一种直流电机转矩脉动抑制控制器的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供一种直流电机转矩脉动抑制控制器，包括PWM信号发生器、ON信号发生器、高频多路分配器和复杂可编程控制器，所述PWM信号发生器、ON信号发生器和CPLD的输出端分别与高频多路分配器相连，高频多路分配器通过驱动电路与直流电机相连，直流电机通过转子位置传感器与CPLD相连。本实用新型的有益效果是：PWM信号发生器输出的PWM信号幅值、脉宽、周期手动可调，可产生不同类型的PWM信号；仅使用一个PWM信号发生器和一个ON信号发生器，通过多路分配器控制六个桥臂的开关管，采用CPLD进行控制，实现可编程控制，可适用于不同类型的PWM控制策略；具有系统成本低、可实现在线调试、操作维护方便等优点。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明创造属于直流电机控制领域，尤其是涉及一种直流电机转矩脉动抑制控制 器。 一种直流电机转矩脉动抑制控制器
【背景技术】
[0002] 近年来，无刷直流电机因其功率密度高、调速性能优越、控制简单等特点，得到越 来越广泛的应用。相对于正弦性永磁同步电机，方波型永磁无刷直流电机最突出的问题就 在于具有电磁转矩脉动，从而限制了其在很多领域中的应用与推广。根据转矩脉动产生的 机理的不同，采用的转矩脉动抑制的方法主要是两种：一种是电机本体优化设计；另一类 是从控制策略入手，通过调整加在电机定子绕组上的电压或电流波形来抑制转矩脉动。
[0003] 如图1所示，现有无刷直流电机的PWM调制策略为：三相永磁无刷直流电机工作于 120°导通方式下时，同一相上下两个桥臂的开关管交替导通，各自导通半个周期180。常见 的 PWM 调制方式有：a) PWM_0N ;b) 0N_PWM ;c) H_PWM-L_0N ;d) H_0N-L_PWM ;e) H_PWM-L_PWM ; f)PWM_0N_PWM等。PWM_0N调制方式的原理为在开关管导通的120°期间，前60°进行PWM 调制，后60°保持恒通；0N_PWM调制方式与PWM_0N调制方式正好相反，即前60°保持恒 通，后60°进行PWM调制；H_PWM-L_0N调制方式表示上桥臂开关管进行PWM调制，下桥臂开 关管保持恒通；H_0N-L_PWM调制方式与H_PWM-L_0N的调制方式相反，即上桥臂开关管保持 恒通，下桥臂开关管进行PWM调制；H_PWM-L_PWM调制方式表示上下桥臂开关管均进行PWM 调制。PWM_0N_PWM调制方式下，每只开关管在开通的前30°和后30°期间进行PWM调制， 中间60°区间保持恒通。
[0004] 在前五种PWM调制方式中，采用H_PWM-L_PWM调制方式时，每只开关管均进行PWM 调制，六只开关管总的开关损耗相对于采用其他四种调制方式时的开关损耗增加了一倍， 因此，通常情况下，不选择H_PWM-L_PWM调制方式；采用H_PWM-L_0N和H_0N-L_PWM时，只有 一个桥臂上的开关管在进行PWM调制，而另一个桥臂上的开关管处于恒通状态，因此，六只 开关管的开关损耗并没有均匀的分配。对于不同的使用要求下可以选择不同的调制方式。 PWM_0N调制方式是上述调制方式中最优的调制方式，采用该调制方式可以抑制换相期间的 电磁转矩脉动。在此基础上的PWM_〇N_PWM调制方式还可以消除非导通相上的续流电流。
[0005] 可见目前采用PWM控制抑制直流电机转矩脉动的调制方式很多，但都仅需要两种 控制信号来实现：PWM信号和0N信号。
[0006] 目前采用的产生PWM信号的控制器都是采用通用处理器，如单片机、数字信号处 理器（DSP)及现场可编程阵列（FPGA)，存在系统成本高、系统设计复杂、受环境影响较大等 问题。
【发明内容】
[0007] 本发明创造要解决的问题是提供一种能产生上述两种控制信号适用于不同调制 方式的直流电机转矩脉动抑制控制器，特别适合在不同PWM控制策略的直流电机上使用。
[0008] 为解决上述技术问题，本发明创造采用的技术方案是：一种直流电机转矩脉动抑 制控制器，包括产生用于控制电机工作的PWM控制信号的PWM信号发生器、产生控制电机 工作的常开控制信号的0N信号发生器、高频多路分配器和复杂可编程控制器（CPLD)，所 述PWM信号发生器、0N信号发生器和CPLD的输出端分别与所述高频多路分配器相连，所述 高频多路分配器通过驱动电路与直流电机相连，所述直流电机通过转子位置传感器与所述 CPLD相连，CPLD根据PWM调制方式及转子位置传感器得到的信号产生控制信号，高频多路 分配器根据CPLD输出的控制信号将PWM信号和0N信号加到不同桥臂的驱动电路上。
