本實用新型屬于電機控制系統領域，具體涉及一種可有效消除電機控制系統中FOC算法中死區效應的三相電機控制裝置。

背景技術：

目前，電機使用于吸塵器、洗衣機、廚房器具、電動車等各個領域中，FOC(場定向控制)算法逐漸替換原先的六步換相算法。FOC(field-oriented control)為磁場導向控制，又稱為矢量控制(vector control)，是一種利用變頻器(VFD)控制三相交流馬達的技術，利用調整變頻器的輸出頻率、輸出電壓的大小及角度，來控制馬達的輸出。其特性是可以個別控制馬達的的磁場及轉矩，類似他激式直流馬達的特性。由于處理時會將三相輸出電流及電壓以矢量來表示，因此稱為矢量控制。

達姆施塔特工業大學的K.Hasse及西門子公司的F.Blaschke分別在1968年及1970年代初期提出矢量控制的概念。Hasse提出的是間接矢量控制，Blaschke提出的是直接矢量控制。布倫瑞克工業大學的維爾納·萊昂哈德(Leonhard further)進一步開發磁場導向控制的控術，因此交流馬達驅動器開始有機會取代直流馬達驅動器。

當時微處理器尚未商品化，但已經出現泛用的交流馬達驅動器。當時相較于直流馬達驅動器，交流馬達驅動器的成本高、架構復雜，而且不易維護。而當時的矢量控制需要許多傳感器及放大器等元件，因此無法將矢量控制應用在交流馬達驅動器中。

派克變換一直被用在同步馬達及感應馬達的分析及研究，是了解磁場導向控制最需要知道的概念。這個概念是羅伯特·派克(Robert Park)在1929年的論文中提出的。派克變換被列為二十世紀發表電力電子相關論文中，第二重要的論文。派克變換的重要性是可以將馬達有關的微分方程，由變系數微分方程變成“時不變”系數的微分方程。矢量控制可以適用在交流感應馬達及直流無刷馬達，早期開發的目的為了高性能的馬達應用，可以在整個頻率范圍內運轉、馬達零速時可以輸出額定轉矩、且可以快速的加減速。不過相較于直流馬達，矢量控制可配合交流馬達使用，馬達體積小，成本及能耗都較低，因此開始受到產業界的關注。矢量控制除了用在高性能的馬達應用場合外，也已用在一些家電中。

FOC算法增加了能量使用效率，穩定性以及轉速范圍，降低了電機運轉時的噪音。但是在FOC算法中，為了防止同一橋臂的兩個導通管同時導通(圖1中的a、b、c三相)，必須在兩個PWM信號之間插入數個微秒的死區(圖2中的Tdt)。死區時間會導致基波電壓降低、電流弦波畸變、轉矩波動電機不穩等死區效應。

為了解決死區時間導致的基波電壓降低、電流弦波畸變、轉矩波動電機不穩等死區效應問題，現今已有許多技術人員提出了各種補償方法，來解決這一問題。不過現今這一問題的解決方法，大多可以分為兩類，一是基于時間或平均電壓的補償方法，另一種方法是預測電流。通過多次采樣，根據某一次檢測到的電流、電機的數學模型以及下一次的理想電流，計算出補償電壓，然后再修改PWM脈寬來產生這一電壓矢量。

現有技術中，理想情況為Q1、Q2兩個導通管完全互補，實際情況為導通管打開和關閉都有一定的時間Ton和Toff，以及為了避免兩管同時導通而增加的死區時間Tdt。兩者理想情況與實際情況相差(Tdt+Ton-Toff)，只需要根據極性加減(Tdt+Ton-Toff)即可。使用平均電壓方法計算時，需要增大或減小α軸的電壓分量(圖3)，而改變電壓就是增大或減小PWM(脈沖寬度調制)脈寬，計算得到的結果實際與通過時間補償的計算結果相同。這樣就可以解決死區時間導致的基波電壓降低、電流弦波畸變、轉矩波動電機不穩定等死區效應問題。

