一種直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制控制器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供一種直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制控制器，包括PWM信號(hào)發(fā)生器、ON信號(hào)發(fā)生器、高頻多路分配器和復(fù)雜可編程控制器，所述PWM信號(hào)發(fā)生器、ON信號(hào)發(fā)生器和CPLD的輸出端分別與高頻多路分配器相連，高頻多路分配器通過驅(qū)動(dòng)電路與直流電機(jī)相連，直流電機(jī)通過轉(zhuǎn)子位置傳感器與CPLD相連。本實(shí)用新型的有益效果是：PWM信號(hào)發(fā)生器輸出的PWM信號(hào)幅值、脈寬、周期手動(dòng)可調(diào)，可產(chǎn)生不同類型的PWM信號(hào)；僅使用一個(gè)PWM信號(hào)發(fā)生器和一個(gè)ON信號(hào)發(fā)生器，通過多路分配器控制六個(gè)橋臂的開關(guān)管，采用CPLD進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)可編程控制，可適用于不同類型的PWM控制策略；具有系統(tǒng)成本低、可實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試、操作維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明創(chuàng)造屬于直流電機(jī)控制領(lǐng)域，尤其是涉及一種直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制控制 器。 一種直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制控制器

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，無刷直流電機(jī)因其功率密度高、調(diào)速性能優(yōu)越、控制簡單等特點(diǎn)，得到越 來越廣泛的應(yīng)用。相對(duì)于正弦性永磁同步電機(jī)，方波型永磁無刷直流電機(jī)最突出的問題就 在于具有電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，從而限制了其在很多領(lǐng)域中的應(yīng)用與推廣。根據(jù)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生的 機(jī)理的不同，采用的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制的方法主要是兩種：一種是電機(jī)本體優(yōu)化設(shè)計(jì)；另一類 是從控制策略入手，通過調(diào)整加在電機(jī)定子繞組上的電壓或電流波形來抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
[0003] 如圖1所示，現(xiàn)有無刷直流電機(jī)的PWM調(diào)制策略為：三相永磁無刷直流電機(jī)工作于 120°導(dǎo)通方式下時(shí)，同一相上下兩個(gè)橋臂的開關(guān)管交替導(dǎo)通，各自導(dǎo)通半個(gè)周期180。常見 的 PWM 調(diào)制方式有：a) PWM_0N ;b) 0N_PWM ;c) H_PWM-L_0N ;d) H_0N-L_PWM ;e) H_PWM-L_PWM ; f)PWM_0N_PWM等。PWM_0N調(diào)制方式的原理為在開關(guān)管導(dǎo)通的120°期間，前60°進(jìn)行PWM 調(diào)制，后60°保持恒通；0N_PWM調(diào)制方式與PWM_0N調(diào)制方式正好相反，即前60°保持恒 通，后60°進(jìn)行PWM調(diào)制；H_PWM-L_0N調(diào)制方式表示上橋臂開關(guān)管進(jìn)行PWM調(diào)制，下橋臂開 關(guān)管保持恒通；H_0N-L_PWM調(diào)制方式與H_PWM-L_0N的調(diào)制方式相反，即上橋臂開關(guān)管保持 恒通，下橋臂開關(guān)管進(jìn)行PWM調(diào)制；H_PWM-L_PWM調(diào)制方式表示上下橋臂開關(guān)管均進(jìn)行PWM 調(diào)制。PWM_0N_PWM調(diào)制方式下，每只開關(guān)管在開通的前30°和后30°期間進(jìn)行PWM調(diào)制， 中間60°區(qū)間保持恒通。
