基于六管全橋逆變器的兩相無刷直流電機矢量控制方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明設及兩相無刷直流電機的控制領域，尤其設及一種提高兩相無刷直流電機 的控制性能、降低兩相無刷直流電機系統(tǒng)成本的控制方法，有效提高了兩相無刷直流電機 控制系統(tǒng)的靈活性。
【背景技術(shù)】
[0002] 在電力電子技術(shù)大力發(fā)展的條件下，無刷直流電機得到了很廣泛的應用。一些應 用異步電機的場合逐步地被無刷直流電機所取代。兩相無刷直流電機具有結(jié)構(gòu)簡單、加工 制造容易、成本低、控制方式簡單等優(yōu)點，在一些場合也逐步開始使用兩相無刷直流電機。 但在一些需要將原來使用的Ξ相無刷直流電機更換為兩相無刷直流電機的場合，不僅要更 換電機，還要相應的更換其控制電路，為了使得六管全橋逆變器應用于兩相無刷直流電機 上，則對控制算法提出了新的要求。
[0003] 單相無刷直流電機的控制往往采用PWM或SPWM的調(diào)制方法生成與轉(zhuǎn)子相對位置固 定的功率管驅(qū)動信號，保證施加到單相繞組上的電壓為方波或正弦波。但由于單相電機的 齒槽效應等原因，會造成單相無刷直流電機在運行過程中會產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)矩脈動。而且很 難對單相無刷直流電機的轉(zhuǎn)子磁場進行追蹤，造成單相無刷直流電機達不到很大的運行效 率和很好的動態(tài)響應。
[0004] Ξ相無刷直流電機矢量控制系統(tǒng)需要進行Clark變換和反Clark變換來實現(xiàn)abc坐 標系和α-β坐標系之間的轉(zhuǎn)換，而兩相電機的兩套繞組在空間上就是相互垂直的，因此就可 W讓α-β坐標系與兩相無刷直流電機的A相和Β相軸線相重合，運樣就省去了 Clark變換和反 Clark變換，降低了對控制忍片計算能力的要求，因此兩相無刷直流電機的控制方法要比Ξ 相無刷直流電機的控制方法更為簡單。
[0005] 現(xiàn)有的應用于兩相無刷直流電機的逆變器電路主要為Η橋逆變器(如圖3所示）和 雙Η橋逆變器。為了提高兩相無刷直流電機的動態(tài)性能，兩相電機也在Η橋型逆變器系統(tǒng)中 采用矢量控制，由于上下開關(guān)管互補對稱，兩對開關(guān)管只有四種不同的狀態(tài)，因此該矢量控 制系統(tǒng)中有四個電壓矢量，電壓矢量分布為一個均勻的四邊形結(jié)構(gòu)，如圖4所示。Η型逆變器 雖然功率管數(shù)目較少，但其對母線電壓的利用率較低。雙Η橋逆變器需要用到8個功率管，系 統(tǒng)成本較高。六管全橋逆變器能夠結(jié)合Η橋逆變器和雙Η橋逆變器的優(yōu)點，因此將六管全橋 逆變器應用于兩相無刷直流電機的控制系統(tǒng)中具有很大的實際意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有兩相無刷直流電機應用場合有限，尤其是在Ξ相電機 更換為兩相電機的場合中成本提高的問題，提出一種利用六管全橋逆變器供電的兩相無刷 直流電機矢量控制系統(tǒng)。
[0007] 本發(fā)明的目的是通過W下技術(shù)方案來實現(xiàn):一種基于六管全橋逆變器的兩相無刷 直流電機矢量控制方法，該方法包括W下步驟：
[0008] (1)信號采集:假設兩相無刷直流電機A相繞組反電勢超前B相繞組90度電角度，將 A相繞組首端連接在六管全橋逆變器第一個橋臂的中點，B相繞組首端連接在逆變器第Ξ個 橋臂的中點，將A相末端和B相末端相連后連接在第二個橋臂的中點。從A相和B相的首端采 集電流信號ia和ieW進行閉環(huán)控制。
[0009] (2)閉環(huán)控制:將步驟（1)采集到的電流信號ia和ie及由霍爾信號計算得到的電機 速度與角度信號輸入一個速度電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，得到α-e坐標系中的控制量Ua和化，作 為SVPWM調(diào)制的輸入量。
