專利名稱：用于控制無刷直流電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于控制無刷直流電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)，更具體地說，涉及一種能使轉(zhuǎn)矩波動(dòng)為最小的系統(tǒng)。
各種類型的電動(dòng)機(jī)用作驅(qū)動(dòng)工業(yè)電氣裝置的設(shè)備，例如磁帶錄像機(jī)或彩色印刷裝置，又例如自動(dòng)機(jī)械與工具，諸如機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等。由于自動(dòng)化的需要，對(duì)這種電動(dòng)機(jī)的需求量正在迅速地增加。
電動(dòng)機(jī)一般被分為直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)。通常使用直流電動(dòng)機(jī)，因?yàn)槠淙菀妆豢刂?。但是，直流電?dòng)機(jī)的缺點(diǎn)是它需要定期地更換電刷。雖然交流電動(dòng)機(jī)不需要電刷，但它難于控制。因而，它還不能用于高精度的工業(yè)生產(chǎn)上。不過，由于微處理機(jī)和其它電子技術(shù)的發(fā)展，交流電動(dòng)機(jī)的控制技術(shù)也大大發(fā)展了，因而交流電動(dòng)機(jī)正在取代直流電動(dòng)機(jī)。
特別是無刷直流電動(dòng)機(jī)和同步交流電動(dòng)機(jī)已被廣泛地用于高精度的伺服系統(tǒng)中。交流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于生產(chǎn)成本低。但是由于交流電動(dòng)機(jī)難于控制，它們一般用于精度要求不高的自動(dòng)機(jī)械和工具以及工業(yè)電氣設(shè)備中。
首先參照

圖1說明無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。三相無刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)類似于同步交流電動(dòng)機(jī)。轉(zhuǎn)子13由具有P對(duì)磁極的永磁體構(gòu)成。在定子鐵芯12上繞有線圈11，并在其中通以三相電流。
當(dāng)永磁體的轉(zhuǎn)子13以速度D旋轉(zhuǎn)時(shí)，便產(chǎn)生磁通。磁通切割流過定子線圈11中的電流，從而根據(jù)安培定律(F＝I×B)，在定子鐵芯12和轉(zhuǎn)子13之間產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。圖1中轉(zhuǎn)子13中所示的箭頭代表磁通的方向。
第二，根據(jù)下面對(duì)三相無刷直流電動(dòng)機(jī)的假設(shè)，推導(dǎo)無刷直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)方程1)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在線性范圍內(nèi)并忽略磁滯損失。
2)轉(zhuǎn)子和定子之間的氣隙相對(duì)于轉(zhuǎn)子的半徑是均勻的。
3)每相中的互感為常數(shù)，與轉(zhuǎn)子位置無關(guān)。
因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)的相電壓是電阻壓降和磁通鏈的時(shí)間的導(dǎo)數(shù)之和，所以相電壓方程可以表示如下Vk=rkik+dλgkdt,k=1,2,3---(1)]]>其中Vk是輸入的相電壓，ik是相電流，λk是磁通。
一個(gè)相交鏈的磁通被分成由該相電流產(chǎn)生的磁通、由其它相電流產(chǎn)生的與該相相鏈的磁通以及由永磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的與該相相鏈的磁通，并且當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在線性范圍時(shí)(假定1)。磁通λk可從下式獲得λk=Σj=13Ljkij+λmk,k=1,2,3---(2)]]>其中Ljk是j相和k相之間的互感Lkk是自感 λmk是轉(zhuǎn)子和k相之間交鏈的磁通量。
把方程(2)代入方程(1)，得Vk=rkik+Σj=13Ljkdijdt+dλmkdθ+dθdt,k=1,2,3---(3)]]>其中θ是轉(zhuǎn)子的位置。
方程(3)右邊的最后一項(xiàng)相應(yīng)于電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢，并等于轉(zhuǎn)子的速度乘以轉(zhuǎn)子在定子上所交鏈的磁通對(duì)位置θ的導(dǎo)數(shù)。因而，加于電動(dòng)機(jī)上的大部分電壓被反電勢抵消了，在高速下反電勢大，因而難于控制獲得預(yù)先確定的電流，因此也不能獲得需要的轉(zhuǎn)矩。