[0004] 在前五種PWM調(diào)制方式中，采用H_PWM-L_PWM調(diào)制方式時(shí)，每只開關(guān)管均進(jìn)行PWM 調(diào)制，六只開關(guān)管總的開關(guān)損耗相對(duì)于采用其他四種調(diào)制方式時(shí)的開關(guān)損耗增加了一倍， 因此，通常情況下，不選擇H_PWM-L_PWM調(diào)制方式；采用H_PWM-L_0N和H_0N-L_PWM時(shí)，只有 一個(gè)橋臂上的開關(guān)管在進(jìn)行PWM調(diào)制，而另一個(gè)橋臂上的開關(guān)管處于恒通狀態(tài)，因此，六只 開關(guān)管的開關(guān)損耗并沒有均勻的分配。對(duì)于不同的使用要求下可以選擇不同的調(diào)制方式。 PWM_0N調(diào)制方式是上述調(diào)制方式中最優(yōu)的調(diào)制方式，采用該調(diào)制方式可以抑制換相期間的 電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。在此基礎(chǔ)上的PWM_〇N_PWM調(diào)制方式還可以消除非導(dǎo)通相上的續(xù)流電流。
[0005] 可見目前采用PWM控制抑制直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的調(diào)制方式很多，但都僅需要兩種 控制信號(hào)來實(shí)現(xiàn)：PWM信號(hào)和0N信號(hào)。
[0006] 目前采用的產(chǎn)生PWM信號(hào)的控制器都是采用通用處理器，如單片機(jī)、數(shù)字信號(hào)處 理器（DSP)及現(xiàn)場可編程陣列（FPGA)，存在系統(tǒng)成本高、系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜、受環(huán)境影響較大等 問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明創(chuàng)造要解決的問題是提供一種能產(chǎn)生上述兩種控制信號(hào)適用于不同調(diào)制 方式的直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制控制器，特別適合在不同PWM控制策略的直流電機(jī)上使用。
[0008] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明創(chuàng)造采用的技術(shù)方案是：一種直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑 制控制器，包括產(chǎn)生用于控制電機(jī)工作的PWM控制信號(hào)的PWM信號(hào)發(fā)生器、產(chǎn)生控制電機(jī) 工作的常開控制信號(hào)的0N信號(hào)發(fā)生器、高頻多路分配器和復(fù)雜可編程控制器（CPLD)，所 述PWM信號(hào)發(fā)生器、0N信號(hào)發(fā)生器和CPLD的輸出端分別與所述高頻多路分配器相連，所述 高頻多路分配器通過驅(qū)動(dòng)電路與直流電機(jī)相連，所述直流電機(jī)通過轉(zhuǎn)子位置傳感器與所述 CPLD相連，CPLD根據(jù)PWM調(diào)制方式及轉(zhuǎn)子位置傳感器得到的信號(hào)產(chǎn)生控制信號(hào)，高頻多路 分配器根據(jù)CPLD輸出的控制信號(hào)將PWM信號(hào)和0N信號(hào)加到不同橋臂的驅(qū)動(dòng)電路上。
[0009] 進(jìn)一步的，所述PWM信號(hào)發(fā)生器由一個(gè)等幅度周期震蕩波和一個(gè)參考波通過比較 器進(jìn)行比較后，輸出脈沖寬度不同的PWM信號(hào)，所述等幅度周期震蕩波采用三角波，PWM的 脈沖寬度可通過參考波的輸入幅度值進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此可產(chǎn)生任意占空比的PWM信號(hào)。
