一種基于永磁無刷直流電機(jī)的電動自行車控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于永磁無刷直流電機(jī)的電動自行車控制方法，該方法采用細(xì)分的轉(zhuǎn)子位置信息直接啟動電機(jī)，省去了傳統(tǒng)控制從方波啟動到正弦波啟動的切換程序，控制方法包括轉(zhuǎn)子區(qū)間計(jì)算模塊、速度計(jì)算模塊、角度細(xì)分模塊、相位調(diào)整模塊、速度控制模塊、限流控制模塊、波形調(diào)制模塊、三相逆變器和電機(jī)啟動模塊；該方法提高了控制效率和系統(tǒng)性能，在電機(jī)運(yùn)行時(shí)通過電機(jī)繞組的電流為正弦波形式，相比傳統(tǒng)方波控制轉(zhuǎn)矩脈動小，電機(jī)運(yùn)行噪聲低，可以延長電機(jī)使用壽命；相比傳統(tǒng)的空間矢量控制，算法簡單，容易實(shí)現(xiàn)，對微處理器的要求較低，具有很高的性價(jià)比。
【專利說明】一種基于永磁無刷直流電機(jī)的電動自行車控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電動自行車的控制結(jié)構(gòu)及方法，尤其是基于永磁無刷直流電機(jī)的電動自行車控制結(jié)構(gòu)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]永磁無刷直流電機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、效率高、無勵磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于家用電器、儀器儀表、醫(yī)療器械等工業(yè)領(lǐng)域。
[0003]永磁無刷直流電機(jī)控制方式一般為方波(或梯形波)控制，這種控制方式方法簡單，容易實(shí)現(xiàn)，但是由于定子電流和氣隙磁通為方波或梯形波，所以轉(zhuǎn)矩脈動大，靜音效果差，對電機(jī)控制效率不高。而現(xiàn)有的控制方法有的是在方波控制的基礎(chǔ)上對電機(jī)電流進(jìn)行補(bǔ)償處理，這種方法不能從根本上消除脈動、降低噪音；有的是采用正弦波控制，這種控制方法對電源的利用率較低；還有的是采用空間矢量控制方法，這種控制方法對單片機(jī)的要求較高，算法很復(fù)雜，不利于實(shí)際操作。
[0004]永磁無刷直流電機(jī)正弦波控制在啟動時(shí)一般需要從方波啟動切換到正弦波控制，這種控制方法需要增加額外的啟動程序，不利于提高控制效率和系統(tǒng)性能。因此，如何設(shè)計(jì)一種轉(zhuǎn)矩脈動小，控制效率高，算法簡單的電機(jī)控制結(jié)構(gòu)及方法非常重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種采用細(xì)分的轉(zhuǎn)子位置信息直接啟動電機(jī)的基于永磁無刷直流電機(jī)的電動自行車控制結(jié)構(gòu)及方法。
[0006]技術(shù)方案:一種基于永磁無刷直流電機(jī)的電動自行車控制方法，包括轉(zhuǎn)子區(qū)間計(jì)算模塊、速度計(jì)算模塊、角度細(xì)分模塊、相位調(diào)整模塊、速度控制模塊、限流控制模塊、波形調(diào)制模塊、三相逆變器和電機(jī)啟動模塊；
