CN104779848A - 一种直流无刷电机的控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种直流无刷电机的控制系统，本发明采用PI调节加前馈增量调整，加入超前角调节增量，使直流无刷电机启动更平稳，降低了启动电流，同时恒速运行时速度更稳定，电压、电流波形更平滑。对直流无刷电机运行状况进行监测，使直流无刷电机和电路得到实时的保护。

Description

一种直流无刷电机的控制系统
技术领域
本发明涉及直流无刷电机控制领域，尤其涉及一种直流无刷电机的控制系统。
背景技术
无刷直流电机既有交流电机结构简单、运行可靠的特点，又具有直流电机调速性能好的优点，无论是在动力牵引还是在伺服系统中都具有广泛的应用。传统的直流无刷电机采用方波控制方式，控制简单，容易实现，同时存在转矩脉动、换相噪声等问题，在一些对噪声有要求的应用领域存在局限性。
发明内容
为了克服上述现有技术中的不足，本发明的目的在于，提供一种直流无刷电机的控制系统，使直流无刷电机启动更平稳，降低了启动电流，同时恒速运行时速度更稳定，电压、电流波形更平滑。
为达此目的，本发明包括：PI调节模块、SPWM模块、位置估算模块、反馈模块、逆变模块；
所述PI调节模块用于对输入的转速值和所述反馈模块反馈的转速值进行调制，并将调制后转速值输入给所述SPWM模块；
所述反馈模块用于对直流无刷电机进行转速采样，并将采样到转速值反馈给所述PI调节模块；
所述位置估算模块用于将所述反馈模块采样的估算出直流无刷电机转子位置角度，并将转子位置角度传送给所述SPWM模块；
所述SPWM模块用于根据接收的所述PI调节模块调制后的转速值以及所述位置估算模块估算的转子位置角度，生成与正弦波等效的PWM波，控制所述逆变模块的通断，并通过改变PWM波的频率和幅值，调节所述逆变模块输出电压的频率和幅值；
所述逆变模块用于根据所述SPWM模块生成的PWM波通断，并根据PWM波的频率和幅值，调节输出电压的频率和幅值，来控制直流无刷电机。
优选地，所述PI调节模块包括：比例调节单元和积分调节单元；
所述比例调节单元用于调节控制系统产生的偏差；
所述积分调节单元用于消除控制系统的静态误差。
优选地，所述反馈模块包括：速度计算单元、霍尔采样单元；
所述霍尔采样单元用于对直流无刷电机的转速进行采样；
所述速度计算单元用于根据所述霍尔采样单元采样到的转速，计算出速度值，并传送给所述PI调节模块。
优选地，所述霍尔采样单元采用霍尔元件；
所述霍尔元件设置在直流无刷电机绕组的端部，并超前于直流无刷电机其中一相绕组90°的电角度，且与直流无刷电机的铁芯和绕组设有间隔距离。
优选地，还包括：电压检测处理电路；
所述电压检测处理电路用于对直流无刷电机的电压监控，滤除屏蔽干扰信号。
优选地，还包括：超前角调整模块；
所述超前角调整模块设置在所述位置估算模块与所述SPWM模块之间，用于对所述位置估算模块估算的转子位置角度进行超前角补偿。
优选地，所述反馈模块还包括：滤波单元；
所述滤波单元用于滤除所述霍尔采样单元采样的干扰波。
优选地，还包括：输入电源和隔离运算放大器；
所述输入电源用于给予控制系统内部元件供电；
所述隔离运算放大器与所述输入电源电连接，用于保证所述输入电源提供电压信号的精确度和稳定性。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明采用PI调节加前馈增量调整，加入超前角调节增量，使直流无刷电机启动更平稳，降低了启动电流，同时恒速运行时速度更稳定，电压、电流波形更平滑。对直流无刷电机运行状况进行监测，使直流无刷电机和电路得到实时的保护。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为直流无刷电机的控制系统实施例的整体示意图；
图2为直流无刷电机的控制系统实施例的优选地整体示意图；
