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实现无刷直流电机方波控制相位微调的电路结构及方法

申请号 CN202011601721.X 申请日 2020-12-29 公开(公告)号 CN114696673A 公开(公告)日 2022-07-01
申请人 华润微集成电路(无锡)有限公司; 发明人 王桑; 赵旭东; 秦建萍; 谢兴华;
摘要 本 发明 涉及一种实现无刷直流 电机 方波控制 相位 微调的 电路 结构,包括PWM配置寄存器通过 转子 位置 得到6组n位配置PWM 信号 ;3-8译码器通过3-8译码器将信号分成6路信号,即bit1~bit6信号;扩展模 块 将bit1~bit6信号分别扩展出n位相同信号,得到6n位信号;n位与 门 模块组合,将扩展后的6n位信号和PWM的6n位配置信号分别进行相与操作;n位或门模块接收6组融合信号结果,将6组PWM n位配置信号相或操作。采用了本发明的实现无刷直流电机方波控制相位微调的电路结构及方法,通过改变占空比配置寄存器来微调相位的超前或滞后,有助于提高电机运行效率,但无需 软件 人员复杂的程序。 硬件 实现该换相过程后,软件实现简单,CPU占用时间也少,CPU可将时间用在其他安全控制上。
权利要求

1.一种实现无刷直流电机方波控制相位微调的电路结构,其特征在于,所述的电路结构包括:
PWM配置寄存器,用于通过转子位置得到6组n位配置PWM信号
信号输入模,用于接收输入的hall信号,识别6个转子位置;
3-8译码器,与所述的信号输入模块,用于通过3-8译码器将信号分成6路信号,即bit1~bit6信号;
扩展模块,与所述的3-8译码器相连接,用于将bit1~bit6信号分别扩展出n位相同信号,得到6n位信号;
n位与模块组合,与所述的扩展模块相连接,用于将扩展后的6n位信号和PWM的6n位配置信号分别进行相与操作,得到6组融合信号结果,在当前转子位置得到结果PWMi×j,在非当前转子位置得到结果0;
n位或门模块,与所述的n位与门模块组合相连接,用于接收6组融合信号结果,将6组PWMn位配置信号相或操作,得到前转子位置的上下桥臂PWM配置信号。
2.根据权利要求1所述的实现无刷直流电机方波控制相位微调的电路结构,其特征在于,所述的PWM配置寄存器包括两个占空比寄存器,所述的两个占空比寄存器相互连接,所述的PWM配置信号包含9位,前三位的信号分别控制UVW输出是占空比0或1对应的PWM信号,后6位的信号分别表示UVW的上下桥臂是否导通。
3.根据权利要求1所述的实现无刷直流电机方波控制相位微调的电路结构,其特征在于,所述的PWM配置寄存器还包括6个占空比寄存器,用于实现不同的UVW占空比。
4.根据权利要求1所述的实现无刷直流电机方波控制相位微调的电路结构,其特征在于,所述的n位与门模块组合将当前转子位置对应的一组PWM信号的n位配置信号输出与扩展的n位111111111进行n位与操作,得到结果PWMi×j,在非当前转子位置得到结果0。
5.根据权利要求1所述的实现无刷直流电机方波控制相位微调的电路结构,其特征在于,所述的PWM配置寄存器由选择器组成,根据PWM配置寄存器设置的PWM_config<8:0>中各bit对应的值选择占空比0或1对应的PWM信号,并输出对应的PWM信号。
6.一种利用权利要求1所述的电路结构实现无刷直流电机方波控制相位微调的方法,其特征在于,所述的方法具体包括以下步骤:
通过分段改变占空比来分段改变电机平均供电电压,进而实现相位的超前和滞后。
7.根据权利要求6所述的实现无刷直流电机方波控制相位微调的方法,其特征在于,所述的方法具体包括以下步骤:
(1)采样下桥臂导通至60度换相时采样电阻上的电压;
(2)采样下桥臂导通至120度换相时采样电阻上的电压;
(3)判断60度时的电压是否大于120度时的电压,如果是,则继续步骤(4);否则,继续步骤(5);
(4)进行滞后调整,使AMPIN0的数值小于AMPIN1的数值,中心值保持不变,并结束;
(5)进行超前调整,使AMPIN0的数值大于AMPIN1的数值,中心值保持不变,并结束。

