CN104836486A - 一种基于fpga的无刷直流电机节能控制系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的无刷直流电机节能控制系统及控制方法，包括电源模块、功率驱动模块、电流检测模块、AD转换模块、过压保护模块、以FPGA为核心的数据处理单元和无刷直流电机，电流检测模块采集无刷直流电机的电流，送入AD转换模块，得到无刷直流电机三相的相电流信号，传送给以FPGA为核心的数据处理单元；无刷直流电机产生的转子位置信号传送给以FPGA为核心的数据处理单元；以FPGA为核心的数据处理单元根据接收的信号得到PWM信号，将PWM信号与换相信号传送给功率驱动模块；功率驱动模块根据接收的信号产生控制信号，控制无刷直流电机。本发明结构简单、易于实现，并且能够提高电机功率。

Description

一种基于FPGA的无刷直流电机节能控制系统及控制方法
技术领域
本发明属于无刷电机控制领域，尤其涉及一种能够提高电力效率的，基于FPGA的无刷直流电机节能控制系统及控制方法。
背景技术
无刷电机诞生于20世纪60年代后期，是伴随着永磁材料技术、微电子及电力电子技术、控制技术等迅速发展而出现的一种新型电机。
无刷直流电机跟其他电机相比，转矩的平稳性较差，电机耗能增加，效率降低。目前，优化电机性能的方法大都是典型的基于电机损耗模型的优化方法，基于电机损耗模型的优化方法很大程度上依赖电机参数，这些参数会随着电机的不同运行状态改变，需要对损耗模型参数进行在线辨识，实现过程比较复杂。在实际应用中，要对电机的模型进行简化，根据抽象的优化数学模型获得近似最优解，该值与实际最优值之间存在偏差，这样对电机效率的优化效果并不明显，只能实现次优控制。
在实际应用中，由于设计和制作工艺的问题，导致无刷直流电机反电动势波形与电流波形不同相位，因为每相电压和电流谐波的乘积是输出功率，在每个周期输出功率会有负值，平均功率会降低，影响了电机的性能，增加了电机损耗，限制了直流无刷电机在高精度系统中的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种实现过程简单的，基于FPGA的无刷直流电机节能控制系统，本发明的目的还包括提供一种能够提高电机效率的，基于FPGA的无刷直流电机节能控制方法。
一种基于FPGA的无刷直流电机节能控制系统，包括电源模块、功率驱动模块、电流检测模块、AD转换模块、过压保护模块、以FPGA为核心的数据处理单元和无刷直流电机，
电源模块为功率驱动模块、电流检测模块、AD转换模块、以FPGA为核心的数据处理单元和无刷直流电机供电；
过压保护模块采集电源模块的电压，产生过压信号传送给以FPGA为核心的数据处理单元；
电流检测模块采集无刷直流电机的电流，送入AD转换模块，得到无刷直流电机三相的相电流信号，传送给以FPGA为核心的数据处理单元；
无刷直流电机产生的转子位置信号传送给以FPGA为核心的数据处理单元；
以FPGA为核心的数据处理单元根据接收的转子位置信号，产生换相信号，采用节能控制方法，得到三相电流控制量，以FPGA为核心的数据处理单元包括滞环电流调节模块，将三相电流控制量与三相的相电流信号的差值传送给滞环电流调节模块，得到PWM信号，将PWM信号与换相信号传送给功率驱动模块；
功率驱动模块根据接收的信号产生控制信号，控制无刷直流电机。
一种基于FPGA的无刷直流电机节能控制方法，包括以下几个步骤，
步骤一：无刷直流电机正常运转，过压保护模块采集电源模块的电压，产生过压信号传送给以FPGA为核心的数据处理单元；
步骤二：无刷直流电机自带的霍尔传感器检测电机的转子位置，然后把霍尔传感器产生的霍尔信号送到FPGA处理芯片，产生换相信号；
步骤三：电流检测模块采集无刷直流电机的电流，送入AD转换模块，得到无刷直流电机三相的相电流信号ia(t)、ib(t)和ic(t)；
步骤四：根据三相的相电流信号ia(t)、ib(t)和ic(t)计算得到三相电流控制量i'a(t)、i'b(t)和i'c(t)，
