CN102710189A - 一种无刷直流电机控制方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无刷直流电机的控制装置，其特征在于：其特征在于包括电源变换电路、主控电路、驱动电路、通信电路、电压电流检测电路和霍尔位置检测电路；连接关系为：通信电路通过串口与上位机的输出端相连，并与主控电路连接；主控电路的输出连接驱动电路，驱动电路与电机和电压电流检测电路相连；电压电流连接主控电路，霍尔位置检测电路连接主控电路。本无刷直流电机和控制器的一体化设计，保护了电机和控制器连接导线不够外界恶劣环境的的干扰，提高了系统的可靠性，保证了系统的密封性。系统整体设计为圆柱形，取代了一方一圆的分离式结构，减小了系统体积。

Description

一种无刷直流电机控制方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种无刷直流电机控制方法及其装置，属于无刷直流电机控制方法及控制器设计。

背景技术

无刷直流电机系统由电动机本体、驱动控制器和霍尔位置传感器三部分组成。无刷直流电动机本体主要由定子和转子两大部分组成，与普通直流电机不同的是，绕组在定子上，而转子是永磁体，用来产生气隙磁场。驱动控制器用来实现对无刷直流电机的换向控制，使定子绕组中流过电流，产生定子磁场，并与转子磁场相互作用，驱动转子旋转，实现对电机电压电流转速的控制。霍尔位置传感器用来检测转子磁钢的位置，使无刷直流电动机能根据转子的位置实现自控式换向。

大部分的无刷直流电机包括电机本体和霍尔位置传感器，但无刷电机及驱动控制器多采用分离式结构设计，电机多采用圆柱体结构，驱动控制器多采用长方体结构，中间采用8根线连接，包括5根霍尔3根电源线。驱动控制器通过电源线给电机供电，通过霍尔线得到电机转子位置信号。

无刷直流电机控制方法多采用速度闭环PID控制。PID控制包含比例、积分和微分3种控制规律，是一种线性控制器，其作用是按给定电机转速和实测电机转速的偏差的比例加积分加微分形成控制量，去控制电机的电压，从而控制电机的转速，使电机转速趋于给定。

采用分离式结构的电机及控制器在实际应用中存在不足之处，具体表现在以下几点：

（1）电机和驱动器之间的导线裸露在外界环境中，易受到恶劣环境的侵蚀，容易断裂，损坏，影响系统的可靠性；

（2）影响系统的密封性，难以实现动密封，尤其系统处在水、油等液体中，密封性差将导致电机及控制器失效；

（3）圆柱体电机和长方体控制器搭配占用较大体积，壳体增加了系统重量，难以满足现在先进设备，如飞机，导弹等对微型化的要求。

（4）小功率电机本体占用体积小，而控制器考虑元器件分布及散热等问题占用很大体积，导致系统整体功率密度低。

并且在无刷直流电动机全电压起动时，如果没有限流措施，会产生很大的冲击电流。另外，有时电动机可能会遇到堵转的情况，例如由于故障、机械轴被卡住或电机运行时负载过大等等。由于闭环系统的静特性很硬，若无限流环节继续运行下去，电流将远远超过允许值。如果只依靠过流继电器或熔断器保护，一过载就跳闸，也会给正常工作带来不便。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种无刷直流电机控制方法及其装置。

技术方案

一种无刷直流电机控制方法，其特征在于：根据电机速度反馈值和速度参考值的误差的大小采用位置式PI算法计算出控制这些误差收敛的速度负反馈输出，再减去电流截止负反馈的输出，得到的参考斩波幅值与周期序列信号相与产生PWM斩波信号，通过控制PWM斩波信号的占空比来控制电机相电压，从而控制电机转速的方法，具体依次含有以下步骤：

步骤1：根据设定的速度参考值ω^*和电机速度反馈值ω进行PI调节，得到速度负反馈L，L=K_p·e_ω+K_i∫e_ωdt，K_p为比例增益，K_p>0，K_i为积分增益K_i>0，其中：e_ω=ω^*-ω；

