采用功耗均衡式pwm調(diào)制的無(wú)刷直流電機(jī)控制方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種采用功耗均衡式PWM調(diào)制的無(wú)刷直流電機(jī)控制方法,在相鄰兩個(gè)PWM周期內(nèi)使逆變電路的上下橋臂分別承受續(xù)流電流。該調(diào)制方法在不增加功耗的前提下，使功耗更均衡地分布于各功率管，上下橋臂功率管具有相同的功耗和溫升，改善散熱效果，有助于提高無(wú)刷直流電機(jī)控制器的可靠性。
【專(zhuān)利說(shuō)明】采用功耗均衡式PWM調(diào)制的無(wú)刷直流電機(jī)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無(wú)刷直流電機(jī)的控制，具體涉及一種具有功耗均衡式逆變驅(qū)動(dòng)功能的無(wú)刷直流電機(jī)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]逆變驅(qū)動(dòng)橋臂中的功率管(M0SFET和IGBT)是無(wú)刷直流電機(jī)控制器最主要的功耗元件，在低速重載工況時(shí)功耗大，溫度高，其過(guò)熱損壞成為控制器的主要故障形式之一。常規(guī)的PWM調(diào)制方法均存在一個(gè)共同的缺點(diǎn)，即上下橋臂功率管的功耗不均衡，載荷越重，功耗越不均衡，進(jìn)行PWM調(diào)制的橋臂功率管功耗較低，而恒通橋臂的功率管功耗較高，因此恒通橋臂功率管更容易發(fā)生過(guò)熱損壞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種采用功耗均衡式PWM調(diào)制的無(wú)刷直流電機(jī)控制方法，該方法在相鄰兩個(gè)PWM周期內(nèi)使逆變電路的上下橋臂分別承受續(xù)流電流。該調(diào)制方法在不增加功耗的前提下，使功耗更均衡地分布于各功率管，上下橋臂功率管具有相同的功耗和溫升，改善散熱效果，有助于提高無(wú)刷直流電機(jī)控制器的可靠性。
[0004]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，一種采用功耗均衡式PWM調(diào)制的無(wú)刷直流電機(jī)控制方法，所述無(wú)刷直流電機(jī)由控制器控制，所述控制器包括由六個(gè)開(kāi)關(guān)管構(gòu)成的三相逆變器，三相逆變器的三個(gè)橋臂與無(wú)刷直流電機(jī)連接，每個(gè)開(kāi)關(guān)管并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管，所述三個(gè)橋臂為第一橋臂、第二橋臂、第三橋臂，
[0005]步驟1.當(dāng)PWM為ON時(shí)，控制器控制第一橋臂的上橋臂Vl導(dǎo)通，控制第二橋臂的下橋臂(V6)導(dǎo)通，
[0006]步驟2.當(dāng)PWM為OFF時(shí)，第一橋臂的上橋臂Vl關(guān)斷，第一橋臂的下橋臂V4導(dǎo)通，此時(shí)第一橋臂的下橋臂V4與第二橋臂的下橋臂V6完成續(xù)流；
[0007]步驟3.當(dāng)PWM為ON時(shí)，第一橋臂的上橋臂Vl再次導(dǎo)通，第一橋臂的下橋臂V4關(guān)斷；
[0008]步驟4.當(dāng)PWM為OFF時(shí)，第一橋臂的下橋臂V4關(guān)斷，第二橋臂的上橋臂V3導(dǎo)通，此時(shí)第一橋臂的上橋臂Vl與第二橋臂的上橋臂V3完成續(xù)流；
[0009]步驟5.當(dāng)電機(jī)需要換相時(shí)，控制器重復(fù)步驟1-4控制相應(yīng)橋臂的開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通與關(guān)斷。
