[發明專利]一種基于可變導通周期的高速永磁無刷直流電機控制方法

有效

• 申請號: 201810967821.0
• 申請日: 2018-08-23
• 公開（公告）號: CN109039171B
• 公開（公告）日: 2020-04-28
• 發明（設計）人: 史涔溦;邱建琪;李啟俊
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H02P6/10
• 分類號: H02P6/10;H02P6/17;H02P6/28
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 王琛

本發明公開了一種基于可變導通周期的高速永磁無刷直流電機控制方法，所屬電機控制技術領域，該方法通過調節控制信號導通周期實現系統無級調速，通過速度電流雙閉環控制獲得所需要的導通周期，按電流脈動最小原則將該導通周期劃分為一個脈沖或兩個對稱脈沖或兩個非對稱脈沖，再按三相六狀態導通規律施加到各功率管。本發明通過動態調節最佳換相角，可使得電機系統高速運行電流波形完全對稱且脈動最小，有效改善高速永磁無刷直流電機定子電流波形，減小轉子渦流損耗。

技術領域

本發明屬于電機控制技術領域，具體涉及一種基于可變導通周期的高速永磁無刷直流電機控制方法。

背景技術

永磁無刷直流電機主要由電機本體、轉子位置傳感器和功率逆變電路三部分構成，是一種典型的機電一體化電機。電機本體結構與普通同步電機類似，定子一般采用三相繞組，轉子采用永磁體勵磁；功率逆變電路按照轉子位置傳感器輸出的導通時序把直流供電電源逆變成交流電源，用于給電機定子三相繞組供電，以便與轉子永磁磁場相互作用產生連續的電磁轉矩；功率逆變電路一般采用三相橋式結構(也稱三相橋式逆變器)，由六個功率開關管組成，轉子位置傳感器檢測永磁轉子的位置，輸出三相位置信號，并經邏輯處理、功率放大后形成功率逆變電路的觸發信號，目前多采用霍爾集成電路。

永磁無刷直流電機具有體積小、功率密度高、效率高、轉子結構簡單等特點，在渦輪增壓器、微型燃汽輪機、電動工具、空氣壓縮機、渦輪分子泵等許多高速運行領域得到了廣泛的應用，但普通的無刷電機控制策略并不適合高速運行。永磁無刷直流電機一般采用三相六狀態導通方式，調速控制一般采用調節占空比的PWM(脈沖寬度調制)方式，通過在三相功率逆變橋的六個換向驅動信號上疊加高頻PWM波來調節施加到電機繞組的電壓，當電機轉速較低時，PWM斬波頻率遠高于電機運行頻率，不會引起繞組相電流波形畸變，但當電機的運行頻率與PWM頻率接近時，繞組相電流將產生嚴重畸變。例如，當電機運行轉速達到每分鐘12萬轉時，采用三相六狀態120°導通控制方式，電機的換相頻率為12kHz(以1對極電機為例)，與常用的斬波頻率范圍(10～20kHz)已非常接近，一個換相周期內斬波次數僅有一個左右，這種條件下進行PWM斬波調速會造成電機相電流波形嚴重畸變，不僅制約了電機的最高轉速，還會帶來噪聲、溫升等問題。為解決這個問題，通常可采用PAM(脈沖振幅調制)調速方式，即在三相功率逆變橋的前級加一級直流斬波器(Buck電路)，但是PAM調速方式電路拓撲結構復雜，增加了硬件電路，而且在驅動大功率永磁無刷電機時，Buck電路中的直流電抗器將產生額外的損耗，影響整個驅動系統的效率。

此外，永磁無刷直流電機在常規三相六狀態導通方式下，其理想的最佳換相角是在反電勢過零點后30°時導通，150°時關斷，導通周期是固定的120°。但是在超高速運行時，電機繞組的電感影響很大，在理想換相方式下，電機電流會滯后于反電勢，由此造成電機的等效功率因素降低、電流有效值和尖峰值都增加、損耗與逆變器的應力增加，由于電流滯后角度隨電機的轉速和負載的變化而變化，無法通過固定的提前換相來解決，隨著換相超前角的增加，電機的電磁轉矩脈動將會增加。

發明內容

鑒于上述，本發明提供了一種基于可變導通周期的高速永磁無刷直流電機控制方法，通過調節控制信號導通周期實現系統無級調速，可使得電機系統高速運行電流波形完全對稱且脈動最小。

一種基于可變導通周期的高速永磁無刷直流電機控制方法，包括如下步驟：

(1)利用霍爾傳感器采集捕獲電機的轉子離散位置角并計算出電機轉速以及轉子電角速度，同時利用電流傳感器采集獲取電機BC兩相的定子電流信號；

(2)通過對電機BC兩相定子電流信號進行濾波以及AD采樣后，重構出電機的直流母線電流；

(3)根據轉子電角速度和轉子離散位置角計算出電機的轉子連續位置角；

(4)通過電流及轉速的雙閉環控制計算出電機的導通角；