按照條件(3)可以定義rk＝R，k＝1、2、3Ljk＝M， j≠kIkk＝Lsk＝1、2、3dθdt=ω,Ls-M=L---(4)]]>轉(zhuǎn)子在定子上交鏈的磁鏈對(duì)位置θ的導(dǎo)數(shù)是電動(dòng)機(jī)的特征函數(shù)，并且因?yàn)楦飨嘀g具有 的相位差，于是可以獲得dλm1θdθ=g(θ)]]>dλm2θdθ=g(θ-2/3π)]]>dλm3θdθ=g(θ+2/3π)---(5)]]>因?yàn)槿喑蔣連接，三相的電流之和為零i1+i2+i3＝0………(6)根據(jù)條件(3)、(4)、(5)和(6)可以獲得下述方程(7)v1=r1+L11di1dt+L21di2dt+L31di3dt+dλm1(θ)dθdθdt]]>=Ri1+Lsdi1dt+M(di2dt+di3dt)+g(θ)ω]]>=Ri1+(Ls-M)di1dt+g(θ)ω]]>=Ri1+Ldi1dt+g(θ)ω---(7)]]>方程(7)對(duì)于三相可以表示如下Ldi1dt=-Ri1-g(θ)ω+V1]]>Ldi1dt=-Ri1-g(θ)ω+V1]]>Ldi2dt=-Ri2-g(θ-23π)ω+V2]]>Ldi3dt=-Ri3-g(θ+23π)ω+V3---(8)]]>引入同能量概念計(jì)算由一相產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩Wc(ik,θ)=12ik2Lkk+12Σj=13ijikLjk+ikλmk---(9)]]>Tk=∂Wc(ik,θ)∂θ]]>=12ik2dLkkdθ+12Σj=13ijikdLjkdθ+ikdλmkdθ]]>=ikdλmkdθ---(10)]]>參見方程(10)，由一相產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是電動(dòng)機(jī)的特征函數(shù)g(θ)和該相電流的乘積。因?yàn)槿哭D(zhuǎn)矩T為T1、T2和T3之和，根據(jù)方程(5)和(10)可得方程(11)T＝T1+T2+T3=g(θ)i1+g(θ-23π)i2+g(θ+23π)i3---(11)]]>方程(11)中的g(θ)是特征函數(shù)，并可以具有梯形或正弦形或準(zhǔn)正弦形的波形。因而，根據(jù)g(θ)的波形，用戶應(yīng)該獲得合適的電流指令來產(chǎn)生所需的轉(zhuǎn)矩，并借助于調(diào)節(jié)相電壓使實(shí)際的電流跟隨電流指令，因?yàn)閷?shí)際電流受方程(8)所示的動(dòng)態(tài)方程的控制。參見方程(11)，轉(zhuǎn)矩被表示成θ的函數(shù)，并且電流指令也應(yīng)當(dāng)是θ的函數(shù)，以便獲得不含θ的轉(zhuǎn)矩。
機(jī)械部分的動(dòng)態(tài)方程由方程(12)表示，其中J相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、B為電動(dòng)機(jī)的摩擦系數(shù)Jdωdt+B=T-TLω---(12)]]>第三，根據(jù)方程(8)和(11)得到的無刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械模型如圖2所示。
第四，用來控制常規(guī)無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩的方法--推導(dǎo)使轉(zhuǎn)矩波動(dòng)最小的電流指令的方法如下無刷直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)方程如下Ldi1dt=-Ri1-g(θ)ω+V1---(13)]]>Ldi2dt=-Ri2-g(θ-23π)ω+V2---(14)]]>Ldi3dt=-Ri3-g(θ+23π)ω+V3---(15)]]>T=g(θ)i1+g(θ-23π)i2+g(θ+23π)i3---(16)]]>由方程(16)可見，轉(zhuǎn)矩是θ和電流的函數(shù)。因?yàn)間(θ)一項(xiàng)是電動(dòng)機(jī)的特征函數(shù)，所以應(yīng)當(dāng)控制相電流以便產(chǎn)生所需的轉(zhuǎn)矩。
為了象一般直流電動(dòng)機(jī)那樣使相電流正比于轉(zhuǎn)矩，用戶應(yīng)當(dāng)在假定根據(jù)電流控制器的操作，使實(shí)際電流完全跟隨電流指令的條件下獲得不含θ的轉(zhuǎn)矩的電流指令。
方程(17)可以獲得使轉(zhuǎn)矩正比于電流的電流指令。其中，iM*(t)是由速度控制器產(chǎn)生的電流指令，fk(θ)是使轉(zhuǎn)矩不含θ的電流指令的波形，轉(zhuǎn)矩不含θ即沒有波動(dòng)。