[0010]進(jìn)一步，各個(gè)橋臂調(diào)制頻率為PWM頻率的一半，第一橋臂的上橋臂Vl與第二橋臂的下橋臂V6為工作橋臂，所述工作橋臂的調(diào)制波形的占空比為[0.5，I]，相位差為180° ；
[0011]第一橋臂的下橋臂V4與第二橋臂的上橋臂V3為續(xù)流橋臂，所述續(xù)流橋臂的調(diào)制波形的占空比為[0，0.5]，相位差為180°。
[0012]進(jìn)一步，各橋臂調(diào)制波形的占空比分別為:DV1 = Dv6 = (l+D)/2, Dv3 = Dv4 =(1-D)/2，Dvi表示第一橋臂的上橋臂調(diào)制波形的占空比，Dv6表示第二橋臂的下橋臂調(diào)制波形的占空比，Dv3表示第二橋臂的上橋臂調(diào)制波形的占空比，Dv4表示第一橋臂的下橋臂調(diào)制波形的占空比，D表示PWM波的占空比，
[0013](I)工作橋臂功耗之比為
[0014]ron = PV6/PV1 = DV6/DV1 = I
[0015](2)下橋臂總功耗與上橋臂總功耗之比為
Pri +Pvk Dy, + Dy,,
[0016]r^ = Pyi+pri= Dri+Dri =
[0017]其中Pvi表不第一橋臂的上橋臂導(dǎo)通時(shí)的功耗，Pv6表不第二橋臂的下橋臂導(dǎo)通時(shí)的功耗，Pv3表示第二橋臂上橋臂導(dǎo)通時(shí)的功耗，Pv4表示第二橋臂下橋臂導(dǎo)通時(shí)的功耗。
[0018]由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn):
[0019](I)在功耗均衡度方面，常規(guī)PWM調(diào)制方法隨著PWM占空比的減小，各功率管的功耗越來(lái)越不均衡。采用功耗均衡式PWM調(diào)制時(shí)，在每個(gè)調(diào)制周期內(nèi)，兩個(gè)工作橋臂功耗相等，上下橋臂功耗也相等，功耗是均衡分布的，降低了局部瞬時(shí)最高溫度，有利于改善散熱性能和提聞可罪性 。
[0020](2)增加功率管和選用低導(dǎo)通阻抗的功率管等提高可靠性的常規(guī)方法會(huì)增加硬件成本，功耗均衡式PWM調(diào)制方法通過(guò)采用新型的調(diào)制方法來(lái)提高可靠性，不增加硬件成本。
[0021](3)提出了采用定時(shí)器中斷程序?qū)崿F(xiàn)功耗均衡式PWM調(diào)制的流程，不依賴(lài)于專(zhuān)用硬件資源，具有通用性。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，其中:
[0023]圖lH_pWm-L_on調(diào)制方法時(shí)的電流回路，圖1 (a)為VI，V6導(dǎo)通時(shí)的電流回路，圖1 (b)為V4，V6導(dǎo)通時(shí)的電流回路；
[0024]圖2H_pwm_L_on調(diào)制方法時(shí)的各橋臂調(diào)制波形；
[0025]圖3功耗之比和占空比的關(guān)系；
[0026]圖4功耗均衡式PWM調(diào)制方法時(shí)的電流回路，圖4 (a)為VI，V6導(dǎo)通時(shí)的電流回路，圖4(b)為V1，V3導(dǎo)通時(shí)的電流回路，圖4(c)為V1，V6再次導(dǎo)通時(shí)的電流回路；圖4 (d)為V4, V6導(dǎo)通時(shí)的電流回路；
[0027]圖5功耗均衡式PWM調(diào)制時(shí)的A、B相橋臂的PWM波形；
[0028]圖6為采用定時(shí)器中斷程序?qū)崿F(xiàn)功耗均衡式PWM調(diào)制的流程圖。
[0029]具體實(shí)施方法
