本實(shí)用新型屬于電機(jī)控制系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及一種可有效消除電機(jī)控制系統(tǒng)中FOC算法中死區(qū)效應(yīng)的三相電機(jī)控制裝置。

背景技術(shù)：

目前，電機(jī)使用于吸塵器、洗衣機(jī)、廚房器具、電動車等各個領(lǐng)域中，F(xiàn)OC(場定向控制)算法逐漸替換原先的六步換相算法。FOC(field-oriented control)為磁場導(dǎo)向控制，又稱為矢量控制(vector control)，是一種利用變頻器(VFD)控制三相交流馬達(dá)的技術(shù)，利用調(diào)整變頻器的輸出頻率、輸出電壓的大小及角度，來控制馬達(dá)的輸出。其特性是可以個別控制馬達(dá)的的磁場及轉(zhuǎn)矩，類似他激式直流馬達(dá)的特性。由于處理時會將三相輸出電流及電壓以矢量來表示，因此稱為矢量控制。

達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)的K.Hasse及西門子公司的F.Blaschke分別在1968年及1970年代初期提出矢量控制的概念。Hasse提出的是間接矢量控制，Blaschke提出的是直接矢量控制。布倫瑞克工業(yè)大學(xué)的維爾納·萊昂哈德(Leonhard further)進(jìn)一步開發(fā)磁場導(dǎo)向控制的控術(shù)，因此交流馬達(dá)驅(qū)動器開始有機(jī)會取代直流馬達(dá)驅(qū)動器。

當(dāng)時微處理器尚未商品化，但已經(jīng)出現(xiàn)泛用的交流馬達(dá)驅(qū)動器。當(dāng)時相較于直流馬達(dá)驅(qū)動器，交流馬達(dá)驅(qū)動器的成本高、架構(gòu)復(fù)雜，而且不易維護(hù)。而當(dāng)時的矢量控制需要許多傳感器及放大器等元件，因此無法將矢量控制應(yīng)用在交流馬達(dá)驅(qū)動器中。

派克變換一直被用在同步馬達(dá)及感應(yīng)馬達(dá)的分析及研究，是了解磁場導(dǎo)向控制最需要知道的概念。這個概念是羅伯特·派克(Robert Park)在1929年的論文中提出的。派克變換被列為二十世紀(jì)發(fā)表電力電子相關(guān)論文中，第二重要的論文。派克變換的重要性是可以將馬達(dá)有關(guān)的微分方程，由變系數(shù)微分方程變成“時不變”系數(shù)的微分方程。矢量控制可以適用在交流感應(yīng)馬達(dá)及直流無刷馬達(dá)，早期開發(fā)的目的為了高性能的馬達(dá)應(yīng)用，可以在整個頻率范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)、馬達(dá)零速時可以輸出額定轉(zhuǎn)矩、且可以快速的加減速。不過相較于直流馬達(dá)，矢量控制可配合交流馬達(dá)使用，馬達(dá)體積小，成本及能耗都較低，因此開始受到產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。矢量控制除了用在高性能的馬達(dá)應(yīng)用場合外，也已用在一些家電中。

FOC算法增加了能量使用效率，穩(wěn)定性以及轉(zhuǎn)速范圍，降低了電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時的噪音。但是在FOC算法中，為了防止同一橋臂的兩個導(dǎo)通管同時導(dǎo)通(圖1中的a、b、c三相)，必須在兩個PWM信號之間插入數(shù)個微秒的死區(qū)(圖2中的Tdt)。死區(qū)時間會導(dǎo)致基波電壓降低、電流弦波畸變、轉(zhuǎn)矩波動電機(jī)不穩(wěn)等死區(qū)效應(yīng)。

為了解決死區(qū)時間導(dǎo)致的基波電壓降低、電流弦波畸變、轉(zhuǎn)矩波動電機(jī)不穩(wěn)等死區(qū)效應(yīng)問題，現(xiàn)今已有許多技術(shù)人員提出了各種補(bǔ)償方法，來解決這一問題。不過現(xiàn)今這一問題的解決方法，大多可以分為兩類，一是基于時間或平均電壓的補(bǔ)償方法，另一種方法是預(yù)測電流。通過多次采樣，根據(jù)某一次檢測到的電流、電機(jī)的數(shù)學(xué)模型以及下一次的理想電流，計算出補(bǔ)償電壓，然后再修改PWM脈寬來產(chǎn)生這一電壓矢量。