i1*(iM*，θ)＝iM*(t)f1(θ)i2*(iM*，θ)＝iM*(t)f2(θ)i3*(iM*，θ)＝iM*(t)f3(θ)………(17)如果根據(jù)電流控制器的操作，按方程(13)、(14)和(15)控制的相電流完全跟隨方程(17)所示的電流指令，則把方程(17)代入方程(16)便可得到轉(zhuǎn)矩。T(iM*,θ)=iM*[f1(θ)g(θ)+f2(θ)g(θ-23π)]]>+f3(θ)g(θ+23π)]---(18)]]>如果滿足方程(19)，就不會(huì)存在轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)矩正比于電流，轉(zhuǎn)矩只是iM*的函數(shù)的緣故。f1(θ)g(θ)+f2(θ)g(θ-23π)f3(θ)g(θ+23π)]=k---(19)]]>那么，將得到滿足方程(19)的對(duì)于g(θ)的fk(θ)。如果g(θ)有梯形波形，它就具有近似線性區(qū)域的部分。當(dāng)在線性部分電流指令為零在恒定部分為常數(shù)時(shí)，就不存在轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。 最后，滿足方程(19)的fk(θ)可以表示成方程(21)，并有如圖3所示的球形波形。 f2(θ)=f1(θ-23π)]]>f3(θ)=f1(θ+23π)---(21)]]>那么，f1(θ)g(θ)+f2(θ)g(θ-23π)f3(θ)g(θ+23π)=2M---(22)]]>當(dāng)實(shí)際電流完全跟隨球面波形的電流指令時(shí)，轉(zhuǎn)矩就正比于iM*(t)。
T＝2MiM*(t)………(23)韓國已審查的No.93-4030名稱為“用于改進(jìn)無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的方法”
公開日為1994年5月19日的申請(qǐng)中提出了克服無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的方法。
在上述申請(qǐng)中，提出了一種允許在通/斷點(diǎn)稍微傾斜的線性電壓的驅(qū)動(dòng)方法。上述申請(qǐng)的目的是為了解決常規(guī)的恒流驅(qū)動(dòng)方法中存在的問題和缺點(diǎn)，使得可以流過最佳電流，從而改變轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。這借助于控制電熱敏感角和在通/斷時(shí)刻的傾斜來實(shí)現(xiàn)。即控制逆變端的有源放大器的轉(zhuǎn)換速度，使得在線性電壓驅(qū)動(dòng)方法中電流最小并且轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小之后，盡可能使平均轉(zhuǎn)矩最大。
但是，上述申請(qǐng)旨在使輸出電流諧波最小，并沒有清楚地披露輸出電流和輸出轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。
因?yàn)檩敵鲛D(zhuǎn)矩是反電勢和輸出電流的乘積，即使輸出電流的諧波被減小也不能消除轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。對(duì)反電勢的波形作某種限制才能消除脈動(dòng)。
此外，在上述申請(qǐng)的公開中，控制逆變端的放大器的轉(zhuǎn)換速率來提供電流指令的方法是近似的。需要一種更精確的控制電流的方法。
一種常規(guī)的控制轉(zhuǎn)矩和反相器的電路如圖4所示。
參見圖5，在兩相中每 的范圍流過電流iM*，-iM*，并且在第三相不流通電流。因而，在每一線中最好均勻地流過大小為iM*的電流。
例如，從相a到0和 相位之間的每線之間的電流為iM*。在相C中的電流指令為零，并且最好使線路斷開而不去控制相C中的電流指令。
轉(zhuǎn)矩控制電路和反相器電路中的每個(gè)單元的功能如下1)靜止器(derotator)根據(jù)轉(zhuǎn)子位置流通三相中一相的電流。
2)誤差放大器放大電流誤差信號(hào)。
3)PWM放大器把放大的誤差信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈寬調(diào)制信號(hào)。
4)旋轉(zhuǎn)器(rotator)向由PWM信號(hào)控制的兩相的每線之間提供BUS電壓和-BUS電壓，并切斷第三相的線路。
5)換向邏輯接收關(guān)于轉(zhuǎn)子位置的信息并選擇要被控制的兩相。
使用高增益控制器作為電流控制器，圖7是說明包括位置和速度控制器的用來控制無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的方塊圖。
當(dāng)反電勢g(θ)ω被忽略時(shí)，i1*和i1之間的傳遞函數(shù)如下I1*(S)I1(S)=KLs+R+K---(24)]]>那么，控制環(huán)的帶寬成為(R+K)/L。，但是，由于電流指令i1*具有球面波形并具有無限的頻率分量，K應(yīng)當(dāng)是無限的，以便使i1跟隨i1*。不過，無限大的K是不可能的。實(shí)際電流如圖6所示，由于電流控制誤差，使得每轉(zhuǎn)內(nèi)產(chǎn)生6次轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。
因?yàn)榉措妱輌(θ)ω變大并且由于由控制電流的輸入電壓V1的偏移電壓加到電動(dòng)機(jī)上，控制電流效率被減小，當(dāng)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的頻率就變高。
