一种三相半桥功率管的开关时序优化方法与流程

本发明涉及电机驱动控制及嵌入式软件，尤其涉及一种三相半桥功率管的开关时序优化方法。

背景技术：

1、随着无刷直流电机在无位置传感器控制领域的广泛应用，其低噪音、高效率的优势使其成为水泵、风机、风扇灯等低成本应用的首选动力部件。无刷直流电机驱动系统通常包括直流母线、由六个功率管组成的三相半桥功率电路、栅极驱动电路、控制器以及用于采集相端电压、相电流和母线电压等信号的检测电路。控制器按照六步换相逻辑控制三相半桥功率管交替导通，以形成旋转磁场。

2、为了避免同一桥臂的上桥功率管和下桥功率管同时导通，现有控制器通常在一只功率管关断与另一只互补功率管导通之间插入固定死区时间。与此同时，控制器根据反电动势过零或预设换相角确定换相时刻，并以pwm比较值产生功率管的开关脉冲。但是，功率管的实际关断过程并不等于控制器输出关断指令的时刻。功率管关断延迟、栅极驱动传播延迟、寄生电容充放电、续流路径以及负载电流方向均会改变桥臂实际完成换向的时刻。固定死区时间可能在部分工况下过短而产生直通风险，也可能在另一部分工况下过长而造成输出电压损失、附加开关损耗和电流波形畸变。

3、此外，在无位置传感器bldc六步换相中，反电动势检测通常受到pwm开关噪声、采样保持延迟、数字滤波延迟、中断响应延迟以及控制器计算延迟的影响。由检测事件直接推导的换相时刻可能提前或滞后于实际适宜的换相时刻。电机转速、负载电流、母线电压和功率器件温度发生变化时，上述延迟和换相误差也会变化。

4、现有方案往往分别处理死区时间、换相提前角或pwm脉冲宽度，缺少在同一硬件计时器时基下对死区、换相时刻和pwm周期边界进行联合计算及安全约束处理的机制。当换相事件靠近pwm周期边界，或者换相时刻修正与pwm边沿修正同时发生时，单独更新某一个时序参数还可能造成事件顺序变化、有效脉宽过小或同一桥臂上下桥功率管的安全间隔被破坏。因此，需要一种适合嵌入式控制器实时执行的开关时序优化方法，在不改变三相半桥基本硬件拓扑的情况下，利用已有检测信号建立统一时序坐标，根据功率管开关状态和无位置传感器换相状态对死区、换相时刻以及pwm同步关系进行联合修正，并在写入pwm定时器之前执行安全约束，从而兼顾功率管安全、换相准确性和pwm开关时序稳定性。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种三相半桥功率管的开关时序优化方法、控制器、电机驱动装置、计算机设备及计算机可读存储介质，旨在解决现有技术中固定死区和固定换相时序无法适应不同工况、导致功率管开关安全性不足及无位置传感器换相时序偏差的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供一种三相半桥功率管的开关时序优化方法，应用于包括三相半桥驱动电路和控制器的无位置传感器无刷直流电机六步换相驱动系统，所述三相半桥驱动电路的每一相桥臂分别包括上桥功率管和下桥功率管，所述三相半桥功率管的开关时序优化方法包括以下步骤：基于所述控制器的pwm定时器建立统一时序基准，并根据当前pwm控制周期、当前六步换相区间和占空比指令确定基础开关时序，所述基础开关时序至少包括各相桥臂的pwm开关边沿、换相时刻以及同一桥臂的上桥功率管与下桥功率管之间的基础死区时间；在与所述pwm开关边沿和/或所述换相时刻关联的采样窗口内获取包括相端电压或反电动势、相电流、直流母线电压或母线电流、功率器件温度和控制链路时延中的至少一种运行状态量；根据所述运行状态量和功率管开关命令确定开关边沿安全裕量，并根据所述相端电压或反电动势、相电流变化、线电压积分和相位跟踪量中的至少一种确定换相时序偏差；根据所述开关边沿安全裕量对至少一个桥臂的死区时间进行动态修正，根据所述换相时序偏差以及所述控制链路时延对所述换相时刻进行动态修正，并根据修正后的换相时刻相对于所述统一时序基准中的pwm周期边界的位置确定pwm同步修正量，以形成包括死区修正量、换相时刻修正量和pwm同步修正量的联合开关时序修正向量；将所述联合开关时序修正向量作用于所述基础开关时序，得到候选开关时序，并对所述候选开关时序执行安全约束投影，使投影后的开关时序满足同一桥臂上下桥功率管禁止交叠导通、死区时间不低于安全下限、pwm有效脉宽不低于最小有效脉宽以及换相开关事件次序不发生逆序中的至少一种约束，得到目标开关时序；将与所述目标开关时序对应的定时参数写入pwm定时器的影子寄存器，并在预设定时器更新事件到来时将所述定时参数同步写入活动寄存器，以使三相半桥功率管按照所述目标开关时序执行开关动作；以及根据执行所述目标开关时序之后获得的运行状态量更新所述开关边沿安全裕量、所述换相时序偏差和/或开关时序修正参数，以在后续pwm控制周期和/或六步换相区间继续优化所述三相半桥功率管的开关时序。

