CN1862946B - 双凸极电机提前角度控制方法及实现该方法的电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双凸极电机提前角度控制方法及其电路,其方法根据倍频数、转速和后移脉冲之间的关系表存入数字信号处理器的RAM区,然后在控制过程中读取相应数值,实现提前角度的控制;其电路包括计数器、锁相环和数字信号处理器,电机的三相位置信号输入数字信号处理器,可以根据实际要求选用不同的锁相环分频端口选择不同的倍频数,以达到所要控制的精度的目的。本发明的方法简便灵活,能有效地提高双凸极电机在各转速段的出力,也可将其应用至恒速系统,只需构成转速、电流双闭环系统即可,能有效提高相电流的上升率,相比现有的控制方法,同等负载下的电机转速更高,应用于调速系统,则能提高电机的带载能力,优化电机的输出功率。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种电机控制方法,尤其涉及一种对双凸极电机进行控制的方法,同时涉及一种对双凸极电机进行控制的方法的专用电路。
二、背景技术
随着电力电子技术与控制技术的发展,新型结构的电机不断涌现。双凸极电机最早于上世纪90年代由美国Lipo教授提出,为永磁结构。随着世界各国学者对电机磁路结构的深入研究,又衍生出电励磁电机,混合励磁电机、双定子结构等形式多样的双凸极电机。但迄今为止,对双凸极这种新型电机的控制技术研究还很少,目前大多还是采用三相桥式结构的变换器对双凸极电机进行驱动,并且仅局限于采用标准角度的控制策略来进行其电动控制,即当电机相绕组反电势为正时,通正电;相绕组反电势为负时,通负电;相绕组反电势为零时,不通电。在该控制策略下,电机相电流上升率较小,电机在中、高速场合下输出转矩较小。为了提高双凸极电机在中、高速下的出力,后有学者提出了提前角度控制,但这仅仅是概念上的提出,而并未进行真正技术上的实现与应用。
三、发明内容
1、发明目的:本发明的目的是提供一种实现提前0~120°任意电角度、达到优化提高双凸极电机中、高速各个转速段下的输出功率的双凸极电机提前角度控制方法。
2、技术方案:为了达到上述的发明目的,本发明的双凸极电机提前角度控制方法包括下列步骤:
(1)将双凸极电机三相位置信号分别输入锁相倍频电路进行倍频处理得到倍频信号,然后将得到的倍频信号和电机三相位置信号连接至数字信号处理器的捕获口并进行处理;
(2)确定不同提前角度值与步骤(1)中后移倍频信号脉冲数的关系表,其中提前角度值与后移倍频信号脉冲数的关系如下式所示:
若检测相位置信号上升沿,则θ°~k=(120-θ)m/360个;
若检测相位置信号下降沿,则θ°~k=(60-θ)m/360个,以上二式中θ°为提前角度值,为电角度,k为倍频信号脉冲数,m为倍频数;
控制关系表如下:
(3)数字信号处理器通过其第一捕获口检测电机的三相位置信号中的第一相位置信号,当检测到其上升沿时,数字信号处理器根据步骤(2)中的控制关系表读取倍频信号脉冲数k,然后该数字信号处理器读取其用于捕捉倍频信号的捕获口二级堆栈寄存器的值;
(4)当读取k+1次数值时,此时实现了上升沿延后120-θ电角度,将与步骤三中电机第一相位置信号相应的第一数字信号处理器换相控制输出信号置低电平;
(5)经过延时死区时间后,将第二数字信号处理器换相控制输出信号置高电平;
(6)数字信号处理器通过其第二捕获口检测电机的三相位置信号中的第二相位置信号,当检测到其上升沿时,数字信号处理器根据步骤(2)中的控制关系表读取倍频信号脉冲数k,然后该数字信号处理器读取其用于捕捉倍频信号的捕获口二级堆栈寄存器的值;
(7)当读取k+1次数值时,此时实现了上升沿延后120-θ电角度,将与第二相位置信号相应的第二数字信号处理器换相控制输出信号置低电平;
(8)经过延时死区时间后,将第三数字信号处理器换相控制输出信号置高电平;
(9)数字信号处理器通过其第三捕获口检测电机的三相位置信号中的第三相位置信号,当检测到其上升沿时,数字信号处理器根据步骤(2)中的控制关系表读取倍频信号脉冲数k,然后该数字信号处理器读取其用于捕捉倍频信号的捕获口二级堆栈寄存器的值;
(10)当读取k+1次数值时,此时实现了上升沿延后120-θ电角度,将与第三相位置信号相应的第三数字信号处理器换相控制输出信号置低电平;
(11)经过延时死区时间后,将第一数字信号处理器换相控制输出信号置高电平,此时完成了双凸极电机提前角度控制。
如果数字信号处理器检测电机的三相位置信号中的一相位置信号的下降沿,则步骤(4)中可实现第三相位置信号下降沿延后60-θ电角度,步骤(7)可实现第一相位置信号下降沿延后60-θ电角度,步骤(10)可实现第二相位置信号下降沿延后60-θ电角度。
在步骤(2)中,改变提前角度值即改变脉冲数k,可测出电机在各个提前角度下的输出机械特性曲线(即转速与输出转矩的关系曲线),然后在各个转速段,选取能得到最大输出转矩的提前角度值作为该转速段的提前角度值控制依据,就可得到各个转速段的提前角度值作为控制表,并存入数字信号处理器的RAM区,转速与提前角度值及后移倍频信号脉冲数的关系表如下:
步骤(5)、步骤(8)和步骤(11)中的死区时间可结合开关管利用软件延时2~5us.