[0010] 進(jìn)一步的，可以采用前緣控制和后緣控制產(chǎn)生兩種不同PWM信號(hào)：利用三角波的 峰谷確定PWM的結(jié)束時(shí)間和利用三角波的峰谷確定PWM開始時(shí)間；可以根據(jù)三角波和脈寬 控制輸入加到比較器的端子方式不同（正向端或反向端）可得到不同有效占空比（高電平或 低電平）的PWM信號(hào)。
[0011] 進(jìn)一步的，上述等幅度周期震蕩波采用三角波，所述三角波由三角波振蕩器產(chǎn)生， 所述三角波振蕩器包括由ΤΙ、T2和T3構(gòu)成的電流鏡電路，所述ΤΙ、T2的發(fā)射極均與5V電 源相連，所述T3的集電極依次通過可變電容C和電阻R1與T3的基極相連，在所述T3的集 電極與可變電容C之間接入T4的集電極，所述T4的發(fā)射極與可變電容C的另一端相連，所 述T4的基極分兩路，一路通過電阻R4與其發(fā)射極相連，另一路通過電阻R6與比較器的輸 出端相連，所述比較器的同相輸入端分兩路，一路通過可變電阻R2與T2的發(fā)射極相連，另 一路通過電阻R3與T4的發(fā)射極相連，所述比較器的輸出端還通過電阻R5與T2的發(fā)射極 相連，所述T3的集電極端輸出三角波。
[0012] 進(jìn)一步的，所述轉(zhuǎn)子位置傳感器采用三個(gè)轉(zhuǎn)子位置傳感器，分別產(chǎn)生180度脈寬， 互差120度相位的輸出信號(hào)，將產(chǎn)生6個(gè)上升沿或下降沿，可根據(jù)這些信息，實(shí)現(xiàn)無刷直流 電機(jī)的三相六狀態(tài)控制。
[0013] 進(jìn)一步的，所述高頻多路分配器為兩個(gè)，一個(gè)與PWM信號(hào)發(fā)生器相連，另一個(gè)與0N 信號(hào)發(fā)生器相連，所述CPLD的輸入端與轉(zhuǎn)子位置傳感器相連，所述CPLD的輸出端將控制信 號(hào)分時(shí)加到驅(qū)動(dòng)電路的三相橋臂開關(guān)管上，實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)管的控制。
[0014] PWM信號(hào)和0N信號(hào)分別來自PWM信號(hào)發(fā)生器和0N信號(hào)發(fā)生器；轉(zhuǎn)子位置信息來 自轉(zhuǎn)子位置傳感器，共有3個(gè)信號(hào)可以產(chǎn)生不同的8路輸出，本發(fā)明創(chuàng)造只取其中的6種。 根據(jù)直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制PWM調(diào)制方式的不同通過對(duì)CPLD編程配置不同控制方式，控制 信號(hào)編碼采用格雷碼，輸出信號(hào)根據(jù)PWM調(diào)制方式設(shè)定為三種不同的狀態(tài)PWM、0N或OFF。
[0015] 本發(fā)明創(chuàng)造具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：PWM信號(hào)發(fā)生器輸出的PWM信號(hào)幅值、脈 寬、周期手動(dòng)可調(diào)，可產(chǎn)生不同類型的PWM信號(hào)；僅使用一個(gè)PWM信號(hào)發(fā)生器和一個(gè)0N信 號(hào)發(fā)生器，通過多路分配器控制六個(gè)橋臂的開關(guān)管，采用CPLD進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)可編程控制， 可適用于不同類型的PWM控制策略；具有系統(tǒng)成本低、可實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試、操作維護(hù)方便等優(yōu) 點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1是現(xiàn)有技術(shù)中永磁無刷直流電機(jī)的等效結(jié)構(gòu)原理圖；
[0017] 圖2是本發(fā)明創(chuàng)造的原理圖；
[0018] 圖3是PWM信號(hào)發(fā)生器的原理圖；
[0019] 圖4是三角波振蕩器的原理圖；
