CN113783393A - 直流无刷电机、电机控制系统、轨道列车及控制方法 - Google Patents

直流无刷电机、电机控制系统、轨道列车及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种直流无刷电机，包括同轴设置且端部相连的两个永磁体圆筒，永磁体圆筒内设置有沿圆周交错布置的多组三相电枢绕组，每个永磁体圆筒均包括沿圆周交错布置的多个N极和多个S极，两个永磁体圆筒的结构相同，且一个永磁体圆筒内的各磁极均与另一个永磁体圆筒内对应的同一极性磁极错开第一预设角度。通过错开预定角度两个永磁体圆筒，分散两极交界处的切向力，减小转矩波动，提升运行平稳性。本发明还公开一种包括上述直流无刷电机的电机控制系统以及包括上述电机控制系统的轨道列车，本发明还公开一种直流无刷电机控制方法。

Description

直流无刷电机、电机控制系统、轨道列车及控制方法
技术领域
本发明涉及轨道交通领域，特别是涉及一种直流无刷电机、电机控制系统、轨道列车及控制方法。
背景技术
直流无刷电机是同步电机的一种，广泛应用于多种领域，其主要结构包括定子和转子两部分，其中转子为永磁体，定子为三相电枢绕组。和普通直流电机不同，直流无刷电机没有换向器，电机的换相是通过逆变变频技术，在定子的电枢绕组上施加频率可调的三相交流电，产生旋转磁场，从而带动转子转动。但是，直流无刷电机中，通常是永磁铁并列排布，N极和S极交错布置，在N极、S极交界处受到的切向力最大，并且呈向两侧递减的趋势，因此电机会发生转矩波动，引发电机共振等不良状况。
另外当直流无刷电机作为轨道列车辅助系统必不可少的一种设备，它通常连接散热设备。传统的直流无刷电机一般采用单一芯片控制策略，芯片中集成控制、信号处理及监控保护功能，可满足普通静态环境中使用。针对轨道交通车辆来说，使用环境较恶劣，因此，对电机的稳定性、可靠性要求较高。传统的单芯片直流无刷电机在运用过程中由于外部各种因素，如车辆振动、电压电流波动、外部干扰等，可能导致芯片损坏，从而引起电机故障，进而影响车辆正常运行。
因此，如何提供一种克服上述问题的直流无刷电机及电机控制系统是本领域技术人员需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种直流无刷电机、电机控制系统及控制方法，通过错开预定角度两个永磁体圆筒，分散两极交界处的切向力，减小转矩波动，提升运行平稳性。本发明的另一目的是提供一种包括上述系统的轨道列车。
为解决上述技术问题，本发明提供一种直流无刷电机，包括同轴设置且端部相连的两个永磁体圆筒，所述永磁体圆筒内设置有沿圆周交错布置的多组三相电枢绕组，每个所述永磁体圆筒均包括沿圆周交错布置的多个N极和多个S极，两个所述永磁体圆筒的结构相同，且一个所述永磁体圆筒内的各磁极均与另一个所述永磁体圆筒内对应的同一极性磁极错开第一预设角度。
优选地，所述第一预设角度为所述永磁体圆筒内单个磁极所占机械角度的六分之一。
优选地，每个所述永磁体圆筒包括三个所述N极和三个所述S极，单个所述磁极所占60度机械角度，所述第一预设角度为10度，包括三组所述三相电枢绕组。
优选地，所述三相电枢绕组上沿圆周依次安装有三个霍尔传感器，相邻两个所述霍尔传感器之间相距20度机械角度，位于外侧的所述霍尔传感器与电枢绕组交界处相距第二预设角度，所述第二预设角度为20度减去所述第一预设角度的二分之一。