現(xiàn)有技術(shù)中，理想情況為Q1、Q2兩個導(dǎo)通管完全互補(bǔ)，實(shí)際情況為導(dǎo)通管打開和關(guān)閉都有一定的時間Ton和Toff，以及為了避免兩管同時導(dǎo)通而增加的死區(qū)時間Tdt。兩者理想情況與實(shí)際情況相差(Tdt+Ton-Toff)，只需要根據(jù)極性加減(Tdt+Ton-Toff)即可。使用平均電壓方法計算時，需要增大或減小α軸的電壓分量(圖3)，而改變電壓就是增大或減小PWM(脈沖寬度調(diào)制)脈寬，計算得到的結(jié)果實(shí)際與通過時間補(bǔ)償?shù)挠嬎憬Y(jié)果相同。這樣就可以解決死區(qū)時間導(dǎo)致的基波電壓降低、電流弦波畸變、轉(zhuǎn)矩波動電機(jī)不穩(wěn)定等死區(qū)效應(yīng)問題。

另一種解決死區(qū)效應(yīng)的方法是預(yù)測電流，通過多次采樣，根據(jù)某一次檢測到的電流、電機(jī)的數(shù)學(xué)模型以及下一次的理想電流，計算出補(bǔ)償電壓，然后再修改PWM脈寬來產(chǎn)生這一電壓矢量。這種方式實(shí)時觀測電流，預(yù)測下一次的采樣電流所需要的電壓矢量，符合當(dāng)時的實(shí)際情況，將死區(qū)效應(yīng)以及其他意外因素都?xì)w入電流，能夠較為精確的進(jìn)行補(bǔ)償。

上述時間或平均電壓的補(bǔ)償方法雖簡單易行，但是由于電流極性的檢測非常重要，一旦檢測錯誤，就會造成更大的誤差；另外負(fù)載不同也會影響補(bǔ)償電壓，這一方法并沒有考慮這一情況，因此補(bǔ)償不夠精確。也就無法徹底解決死區(qū)時間導(dǎo)致的基波電壓降低、電流弦波畸變、轉(zhuǎn)矩波動電機(jī)不穩(wěn)等死區(qū)效應(yīng)問題。

本實(shí)用新型提供了一種三相電機(jī)控制系統(tǒng)，可有效解決電機(jī)控制系統(tǒng)中出現(xiàn)死區(qū)效應(yīng)的技術(shù)問題的，其通過間接消除死區(qū)效應(yīng)，對死區(qū)效應(yīng)的消除更加準(zhǔn)確；消除了三相電機(jī)控制系統(tǒng)采用電壓補(bǔ)償法消除死區(qū)效應(yīng)不夠精確的缺陷；又克服了用預(yù)測電流法制造的三相電機(jī)控制系統(tǒng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，成本過高的弊端，更加簡單、穩(wěn)定、實(shí)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型提供了一種三相電機(jī)控制系統(tǒng)，可有效解決電機(jī)控制系統(tǒng)中出現(xiàn)死區(qū)效應(yīng)的技術(shù)問題的。

本實(shí)用新型的具體技術(shù)方案是：

三相電機(jī)控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)包括32位微控制器和電機(jī)驅(qū)動電路，其中32位微控制器包括32位CPU內(nèi)核、12bit精度ADC、串口UART、3組6路PWM、位置傳感器接口，其中ADC連接到電流反饋電路，PWM連接到三相逆變器，位置傳感器接口連接到電機(jī)中的位置傳感器。其中所述電機(jī)驅(qū)動電路反饋信息給微控制器，而微控制器通過PWM驅(qū)動來控制電機(jī)驅(qū)動電路。如圖5，控制系統(tǒng)以32位MCU為主，共有3個作用：1、輸出6路PWM控制MOS管的導(dǎo)通與關(guān)閉；2、使用ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換)采樣三相中2相的反饋電流，同時獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，再通過如圖7，所述的FOC算法,計算出當(dāng)前電壓矢量，進(jìn)而計算出PWM的占空比動態(tài)調(diào)整電壓矢量，保證電機(jī)持續(xù)穩(wěn)定轉(zhuǎn)動；3、使用UART與電腦或其他終端通訊，接收終端的指令以及發(fā)送電機(jī)狀態(tài)給終端。