3、本发明中，获取运行状态量，即获取包括相端电压或反电动势、相电流、直流母线电压或母线电流、功率器件温度和控制链路时延中的至少一种运行状态量。

4、本发明中，运行状态量确定，即根据所述运行状态量和功率管开关命令确定。

5、本发明中，根据所述运行状态量确定，即根据所述相端电压或反电动势、相电流变化、线电压积分和相位跟踪量中的至少一种确定。

6、此外，为实现上述目的，本发明还提供一种三相半桥功率管的开关时序优化控制器，所述三相半桥功率管的开关时序优化控制器包括：时序基准模块，用于基于pwm定时器建立统一时序基准并生成基础开关时序；状态采集模块，用于在与pwm开关边沿和/或换相时刻关联的采样窗口内采集相端电压或反电动势、相电流、直流母线电压或母线电流、功率器件温度和控制链路时延中的至少一种运行状态量；时序状态计算模块，用于根据所述运行状态量确定开关边沿安全裕量和换相时序偏差；联合时序修正模块，用于根据所述开关边沿安全裕量确定死区修正量，根据所述换相时序偏差和控制链路时延确定换相时刻修正量，并根据修正后的换相时刻与pwm周期边界之间的关系确定pwm同步修正量；安全约束模块，用于对联合修正后的候选开关时序执行安全约束投影，生成目标开关时序；时序执行模块，用于将所述目标开关时序写入pwm定时器影子寄存器并在定时器更新事件到来时同步复制至活动寄存器；以及反馈更新模块，用于根据执行目标开关时序后的运行状态量更新所述开关边沿安全裕量、换相时序偏差和/或开关时序修正参数。

7、此外，为实现上述目的，本发明还提供一种电机驱动装置，所述电机驱动装置包括三相半桥功率电路、栅极驱动电路、检测电路以及上述的三相半桥功率管的开关时序优化控制器；其中，所述控制器根据所述检测电路采集的运行状态量生成目标开关时序，并通过所述栅极驱动电路控制所述三相半桥功率电路按照所述目标开关时序运行。

8、此外，为实现上述目的，本发明还提供一种计算机设备，所述计算机设备包括处理器、存储器、以及存储在所述存储器上并可被所述处理器执行的开关时序优化程序，其中所述开关时序优化程序被所述处理器执行时，实现如上述的三相半桥功率管的开关时序优化方法的步骤。

9、此外，为实现上述目的，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有开关时序优化程序，其中所述开关时序优化程序被处理器执行时，实现如上述的三相半桥功率管的开关时序优化方法的步骤。

10、本发明提供一种三相半桥功率管的开关时序优化方法，所述方法基于pwm定时器建立统一时序基准，在同一时基坐标系下确定开关边沿安全裕量和换相时序偏差，并据此对死区时间、换相时刻及pwm周期边界同步关系进行联合修正；在对候选开关时序实施防直通、最小死区、最小有效脉宽和事件次序等安全约束投影后，通过影子寄存器和定时器更新事件以原子方式生效，再依据执行反馈闭环更新修正参数。通过上述方式，本发明在统一硬件时基下联合解决死区、换相和pwm同步三个时序量之间的耦合问题，在满足功率管开关安全的同时提高了无位置传感器换相时序的适应性，解决了现有技术中固定死区和固定换相时序无法适应不同工况的技术问题。

11、在24v直流母线、3000r/min、20khz中心对齐pwm的示例工况下，与采用0.90μs固定安全死区的控制方式相比，采用本发明的动态开关时序优化后，稳态运行期间的平均死区时间可由约0.90μs降低至约0.68μs，缩短约0.22μs，对应死区引起的有效占空比损失由约3.60%降低至约2.72%，相对降低约24%。功率器件开关及续流相关损耗可降低约6.5%。同时，换相时刻峰值偏差可由约±20μs减小至约±5μs，在3000r/min工况下对应的电角度误差由约±1.44°减小至约±0.36°。经pwm同步修正后，浮空相有效采样窗口内的端电压峰峰值扰动可由约1.20v降低至约0.45v，反电动势过零检测时刻抖动由约6.0μs降低至约2.2μs，从而提高无位置传感器换相检测的稳定性。