因?yàn)槊哭D(zhuǎn)內(nèi)產(chǎn)生6次轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，便可以用傅氏級(jí)數(shù)展開，如方程(25)所示T(θt)=Σn=1∞T6nCos(6θt)---(25)]]>因?yàn)槊}動(dòng)頻率變高并經(jīng)低通濾波器濾波，由于電機(jī)的慣性，當(dāng)在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，問題不大。但是，因?yàn)槊}動(dòng)頻率表現(xiàn)為速度的波動(dòng)，當(dāng)在低速旋轉(zhuǎn)時(shí)，就存在速度控制不精確的問題。
因?yàn)殡娏髦噶钍乔蛎娌ǎ且环N不連續(xù)的函數(shù)，實(shí)際電流就不會(huì)緊跟電流指令。因而在一般的轉(zhuǎn)矩控制方法中產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
因此，需要提供一種能克服常規(guī)裝置存在的問題和缺點(diǎn)的無刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)。
為解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種控制無刷直流電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)。
本發(fā)明所提供的一種用于控制無刷直流電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)，包括產(chǎn)生電流指令信號(hào)的裝置，借助于放大從相應(yīng)于電流指令的幅值的位置信息中選取的代表電流指令波形的數(shù)據(jù)來產(chǎn)生電流指令；以及用來控制電動(dòng)機(jī)中實(shí)際電流的裝置，以比例積分微分方式進(jìn)行控制，使其跟隨由所述控制裝置產(chǎn)生的電流指令信號(hào)，并根據(jù)該電流指令信號(hào)產(chǎn)生通/斷信號(hào)；以及借助于實(shí)際電流控制裝置產(chǎn)生的信號(hào)，控制開關(guān)元件通/斷的裝置；并由電源裝置向三相線圈提供所需電流。
本發(fā)明的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)以實(shí)施例并結(jié)合附圖在下面進(jìn)行詳細(xì)說明。
附圖簡要說明圖1是常規(guī)無刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)截面圖。
圖2是說明無刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型的方框圖。
圖3是無刷直流電動(dòng)機(jī)中梯形反電勢的電流波形圖。
圖4是用于控制無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的電流控制電路和反相電路的電路圖。
圖5是控制無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩電路中電流波形圖。
圖6是無刷直流電動(dòng)機(jī)的實(shí)際電流指令和轉(zhuǎn)矩波形的波形圖。
圖7是控制無刷直流電動(dòng)機(jī)位置和速度控制器的系統(tǒng)方框圖。
圖8是無刷直流電動(dòng)機(jī)電流控制型脈寬調(diào)制方法中反相器的電路圖。
圖9是根據(jù)無刷直流電動(dòng)機(jī)電流控制型脈寬調(diào)制中施加到反相器的電流電壓復(fù)平面矢量圖。
圖10是用鋸齒波比較方法產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)原理的方框圖和波形圖。
圖11是用于無刷直流電動(dòng)機(jī)鋸齒波比較方法中的電流控制器方框圖。
圖12是用于無刷直流電動(dòng)機(jī)中遲滯方法的電流控制器的方框圖。
圖13是當(dāng)電流被完全控制時(shí)無刷直流電動(dòng)機(jī)的位置和速度控制器的方框圖。
圖14是按照本發(fā)明的最佳實(shí)施例控制無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的示意性電路圖。
圖15是圖14系統(tǒng)中的電流測量電路的詳細(xì)電路圖。
圖16是圖14的系統(tǒng)中的PID控制器的詳細(xì)電路圖。
圖17是圖14系統(tǒng)中停滯期發(fā)生器的詳細(xì)電路圖。
圖18是圖14系統(tǒng)中門驅(qū)動(dòng)電路的詳細(xì)電路圖。
圖19是圖14系統(tǒng)中電流指令發(fā)生器的詳細(xì)電路圖。
在按照本發(fā)明最佳實(shí)施例對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行的控制中，在假定實(shí)際電流緊密地跟隨指令電流的條件下，使用傅氏級(jí)數(shù)得到的電流指令是連續(xù)函數(shù)并能使脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩最小。T=g(θ)i1+g(θ-23π)·i2+g(θ+23π)·i3---(101)]]>