如圖6，電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)包括1個三相逆變器和電流反饋電路，這里的三相逆變器，根據(jù)控制部分的PWM來導(dǎo)通或關(guān)閉MOS管，形成三相交流電來驅(qū)動電機(jī)；所述三相逆變器包括6個PWM和六個二極MOS管組成a、b、c三相電路，所述a相電路包括Q1、Q2、PWM1H、PWM1L；所述b相電路包括Q3、Q4、PWM2H、PWM2L，其中PWM2H用于控制Q3的通斷，PWM2L用來控制Q4的通斷；所述c相電路包括Q5、Q6、PWM3H、PWM3L，其中PWM3H用于控制Q5的通斷，PWM3L用來控制Q6的通斷；

如圖8、9、10所述a相中當(dāng)電流方向?yàn)檎较?，?dǎo)通管Q1關(guān)閉，電流通過Q2的二極管，導(dǎo)通管Q1的開關(guān)的開啟關(guān)閉對電機(jī)沒有影響，此時在上橋臂按照計算得到的脈寬控制通斷時間，下橋臂插入2個死區(qū)時間，通過這一方法來避免死區(qū)效應(yīng)的產(chǎn)生。當(dāng)電流為負(fù)方向，導(dǎo)通管Q2關(guān)閉，電流流經(jīng)導(dǎo)通管Q1的二極管，在這段時間內(nèi)，導(dǎo)通管Q2的開關(guān)可以通斷而對電機(jī)沒有影響，此時在下橋臂按照計算得到的時間控制通道時間，在上橋臂插入2個死區(qū)時間，通過這種方法來避免死區(qū)效應(yīng)的產(chǎn)生。

所述b相中當(dāng)電流方向?yàn)檎较?，?dǎo)通管Q3關(guān)閉，電流通過Q4的二極管，導(dǎo)通管Q3的開關(guān)的開啟關(guān)閉對電機(jī)沒有影響，此時在上橋臂按照計算得到的脈寬控制通斷時間，下橋臂插入2個死區(qū)時間，通過這一方法來避免死區(qū)效應(yīng)的產(chǎn)生。當(dāng)電流為負(fù)方向，導(dǎo)通管Q4關(guān)閉，電流流經(jīng)導(dǎo)通管Q3的二極管，在這段時間內(nèi)，導(dǎo)通管Q4的開關(guān)可以通斷而對電機(jī)沒有影響，此時在下橋臂按照計算得到的時間控制通道時間，在上橋臂插入2個死區(qū)時間，通過這種方法來避免死區(qū)效應(yīng)的產(chǎn)生。

所述c相中當(dāng)電流方向?yàn)檎较?，?dǎo)通管Q5關(guān)閉，電流通過Q6的二極管，導(dǎo)通管Q5的開關(guān)的開啟關(guān)閉對電機(jī)沒有影響,此時在上橋臂按照計算得到的脈寬控制通斷時間，下橋臂插入2個死區(qū)時間，通過這一方法來避免死區(qū)效應(yīng)的產(chǎn)生。當(dāng)電流為負(fù)方向，導(dǎo)通管Q6關(guān)閉，電流流經(jīng)導(dǎo)通管Q5的二極管，在這段時間內(nèi)，導(dǎo)通管Q6的開關(guān)可以通斷而對電機(jī)沒有影響,此時在下橋臂按照計算得到的時間控制通道時間，在上橋臂插入2個死區(qū)時間，通過這種方法來避免死區(qū)效應(yīng)的產(chǎn)生。

所述的反饋電路分由兩個子反饋電路組成，用于獲取反饋電流和轉(zhuǎn)子位置，再計算出當(dāng)前PWM的占空比，從而形成閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)，動態(tài)調(diào)節(jié)電壓矢量，使電機(jī)穩(wěn)定轉(zhuǎn)動。

所述電流反饋電路直接與ADC電路相連接。

電機(jī)的三相電路分別連接于a、b、c三相電路上橋臂和下橋臂之間。

本實(shí)用新型的有益效果是：對三相電機(jī)控制系統(tǒng)中死區(qū)效應(yīng)的消除更加準(zhǔn)確，且結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，運(yùn)行穩(wěn)定。