一种实现上述双凸极电机提前角度控制方法的电路,包括锁相倍频电路和数字信号处理器,其中,锁相倍频电路包括计数器和锁相环,双凸极电机的第一相位置信号连接至数字信号处理器的第一个捕获口和锁相环的相位比较器输入端AIN,第二相位置信号连接至数字信号处理器的第二个捕获口,第三相位置信号同时连接至数字信号处理器的第三、第四个捕获口,锁相环的输出信号与计数器的CLK端连接用于输出第一相位置信号的倍频信号并输送至数字信号处理器的第五个捕获口,锁相环的相位比较器2n分频端口BIN与计数器的分频端口Qn(n=1、2、3…12)连接,可以根据实际要求选用不同的分频端口选择不同的倍频数,以达到所要控制的精度的目的。锁相环的压控振荡器外接电阻端经过一个第一电阻后接地;锁相环的相位比较器输出端与压控振荡器输入端之间跨接有一个第二电阻;压控振荡器输入端依次经过一个第三电阻和第一电容接地;压控振荡器外接振荡电容端间连接有一个第二电容。
3、有益效果:本发明的双凸极电机提前角度控制方法利用三相位置信号的上升沿或下降沿与双凸极电机反电势之间存在的前后时序关系,通过锁相倍频后的脉冲数进行角度定位计算,从而制造变换器相应开关管的驱动信号的上升沿与下降沿。若检测上升沿,能实现最大120度电角度的提前;若检测下降沿,则能在时间上最快的确定开关角,而最大提前电角度为60度,本方法实现简便灵活,能有效地提高双凸极电机在各转速段的出力,也可将其应用至恒速系统,只需构成转速、电流双闭环系统即可,能有效提高相电流的上升率,相比现有的控制方法,同等负载下的电机转速更高,应用于调速系统,则能提高电机的带载能力,优化电机的输出功率。
四、附图说明
图1是双凸极电机提前角度控制逻辑示意图;
图2是相位置信号锁相倍频示意图(以采用检测上升沿为例);
图3是本发明的电路图;
图4是提前角度控制软件流程图;
五、具体实施方式
如图3的所示,计数器CC4040与锁相环CC4046构成锁相倍频电路。锁相的目的为了能得到与被处理位置信号相同的上升沿,而进行m倍倍频则是使检测到的位置信号所代表的电角度得到细分,以便进行提前角度值的精确计算定位。提前角度值定位的精度与倍频数m有关,m越大,精度值越高,精度为360/m电角度。PA信号连接至DSP的捕获口CAP1和CC4046的信号输入端AIN;PB信号连接至DSP的捕获口CAP2;PC信号连接至CAP3、CAP4;CC4046输出信号与计数器CC4040的CLK端相连输出PA的倍频信号,送至DSP的CAP6捕获端口;CAP1、CAP2、CAP3分别检测电机三相位置信号的上升沿或下降沿,CAP4用于计算转速;CAP6用于捕捉倍频信号,计算倍频信号脉冲数。锁相环CC4046的BIN端与CC4040的Q9相连,当锁相环锁定时,BIN信号(Q9信号)始终跟随AIN信号,两者信号一致,频率相等。而对计数器CC4040而言,CLK信号频率f0与Q9信号频率f有如下关系:f0=29f,因此在计数器时钟输入端(即VCO的输出)得到倍频信号的频率为512倍的输入信号频率,若将CC4046输出端VCOUT与Q8相连,则倍频信号频率为28=256倍倍频,以此类推,倍频数的确定主要由应用的精度和DSP的CAP口检测的分辨能力决定。
在锁相倍频电路中,电容C1跨接在压控振荡器外接振荡电容端;压控振荡器外接电阻端R1端接电阻R4后接地;相位比较器2输出端PC2端与压控振荡器输入端VCIN端之间跨接电阻R3电阻;VCIN端与地之间跨接电阻R5与电容C2,其中:R3=1MΩ;R4=10kΩ;R5=47kΩ;C1=100pF;C2=0.22uF。
