CN102684578A - 一种电机转矩直接控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电机转矩直接控制系统，它是基于STM32F103C8芯片为核心控制芯片，通过控制逆变模块电路的开关状态的改变，克在电机定子上形成旋转的电压空间矢量，并通过工作电压空间矢量和零矢量的交替选择，可以控制定子磁链的走走停停，这样磁通角的大小也相应的随之改变，从而达到直接控制电机转矩的目的。本系统减少对数学模型的依赖甚至不依赖，即对电机进行实时控制。
Description
技术领域
本发明属于直流电机控制技术领域。
背景技术
目前电动车使用霍尔的星型连接无刷直流马达，有两种方式：120°二相导通方式。二相导通方式的反电动势为120°的锯齿波,直流电动机电枢磁势轴线与励磁磁势轴线为60°到120°电角度时,产生的电磁转矩最大。因此为保持电机输出最大的电磁转矩,无刷直流电动机必须保持每60°就换向一次。电机定子有6个磁链状态,其中每一个状态都是二绕组导通,每相绕组中流过电流的世界相当于转子旋转120°电角度。120°导通方式下马达的相电流是锯齿波形，相同电机下，方波控制阀的扭矩小，效率低。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种能将背包负重时的动能转化成电能的带能量收集装置的背包。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种电机转矩直接控制系统，包括控制模块、整流滤波模块、逆变模块、电压电流检测模块、PWM脉冲电路、光电编码器、键盘显示模块和上位机，其中：所述整流滤波模块，将三相交流电转变成直流电，并进行滤波处理后，输送到逆变模块；所述电压电流检测模块，包括一个电压传感器和两个电流传感器，该电压传感器检测逆变模块前端的母线电压Udc，而两个电流传感器检测电机的两相电流值，并将该电压和电流信号反馈给控制模块；所述控制模块，采用STM32F103C8芯片作为MCU控制芯片，该控制芯片接收到上位机发出的信号，将其转化成PWM输出，并经过PWM脉冲电路驱动放大后送给逆变模块；所述逆变模块，接收控制模块的信号后，对电机定子绕组输出相应的信号；而所述光电编码器，检测电机的转动方向和转角，并将其反馈回控制模块的正交编码脉冲电路，从而对电机形成闭环控制；键盘显示模块，显示电机运行状态，并输入指令。
作为优选，所述逆变模块采用三菱PM25RSB120型号的IPM智能模块。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：它突破了传统控制理论中必须基于数学模型的框架,它不依靠或不完全赖于控制对象的数学模型,只按实际效果进行控制；同时可以智能的根据当前状态方便地切换控制器的结构。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如附图1～2所示，一种电机转矩直接控制系统，主要对交流异步电动机进行直接转矩控制，它包括控制模块、整流滤波模块、逆变模块、电压电流检测模块、PWM脉冲电路、光电编码器、键盘显示模块和上位机等部件，该系统的核心是采用日本三菱公司生产的STM32F103C8芯片作为MCU控制器，所有复杂的控制算法及控制策略都通过STM32F103C8控制器来实现。该系统中所述整流滤波模块，将三相交流电转变成直流电，并进行滤波处理后，输送到逆变模块，并经该逆变模块后对电机进行供电；所述电压电流检测模块，包括一个电压传感器和两个电流传感器，该电压传感器检测逆变模块前端的母线电压Udc，而两个电流传感器检测电机的两相电流值，并将该电压和电流信号反馈给控制模块；所述控制模块，采用STM32F103C8芯片作为MCU控制芯片，该控制芯片接收到上位机发出的信号，将其转化成PWM输出，并经过PWM脉冲电路驱动放大后送给逆变模块；所述逆变模块，接收控制模块的信号后，对电机定子绕组输出相应的信号；而所述光电编码器，检测电机的转动方向和转角，并将其反馈回控制模块的正交编码脉冲电路，从而对电机形成闭环控制，实时有效的控制电动机；键盘显示模块，显示电机运行状态，并输入指令。
