本发明涉及一种无刷直流电机四象限运行的PWM控制方法。

背景技术：

无刷直流电机具有结构简单，功率密度大和效率高等优点，目前成为最有发展前景的电机之一。在电动汽车领域，无刷直流电机已成为首选电机。电动汽车在行驶过程中的行驶方向和加减速决定了驱动无刷直流电机正向电动、反向电动、正向回馈制动和反向回馈制动的四种运行状态。电动运行下转速与电磁转矩同向，回馈制动运行下转速与电磁转矩反向。由于无刷直流电机电动与回馈制动下的主电路相同，因此只需在具体控制方法上区别即可。

脉冲宽度调制(PWM)就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形。

本发明提出一种无刷直流电机四象限运行的新型PWM控制方法。采用此方法不需任何额外的电器元件，在同一运转方向下，只需根据此时的电动或回馈制动状态产生对应的导通或续流回路，即可实现四象限运行。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种不增加其它外部检测设备，实现电机的四象限运行，结构简单，控制方便的无刷直流电机四象限运行型PWM控制方法，。

本发明的目的是这样实现的：

步骤一：无刷直流电机采用三相六状态两相绕组导通方式，得到正、反转下霍尔位置信号与相绕组导通的对应逻辑关系；

步骤二：不考虑开关管的死区时间，在任一状态内，令其中一相绕组对应开关管导通，另外一相绕组上、下桥臂开关管互补导通，在同一运转方向下同时实现电动和回馈制动运行；

步骤三：根据输入电机转速判断此时运转方向，选择该运转方向下的PWM控制方式，驱动电机旋转，实现四象限运行。

本发明的有益效果在于：本发明提供了一种无刷直流电机四象限运行的新型PWM控制方法，在同一运转方向下能同时实现电动和回馈制动运行，并打破了传统单斩和双斩PWM控制方式的常规。此方法不需其它外部电路，只需正转和反转运行下两套PWM控制方式，通过检测转速方向选择该方向下的PWM控制方式，即可实现电机的四象限运行。方法简单，易于实现。

附图说明

图1为本发明一种无刷直流电机四象限运行的新型PWM控制方法控制原理图。

图2为本发明正向旋转下各开关管的PWM控制方式图。

图3为本发明反向旋转下各开关管的PWM控制方式图。

图4为正转AB相导通电动运行时的电流流向图。

图5为正转AB相导通回馈制动运行时的电流流向图。

图6为正转电动运行时转速和电磁转矩仿真波形图。

图7为正转回馈制动运行时转速和电磁转矩仿真波形图。

图8为反转电动运行时转速和电磁转矩仿真波形图。

图9为反转回馈制动运行时转速和电磁转矩仿真波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

本发明公开了一种无刷直流电机四象限运行的新型PWM控制方法，本发明的技术方案要点为：基于无刷直流电机三相六状态两相绕组导通方式，在不考虑开关管死区时间的前提下，在任一状态内，令其中一相绕组对应开关管导通，另外一相绕组上下桥臂开关管互补导通：如正向运转下AB相导通时，令VT6导通，VT1、VT4互补导通，可以同时实现电动和回馈制动运行；根据输入电机转速判断此时运转方向，选择该运转方向下的PWM控制方式，驱动电机旋转，实现四象限运行。该方法不需其它外部电路，只需正向和反向旋转下两套PWM控制方式即可实现四象限运行。控制方法简单，易于实现。

传统的PWM控制方式分为单斩方式和双斩方式，在一个状态期间只有一个开关管进行PWM调制的称为单斩方式，两个开关管同时进行PWM调制的称为双斩方式。传统控制下电动和回馈制动运行时的PWM控制方式不同，因此实现四象限运行需要四套PWM控制方式分别对应四种运行状态。