假定電動(dòng)機(jī)定子的繞組形式彼此對(duì)稱，并且轉(zhuǎn)子磁通對(duì)極軸對(duì)稱分布。
一般地，假定如下因?yàn)間(θ)是以2ω為周期的周期函數(shù)，它就可以對(duì)θ用傅氏級(jí)數(shù)展開，并且因g(θ)是奇函數(shù)，則不存在Cos項(xiàng)。按照這一假定，每個(gè)偶數(shù)的諧波項(xiàng)不存在。
g(θ)＝E1Sinθ+E3Sin3θ+E5Sin7θ+…… ……(102)因?yàn)殡娏髦噶钜彩侵芷诤瘮?shù)，所以也可以用傅氏級(jí)數(shù)展開。并且因?yàn)槿嚯娏髦蜑榱?，則不存在Sin(3nθ)項(xiàng)。
i1*＝iM*f1(θ)＝i1*(I1Sinθ+I5Sin5 θ+I7Sin7θ+I11Sin11θ……)………(103)如果方程(102)和方程(103)相乘，則對(duì)于一相的轉(zhuǎn)矩T1＝g(θ)i1*＝iM*(P0+P2Cos2θ+P4Cos4θ+P6Cos6θ+……)………(104)對(duì)于另外相T2=g(θ-23π)i1*(θ-23π)---(105)]]>T3=g(θ+23π)i1*(θ+23π)---(106)]]>當(dāng)把方程(104)、(105)和(106)相加時(shí)，則只存在6的倍數(shù)的諧波項(xiàng)T＝T1+T2+T3＝T0+T6CoS6θ+P4Cos4θ+T12Cos12θ+…………(107)其中T0＝1.5iM*[E1I1+E5I5+E7I7+E11I11+……]T6＝1.5iM*[I1(E7-E5)+I5(E11-E1)+I7(E1-E13)+I11(E5-E7)+……]T12＝1.5iM*[I1(E13-E11)+I5(E17-E7)+I7(E19-E5)+I11(E23-E1)+……]T18＝1.5iM*[I1(E19-E17)+I5(E23-E13)+I7(E25+E11)+I11(E29-E7)+……]T24＝1.5iM*[I1(E25-E23)+I5(E29-E19)+I7(E31+E17)+I11(E35-E13)+……]忽略方程(102)中E15以上的項(xiàng)，獲得使T0和T12的項(xiàng)為零的I5和I7(E11-E1)I5+(E1+E13)I7＝(E5-E7)I1………(108)E7I5+E5I7＝(E13-E11)I1………(109)解方程(108)、(109)，I5=I1[E5(E5-E7)-(E1+E13)(E13-E11)][E5(E11-E1)-E7(E1+E13)]---(110)]]>I7=I1[E7(E5-E7)-(E11+E1)(E13-E11)][E7(E1+E13)-E5(E11-E1)]---(111)]]>定義G5=[E5(E5-E7)-(E1+E13)(E13-E11)][E5(E11-E1)-E7(E1+E13)]---(112)]]>G7=[E7(E5-E7)-(E11+E1)(E13-E11)][E7(E1+E13)-E5(E11+E1)]---(113)]]>消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)T6和T12的最后的電流指令如方程(114)i1*＝i1*I1(Sinθ+G5Sin5θ+G7Sin7θ)………(114)消除脈動(dòng)后的轉(zhuǎn)矩為T＝1.51iM*I1(E1+E5G5+E7G7)+T18Cos18θ+T24Cos24θ+……)………(115)在方程(115)中，因?yàn)門18和T24項(xiàng)具有由低通濾波器按總慣量濾出了足夠高的頻率，所以便沒有波動(dòng)問題存在。
圖8是具有三相無刷直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載的電流控制脈寬調(diào)制型反相器的基本電路圖。由于功率晶體管的太大的功率消耗，為給電動(dòng)機(jī)在線性區(qū)域提供電流，用功率放大器進(jìn)行操作并不是最佳的。將功率晶體管工作在開關(guān)區(qū)域，以便減少功率損耗，從而使功率損失減至最小。被稱作脈寬調(diào)制逆變方法。
每相的電流指令按順序與實(shí)際電流進(jìn)行比較，并通過電流控制器產(chǎn)生晶體管的操作信號(hào)。由圖8可見，所提供的電流指令矢量是i*，實(shí)際跟隨電流為i，并且電流電壓分量在如圖9所示的復(fù)平面上表示。此時(shí)，可按方程116獲得電流的誤差矢量△iΔi＝i*-i………(116)因而，使用輸出電壓矢量V1到V8，便可使實(shí)際電流矢量i跟隨電流指令矢量i*，從而電流得到控制。
圖9是電流矢量以及在復(fù)平面上三個(gè)相座標(biāo)軸的圖。
每個(gè)相的電流誤差Δia、Δib、Δic由電流誤差矢量Δi在每相上的投影表示。同時(shí)，選擇具有方程116中的Δi的值為零的PWM反相器的輸出矢量，使得實(shí)際電流跟隨電流指令。但是，因?yàn)閷?shí)際輸出信號(hào)是離散地產(chǎn)生的，便不可能使Δ值為零。因此，確定電流誤差矢量的某一允許范圍，并選擇電壓矢量，使電流誤差矢量處在允許的范圍內(nèi)。