說明書附圖

圖1：現(xiàn)有技術(shù)中三相電機(jī)電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2：三相電機(jī)中的死區(qū)效應(yīng)示意圖；

圖3：空間電壓矢量示意圖；

圖4：三相電機(jī)整體電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5：三相電機(jī)控制部分電路圖；

圖6：三相電機(jī)驅(qū)動部分電路圖；

圖7：FOC算法總體方框圖；

圖8：三相電路a相電路結(jié)構(gòu)圖；

圖9：正電流方向插入死區(qū)時間示意圖；

圖10：負(fù)電流方向插入死區(qū)時間示意圖；

具體實(shí)施例

為使本實(shí)用新型的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面對本發(fā)明的具體實(shí)施方式做詳細(xì)說明。在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是本發(fā)明能夠以很多不同于在此描述的其他方式來實(shí)施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似改進(jìn)，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實(shí)施的限制。

實(shí)施列1：如圖4，本實(shí)用新型的總體結(jié)構(gòu)包括32位微控制器和電機(jī)驅(qū)動電路，其中32位微控制器包括CPU32bit、UART、ADC12bit、QEP。其中ADC12bit一端與電流反饋電路相連，另一端與QEP及三相逆變器相連。其中所述電機(jī)驅(qū)動電路反饋信息給微控制器，而微控制器通過PWM驅(qū)動來控制電機(jī)驅(qū)動電路。如圖5，控制系統(tǒng)以32位MCU為主，共有3個作用：1、輸出6路PWM控制MOS管的導(dǎo)通與關(guān)閉；2、使用ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換)采樣三相中2相的反饋電流，同時獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，再通過如圖7，所述的FOC算法,計算出當(dāng)前電壓矢量，進(jìn)而計算出PWM的占空比動態(tài)調(diào)整電壓矢量，保證電機(jī)持續(xù)穩(wěn)定轉(zhuǎn)動；3、使用UART與電腦或其他終端通訊，接收終端的指令以及發(fā)送電機(jī)狀態(tài)給終端。

如圖6，電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)包括1個三相逆變器和電流反饋電路，這里的三相逆變器，根據(jù)控制部分的PWM來導(dǎo)通或關(guān)閉MOS管，形成三相交流電來驅(qū)動電機(jī)；所述三相逆變器包括6個PWM和六個二極MOS管組成a、b、c三相電路，所述a相電路包括Q1、Q2、PWM1H、PWM1L；所述b相電路包括Q3、Q4、PWM2H、PWM2L，其中PWM2H用于控制Q3的通斷，PWM2L用來控制Q4的通斷；所述c相電路包括Q5、Q6、PWM3H、PWM3L，其中PWM3H用于控制Q5的通斷，PWM3L用來控制Q6的通斷；

本實(shí)施例中電流方向的判斷方法是通過采樣的a、b、c相電流計算得出，即通過雙電阻測電流法得到ia和ib，采樣電流ia和ib經(jīng)過Clarke(克拉克)變換得到2軸靜止坐標(biāo)系的電流iα和iβ；再經(jīng)過Park(帕克)變換得到2軸旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的id和iq；id和iq通過一個低通濾波器濾除高次諧波；最后得到的兩個電流值用來判斷電流的極性，通過這種方式減少電流在零點(diǎn)時的誤差。最后根據(jù)a、b、c三相電流的極性插入死區(qū)，執(zhí)行FOC(場定向控制)運(yùn)算，動態(tài)調(diào)整PWM(脈沖寬度調(diào)制)脈寬。

如圖8、9、10所述a相中當(dāng)電流方向?yàn)檎较?，?dǎo)通管Q1關(guān)閉，電流通過Q2的二極管，導(dǎo)通管Q1的開關(guān)的開啟關(guān)閉對電機(jī)沒有影響，此時上橋臂按照計算得到的脈寬時間執(zhí)行通斷操作，在上橋臂不插入死區(qū)時間，在下橋臂插入兩個死區(qū)時間，通過這種方法來避免死區(qū)效應(yīng)的產(chǎn)生。當(dāng)電流為負(fù)方向，導(dǎo)通管Q2關(guān)閉，電流流經(jīng)導(dǎo)通管Q1的二極管，在這段時間內(nèi)，導(dǎo)通管Q2的開關(guān)可以通斷而對電機(jī)沒有影響，此時下橋臂按照計算得到的脈寬時間執(zhí)行通斷操作，在下橋臂不插入死區(qū)時間，在上橋臂插入兩個死區(qū)時間，通過這種方法來避免死區(qū)效應(yīng)的產(chǎn)生。