[0010] (3)SVPWM調(diào)制:根據(jù)六管全橋逆變器Ξ對開關(guān)管的導通方式，得到A相和B相的相 電壓Ua和化，然后令，得到六個非零電壓矢量的幅值與方向。將運些電壓矢 量放在一個平面直角坐標系中，得到電壓矢量扇區(qū)分布為一個不均勻的六邊形:u(100)、u (001)、u(011)、u(110)四個電壓矢量幅值相等，分別分布在x軸正向、y軸正向、x軸負向，y軸 負向；u(101)、u(010)兩個電壓矢量的幅值為u(lOO)幅值的^巧倍，方向分別位于第一、Ξ象 限的角平分線上。根據(jù)每次開關(guān)管切換時只有一對開關(guān)管切換的原則，得到各個扇區(qū)內(nèi)主 輔矢量的選擇。然后根據(jù)步驟(2)得到的控制量Ua和化確定電壓矢量所處扇區(qū)，根據(jù)實際電 壓矢量在一個PWM周期內(nèi)作用的效果與主輔矢量在該區(qū)間內(nèi)的作用效果等效的原則計算主 輔矢量的作用時間，完成SVPWM調(diào)制過程。
[0011] 進一步地，所述步驟(2)中的速度電流雙閉環(huán)系統(tǒng)中，控制方式為轉(zhuǎn)速開環(huán)、轉(zhuǎn)速 閉環(huán)、電流閉環(huán)或速度外環(huán)電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制。
[0012] 進一步地，所述步驟(2)中的速度電流雙閉環(huán)系統(tǒng)中，先將α軸電流和β軸電流通過 化rk變換，轉(zhuǎn)化到W轉(zhuǎn)子速旋轉(zhuǎn)的d-q坐標系上，得到的兩相電流直流量通過反饋調(diào)節(jié)計算 得到q軸電壓分量Uq和d軸電壓分量山，實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)速控制和電流控制，然后將得到的Uq和 Ud后進行反化rk變換，得到α-β坐標系中的控制量Ua和化。其中Uq和Ud的獲得方法為id = 0的 單位電流產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩的矢量控制方法、單位功率因數(shù)的控制方法或最大效率的控制方 法。
[0013] 本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明可應用于所有兩相無刷直流電機控制系統(tǒng)中，尤其 是采用六管全橋逆變器W及需要將Ξ相電機更換為兩相電機的應用場合中。采用本發(fā)明的 控制方式，可W使兩相無刷直流電機的逆變電路不僅僅局限于Η橋逆變器和雙Η橋逆變器， 有效豐富了兩相無刷直流電機的控制電路。本發(fā)明中將普通的六管全橋逆變器應用于兩相 無刷直流電機的控制系統(tǒng)中，有效提高了直流母線電壓的利用率。其SVPWM調(diào)制方式與基于 Η橋逆變器的矢量控制相比，扇區(qū)從四個拓展為六個，有效提高了控制的精確度和電機的響 應速度。應用本發(fā)明的方法，不僅可W實現(xiàn)兩相無刷直流電機的高效運行，降低電機的振動 噪音，而且可W拓寬兩相無刷直流電機的應用場合，提高兩相無刷直流電機控制系統(tǒng)的靈 活性。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發(fā)明兩相無刷直流電機矢量控制方法的原理框圖；
[0015] 圖2為本發(fā)明兩相無刷直流電機的矢量控制框圖；
[0016] 圖3為Η橋逆變器供電的兩相無刷直流電機主電路圖；
[0017] 圖4為Η橋逆變器供電時兩相無刷直流電機矢量控制的電壓矢量及扇區(qū)分布；
[0018] 圖5為本發(fā)明中六管全橋逆變器供電的兩相無刷直流電機主電路圖；
[0019] 圖6為本發(fā)明六管全橋逆變器供電時兩相無刷直流電機矢量控制的電壓矢量、扇 區(qū)分布及各扇區(qū)內(nèi)主輔矢量選擇示意圖；
[0020] 圖7為兩相無刷直流電機空載80化pm時霍爾信號和電流波形圖（方波為霍爾信號 波形，正弦波為兩相無刷直流電機A相繞組的電流波形）。
【具體實施方式】
[0021] 本發(fā)明的原理是，假設兩相無刷直流電機A相繞組反電勢超前B相繞組90度電角 度，將A相繞組首端連接在六管全橋逆變器第一個上下橋臂的中點，B相繞組首端連接在逆 變器第Ξ個上下橋臂的中點，將A相末端和B相末端相連后連接在第二個上下橋臂的中點， 形成如圖5所示的連接方式。
[0022] 然后將兩相無刷直流電機的A相軸線與α-β坐標系的α軸重合，B相軸線與α-β坐標 系的β軸重合，在獲得單相無刷直流電機的繞組電流和運行速度后，通過化rk變換，采用d-q 坐標系下的實現(xiàn)