图1是无刷直流电机四象限运行的控制原理图，采用电流、转速双闭环控制系统，系统共有正转和反转运行下两套PWM控制方式模块，通过检测转速方向选择该方向下的PWM控制方式，驱动三相逆变桥中开关管导通，根据此时电动或回馈制动运行状态选择对应的导通或续流回路，实现无刷直流电机的四象限运行。

图2、3分别显示了正向、反向旋转下各开关管的PWM控制方式图，其中HA、HB、HC分别对应A、B、C三相霍尔位置信号，横轴对应电角度，可以看出不同旋转方向下相绕组导通与霍尔位置信号的对应逻辑不同。以正向旋转下AB相导通为例，令开关管VT6导通，开关管VT1与VT4互补导通，其中VT1信号对应PWM高电平信号。PWM为高电平时为调制导通过程，PWM为低电平时为调制关断过程。电动运行状态下，PWM调制导通时开关管VT1与VT6导通，电流从直流电源由开关管VT1流入A相绕组，流过B相绕组由开关管VT6流回电源负极；PWM调制关断时，开关管VT4、VT6有导通信号，但由于电感电流不能突变，此时由二极管VD4与开关管VT6导通续流，如图4所示。回馈制动运行状态下，PWM调制导通时开关管VT1与VT6仍有导通信号，但由于此时电流反向，由A相绕组流入电源正极，电源负极流出到B相绕组，实际通过二极管VD1与VD6导通向电源回馈能量；PWM调制关断时，仍然是开关管VT4、VT6有导通信号，但由于电感电流不能突变，由开关管VT4与二极管VD6导通，反电势作为电源向电感充电，相当于boost升压斩波电路，如图5所示。

下面详细分析正向回馈制动运行过程，取PWM的一个脉冲周期T进行分析，设占空比为D，则导通时间为DT，关断时间为(1-D)T，设平均电流为I。

在0-DT时间内，PWM调制导通，VD1、VD6导通，由反电势和电感一起向电源回馈能量，在此期间电感释放的能量用W1表示为：

W1＝[UO-(eA-eB)]IDT

在DT-T时间内，PWM调制关断，VT4、VD6导通，反电势作为电源向电感充电，在此期间电感积蓄的能量用W2表示为：

W2＝(eA-eB)I(1-D)T

稳态时，一个PWM周期内电感积蓄的能量与释放的能量相等，即W1＝W2，由此可得式：[UO-(eA-eB)]IDT＝(eA-eB)I(1-D)T,化简得：

可以看出，通过控制PWM占空比D的大小，可以使电机的发电电压大于直流电源电压UO＞U，采用双闭环控制方式可以自动调整PWM占空比D，使发电电压满足馈网的要求。

本发明实施例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

实施例

本发明采用无刷直流电机各参数值如下：额定直流电压U＝300V，额定电机转速n＝1500r/min，磁极对数p＝4，额定功率P＝3.7kW，等效电感L＝0.1884mH，进行仿真验证。图6-9分别对应正向电动、正向回馈制动、反向电动、反向回馈制动四种运行状态，图中电磁转矩的尖峰脉冲是由于换向过程中相电流不能突变引起的换相转矩脉动。

图6是给定电机转速n＝1500r/min，电磁转矩Te＝26Nm下的仿真波形图，此时为正向电动运行状态。

图7是给定电机转速n＝1500r/min，电磁转矩Te＝-26Nm下的仿真波形图，此时为正向回馈制动运行状态。

图8是给定电机转速n＝-1500r/min，电磁转矩Te＝-26Nm下的仿真波形图，此时为反向电动运行状态。

图9是给定电机转速n＝-1500r/min，电磁转矩Te＝26Nm下的仿真波形图，此时为反向回馈制动运行状态。

由上述图6-9可以看出，在这种新型PWM控制方式下，当给定电机转速和电磁转矩时，在误差允许范围内有一定静差，能够跟踪给定，实现给定的运行状态。

综上可知，采用一种无刷直流电机四象限运行的新型PWM控制方法可以有效实现电机的四象限运行，控制方法简单且易于实现。