[0030]以下將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述；應(yīng)當(dāng)理解，優(yōu)選實(shí)施例僅為了說(shuō)明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0031]無(wú)刷直流電機(jī)處于低速重載或堵轉(zhuǎn)工況時(shí)，相電流接近或等于限流值，功率管功耗最大，最容易發(fā)生過(guò)熱損壞，因此功耗分析主要針對(duì)低速重載和堵轉(zhuǎn)工況進(jìn)行研究，并且此時(shí)換相周期較長(zhǎng)，而PWM周期僅幾十個(gè)us，遠(yuǎn)小于低速重載工況時(shí)的換相周期(一般在幾十ms以上)，因此在進(jìn)行功耗可靠性分析時(shí)不考慮換相。
[0032]常規(guī)PWM 調(diào)制方法有 4 種，分別為 H_pwm-L_on、H_on-L_pwm、on_pwm、pwm_on。on_pwm、pwm_on只是H_pwm_L_on和H_on_L_pwm在不同時(shí)段的組合,對(duì)于低速重載工況，只需考慮一個(gè)時(shí)段的調(diào)制方法，因此只需分析H_pwm-L_on和H_on_L_pwm兩種調(diào)制方法。H_pwm-L_on和H_on_L_pwm的組合方法還有pwm_on_pwm等,其功耗特性與on_pwm、pwm_on類(lèi)似，與H_pwm-L_on和H_on_L_pwm具有相同的特性，因此也不用單獨(dú)考慮。
[0033]上述分析表明，在研究功率管功耗時(shí)可以不考慮換相，從功耗分布的角度對(duì)常規(guī)PWM調(diào)制方法進(jìn)行分類(lèi)，常規(guī)PWM調(diào)制方法僅包括H_pwm-L_on和H_on-L_pwm。由于H_pwm-L_on和H_on_L_pwm均為單橋臂調(diào)制,功耗特性相同,下面只對(duì)H_pwm_L_on調(diào)制方法進(jìn)行分析。
[0034]圖1為橋臂電路和電機(jī)三相繞組對(duì)的電路示意圖，Us是電池電壓，Vl~乂6是6個(gè)橋臂的功率管，A、B、C表示電機(jī)的三相橋臂，R是相電阻，L是相電感。
[0035]為降低功耗發(fā)熱，在重載工況時(shí)采用同步續(xù)流控制。以A-B相工作為例，PWM為on時(shí)，Vl和V6導(dǎo)通，電流回路如圖1(a)，電源向電機(jī)供電，Vl和V6產(chǎn)生功耗。PWM為off時(shí)，V4和V6導(dǎo)通，電流回路如圖1 (b)，電流通過(guò)V4和V6續(xù)流，此時(shí)V4和V6產(chǎn)生功耗?？梢?jiàn)，在A、B兩相橋臂四個(gè)功率管中，Vl只在PWM為on時(shí)產(chǎn)生功耗，V4只在PWM為off時(shí)產(chǎn)生損耗，V3始終不產(chǎn)生功耗，而V6則始終流過(guò)電流并產(chǎn)生功耗，因此V6的功耗最大，最容易發(fā)生過(guò)熱損壞。
[0036]A、B相上下橋臂的PWM調(diào)制波形如圖2所示，可見(jiàn)各橋臂的導(dǎo)通時(shí)間存在很大差另O。為了更加形象地表示各橋臂的功耗大小和簡(jiǎn)化分析，忽略死區(qū)時(shí)間和功率管開(kāi)關(guān)損耗。另外，對(duì)于功率驅(qū)動(dòng)型電機(jī)，因L/R較大，近似分析時(shí)，可忽略續(xù)流期間的電流衰減?？梢?jiàn)，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化，功率管的功耗和導(dǎo)通時(shí)間成正比，各橋臂的功耗之比就等于各橋臂PWM調(diào)制波形的占空比之比。
[0037]設(shè)PWM占空比為D，則A、B相各橋臂調(diào)制波形的占空比分別為:DV1 = D，Dv3 = 0，Dv4 = 1-D, Dv6 = I。
[0038]在A-B相工作期間，Vl和V6稱(chēng)為工作橋臂，V3和V4稱(chēng)為續(xù)流橋臂。
[0039](I)工作橋臂功耗之比為
[0040]ron = PV6/PV1 = DV6/DV1 = 1/D
