一种无刷直流电机交替单斩PWM调制方法及其教学应用

摘要

本发明涉及一种无刷直流电机交替单斩PWM调制方法及其教学应用，该方法对于无刷直流电机的换相电路，每间隔360°电角度周期对上桥臂开关管和下桥臂开关管进行交替单斩；在前一周期，上桥臂开关管进行PWM斩波，下桥臂开关管恒通，而在下一周期，上桥臂开关管恒通，下桥臂开关管进行PWM斩波，如此反复交替。将该方法应用于无刷直流电机调速教学实验，可以减小无刷直流电机的换相电路中上、下桥臂开关管的损耗及发热，从而减小开关管的损坏率。

说明书

技术领域

本发明涉及脉宽调制技术领域，具体涉及一种无刷直流电机交替单斩PWM调制方法及其教学应用。

背景技术

在无刷直流电机（brushless DC motor，BLDCM）脉宽调制（pulse widthmodulation，PWM）调速教学实验中，当采用三相六状态120°两两导通方式及HPWM-LPWM双斩调制方法时，虽然换相电路上下管损耗及发热均衡，但因上下管都处于PWM斩波状态，损耗及发热都较严重，损坏率都大，使得实验过程中上下管都需频繁修换。

而若采用HPWM-LON单斩调制方法时，上管处于PWM斩波状态、下管处于恒通状态，因此只能减小下管的损耗及发热，改善下管的频繁修换问题；但上管的损耗及发热仍然不变，上管的频繁修换问题没有得到改善。若采用HON-LPWM另一种单斩调制方法时，情况类似，只不过变为仍需频繁修换下管。若采用PWM-ON、ON-PWM或二者结合的PWM-ON-PWM调制方法时，虽可以解决上述问题，但是这三种方法控制复杂，且PWM-ON-PWM方法需要再多增加位置传感器或设计特殊的换相信号检测方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无刷直流电机交替单斩PWM调制方法及其教学应用，该方法可以减小无刷直流电机的换相电路中上、下桥臂开关管的损耗及发热，从而减小开关管的损坏率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种无刷直流电机交替单斩PWM调制方法，对于无刷直流电机的换相电路，每间隔360°电角度周期对上桥臂开关管和下桥臂开关管进行交替单斩；在前一周期，上桥臂开关管进行PWM斩波，下桥臂开关管恒通，而在下一周期，上桥臂开关管恒通，下桥臂开关管进行PWM斩波，如此反复交替。

进一步地，所述无刷直流电机的换相电路为三相桥式逆变电路，包括上桥臂开关管T1、T3、T5和下桥臂开关管T2、T4、T6，当其采用三相六状态120°两两导通方式时，每隔60°电角度换相一次，每个开关管连续导通或连续PWM斩波120°电角度，开关管的导通顺序为：T1、T4—>T1、T6—>T3、T6—>T3、T2—>T5、T2—>T5、T4。

进一步地，将该方法应用于无刷直流电机调速教学实验，以减小无刷直流电机的换相电路中上、下桥臂开关管的损耗及发热，从而减小开关管的损坏率。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：提供了一种无刷直流电机的新型交替单斩PWM调制方法及其教学应用，该方法通过每隔360°电角度周期对换相电路的上下管进行交替单斩的方法，相较于HPWM-LPWM双斩调制方法，可实现上下管的损耗及发热都减小约一半，从而减小上下管的损坏率，改善实验过程中上下管的频繁修换问题，且比PWM-ON、ON-PWM、PWM-ON-PWM三种方法控制更简单，无需再多增加位置传感器或设计特殊的换相信号检测方法。

附图说明

图1是本发明实施例中BLDCM的换相电路图；

图2是现有技术的HPWM-LPWM调制方法中开关管的开关状态图；

图3是现有技术的HPWM-LON调制方法中开关管的开关状态图；

图4是现有技术的PWM-ON调制方法中开关管的开关状态图；

图5是本发明实施例的交替单斩PWM调制方法中开关管的开关状态图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本实施例中，BLDCM的换相电路采用如图1所示的三相桥式逆变电路，包括上桥臂开关管T1、T3、T5和下桥臂开关管T2、T4、T6。当其采用三相六状态120°两两导通方式时，每隔60°电角度换相一次，每个开关管连续导通或连续PWM斩波120°电角度，开关管的导通顺序为：T1、T4—>T1、T6—>T3、T6—>T3、T2—>T5、T2—>T5、T4。