步骤2：速度负反馈减去电流截止负反馈的输出e_i得到参考斩波幅值F^*，F^*=L-e_i=K_p·e_ω+K_i∫e_ωdt-e_i=K_p·(ω^*-ω)+K_i∫(ω^*-ω)dt-e_i；

步骤3：参考斩波幅值F^*与周期序列信号F的幅值|F|做差产生PWM斩波信号，ΔF=F^*-|F|，ΔF≥0则PWM=0，ΔF<0则PWM=1，F为频率f的三角波，f＞0；

步骤4：得到PWM斩波信号为频率f的方波信号，一个周期T内PWM=1的时间为t₁，PWM斩波信号的占空比为输出电压的有效值U_d为无刷直流电机母线电压，U_d>0，t₁≥0，T>0；

步骤5：将U_rms输出至无刷直流电机的三相。

所述的步骤1中电机速度反馈值

其中：t为电机磁极信号H1=1到H1下一次为1的时间，t>0，P为电机极对数。

所述步骤1中设定的速度参考值ω^*≤电机额定速度。

所述步骤2中电流截止负反馈的输出e_i的获取为：电机母线电流为i，电机参考电流为i^*，Δi=i^*-i，Δi>0则e_i=Δi，Δi<0则e_i=0，i^*为电机最大的允许电流，i^*>0，i>0。

一种实现所述的无刷直流电机控制方法的装置，其特征在于包括电源变换电路、主控电路、驱动电路、通信电路、电压电流检测电路和霍尔位置检测电路；连接关系为：通信电路通过串口与上位机的输出端相连，并与主控电路连接；主控电路的输出连接驱动电路，驱动电路与电机和电压电流检测电路相连；电压电流连接主控电路，霍尔位置检测电路连接主控电路；

所述通信电路通过串口与上位机的输出端相连，并与主控电路连接；将通信内容通过RS232通信协议与主控电路进行通信；所述通信内容包括电机的启停、调速、母线电压、母线电流；

所述主控电路接收电压电流检测电路和霍尔位置检测电路的信号，及通信电路的控制信号，在主控电路内部进行控制算法的执行，对电压电流检测电路的信号进行处理得到真实的母线电压电流，对霍尔位置检测电路的信号进行处理得到电机速度反馈值，并进行转速闭环产生对应占空比的PWM斩波信号，通过电流截止负反馈对母线电流进行限制，使得系统起动时获得最大的允许电流，主控电路输出的PWM斩波信号给驱动电路；

所述驱动电路接收主控电路的PWM斩波信号的占空比来控制逆变电路功率桥六个功率管的开通和关断，输出三相电压，与电机直接相连；电机得到三相电压，电压的大小决定了电机的转速；

所述霍尔位置检测电路将电机的转子位置信号的电平转换为主控电路可接收的3.3V电压，连接到主控电路；

所述电压电流检测电路检测母线电压电流信号，并转换为主控电路可接收的低于5V以下的电压，连接至主控电路；

所述电源变换电路连接直流电压源，实现电平转换功能，输出信号分别和其他几个电路连接。所述控制器与电机为一体化结构，电机的后端盖作为控制器的前端盖，电机的霍尔线和电源线从电机后端盖的接插件引入控制器；所述控制器包括控制板和驱动板，驱动板在前端，控制板载后端，两层板间采用铜柱连接，控制器内部灌装密封，通过接插件引出通信线和电源线；所述控制板上设有电源变换电路、主控电路、通信电路、电压电流检测电路、霍尔位置检测电路；所述驱动板上设有驱动电路。