如图1、图2和图4所示,首先根据电机转速制定控制表:
确定不同转速下的提前角度值(即后移PA脉冲数),然后导入DSP的RAM区,以便调用。提前电角度值与后移脉冲数的关系如下:
θ°~k=(120-θ)m/360个,若检测相位置信号上升沿;
θ°~k=(60-θ)m/360个,若检测相位置信号下降沿;
上表中,倍频数m取29=512,当DSP的CAP1检测到PA的上升沿(或CAP3检测到PC的下降沿)时,先根据转速所制定的控制表读取脉冲数k,然后读取CAP6的CAP6FIFO二级堆栈寄存器的值,当读取k+1次数值时(即实现了PA上升沿延后120-θ电角度或PC下降沿延后60-θ电角度),将PWM1输出端口置低电平,然后利用软件延时死区时间2us后,将PWM2输出端口置高电平;
当DSP的CAP2检测到PB的上升沿(或CAP1检测到PA的下降沿)时,先根据转速所制定的控制表读取脉冲数k,然后读取CAP6的CAP6FIFO二级堆栈寄存器的值,当读取k+1次数值时(即实现了PB上升沿延后120-θ电角度或PA下降沿延后60-θ电角度),将PWM2置低电平,然后利用软件延时死区时间2us后,将PWM3置高电平;
当DSP的CAP3检测到PC的上升沿(或CAP2检测到PB的下降沿)时,先根据转速所制定的控制表读取脉冲数k,然后读取CAP6的CAP6FIFO二级堆栈寄存器的值,当读取k+1次数值时(即实现了PC上升沿延后120-θ电角度或PB下降沿延后60-θ电角度),将PWM3置低电平,然后利用软件延时死区时间2us后,将PWM1置高电平;至此,就完成了基于转速变化的双凸极电机自由提前角度控制策略。
实施例2:与实施例一不同的是,锁相环CC4046的BIN端与CC4040的Q8相连,则倍频数m取28=256,当DSP的CAP1检测到PA的上升沿(或CAP3检测到PC的下降沿)时,先根据转速所制定的控制表读取脉冲数:
然后读取CAP6的CAP6FIFO二级堆栈寄存器的值,当读取k+1次数值时(即实现了PA上升沿延后120-θ电角度或PC下降沿延后60-θ电角度),将PWM1输出端口置低电平,然后利用软件延时死区时间5us后,将PWM2输出端口置高电平;
当DSP的CAP2检测到PB的上升沿(或CAP1检测到PA的下降沿)时,先根据转速所制定的控制表读取脉冲数k,然后读取CAP6的CAP6FIFO二级堆栈寄存器的值,当读取k+1次数值时(即实现了PB上升沿延后120-θ电角度或PA下降沿延后60-θ电角度),将PWM2置低电平,然后利用软件延时死区时间5us后,将PWM3置高电平;
当DSP的CAP3检测到PC的上升沿(或CAP2检测到PB的下降沿)时,先根据转速所制定的控制表读取脉冲数k,然后读取CAP6的CAP6FIFO二级堆栈寄存器的值,当读取k+1次数值时(即实现了PC上升沿延后120-θ电角度或PB下降沿延后60-θ电角度),将PWM3置低电平,然后利用软件延时死区时间5us后,将PWM1置高电平;至此,就完成了基于转速变化的双凸极电机自由提前角度控制策略。
Claims (6)
1.一种双凸极电机提前角度控制方法,其特征在于,该方法包括下列步骤:步骤一:将双凸极电机三相位置信号分别输入锁相倍频电路进行倍频处理得到倍频信号,然后将得到的倍频信号和电机三相位置信号连接至数字信号处理器的捕获口并进行处理;
步骤二:确定不同提前角度值与步骤一中后移倍频信号脉冲数的关系表,其中提前角度值与后移倍频信号脉冲数的关系如下式所示:
若检测相位置信号上升沿,则θ°~k=(120-θ)m/360个;