说明书全文

实现无刷直流电机方波控制相位微调的电路结构及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电机控制领域,尤其涉及方波控制模式领域,具体是指一种实现无刷直流电机方波控制相位微调的电路结构及方法。

背景技术

[0002] 直流无刷电机方波控制模式启动矩大,控制简单,控制成本低,因此方波控制模式在很多领域依然有大量的应用。随着对控制要求的提高,软件复杂度也在逐渐增加。
[0003] 如针对方波控制模式,常规控制(HPWM‑LON)结果见图1,换相过程中转矩脉动明显,上下桥臂的MOS管寿命也会不一样。
[0004] 有专利CN106685278A提出通过采样电流计算出交轴电流来判断当前相位是否调整较佳,但该种方案的调整适合于永磁同步电机控制,却不适用于直流无刷电机的方波控制。
[0005] 现有的技术相位调整主要是粗调超前滞后,且采用软件实现时,要通过计算速度后,大幅超前的情况下再做补偿。
[0006] 现有技术具有以下缺点:
[0007] 1、对于应用在永磁同步电机上的控制方法,例如通过判断交轴电流的方法不能直接用在直流无刷电机上,因为前者是三相全都在导通,而直流无刷电机上是两相导通,因此在换相时会产生转矩波动,电流相位的调整也就不如像永磁同步电机那样可以id(直轴电流)等于0的控制来实现。
[0008] 2、相位调整一般采用粗调超前或滞后,不能实现最优控制。
[0009] 3、目前电机控制换相,或相位调整的方式都依赖于软件控制,本发明采用硬件方式可以实现自动相位微调,不占用CPU资源。

