專利名稱：一種永磁同步電機的正弦調制控制方法及其控制電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及電機控制技術領域，更具體的說，涉及一種永磁同步電機的正弦調制控制方法及其控制電路。
背景技術：
永磁電機按照氣隙磁動勢及工作電流波形分為永磁同步電機(PMSM)和無刷直流電機(BLDCM)，其中，永磁同步電機(PMSM)由于其具有高控制精度、高轉矩密度、良好的轉矩穩定性以及低噪聲等特點而得到廣泛的重視和普遍應用。研究表明，在對永磁同步電機的控制過程中，正弦波控制電流對電機的驅動力矩是平滑的，能很好的改善電機的轉矩控制性能，并且可大大降低運行和啟動噪音，因此，永磁同步電機工作過程中一般要求電機工作電流(即定子電流)為正弦波電流。傳統的對永磁同步電機的正弦波控制主要是采用矢量控制方法，參考圖1，所示為傳統的基于矢量控制的永磁同步電機的系統框圖，矢量控制的關鍵在于對定子電流的幅值和空間位置(頻率和相位)的控制。如圖I所示，其基本原理是將測量的相電流1和ib， 經過Clark變換將其從三相定子靜止坐標系變換到兩相定子靜止坐標系ia和ie ;ia和ie 與轉子位置角Θ e結合，再經過Park變換從兩相靜止坐標系變換到轉子兩相旋轉坐標系id 和i,。轉子位置和速度檢測電路將測量的轉子速度\和參考轉速進行比較，并通過PI 調節器產生交軸參考電流i_f，交、直軸參考電流i_f、idref與實際反饋的交直軸電流iq、id 進行比較，其中，取直軸參考電流idMf = 0，再經過PI調節器，轉化為電壓V,和vd，電壓V, 和&與檢測到的轉子位置角Θ e結合再進行Park逆變換，變換為兩相靜止坐標系的電壓να 和V0，電壓Va和V0經過正弦波脈寬調制電路(SVPWM)調制為六路開關信號從而控制逆變器中開關管的開通與關斷。從上述過程可看出，矢量控制方法通過將定子電流分解成獨立的直軸電流分量id 和交軸電流分量i,，分別進行調節，能夠獲得良好的解耦特性，從而控制定子電流為正弦波，得到高精度的轉矩控制，但其不足之處在于由于其需要借助復雜的坐標變換進行矢量控制，在一些功率不大，要求不高的場合，控制難度大，成本高；而且矢量控制方法對電機參數的依賴性很大，難以保證完全解耦，其控制效果也會受到影響。
發明內容
有鑒于此，本發明的目的在于提供一種永磁同步電機的正弦調制控制方法及其控制電路，其根據所述永磁同步電機的轉子位置信號來生成一全波的馬蹄形調制波，然后根據所述馬蹄形調制波與一三角波比較來產生PWM控制信號以控制逆變器中開關管的導通和關斷，從而保證所述永磁同步電機的工作電流為正弦波電流。同時，本發明的控制方法還實現了對永磁同步電機的轉速閉環控制。本發明的控制方案實現過程簡單，且效果好。本發明所述的一種永磁同步電機的正弦調制控制方法，包括步驟I :檢測所述永磁同步電機上的轉子位置信息，以獲得一轉子位置信號，并通過所述轉子位置信號計算獲得轉子的轉速測量值；步驟2 :將所述轉速測量值與一參考轉速值進行比較，產生一誤差信號，所述誤差信號通過一 PI調節器產生一第一調節電壓信號；步驟3 :接收所述轉子位置信號和所述第一調節電壓信號，以所述轉子位置信號作為時間基準，生成一全波的馬蹄形調制波；所述全波的馬蹄形調制波與所述第一調節電壓信號相乘，以產生一第二馬蹄形調制波；步驟4 :將所述第二馬蹄形調制波與一三角波進行比較，以產生PWM控制信號，所述PWM控制信號用以控制逆變器中開關管的導通和關斷，從而調節所述永磁同步電機的電流，實現對所述永磁同步電機的正弦波電流控制。進一步的，在所述步驟3中包括，以所述轉子位置信號作為時間基準，將所述轉子位置信號分成多個時間區間，在每個時間區間內生成一部分馬蹄形調制波，依次將每部分馬蹄形調制波連接起來，以此形成所述全波的馬蹄形調制波。優選的，利用一霍爾傳感器來檢測所述永磁同步電機上的轉子位置信息，并獲得一霍爾信號，所述霍爾信號作為所述轉子位置信號。