CN105356796B - 永磁无刷直流电动机无位置传感器控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于电机控制理论技术领域，具体涉及一种永磁无刷直流电动机无位置传感器控制系统。本发明包括硬件电路和系统程序两大部分。本发明能够在无位置传感器的状态下实现电动机的平稳启动和可靠运行，避免了有传感器控制电路结构复杂、维护工作量大、抗干扰能力差的缺点，简化了硬件电路，降低了控制系统成本，有效的推动了永磁无刷直流电动机的应用。

Description

永磁无刷直流电动机无位置传感器控制系统

技术领域

本发明属于电机控制理论技术领域，具体涉及一种永磁无刷直流电动机无位置传感器控制系统。

背景技术

电动机作为将电能转换为机械能的主要装置，据设备工程监理国际合作论坛数据显示：电动机的数量消耗了中国工业行业当中60%的电能。同步电动机、异步电动机和直流电动机是电动机的主要类型。直流电动机包括有刷直流电动机和无刷直流电动机两种类型，有刷直流电动机采用机械结构和电刷进行换向，由于机械摩擦容易产生火花、噪音和信号干扰严重限制了该类电机的应用范围。无刷直流电动机（Brushless Direct CurrentMotor）是采用电子换相取代传统机械换向的直流电动机，具有结构简单、运行可靠、无励磁损耗和调速范围好等优点，在煤矿、军事、航空和医疗器械等各个领域具有广泛的应用。

传统永磁无刷直流电动机依靠位置传感器来检测转子磁极位置，常用的传感器有电磁式位置传感器、磁敏式位置传感器、旋转变压器和光电编码器等。外置式传感器具有安装困难、不易维护、成本高和降低系统抗干扰能力等弊端，在一定程度上限制了永磁无刷直流电动机的应用场合。在永磁无刷直流电动机控制过程依靠检测电机的磁链、电压、和电流等变量来计算电动机转子位置，取消位置传感器是当今控制领域的发展趋势。

发明内容

为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提出一种永磁无刷直流电动机无位置传感器控制系统，目的是在电动机开始运行时采用“三段式”法启动，运行过程利用反电动势法检测电机转子位置实现准确换相和调速，同时具有过流、过温保护功能。

本发明是通过以下技术方案来实现发明目的：

永磁无刷直流电动机无位置传感器控制系统，包括硬件电路和系统程序两部分，其中硬件电路部分是由整流单元的输出端和电网直接相连接，整流单元的输出端和滤波单元的输入端相连接，滤波单元的输出端和逆变单元的输入端相连接，逆变单元的输出端和电动机的三相绕组相连接，逆变单元的控制端和隔离驱动单元的输出端相连接，隔离驱动单元的输入端和DSP最小系统的PWM信号输出端相连接，控制面板的输出端和DSP最小系统的输入端相连接，显示单元的输入端和DSP最小系统的输出端相连接，电流传感器与电动机的三相绕组相连接，电流传感器的输出端和信号处理单元A的输入端相连接，信号处理单元A的输出端与DSP最小系统的输入端相连接，温度传感器固定在电动机和逆变单元的表面，温度传感器的输出端和信号处理单元B的输入端相连接，信号处理单元B的输出端与DSP最小系统的输入端相连接，电压互感器与电动机的三相绕组相连接，电压互感器的输出端和光耦隔离单元的输入端相连接，光耦隔离单元的输出端和低通滤波单元的输入端相连接，低通滤波单元的输出端和过零比较单元的输入端相连接，过零比较单元的输出端与DSP最小系统的输入端相连接。

所述的DSP最小系统包括DSP、电源单元、编程接口、复位单元和指示灯，其中电源单元的输入端和电网相连接，电源单元的输出端和DSP的电源输入端口相连接，编程单元的输入端通过仿真器和计算机的串口相连接，编程单元的输出端和DSP的程序输入端口相连接，复位单元的输出端和DSP的输入端相连接，指示灯的输入端和DSP的输出端相连接。

所述的永磁无刷直流电动机转子在定子绕组产生的电磁场作用下按照一定方向连续运转，转子旋转形成导体切割磁力线的情况，根据电磁感应定律，导体切割磁力线运动会在导体中产生感应电动势，即定子绕组产生运动电势，通常称为反电动势；在永磁无刷直流电动机中某相绕组的反电动势为零时，转子直轴与该相绕组的轴线正好重合，通过检测各相绕组反电动势的过零点得到转子的若干关键位置，处理器对转子位置信号进行分析输出合适的控制信号，保证无刷直流电机持续运转，即反电动势法控制方法。

所述的反电动势的过零点与换相时刻关系是，在ωt=30°电角度时刻是A相绕组反电势过零点时刻，信通信息反馈电路捕捉到这一时刻后延时30°电角度，发送驱动信号使A相绕组导通120°电角度，在180°电角度时刻关断A相绕组驱动信号，发送B相绕组驱动信号，B相绕组导通；此过程重复进行，实现驱动电动机持续运转，并且保证在最佳换相时刻切换绕组导通顺序，有效地抑制转矩脉动对电动机运转的影响。

所述的系统程序两部分是利用DSP的强大数据处理能力，实现控制系统数据采集处理、电机绕组换相、零速起动、速度计算和调节功能；采用模块化集成设计思想，将先系统程序分为系统初始化、控制系统主程序和各个功能子程序三部分模块进行分别设计，然后在有机组成一个整体实现系统软件的全部功能；初始化模块的功能是设置系统时钟、系统中断、看门狗、事件管理器和I/O端口，并实现程序中涉及的各个变量的初始化；主程序模块实现电动机零速起动、控制方式转换及各个模块间的任务切换，各个功能子程序模块实现电动机转子位置判断、绕组换相、速度和电流计算。