发明内容

[0010] 本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点,提供了一种满足控制简单、控制成本低、适用范围较为广泛的实现无刷直流电机方波控制相位微调的电路结构及方法。
[0011] 为了实现上述目的,本发明的实现无刷直流电机方波控制相位微调的电路结构如下:
[0012] 该实现无刷直流电机方波控制相位微调的电路结构,其主要特点是,所述的电路结构包括:
[0013] PWM配置寄存器,用于通过转子位置得到6组n位配置PWM信号
[0014] 信号输入模,用于接收输入的hall信号,识别6个转子位置;
[0015] 3-8译码器,与所述的信号输入模块,用于通过3-8译码器将信号分成6路信号,即bit1~bit6信号;
[0016] 扩展模块,与所述的3-8译码器相连接,用于将bit1~bit6信号分别扩展出n位相同信号,得到6n位信号;
[0017] n位与模块组合,与所述的扩展模块相连接,用于将扩展后的6n位信号和PWM的6n位配置信号分别进行相与操作,得到6组融合信号结果,在当前转子位置得到结果PWMi×j,在非当前转子位置得到结果0;
[0018] n位或门模块,与所述的n位与门模块组合相连接,用于接收6组融合信号结果,将6组PWM n位配置信号相或操作,得到前转子位置的上下桥臂PWM配置信号。
[0019] 较佳地,所述的PWM配置寄存器包括两个占空比寄存器,所述的两个占空比寄存器相互连接,所述的PWM配置信号包含9位,前三位的信号分别控制UVW输出是占空比0或1对应的PWM信号,后6位的信号分别表示UVW的上下桥臂是否导通。
[0020] 较佳地,所述的PWM配置寄存器还包括6个占空比寄存器,用于实现不同的UVW占空比。
[0021] 较佳地,所述的n位与门模块组合将当前转子位置对应的一组PWM信号的n位配置信号输出与扩展的n位111111111进行n位与操作,得到结果PWMi×j,在非当前转子位置得到结果0。
[0022] 较佳地,所述的PWM配置寄存器由选择器组成,根据PWM配置寄存器设置的PWM_config<8:0>中各bit对应的值选择占空比0或1对应的PWM信号,并输出对应的PWM信号。
[0023] 该利用上述电路结构实现无刷直流电机方波控制相位微调的方法,其特征在于,所述的方法具体包括以下步骤:
[0024] 通过分段改变占空比来分段改变电机平均供电电压,进而实现相位的超前和滞后。
[0025] 较佳地,所述的方法包括以下步骤:
[0026] (1)采样下桥臂导通至60度换相时采样电阻上的电压;
[0027] (2)采样下桥臂导通至120度换相时采样电阻上的电压;
[0028] (3)判断60度时的电压是否大于120度时的电压,如果是,则继续步骤(4);否则,继续步骤(5);
[0029] (4)进行滞后调整,使AMPIN0的数值小于AMPIN1的数值,中心值保持不变;
[0030] (5)进行超前调整,使AMPIN0的数值大于AMPIN1的数值,中心值保持不变。采用了本发明的实现无刷直流电机方波控制相位微调的电路结构及方法,通过改变占空比配置寄存器来微调相位的超前或滞后,有助于提高电机运行效率,但无需软件人员复杂的程序。硬件实现该换相过程后,软件实现简单,CPU占用时间也少,可以将时间用在其他安全控制上。附图说明
[0031] 图1为现有技术的常规控制结果示意图。
[0032] 图2为本发明的实现无刷直流电机方波控制相位微调的电路结构的上下桥臂PWM配置示意图。
[0033] 图3为本发明的实现无刷直流电机方波控制相位微调的电路结构的HALL信号扩展成n位示意图。
[0034] 图4为本发明的实现无刷直流电机方波控制相位微调的电路结构的HALL信号扩展结果和PWM配置寄存器相与示意图。
[0035] 图5为本发明的实现无刷直流电机方波控制相位微调的电路结构的HALL扩展出的6n位信号和PWM的6n位配置信号相与的输出结果示意图。
[0036] 图6为本发明的实现无刷直流电机方波控制相位微调的电路结构的当前转子位置下PWM配置信号输出电路结构图。
[0037] 图7为本发明的实现无刷直流电机方波控制相位微调的电路结构的PWM寄存器的配置和对应的PWM输出示意图。
[0038] 图8为本发明的实现无刷直流电机方波控制相位微调的电路结构的PWM寄存器的配置和对应的PWM输出电路结构图。
[0039] 图9为本发明的实现无刷直流电机方波控制相位微调的方法的相位微调步骤流程图

