一種無刷直流電機的啟動控制裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于無刷直流電機的控制技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是涉及一種無刷直流電機的啟動控制裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]有刷直流電機由于機械電刷和換向器的存在，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜、噪聲大、易產(chǎn)生火花、可靠性差、壽命短，再加上制造成本高、維護困難等缺點，其控制性能難以保障，應(yīng)用場合也受到極大的限制。針對此問題，無刷直流電機(Brush less DC Motor，BLDC)以其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、功率密度大、轉(zhuǎn)矩大、維護簡單等顯著優(yōu)點在工業(yè)領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。
[0003]目前，無刷直流電機的啟動方法主要有三段式啟動法、脈沖注入轉(zhuǎn)子定位啟動法和升頻升壓啟動法等。
[0004](I)三段式啟動法
[0005]三段式啟動法包括三個階段，預(yù)定位、加速以及切換。預(yù)定位指的是將轉(zhuǎn)子預(yù)定在某個位置，實現(xiàn)方法是先任意導(dǎo)通定子的兩相而另一相斷開，導(dǎo)通兩相產(chǎn)生的合成磁勢將轉(zhuǎn)子直軸吸引過來，電機便能預(yù)定到相應(yīng)的位置。預(yù)定位結(jié)束后在上一次導(dǎo)通狀態(tài)的前提下依次按順序?qū)ㄩ_關(guān)管，同時增大換相頻率和直流側(cè)電壓。為加快啟動過程，需要根據(jù)頻率、電壓與電機轉(zhuǎn)速間的對應(yīng)關(guān)系提前設(shè)定一條加速曲線。當電機轉(zhuǎn)速達到某個值時切換到正常運行狀態(tài)，比如根據(jù)霍爾位置信號或反電勢過零點判斷轉(zhuǎn)子位置并進行換相。此法雖簡單，但加速曲線的提前離線確定比較麻煩。
[0006](2)脈沖注入轉(zhuǎn)子定位啟動法
[0007]脈沖注入轉(zhuǎn)子定位啟動法也包括預(yù)定位、加速以及切換三個階段。無刷直流電機在各個方向上的磁路飽和程度不同，導(dǎo)致定子鐵芯的等效電感也不同。當幅值相等而方向不同的電壓矢量脈沖在相同時間內(nèi)作用在定子上，電壓脈沖結(jié)束時產(chǎn)生的定子電流合成矢量值的大小也不同。如果所施加的電壓矢量方向與轉(zhuǎn)子N極方向一致時，該方向的磁路最飽和，對應(yīng)的電感值也最小，電流上升最快，最終使定子繞組電流達到最大。具體實現(xiàn)時，分別將兩兩導(dǎo)通六個電壓矢量施加到電機定子端，就可以將轉(zhuǎn)子確定在60°范圍內(nèi)。之后的加速與切換過程與三段式啟動法相同。此法可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)子初始位置的靜態(tài)檢測，但算法比較復(fù)雜O
[0008](3)升頻升壓啟動法
[0009]此法是一種運用硬件電路實現(xiàn)的啟動方法。利用電容電壓不能突變，得從O逐漸增大的原理，將電容電壓施加于壓控振蕩器，壓控振蕩器的輸出作為環(huán)形分配器的時鐘信號，環(huán)形分配器的輸出作為晶體管開關(guān)的驅(qū)動信號，因此換相頻率隨著電容電壓的升高而升高。與此同時，電容電壓加于PWM電路兩端，控制P麗輸出的占空比，起到控制輸出電壓幅值的作用。此法原理簡單，但可調(diào)性較差，硬件成本較高。
[0010]以上三種啟動方法在加速過程都是按照電機轉(zhuǎn)向以及換相邏輯表依次進行兩兩導(dǎo)通，形成的定子磁場軌跡在空間上呈非連續(xù)狀態(tài)，電磁轉(zhuǎn)矩脈動較大，電機在加速過程中的轉(zhuǎn)速不夠平穩(wěn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本實用新型正是針對【背景技術(shù)】中提出的啟動方法所存在的技術(shù)問題，提供一種無刷直流電機的啟動控制裝置，該裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計巧妙，操作方便，能夠?qū)崿F(xiàn)電機的快速穩(wěn)
定啟動。
[0012]由于市面上絕大多數(shù)BLDC的反電勢并非是嚴格的120°梯形波，而且轉(zhuǎn)子極對數(shù)一般大于I，這就使得BLDC的反電勢幾乎呈正弦波形狀，因此，該電機的啟動控制裝置是基于磁場定向控制(Field Oriented ControlFOCWtgJtI，構(gòu)建了一種“預(yù)定位+升壓恒頻+恒壓恒頻”啟動方式，首先通過功率管驅(qū)動電路和逆變器產(chǎn)生幅值不變的恒向靜止定子磁場，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的預(yù)定位，之后產(chǎn)生幅值由小變大、后保持不變并且一直以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的定子磁場，定子磁場軌跡在空間上呈連續(xù)狀態(tài)，驅(qū)動轉(zhuǎn)子從預(yù)定位置開始加速再到恒速運行。