[0007]轉(zhuǎn)子區(qū)間計(jì)算模塊輸入端與電機(jī)輸出端的三路霍爾傳感器相連，輸出端分別連接波形調(diào)制模塊輸入端、角度細(xì)分模塊輸入端和速度計(jì)算模塊輸入端；所述波形調(diào)制模塊輸出端連接三相逆變器輸入端；所述速度計(jì)算模塊輸出端連接相位調(diào)整模塊輸入端和速度控制模塊的輸入端；相位調(diào)整模塊輸出端和角度細(xì)分模塊輸出端連接波形調(diào)制模塊的輸入端和電機(jī)啟動模塊的輸入端；所述速度控制模塊的輸出端連接限流控制輸入端，限流控制輸出端連接波形調(diào)制模塊輸入端；所述三相逆變器一個輸出端接入限流控制模塊輸出端，另一組輸出端接入電機(jī)；
[0008]該方法包括以下步驟:
[0009]I)檢測三路霍爾傳感器信號得到電機(jī)轉(zhuǎn)子位置所在區(qū)間和波形調(diào)制模塊的周期；
[0010]2)檢測母線電流得到限流控制所需的實(shí)際電流值i ;
[0011]3)三路霍爾傳感器信號經(jīng)過轉(zhuǎn)子區(qū)間計(jì)算出的數(shù)值，經(jīng)過速度計(jì)算模塊得到電機(jī)實(shí)際速度ω ；[0012]4)實(shí)際速度ω經(jīng)過速度環(huán)PI控制后，與實(shí)際電流i 一同經(jīng)過限流控制，得到波形調(diào)制|吳塊的幅值；
[0013]5)實(shí)際速度ω通過相位調(diào)整模塊計(jì)算，三路霍爾傳感器信號經(jīng)過轉(zhuǎn)子區(qū)間計(jì)算出的數(shù)值通過角度細(xì)分模塊計(jì)算，共同得到波形調(diào)制模塊的相位；
[0014]6)波形調(diào)制模塊依據(jù)調(diào)制原則，根據(jù)步驟I)得到的周期、步驟4)得到的幅值和步驟5)得到的相位，依據(jù)調(diào)制原則輸出馬鞍狀的脈沖寬度調(diào)制電壓，在電機(jī)正常啟動之后，驅(qū)動永磁無刷直流電機(jī)運(yùn)行。
[0015]步驟5)中的相位調(diào)制模塊根據(jù)步驟3)得到電機(jī)實(shí)際速度ω來調(diào)整。步驟5)中的角度細(xì)分模塊的Θ根據(jù)下式來計(jì)算:
[0016]Θ =
[0017]其中Θ = 1，2，3，4，5，6)為轉(zhuǎn)子區(qū)間所在初始位置，分別是Θ: = 330, θ2 =30，Θ 3 = 90, θ4 = 150，θ 5 = 210, θ 6 = 270，θν = (60t)/T6。，t 為本次 60。區(qū)間內(nèi)實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)值，T6tl為上次60°區(qū)間所用時(shí)間。
[0018]步驟6)中使用電機(jī)啟動模塊來啟動電機(jī),啟動電機(jī)的步驟是:接收到電機(jī)啟動信號之后，給波形調(diào)制模塊一個預(yù)定的幅值，把根據(jù)轉(zhuǎn)子區(qū)間信息和角度細(xì)分得出的細(xì)分轉(zhuǎn)子位置作為相位，確認(rèn)不過流后啟動電機(jī)；
[0019]如果電機(jī)發(fā)生倒轉(zhuǎn)，把倒轉(zhuǎn)之后所在區(qū)間作為起始啟動區(qū)間重新啟動，直到電機(jī)正常啟動之后，退出電機(jī)啟動程序。
[0020]所述方法的控制芯片為單片機(jī)，所述單片機(jī)分別與三相驅(qū)動電路模塊、檢測模塊、轉(zhuǎn)把輸入模塊和電流檢測模塊連接；
[0021]電機(jī)驅(qū)動電路模塊包括三路獨(dú)立驅(qū)動模塊，分別與三相橋式功率開關(guān)管連接，三相橋式功率開關(guān)管與母線電流取樣模塊和無刷直流電機(jī)連接，霍爾位置傳感器固定在無刷直流電機(jī)定子上。
