一種無刷直流電機(jī)的啟動(dòng)控制裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于無刷直流電機(jī)的控制技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是涉及一種無刷直流電機(jī)的啟動(dòng)控制裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]有刷直流電機(jī)由于機(jī)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(hù)困難等缺點(diǎn)，其控制性能難以保障，應(yīng)用場(chǎng)合也受到極大的限制。針對(duì)此問題，無刷直流電機(jī)(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(hù)簡單等顯著優(yōu)點(diǎn)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(jī)的啟動(dòng)方法主要有三段式啟動(dòng)法、脈沖注入轉(zhuǎn)子定位啟動(dòng)法和升頻升壓啟動(dòng)法等。
[0004](I)三段式啟動(dòng)法
[0005]三段式啟動(dòng)法包括三個(gè)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(gè)位置，實(shí)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(shì)將轉(zhuǎn)子直軸吸引過來，電機(jī)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(shí)增大換相頻率和直流側(cè)電壓。為加快啟動(dòng)過程，需要根據(jù)頻率、電壓與電機(jī)轉(zhuǎn)速間的對(duì)應(yīng)關(guān)系提前設(shè)定一條加速曲線。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到某個(gè)值時(shí)切換到正常運(yùn)行狀態(tài)，比如根據(jù)霍爾位置信號(hào)或反電勢(shì)過零點(diǎn)判斷轉(zhuǎn)子位置并進(jìn)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(dòng)法
[0007]脈沖注入轉(zhuǎn)子定位啟動(dòng)法也包括預(yù)定位、加速以及切換三個(gè)階段。無刷直流電機(jī)在各個(gè)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(dāng)幅值相等而方向不同的電壓矢量脈沖在相同時(shí)間內(nèi)作用在定子上，電壓脈沖結(jié)束時(shí)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(shí)，該方向的磁路最飽和，對(duì)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(dá)到最大。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，分別將兩兩導(dǎo)通六個(gè)電壓矢量施加到電機(jī)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(dòng)法相同。此法可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子初始位置的靜態(tài)檢測(cè)，但算法比較復(fù)雜O
[0008](3)升頻升壓啟動(dòng)法
[0009]此法是一種運(yùn)用硬件電路實(shí)現(xiàn)的啟動(dòng)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(shí)鐘信號(hào)，環(huán)形分配器的輸出作為晶體管開關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，因此換相頻率隨著電容電壓的升高而升高。與此同時(shí)，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(dòng)方法在加速過程都是按照電機(jī)轉(zhuǎn)向以及換相邏輯表依次進(jìn)行兩兩導(dǎo)通，形成的定子磁場(chǎng)軌跡在空間上呈非連續(xù)狀態(tài)，電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，電機(jī)在加速過程中的轉(zhuǎn)速不夠平穩(wěn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本實(shí)用新型正是針對(duì)【背景技術(shù)】中提出的啟動(dòng)方法所存在的技術(shù)問題，提供一種無刷直流電機(jī)的啟動(dòng)控制裝置，該裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙，操作方便，能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的快速穩(wěn)
定啟動(dòng)。
[0012]由于市面上絕大多數(shù)BLDC的反電勢(shì)并非是嚴(yán)格的120°梯形波，而且轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)一般大于I，這就使得BLDC的反電勢(shì)幾乎呈正弦波形狀，因此，該電機(jī)的啟動(dòng)控制裝置是基于磁場(chǎng)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(dòng)方式，首先通過功率管驅(qū)動(dòng)電路和逆變器產(chǎn)生幅值不變的恒向靜止定子磁場(chǎng)，實(shí)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(chǎng)，定子磁場(chǎng)軌跡在空間上呈連續(xù)狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子從預(yù)定位置開始加速再到恒速運(yùn)行。
[0013]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為，一種無刷直流電機(jī)的啟動(dòng)控制裝置，包括直流電壓源、功率管驅(qū)動(dòng)電路、三相橋式逆變器和啟動(dòng)控制器，所述啟動(dòng)控制器的輸出端連接功率管驅(qū)動(dòng)電路的輸入端，所述功率管驅(qū)動(dòng)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(jī)；所述啟動(dòng)控制器包括初始位置給定模塊、定位時(shí)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(shí)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(dòng)電路的輸入端。