[0020] 圖5是高頻多路分配器的連接示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0021] 如圖2所示，本發(fā)明創(chuàng)造一種直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制控制器，包括產(chǎn)生用于控制 電機(jī)工作的PWM控制信號(hào)的PWM信號(hào)發(fā)生器、產(chǎn)生控制電機(jī)工作的常開控制信號(hào)的0N信號(hào) 發(fā)生器、高頻多路分配器和CPLD，所述PWM信號(hào)發(fā)生器、0N信號(hào)發(fā)生器和CPLD的輸出端分 別與所述高頻多路分配器相連，所述高頻多路分配器通過驅(qū)動(dòng)電路與直流電機(jī)相連，所述 直流電機(jī)通過轉(zhuǎn)子位置傳感器與所述CPLD相連，所述轉(zhuǎn)子位置傳感器通常采用三個(gè)轉(zhuǎn)子 位置傳感器分別產(chǎn)生180度脈寬，互差120度相位的輸出信號(hào)，將產(chǎn)生6個(gè)上升沿或下降 沿，可根據(jù)這些信息，實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的三相六狀態(tài)控制。CPLD根據(jù)PWM調(diào)制方式及轉(zhuǎn)子 位置傳感器得到的信號(hào)產(chǎn)生控制信號(hào)，高頻多路分配器根據(jù)CPLD輸出的控制信號(hào)將PWM信 號(hào)和0N信號(hào)加到不同橋臂的驅(qū)動(dòng)電路上。
[0022] 如圖3所示，所述PWM信號(hào)發(fā)生器由一個(gè)等幅度周期震蕩波和一個(gè)參考波通過比 較器進(jìn)行比較后，輸出脈沖寬度不同的PWM信號(hào)，所述等幅度周期震蕩波采用三角波，PWM 的脈沖寬度可通過參考波的輸入幅度值進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此可產(chǎn)生任意占空比的PWM信號(hào)。可 以采用前緣控制和后緣控制產(chǎn)生兩種不同PWM信號(hào)：利用三角波的峰谷確定PWM的結(jié)束時(shí) 間和利用三角波的峰谷確定PWM開始時(shí)間；可以根據(jù)三角波和脈寬控制輸入加到比較器的 端子方式不同（正向端或反向端）可得到不同有效占空比(高電平或低電平）的PWM信號(hào)。
[0023] 如圖4所示，上述等幅度周期震蕩波采用的三角波由三角波振蕩器產(chǎn)生，圖4中， T1、T2和T3構(gòu)成了電流鏡電路，R1用來控制電流II的大小，電流鏡電路會(huì)使11=12 ; 12對(duì) 電容器C進(jìn)行充電，當(dāng)電容器C兩端電壓大于預(yù)設(shè)值時(shí)Τ4導(dǎo)通C開始進(jìn)行放電，周而復(fù)始 產(chǎn)生等幅度震蕩波三角波。其中R2為可變阻值電阻器，可以通過調(diào)節(jié)R2的阻值設(shè)定震蕩 波的峰值；C為可變點(diǎn)容值電容器，可以通過調(diào)節(jié)C設(shè)定震蕩波的周期。所設(shè)計(jì)的三角波振 蕩器可產(chǎn)生任意幅值、任意周期的PWM信號(hào)。
[0024] 如圖5所不，PWM信號(hào)和0Ν信號(hào)來自PWM信號(hào)發(fā)生器和0Ν信號(hào)發(fā)生器；轉(zhuǎn)子位置 信息來自轉(zhuǎn)子位置傳感器，共有3個(gè)信號(hào)可以產(chǎn)生不同的8路輸出，本實(shí)用新型只取其中的 6種。根據(jù)直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制PWM調(diào)制方式的不同通過對(duì)CPLD編程配置不同控制方 式，控制信號(hào)編碼采用格雷碼，輸出信號(hào)根據(jù)PWM調(diào)制方式設(shè)定為三種不同的狀態(tài)PWM、0N 或 OFF。
[0025] 如圖1所示的永磁無刷直流電機(jī)的等效結(jié)構(gòu)圖，通過以下PWM調(diào)制方式為例說明 控制信號(hào)與輸出信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
[0026] 該P(yáng)WM調(diào)制方式每60電角度進(jìn)行一次換相，每個(gè)開關(guān)管每周期導(dǎo)通120電角度， 各開關(guān)管的導(dǎo)通順序?yàn)?VT6VT1、VT1VT2、VT2VT3、VT3VT4、VT4VT5、VT5VT6。方波 120° 控制 方式同一時(shí)刻只有兩個(gè)開關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài)，選擇上橋臂開關(guān)管采用PWM控制，下橋臂開 關(guān)管一直導(dǎo)通。為獲得足夠的自舉電壓，使原本應(yīng)該處于完全關(guān)閉狀態(tài)的下橋臂開關(guān)管以 一定的占空比導(dǎo)通。為防止上下橋臂直通，上橋臂開關(guān)管設(shè)置了死區(qū)時(shí)間，當(dāng)下橋臂完全開 通時(shí)上橋臂關(guān)閉。其控制信號(hào)與輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。
