一種無刷直流電機回饋制動運行的PWM控制方法與流程
本發明涉及無刷直流電機控制領域，更具體地說，涉及一種無刷直流電機回饋制動運行的pwm控制方法。
背景技術：
無刷直流電機具有結構簡單，功率密度大和效率高等優點，廣泛應用于電動汽車領域。在電動汽車運行過程中，有時需要根據實際情況進行減速或制動。常見的制動方式有機械制動和電氣制動，其中電氣制動包括能耗制動、反接制動和回饋制動。機械制動直接將機械能轉化為熱能，制動方式簡單可靠；能耗制動將系統的動能轉化為電能消耗在制動電阻上；反接制動將電機繞組與電源相接的極性對調，制動效果明顯，但需要電源提供制動電流；回饋制動無需改變系統硬件結構，只需對回饋電流進行控制，即可實現較好的制動效果。因此一般制動方式選擇回饋制動。
脈沖寬度調制(pwm)就是對脈沖的寬度進行調制的技術。即通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效地獲得所需要的波形。
無刷直流電機工作在三相六狀態兩兩導通模式下，當非導通相電壓高于直流母線電壓或低于零(忽略二極管導通壓降)時，會使相連的二極管正向偏置，非導通相繞組中有電流產生，稱為非導通相續流。
回饋制動時的pwm調制方式分為單臂斬波和雙臂斬波。在單臂斬波中，任意時刻只有一個開關管有pwm開關動作；而在雙臂斬波中，任意時刻上、下橋臂兩個開關管均有pwm開關動作。傳統單臂斬波存在非導通相續流現象，加劇了轉矩脈動，而雙臂斬波沒有非導通相續流；雙臂斬波兩個開關管同時有pwm開關動作，開關損耗較大；單臂斬波在整個pwm周期內，蓄電池沒有能量輸出，而雙臂斬波在續流階段蓄電池有能量輸出，使得雙臂斬波存在臨界轉速，在電機轉速低于臨界轉速時，蓄電池輸出能量大于電機回饋能量，無法實現電機制動。
技術實現要素：
本發明目的在于提供一種完全抑制非導通相續流現象且不存在臨界轉速，不增加器件開關損耗的無刷直流電機回饋制動運行的pwm控制方法。
本發明的目的是通過下列技術方案來實現：
步驟一：無刷直流電機采用三相六狀態兩相繞組導通方式，通過霍爾傳感器檢測轉子位置輸出霍爾信號，得到三相霍爾信號ha、hb、hc與逆變器中開關管的對應邏輯關系；
步驟二：回饋制動運行狀態下采用轉矩閉環控制，轉矩反饋量與轉矩給定量進行比較，得到的轉矩誤差經過轉矩控制器輸出高、低電平，與三相霍爾信號一起輸入到pwm_off_pwm控制模塊中；
步驟三：回饋制動運行下pwm控制采用pwm_off_pwm調制方式，對任意開關管，設其作用區間為：θ～θ+30°、θ+90°～θ+120°，令θ～θ+60°對應的霍爾信號延遲30°電角度得到θ+30°～θ+90°信號，將θ+30°～θ+90°信號與θ～θ+120°對應的霍爾信號進行“異或”操作，再與轉矩控制器輸出的高、低電平進行“與”操作，得到開關管的pwm信號，在pwm_off_pwm調制方式下，任意開關管導通的120°電角度期間內，前30°和后30°進行pwm調制，中間60°保持關斷，輸出的pwm信號通過控制逆變器中開關管的導通與關斷，使對應相繞組導通，驅動無刷直流電機旋轉。
與現有技術相比，本發明的有益效果為：提供了一種無刷直流電機回饋制動運行的pwm控制方法：pwm_off_pwm，該發明能夠完全抑制非導通相續流現象且不存在臨界轉速；保證了任意時刻只有一個開關管進行pwm調制，不增加器件的開關損耗；六個開關管輪流進行pwm調制，各個開關管發熱均勻，有利于提高系統的可靠性。該pwm控制不需增加硬件電路，控制方法簡單，易于實現。
附圖說明
圖1為本發明一種無刷直流電機回饋制動運行的pwm控制方法控制原理圖。