[0014]作為本實(shí)用新型的一種改進(jìn)，所述功率管驅(qū)動(dòng)電路包括將啟動(dòng)控制器輸出的PWM信號(hào)轉(zhuǎn)變成能夠驅(qū)動(dòng)功率管的開關(guān)信號(hào)的IGBT/M0FET驅(qū)動(dòng)芯片，所述IGBT/M0FET驅(qū)動(dòng)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(dòng)芯片的輸入端連接所述啟動(dòng)控制器的輸出端。功率管驅(qū)動(dòng)電路的輸入量為啟動(dòng)控制器輸出的6路PWM弱電信號(hào)，通過該功率管驅(qū)動(dòng)電路將該6路PffM弱電信號(hào)放大為6路PffM強(qiáng)電信號(hào)，用以驅(qū)動(dòng)后級(jí)三相橋式逆變器的功率管。
[0015]作為本實(shí)用新型的一種改進(jìn)，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(gè)橋臂，每個(gè)橋臂上設(shè)有兩個(gè)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(gè)橋臂中位于同一橋臂上的兩個(gè)功率管之間各引出一條支路并分別連接到無刷直流電機(jī)的三相繞組接線端，所述直流電壓源的正負(fù)極分別連接至所述三相橋式逆變器的電源輸入端的正負(fù)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(dòng)電路輸出的6路PWM強(qiáng)電信號(hào)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(jī)的三相繞組，產(chǎn)生定子磁場(chǎng)以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
[0016]作為本實(shí)用新型的一種改進(jìn)，所述啟動(dòng)控制器采用單片機(jī)、DSP或FPGA之類的數(shù)字控制微處理器(簡稱“數(shù)字控制器”)實(shí)現(xiàn)。
[0017]作為本實(shí)用新型的一種改進(jìn)，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(shí)間單元和矢量切換點(diǎn)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(shí)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(shí)間單元和矢量切換點(diǎn)單元的輸入端，矢量作用時(shí)間單元的輸出端連接矢量切換點(diǎn)單元的輸入端。該模塊的功能是確定某個(gè)空間矢量扇區(qū)內(nèi)的定子磁場(chǎng)所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)電壓矢量以及零矢量的作用時(shí)間；實(shí)現(xiàn)方式是將給定的直軸電壓與交軸電壓轉(zhuǎn)變成三個(gè)比較器計(jì)數(shù)值，用以與所述PWM生產(chǎn)模塊中比較器的基準(zhǔn)值相比較來獲得高低電平，進(jìn)而構(gòu)成6路PffM開關(guān)信號(hào)。
[0018]作為本實(shí)用新型的一種改進(jìn)，所述PWM生成模塊包括時(shí)鐘控制單元、三角載波單元、死區(qū)時(shí)間設(shè)置單元以及PWM產(chǎn)生單元，所述矢量切換點(diǎn)單元的輸出端連接PWM產(chǎn)生單元的輸入端，所述時(shí)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(shí)間設(shè)置單元也與PWM產(chǎn)生單元相連，時(shí)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(hào)。
[0019]相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)如下，整個(gè)啟動(dòng)控制裝置采用“預(yù)定位+升壓恒頻+恒壓恒頻”啟動(dòng)方式，首先實(shí)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(chǎng)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子從預(yù)定位置開始加速再到恒速運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)啟動(dòng);整個(gè)控制裝置的結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)，成本低，可調(diào)性好，平穩(wěn)性高，實(shí)用性強(qiáng)，為高性能要求的無刷直流電機(jī)控制場(chǎng)合提供了有利支持。
【附圖說明】
[0020]圖1為本實(shí)用新型的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖。
[0021]圖2為本實(shí)用新型中三相橋式逆變器的結(jié)構(gòu)圖。
[0022]圖3為本實(shí)用新型中給定交軸電壓Vq與位置給定信號(hào)Θ的波形圖。
[0023]圖4為本實(shí)用新型中SVPffM模塊的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖。
[0024]圖5為本實(shí)用新型中PffM生成模塊的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖。
[0025]圖6為采用本實(shí)用新型的無刷直流電機(jī)的啟動(dòng)實(shí)現(xiàn)流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]為了加深對(duì)本實(shí)用新型的理解和認(rèn)識(shí)，下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述和介紹。
[0027]如圖1所示，一種無刷直流電機(jī)的啟動(dòng)控制裝置，包括直流電壓源、功率管驅(qū)動(dòng)電路、三相橋式逆變器和啟動(dòng)控制器。啟動(dòng)控制器的輸出端連接功率管驅(qū)動(dòng)電路的輸入端，功率管驅(qū)動(dòng)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(jī)。功率管驅(qū)動(dòng)電路的輸入量為6路PffM弱電信號(hào)，將之放大為6路PWM強(qiáng)電信號(hào)，用以驅(qū)動(dòng)后級(jí)三相橋式逆變器的功率管。