選擇電壓矢量的方法，也就是控制電流的方法一般分成遲滯控制法和鋸齒波比較法。
在鋸齒波比較法中，電流誤差信號(hào)與鋸齒波比較，并產(chǎn)生PWM信號(hào)。高增益控制器就是鋸齒波比較法中的一種，其原理如下參見圖10，電流誤差信號(hào)為常數(shù)E，加在電動(dòng)機(jī)上的電壓Va(t)是具有恒定頻率鋸齒波的周期函數(shù)。如果Va(t)展開傅氏級(jí)數(shù)，則如方程117所示Va(t)=A0/2+Σn=1∞(AnCos2nπt/T+BnSin2nπt/T)---(117)]]>其中A0=2/T∫0TVa(t)dt=2BE/Bc=2/T∫0TVa(t)Cos2nπt/Tdt]]>=2BnπSin{nπ(E/Bc+1)}]]>當(dāng)鋸齒波的頻率(1/T＝f)設(shè)置得比電動(dòng)機(jī)的時(shí)間常數(shù)足夠大時(shí)，并且由電動(dòng)機(jī)除去高頻分量，鋸齒波比較方法的傳遞函數(shù)如(118)式所示Va(t)e(t)=BBc---(118)]]>因而，當(dāng)B足夠大時(shí)，就成為高增益控制器。
產(chǎn)生一個(gè)大于開關(guān)元件截止時(shí)間的停滯期以便阻止同一相的兩個(gè)開關(guān)元件同時(shí)導(dǎo)通，并且考慮到當(dāng)輸入比較器時(shí)所產(chǎn)生的噪聲來設(shè)定遲滯寬度。圖11是實(shí)際使用的鋸齒波比較法的方框圖。
參見圖12，在遲滯方法中，電流誤差信號(hào)不與鋸齒波比較，而是直接送入比較器，然而產(chǎn)生PWM信號(hào)。遲滯方法比在實(shí)施例中的鋸齒波比較法容易，并且遲滯法中的實(shí)際電流不同于鋸齒波比較法中的電流，能更好地跟隨電流指令。
但是，開關(guān)頻率不是常數(shù)，因而產(chǎn)生許多噪聲。同樣，在鋸齒波比較法中，由于在比較器中設(shè)定遲滯停滯期發(fā)生器的遲滯寬度，實(shí)際電流具有波動(dòng)。因?yàn)檫@種波動(dòng)頻率高，就假定這種波動(dòng)可由電動(dòng)機(jī)的時(shí)間常數(shù)容易地消除。
因而，電動(dòng)機(jī)的響應(yīng)速度變快，并且速度控制也較容易。
參見圖13，用于控制無刷直流電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)可以不考慮電動(dòng)機(jī)的電阻和電感而進(jìn)行說明，當(dāng)上述的遲滯電流控制器被加于三相a、b和c時(shí)，那么，整個(gè)系統(tǒng)則成為一個(gè)線性系統(tǒng)，使用戶可以容易進(jìn)行分析。
參見圖14，控制無刷直流電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)包括電流指令發(fā)生器14，電流控制器15，反相電路16，三相線圈17，以及電源裝置18電流控制器15包括電流測量電路151，比例積分微分控制器153，停滯期發(fā)生器155以及門驅(qū)動(dòng)器157。
三相分別用a、b和c以及u、v和w表示。
參見圖19，電流指令發(fā)生器14用來根據(jù)位置信息θ產(chǎn)生u相和w相的電流指令I(lǐng)u*、Iw*。用于電流指令波形的數(shù)據(jù)以圖形方法存儲(chǔ)在ROM 141、142中。當(dāng)輸入位置信息θ時(shí)，則從ROM 141中產(chǎn)生f(θ)的數(shù)據(jù)和 的數(shù)據(jù)。
從ROM 141、142中產(chǎn)生的電流指令波形數(shù)據(jù)f(θ)、 由多個(gè)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器143、144轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，并被轉(zhuǎn)矩指令I(lǐng)*乘，轉(zhuǎn)矩指令I(lǐng)*相應(yīng)于運(yùn)算放大器145、146的電流指令的大小，從而產(chǎn)生相電流指令。和多個(gè)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器143、144的輸出端相連的運(yùn)算放大器147、148用來獲得雙極性信號(hào)。
從運(yùn)算放大器147、148產(chǎn)生的相電流指令I(lǐng)u*和Iw*送入圖14所示的電流控制器15中的PID控制器153。
參照?qǐng)D15說明電流測量電路151的操作。電流測量電路151測量電動(dòng)機(jī)u相和w相中實(shí)際流過的電流。電流測量電路151包括電流傳感器1510、1512，以及具有運(yùn)算放大器1514、1516、電阻R、R1、R2和電容C、C1、C2的低通濾波器。
電流傳感器1510、1512用來檢測電動(dòng)機(jī)u相和w相中流過的電流的大小。被檢測出的電流中的低頻噪聲可以用低通濾波器除去，低通濾波器具有運(yùn)算放大器1514、1516，電阻R、R1、R2和電容C、C1、C2。