i a ′ i b ′ i c ′ = g · e am e bm e cm
其中g是三相电流i'a(t)、i'b(t)和i'c(t)的增益，eam(t)、ebm(t)、ecm(t)为不包含零序分量的三相反电动势；
步骤五：将三相电流控制量i'a(t)、i'b(t)和i'c(t)与三相的相电流信号ia(t)、ib(t)和ic(t)的差值经过滞环电流调节，输出PWM信号；
步骤六：功率驱动模块根据接收的PWM信号与换相信号，产生控制信号，控制无刷直流电机运转。
有益效果：
本发明就是采用电流波形追踪计算出的不包含零序谐波的反电动势波形实现无刷直流电机节能而设计的，保证电机的反电动势波形与电流波形同相位，并且不依赖电机参数。
本发明控制方法采用定子电流波形追踪不包含零序谐波的反电动势波形的方法，提高电机的效率，不依赖电机参数，精度提高；核心处理器采用FPGA，该发明不仅需要硬件电路的设计，还需要复杂的软件算法和控制方法加以实现，来保证电机的正常运行。运算速度快与数据处理能力强的FPGA芯片为核心的控制系统可以实现更复杂的控制算法。
本发明涉及一种基于FPGA的无刷直流电机节能控制系统，采用运算速度快与数据处理能力强的FPGA芯片作为核心的数据处理单元，可以实现复杂的控制算法，运用数字控制技术实现对无刷直流电机的控制。本发明中采用的节能方法不需要对电机的模型进行简化，不依赖电机参数，实现过程简单，能够克服由于设计和制作工艺问题造成的无刷直流电机反电动势波形与电流波形不同相位的问题，保证无刷直流电机的效率得到提高，具有着深远的学术意义。
附图说明
图1为本发明控制系统的基本组成框图；
图2为本发明控制的数据处理单元FPGA芯片的原理图；
图3(a)为反电动势波形的谐波分析图，图3(b)为消除零序谐波后的反电动势波形的谐波分析图；
图4为霍尔信号与电流流向的关系表。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。
一种基于FPGA的无刷直流电机节能的控制系统，包括电源模块、功率驱动模块、电流检测模块、AD转换模块、过压保护模块、以FPGA为核心的数据处理单元；过压保护模块对直流侧母线电压进行检测，电流检测模块连接AD模块，AD转换模块分别连接以FPGA为核心的数据处理单元，以FPGA为核心的数据处理单元连接功率驱动模块，电源模块为上述各模块供电。电机连接该系统的电流检测模块、功率驱动模块和过压保护模块。
以FPGA为核心的数据处理单元由EP3C16Q240C8的外围硬件电路组成。
本发明还提供一种基于FPGA的无刷直流电机节能控制方法，包括如下步骤：
(1)无刷直流电机的三相电压分别用ea(t)、eb(t)、ec(t)表示，三相电流分别用ia(t)、ib(t)、ic(t)表示，并对它们进行傅里叶变换，而每相电压和电流谐波乘积的和是电磁功率，设为Pe。所以在计算电磁功率的值时，应该把各次谐波都考虑在内。要使电机的效率提高，那么每相电压和电流的谐波应该保持同相位，另外电流的均方根值和电压的均方根值分别等于额定电流和额定电压也是约束条件之一，可得到定子电流跟反电动势的关系。本发明采用线性追踪思想，使电流波形追踪计算出的反电动势波形，该反电动势波形中不包含零序谐波。
(2)要消除反电动势EMF的零序分量，本发明采用零序消除的方法，也就是三相反电动势的叠加减去零序谐波以后等于其他次谐波，而其他次谐波的叠加为零，由此可推出不包含零序谐波的反电动势。
如图1所示，一种基于FPGA的无刷直流电机节能的控制系统，有电源模块、功率驱动模块、电流检测模块、AD转换模块、过压保护模块、以FPGA为核心的数据处理单元；过压保护模块对直流侧母线电压进行检测，电流检测模块连接AD模块，AD转换模块分别连接以FPGA为核心的数据处理单元，以FPGA为核心的数据处理单元连接功率驱动模块，电源模块为上述各模块供电。包括如下部分：
(1)电源模块为其他各个模块供电，保证整个控制系统能够正常工作；