[0027]

【權(quán)利要求】
1. 一種直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制控制器，其特征在于：包括產(chǎn)生用于控制電機(jī)工作的 PWM控制信號(hào)的PWM信號(hào)發(fā)生器、產(chǎn)生控制電機(jī)工作的常開控制信號(hào)的ON信號(hào)發(fā)生器、高頻 多路分配器和CPLD，所述PWM信號(hào)發(fā)生器、ON信號(hào)發(fā)生器和CPLD的輸出端分別與所述高頻 多路分配器相連，所述高頻多路分配器通過驅(qū)動(dòng)電路與直流電機(jī)相連，所述直流電機(jī)通過 轉(zhuǎn)子位置傳感器與所述CPLD相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制控制器，其特征在于：所述PWM 信號(hào)發(fā)生器包括比較器，所述比較器的輸入端分別接入一個(gè)等幅度周期震蕩波和一個(gè)參考 波，所述比較器的輸出端輸出PWM信號(hào)，所述等幅度周期震蕩波為三角波。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制控制器，其特征在于：所述PWM 信號(hào)發(fā)生器中的三角波和脈寬控制輸入通過正向端或者反向端加到比較器上，得到高電平 或低電平的PWM信號(hào)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制控制器，其特征在于：所述三角 波由三角波振蕩器產(chǎn)生，所述三角波振蕩器包括由T1、T2和T3構(gòu)成的電流鏡電路，所述T1、 Τ2的發(fā)射極均與5V電源相連，所述Τ3的集電極依次通過可變電容C和電阻R1與Τ3的基 極相連，在所述Τ3的集電極與可變電容C之間接入Τ4的集電極，所述Τ4的發(fā)射極與可變 電容C的另一端相連，所述Τ4的基極分兩路，一路通過電阻R4與其發(fā)射極相連，另一路通 過電阻R6與比較器的輸出端相連，所述比較器的同相輸入端分兩路，一路通過可變電阻R2 與Τ2的發(fā)射極相連，另一路通過電阻R3與Τ4的發(fā)射極相連，所述比較器的輸出端還通過 電阻R5與Τ2的發(fā)射極相連，所述Τ3的集電極端輸出三角波。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制控制器，其特征在于：所述轉(zhuǎn)子 位置傳感器采用三個(gè)轉(zhuǎn)子位置傳感器，分別產(chǎn)生180度脈寬，互差120度相位的輸出信號(hào)， 產(chǎn)生6個(gè)上升沿或下降沿，實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的三相六狀態(tài)控制。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制控制器，其特征在于：所述高頻 多路分配器為兩個(gè)，一個(gè)與PWM信號(hào)發(fā)生器相連，另一個(gè)與ON信號(hào)發(fā)生器相連，所述CPLD 的輸入端與轉(zhuǎn)子位置傳感器相連，所述CPLD的輸出端將控制信號(hào)分時(shí)加到驅(qū)動(dòng)電路的三 相橋臂開關(guān)管上，實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)管的控制。
【文檔編號(hào)】H02P6/10GK203851073SQ201420176281
【公開日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年4月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月11日
【發(fā)明者】陶宏敬, 郭英偉, 何忠, 趙燕, 唐子晰, 呂芳芳, 楊振敏, 楊鐵墻, 劉群, 姜心剛 申請(qǐng)人:中國天辰工程有限公司, 天津天辰綠色能源工程技術(shù)研發(fā)有限公司