[0022]所述轉(zhuǎn)把模塊包括一個線性霍爾傳感器。電流取樣模塊是在母線上串連一取樣電阻，獲得取樣電壓后送到電流檢測模塊得出取樣電流i。
[0023]有益效果:
[0024]1、根據(jù)細(xì)分的轉(zhuǎn)子位置信息直接啟動電機(jī)，省去了傳統(tǒng)控制從方波啟動到正弦波啟動的切換程序，提高了控制效率和系統(tǒng)性能。
[0025]2、在電機(jī)運(yùn)行時(shí)通過電機(jī)繞組的電流為正弦波形式，相比傳統(tǒng)方波控制轉(zhuǎn)矩脈動小，電機(jī)運(yùn)行噪聲低，可以延長電機(jī)使用壽命。
[0026]3、相比傳統(tǒng)的空間矢量控制，算法簡單，容易實(shí)現(xiàn)，對微處理器的要求較低，具有很高的性價(jià)比。
[0027]【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1是系統(tǒng)框圖
[0029]圖2是區(qū)間劃分示意圖
[0030]圖3是角度細(xì)分方法示意圖
[0031]圖4是相電流與反電勢關(guān)系示意圖
[0032]圖5是相電流與相電壓關(guān)系示意圖
[0033]圖6是波形調(diào)制模塊生成波形的原理示意圖[0034]圖7是電機(jī)啟動過程處理流程圖
[0035]圖8是霍爾位置檢測處理流程圖
[0036]圖9是速度環(huán)流程圖
[0037]圖10是電流環(huán)流程圖
[0038]圖11是硬件電路框圖
【具體實(shí)施方式】
[0039]下面結(jié)合圖對本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。
[0040]如圖1所示，一種基于永磁無刷直流電機(jī)的電動自行車控制方法，包括轉(zhuǎn)子區(qū)間計(jì)算模塊、速度計(jì)算模塊、角度細(xì)分模塊、相位調(diào)整模塊、速度控制模塊、限流控制模塊、波形調(diào)制模塊、三相逆變器和電機(jī)啟動模塊；
[0041]轉(zhuǎn)子區(qū)間計(jì)算模塊輸入端與電機(jī)輸出端的三路霍爾傳感器相連，輸出端分別連接波形調(diào)制模塊輸入端、角度細(xì)分模塊輸入端和速度計(jì)算模塊輸入端；所述波形調(diào)制模塊輸出端連接三相逆變器輸入端；所述速度計(jì)算模塊輸出端連接相位調(diào)整模塊輸入端和速度控制模塊的輸入端；相位調(diào)整模塊輸出端和角度細(xì)分模塊輸出端連接波形調(diào)制模塊的輸入端和電機(jī)啟動模塊的輸入端；所述速度控制模塊的輸出端連接限流控制輸入端，限流控制輸出端連接波形調(diào)制模塊輸入端；所述三相逆變器一個輸出端接入限流控制模塊輸出端，另一組輸出端接入電機(jī)；
[0042]該方法包括以下步驟:
[0043]I)檢測三路霍爾傳感器信號得到電機(jī)轉(zhuǎn)子位置所在區(qū)間和波形調(diào)制模塊的周期；
[0044]2)檢測母線電流得到限流控制所需的實(shí)際電流值i ;
[0045]3)三路霍爾傳感器信號經(jīng)過轉(zhuǎn)子區(qū)間計(jì)算出的數(shù)值，經(jīng)過速度計(jì)算模塊得到電機(jī)實(shí)際速度ω ;因?yàn)殡姍C(jī)速度不能夠直接測得，需要根據(jù)霍爾傳感器的信號來計(jì)算。而電機(jī)速度與霍爾傳感器信號的周期成正比，所以我們可以根據(jù)從三路霍爾傳感器信息得到的轉(zhuǎn)子區(qū)間來估算電機(jī)實(shí)際速度。
[0046]4)實(shí)際速度ω經(jīng)過速度環(huán)PI控制后，與實(shí)際電流i 一同經(jīng)過限流控制，得到波形調(diào)制|吳塊的幅值；
