[发明专利]单绕组直流无刷电机的正弦波电流驱动系统及其控制方法

摘要

本发明涉及一种电机驱动系统，具体说是单绕组直流无刷电机的正弦波电流驱动系统及其控制方法。该驱动系统及控制方法通过位置传感器采集到的电机旋转频率，计算得出输入电流相位角瞬时值和输入电流指令值，进而依次得到电路控制电压项、瞬时感应电压和输出电压指令值，最终得到输出占空比α以生成脉宽调制PWM波信号，并传送至全桥功率逆变电路中来控制大功率开关器件，从而实现单绕组直流无刷电机的驱动控制。采用该驱动系统及控制方法对单绕组直流无刷电机进行驱动控制，电机起动容易，制造成本较低，电机运行时振动和噪音小，适用范围较广。

主权项

单绕组直流无刷电机的正弦波电流驱动系统的控制方法，所述单绕组直流无刷电机的正弦波电流驱动系统包括电源电路、全桥功率逆变电路、单绕组直流无刷电机、位置传感器、电流采样电路、电压采样电路、控制运算单元、位置检测电路和外部指令接受电路；所述电源电路输出直流电源，通过DC+/DC‑直流母线与全桥功率逆变电路连接；所述全桥功率逆变电路包括4组由IGBT或MOSFET组成的大功率开关器件，全桥功率逆变电路与所述控制运算单元呈电连接，4组大功率开关器件的开关信号来自于控制运算单元发出的脉宽调制波；全桥功率逆变电路通过两条交流动力线AC_U和AC_V与所述单绕组直流无刷电机连接，输出交流电压以驱动单绕组直流无刷电机；所述位置传感器安装在单绕组直流无刷电机中用于检测转子位置；位置传感器通过位置检测电路与控制运算单元呈电连接，使得位置传感器的采样信号通过位置检测电路处理后传送至控制运算单元；所述全桥功率逆变电路与单绕组直流无刷电机间的交流动力线AC_V上设置有电流传感器，该电流传感器通过电流采样电路与控制运算单元呈电连接，使得电流传感器采集到的单绕组直流无刷电机的相电流瞬时值，能够经电流采样电路处理后传送至控制运算单元；所述电源电路与全桥功率逆变电路间的DC+/DC‑直流母线分别与电压采样电路呈电连接，电压采样电路与控制运算单元呈电连接，使得直流母线上的电压信号能够经电压采样电路处理后传送至控制运算单元；所述外部指令接受电路与控制运算单元呈电连接，外部指令接受电路用于接受外部上位机输入的转速、电流或者输出功率指令信号，并经处理后传送至控制运算单元；所述控制运算单元包括不少于一个的运算处理器CPU，其用于接受电压采样电路、电流采样电路、位置检测电路以及外部指令接受电路输入的信号后完成单绕组直流无刷电机的驱动控制计算；所述单绕组直流无刷电机的正弦波电流驱动系统的控制方法的特征在于包括以下步骤：第一步，利用电机的设计参数或通过测量得到单绕组直流无刷电机的感应电压‑频率曲线，并将该曲线按照表格或计算公式的方式输入至控制运算单元的存储装置中；将整个感应电压的波形与输入电流相位角的对应关系在单绕组直流无刷电机上进行测量，得到高次谐波电压成分与输入电流相位角的对应关系曲线，并将该曲线按照表格或计算公式的方式输入至控制运算单元的存储装置中；第二步，控制运算单元通过位置传感器和位置检测电路采集并计算得到电机旋转频率，同时计算出单绕组直流无刷电机的输入电流相位角瞬时值；第三步，控制运算单元通过外部指令接受电路，直接得到单绕组直流无刷电机的输入电流指令值；或由上位机通过外部指令接受电路给出电机旋转频率指令值与位置传感器和位置检测电路采集到的电机旋转频率作比例‑积分‑微分运算，得到单绕组直流无刷电机的输入电流指令值，该电流指令值代表着电机输入电流的有效值；第四步，控制运算单元通过电流传感器以及电流采样电路，实时地采样单绕组直流无刷电机的相电流瞬时值；第五步，控制运算单元按照输入电流相位角瞬时值求得正弦值，乘上根号2倍的电流指令值，作为瞬时电流指令值，并将该瞬时电流指令值与电流传感器采样得到的相电流瞬时值作比例‑积分‑微分运算，得到输出电机的电流控制电压项；第六步，控制运算单元根据电机旋转频率，按照第一步中的感应电压‑频率曲线查表或计算得到电机的感应电压有效值，并乘上根号2倍的输入电流相位角瞬时值对应的正弦值，还需要根据当前输入电流相位角瞬时值查表得出此时的实测高次谐波电压成分，一并计入瞬时感应电压，得到瞬时感应电压；第七步，将电机的电流控制电压项与瞬时感应电压求和，得到全桥功率逆变电路的输出电压指令值；第八步，通过输出电压指令值与电压采样电路采样得到的直流母线电压的比例计算得到输出占空比，最后得到控制大功率开关器件的脉宽调制波信号，并传送至全桥功率逆变电路；整个控制流程按上述步骤，在预先设定的控制周期内，从第二步至第八步周而复始的进行，完成了单绕组直流无刷电机的正弦波电流驱动控制。