[0009] 进一步的，所述PWM信号发生器由一个等幅度周期震荡波和一个参考波通过比较 器进行比较后，输出脉冲宽度不同的PWM信号，所述等幅度周期震荡波采用三角波，PWM的 脉冲宽度可通过参考波的输入幅度值进行调节，因此可产生任意占空比的PWM信号。
[0010] 进一步的，可以采用前缘控制和后缘控制产生两种不同PWM信号：利用三角波的 峰谷确定PWM的结束时间和利用三角波的峰谷确定PWM开始时间；可以根据三角波和脉宽 控制输入加到比较器的端子方式不同（正向端或反向端）可得到不同有效占空比（高电平或 低电平）的PWM信号。
[0011] 进一步的，上述等幅度周期震荡波采用三角波，所述三角波由三角波振荡器产生， 所述三角波振荡器包括由ΤΙ、T2和T3构成的电流镜电路，所述ΤΙ、T2的发射极均与5V电 源相连，所述T3的集电极依次通过可变电容C和电阻R1与T3的基极相连，在所述T3的集 电极与可变电容C之间接入T4的集电极，所述T4的发射极与可变电容C的另一端相连，所 述T4的基极分两路，一路通过电阻R4与其发射极相连，另一路通过电阻R6与比较器的输 出端相连，所述比较器的同相输入端分两路，一路通过可变电阻R2与T2的发射极相连，另 一路通过电阻R3与T4的发射极相连，所述比较器的输出端还通过电阻R5与T2的发射极 相连，所述T3的集电极端输出三角波。
[0012] 进一步的，所述转子位置传感器采用三个转子位置传感器，分别产生180度脉宽， 互差120度相位的输出信号，将产生6个上升沿或下降沿，可根据这些信息，实现无刷直流 电机的三相六状态控制。
[0013] 进一步的，所述高频多路分配器为两个，一个与PWM信号发生器相连，另一个与0N 信号发生器相连，所述CPLD的输入端与转子位置传感器相连，所述CPLD的输出端将控制信 号分时加到驱动电路的三相桥臂开关管上，实现对开关管的控制。
[0014] PWM信号和0N信号分别来自PWM信号发生器和0N信号发生器；转子位置信息来 自转子位置传感器，共有3个信号可以产生不同的8路输出，本发明创造只取其中的6种。 根据直流电机转矩脉动抑制PWM调制方式的不同通过对CPLD编程配置不同控制方式，控制 信号编码采用格雷码，输出信号根据PWM调制方式设定为三种不同的状态PWM、0N或OFF。
[0015] 本发明创造具有的优点和积极效果是：PWM信号发生器输出的PWM信号幅值、脉 宽、周期手动可调，可产生不同类型的PWM信号；仅使用一个PWM信号发生器和一个0N信 号发生器，通过多路分配器控制六个桥臂的开关管，采用CPLD进行控制，实现可编程控制， 可适用于不同类型的PWM控制策略；具有系统成本低、可实现在线调试、操作维护方便等优 点。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1是现有技术中永磁无刷直流电机的等效结构原理图；
[0017] 图2是本发明创造的原理图；
[0018] 图3是PWM信号发生器的原理图；
[0019] 图4是三角波振荡器的原理图；
[0020] 图5是高频多路分配器的连接示意图。
【具体实施方式】
[0021] 如图2所示，本发明创造一种直流电机转矩脉动抑制控制器，包括产生用于控制 电机工作的PWM控制信号的PWM信号发生器、产生控制电机工作的常开控制信号的0N信号 发生器、高频多路分配器和CPLD，所述PWM信号发生器、0N信号发生器和CPLD的输出端分 别与所述高频多路分配器相连，所述高频多路分配器通过驱动电路与直流电机相连，所述 直流电机通过转子位置传感器与所述CPLD相连，所述转子位置传感器通常采用三个转子 位置传感器分别产生180度脉宽，互差120度相位的输出信号，将产生6个上升沿或下降 沿，可根据这些信息，实现无刷直流电机的三相六状态控制。CPLD根据PWM调制方式及转子 位置传感器得到的信号产生控制信号，高频多路分配器根据CPLD输出的控制信号将PWM信 号和0N信号加到不同桥臂的驱动电路上。
[0022] 如图3所示，所述PWM信号发生器由一个等幅度周期震荡波和一个参考波通过比 较器进行比较后，输出脉冲宽度不同的PWM信号，所述等幅度周期震荡波采用三角波，PWM 的脉冲宽度可通过参考波的输入幅度值进行调节，因此可产生任意占空比的PWM信号。可 以采用前缘控制和后缘控制产生两种不同PWM信号：利用三角波的峰谷确定PWM的结束时 间和利用三角波的峰谷确定PWM开始时间；可以根据三角波和脉宽控制输入加到比较器的 端子方式不同（正向端或反向端）可得到不同有效占空比(高电平或低电平）的PWM信号。