图3为PI调节模块原理图以及特性曲线图；
图4为霍尔元件采样特性曲线图；
图5为HCPL-7860隔离运算放大器电路图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将运用具体的实施例及附图，对本发明保护的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利保护的范围。
本实施例提供一种直流无刷电机的控制系统，请参阅图1所示，包括：PI调节模块1、SPWM模块2、位置估算模块6、反馈模块5、逆变模块3；
PI调节模块1用于对输入的转速值和反馈模块5反馈的转速值进行调制，并将调制后转速值输入给SPWM模块2；
反馈模块5用于对直流无刷电机4进行转速采样，并将采样到转速值反馈给PI调节模块1；
位置估算模块6用于将反馈模块5采样的估算出直流无刷电机4转子位置角度，并将转子位置角度传送给SPWM模块2；
SPWM模块2用于根据接收的PI调节模块调制后的转速值以及位置估算模块估算的转子位置角度，生成与正弦波等效的PWM波，控制逆变模块3的通断，并通过改变PWM波的频率和幅值，调节逆变模块3输出电压的频率和幅值；
逆变模块3用于根据SPWM模块2生成的PWM波通断，并根据PWM波的频率和幅值，调节输出电压的频率和幅值，来控制直流无刷电机4。
在本实施例中，PI调节模块1包括：比例调节单元和积分调节单元；比例调节单元用于调节控制系统产生的偏差；积分调节单元用于消除控制系统的静态误差。
具体的，PI调节模块1是同时具有比例和积分运算两种作用的放大器，其电路结构和特性请参阅图3所示，输出电压ΔU2可写成式中：KP＝R2/R1--PI调节模块的比例系数；τv＝R1C2--PI调节模块的积分时间常数。
由式可知，PI调节模块1输入电压ΔU1为—定值时，输出电压ΔU2由一跃变量和随时间线性增长的两部分组成，变化规律图3所示。刚加上ΔU1的瞬间，C2两端电压不能突变，ΔU2＝0，C2相当于短路，调节器只起比例调节的作用，输出电压有一跃变，ΔU2＝-KPΔU1。与此同时C2充电开始积分运算，使输出电压ΔU2在比例输出的基础上，叠加按积分增长的部分，增长的快慢取决于τT＝R1C2。若ΔU1作用的时间足够长，则ΔU2将上升到调节器的最大输出电压ΔUmax(限幅值)，然后保持不变。
PI调节模块1能实现比例、积分两种调节功能，既具有比例调节器较好的动态响应特性，又具有积分调节器的静态无差调节功能。只要输入有一微小信号，积分就进行，直至输出达限幅值为止；在积分过程中，输入信号突然消失(变为零)，其输出还始终保持输入信号消失前的值不变。这种积累、保持特性，使积分调节器能消除控制系统的静态误差。
在本实施例中，请参阅图2所示，还包括：超前角调整模块7；
超前角调整模块7设置在位置估算模块5与SPWM模块2之间，用于对位置估算模块5估算的转子位置角度进行超前角补偿。
优选的，反馈模块5包括：速度计算单元53、霍尔采样单元51；
霍尔采样单元51用于对直流无刷电机的转速进行采样；速度计算单元53用于根据霍尔采样单元51采样到的转速，计算出速度值，并传送给PI调节模块1。
具体的，霍尔采样单元51采用霍尔元件；霍尔元件设置在直流无刷电机绕组的端部，并超前于直流无刷电机其中任意一相绕组90°的电角度，且与直流无刷电机4的铁芯和绕组设有间隔距离。
由此可知。请参阅图4所示，在正弦波无刷直流电机中，在定子适当位置放置一个霍尔元件，测定转子转速，转子匀速旋转时，霍尔元件就会输出一个上升沿和下降沿与转子磁场强度B0的过零点相对应的方波信号，将方波信号分频处理，便得到数字式的转子位置信号θ，用这个数字量去查表，经D/A转换和放大后即得正弦波参考电压。将霍尔元件安装在距离无刷直流电机任一一相绕组超前绕组轴线90°电角度位置最近的齿旁中间。
霍尔元件的安装位置位于绕组端部，距离铁芯和绕组有一定的距离，克服了电枢反应磁场和绕组漏磁场对位置信号的影响。