本发明还提供一种电机控制系统，包括主芯片、安全保护芯片、信号处理芯片、开关电源、驱动器、逆变器和上述任意一项所述的直流无刷电机，所述主芯片连接各部件并用于控制所述直流无刷电机运行并监测所述直流无刷电机状态，所述安全保护芯片连接所述驱动器和所述直流无刷电机，用于异常状态时关断所述驱动器或复位所述主芯片，所述信号处理芯片用于信号输入输出并与所述主芯片通信。
优选地，所述信号处理芯片和所述主芯片通过光耦隔离器通信隔离，所述开关电源包括连接所述信号处理芯片的隔离侧电源和连接所述主芯片的非隔离侧电源。
本发明还提供一种轨道列车，包括散热装置以及连接所述散热装置的电机控制系统，所述电机控制系统具体为上述任意一项所述电机控制系统。
本发明提供一种直流无刷电机控制方法，用于控制如上述任意一项所述的直流无刷电机，包括步骤：
根据霍尔传感器获取的三相电枢绕组的位置，判断三个电枢绕组为最佳受力电枢绕组、次佳受力电枢绕组和差受力电枢绕组；
使所述最佳受力电枢绕组通正向满电，所述次佳受力电枢绕组通反向满电，所述差受力电枢绕组通0电压；
在同一霍尔状态内旋转过程中，所述最佳受力电枢绕组保持通正向满电，所述次佳受力电枢绕组通电由反向满电减至0电压，所述差受力电枢绕组通电由0电压升至反向满电；
旋转进入下一霍尔状态，此时之前的所述最佳受力电枢绕组变为所述次佳受力电枢绕组，之前的所述次佳受力电枢绕组变为所述差电枢绕组，之前的所述差电枢绕组变为所述最佳受力电枢绕组；
在此霍尔状态内旋转过程中，所述最佳受力电枢绕组保持通反向满电，所述次佳受力电枢绕组通电由正向满电减至0电压，所述差受力电枢绕组通电由0电压升至正向满电；
旋转进入再下移霍尔状态，重复上述绕组变化和通电过程。
优选地，包括六个所述霍尔状态，每个所述霍尔状态占40度机械角度。
优选地，所述三相电枢绕组的占空比分别为sin(ang*90/40)*duty_x、duty_x和cos(ang*90/40)*duty_x，其中ang为电机旋转角度，duty_x为电机当前占空比。
本发明提供一种直流无刷电机，包括同轴设置且端部相连的两个永磁体圆筒，永磁体圆筒内设置有沿圆周交错布置的多组三相电枢绕组，每个永磁体圆筒均包括沿圆周交错布置的多个N极和多个S极，两个永磁体圆筒的结构相同，且一个永磁体圆筒内的各磁极均与另一个永磁体圆筒内对应的同一极性磁极错开第一预设角度。
通过错开预定角度两个永磁体圆筒，分散两极交界处的切向力，减小转矩波动，提升运行平稳性。
进一步地，采用三芯片控制方案，三芯片分别承担独立的工作，互不干扰，并在物理上、电气上进行了隔离，可以增强电机控制系统的稳定性、可靠性，提高了电机的使用寿命。
进一步地，通过上述控制方法，采用最优通电方式，可使各电枢绕组处于更优的受力点，从而增大电机转矩，提高电机效率。
本发明还提供一种包括上述直流无刷电机的电机控制系统，还提供一种包括上述系统的轨道列车，由于上述直流无刷电机具有上述技术效果，上述电机控制系统及轨道列车也具有同样的技术效果，在此不再详细介绍。
附图说明
图1为本发明所提供的直流无刷电机的一种具体实施方式的俯视示意图；
图2为本发明所提供的直流无刷电机的一种具体实施方式的主视示意图；
图3为本发明所提供的电机控制系统的一种具体实施方式的结构框图；
图4为本发明所提供的电机控制系统的一种具体实施方式中逆变电路的示意图；
图5为本发明所提供的电机控制系统的一种具体实施方式中逆变电路的桥臂控制信号时序图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种直流无刷电机、电机控制系统及控制方法，通过错开预定角度两个永磁体圆筒，分散两极交界处的切向力，减小转矩波动，提升运行平稳性。本发明的另一核心是提供一种包括上述系统的轨道列车。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1和图2，图1为本发明所提供的直流无刷电机的一种具体实施方式的俯视示意图；图2为本发明所提供的直流无刷电机的一种具体实施方式的主视示意图。