若检测相位置信号下降沿,则θ°~k=(60-θ)m/360个,以上二式中θ°为提前角度值,为电角度,k为倍频信号脉冲数,m为倍频数;
控制关系表如下:
步骤三:数字信号处理器通过其第一捕获口(CPA1)检测电机的三相位置信号中的第一相位置信号,当检测到第一相位置信号的上升沿时,数字信号处理器根据步骤二中的控制关系表读取倍频信号脉冲数k,然后该数字信号处理器读取其用于捕捉倍频信号的捕获口二级堆栈寄存器的值;
步骤四:当读取k+1次数值时,此时实现了上升沿延后120-θ电角度,将与步骤三中电机第一相位置信号相应的第一数字信号处理器换相控制输出信号(PWM1)置低电平;
步骤五:经过延时死区时间后,将第二数字信号处理器换相控制输出信号(PWM2)置高电平;
步骤六:数字信号处理器通过其第二捕获口(CAP2)检测电机的三相位置信号中的第二相位置信号,当检测到其上升沿时,数字信号处理器根据步骤二中的控制关系表读取倍频信号脉冲数k,然后该数字信号处理器读取其用于捕捉倍频信号的捕获口二级堆栈寄存器的值;
步骤七:当读取k+1次数值时,此时实现了上升沿延后120-θ电角度,将与第二相位置信号相应的第二数字信号处理器换相控制输出信号(PWM2)置低电平;
步骤八:经过延时死区时间后,将第三数字信号处理器换相控制输出信号(PWM3)置高电平;
步骤九:数字信号处理器通过其第三捕获口(CAP3)检测电机的三相位置信号中的第三相位置信号,当检测到其上升沿时,数字信号处理器根据步骤二中的控制关系表读取倍频信号脉冲数k,然后该数字信号处理器读取其用于捕捉倍频信号的捕获口二级堆栈寄存器的值;
步骤十:当读取k+1次数值时,此时实现了上升沿延后120-θ电角度,将与第三相位置信号相应的第三数字信号处理器换相控制输出信号(PWM3)置低电平;步骤十一:经过延时死区时间后,将第一数字信号处理器换相控制输出信号(PWM1)置高电平,此时完成了双凸极电机提前角度控制。
2.如权利要求1所述的双凸极电机提前角度控制方法,其特征在于,步骤四中可实现第三相位置信号下降沿延后60-θ电角度,步骤七可实现第一相位置信号下降沿延后60-θ电角度,步骤十可实现第二相位置信号下降沿延后60-θ电角度。
4.如权利要求1所述的双凸极电机提前角度控制方法,其特征在于,步骤五、步骤八和步骤十一中的死区时间可结合开关管利用软件延时2~5us。
5.一种实现如权利要求1所述的双凸极电机提前角度控制方法的电路,其特征在于该电路包括锁相倍频电路和数字信号处理器,其中,锁相倍频电路包括计数器和锁相环,双凸极电机的第一相位置信号连接至数字信号处理器的第一个捕获口和锁相环的相位比较器输入端AIN,第二相位置信号连接至数字信号处理器的第二个捕获口,第三相位置信号同时连接至数字信号处理器的第三、第四个捕获口,锁相环的输出信号与计数器的CLK端连接用于输出第一相位置信号的倍频信号并输送至数字信号处理器的第五个捕获口,锁相环的相位比较器2n分频端口BIN与计数器的分频端口Qn连接,以达到所要控制的精度的目的,其中,Qn的n=1、2、3…12。
6.如权利要求5所述的双凸极电机提前角度控制方法的电路,其特征在于锁相环的压控振荡器外接电阻端经过第一电阻(R4)后接地;锁相环的相位比较器输出端与压控振荡器输入端之间跨接第二电阻(R3);压控振荡器输入端依次经过第三电阻(R5)和第一电容(C2)接地;压控振荡器外接振荡电容端间连接有第二电容(C1)。
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