BLDCM的PWM调制方法常见的有HPWM-LPWM、HPWM-LON、HON-LPWM方法，以及PWM-ON、ON-PWM和二者结合的PWM-ON-PWM方法。几种典型的调制方法下开关管的开关状态如图2-图4所示（因HPWM-LON和HON-LPWM类似，PWM-ON、ON-PWM和PWM-ON-PWM类似，故只分别给出其中一种）。图中，halla、hallb、hallc为BLDCM的三相霍尔位置传感器输出信号（简称霍尔信号），或无感控制BLDCM的转子位置检测信号。

在120°状态区间，HPWM-LPWM方法是对上桥臂和下桥臂的开关管同时进行PWM斩波。HPWM-LON方法只对上桥臂的开关管进行PWM斩波、而下桥臂为恒通；HON-LPWM方法刚好相反，即只对下桥臂的开关管进行PWM斩波、而上桥臂为恒通。因此，HPWM-LPWM方法为双斩调制方法；HPWM-LON和HON-LPWM两种方法为单斩调制方法。PWM-ON方法中，6个开关管的工作方式一致，前60°开关管处于PWM斩波状态，后60°开关管处于恒通状态。ON-PWM和PWM-ON刚好相反，前60°开关管处于恒通状态，后60°开关管处于PWM斩波状态。PWM-ON-PWM方法结合了PWM-ON和ON-PWM的特点，前后30°开关管处于PWM斩波状态，中间60°开关管处于恒通状态。

HPWM-LPWM方法因为上下管都进行PWM斩波，使得上下管损耗及发热都大、温升高、损坏率大，上下管都需频繁修换。HPWM-LON方法中，下管因为处于恒通状态，损耗及发热都相对于HPWM-LPWM方法改善很多；但上管损耗及发热与HPWM-LPWM方法仍然一致，上管频繁修换的问题没有得到改善。HON-LPWM方法类似，只是变成下管频繁修换的问题没有得到改善。

PWM-ON、ON-PWM、PWM-ON-PWM三种方法中，每个开关管的工作模式一致，且上下管的损耗及发热均比HPWM-LPWM方法减小约一半，上下管损坏率更低。但是，这三种方法控制复杂，且PWM-ON-PWM方法需要在霍尔信号非上升沿或下降沿时切换开关管的PWM斩波状态和恒通状态，因此还需要多增加位置传感器或设计特殊的换相信号检测方法。

针对上述无刷直流电机调速教学实验中换相电路上下管频繁修换的问题，本实施例提出了一种无刷直流电机的新型交替单斩PWM调制方法，对于无刷直流电机的换相电路，每间隔360°电角度周期对上下管进行交替单斩，该方法下开关管的开关状态如图5所示。在前一周期，上桥臂开关管进行PWM斩波，下桥臂开关管恒通；而在下一周期，上桥臂开关管恒通，下桥臂开关管进行PWM斩波，如此反复交替。

该方法在每两个周期内，上下管损耗及发热一致，且均比HPWM-LPWM方法减小一半，上下管损坏率更低，可以改善无刷直流电机换相电路上下管频繁修换的问题。该方法控制简单，且其PWM斩波状态和恒通状态的交替切换信号与霍尔信号一致，因此无需再额外多增加位置传感器或设计特殊的换相信号检测方法，只需检测某一相的霍尔信号上升沿或下降沿来获取交替信号即可，比如图5是以A相的霍尔信号上升沿来获取交替信号的。另外，在每120°状态区间中，T4因为有一半在前一周期，另一半在下一周期，所以T4会出现ON-PWM和PWM-ON反复交替的现象，但这并不影响上述上下管频繁修换问题的分析。

将该方法应用于无刷直流电机调速教学实验，可以减小无刷直流电机的换相电路中上、下桥臂开关管的损耗及发热，从而减小开关管的损坏率，改善了实验过程中上下管的频繁修换问题，且控制简单，无需再多增加位置传感器或设计特殊的换相信号检测方法。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。