本发明具体实施方式提供一种直流无刷电机，包括转子和设置于转子内的定子，其中，定子为沿圆周交错布置的多组三相电枢绕组2，即包括多组U相电枢绕组、V相电枢绕组和W相电枢绕组。转子包括两个永磁体圆筒1，且两个永磁体圆筒1同轴设置并端部相连，形成一个完整的套筒结构，多组三相电枢绕组2作为定子设置在套筒结构内部，每个永磁体圆筒1均包括多个N极和多个S极，N极和S极沿圆周交错布置，即弧形板状的N极和S极交错围绕成一个圆筒结构，同时N极和S极的尺寸相同，保证磁极均匀布置，进一步地，两个永磁体圆筒1的结构相同，即各磁极的圆弧长度均相同，且两个永磁体圆筒1错开布置，即在外型上仍然为一个完整的圆筒结构，但是磁极是错开的，而不是N极正对S极，而由于各磁极的圆弧长度相同，一个磁极错开，会使其他磁极同样错开，使一个永磁体圆筒1内的各磁极均与另一个永磁体圆筒1内对应的同一极性磁极错开第一预设角度，根据附图2可知，上方永磁体圆筒1的N极同时接触下方永磁体圆筒1的N极和S极，下方永磁体圆筒1的S极也同时接触下方永磁体圆筒1的N极和S极，在图1中，外圈实线表示上方的永磁体圆筒1，虚线表示下方的永磁体圆筒1。
通过错开预定角度两个永磁体圆筒1，分散两极交界处的切向力，减小转矩波动，提升运行平稳性。
进一步地，上下两个永磁体圆筒1之间错开的角度不宜过大，因为同层之间产生的横向磁场是电机真正做工的磁场，而上下两层之间产生的纵向磁场无法对电枢做工。随着错开角度的增大，纵向磁场会增多，从而导致电机力矩减小。根据经验，错开的预设角度α以单个磁极所占的机械角度的1/6为宜，以三极对数电机为例，每个永磁体圆筒1包括三个N极和三个S极，单个磁极所占60度机械角度，第一预设角度为10度，还包括三组三相电枢绕组2。错开角度越大，力矩波动越小，但力矩损耗也越大，相应的，错开角度越小，力矩波动越大，但力矩损耗越小。
在上述各具体实施方式提供的直流无刷电机的基础上，电枢绕组在不同位置所受到的切向力不同，为了获得更大的转矩，需要知道电枢绕组的准确位置，因此三相电枢绕组2上沿圆周依次安装有三个霍尔传感器3，相邻两个霍尔传感器3之间相距20度机械角度，位于外侧的霍尔传感器3与电枢绕组交界处相距第二预设角度β，第二预设角度β为20度减去第一预设角度α的二分之一，即β＝20–α/2。通过上述布置方式，可减小力矩损耗，达到更大的输出力矩，以及更高的效率。
请参考图3，图3为本发明所提供的电机控制系统的一种具体实施方式的结构框图。
本发明具体实施方式还提供一种电机控制系统，包括主芯片、安全保护芯片、信号处理芯片、开关电源、驱动器、逆变器、三相EMI、桥式整流电路和上述具体实施方式中提供的直流无刷电机，主芯片连接各部件并用于控制直流无刷电机运行并监测直流无刷电机状态，安全保护芯片连接驱动器和直流无刷电机，用于异常状态时关断驱动器或复位主芯片，信号处理芯片用于信号输入输出并与主芯片通信。进一步地，信号处理芯片和主芯片通过光耦隔离器通信隔离，开关电源包括连接信号处理芯片的隔离侧电源和连接主芯片的非隔离侧电源。
具体地，三相EMI设置在电机三相电源输入端，由车辆辅助系统提供三相380V/50Hz交流电，并与桥式整流电路连接，起到抑制三相输入电源电磁干扰的目的，提高用电品质。桥式整流电路将三相EMI处理过的三相交流电全波整流成中间直流电压，供给开关电源和逆变器用。逆变器中的逆变电路将中间直流电压进行逆变转换为交流方波电压，供给电机的三相电枢绕组2。霍尔传感器3采用磁敏式位置传感器，将采集的转子位置信号转换成电信号并传送给控制电路，经控制电路及控制算法决定各相电枢绕组导通的顺序和通断时间进而对功率模块进行控制。