[0013]為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的技術(shù)方案為，一種無刷直流電機的啟動控制裝置，包括直流電壓源、功率管驅(qū)動電路、三相橋式逆變器和啟動控制器，所述啟動控制器的輸出端連接功率管驅(qū)動電路的輸入端，所述功率管驅(qū)動電路和所述直流電壓源的輸出端連接所述三相橋式逆變器的輸入端，所述三相橋式逆變器的輸出端連接無刷直流電機；所述啟動控制器包括初始位置給定模塊、定位時間給定模塊、位置極限給定模塊、位置周期給定模塊、鋸齒波產(chǎn)生模塊、直軸電壓給定模塊、交軸電壓給定模塊、SVPWM模塊和PWM生成模塊，所述初始位置給定模塊、定位時間給定模塊、位置極限給定模塊和位置周期給定模塊均連接至鋸齒波產(chǎn)生模塊的輸入端，鋸齒波產(chǎn)生模塊的輸出端連接SVPffM模塊的輸入端，所述直軸電壓給定模塊和交軸電壓給定模塊均連接SVPWM模塊的輸入端，SVPffM模塊的輸出端連接PffM生成模塊的輸入端，PffM生成模塊的輸出端連接功率管驅(qū)動電路的輸入端。
[0014]作為本實用新型的一種改進，所述功率管驅(qū)動電路包括將啟動控制器輸出的PWM信號轉(zhuǎn)變成能夠驅(qū)動功率管的開關(guān)信號的IGBT/M0FET驅(qū)動芯片，所述IGBT/M0FET驅(qū)動芯片的輸出端連接所述三相橋式逆變器的輸入端;所述IGBT/M0FET驅(qū)動芯片的輸入端連接所述啟動控制器的輸出端。功率管驅(qū)動電路的輸入量為啟動控制器輸出的6路PWM弱電信號，通過該功率管驅(qū)動電路將該6路PffM弱電信號放大為6路PffM強電信號，用以驅(qū)動后級三相橋式逆變器的功率管。
[0015]作為本實用新型的一種改進，所述三相橋式逆變器采用三相橋式電壓源型逆變器，包括三個橋臂，每個橋臂上設(shè)有兩個功率管，所述的功率管可以是MOS管或IGBT管之類的開關(guān)器件，從三個橋臂中位于同一橋臂上的兩個功率管之間各引出一條支路并分別連接到無刷直流電機的三相繞組接線端，所述直流電壓源的正負極分別連接至所述三相橋式逆變器的電源輸入端的正負極。因此，三相橋式電壓源型逆變器的輸入量為功率管驅(qū)動電路輸出的6路PWM強電信號和直流電壓源提供的直流電壓，輸出量為三相交流電壓，供給無刷直流電機的三相繞組，產(chǎn)生定子磁場以驅(qū)動電機。
[0016]作為本實用新型的一種改進，所述啟動控制器采用單片機、DSP或FPGA之類的數(shù)字控制微處理器(簡稱“數(shù)字控制器”)實現(xiàn)。
[0017]作為本實用新型的一種改進，所述SVPWM模塊包括Park逆變換單元、扇區(qū)判斷單元、矢量作用時間單元和矢量切換點單元，所述直軸電壓給定模塊和交軸電壓給定模塊的輸出端連接Park逆變換單元的輸入端，所述Park逆變換單元的輸出端連接扇區(qū)判斷單元以及矢量作用時間單元的輸入端，扇區(qū)判斷單元的輸出端分別連接矢量作用時間單元和矢量切換點單元的輸入端，矢量作用時間單元的輸出端連接矢量切換點單元的輸入端。該模塊的功能是確定某個空間矢量扇區(qū)內(nèi)的定子磁場所對應(yīng)的兩個電壓矢量以及零矢量的作用時間；實現(xiàn)方式是將給定的直軸電壓與交軸電壓轉(zhuǎn)變成三個比較器計數(shù)值，用以與所述PWM生產(chǎn)模塊中比較器的基準值相比較來獲得高低電平，進而構(gòu)成6路PffM開關(guān)信號。
[0018]作為本實用新型的一種改進，所述PWM生成模塊包括時鐘控制單元、三角載波單元、死區(qū)時間設(shè)置單元以及PWM產(chǎn)生單元，所述矢量切換點單元的輸出端連接PWM產(chǎn)生單元的輸入端，所述時鐘控制單元與三角載波單元相連，三角載波單元與PWM產(chǎn)生單元相連，死區(qū)時間設(shè)置單元也與PWM產(chǎn)生單元相連，時鐘控制單元決定三角載波單元上的三角載波的幅值與頻率。該模塊的功能是輸出6路PffM弱電信號。
[0019]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本實用新型的優(yōu)點如下，整個啟動控制裝置采用“預(yù)定位+升壓恒頻+恒壓恒頻”啟動方式，首先實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的預(yù)定位，之后施加幅值由小變大、后保持不變并且一直以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的定子磁場，驅(qū)動轉(zhuǎn)子從預(yù)定位置開始加速再到恒速運行，可實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)啟動;整個控制裝置的結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)，成本低，可調(diào)性好，平穩(wěn)性高，實用性強，為高性能要求的無刷直流電機控制場合提供了有利支持。
【附圖說明】
[0020]圖1為本實用新型的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖。
[0021]圖2為本實用新型中三相橋式逆變器的結(jié)構(gòu)圖。
[0022]圖3為本實用新型中給定交軸電壓Vq與位置給定信號Θ的波形圖。
[0023]圖4為本實用新型中SVPffM模塊的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖。
[0024]圖5為本實用新型中PffM生成模塊的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖。
[0025]圖6為采用本實用新型的無刷直流電機的啟動實現(xiàn)流程圖。
【具體實施方式】
[0026]為了加深對本實用新型的理解和認識，下面結(jié)合附圖對本實用新型作進一步描述和介紹。
[0027]如圖1所示，一種無刷直流電機的啟動控制裝置，包括直流電壓源、功率管驅(qū)動電路、三相橋式逆變器和啟動控制器。啟動控制器的輸出端連接功率管驅(qū)動電路的輸入端，功率管驅(qū)動電路和直流電壓源的輸出端連接三相橋式逆變器的輸入端，三相橋式逆變器的輸出端連接無刷直流電機。功率管驅(qū)動電路的輸入量為6路PffM弱電信號，將之放大為6路PWM強電信號，用以驅(qū)動后級三相橋式逆變器的功率管。