圖2為回饋制動運行下反電動勢和相電流對應波形圖。
圖3為該發明pwm_off_pwm下的pwm控制方式圖。
圖4為圖1原理圖中pwm_off_pwm控制模塊實施框圖。
圖5(a)回饋制動運行狀態ab相導通前30°電角度開關管vt4pwm為高電平時電流流向圖。
圖5(b)回饋制動運行狀態ab相導通前30°電角度開關管vt4pwm為低電平時電流流向圖。
圖5(c)回饋制動運行狀態ab相導通后30°電角度開關管vt3pwm為高電平時電流流向圖。
圖5(d)回饋制動運行狀態ab相導通后30°電角度開關管vt3pwm為低電平時電流流向圖。
圖6為單臂斬波中pwm_off下的a相電流仿真波形圖。
圖7為雙臂斬波hpwm_lpwm下的a相電流仿真波形圖。
圖8為該發明pwm_off_pwm下的a相電流仿真波形圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步說明：
圖1是無刷直流電機回饋制動運行的控制原理圖，制動運行狀態下電機轉速與轉矩反向，電機轉速為給定量，轉矩為控制量，采用轉矩閉環控制。轉矩反饋量與轉矩給定量進行比較，得到的轉矩誤差經過轉矩控制器后輸出高、低電平，與霍爾信號一起輸入到pwm_off_pwm控制模塊，控制三相逆變器中開關管導通與關斷，實現無刷直流電機回饋制動運行。
圖2為無刷直流電機兩相繞組導通回饋制動運行下理想反電動勢和相電流對應波形圖，制動運行狀態下反動電勢和相電流反向，其中反電動勢為梯形波，電流為矩形波，ea、eb、ec、ia、ib、ic分別為三相反電動勢和三相相電流，e為反電勢幅值，θ為電角度。
圖3為該發明下pwm_off_pwm調制方式圖，可以看出，在每個開關管導通的120°電角度期間內，前30°和后30°進行pwm，中間60°保持關斷，任意時刻只有一個開關管有pwm開關動作。
常用的幾種單臂斬波pwm控制如下：(1)hpwm_loff，即上橋臂開關管pwm，下橋臂開關管關斷；(2)hoff_lpwm，即上橋臂開關管關斷，下橋臂開關管pwm；(3)pwm_off，即在每個開關管導通的120°電角度期間內，前60°進行pwm，后60°關斷；(4)off_pwm，即在每個開關管導通的120°電角度期間內，前60°關斷，后60°進行pwm，單臂斬波在任意時刻都只有一個開關管進行pwm調制。雙臂斬波為hpwm_lpwm調制方式，即在任意時刻上、下橋臂兩個開關管同時進行pwm調制。
表一回饋制動運行狀態下三相霍爾信號與開關管對應邏輯
圖4為該pwm_off_pwm調制方式實施框圖，三相霍爾信號與開關管的對應邏輯關系如表一所示。對開關管vtm(m表示1～6)，設其作用區間為：θ～θ+30°，θ+90°～θ+120°，令θ～θ+60°對應的霍爾信號延遲30°電角度得到θ+30°～θ+90°信號，將延遲信號θ+30°～θ+90°信號與θ～θ+120°對應的霍爾信號進行“異或”操作，再與轉矩控制器輸出的高、低電平進行“與”操作，即可得到開關管vtm的pwm信號。以開關管vt1為例，其作用區間為180°～210°、270°～300°。a.將180°～240°對應的霍爾信號010(即
以回饋制動運行ab相導通為例，由圖2和圖3可知，a相電流為正，b相電流為負，開關管vt4和vt3每30°電角度交替進行pwm，電流過程如圖5(a)-圖5(d)所示。在前30°電角度內，當pwm信號為高電平時，vt4導通，vt4與vd6導通續流，電感儲能，此時處于續流狀態；當pwm信號為低電平時，vt4關斷，vd1與vd6導通向蓄電池回饋能量，電感放電，此時處于回饋狀態。后30°電角度內，當pwm信號為高電平時，vt3導通，vt3與vd1導通續流，電感儲能，此時處于續流狀態；當pwm信號為低電平時，vt3關斷，vd1與vd6導通向蓄電池回饋能量，電感放電，此時處于回饋狀態。在整個ab相導通期間蓄電池沒有能量輸出，不存在臨界轉速，同理可分析其它相導通情況。
