制PWM输出极性，conr[8]＝1时输出PWM脉冲高电平有效，conr[8]＝0时输出PWM脉冲低电平有效。conr[10:9]控制PWM发生器的计数方式，conr[10:9]＝01时为下数计数方式，conr[10:9]＝10时为上数计数方式，conr[10:9]＝11时为中心对齐计数方式。conr[12]控制整个电路的换相控制方法，conr[12]＝1时电机靠电机本体的位置传感器实现换相，conr[12]＝0时电机靠检测到的反电动势过零信号实现换相。conr[13]为死区计数功能开关，高电平使能，conr[13]＝1时，PWM输出带死区，conr[13]＝0时，输出PWM不带死区。

PWM发生器，根据控制寄存器计数值和占空比值比较结果，对各开关管通断进行控制，在各路开关管导通时，控制上臂开关管正常输出PWM输出脉冲，控制下臂开关管对脉冲进行屏蔽，输出恒定高电平。

本实施例以采用H_SPWM_L_ON调制方法为例，控制寄存器设置为，三相桥式驱动电路开关管导通极性为高电平导通，PWM输出中心对其计数模式下不带死区功能的脉冲组，完成控制寄存器设置。

通过控制寄存器conr[1:0]写入控制信号，conr[1:0]＝01，选择PWM调制选择的调制波为正弦波，系统采用H_SPWM_L_ON调制方法，查找表输出数据为正弦波存储数据值。

通过霍尔传感器获取电机转子位置信号，根据位置信号确定换相时刻，按照正转时开关管的导通信息(VT3 VT4、VT5 VT4、VT5 VT6、VT1 VT6、VT1 VT2、VT3 VT2)和反转时开关管的导通顺序(VT1 VT6、VT1 VT2、VT3 VT2、VT3 VT4、VT5 VT4、VT5 VT6)，对6路PWM导通关断及导通时间进行控制。

计算位置信号频率和电机实际转速，确定查找表输出数据频率和输出幅值，进而确定PWM周期和PWM占空比。

查找表输出数据频率确定过程包括：

对位置信号的周期进行测量；

获取位置信号周期内查找表数据整体加载次数和查找表数据数量，如在位置信号脉冲单周期内，查找表数据整体加载3次，查找表具有130个数据。计算查找表数据输出频率＝(位置信号周期/查找表数据整体加载次数)/查找表数据数量。计算出查找表数据输出频率为位置信号频率390倍。

查找表输出幅值确定过程包括：

对位置信号的周期T_c和出现次数M₁进行测量，转换成电机的实际转速值

设定电机的设置转速，通过外部PID控制器调节转速，根据实际转速和设置转速的偏差计算调节值，PID控制器输出调节值为，

△u(k)＝k_p[e(k)-e(k-1)]+k_ie(k)+k_d[e(k)-2e(k-1)-e(k-2)]

其中，k为采样次数，e(k)为第k次转速采样时的偏差值，k_p为PID控制器比例系数，k_i为PID控制器积分系数，k_d为PID控制器微分系数；

调节后查找表输出幅值为，

So＝S_i(1+△u(k))

其中S_o为幅值，S_i为查找表数据幅值。

确定PWM周期，计算过程为：

PWM周期为计数器设置周期值＝(cnr*2+1)T，其中cnr为计数值，由位置信号频率确定，T为电机系统的时钟周期。PWM周期为位置信号周期的1/390。

PWM占空比确定过程包括：

根据控制寄存器设置的PWM调制模式，确定PWM占空比的输出值为传统方波数据或者正弦波幅值表调节后的数据或者马鞍波幅值表调节后的数据。

控制寄存器包括PWM计数器，对输入信号进行计数，将PWM计数器值与占空比值进行比较，当计数器值大于占空比值，PWM发生器输出低电平，当计数器值小于占空比值，PWM发生器输出高电平。

同时在各路开关管导通时，控制上臂开关管VT1、VT3、VT5正常输出PWM输出脉冲，控制下臂开关管VT2、VT4、VT6对脉冲进行屏蔽，输出恒定高电平，最终输出六路PWM波形如图2所示。

另外，在无位置传感器的系统中可以采用反电动势过零检测电路，测量电路的反电动势过零信号，并通过将反电动势过零点延迟30°，间接确定电机转子的位置。在本实施例中还能启动死区功能，其过程包括在各路PWM输出脉冲上升沿或下降沿处，启动一个高频时钟的减法计数器，减法计数器初始值根据驱动管的实际死区时间确定，初始值为T_d0＝T_df_{d_c}-1，其中T_d为驱动管所需死区时间，f_d_c为死区计数时钟频率，死区计数器由初始值T_d0开始计数，当该计数器输出不为零时，屏蔽PWM输出脉冲，当该计数器输出为零时正常输出PWM输出脉冲。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了换向逻辑电路、PWM调制电路、控制寄存器、PWM发生器等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (8)