所述b相中當(dāng)電流方向?yàn)檎较颍瑢?dǎo)通管Q3關(guān)閉，電流通過Q4的二極管，導(dǎo)通管Q3的開關(guān)的開啟關(guān)閉對電機(jī)沒有影響，此時上橋臂按照計算得到的脈寬時間執(zhí)行通斷操作，在上橋臂不插入死區(qū)時間，在下橋臂插入兩個死區(qū)時間，通過這種方法來避免死區(qū)效應(yīng)的產(chǎn)生。當(dāng)電流為負(fù)方向，導(dǎo)通管Q4關(guān)閉，電流流經(jīng)導(dǎo)通管Q3的二極管，在這段時間內(nèi)，導(dǎo)通管Q4的開關(guān)可以通斷而對電機(jī)沒有影響，此時在下橋臂按照計算得到的時間控制通道時間，在上橋臂插入2個死區(qū)時間，通過這種方法來避免死區(qū)效應(yīng)的產(chǎn)生。

所述c相中當(dāng)電流方向?yàn)檎较?，?dǎo)通管Q5關(guān)閉，電流通過Q6的二極管，導(dǎo)通管Q5的開關(guān)的開啟關(guān)閉對電機(jī)沒有影響,此時上橋臂按照計算得到的脈寬時間執(zhí)行通斷操作，在上橋臂不插入死區(qū)時間，在下橋臂插入兩個死區(qū)時間，通過這種方法來避免死區(qū)效應(yīng)的產(chǎn)生。當(dāng)電流為負(fù)方向，導(dǎo)通管Q6關(guān)閉，電流流經(jīng)導(dǎo)通管Q5的二極管，在這段時間內(nèi)，導(dǎo)通管Q6的開關(guān)可以通斷而對電機(jī)沒有影響,此時在下橋臂按照計算得到的時間控制通道時間，在上橋臂插入2個死區(qū)時間，通過這種方法來避免死區(qū)效應(yīng)的產(chǎn)生。

因此根據(jù)電流方向的不同，控制上下橋臂的通斷即可。在每一個周期中，當(dāng)電流方向?yàn)檎?，上橋臂按照計算得到的時間進(jìn)行控制，對下橋臂插入2個死區(qū)時間，見圖9；當(dāng)電流方向?yàn)樨?fù)，下橋臂按照計算得到的時間進(jìn)行控制，對上橋臂插入2個死區(qū)，見圖10。

本實(shí)用新型中a、b、c三相的電流方向與死區(qū)位置對應(yīng)關(guān)系如下：

對于a相，當(dāng)電流矢量位于0到π/2、3π/2到2π時，在下橋臂插入2個死區(qū)；當(dāng)電流矢量位于π/2到3π/2時，在上橋臂插入2個死區(qū)。

對于b相，當(dāng)電流矢量位于π/6到7π/6時，在下橋臂插入2個死區(qū)；當(dāng)電流矢量位于0到π/6、7π/6到2π時，在上橋臂插入2個死區(qū)。

對于c相，電流矢量位于5π/6到11π/6時，在下橋臂插入2個死區(qū)；電流矢量位于0到5π/6、11π/6到2π時，在上橋臂插入2個死區(qū)。

所述這里的反饋電路分為兩個小的子反饋電路，其直接與ADC電路相連接，用于獲取反饋電流和轉(zhuǎn)子位置，再計算出當(dāng)前PWM的占空比，從而形成閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)，動態(tài)調(diào)節(jié)電壓矢量，使電機(jī)穩(wěn)定轉(zhuǎn)動。

電機(jī)的三相電路分別連接于a、b、c三相電路上橋臂和下橋臂之間。從而有效準(zhǔn)確的消除三相電機(jī)中死區(qū)效應(yīng)，使三相電機(jī)控制電路結(jié)構(gòu)更加簡單，運(yùn)行更加穩(wěn)定。