優選的，采用無位置傳感器的檢測電路來檢測所述永磁同步電機上的轉子位置信息，以獲得所述轉子位置信號。進一步的，所述轉子位置角的調節由一外部使能信號驅動，所述外部使能信號使所述全波馬蹄形調制波相對于所述轉子位置信號左移或右移，從而改變定子磁動勢與轉子磁動勢的夾角，以使每安培定子電流產生的轉矩最大。本發明所述的一種永磁同步電機的正弦調制控制電路，通過控制逆變器中開關管的開關狀態，以控制所述永磁同步電機的電流為正弦波電流，包括一位置和速度檢測電路、 電壓調節電路和PWM調制電路，所述位置和速度檢測電路用以檢測所述永磁同步電機上的轉子位置信息，以獲得一轉子位置信號，并通過所述轉子位置信號計算獲得轉子的轉速測量值；所述電壓調節電路將所述轉速測量值與一參考轉速值進行比較，產生一誤差信號，所述誤差信號通過一 PI調節器產生一第一調節電壓信號；所述PWM控制電路接收所述轉子位置信號、所述第一調節電壓信號和一三角波， 以產生一 PWM控制信號，所述PWM控制信號用以控制逆變器中開關管的導通和關斷，從而調節所述永磁同步電機的電流，實現對所述永磁同步電機的正弦波電流控制。進一步的，所述PWM控制電路包括一調制波發生電路和一比較電路，其中，所述調制波發生電路接收所述轉子位置信號和所述第一調節電壓信號，并且以所述轉子位置信號作為時間基準，生成一全波的馬蹄形調制波；所述全波的馬蹄形調制波與所述第一調節電壓信號相乘，以產生一第二馬蹄形調制波；所述比較電路接收所述第二馬蹄形調制波與一三角波，并進行比較以產生所述 PWM控制信號。進一步的，以所述轉子位置信號作為時間基準，將所述轉子位置信號分成多個時間區間，在每個時間區間內生成一部分馬蹄形調制波，依次將每部分馬蹄形調制波連接起來，以此形成一全波的馬蹄形調制波。依照以上技術方案實現的一種永磁同步電機的正弦調制控制方法及其控制電路，其利用轉子位置信號生成一全波的馬蹄形調制波，然后根據所述馬蹄形調制波與一三角波的比較來產生PWM控制信號用以控制逆變器中開關管的開關狀態，以保證永磁同步電機的工作電流為正弦波，與傳統的矢量控制方法相比，本發明的控制方案簡單易行，成本低；由于其調制波是完全對稱的馬蹄形調制波，降低了調制波的幅值，提高了直流電源的利用率。
圖I所示為傳統的基于矢量控制的永磁同步電機的系統框圖；圖2所示為依據本發明的一種永磁同步電機的正弦調制控制電路的一實施例的電路圖；圖3所示為圖2所示控制電路中的調制波發生電路的工作波形圖；圖4所示為依據本發明的一種永磁同步電機的正弦調制控制方法的一實施例的流程框具體實施例方式以下結合附圖對本發明的優選實施例進行詳細描述，但本發明并不僅僅限于這些實施例。本發明涵蓋任何在本發明的精髓和范圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。為了使公眾對本發明有徹底的了解，在以下本發明優選實施例中詳細說明了具體的細節，而對本領域技術人員來說沒有這些細節的描述也可以完全理解本發明。參考圖2，所示為依據本發明的一種永磁同步電機的正弦調制控制電路的一實施例的電路圖，所述控制電路包含了一逆變器201、位置和速度檢測電路202、電壓調節電路 203和PWM調制電路204，其中所述PWM調制電路204具體包含有一調制波發生電路204-1 和一比較電路204-2。在本實施例中，所述永磁同步電機的定子繞組為三相繞組。在對永磁同步電機的控制過程中，所述逆變器201供電的頻率和換流時刻取決于轉子的實際位置信息，因此，在對電機的控制過程中，對轉子位置信息的準確檢測至關重要，本實施例中的所述位置和速度檢測電路202用以檢測所述永磁同步電機上的轉子位置信息，以獲得一轉子位置信號和轉子的轉速測量值。在本實施例中，所述位置和速度檢測電路具體為三個霍爾傳感器，所述霍爾傳感器檢測所述轉子位置信息，經譯碼處理后產生一三相霍爾信號，所述霍爾信號為方波信號，所述三相霍爾信號作為所述轉子位置信號，相應的，所述轉子位置信號也為三相位置信號且所述轉子位置信號為方波信號，一般表示為扎、Hv和Hw,并且，所述三相霍爾信號經換算后可獲得所述轉速測量值η-這種利用傳感器檢測的驅動方式簡單、方便，能夠廣泛應用于電動自行車和變頻洗衣機中。