信号处理芯片负责采集输入的数字/模拟信号，包括但不限于485总线信号、4-20mA电流信号、0-10V电压信号，并控制输出的数字/模拟信号，包括但不限于故障上报信号、运行状态信号。信号处理芯片及相关的外围电路与主电路之间通过隔离器相隔离，使用单独的隔离电源、隔离地，与主芯片间的通信也通过光耦隔离器进行隔离。所有的输入输出信号均由信号处理芯片处理，再通过双机通信，经过隔离器隔离后传输给主芯片，这样做可以有效防止外部输入/输出对主芯片的干扰，提升系统稳定性。主芯片负责直流无刷电机的控制工作，提供驱动信号，以及实时监测电机的运行状态，保障电机正常运行。安全保护芯片负责监控电机的运行状态，一旦发现异常可关断驱动器或复位主芯片，防止因主芯片故障而导致的电机运行异常。进一步地，驱动器根据主芯片输出的6路PWM信号，进行PWM驱动增强驱动逆变电路中同桥臂上下两个功率管通、断，同时驱动器内部集成了过流检测和保护模块，一旦系统出现过流故障，驱动器输出使电机截止，从而起到保护电路的功能。开关电源中间直流回路取电，经高频变压器将其转变为两路低压电源，其中一路为隔离侧电源，为信号输入模块供电，另一路为非隔离侧电源，为电机控制电路供电。
工作过程中，信号处理芯片负责输入输出控制，先采集外部输入的转速和转矩信号，将其转换成数字信号，并通过隔离器发送给主芯片，然后接收主芯片回传的反馈信号，并通过输出电路输出。主芯片负责电机的驱动和管理，首先通过隔离器接收来自信号处理芯片的转速和转矩信号，再采集电机的状态信息，包括电压、电流、温度、霍尔等。在电机状态正常，即未发生过流、过压、过温的情况下，控制器根据转速设定输出的占空比值，并根据霍尔传感器3的位置设定输出相序。一旦发生异常，则关闭驱动器，直到正常为止。
采用三芯片控制方案，三芯片分别承担独立的工作，互不干扰，并在物理上、电气上进行了隔离，可以增强电机控制系统的稳定性、可靠性，提高了电机的使用寿命。
请参考图4和图5，图4为本发明所提供的电机控制系统的一种具体实施方式中逆变电路的示意图；图5为本发明所提供的电机控制系统的一种具体实施方式中逆变电路的桥臂控制信号时序图。
本发明具体实施方式还提供一种直流无刷电机控制方法，用于控制上述具体实施方式提供的直流无刷电机，包括步骤：
根据霍尔传感器3获取的三相电枢绕组2的位置，判断三个电枢绕组为最佳受力电枢绕组、次佳受力电枢绕组和差受力电枢绕组；
使最佳受力电枢绕组通正向满电，次佳受力电枢绕组通反向满电，差受力电枢绕组通0电压；
在同一霍尔状态内旋转过程中，最佳受力电枢绕组保持通正向满电，次佳受力电枢绕组通电由反向满电减至0电压，差受力电枢绕组通电由0电压升至反向满电；
旋转进入下一霍尔状态，此时之前的最佳受力电枢绕组变为次佳受力电枢绕组，之前的次佳受力电枢绕组变为差电枢绕组，之前的差电枢绕组变为最佳受力电枢绕组；
在此霍尔状态内旋转过程中，最佳受力电枢绕组保持通反向满电，次佳受力电枢绕组通电由正向满电减至0电压，差受力电枢绕组通电由0电压升至正向满电；
旋转进入再下移霍尔状态，重复上述绕组变化和通电过程。
具体地，包括六个霍尔状态，每个霍尔状态占40度机械角度。进一步地，三相电枢绕组2的占空比分别为sin(ang*90/40)*duty_x、duty_x和cos(ang*90/40)*duty_x，其中ang为电机旋转角度，duty_x为电机当前占空比。