1.一种改善电机转速波动的PWM调制系统，其特征在于：包括换向逻辑电路（1）、PWM调制电路（2）、控制寄存器（3）、PWM发生器（4）和驱动电机转动的三相桥式驱动电路（5），换相逻辑电路、控制寄存器分别连接PWM调制电路，换相逻辑电路、控制寄存器、PWM调制电路分别连接PWM发生器，PWM发生器与三相桥式驱动电路的各开关管控制端相连，

换向逻辑电路，获取转子位置信号，将位置信号转换成PWM开关使能信号发送给PWM发生器，将位置信号发送给PWM调制电路；

PWM调制电路，包括查找表，查找表内存储有弦波PWM调制方式的调制波形数据，PWM调制电路确定各路PWM输出脉冲的PWM调制方式，计算位置信号频率和电机实际转速，确定查找表输出数据频率和输出幅值，进而确定PWM周期和PWM占空比；

控制寄存器，设置控制数据并存储，输出控制数据到PWM调制电路和PWM发生器；控制寄存器包括PWM计数器，对输入位置信号进行计数，将PWM计数器值与PWM占空比值进行比较；

PWM发生器，根据控制寄存器计数值和占空比值比较结果，对各开关管通断进行控制，在各路开关管导通时，控制上臂开关管正常输出PWM输出脉冲，控制下臂开关管对脉冲进行屏蔽，输出恒定高电平。

2.根据权利要求1所述的一种改善电机转速波动的PWM调制系统，其特征是弦波PWM调制 方式包括H_SPWM_ON调制方式和H_SAPWM_ON调制方式，H_SPWM_ON调制方式和H_SAPWM_ON调制方式中的调制波形数据存在在查找表中，在确定输出PWM调制方式为H_SPWM_ON调制方式时，查找表输出数据为正弦波存储数据值，确定输出PWM调制方式为H_SAPWM_L_ON调制方法时，查找表输出数据为马鞍波存储数据值。

3.根据权利要求1所述的一种改善电机转速波动的PWM调制系统，其特征是查找表输出数据频率确定过程包括：

对位置信号的周期进行测量；

获取位置信号周期内查找表数据整体加载次数和查找表数据数量，计算查找表数据输出频率=（位置信号周期/查找表数据整体加载次数）/查找表数据数量。

4.根据权利要求1所述的一种改善电机转速波动的PWM调制系统，其特征是查找表输出幅值确定过程包括：

对位置信号的周期

和出现次数

进行测量，转换成电机的实际转速值

；

设定电机的设置转速，通过外部PID控制器调节转速，根据实际转速和设置转速的偏差计算调节值，PID控制器输出调节值为，

其中，k为采样次数，e(k)为第k次转速采样时的偏差值，k_p为PID控制器比例系数，k_i为PID控制器积分系数，k_d为PID控制器微分系数；

调节后查找表输出幅值为，

其中

为幅值，

为查找表数据幅值。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种改善电机转速波动的PWM调制系统，其特征是PWM周期计算过程包括：

对位置信号的周期进行测量，获取位置信号频率，

PWM周期为计数器设置周期值=（cnr*2+1）T，其中cnr为计数值，由位置信号频率确定，T为电机系统的时钟周期。

6.根据权利要求1-4任一项所述的一种改善电机转速波动的PWM调制系统，其特征是PWM占空比确定过程包括：

根据控制寄存器设置的PWM调制模式，确定PWM占空比的输出值为方波数据或者正弦波幅值表调节后的数据或者马鞍波幅值表调节后的数据。

7.根据权利要求6所述的一种改善电机转速波动的PWM调制系统，其特征是PWM发生器PWM波形发生过程为，将PWM计数器值与PWM占空比值进行比较，当计数器值大于PWM占空比值，PWM发生器输出低电平，当计数器值小于PWM占空比值，PWM发生器输出高电平。

8.根据权利要求1-4任一项所述的一种改善电机转速波动的PWM调制系统，其特征是在各路PWM输出脉冲上升沿或下降沿处，启动一个高频时钟的减法计数器，减法计数器初始值根据驱动管的实际死区时间确定，初始值为

，其中

为驱动管所需死区时间，

为死区计数时钟频率，死区计数器由初始值

开始计数，当该计数器输出不为零时，屏蔽PWM输出脉冲，当该计数器输出为零时正常输出PWM输出脉冲。

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