从MCU输出的PWM脉冲可以控制逆变模块中IPM模块电路的开关状态，而逆变器开关状态的改变，可在电机定子上形成旋转的电压空间矢量。通过工作电压空间矢量和零矢量的交替选择，可以控制定子磁链的走走停停，这样磁通角（定子磁链和转子磁链的夹角）的大小也相应地随之改变，从而达到直接控制电动机转矩的目的。该系统集成有以下功能：（1）事件管理器EV，它是一个专门为控制系统（运动控制和电机控制）设计的模块，包括通用定时器（GP）、全比较单元、捕获单元和正交编码脉冲电路（QEP）等四个基本单元。利用正交编码脉冲电路（QEP）对引脚CAP1/QEP1和CAP2/QEP2（EVA）或CAP4/QEP3和CAP5/QEP4（EVB）上的正交编码脉冲进行解码和计数，直接处理光电编码盘的正交编码脉冲，通过检测2路信号的相位关系可以判断电机的位置和速度信息。此外，事件管理器内部有PWM发生电路，可产生PWM波形，用于控制逆变器开关的通断时间。 （2）串行通讯接口SCI，STM32F103C8设有双通道异步串行外设通信口（包括SCIA和SCIB，24x系列中只有一个SCI），在该系统中它与RS-232 或者RS-485等标准接口相接，用于MCU的CPU与PC上位机之间的数字通信。支持半双工、全双工等通信模式。（3）串行外设接口SPI，SPI是一个高速同步串行I/O口，在该系统中SPI连接MCU控制器和显示器，用于MCU和外部外设之间的数据通信。典型应用还包括作为外部I/O或用于对外设（ADC、显示驱动器等）进行扩展。（4）模数转换器ADC，ADC模块是一个带采样/保持电路的12位模数转换器，具有自动排序能力，一次最多可执行16个通道的自动转换。它的转换速度很快，在25MHz的ADC时钟时，执行一次转换操作时间为80ns[4>，比F2407快得多。该系统采用一个电压传感器和两个电流传感器，通过检测逆变器前端的母线电压Udc，经ADC采样后可根据当前的开关状态计算逆变器输出电压的usα和usβ分量;同时电机的两相电流由电流传感器检测后也经ADC模块采样，再经过3/2变换，可求出电流分量isα和isβ，最后根据有关公式可算出磁链和转矩的大小。（5） TAG仿真接口，用于系统的在线仿真和测试。为了提高逆变电路的可靠性，系统采用日本三菱的IPM只能模块，型号为PM25RSB120，其内部有7只IGBT，除用于三相桥臂外，另外一只可做泵升电压的旁路开关。
直接转矩控制技术,是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法,直接在定子坐标系下分析异步电动机的数学模型,计算与控制异步电动机的磁链和转矩,采用离散的两点式调节器(Band-Band控制),把转矩检测值与转矩给定值作比较,使转矩波动限制在一定的容差范围内,容差的大小由频率调节器来控制,并产生PWM脉宽调制信号,直接对逆变器的开关状态进行控制,以获得高动态性能的转矩输出.它的控制效果不取决于异步电动机的数学模型是否能够简化,而是取决于转矩的实际状况,它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化,即不需要模仿直流电动机的控制,由于它省掉了矢量变换方式的坐标变换与计算和为解耦而简化异步电动机数学模型,没有通常的PWM脉宽调制信号发生器,所以它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调,是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式.与矢量控制方式比较,直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链,它采用离散的电压状态和六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念。只要知道定子电阻就可以把它观测出来。而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链,观测转子磁链需要知道电动机转子电阻和电感。
Claims (2)
1.一种电机转矩直接控制系统，其特征在于：包括控制模块、整流滤波模块、逆变模块、电压电流检测模块、PWM脉冲电路、光电编码器、键盘显示模块和上位机，其中：
所述整流滤波模块，将三相交流电转变成直流电，并进行滤波处理后，输送到逆变模块；
所述电压电流检测模块，包括一个电压传感器和两个电流传感器，该电压传感器检测逆变模块前端的母线电压Udc，而两个电流传感器检测电机的两相电流值，并将该电压和电流信号反馈给控制模块；
所述控制模块，采用STM32F103C8芯片作为MCU控制芯片，该控制芯片接收到上位机发出的信号，将其转化成PWM输出，并经过PWM脉冲电路驱动放大后送给逆变模块；
所述逆变模块，接收控制模块的信号后，对电机定子绕组输出相应的信号；
而所述光电编码器，检测电机的转动方向和转角，并将其反馈回控制模块的正交编码脉冲电路，从而对电机形成闭环控制；
键盘显示模块，显示电机运行状态，并输入指令。
2.根据权利要求1所述电机转矩直接控制系统，其特征在于：所述逆变模块采用三菱PM25RSB120型号的IPM智能模块。
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