[发明专利]一种基于可变导通周期的高速永磁无刷直流电机控制方法

说明书

本发明公开了一种基于可变导通周期的高速永磁无刷直流电机控制方法，所属电机控制技术领域，该方法通过调节控制信号导通周期实现系统无级调速，通过速度电流双闭环控制获得所需要的导通周期，按电流脉动最小原则将该导通周期划分为一个脉冲或两个对称脉冲或两个非对称脉冲，再按三相六状态导通规律施加到各功率管。本发明通过动态调节最佳换相角，可使得电机系统高速运行电流波形完全对称且脉动最小，有效改善高速永磁无刷直流电机定子电流波形，减小转子涡流损耗。

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种基于可变导通周期的高速永磁无刷直流电机控制方法。

背景技术

永磁无刷直流电机主要由电机本体、转子位置传感器和功率逆变电路三部分构成，是一种典型的机电一体化电机。电机本体结构与普通同步电机类似，定子一般采用三相绕组，转子采用永磁体励磁；功率逆变电路按照转子位置传感器输出的导通时序把直流供电电源逆变成交流电源，用于给电机定子三相绕组供电，以便与转子永磁磁场相互作用产生连续的电磁转矩；功率逆变电路一般采用三相桥式结构(也称三相桥式逆变器)，由六个功率开关管组成，转子位置传感器检测永磁转子的位置，输出三相位置信号，并经逻辑处理、功率放大后形成功率逆变电路的触发信号，目前多采用霍尔集成电路。

永磁无刷直流电机具有体积小、功率密度高、效率高、转子结构简单等特点，在涡轮增压器、微型燃汽轮机、电动工具、空气压缩机、涡轮分子泵等许多高速运行领域得到了广泛的应用，但普通的无刷电机控制策略并不适合高速运行。永磁无刷直流电机一般采用三相六状态导通方式，调速控制一般采用调节占空比的PWM(脉冲宽度调制)方式，通过在三相功率逆变桥的六个换向驱动信号上叠加高频PWM波来调节施加到电机绕组的电压，当电机转速较低时，PWM斩波频率远高于电机运行频率，不会引起绕组相电流波形畸变，但当电机的运行频率与PWM频率接近时，绕组相电流将产生严重畸变。例如，当电机运行转速达到每分钟12万转时，采用三相六状态120°导通控制方式，电机的换相频率为12kHz(以1对极电机为例)，与常用的斩波频率范围(10～20kHz)已非常接近，一个换相周期内斩波次数仅有一个左右，这种条件下进行PWM斩波调速会造成电机相电流波形严重畸变，不仅制约了电机的最高转速，还会带来噪声、温升等问题。为解决这个问题，通常可采用PAM(脉冲振幅调制)调速方式，即在三相功率逆变桥的前级加一级直流斩波器(Buck电路)，但是PAM调速方式电路拓扑结构复杂，增加了硬件电路，而且在驱动大功率永磁无刷电机时，Buck电路中的直流电抗器将产生额外的损耗，影响整个驱动系统的效率。

此外，永磁无刷直流电机在常规三相六状态导通方式下，其理想的最佳换相角是在反电势过零点后30°时导通，150°时关断，导通周期是固定的120°。但是在超高速运行时，电机绕组的电感影响很大，在理想换相方式下，电机电流会滞后于反电势，由此造成电机的等效功率因素降低、电流有效值和尖峰值都增加、损耗与逆变器的应力增加，由于电流滞后角度随电机的转速和负载的变化而变化，无法通过固定的提前换相来解决，随着换相超前角的增加，电机的电磁转矩脉动将会增加。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种基于可变导通周期的高速永磁无刷直流电机控制方法，通过调节控制信号导通周期实现系统无级调速，可使得电机系统高速运行电流波形完全对称且脉动最小。

一种基于可变导通周期的高速永磁无刷直流电机控制方法，包括如下步骤：

(1)利用霍尔传感器采集捕获电机的转子离散位置角并计算出电机转速以及转子电角速度，同时利用电流传感器采集获取电机BC两相的定子电流信号；

(2)通过对电机BC两相定子电流信号进行滤波以及AD采样后，重构出电机的直流母线电流；

(3)根据转子电角速度和转子离散位置角计算出电机的转子连续位置角；

(4)通过电流及转速的双闭环控制计算出电机的导通角；