另一種解決死區效應的方法是預測電流，通過多次采樣，根據某一次檢測到的電流、電機的數學模型以及下一次的理想電流，計算出補償電壓，然后再修改PWM脈寬來產生這一電壓矢量。這種方式實時觀測電流，預測下一次的采樣電流所需要的電壓矢量，符合當時的實際情況，將死區效應以及其他意外因素都歸入電流，能夠較為精確的進行補償。

上述時間或平均電壓的補償方法雖簡單易行，但是由于電流極性的檢測非常重要，一旦檢測錯誤，就會造成更大的誤差；另外負載不同也會影響補償電壓，這一方法并沒有考慮這一情況，因此補償不夠精確。也就無法徹底解決死區時間導致的基波電壓降低、電流弦波畸變、轉矩波動電機不穩等死區效應問題。

本實用新型提供了一種三相電機控制系統，可有效解決電機控制系統中出現死區效應的技術問題的，其通過間接消除死區效應，對死區效應的消除更加準確；消除了三相電機控制系統采用電壓補償法消除死區效應不夠精確的缺陷；又克服了用預測電流法制造的三相電機控制系統機構復雜，成本過高的弊端，更加簡單、穩定、實用。

技術實現要素：

本實用新型提供了一種三相電機控制系統，可有效解決電機控制系統中出現死區效應的技術問題的。

本實用新型的具體技術方案是：

三相電機控制系統的總體結構包括32位微控制器和電機驅動電路，其中32位微控制器包括32位CPU內核、12bit精度ADC、串口UART、3組6路PWM、位置傳感器接口，其中ADC連接到電流反饋電路，PWM連接到三相逆變器，位置傳感器接口連接到電機中的位置傳感器。其中所述電機驅動電路反饋信息給微控制器，而微控制器通過PWM驅動來控制電機驅動電路。如圖5，控制系統以32位MCU為主，共有3個作用：1、輸出6路PWM控制MOS管的導通與關閉；2、使用ADC(模數轉換)采樣三相中2相的反饋電流，同時獲取電機轉子位置，再通過如圖7，所述的FOC算法,計算出當前電壓矢量，進而計算出PWM的占空比動態調整電壓矢量，保證電機持續穩定轉動；3、使用UART與電腦或其他終端通訊，接收終端的指令以及發送電機狀態給終端。

如圖6，電機驅動系統包括1個三相逆變器和電流反饋電路，這里的三相逆變器，根據控制部分的PWM來導通或關閉MOS管，形成三相交流電來驅動電機；所述三相逆變器包括6個PWM和六個二極MOS管組成a、b、c三相電路，所述a相電路包括Q1、Q2、PWM1H、PWM1L；所述b相電路包括Q3、Q4、PWM2H、PWM2L，其中PWM2H用于控制Q3的通斷，PWM2L用來控制Q4的通斷；所述c相電路包括Q5、Q6、PWM3H、PWM3L，其中PWM3H用于控制Q5的通斷，PWM3L用來控制Q6的通斷；

如圖8、9、10所述a相中當電流方向為正方向，導通管Q1關閉，電流通過Q2的二極管，導通管Q1的開關的開啟關閉對電機沒有影響，此時在上橋臂按照計算得到的脈寬控制通斷時間，下橋臂插入2個死區時間，通過這一方法來避免死區效應的產生。當電流為負方向，導通管Q2關閉，電流流經導通管Q1的二極管，在這段時間內，導通管Q2的開關可以通斷而對電機沒有影響，此時在下橋臂按照計算得到的時間控制通道時間，在上橋臂插入2個死區時間，通過這種方法來避免死區效應的產生。