具体实施方式

[0040] 为了能够更清楚地描述本发明的技术内容,下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
[0041] 本发明的该实现无刷直流电机方波控制相位微调的电路结构,其中包括:
[0042] PWM配置寄存器,用于通过转子位置得到6组n位配置PWM信号;
[0043] 信号输入模块,用于接收输入的hall信号,识别6个转子位置;
[0044] 3-8译码器,与所述的信号输入模块,用于通过3-8译码器将信号分成6路信号,即bit1~bit6信号;
[0045] 扩展模块,与所述的3-8译码器相连接,用于将bit1~bit6信号分别扩展出n位相同信号,得到6n位信号;
[0046] n位与门模块组合,与所述的扩展模块相连接,用于将扩展后的6n位信号和PWM的6n位配置信号分别进行相与操作,得到6组融合信号结果,在当前转子位置得到结果PWMi×j,在非当前转子位置得到结果0;
[0047] n位或门模块,与所述的n位与门模块组合相连接,用于接收6组融合信号结果,将6组PWM n位配置信号相或操作,得到前转子位置的上下桥臂PWM配置信号。
[0048] 作为本发明的优选实施方式,所述的PWM配置寄存器包括两个占空比寄存器,所述的两个占空比寄存器相互连接,所述的PWM配置信号包含9位,前三位的信号分别控制UVW输出是占空比0或1对应的PWM信号,后6位的信号分别表示UVW的上下桥臂是否导通。
[0049] 作为本发明的优选实施方式,所述的PWM配置寄存器还包括6个占空比寄存器,用于实现不同的UVW占空比。
[0050] 作为本发明的优选实施方式,所述的n位与门模块组合将当前转子位置对应的一组PWM信号的n位配置信号输出与扩展的n位111111111进行n位与操作,得到结果PWMi×j,在非当前转子位置得到结果0。
[0051] 作为本发明的优选实施方式,所述的PWM配置寄存器由选择器组成,根据PWM配置寄存器设置的PWM_config<8:0>中各bit对应的值选择占空比0或1对应的PWM信号,并输出对应的PWM信号。
[0052] 本发明的该利用上述电路结构实现无刷直流电机方波控制相位微调的方法,其中包括以下步骤:
[0053] 通过分段改变占空比来分段改变电机平均供电电压,进而实现相位的超前和滞后。
[0054] 其中包括以下步骤:
[0055] (1)采样下桥臂导通至60度换相时采样电阻上的电压;
[0056] (2)采样下桥臂导通至120度换相时采样电阻上的电压;
[0057] (3)判断60度时的电压是否大于120度时的电压,如果是,则继续步骤(4);否则,继续步骤(5);
[0058] (4)进行滞后调整,使AMPIN0的数值小于AMPIN1的数值,中心值保持不变;
[0059] (5)进行超前调整,使AMPIN0的数值大于AMPIN1的数值,中心值保持不变。
[0060] 本发明的具体实施方式中,无刷直流电机在采用方波模式的控制的时候一般是按照换相表正常控制,随着对电机控制的高效率和较少转矩脉动的要求,有正弦波控制方法或FOC控制等方式的出现,但这两种控制较复杂,方波控制的方式较为简单,电流相位的调整也容易实现,但对于方波控制来说,电流相位的微调效果不易检测,但对于电机控制来说是有利于提高效率的。
[0061] 而目前方波控制模式均采用软件实现。软件的方式是灵活,但是缺点就是随着提出的需求增加,需要大量占用CPU的资源,对于复杂的系统来说,CPU除了要及时处理电机的换相和紧急应急处理,还要计算当前是否是电机的最佳控制等。本发明为解决该问题设计了专门的硬件电路来自动实现相位微调。
[0062] 对于电机方波控制来说,是根据更新的转子位置信息立刻换相,随着转速的提高,换相会滞后。而相位的超前需要对换相表做大的改动。本发明本身的应用场景是在硬件实现电机自动换相的电路上的,现在通过简单地增加一个位,和一个占空比寄存器,即可实现相位的超前动作,因此电路的设计和应用是具有创造性的。
[0063] 本发明设计的一种相位微调的硬件电路,是在每次转子位置信号检测更新的时候,通过改变PWM占空比大小来改变从本次转子位置更新到下次转子位置更新时候电压的大小,从而微调整相位。在电机运行前在对应的转子位置PWM配置寄存器中填入需要采用哪个寄存器填写的占空比,在电机运行中则写入相应的占空比大小。