[0047]5)實(shí)際速度ω通過相位調(diào)整模塊計(jì)算，三路霍爾傳感器信號經(jīng)過轉(zhuǎn)子區(qū)間計(jì)算出的數(shù)值通過角度細(xì)分模塊計(jì)算，共同得到波形調(diào)制模塊的相位；
[0048]6)波形調(diào)制模塊依據(jù)調(diào)制原則，根據(jù)步驟I)得到的周期、步驟4)得到的幅值和步驟5)得到的相位，依據(jù)圖6的調(diào)制原則輸出馬鞍狀的脈沖寬度調(diào)制電壓，在電機(jī)正常啟動之后，驅(qū)動永磁無刷直流電機(jī)運(yùn)行。
[0049]步驟5)中的相位調(diào)制模塊根據(jù)步驟3)得到電機(jī)實(shí)際速度ω來調(diào)整。
[0050]如圖2所示，三個霍爾傳感器信號可以確定電子轉(zhuǎn)子的六個位置，軟件中可以用三個bit位來表示。對于霍爾傳感器按照120°空間分布安裝的電機(jī)來說，表示范圍為000-111，其中000和111為無效的兩個狀態(tài)。電機(jī)一個電周期是360°，霍爾傳感器確定的六個位置可以把360°劃分為六個區(qū)間，每個區(qū)間表示60°。從區(qū)間I至區(qū)間6，完成一次電機(jī)旋轉(zhuǎn)既一個電周期。[0051]如圖3所示，步驟5)中的角度細(xì)分模塊的Θ根據(jù)下式來計(jì)算:
[0052]Θ =
[0053]其中Θ = 1，2，3，4，5，6)為轉(zhuǎn)子區(qū)間所在初始位置，分別是Θ工=330, Θ 2 =30，Θ 3 = 90, θ4 = 150，05 = 210，Θ 6 = 270，θν = (60t)/T6。，t 為本次 60。區(qū)間內(nèi)實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)值，T6tl為上次60°區(qū)間所用時(shí)間。
[0054]相位調(diào)制模塊根據(jù)電機(jī)實(shí)際速度ω來調(diào)整。對于永磁無刷直流電機(jī)，由于電機(jī)為感性負(fù)載，因此電機(jī)相電壓超前電機(jī)相電流一個角度，稱為相位超前角S，如圖5所示。由于電機(jī)相電壓與反電勢是同相位的，同時(shí)相電壓超前相電流的角度為S，因此相電流滯后于反電勢的角度為S。由于只有電機(jī)相電流與反電勢同相位時(shí)(如圖4所示)電機(jī)才能輸出最大轉(zhuǎn)矩，因此通過調(diào)整相位超前角S可使生成的正弦波相電壓超前于反電勢從而可以提高輸出轉(zhuǎn)矩，達(dá)到提高效率的目的。角度S的值通過實(shí)際測試不同的速度對應(yīng)相應(yīng)的調(diào)整角度，然后做成固定數(shù)據(jù)在電機(jī)運(yùn)行時(shí)通過軟件查表來實(shí)現(xiàn)。
[0055]本控制方法所用的波形調(diào)制策略是正弦波加三次諧波的形式，調(diào)制原理是在正弦波的基礎(chǔ)上加入一個三次諧波，三次諧波的頻率是基波的三倍，幅值是基波幅值的1/6。如圖6所示，左邊是單個的正弦波加單個的三次諧波，右邊是復(fù)合波的效果，也是我們最終想要的正弦波加三次諧波調(diào)制方式的波形。在電機(jī)運(yùn)行時(shí)通過電機(jī)繞組的電流為正弦波形式，相比傳統(tǒng)方波控制轉(zhuǎn)矩脈動小，電機(jī)運(yùn)行噪聲低，可以延長電機(jī)使用壽命。