所述b相中當電流方向為正方向，導通管Q3關閉，電流通過Q4的二極管，導通管Q3的開關的開啟關閉對電機沒有影響，此時在上橋臂按照計算得到的脈寬控制通斷時間，下橋臂插入2個死區時間，通過這一方法來避免死區效應的產生。當電流為負方向，導通管Q4關閉，電流流經導通管Q3的二極管，在這段時間內，導通管Q4的開關可以通斷而對電機沒有影響，此時在下橋臂按照計算得到的時間控制通道時間，在上橋臂插入2個死區時間，通過這種方法來避免死區效應的產生。

所述c相中當電流方向為正方向，導通管Q5關閉，電流通過Q6的二極管，導通管Q5的開關的開啟關閉對電機沒有影響,此時在上橋臂按照計算得到的脈寬控制通斷時間，下橋臂插入2個死區時間，通過這一方法來避免死區效應的產生。當電流為負方向，導通管Q6關閉，電流流經導通管Q5的二極管，在這段時間內，導通管Q6的開關可以通斷而對電機沒有影響,此時在下橋臂按照計算得到的時間控制通道時間，在上橋臂插入2個死區時間，通過這種方法來避免死區效應的產生。

所述的反饋電路分由兩個子反饋電路組成，用于獲取反饋電流和轉子位置，再計算出當前PWM的占空比，從而形成閉環網絡，動態調節電壓矢量，使電機穩定轉動。

所述電流反饋電路直接與ADC電路相連接。

電機的三相電路分別連接于a、b、c三相電路上橋臂和下橋臂之間。

本實用新型的有益效果是：對三相電機控制系統中死區效應的消除更加準確，且結構簡單，制造成本低，運行穩定。

說明書附圖

圖1：現有技術中三相電機電路結構示意圖；

圖2：三相電機中的死區效應示意圖；

圖3：空間電壓矢量示意圖；

圖4：三相電機整體電路結構示意圖；

圖5：三相電機控制部分電路圖；

圖6：三相電機驅動部分電路圖；

圖7：FOC算法總體方框圖；

圖8：三相電路a相電路結構圖；

圖9：正電流方向插入死區時間示意圖；

圖10：負電流方向插入死區時間示意圖；

具體實施例

為使本實用新型的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面對本發明的具體實施方式做詳細說明。在下面的描述中闡述了很多具體細節以便于充分理解本發明。但是本發明能夠以很多不同于在此描述的其他方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下做類似改進，因此本發明不受下面公開的具體實施的限制。

實施列1：如圖4，本實用新型的總體結構包括32位微控制器和電機驅動電路，其中32位微控制器包括CPU32bit、UART、ADC12bit、QEP。其中ADC12bit一端與電流反饋電路相連，另一端與QEP及三相逆變器相連。其中所述電機驅動電路反饋信息給微控制器，而微控制器通過PWM驅動來控制電機驅動電路。如圖5，控制系統以32位MCU為主，共有3個作用：1、輸出6路PWM控制MOS管的導通與關閉；2、使用ADC(模數轉換)采樣三相中2相的反饋電流，同時獲取電機轉子位置，再通過如圖7，所述的FOC算法,計算出當前電壓矢量，進而計算出PWM的占空比動態調整電壓矢量，保證電機持續穩定轉動；3、使用UART與電腦或其他終端通訊，接收終端的指令以及發送電機狀態給終端。

如圖6，電機驅動系統包括1個三相逆變器和電流反饋電路，這里的三相逆變器，根據控制部分的PWM來導通或關閉MOS管，形成三相交流電來驅動電機；所述三相逆變器包括6個PWM和六個二極MOS管組成a、b、c三相電路，所述a相電路包括Q1、Q2、PWM1H、PWM1L；所述b相電路包括Q3、Q4、PWM2H、PWM2L，其中PWM2H用于控制Q3的通斷，PWM2L用來控制Q4的通斷；所述c相電路包括Q5、Q6、PWM3H、PWM3L，其中PWM3H用于控制Q5的通斷，PWM3L用來控制Q6的通斷；