有益效果

本发明提出的一种无刷直流电机控制方法及其装置，对小功率无刷直流电机一体化控制器进行了原理及结构设计。由于采用一体化结构的无刷直流控制器，可以隔离外接环境对导线的干扰，易实现动密封，减小了系统的体积，减轻了系统的重量；采用粗布线方法省去了隔离模块，选取高集成化，高效率器件，并采用灌装技术，提高了驱动控制器的散热性能，实现良好的密封性。结合速度负反馈和电流截止负反馈控制的控制方法，提高了系统控制精度，减小稳态误差，解决了系统在起动和堵转时电流过大问题，保护了功率器件，且该方法仅需采样母线电流，节省了元器件。对控制方法进行设计，提高了系统控制精度，减小稳态误差，解决了系统在起动和堵转时电流过大问题，保护了功率器件，同时对电网电压起抗干扰能力；无刷直流电机和控制器的一体化设计，保护了电机和控制器连接导线不够外界恶劣环境的的干扰，提高了系统的可靠性，保证了系统的密封性。系统整体设计为圆柱形，取代了一方一圆的分离式结构，减小了系统体积。

附图说明

图1小功率无刷直流电机一体化控制器原理图；

图2系统电源电路框图；

图3电源变换电路；

图4主控电路图；

图5通信电路图；

图6驱动电路图；

图7电压电流检测电路图；

图8霍尔位置检测电路图；

图9控制方法原理图；

图10无刷电机及控制器一体化设计外形图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明为小功率无刷电机一体化控制器，主要包括电源变换电路，主控电路，驱动电路，通信电路，电压电流检测电路，霍尔位置检测电路6部分。

技术方案为：

上位机软件通过串口与通信电路相连，通过RS232通信协议与主控电路进行通信，通信内容包括电机的启停、调速、母线电压、母线电流，通信电路的输入输出信号连接主控电路；

主控电路接收电压电流检测电路和霍尔位置检测电路的信号，及通信电路的控制信号，在主控电路内部进行控制算法的执行，对电压电流检测电路的信号进行处理得到真实的母线电压电流，对霍尔位置检测电路的信号进行处理得到电机速度反馈值，并进行转速闭环产生对应占空比的PWM斩波信号，通过电流截止负反馈对母线电流进行限制，使得系统起动时获得最大的允许电流，主控电路输出的PWM斩波信号给驱动电路；

驱动电路通过PWM斩波信号的占空比来控制逆变电路功率桥六个功率管的开通和关断，输出三相电压，与电机直接相连；

电机得到三相电压，电压的大小决定了电机的转速，电机通过霍尔位置检测器将转子位置输出给转子位置检测电路；

霍尔位置检测电路将转子位置信号的电平转换为主控电路可接收的3.3V电压，连接到主控电路；

电压电流检测电路检测母线电压电流信号，并转换为主控电路可接收的低于5V以下的电压，连接至主控电路；

电源变换电路连接直流电压源，实现电平转换功能，输出信号分别和其他几个电路连接。

控制器与电机进行一体化设计，电机的后端盖作为控制器的前端盖，电机的霍尔线和电源线从电机后端盖的接插件引入控制器。控制器包括控制板和驱动板，驱动板在前端，控制板载后端，两层板间采用铜柱连接，控制器内部灌装密封，通过接插件引出通信线和电源线。

控制方法采用速度负反馈和电流截止负反馈控制相结合的方法。内环为电流截止负反馈，外环为速度负反馈。电压电流检测电路信号输出给主控电路，经信号处理后得到母线电流i。当母线电流i小于等于参考电流i^*时，电流负反馈电路不通，电流截止负反馈不起作用；当母线电流i大于参考电流i^*时，形成电流反馈值e_i＝i^*-i。霍尔位置检测器将转子位置输出给主控电路，信号处理后得到电机速度反馈值，将速度反馈值和速度参考值的偏差进行PI调节得到速度负反馈，速度负反馈与电电流截止负反馈差值与周期序列信号的幅值做差产生一系列占空比变化的PWM脉冲信号，通过调节占空比调节电机相电压，实现对BLDCM转速的控制。