通過合適地選擇低通濾波器中的電阻R42和電容C40，或電阻R45和電容C41的元件值，可以控制通頻帶的帶寬。
圖16是PID控制器153的詳細(xì)電路圖?？刂破?53接收電流測量電路151的輸出信號(hào)Iuf、Iuw和電流指令發(fā)生器14的輸出信號(hào)Iu*、Iw*。PID控制器153在收到u和w相的電流指令I(lǐng)u*、Iw*以及電流反饋Iuf、Iwf之后，產(chǎn)生三相輸出脈沖u、v和w。V相可以由u和w相的電流指令I(lǐng)u*、Iw*和電流反饋Iuf、Iwf通過使用運(yùn)算放大器1532合成。
運(yùn)算放大器1531、1533、1536的增益值可以通過合適地選擇電阻R141、R142和電容C141，或電阻R143、R144和電容C142，或電阻R145、R146和電容C143的元件值進(jìn)行調(diào)整。運(yùn)算放大器1531用于u相，運(yùn)算放大器1536用于v相，運(yùn)算放大器1533用于w相。輸入信號(hào)由運(yùn)算放大器1531、153 3、1536進(jìn)行比例積分和微分運(yùn)算。
由運(yùn)算放大器1531、1533、1536產(chǎn)生的電壓輸入作為比較器的運(yùn)算放大器1534、1535、1537，從而產(chǎn)生并變換電壓的脈沖寬度。鋸齒波作為參考電壓加到運(yùn)算放大器1534、1535、1537的非反相輸入端。
作為比較器的運(yùn)算放大器1534、1535、1537的輸出電壓u、v、w輸入到停滯期發(fā)生器155。
圖17是停滯期發(fā)生器155的詳細(xì)電路圖。由PID控制器153中的運(yùn)算放大器1534、1535、1537產(chǎn)生的脈寬調(diào)制互相輸出信號(hào)，停滯期發(fā)生器155用來產(chǎn)生反相器電路16中功率晶體管的實(shí)際的通/斷信號(hào)。停滯期發(fā)生器155產(chǎn)生一停滯時(shí)間，從而避免在一相中的功率晶體管的上端和下端同時(shí)通/斷。
停滯時(shí)間通過組合電阻RA1和電容C51到C56的元件值產(chǎn)生，并且停滯時(shí)間的大小是
td≈RA1×C51即當(dāng)信號(hào)通過放大器1551、1553、1555或反相器1552、1554、1556輸入到停滯期發(fā)生器155之后，由電阻RA1和電容C51到C56形成停滯時(shí)間。該信號(hào)在通過反相器1557到1562之后，輸入到連接器1563，并被輸入到門驅(qū)動(dòng)電路157。
圖18是接收連接器1563輸出信號(hào)的門驅(qū)動(dòng)電路157的詳細(xì)電路圖。門驅(qū)動(dòng)電路157控制從停滯期發(fā)生器155接收到的功率晶體管的通/斷信號(hào)，把該信號(hào)加到圖12所示的反相器電路16中功率晶體管Q1到Q6的基極上。
這就是說，由停滯期發(fā)生器155的連接器產(chǎn)生的信號(hào)由具有內(nèi)接放大器的光耦合器1571到1576進(jìn)行處理，通過和光耦合器1571到1576相連的電阻R161到R166施加到反相器電路16中的功率晶體管Q1到Q6的基極端。在本發(fā)明的最后實(shí)施例中，HCPL 3101用作含有內(nèi)接放大器的光耦合器1571到1576，但本發(fā)明的技術(shù)范圍并不限于此。
反相器電路16中的晶體管Q1到Q6的基極端的通/斷速度可以通過合適地選擇與門驅(qū)動(dòng)電路157的輸出端相連的電阻R161到R166的元件值進(jìn)行控制。此外，加在與光耦合器1571到1576相連的電容器C161到C166上的功率P1到P4以及N到N4用來產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)晶體管Q1到Q6的基極端的電壓電平。
門驅(qū)動(dòng)電路157的每個(gè)輸出信號(hào)A+、A-、B+、B-、C+和C-被加到反相電路16中功率晶體管Q1到Q6的每個(gè)基極端，電源裝置18的電壓按照每一功率晶體管Q1到Q6的通/斷操作加到三相線圈上。
按照功率晶體管Q1到Q6的通/斷定時(shí)，加到三相線圈17的電流被改變，從而可以使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為最小。
按照本發(fā)明的原理，可以使轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減到最小，從而可以減小電動(dòng)機(jī)和負(fù)載裝置的微小振動(dòng)。此外，在提高速度指令之后，可以實(shí)現(xiàn)更精確的速度控制，提高電動(dòng)機(jī)的跟隨效果。
顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明的方法的范圍內(nèi)可以作出各種改型和改變而不脫離本發(fā)明的構(gòu)思。因而，本發(fā)明的保護(hù)范圍指在包括權(quán)利要求范圍內(nèi)的本發(fā)明的各種改型和變化及其等效替換。
權(quán)利要求