當非導通相電壓高于直流母線電壓ud或低于零(忽略二極管導通壓降)時，會使相連的二極管正向偏置，非導通相繞組中將會有電流產生，稱為非導通相續流。非導通相相電壓表達式為：uoff＝un+eo(uoff、un、eo分別是非導通相電壓、中性點電壓和非導通相反電勢)
對無刷直流電機，ud＞2e，端電壓方程為：
分析該發明pwm_off_pwm調制方式下非導通相續流現象，中性點電壓的取值有以下三種：
由圖2可知，①在0～360°電角度期間內，-e＜eo＜e，當pwm信號為低電平時，上、下橋臂兩個二極管導通向蓄電池回饋能量，此時處于回饋狀態，中性點電壓
②在0～30°、90°～120°、120°～150°、210°～240°、240°～270°、330°～360°期間內，0＜eo＜e，下橋臂開關管pwm，當pwm信號為高電平時，下橋臂對應開關管與二極管導通續流，此時處于續流狀態，中性點電壓un＝0，0＜uoff＜e＜ud。
③在30°～60°、60°～90°、150°～180°、180°～210°、270°～300°、300°～330°期間內，-e＜eo＜0，上橋臂開關管pwm，當pwm信號為高電平時，上橋臂對應開關管與二極管導通續流，此時處于續流狀態，中性點電壓un＝ud，0＜ud-e＜uoff＜ud。
因此該pwm調制方式在0～360°電角度內都有0＜uoff＜ud，不會產生非導通相續流。
本發明實施例用來解釋本發明，而不是對本發明進行限制，在發明的精神和權利要求的保護范圍內，對本發明做出的任何修改和改變，都落入本發明的保護范圍。
實施例
本發明采用無刷直流電機各參數值如下：額定蓄電池電壓ud＝300v，額定電機轉速n＝1500r/min，磁極對數p＝4，等效電感l＝0.1884mh進行仿真驗證。由于回饋制動運行狀態下電機轉速與轉矩反向，給定轉矩t＝-17nm。對開關管vtm(m表示1～6)，設其作用區間為：θ～θ+30°，θ+90°～θ+120°，令θ～θ+60°對應的霍爾信號延遲30°電角度得到θ+30°～θ+90°信號，將該延遲信號與θ～θ+120°對應的霍爾信號進行“異或”操作，再與轉矩控制器輸出的高、低電平進行“與”操作，即可得到開關管vtm在pwm_off_pwm調制方式下的pwm信號。圖6～8分別對應單臂斬波pwm_off、雙臂斬波hpwm_lpwm和該發明pwm_off_pwm調制方式下a相電流仿真波形圖。由圖6可以看出，回饋制動運行狀態下單臂斬波時存在非導通相續流，如圖中畫圈的地方；圖7中雙臂斬波hpwm_lpwm調制方式下不存在非導通相續流，但由于雙臂斬波兩個開關管pwm，其非換相期間非換相電流波動較大；圖8中新型pwm_off_pwm調制方式下也沒有非導通相續流。仿真結果符合理論分析情況。
綜上可知，采用一種無刷直流電機回饋制動運行的pwm_off_pwm控制方法能夠抑制非導通相續流現象并且不存在臨界轉速；保證了任意時刻只有一個開關管進行pwm調制，不增加器件的開關損耗；六個開關管輪流進行pwm調制，各個開關管發熱均勻，有利于提高系統的可靠性；不增加硬件復雜程度，控制方法簡單且易于實現。
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