CN105024596A - 一种反电势过零检测电机稳压控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反电势过零检测电机稳压控制系统，包含无刷直流电机，在所述无刷直流电机上设有依次连接的电机转速检测模块、A/D转换模块、反电势过零检测电路和PWM调节器；所述反电势过零检测电路包含微控制器模块、延时电路模块、中点电压估算模块、过零检测模块、FIPS移相模块、换相控制模块；所述微控制器模块、过零检测模块、FIPS移相模块、换相控制模块依次连接，所述延时电路模块分别与微控制器模块和换相控制模块连接，所述中点电压估算模块连接在微控制器模块和过零检测模块之间实现对控制对象转速的精密调节，不存在死机的问题，满足了电动车对电机控制器稳定运行的要求。

Description

一种反电势过零检测电机稳压控制系统

技术领域

本发明涉及一种电机控制系统，尤其涉及一种反电势过零检测电机稳压控制系统，属于电机控制领域。

背景技术

    随着环境污染和能源危机的双重压力加大，人们对电动车的需求逐步提高。电动车通常包含四大部分：控制系统、电机及其驱动系统、电池和车体。其中，电机及其驱动系统直接决定了电动车的整体特性。相比其他电机，无刷直流电机凭借在能量密度、效率等方面的明显优势，逐渐成为电动车领域的主要选择。而无位置传感器的无刷直流电机，更是避免了位置传感器的安装，简化了结构，节约了成本，提高了电机的可靠性。所以，无位置传感器技术逐渐成为电动车电机驱动领域中的研究热点。

无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。 无刷电机是指无电刷和换向器的电机，又称无换向器电机。早在上世纪诞生电机的时候，产生的实用性电机就是无刷形式，即交流鼠笼式异步电动机，这种电动机得到了广泛的应用。但是，异步电动机有许多无法克服的缺陷，以致电机技术发展缓慢。本世纪中叶诞生了晶体管，因而采用晶体管换向电路代替电刷与换向器的直流无刷电机就应运而生了。这种新型无刷电机称为电子换向式直流电机，它克服了第一代无刷电机的缺陷。

反电动势过零检测法是当前最成熟、应用最广泛的一种转子位置信号检测方法。但其有一些不可避免的缺点，如低速换相不准确、无法自启动等。为了克服这些缺点，本文提出了一种新型的无位置传感器无刷直流电机控制系统。它利用FPGA作为主控芯片，对反电势过零检测算法进行改进，完成在全速范围内对逆变器换相时刻的准确计算；同时还集成了电压、电流双闭环调节器和PWM调制器，实现对控制对象转速的精密调节。总之，系统具有集成度高、调速精度好的特点，不存在程序跑飞和死机的问题，满足了电动车对电机控制器稳定运行的要求。

例如申请号为“201320099638.6”的无刷直流电机控制系统，属于电机控制领域，该实用新型为解决单片机附加许多种接口设备的传统无刷直流电机控制系统复杂，难以实现从速度环到电流环的全数字控制问题。本实用新型包括DSP、功率驱动电路、三相逆变器、相电流检测电路和位置传感器，DSP的PWM指令输出端与功率驱动电路的输入端相连，功率驱动电路的输出端与三相逆变器的输入端相连，三相逆变器的输出端与无刷直流电机的控制端相连；相电流检测电路检测无刷直流电机的三相相电流，相电流检测电路的相电流信号输出端与DSP的相电流信号输入端相连；位置传感器检测无刷直流电机的转子位置信号，位置传感器的转子位置信号输出端与DSP的转子位置信号输入端相连。