1.一種用于控制無刷直流電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)，其特征在于，包括第一裝置，用于放大從相應(yīng)于電流指令幅值的位置信息中選取代表電流指令信號(hào)的波形數(shù)據(jù)以便產(chǎn)生電流指令信號(hào)；第二裝置，用于以比例積分微分方式控制電動(dòng)機(jī)中的實(shí)際電流以便跟隨由所述第一裝置產(chǎn)生的電流指令信號(hào)，并產(chǎn)生按照電流指令通/斷的信號(hào)；以及第三裝置，通過由所述第二裝置產(chǎn)生的信號(hào)控制被通/斷的開關(guān)元件，從而控制由電源裝置加到三相線圈的所需的電流量。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，其中所述第二裝置包括用以存儲(chǔ)代表電流指令波形信息的ROM；用以從所述ROM中產(chǎn)生的代表電流指令波形的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的裝置；用以將所述轉(zhuǎn)換裝置產(chǎn)生的代表電流指令信號(hào)波形的數(shù)據(jù)乘以電流指令幅值的裝置；以及用以將來自所述乘法裝置中的信號(hào)放大為雙極性電平的裝置。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，其中所述第二裝置包括用以檢測實(shí)際上通過電動(dòng)機(jī)三相線圈的電流值的裝置；用以比例積分微分方式控制三相線圈中的電流，使其跟隨由所述第一裝置產(chǎn)生的電流指令信號(hào)的裝置；用以對(duì)檢測裝置的輸出信號(hào)形成停滯時(shí)間的裝置，從而使在所述第三裝置一相中的功率晶體管的上端和下端不同時(shí)導(dǎo)通；以及用于增強(qiáng)所述形成裝置產(chǎn)生的輸出信號(hào)使其達(dá)到供給所述功率晶體管的基極端的電壓電平的裝置。
4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，其中所述檢測裝置包括用以檢測電動(dòng)機(jī)u相和w相中的電流值的第11裝置；以及用以消除從電動(dòng)機(jī)u相和w相電流的低頻范圍內(nèi)被檢測出的噪聲的裝置。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，其中所述低頻噪聲的帶寬可以通過改變所述噪聲消除裝置的電阻電容的元件值來改變。
6.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，其中所述控制電流流動(dòng)的裝置包括用于綜合u相和w相的電流指令信號(hào)和電流反饋信號(hào)，從而得到v相電流指令信號(hào)的裝置；用于對(duì)每相的電流指令信號(hào)進(jìn)行比例積分微分運(yùn)算的裝置；以及用于從所述每相電流指令信號(hào)的比例積分微分中產(chǎn)生的輸出信號(hào)與一鋸齒波進(jìn)行比較，以產(chǎn)生調(diào)制脈沖寬度通/斷信號(hào)的裝置。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，其中所述電流指令信號(hào)微分的增益可以通過合適地選擇所述產(chǎn)生裝置中的電阻電容元件值進(jìn)行控制。
8.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，其中所述停滯時(shí)間形成裝置通過組合所述停滯時(shí)間形成裝置中的電阻電容的元件值來設(shè)定停滯時(shí)間。
9.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，其中所述增強(qiáng)裝置包括用于處理所述增強(qiáng)裝置的輸出信號(hào)的內(nèi)接放大器；用于對(duì)所述處理裝置提供電壓，使得被增強(qiáng)達(dá)到驅(qū)動(dòng)功率晶體管基極電平的裝置；以及用于從所述處理裝置的輸出信號(hào)送到功率晶體管基極端的裝置。
全文摘要
控制無刷直流電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)，包括電流指令發(fā)生器，用以放大從相應(yīng)于電流指令大小的位置信息中選取的電流指令信號(hào)的波形來產(chǎn)生電流指令信號(hào)；電流控制器，用于控制電動(dòng)機(jī)中的實(shí)際電流，使得按照比例積分微分方法跟隨電流指令發(fā)生器產(chǎn)生的電流指令信號(hào)，并由電流指令產(chǎn)生通/斷信號(hào)；以及反相器電路，通過電流控制器產(chǎn)生的信號(hào)控制被控制的開關(guān)元件的通/斷，從而控制由電源裝置加于三相線圈的所需的電流值。
文檔編號(hào)H02P6/00GK1120264SQ95101609
公開日1996年4月10日 申請(qǐng)日期1995年1月28日 優(yōu)先權(quán)日1994年5月31日
發(fā)明者尹勝重 申請(qǐng)人:三星航空產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社