(2)过压保护模块是对步骤(1)中电源模块提供的直流母线电压进行检测，把产生的过压信号送到FPGA处理芯片；
(3)为了保证无刷直流电机能够正常运转，通过无刷直流电机自带的霍尔传感器检测电机的转子位置，然后把霍尔传感器产生的霍尔信号送到FPGA处理芯片，产生换相信号，用来控制电机进行正确换相。
(4)电流检测模块通过电流传感器对无刷直流电机的电流进行采样，送入AD转换模块，输出a、b、c三相相电流信号ia(t)、ib(t)和ic(t)，送到FPGA处理芯片。
(5)在FPGA处理芯片中采用节能控制方法，得到三相电流i'a(t)、i'b(t)和i'c(t)，与步骤(4)中采集的三相相电流信号ia(t)、ib(t)和ic(t)进行比较，得到的差值分别经过滞环电流调节，输出PWM信号，由FPGA芯片送出相应的六路PWM信号，跟步骤(3)中产生的换相信号共同控制功率驱动模块中的六个开关管的导通与关断，实现无刷直流电机的控制。该控制系统以FPGA芯片为核心的数据处理单元选用的是EP3C16Q240C8，该型号的FPGA前所未有的同时实现了低功耗、高性能和低成本，使其在工业控制领域的应用得到进一步的提高。数据处理单元FPGA芯片的原理图如图2所示。
本发明还提供一种基于FPGA的无刷直流电机节能控制方法，包括如下步骤：
(1)为了保证无刷直流电机能够正常运转，通过无刷直流电机自带的霍尔传感器检测电机的转子位置，然后把霍尔传感器产生的霍尔信号送到FPGA处理芯片，产生换相信号，用来控制电机进行正确换相。本发明中所用无刷直流电机正转时，霍尔信号与电机绕组a、b、c中电流流向的关系如图4所示。
(2)无刷直流电机的电磁功率Pe＝ia(t)ea(t)+ib(t)eb(t)+ic(t)ec(t)，其中三相相电流ia(t)、ib(t)和ic(t)和三相反电动势ea(t)、eb(t)、ec(t)分别表示为傅里叶变换的展开式，本发明中使用的反电动势不包含零序分量，通过零序消除的方法得到，每相反电动势包括零序分量和其他分量，其中三相反电动势相加时，其他分量的和为0，那么三相反电动势的和是由三相零序分量的和以及0组成，并且a、b、c三相的零序分量相等，由此推出不包含零序分量的反电动势eam(t)、ebm(t)、ecm(t)，跟线反电动势呈正比例的关系，线反电动势通过无刷直流电机的电压等式推出，其中线反电动势是指三相反电动势ea(t)、eb(t)、ec(t)两两之间作差。反电动势谐波分析图如图3所示。
(3)把无刷直流电机的电磁功率Pe作为使电机效率提高的一个约束条件，另外保证三相相电流信号ia(t)、ib(t)和ic(t)的均方根值等于额定电流以及三相反电动势ea(t)、eb(t)、ec(t)的均方根值等于额定电压，也作为约束条件之一。对电磁功率Pe求各次电流谐波幅值的偏导数，使各个偏导数均等于0，由此推导出三相电流i'a(t)、i'b(t)和i'c(t)与步骤(4)中不包含零序分量的反电动势eam(t)、ebm(t)、ecm(t)的关系为：
i a ′ i b ′ i c ′ = g · e am e bm e cm
其中g是三相电流i'a(t)、i'b(t)和i'c(t)的增益，通过三相相电流信号ia(t)、ib(t)和ic(t)的均方根值跟不包含零序分量的反电动势eam(t)、ebm(t)、ecm(t)的均方根值的比值得到。
(4)电流检测部分是通过AD转换芯片，采集无刷直流电机a、b、c三相的相电流信号ia(t)、ib(t)和ic(t)，送到FPGA处理芯片。
(5)步骤(3)中得到的三相电流i'a(t)、i'b(t)和i'c(t)，分别与步骤(4)中采集的三相相电流信号ia(t)、ib(t)和ic(t)进行比较，得到的差值分别经过滞环电流调节，输出PWM信号，由FPGA芯片送出相应的六路PWM信号，跟步骤(1)中产生的换相信号共同控制功率驱动模块中的六个开关管的导通与关断，实现无刷直流电机的控制。
本发明提供了一种基于FPGA的无刷直流电机节能控制系统，提高了电机的效率。