又如申请号为“201420545553.0”的一种无刷直流电机控制系统，应用于电动自行车，包括微控制器电路、驱动电路和面板显示电路；微控制器电路由第一电源供电，驱动电路由第二电源供电；微控制器电路上设有电量检测信号输入端口、助力信号输入端口、转向信号输入端口、刹车信号输入端口、模式转换信号输入端口；微控制器电路向驱动电路传递PWM脉宽调制信号、顶端驱动信号和底端驱动信号，驱动电路向微控制器电路反馈速度采集信号和电流采集信号，驱动电路与电机连接；微控制器电路通过I/O接口向面板显示电路传递时钟信号、复位信号和数据信号。该实用新型结构简单，生产成本低，控制精度高，且易推广。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种反电势过零检测电机稳压控制系统。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

    一种反电势过零检测电机稳压控制系统，包含无刷直流电机，在所述无刷直流电机上设有依次连接的电机转速检测模块、A/D转换模块、反电势过零检测电路、稳压电路和PWM调节器；所述反电势过零检测电路包含微控制器模块、延时电路模块、中点电压估算模块、过零检测模块、FIPS移相模块、换相控制模块；所述微控制器模块、过零检测模块、FIPS移相模块、换相控制模块依次连接，所述延时电路模块分别与微控制器模块和换相控制模块连接，所述中点电压估算模块连接在微控制器模块和过零检测模块之间；

    所述稳压电路包含稳压电源芯片、第一电解电容、第二电解电容、电感、第一电阻、第二电阻和二极管，所述第一电解电容的负极分别连接第一电阻的一端和反电势过零检测电路的输出端，第一电阻的另一端连接稳压电源芯片的输入端，二极管的负极分别连接电感的一端和稳压电源芯片的输出端，电感的另一端与第二电阻串联后分别连接PWM调节器的输入端、第二电解电容的负极，第一电解电容的正极、第二电解电容的正极、稳压电源芯片的接地端、二极管的正极与地连接。

    作为本发明一种反电势过零检测电机稳压控制系统的进一步优选方案，所述微控制器模块采用AVR系列单片机。

    作为本发明一种反电势过零检测电机稳压控制系统的进一步优选方案，所述无刷直流电机采用一个额定电压48 V、额定转速3500 r/min的六极对数无刷直流电机。

    作为本发明一种反电势过零检测电机稳压控制系统的进一步优选方案，所述电机转速检测模块的芯片型号为A3144。

    作为本发明一种反电势过零检测电机稳压控制系统的进一步优选方案，所述A/D转换模块的芯片型号为TMS320LF240。

   本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明具有集成度高、调速精度好；

2、本发明利用AVR系列单片机作为主控芯片，对反电势过零检测算法进行改进，完成在全速范围内对逆变器换相时刻的准确计算；同时还集成了电压、电流双闭环调节器和PWM调制器，实现对控制对象转速的精密调节，不存在死机的问题，满足了电动车对电机控制器稳定运行的要求。

附图说明

图1是本发明的结构原理图；

图2是本发明的稳压电路电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

    如图1所示，一种反电势过零检测电机稳压控制系统，包含无刷直流电机，在所述无刷直流电机上设有依次连接的电机转速检测模块、A/D转换模块、反电势过零检测电路、稳压电路和PWM调节器；所述反电势过零检测电路包含微控制器模块、延时电路模块、中点电压估算模块、过零检测模块、FIPS移相模块、换相控制模块；所述微控制器模块、过零检测模块、FIPS移相模块、换相控制模块依次连接，所述延时电路模块分别与微控制器模块和换相控制模块连接，所述中点电压估算模块连接在微控制器模块和过零检测模块之间；

    如图2所示，所述稳压电路包含稳压电源芯片、第一电解电容、第二电解电容、电感、第一电阻、第二电阻和二极管，所述第一电解电容的负极分别连接第一电阻的一端和反电势过零检测电路的输出端，第一电阻的另一端连接稳压电源芯片的输入端，二极管的负极分别连接电感的一端和稳压电源芯片的输出端，电感的另一端与第二电阻串联后分别连接PWM调节器的输入端、第二电解电容的负极，第一电解电容的正极、第二电解电容的正极、稳压电源芯片的接地端、二极管的正极与地连接。