根据图4可知，逆变电路具有三个桥臂，分别控制UVW三相电枢绕组，每个桥臂由上下两部分构成，即H1、L1、H2、L2、H3、L3，通过控制上下桥臂的通断情况，可以控制相应电枢绕组的电压，电机绕组一般是星形连接。现有控制方法无法发挥电机的最大转矩，另外因为电机并不是始终选择最优电枢通电，电机效率也有损耗。
而本发明具体实施方式提供的控制方法，首先根据霍尔传感器3获得各相电枢绕组的位置，从而推算出三个电枢绕组为最佳受力电枢绕组、次佳受力电枢绕组和差受力电枢绕组。逆变器可以控制电枢绕组处于三种状态，得正电、负电和悬空，使最佳受力电枢绕组通满电，可以为正向满电，也可为负向满电，另外两个电枢绕组通反向电，即最佳受力电枢绕组通正向电，则另外两个电枢绕组通负向电，最佳受力电枢绕组同负向电，则另外两个电枢绕组通正向电。通满电相对于当前电机状态而言，比如当前占空比是50％，则50％则认为是满电状态，其余两个绕组根据当前的受力趋势，分配相应的占空比即可。结合下表距离，下表为霍尔状态和相序关系逻辑表。正代表上桥臂导通，通正电；负代表下桥臂导通，通负电；“↑”代表趋势增强，从0增至设定占空比；“↓”代表趋势减弱，从设定占空比降至0。下表所示霍尔状态和绕组上加载的正负电压，与霍尔摆放位置以及绕组绕线方向有关。本实施例只阐述控制算法，并未将全部的组合列出。
Figure BDA0003297687990000091
霍尔状态为000时，V相为最佳受力电枢绕组，通正向满电压，W相为次佳受力电枢绕组，通负向满电压，U相为差受力电枢绕组，通0电压，在000状态内旋转过程中，V相保持通正向满电，W相通电由反向满电减至0电压，U相通电由0电压升至反向满电。
此时进入下移霍尔状态，100状态，U相变为最佳受力电枢绕组，V相变为次佳受力电枢绕组，W相变为差受力电枢绕组，实际上，在000状态旋转过半时，U相电压开始但与W相电压，U相升级为次佳受力电枢绕组，W相电压变为差受力电枢绕组，直至电压变化完成，进入100状态，U相变为最佳受力电枢绕组，V相变为次佳受力电枢绕组。
在100状态内旋转过程中，U相保持通负向满电，V相通电由正向满电减至0电压，W相通电由0电压升至正向满电，可见，进入110状态后，W相变为最佳受力电枢绕组，U相变为次佳受力电枢绕组，V相变为差受力电枢绕组，根据上表循环上述步骤，实现最优通电。通过上述控制方法，采用最优通电方式，可使各电枢绕组处于更优的受力点，从而增大电机转矩，提高电机效率。
次佳受力电枢绕组和差受力电枢绕组变化服从正弦关系。根据当前转速以及当前时间，可求得当前旋转过的角度。每个状态机械角度(0-40°)，先线性化至(0-90°)，再对其取正/余弦，再乘以当前占空比，即可获得最终的占空比。假设在000状态下，电机旋转了ang°，当前电机的占空比为duty_x。则U/V/W相电枢绕组对应的桥臂(V上桥臂，U、W下桥臂)控制信号占空比分别为sin(ang*90/40)*duty_x、duty_x和cos(ang*90/40)*duty_x。
除了上述电机控制系统，本发明的具体实施方式还提供一种包括上述电机控制系统的轨道列车，该轨道列车其他各部分的结构请参考现有技术，本文不再赘述。