[0056]如圖7所示,步驟6)中使用電機(jī)啟動模塊來啟動電機(jī),啟動電機(jī)的步驟是:接收到電機(jī)啟動信號之后，給波形調(diào)制模塊一個預(yù)定的幅值，把根據(jù)轉(zhuǎn)子區(qū)間信息和角度細(xì)分得出的細(xì)分轉(zhuǎn)子位置作為相位，確認(rèn)不過流后啟動電機(jī)；根據(jù)細(xì)分的轉(zhuǎn)子位置信息直接啟動電機(jī)，省去了傳統(tǒng)控制從方波啟動到正弦波啟動的切換程序，提高了控制效率和系統(tǒng)性能。
[0057]如果電機(jī)發(fā)生倒轉(zhuǎn)，把倒轉(zhuǎn)之后所在區(qū)間作為起始啟動區(qū)間重新啟動，直到電機(jī)正常啟動之后，退出電機(jī)啟動程序。
[0058]圖8為霍爾位置檢測與處理流程圖，單片機(jī)通過中斷程序檢測霍爾信號，在經(jīng)過軟件濾波之后，根據(jù)檢測到的信號判斷電機(jī)運(yùn)行方向，劃分轉(zhuǎn)子所在位置區(qū)間。
[0059]如圖9和圖10所示，速度控制的輸入為轉(zhuǎn)把給定和速度反饋的誤差，在經(jīng)過PI控制后輸出數(shù)據(jù)至電流環(huán)，限流控制的輸入為速度控制的輸出和實(shí)際電流的誤差，在進(jìn)過PI控制后得到波形調(diào)制的幅值。
[0060]如圖11所示，方法的控制芯片為單片機(jī)，所述單片機(jī)分別與三相驅(qū)動電路模塊、檢測模塊、轉(zhuǎn)把輸入模塊和電流檢測模塊連接；
[0061]電機(jī)驅(qū)動電路模塊包括三路獨(dú)立驅(qū)動模塊，分別與三相橋式功率開關(guān)管連接，三相橋式功率開關(guān)管與母線電流取樣模塊和無刷直流電機(jī)連接，霍爾位置傳感器固定在無刷直流電機(jī)定子上。
[0062]所述轉(zhuǎn)把模塊包括一個線性霍爾傳感器。電流取樣模塊是在母線上串連一取樣電阻，獲得取樣電壓后送到電流檢測模塊得出取樣電流i。
[0063]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于永磁無刷直流電機(jī)的電動自行車控制方法，其特征在于，包括轉(zhuǎn)子區(qū)間計(jì)算模塊、速度計(jì)算模塊、角度細(xì)分模塊、相位調(diào)整模塊、速度控制模塊、限流控制模塊、波形調(diào)制模塊、三相逆變器和電機(jī)啟動模塊； 所述轉(zhuǎn)子區(qū)間計(jì)算模塊輸入端與電機(jī)輸出端的三路霍爾傳感器相連，輸出端分別連接波形調(diào)制模塊輸入端、角度細(xì)分模塊輸入端和速度計(jì)算模塊輸入端；所述波形調(diào)制模塊輸出端連接三相逆變器輸入端；所述速度計(jì)算模塊輸出端連接相位調(diào)整模塊輸入端和速度控制模塊的輸入端；相位調(diào)整模塊輸出端和角度細(xì)分模塊輸出端連接波形調(diào)制模塊的輸入端和電機(jī)啟動模塊的輸入端；所述速度控制模塊的輸出端連接限流控制輸入端，限流控制輸出端連接波形調(diào)制模塊輸入端；所述三相逆變器一個輸出端接入限流控制模塊輸入端，另一組輸出端接入電機(jī)； 該方法包括以下步驟: 1)檢測三路霍爾傳感器信號得到電機(jī)轉(zhuǎn)子位置所在區(qū)間和波形調(diào)制模塊的周期； 2)檢測母線電流得到限流控制所需的實(shí)際電流值i; 3)三路霍爾傳感器信號經(jīng)過轉(zhuǎn)子區(qū)間計(jì)算出的數(shù)值，經(jīng)過速度計(jì)算模塊得到電機(jī)實(shí)際速度ω ； 4)實(shí)際速度ω經(jīng)過速度環(huán)PI控制后，與實(shí)際電流i一同經(jīng)過限流控制，得到波形調(diào)制模塊的幅值； 5)實(shí)際速度ω通過相位調(diào)整模塊計(jì)算，三路霍爾傳感器信號經(jīng)過轉(zhuǎn)子區(qū)間計(jì)算出的數(shù)值通過角度細(xì)分模塊計(jì)算，共同得到波形調(diào)制模塊的相位； 6)波形調(diào)制模塊依據(jù)調(diào)制原則，根據(jù)步驟I)得到的周期、步驟4)得到的幅值和步驟5)得到的相位，依據(jù)調(diào)制原`則輸出馬鞍狀的脈沖寬度調(diào)制電壓，在電機(jī)正常啟動之后，驅(qū)動永磁無刷直流電機(jī)運(yùn)行。