本領域技術人員可知，所述位置和速度檢測電路202也可以由其他相同功能的電路等同替代，也可以由無位置傳感器的檢測電路結構實現，例如可以利用一過零檢測電路來檢測所述永磁同步電機上的定子繞組反電勢的過零點，以獲得一反電勢過零信號，由于定子繞組的反電勢通常是正負交替的，當某相繞組的反電勢過零時，轉子直軸就會剛好與該相繞組的軸線重合，因此只要檢測到各相反電勢的過零點，就可獲得轉子位置信息。這種通過檢測反電勢過零點得到的反電勢過零信號與所述霍爾信號為等效，其也為一三相的方波信號，因此所述反電勢過零信號也可以作為所述轉子位置信號，且所述反電勢過零信號經換算后可獲得所述轉速測量值。這種無需位置傳感器的方法不受外界環境、溫度等因素的干擾，可靠性好。進一步的，所述位置和速度檢測電路202輸出的轉速測量值傳輸給所述電壓調節電路203，所述電壓調節電路203具體包括誤差放大器和一 PI調節器，所述誤差放大器用以將所述轉速測量值I與一參考轉速值進行比較，產生一誤差信號，所述誤差信號通過一 PI調節器調節后產生一第一調節電壓信號％。所述PWM調制電路204包含有三相調制電路，每相調制電路分別包括一調制波發生電路204-1和一比較電路204-2，所述調制波發生電路204-1接收所述轉子位置信號Hu、 Hv、Hw，并且以所述轉子位置信號作為時間基準，生成一全波的馬蹄形調制波。下面結合圖 3所示工作波形圖對馬蹄形調制波產生的工作過程作詳細描述，參考圖3，所示為圖2所示控制電路圖中的調制波發生電路204-1的工作波形圖。以u相霍爾信號為例，將所述霍爾信號根據霍爾狀態分成六個不同的時間區間，當所述霍爾信號(轉子位置信號)位于(I) 區間時，記錄下(I)區間的時間寬度，并將(I)區間的時間寬度作為需要生成的馬蹄形調制波的時間寬度，對應的馬蹄形調制波的時間寬度記為(1)’，在(I)’區間的時間內，生成本時間區間的馬蹄形調制波的一部分，本發明中所述馬蹄形調制波為通過模擬生成的方法產生，例如可通過一基波和三次諧波疊加的方法產生，其產生的波形如圖3中(I)’區間的Su 所示。依次類推，將所述霍爾信號的(2)、(3)、(4)、(5)、(6)區間的時間寬度作為生成的馬蹄形調制波的(2)’、⑶’、(4)’、(5)’、(6)’區間的時間寬度，依次形成該時間區間內的馬蹄形調制波的一部分，其中，每個時間區間內波形的起點和終點是以所述霍爾信號的上升沿或下降沿為基準的，例如所述(I)’區間內波形的起點在w相霍爾信號的上升沿，其終點在V相霍爾信號的上升沿。6個區間的對應的每部分馬蹄形調制波連接起來就形成了一全波的馬蹄形調制波，這樣，就完成了根據u相霍爾信號生成u相全波馬蹄形調制波的過程， V相和W相全波馬蹄形調制波的波形生成的過程與U相相同，在此不再贅述。需要聲明的是，每相馬蹄形調制波的相位根據每相霍爾信號的相位不同而不同，當霍爾信號Hu超前Hv 120°，霍爾信號Hv超前Hw 120°時，依據其生成的馬蹄形調制波Su就會超前Sv 120°，馬蹄形調制波Sv超前Sw120°，具體的波形參照圖3所示。然后，所述調制波發生電路204-1將所述全波的馬蹄形調制波和所述第一調節電壓信號Vl相乘，也可以根據實際需要按一定的比例相乘，以產生一第二馬蹄形調制波，這里所述的第二馬蹄形調制波也為一全波的馬蹄形調制波，最后所述比較電路204-2將所述第二馬蹄形調制波(包括u、v、w三相)分別與一三角波進行比較并產生PWM控制信號，如圖2所示，所述PWM控制信號具體為六路開關控制信號，分別表示為u、X、v、y、W、z，所述PWM 控制信號用以控制所述逆變器201中開關管的導通和關斷，從而調節所述永磁同步電機的電流，以實現對所述永磁同步電機的正弦波電流控制。