本实施例具体结构如下：

现设计一功率为30W无刷电机一体化控制器，主要包括电源变换电路，主控电路，驱动电路，通信电路，电压电流检测电路，霍尔位置检测电路6部分，其联接关系原理参见图1。

参见图2，系统各电路的的供电电压，电源变换电路将28V母线电压转化为12V，又将12V直流转化为3.3V直流电压。参见图3，电源变换电路采用芯片MAX5035。

参见图4，控制芯片采用TMS320F28035，其集成度高，体积小，采用单电源供电。由该DSP芯片的IO输出PWM斩波控制驱动电路开关管的开通关断来调节电机电压，AD读取电机电压电流值，SCI通过通信芯片与上位机进行RS232通信，捕获单元捕获电机转子位置信号，芯片内部同时进行数据处理和算法执行。

参见图5，通信电路采用RS232标准的驱动芯片MAX3232，MAX3232确保在120kbps数据速率，同时保持RS232输出电平。上位机通过通信电路发送数据给DSP，DSP将反馈数据处理后经通信电路传输给上位机。

参见图6，驱动电路采用TI公司的drv8312，效率97％，工作电压50V，连续相电流高达3.5A（峰值6.5A），PWM工作频率500kHz，具有欠压，超温，过载和短路保护特性以及可编程的逐个周期的限流保护。drv8312接收DSP信号，直接驱动电机工作。

参见图7，电压检测电路采集母线电压经运放缩小电路给DSP的AD，在驱动芯片drv8312母线主回路串联一采样电阻R，通过R电流即为电机相电流I，电流检测电路通过采集采样电阻R端电压，经放大电路给AD，再由DSP内部运算出母线电压电流给上位机软件。运放芯片采用op291，是一种轨至轨的高性能双运放集成芯片。

参见图8，霍尔位置检测电路采用ps2801，输入端供电电压为12V，输出端供电电压3.3V，实现电平转换和信号隔离功能。

参见图10，控制器与电机进行一体化设计，控制器和电机均为圆柱体，电机的后端盖作为控制器的前端盖，电机的霍尔线和电源线从电机后端盖的接插件引入控制器。控制器包括控制板和驱动板，驱动板在前端，控制板在后端，两层板间采用铜柱连接，控制器内部灌装密封，通过接插件引出通信线和电源线。

本发明控制方法实施过程如下：

(1)测量电机磁极信号H1=1到H1下一次为1的时间t，计算电机速度反馈值

(2)将速度参考值ω^*和电机速度反馈值ω进行PI调节，得到速度负反馈L，L=K_p·e_ω+K_i∫e_ωdt=K_p·(ω^*-ω)+K_i∫(ω^*-ω)dt；

(3)设定电机最大的允许电流i^*=6A；

(4)计算电流截止负反馈的输出e_i，Δi=i^*-i＝6-i>0，则e_i=Δi=6-i，Δi=i^*-i=6-i<0，e_i=0；

(5)速度负反馈减去电流截止负反馈的输出e_i得到参考斩波幅值F^*，F^*=L-e_i=K_p·e_ω+K_i∫e_ωdt-e_i=K_p·(ω^*-ω)+K_i∫(ω^*-ω)dt-e_i；

(6)参考斩波幅值F^*与周期序列信号F的幅值|F|做差产生PWM斩波信号，ΔF=F^*-|F|=K_p·(ω^*-ω)+K_i∫(ω^*-ω)dt-e_i-|F|，ΔF≥0则PWM=0，ΔF<0则PWM=1。F为频率为f的三角波，f＞0；

(7)计算PWM斩波信号的占空比为

(8)输出电压的有效值给电机三相，完成对无刷直流电机的控制。

在整个运行中重复步骤1到步骤8，即在整个运行中完成对无刷直流电机的控制。

Claims (6)

1.一种无刷直流电机控制方法，其特征在于：根据电机速度反馈值和速度参考值的误差的大小采用位置式PI算法计算出控制这些误差收敛的速度负反馈输出，再减去电流截止负反馈的输出，得到的参考斩波幅值与周期序列信号相与产生PWM斩波信号，通过控制PWM斩波信号的占空比来控制电机相电压，从而控制电机转速的方法，具体依次含有以下步骤：