其中，所述微控制器模块采用AVR系列单片机，所述无刷直流电机采用一个额定电压48 V、额定转速3500 r/min的六极对数无刷直流电机，所述电机转速检测模块的芯片型号为A3144，所述A/D转换模块的芯片型号为TMS320LF240。

电机的非导通相端电压由AVR控制电路根据当前的换相控制信号选出，与中点电压估算电路模块计算出虚拟中点电压相减，得到非导通相反电势。利用过零检测模块计算出非导通相反电势过零信号，经过FIPS移相模块逻辑获得滞后过零信号相位角的换相信号，最终生成换相控制信号。为了避免换相过程中由端电压剧烈变化所造成的过零信号误检测，模块还设计了一个延迟电路模块，使得在换相后的一段时间里停止估算反电势。

本发明具有集成度高、调速精度好；利用AVR系列单片机作为主控芯片，对反电势过零检测算法进行改进，完成在全速范围内对逆变器换相时刻的准确计算；同时还集成了电压、电流双闭环调节器和PWM调制器，实现对控制对象转速的精密调节，不存在死机的问题，满足了电动车对电机控制器稳定运行的要求。

反电势过零检测电路能够借助反电势计算模型，估测出转子位置信号，从而控制逆变器换相，使得供电频率与转子转速同步。转速调节器和电流调节器组成了转速、电流双环控制器，调整逆变器输出电压的占空比，从而改变加在无刷直流电机定子上的电压，使得电机以最优的轨迹无静差地跟随转速给定。

AVR单片机具有预取指令功能，即在执行一条指令时，预先把下一条指令取进来，使得指令可以在一个时钟周期内执行；多累加器型，数据处理速度快；AVR单片机具有32个通用工作寄存器，相当于有32条立交桥，可以快速通行；中断响应速度快。AVR单片机有多个固定中断向量入口地址，可快速响应中断；AVR单片机耗能低。对于典型功耗情况，WDT关闭时为100nA，更适用于电池供电的应用设备；有的器件最低1.8 V即可工作；AVR单片机保密性能好。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以再不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种反电势过零检测电机稳压控制系统，包含无刷直流电机，其特征在于：在所述无刷直流电机上设有依次连接的电机转速检测模块、A/D转换模块、反电势过零检测电路、稳压电路和PWM调节器；所述反电势过零检测电路包含微控制器模块、延时电路模块、中点电压估算模块、过零检测模块、FIPS移相模块、换相控制模块；所述微控制器模块、过零检测模块、FIPS移相模块、换相控制模块依次连接，所述延时电路模块分别与微控制器模块和换相控制模块连接，所述中点电压估算模块连接在微控制器模块和过零检测模块之间；

    所述稳压电路包含稳压电源芯片、第一电解电容、第二电解电容、电感、第一电阻、第二电阻和二极管，所述第一电解电容的负极分别连接第一电阻的一端和反电势过零检测电路的输出端，第一电阻的另一端连接稳压电源芯片的输入端，二极管的负极分别连接电感的一端和稳压电源芯片的输出端，电感的另一端与第二电阻串联后分别连接PWM调节器的输入端、第二电解电容的负极，第一电解电容的正极、第二电解电容的正极、稳压电源芯片的接地端、二极管的正极与地连接。

2.根据权利要求1所述的一种反电势过零检测电机稳压控制系统，其特征在于：所述微控制器模块采用AVR系列单片机。

3.根据权利要求1所述的一种反电势过零检测电机稳压控制系统，其特征在于：所述无刷直流电机采用一个额定电压48 V、额定转速3500 r/min的六极对数无刷直流电机。

4.根据权利要求1所述的一种反电势过零检测电机稳压控制系统，其特征在于：所述电机转速检测模块的芯片型号为A3144。

5.根据权利要求1所述的一种反电势过零检测电机稳压控制系统，其特征在于：所述A/D转换模块的芯片型号为TMS320LF240。