圖2中所示的電路框圖只表示了 u 相的電路圖，V相、w相和u相電路圖相同，故不重復表示，其中，所述三角波由一外部的三角波發生電路提供。由上述工作過程可知，由于所述全波馬蹄形調制波與所述永磁同步電機的轉子位置信號結合，這樣，所述PWM控制信號由所述轉子位置信號控制，進而實現了所述逆變器換流時刻由所述轉子位置信號決定，可保證電機能夠連續穩定運行，而且，通過產生所述全波馬蹄形調制波來控制逆變器的供電電流，可保證三相定子電流為一正弦波，完成了正弦電流控制的目的。這里所述第一調節電壓信號V1主要用以調節轉速的快慢，以使其能滿足不同的需求。本發明尤其適用于一些對于電機轉速精度要求不高及負載擾動不大的情況下， 十分經濟適用。參考圖4，所示為依據本發明的一種永磁同步電機的正弦調制控制方法的一實施例的流程框圖，其包括以下步驟S401 :檢測所述永磁同步電機上的轉子位置信息，以獲得一轉子位置信號，并通過所述轉子位置信號計算獲得轉子的轉速測量值；S402:將所述轉速測量值與一參考轉速值進行比較，產生一誤差信號，所述誤差信號通過一 PI調節器產生一第一調節電壓信號；S403 :接收所述轉子位置信號和所述第一調節電壓信號，以所述轉子位置信號作為時間基準，生成一全波的馬蹄形調制波；所述全波的馬蹄形調制波與所述第一調節電壓信號相乘，以產生一第二馬蹄形調制波；S404 :將所述第二馬蹄形調制波與一三角波進行比較，以產生PWM控制信號，所述 PWM控制信號用以控制逆變器中開關管的導通和關斷，從而調節所述永磁同步電機的電流， 實現對所述永磁同步電機的正弦波電流控制。在本實施例中，所述永磁同步電機的定子繞組為三相繞組，所以所述轉子位置信號為與所述三相定子繞組相對應的三相的方波信號。進一步的，在所述步驟403中還包括，以所述轉子位置信號作為時間基準，將所述轉子位置信號分成多個時間區間，在每個時間區間內生成一部分馬蹄形調制波，依次將每部分馬蹄形調制波連接起來，以此形成所述全波的馬蹄形調制波。此外，本發明實施例還闡述了一種獲得最大輸出轉矩的方法，通過調節所述轉子位置和定子電流相位的夾角，具體為調節定子磁動勢和轉子磁動勢的夾角，以使每安培定子電流產生的轉矩最大。所述轉子位置和定子電流相位的夾角調節由一外部使能信號驅動，所述外部使能信號使所述全波馬蹄形調制波相對于所述轉子位置信號左移或右移，以改變定子磁動勢與轉子磁動勢的夾角。在保證最大轉矩的情況下，使定子電流最小，這樣就減小了電機的銅耗，提高了電源利用率。由上可知，在依據本發明的一種永磁同步電機的正弦調制控制方法的實施例中， 其通過轉子位置信號作為時間基準來生成一全波的馬蹄形調制波，再通過所述馬蹄形調制波來產生PWM控制信號，以使永磁同步電機中的定子電流為正弦波電流。另外，本發明實施例還通過表征轉速反饋信息的第一調節電壓信號來調節轉子轉速，能滿足不同場合轉速快慢調節的要求。通過上述對本發明實施例的闡述，本發明所述的一種永磁同步電機的正弦調制控制方法及其控制電路，根據轉子位置信號作為時間基準來生成一全波馬蹄形調制波，從而控制逆變器的輸出，以保證永磁同步電機的定子電流為一正弦波電流；通過對轉子轉速的反饋控制調節，實現對永磁同步電機的轉速快慢的調節；并且通過對輸出轉矩的調節，使得在輸出轉矩最大時，定子電流最小，以減小電機損耗，提高利用率。本發明的控制方案步驟簡單，無需檢測定子電流和復雜的坐標轉換計算，控制難度小，電路成本相對也較低，適用范圍也更為廣泛；而且本發明中調制波為完全對稱的馬蹄形調制波，其幅值低，提高了直流電源的利用率。本說明書選取并具體描述這些實施例，是為了最好地解釋本發明的原理和實際應用，從而使所屬技術領域技術人員能最好地利用這個發明。修改的實施例同樣也適用于預期的特定應用。本發明的范圍為權利要求書全部范圍以及其等效物。
權利要求