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于永磁無刷直流電機(jī)的電動自行車控制方法，其特征在于，所述步驟5)中的相位調(diào)制模塊根據(jù)步驟3)得到電機(jī)實(shí)際速度ω來調(diào)整。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于永磁無刷直流電機(jī)的電動自行車控制方法，其特征在于，所述步驟5)中的角度細(xì)分模塊的Θ根據(jù)下式來計(jì)算:
θ = Θ.+ Θ
IV 其中Θ i α = 1，2，3，4，5，6)為轉(zhuǎn)子區(qū)間所在初始位置，分別是0 I = 330，Θ 2 = 30, Θ 3= 90，θ4 = 150, θ5 = 210, θ 6 = 270，θν= (60t)/T6Q，t 為本次 60° 區(qū)間內(nèi)實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)值，T6tl為上次60°區(qū)間所用時(shí)間。
4.如權(quán)利要求1所述的一種基于永磁無刷直流電機(jī)的電動自行車控制方法，其特征在于，所述步驟6)中使用電機(jī)啟動模塊來啟動電機(jī),啟動電機(jī)的步驟是:接收到電機(jī)啟動信號之后，給波形調(diào)制模塊一個預(yù)定的幅值，把根據(jù)轉(zhuǎn)子區(qū)間信息和角度細(xì)分得出的細(xì)分轉(zhuǎn)子位置作為相位，確認(rèn)不過流后啟動電機(jī)； 如果電機(jī)發(fā)生倒轉(zhuǎn)，把倒轉(zhuǎn)之后所在區(qū)間作為起始啟動區(qū)間重新啟動，直到電機(jī)正常啟動之后，退出電機(jī)啟動程序。
5.如權(quán)利要求1所述的一種基于永磁無刷直流電機(jī)的電動自行車控制方法，其特征在于:所述方法的控制芯片為單片機(jī)，所述單片機(jī)分別與三相驅(qū)動電路模塊、檢測模塊、轉(zhuǎn)把輸入模塊和電流檢測模塊連接；所述電機(jī)驅(qū)動電路模塊包括三路獨(dú)立驅(qū)動模塊，分別與三相橋式功率開關(guān)管連接，三相橋式功率開關(guān)管與母線電流取樣模塊和無刷直流電機(jī)連接，霍爾位置傳感器固定在無刷直流電機(jī)定子上。
6.如權(quán)利要求5所述的一種基于永磁無刷直流電機(jī)的電動自行車控制方法，其特征在于:所述轉(zhuǎn)把模塊包括一個線性霍爾傳感器。
7.如權(quán)利要求5所述的一種基于永磁無刷直流電機(jī)的電動自行車控制方法，其特征在于:所述電流取樣模塊是在母線上串連一個取樣電阻，獲得取樣電壓后送到電流檢測模塊得出取樣電流i。
【文檔編號】H02P6/16GK103731076SQ201410001321
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2014年1月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月2日
【發(fā)明者】王會明, 李世華, 顏赟達(dá), 楊俊
申請人:東南大學(xué)