Claims (2)

1.一种基于FPGA的无刷直流电机节能控制系统，其特征在于：包括电源模块、功率驱动模块、电流检测模块、AD转换模块、过压保护模块、以FPGA为核心的数据处理单元和无刷直流电机，
电源模块为功率驱动模块、电流检测模块、AD转换模块、以FPGA为核心的数据处理单元和无刷直流电机供电；
过压保护模块采集电源模块的电压，产生过压信号传送给以FPGA为核心的数据处理单元；
电流检测模块采集无刷直流电机的电流，送入AD转换模块，得到无刷直流电机三相的相电流信号，传送给以FPGA为核心的数据处理单元；
无刷直流电机产生的转子位置信号传送给以FPGA为核心的数据处理单元；
以FPGA为核心的数据处理单元根据接收的转子位置信号，产生换相信号，采用节能控制方法，得到三相电流控制量，以FPGA为核心的数据处理单元包括滞环电流调节模块，将三相电流控制量与三相的相电流信号的差值传送给滞环电流调节模块，得到PWM信号，将PWM信号与换相信号传送给功率驱动模块；
功率驱动模块根据接收的信号产生控制信号，控制无刷直流电机。
2.基于权利要求1所述的一种基于FPGA的无刷直流电机节能控制系统的控制方法，其特征在于：包括以下几个步骤，
步骤一：无刷直流电机正常运转，过压保护模块采集电源模块的电压，产生过压信号传送给以FPGA为核心的数据处理单元；
步骤二：无刷直流电机自带的霍尔传感器检测电机的转子位置，然后把霍尔传感器产生的霍尔信号送到FPGA处理芯片，产生换相信号；
步骤三：电流检测模块采集无刷直流电机的电流，送入AD转换模块，得到无刷直流电机三相的相电流信号ia(t)、ib(t)和ic(t)；
步骤四：根据三相的相电流信号ia(t)、ib(t)和ic(t)计算得到三相电流控制量i'a(t)、i'b(t)和i'c(t)，
i a ′ i b ′ i c ′ = g · e am e bm e cm
其中g是三相电流i'a(t)、i'b(t)和i'c(t)的增益，eam(t)、ebm(t)、ecm(t)为不包含零序分量的三相反电动势；
步骤五：将三相电流控制量i'a(t)、i'b(t)和i'c(t)与三相的相电流信号ia(t)、ib(t)和ic(t)的差值经过滞环电流调节，输出PWM信号；
步骤六：功率驱动模块根据接收的PWM信号与换相信号，产生控制信号，控制无刷直流电机运转。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112100569A (zh) * 2020-08-24 2020-12-18 瑞声新能源发展(常州)有限公司科教城分公司 基于频域分析的电机参数追踪方法、装置、设备和介质

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103066899A (zh) * 2012-12-15 2013-04-24 安徽工程大学 一种基于z源的直流无刷电机驱动器及其控制方法
CN103580558A (zh) * 2012-08-10 2014-02-12 金华英科尔电机有限公司 一种基于直流无刷电机相电流相位角的控制装置及方法
US8823299B2 (en) * 2010-12-07 2014-09-02 Electronics And Telecommunications Research Institute Power supply module for hall sensorless brushless direct current motor
CN204179972U (zh) * 2014-09-01 2015-02-25 常州乐士雷利电机有限公司 具有反接保护功能的三相全波无刷直流电机控制系统

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8823299B2 (en) * 2010-12-07 2014-09-02 Electronics And Telecommunications Research Institute Power supply module for hall sensorless brushless direct current motor
CN103580558A (zh) * 2012-08-10 2014-02-12 金华英科尔电机有限公司 一种基于直流无刷电机相电流相位角的控制装置及方法
CN103066899A (zh) * 2012-12-15 2013-04-24 安徽工程大学 一种基于z源的直流无刷电机驱动器及其控制方法
CN204179972U (zh) * 2014-09-01 2015-02-25 常州乐士雷利电机有限公司 具有反接保护功能的三相全波无刷直流电机控制系统

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112100569A (zh) * 2020-08-24 2020-12-18 瑞声新能源发展(常州)有限公司科教城分公司 基于频域分析的电机参数追踪方法、装置、设备和介质
CN112100569B (zh) * 2020-08-24 2024-04-02 瑞声新能源发展(常州)有限公司科教城分公司 基于频域分析的电机参数追踪方法、装置、设备和介质

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