在本实施例中，反馈模块5还包括：滤波单元52；滤波单元52用于滤除霍尔采样单元51采样的干扰波。
在本实施例中，控制系统还包括：电压检测处理电路8；电压检测电路8用于对直流无刷电机4的电压监控。
具体的，对电机电压和电流实时监控，确保发生外界故障时及时保护电机。电压检测处理电路采取了高性能线性光耦隔离加高精度运放信号处理，使干扰信号能及时滤除屏蔽。
在本实施例中，还包括：输入电源和隔离运算放大器；输入电源用于给予控制系统内部元件供电；隔离运算放大器与输入电源电连接，用于保证输入电源提供电压信号的精确度和稳定性。
具体的，隔离运算放大器采用HCPL-7860隔离运算放大器，请参阅图5所示，它具有较高的共模抑制比，良好的线性度。在高噪音环境下也能确保其精确度和稳定性。根据其参数特性，前端电压信号分压输入电路后端信号输出经过有TL082构成的差动放大器，再由R8、R9、D1(5V稳压二极管)构成的正负极性转换电路将差动放大器的信号转换为5V的单极性电压信号，给予控制系统内部元件供电。
用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种直流无刷电机的控制系统，其特征在于，包括：PI调节模块、SPWM模块、位置估算模块、反馈模块、逆变模块；
所述PI调节模块用于对输入的转速值和所述反馈模块反馈的转速值进行调制，并将调制后转速值输入给所述SPWM模块；
所述反馈模块用于对直流无刷电机进行转速采样，并将采样到转速值反馈给所述PI调节模块；
所述位置估算模块用于将所述反馈模块采样的估算出直流无刷电机转子位置角度，并将转子位置角度传送给所述SPWM模块；
所述SPWM模块用于根据接收的所述PI调节模块调制后的转速值以及所述位置估算模块估算的转子位置角度，生成与正弦波等效的PWM波，控制所述逆变模块的通断，并通过改变PWM波的频率和幅值，调节所述逆变模块输出电压的频率和幅值；
所述逆变模块用于根据所述SPWM模块生成的PWM波通断，并根据PWM波的频率和幅值，调节输出电压的频率和幅值，来控制直流无刷电机。
2.根据权利要求1所述的直流无刷电机的控制系统，其特征在于，
所述PI调节模块包括：比例调节单元和积分调节单元；
所述比例调节单元用于调节控制系统产生的偏差；
所述积分调节单元用于消除控制系统的静态误差。
3.根据权利要求1所述的直流无刷电机的控制系统，其特征在于，
所述反馈模块包括：速度计算单元、霍尔采样单元；
所述霍尔采样单元用于对直流无刷电机的转速进行采样；
所述速度计算单元用于根据所述霍尔采样单元采样到的转速，计算出速度值，并传送给所述PI调节模块。
4.根据权利要求3所述的直流无刷电机的控制系统，其特征在于，
所述霍尔采样单元采用霍尔元件；
所述霍尔元件设置在直流无刷电机绕组的端部，并超前于直流无刷电机其中一相绕组90°的电角度，且与直流无刷电机的铁芯和绕组设有间隔距离。
5.根据权利要求1所述的直流无刷电机的控制系统，其特征在于，
还包括：电压检测处理电路；
所述电压检测处理电路用于对直流无刷电机的电压监控，滤除屏蔽干扰信号。
6.根据权利要求1所述的直流无刷电机的控制系统，其特征在于，
还包括：超前角调整模块；
所述超前角调整模块设置在所述位置估算模块与所述SPWM模块之间，用于对所述位置估算模块估算的转子位置角度进行超前角补偿。
7.根据权利要求3所述的直流无刷电机的控制系统，其特征在于，
所述反馈模块还包括：滤波单元；
所述滤波单元用于滤除所述霍尔采样单元采样的干扰波。
8.根据权利要求1所述的直流无刷电机的控制系统，其特征在于，
还包括：输入电源和隔离运算放大器；
所述输入电源用于给予控制系统内部元件供电；
所述隔离运算放大器与所述输入电源电连接，用于保证所述输入电源提供电压信号的精确度和稳定性。
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