本實施例中電流方向的判斷方法是通過采樣的a、b、c相電流計算得出，即通過雙電阻測電流法得到ia和ib，采樣電流ia和ib經過Clarke(克拉克)變換得到2軸靜止坐標系的電流iα和iβ；再經過Park(帕克)變換得到2軸旋轉坐標系下的id和iq；id和iq通過一個低通濾波器濾除高次諧波；最后得到的兩個電流值用來判斷電流的極性，通過這種方式減少電流在零點時的誤差。最后根據a、b、c三相電流的極性插入死區，執行FOC(場定向控制)運算，動態調整PWM(脈沖寬度調制)脈寬。

如圖8、9、10所述a相中當電流方向為正方向，導通管Q1關閉，電流通過Q2的二極管，導通管Q1的開關的開啟關閉對電機沒有影響，此時上橋臂按照計算得到的脈寬時間執行通斷操作，在上橋臂不插入死區時間，在下橋臂插入兩個死區時間，通過這種方法來避免死區效應的產生。當電流為負方向，導通管Q2關閉，電流流經導通管Q1的二極管，在這段時間內，導通管Q2的開關可以通斷而對電機沒有影響，此時下橋臂按照計算得到的脈寬時間執行通斷操作，在下橋臂不插入死區時間，在上橋臂插入兩個死區時間，通過這種方法來避免死區效應的產生。

所述b相中當電流方向為正方向，導通管Q3關閉，電流通過Q4的二極管，導通管Q3的開關的開啟關閉對電機沒有影響，此時上橋臂按照計算得到的脈寬時間執行通斷操作，在上橋臂不插入死區時間，在下橋臂插入兩個死區時間，通過這種方法來避免死區效應的產生。當電流為負方向，導通管Q4關閉，電流流經導通管Q3的二極管，在這段時間內，導通管Q4的開關可以通斷而對電機沒有影響，此時在下橋臂按照計算得到的時間控制通道時間，在上橋臂插入2個死區時間，通過這種方法來避免死區效應的產生。

所述c相中當電流方向為正方向，導通管Q5關閉，電流通過Q6的二極管，導通管Q5的開關的開啟關閉對電機沒有影響,此時上橋臂按照計算得到的脈寬時間執行通斷操作，在上橋臂不插入死區時間，在下橋臂插入兩個死區時間，通過這種方法來避免死區效應的產生。當電流為負方向，導通管Q6關閉，電流流經導通管Q5的二極管，在這段時間內，導通管Q6的開關可以通斷而對電機沒有影響,此時在下橋臂按照計算得到的時間控制通道時間，在上橋臂插入2個死區時間，通過這種方法來避免死區效應的產生。

因此根據電流方向的不同，控制上下橋臂的通斷即可。在每一個周期中，當電流方向為正，上橋臂按照計算得到的時間進行控制，對下橋臂插入2個死區時間，見圖9；當電流方向為負，下橋臂按照計算得到的時間進行控制，對上橋臂插入2個死區，見圖10。

本實用新型中a、b、c三相的電流方向與死區位置對應關系如下：

對于a相，當電流矢量位于0到π/2、3π/2到2π時，在下橋臂插入2個死區；當電流矢量位于π/2到3π/2時，在上橋臂插入2個死區。

對于b相，當電流矢量位于π/6到7π/6時，在下橋臂插入2個死區；當電流矢量位于0到π/6、7π/6到2π時，在上橋臂插入2個死區。

對于c相，電流矢量位于5π/6到11π/6時，在下橋臂插入2個死區；電流矢量位于0到5π/6、11π/6到2π時，在上橋臂插入2個死區。

所述這里的反饋電路分為兩個小的子反饋電路，其直接與ADC電路相連接，用于獲取反饋電流和轉子位置，再計算出當前PWM的占空比，從而形成閉環網絡，動態調節電壓矢量，使電機穩定轉動。

電機的三相電路分別連接于a、b、c三相電路上橋臂和下橋臂之間。從而有效準確的消除三相電機中死區效應，使三相電機控制電路結構更加簡單，運行更加穩定。