1.一種永磁同步電機的正弦調制控制方法，其特征在于，包括步驟I:檢測所述永磁同步電機上的轉子位置信息，以獲得一轉子位置信號，并通過所述轉子位置信號計算獲得轉子的轉速測量值；步驟2 :將所述轉速測量值與一參考轉速值進行比較，產生一誤差信號，所述誤差信號通過一 PI調節器產生一第一調節電壓信號；步驟3 :接收所述轉子位置信號和所述第一調節電壓信號，以所述轉子位置信號作為時間基準，生成一全波的馬蹄形調制波；所述全波的馬蹄形調制波與所述第一調節電壓信號相乘，以產生一第二馬蹄形調制波；步驟4 :將所述第二馬蹄形調制波與一三角波進行比較，以產生PWM控制信號，所述PWM 控制信號用以控制逆變器中開關管的導通和關斷，從而調節所述永磁同步電機的電流，實現對所述永磁同步電機的正弦波電流控制。
2.根據權利要求I所述的控制方法，其特征在于，在所述步驟3中進一步包括，以所述轉子位置信號作為時間基準，將所述轉子位置信號分成多個時間區間，在每個時間區間內生成一部分馬蹄形調制波，依次將每部分馬蹄形調制波連接起來，以此形成所述全波的馬蹄形調制波。
3.根據權利要求I所述的控制方法，其特征在于，利用一霍爾傳感器來檢測所述永磁同步電機上的轉子位置信息，并獲得一霍爾信號，所述霍爾信號作為所述轉子位置信號。
4.根據權利要求I所述的控制方法，其特征在于，采用無位置傳感器的檢測電路來檢測所述永磁同步電機上的轉子位置信息，以獲得所述轉子位置信號。
5.根據權利要求I所述的控制方法，其特征在于，所述轉子位置角的調節由一外部使能信號驅動，所述外部使能信號使所述全波馬蹄形調制波相對于所述轉子位置信號左移或右移，從而改變定子磁動勢與轉子磁動勢的夾角，以使每安培定子電流產生的轉矩最大。
6.一種永磁同步電機的正弦調制控制電路，通過控制逆變器中開關管的開關狀態，以控制所述永磁同步電機的電流為正弦波電流，其特征在于，包括一位置和速度檢測電路、電壓調節電路和PWM調制電路，所述位置和速度檢測電路用以檢測所述永磁同步電機上的轉子位置信息，以獲得一轉子位置信號，并通過所述轉子位置信號計算獲得轉子的轉速測量值；所述電壓調節電路將所述轉速測量值與一參考轉速值進行比較，產生一誤差信號，所述誤差信號通過一 PI調節器產生一第一調節電壓信號；所述PWM控制電路接收所述轉子位置信號、所述第一調節電壓信號和一三角波，以產生一 PWM控制信號，所述PWM控制信號用以控制逆變器中開關管的導通和關斷，從而調節所述永磁同步電機的電流，實現對所述永磁同步電機的正弦波電流控制。
7.根據權利要求6所述的控制電路，其特征在于，所述PWM控制電路包括一調制波發生電路和一比較電路，其中，所述調制波發生電路接收所述轉子位置信號和所述第一調節電壓信號，并且以所述轉子位置信號作為時間基準，生成一全波的馬蹄形調制波；所述全波的馬蹄形調制波與所述第一調節電壓信號相乘，以產生一第二馬蹄形調制波；所述比較電路接收所述第二馬蹄形調制波與一三角波，并進行比較以產生所述PWM控制信號。
8.根據權利要求7所述的控制電路，其特征在于，以所述轉子位置信號作為時間基準， 將所述轉子位置信號分成多個時間區間，在每個時間區間內生成一部分馬蹄形調制波，依次將每部分馬蹄形調制波連接起來，以此形成一全波的馬蹄形調制波。
全文摘要
本發明公開了一種永磁同步電機的正弦調制控制方法及其控制電路，通過檢測轉子位置信息以獲得轉子位置信號，然后利用所述轉子位置信號作為時間基準生成一全波的馬蹄形調制波，所述馬蹄形調制波與一三角波比較產生PWM控制信號，所述PWM控制信號用以控制逆變器中開關管的導通和關斷，以實現對所述永磁同步電機的正弦波電流控制。本發明所公開的正弦調制控制方案簡單易行，無需檢測定子電流和進行矢量坐標變換，也不需要光電編碼器等昂貴的轉子位置檢測設備，大幅降低了成本；并且所產生的調制波是完全對稱的馬蹄形調制波，降低了調制波的幅值，提高了直流電源的利用率。
文檔編號H02P6/16GK102611370SQ20121007285
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月19日 優先權日2012年3月19日
發明者黃曉冬 申請人:杭州矽力杰半導體技術有限公司