[0041](2)下橋臂總功耗與上橋臂總功耗之比為
【權(quán)利要求】
1.一種采用功耗均衡式PWM調(diào)制的無(wú)刷直流電機(jī)控制方法，所述無(wú)刷直流電機(jī)由控制器控制，所述控制器包括由六個(gè)開(kāi)關(guān)管構(gòu)成的三相逆變器，三相逆變器的三個(gè)橋臂與無(wú)刷直流電機(jī)連接，每個(gè)開(kāi)關(guān)管并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管，所述三個(gè)橋臂為第一橋臂、第二橋臂、第三橋臂，其特征在于: 步驟1.當(dāng)PWM為ON時(shí)，控制器控制第一橋臂的上橋臂(Vl)導(dǎo)通，控制第二橋臂的下橋臂(V6)導(dǎo)通， 步驟2.當(dāng)PWM為OFF時(shí)，第一橋臂的上橋臂(Vl)關(guān)斷，第一橋臂的下橋臂(V4)導(dǎo)通，此時(shí)第一橋臂的下橋臂(V4)與第二橋臂的下橋臂(V6)完成續(xù)流； 步驟3.當(dāng)PWM為ON時(shí)，第一橋臂的上橋臂(Vl)再次導(dǎo)通，第一橋臂的下橋臂(V4)關(guān)斷； 步驟4.當(dāng)PWM為OFF時(shí)，第一橋臂的下橋臂(V4)關(guān)斷，第二橋臂的上橋臂(V3)導(dǎo)通，此時(shí)第一橋臂的上橋臂(Vl)與第二橋臂的上橋臂(V3)完成續(xù)流； 步驟5.當(dāng)電機(jī)需要換相時(shí)，控制器按步驟1-4控制相應(yīng)橋臂的開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通與關(guān)斷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用功耗均衡式PWM調(diào)制的無(wú)刷直流電機(jī)控制方法，其特征在于:各個(gè)橋臂調(diào)制頻率為PWM頻率的一半，第一橋臂的上橋臂(Vl)與第二橋臂的下橋臂(V6)為工作橋臂，所述工作橋臂的調(diào)制波形的占空比為[0.5，I]，相位差為180° ； 第一橋臂的下橋臂 (V4)與第二橋臂的上橋臂(V3)為續(xù)流橋臂，所述續(xù)流橋臂的調(diào)制波形的占空比為[0，0.5]，相位差為180°。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的采用功耗均衡式PWM調(diào)制的無(wú)刷直流電機(jī)控制方法，其特征在于:各橋臂調(diào)制波形的占空比分別為:DV1 = Dv6 = (l+D)/2，Dv3 = Dv4 = (1-D)/2，Dvi表示第一橋臂的上橋臂調(diào)制波形的占空比，Dv6表示第二橋臂的下橋臂調(diào)制波形的占空比，Dv3表示第二橋臂的上橋臂調(diào)制波形的占空比，Dv4表示第一橋臂的下橋臂調(diào)制波形的占空比，D表示PWM波的占空比， (1)工作橋臂功耗之比為
ron = PV6/PV1 = DV6/DV1 = I (2)下橋臂總功耗與上橋臂總功耗之比為
r _ Py-A + Ρ 6 _ Α.4 + A-6 _ i
mat^ Pvl+Pri^ Drl+Dri — 其中Pvi表示第一橋臂的上橋臂導(dǎo)通時(shí)的功耗，Pv6表示第二橋臂的下橋臂導(dǎo)通時(shí)的功耗，Pv3表示第二橋臂上橋臂導(dǎo)通時(shí)的功耗，Pv4表示第二橋臂下橋臂導(dǎo)通時(shí)的功耗。
【文檔編號(hào)】H02P6/14GK104038116SQ201410301691
【公開(kāi)日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年6月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月27日
【發(fā)明者】郝允志, 林毓培, 周黔 申請(qǐng)人:西南大學(xué)