步骤1：根据设定的速度参考值ω^*和电机速度反馈值ω进行PI调节，得到速度负反馈L，L=K_p·e_ω+K_i∫e_ωdt，K_p为比例增益，K_p>0，K_i为积分增益K_i>0，其中：e_ω=ω^*-ω；

步骤2：速度负反馈减去电流截止负反馈的输出e_i得到参考斩波幅值F^*，F^*=L-e_i=K_p·e_ω+K_i∫e_ωdt-e_i=K_p·(ω^*-ω)+K_i∫(ω^*-ω)dt-e_i；

步骤3：参考斩波幅值F^*与周期序列信号F的幅值|F|做差产生PWM斩波信号，ΔF=F^*-|F|，ΔF≥0则PWM=0，ΔF<0则PWM=1，F为频率f的三角波，f＞0；

步骤4：得到PWM斩波信号为频率f的方波信号，一个周期T内PWM=1的时间为t₁，PWM斩波信号的占空比为

输出电压的有效值U_d为无刷直流电机母线电压，U_d>0，t₁≥0，T>0；

步骤5：将U_rms输出至无刷直流电机的三相。

2.跟据权利要求1所述的无刷直流电机控制方法，其特征在于：所述的步骤1中电机速度反馈值

其中：t为电机磁极信号H1=1到H1下一次为1的时间，t>0，P为电机极对数。

3.根据权利要求1所述的无刷直流电机控制方法，其特征在于：所述步骤1中设定的速度参考值ω^*≤电机额定速度。

4.根据权利要求1所述的无刷直流电机控制方法，其特征在于：所述步骤2中电流截止负反馈的输出e_i的获取为：电机母线电流为i，电机参考电流为i^*，Δi=i^*-i，Δi>0则e_i=Δi，Δi<0则e_i=0，i^*为电机最大的允许电流，i^*>0，i>0。

5.一种实现权利要求1～4任一项所述的无刷直流电机控制方法的装置，其特征在于包括电源变换电路、主控电路、驱动电路、通信电路、电压电流检测电路和霍尔位置检测电路；连接关系为：通信电路通过串口与上位机的输出端相连，并与主控电路连接；主控电路的输出连接驱动电路，驱动电路与电机和电压电流检测电路相连；电压电流连接主控电路，霍尔位置检测电路连接主控电路；

所述通信电路通过串口与上位机的输出端相连，并与主控电路连接；将通信内容通过RS232通信协议与主控电路进行通信；所述通信内容包括电机的启停、调速、母线电压、母线电流；

所述主控电路接收电压电流检测电路和霍尔位置检测电路的信号，及通信电路的控制信号，在主控电路内部进行控制算法的执行，对电压电流检测电路的信号进行处理得到真实的母线电压电流，对霍尔位置检测电路的信号进行处理得到电机速度反馈值，并进行转速闭环产生对应占空比的PWM斩波信号，通过电流截止负反馈对母线电流进行限制，使得系统起动时获得最大的允许电流，主控电路输出的PWM斩波信号给驱动电路；

所述驱动电路接收主控电路的PWM斩波信号的占空比来控制逆变电路功率桥六个功率管的开通和关断，输出三相电压，与电机直接相连；电机得到三相电压，电压的大小决定了电机的转速；

所述霍尔位置检测电路将电机的转子位置信号的电平转换为主控电路可接收的3.3V电压，连接到主控电路；

所述电压电流检测电路检测母线电压电流信号，并转换为主控电路可接收的低于5V以下的电压，连接至主控电路；

所述电源变换电路连接直流电压源，实现电平转换功能，输出信号分别和其他几个电路连接。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述控制器与电机为一体化结构，电机的后端盖作为控制器的前端盖，电机的霍尔线和电源线从电机后端盖的接插件引入控制器；所述控制器包括控制板和驱动板，驱动板在前端，控制板载后端，两层板间采用铜柱连接，控制器内部灌装密封，通过接插件引出通信线和电源线；所述控制板上设有电源变换电路、主控电路、通信电路、电压电流检测电路、霍尔位置检测电路；所述驱动板上设有驱动电路。

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