以上对本发明所提供的直流无刷电机、电机控制系统、轨道列车及控制方法进行了详细介绍。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。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种直流无刷电机，其特征在于，包括同轴设置且端部相连的两个永磁体圆筒(1)，所述永磁体圆筒(1)内设置有沿圆周交错布置的多组三相电枢绕组(2)，每个所述永磁体圆筒(1)均包括沿圆周交错布置的多个N极和多个S极，两个所述永磁体圆筒(1)的结构相同，且一个所述永磁体圆筒(1)内的各磁极均与另一个所述永磁体圆筒(1)内对应的同一极性磁极错开第一预设角度。
2.根据权利要求1所述的直流无刷电机，其特征在于，所述第一预设角度为所述永磁体圆筒(1)内单个磁极所占机械角度的六分之一。
3.根据权利要求2所述的直流无刷电机，其特征在于，每个所述永磁体圆筒(1)包括三个所述N极和三个所述S极，单个所述磁极所占60度机械角度，所述第一预设角度为10度，包括三组所述三相电枢绕组(2)。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的直流无刷电机，其特征在于，所述三相电枢绕组(2)上沿圆周依次安装有三个霍尔传感器(3)，相邻两个所述霍尔传感器(3)之间相距20度机械角度，位于外侧的所述霍尔传感器(3)与电枢绕组交界处相距第二预设角度，所述第二预设角度为20度减去所述第一预设角度的二分之一。
5.一种电机控制系统，其特征在于，包括主芯片、安全保护芯片、信号处理芯片、开关电源、驱动器、逆变器和权利要求1至4任意一项所述的直流无刷电机，所述主芯片连接各部件并用于控制所述直流无刷电机运行并监测所述直流无刷电机状态，所述安全保护芯片连接所述驱动器和所述直流无刷电机，用于异常状态时关断所述驱动器或复位所述主芯片，所述信号处理芯片用于信号输入输出并与所述主芯片通信。
6.根据权利要求5所述的电机控制系统，其特征在于，所述信号处理芯片和所述主芯片通过光耦隔离器通信隔离，所述开关电源包括连接所述信号处理芯片的隔离侧电源和连接所述主芯片的非隔离侧电源。
7.一种轨道列车，包括散热装置以及连接所述散热装置的电机控制系统，其特征在于，所述电机控制系统具体为权利要求5或6任意一项所述电机控制系统。
8.一种直流无刷电机控制方法，其特征在于，用于控制如权利要求要1至4任意一项所述的直流无刷电机，包括步骤：
根据霍尔传感器(3)获取的三相电枢绕组(2)的位置，判断三个电枢绕组为最佳受力电枢绕组、次佳受力电枢绕组和差受力电枢绕组；
使所述最佳受力电枢绕组通正向满电，所述次佳受力电枢绕组通反向满电，所述差受力电枢绕组通0电压；
在同一霍尔状态内旋转过程中，所述最佳受力电枢绕组保持通正向满电，所述次佳受力电枢绕组通电由反向满电减至0电压，所述差受力电枢绕组通电由0电压升至反向满电；
旋转进入下一霍尔状态，此时之前的所述最佳受力电枢绕组变为所述次佳受力电枢绕组，之前的所述次佳受力电枢绕组变为所述差电枢绕组，之前的所述差电枢绕组变为所述最佳受力电枢绕组；
在此霍尔状态内旋转过程中，所述最佳受力电枢绕组保持通反向满电，所述次佳受力电枢绕组通电由正向满电减至0电压，所述差受力电枢绕组通电由0电压升至正向满电；
旋转进入再下移霍尔状态，重复上述绕组变化和通电过程。
9.根据权利要求8所述的直流无刷电机控制方法，其特征在于，包括六个所述霍尔状态，每个所述霍尔状态占40度机械角度。
10.根据权利要求9所述的直流无刷电机控制方法，其特征在于，所述三相电枢绕组(2)的占空比分别为sin(ang*90/40)*duty_x、duty_x和cos(ang*90/40)*duty_x，其中ang为电机旋转角度，duty_x为电机当前占空比。
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