[0023] 如图4所示，上述等幅度周期震荡波采用的三角波由三角波振荡器产生，图4中， T1、T2和T3构成了电流镜电路，R1用来控制电流II的大小，电流镜电路会使11=12 ; 12对 电容器C进行充电，当电容器C两端电压大于预设值时Τ4导通C开始进行放电，周而复始 产生等幅度震荡波三角波。其中R2为可变阻值电阻器，可以通过调节R2的阻值设定震荡 波的峰值；C为可变点容值电容器，可以通过调节C设定震荡波的周期。所设计的三角波振 荡器可产生任意幅值、任意周期的PWM信号。
[0024] 如图5所不，PWM信号和0Ν信号来自PWM信号发生器和0Ν信号发生器；转子位置 信息来自转子位置传感器，共有3个信号可以产生不同的8路输出，本实用新型只取其中的 6种。根据直流电机转矩脉动抑制PWM调制方式的不同通过对CPLD编程配置不同控制方 式，控制信号编码采用格雷码，输出信号根据PWM调制方式设定为三种不同的状态PWM、0N 或 OFF。
[0025] 如图1所示的永磁无刷直流电机的等效结构图，通过以下PWM调制方式为例说明 控制信号与输出信号的对应关系。
[0026] 该PWM调制方式每60电角度进行一次换相，每个开关管每周期导通120电角度， 各开关管的导通顺序为 VT6VT1、VT1VT2、VT2VT3、VT3VT4、VT4VT5、VT5VT6。方波 120° 控制 方式同一时刻只有两个开关管处于导通状态，选择上桥臂开关管采用PWM控制，下桥臂开 关管一直导通。为获得足够的自举电压，使原本应该处于完全关闭状态的下桥臂开关管以 一定的占空比导通。为防止上下桥臂直通，上桥臂开关管设置了死区时间，当下桥臂完全开 通时上桥臂关闭。其控制信号与输出信号对应关系如表1所示。
[0027]
【权利要求】
1. 一种直流电机转矩脉动抑制控制器，其特征在于：包括产生用于控制电机工作的 PWM控制信号的PWM信号发生器、产生控制电机工作的常开控制信号的ON信号发生器、高频 多路分配器和CPLD，所述PWM信号发生器、ON信号发生器和CPLD的输出端分别与所述高频 多路分配器相连，所述高频多路分配器通过驱动电路与直流电机相连，所述直流电机通过 转子位置传感器与所述CPLD相连。
2. 根据权利要求1所述的一种直流电机转矩脉动抑制控制器，其特征在于：所述PWM 信号发生器包括比较器，所述比较器的输入端分别接入一个等幅度周期震荡波和一个参考 波，所述比较器的输出端输出PWM信号，所述等幅度周期震荡波为三角波。
3. 根据权利要求2所述的一种直流电机转矩脉动抑制控制器，其特征在于：所述PWM 信号发生器中的三角波和脉宽控制输入通过正向端或者反向端加到比较器上，得到高电平 或低电平的PWM信号。
4. 根据权利要求2所述的一种直流电机转矩脉动抑制控制器，其特征在于：所述三角 波由三角波振荡器产生，所述三角波振荡器包括由T1、T2和T3构成的电流镜电路，所述T1、 Τ2的发射极均与5V电源相连，所述Τ3的集电极依次通过可变电容C和电阻R1与Τ3的基 极相连，在所述Τ3的集电极与可变电容C之间接入Τ4的集电极，所述Τ4的发射极与可变 电容C的另一端相连，所述Τ4的基极分两路，一路通过电阻R4与其发射极相连，另一路通 过电阻R6与比较器的输出端相连，所述比较器的同相输入端分两路，一路通过可变电阻R2 与Τ2的发射极相连，另一路通过电阻R3与Τ4的发射极相连，所述比较器的输出端还通过 电阻R5与Τ2的发射极相连，所述Τ3的集电极端输出三角波。
5. 根据权利要求1所述的一种直流电机转矩脉动抑制控制器，其特征在于：所述转子 位置传感器采用三个转子位置传感器，分别产生180度脉宽，互差120度相位的输出信号， 产生6个上升沿或下降沿，实现无刷直流电机的三相六状态控制。
6. 根据权利要求1所述的一种直流电机转矩脉动抑制控制器，其特征在于：所述高频 多路分配器为两个，一个与PWM信号发生器相连，另一个与ON信号发生器相连，所述CPLD 的输入端与转子位置传感器相连，所述CPLD的输出端将控制信号分时加到驱动电路的三 相桥臂开关管上，实现对开关管的控制。
【文档编号】H02P6/10GK203851073SQ201420176281
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年4月11日 优先权日:2014年4月11日
【发明者】陶宏敬, 郭英伟, 何忠, 赵燕, 唐子晰, 吕芳芳, 杨振敏, 杨铁墙, 刘群, 姜心刚 申请人:中国天辰工程有限公司, 天津天辰绿色能源工程技术研发有限公司