[0064] 对于应用在永磁同步电机上的控制方法,例如通过判断交轴电流的方法不能直接用在直流无刷电机上,因为前者是三相全都在导通,而直流无刷电机上是两相导通,因此在换相时会产生转矩波动,电流相位的调整也就不如像永磁同步电机那样可以id(直轴电流)等于0的控制来实现。相位调整一般采用粗调超前或滞后,不能实现最优控制。目前电机控制换相,或相位调整的方式都依赖于软件控制,本发明采用硬件方式可以实现自动相位微调,不占用CPU资源。
[0065] 本发明在电机换相的时候改变占空比来对电机电流相位微调。利用硬件电路实现方波控制情况下电机的自动换相。
[0066] 本发明设计了两个占空比寄存器,PWM配置信号包含9位,前三位分别是用于控制UVW输出是占空比0对应的PWM信号,还是占空比1对应的信号,后6位:bit<5:4>,bit<3:2>,bit<1:0>分别表示UVW的上下桥臂是否导通,图4中bit<8>~bit<0>分别定义为dutyUx,dutyVx,dutyWx,Uhl1<1:0>,Vhl1<1:0>,Whl1<1:0>,x定义为1~6。如果需要更多的占空比信号,则要通过更多位的dutyUx来选择。
[0067] 例如逆变器的三相半桥上下桥臂都是用的N管,控制上下桥臂是否导通的PWM配置寄存器设置为PWM_config<8:0>=10X100100,X表示任意,可为1或0;bit<5:4>=10表示U上桥臂导通,下桥臂关断(下桥臂NMOS控制信号设置为0),bit<3:2>=01表示V上桥臂关断(上桥臂NMOS控制信号设置为0),下桥臂导通,bit<1:0>=00表示W上下桥臂都关断(上桥臂NMOS控制信号都设置为0)。bit<8>=1表示U选择占空比0对应的PWM信号,bit<7>=0表示V选择占空比1对应的PWM信号,bit<6>任意,因为W上下桥臂都关断,PWM输出为0。
[0068] 如图2所示的电路结构如下:
[0069] ①依据电机转子位置hall信号的输入,本发明的硬件电路辨识出转子的6个位置(在hall信号不掉相的情况下只会出现1~6的序列),因此②三位HALL信号经3‑8译码器的输出bit1~bit6给到③;
[0070] ③是将bit1~bit6信号分别扩展出n位相同信号,也就是bit1~bit6变成6×n位信号传输给④,如图3所示;
[0071] ④是将HALL扩展出的6n位信号和PWM的6n位配置信号相与。如图4所示,当前转子位置对应的一组PWM n位配置信号输出与扩展的n位111111111进行n位与,HALLi×j&PWMi×j结果为PWMi×j,而非当前转子位置那组扩展的n位为0,此时HALLi×j&PWMi×j结果为0,输出结果见图5;
[0072] ⑤最后6组PWM n位配置信号相或即当前转子位置的上下桥臂PWM配置信号,如图6所示。占空比即图7给出的占空比。
[0073] 方波控制下UVW三相的占空比一般是一致的,因此仅需要两个占空比寄存器即可,如果UVW需要不同的占空比,则需要6个占空比寄存器。
[0074] 基于图2的当前转子下PWM配置输出,再连接到图8的电路,即可实现图3的信号输出,实现过程以PWM_config<8:0>=10X100100的UH,UL输出为例进行说明:图8中选择器部分,当PWM_config<8>为1,占空比0对应的PWM信号输出,bit<5:4>=10,则UH输出占空比0对应的PWM信号,UL输出0。
[0075] 如图9所示为本发明的实施例步骤示意图,本发明想要强调的是相位微调的方法和对应的硬件实现。微调步骤是软件工作,可实现的方法不一。本发明的相位微调步骤的实施例如下:
[0076] 一般采样电阻在下桥臂上,一个电周期是360度,下桥臂导通时间是120度,假设0度是开始某相下桥臂导通开始的时候,到60度的时候其他相会换相,该下桥臂仍保持导通,采样下桥臂电压。同样等到120度的时候,换相后采样下桥臂电压,比较两者电压大小。前者电流大,则需要做滞后调整,使AMPIN0的值小于AMPIN1,反之则做超前调整,使AMPIN0的值大于AMPIN1。
[0077] 采用了本发明的实现无刷直流电机方波控制相位微调的电路结构及方法,通过改变占空比配置寄存器来微调相位的超前或滞后,有助于提高电机运行效率,但无需软件人员复杂的程序。硬件实现该换相过程后,软件实现简单,CPU占用时间也少,可以将时间用在其他安全控制上。
[0078] 在此说明书中,本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是,很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此,说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。