所述的永磁无刷直流电动机静止时刻反电动势为零，电枢绕组换相时刻无法通过“反电动势法”获取，所以无位置传感器控制系统在电机起动时需要依靠其他控制方式；系统采用“转子预定位”、“外同步加速”和“外同步与内同步切换”三段式启动策略；转子预定位是指让电机的某两相在足够电压的情况下通入一定时间（t）电流，产生一个方向固定的磁场，电磁转矩驱动电机转子到预定位置，转子达到预定位置后，采用升频升压的方式对电机进行加速直到能够产生足够的反电动势（i＞=20）；DSP能够采集反电动势过零点信号，调节系统控制方式从外加速阶段切换到内加速阶段。

所述的系统程序的主程序流程如下：

（1）DSP内部初始化；

（2）系统开环启动，转子预定位；

（3）外同步加速向无位置传感器控制切换；

（4）反电动势法闭环控制；

（5）程序结束。

所述开环启动流程如下：

（1）程序开始；

（2）判断定位是否完成，完成执行步骤（3），否则执行步骤（1）；

（3）设置TIPR和EV模块；

（4）设置COMPR和t值；

（5）判断导电时间t，达到设置值执行步骤（6），否则执行步骤（5）；

（6）点击绕组换相；

（7）判断一转是否结束，结束执行步骤（8），否则执行步骤（5）；

（8）判断i是否大于等于20，是执行步骤（9），否则执行步骤（4）；

（9）电机运行模式切换。

本发明的优点及有益效果是：

本发明能够在无位置传感器的状态下实现电动机的平稳启动和可靠运行，避免了有传感器控制电路结构复杂、维护工作量大、抗干扰能力差的缺点，简化了硬件电路，降低了控制系统成本，有效的推动了永磁无刷直流电动机的应用。

下面结合附图和具体实施例对本发明加以详细的说明。

附图说明

图1是本发明永磁无刷直流电动机无位置传感器控制系统电路结构简图；

图2是本发明中DSP最小系统结构图；

图3是本发明反电动势过零点与换相时刻关系图;

图4是本发明系统主程序流程图

图5 是本发明开环启动过程流程图

图中：1、整流单元；2、滤波单元；3、逆变单元；4、隔离驱动单元；5、控制面板；6、显示单元；7、DSP最小系统；8、信号处理单元A；9、信号处理单元B；10、过零比较单元；11、低通滤波单元；12、光耦隔离单元；13、电流传感器；14、温度传感器；15、电压互感器；16、电动机；17、电网；18、DSP；19、电源单元；20、编程接口；21、复位单元；22、指示灯。

具体实施方式

如图1-图5所示，本发明是一种永磁无刷直流电动机无位置传感器控制系统。

主要包括硬件电路和系统程序两部分，硬件电路结构简图如图1所示，主要包括整流单元1、滤波单元2、逆变单元3、隔离驱动单元4、控制面板5、显示单元6、DSP最小系统7、信号处理单元A8、信号处理单元B9、过零比较单元10、低通滤波单元11、光耦隔离单元12、电流传感器13、温度传感器14、电压互感器15、电动机16和电网17，其中整流单元1的输出端和电网17直接相连接，整流单元1的输出端和滤波单元2的输入端相连接，滤波单元2的输出端和逆变单元3的输入端相连接，逆变单元3的输出端和电动机16的三相绕组相连接，逆变单元3的控制端和隔离驱动单元4的输出端相连接，隔离驱动单元4的输入端和DSP最小系统7的PWM信号输出端相连接，控制面板5的输出端和DSP最小系统7的输入端相连接，显示单元6的输入端和DSP最小系统7的输出端相连接，电流传感器13与电动机16的三相绕组相连接，电流传感器13的输出端和信号处理单元A8的输入端相连接，信号处理单元A8的输出端与DSP最小系统7的输入端相连接，温度传感器14固定在电动机16和逆变单元3的表面，温度传感器14的输出端和信号处理单元B9的输入端相连接，信号处理单元B9的输出端与DSP最小系统7的输入端相连接，电压互感器15与电动机16的三相绕组相连接，电压互感器15的输出端和光耦隔离单元12的输入端相连接，光耦隔离单元12的输出端和低通滤波单元11的输入端相连接，低通滤波单元11的输出端和过零比较单元10的输入端相连接，过零比较单元10的输出端与DSP最小系统7的输入端相连接。

本发明涉及的DSP最小系统结构图如图2所示，包括DSP 18、电源单元19、编程接口20、复位单元21和指示灯22，其中电源单元19的输入端和电网17相连接，电源单元19的输出端和DSP 18的电源输入端口相连接，编程单元20的输入端通过仿真器和计算机的串口相连接，编程单元20的输出端和DSP 18的程序输入端口相连接，复位单元21的输出端和DSP 18的输入端相连接，指示灯22的输入端和DSP 18的输出端相连接。

永磁无刷直流电动机转子在定子绕组产生的电磁场作用下按照一定方向连续运转。转子旋转形成导体切割磁力线的情况，根据电磁感应定律，导体切割磁力线运动会在导体中产生感应电动势，即定子绕组产生运动电势，通常称为反电动势。在永磁无刷直流电动机中某相绕组的反电动势为零时，转子直轴与该相绕组的轴线正好重合，所以可以通过检测各相绕组反电动势的过零点得到转子的若干关键位置，处理器对转子位置信号进行分析输出合适的控制信号，保证无刷直流电机持续运转，即反电动势法控制方法。

图3为反电动势的过零点与换相时刻关系图，图中在ωt=30°电角度时刻是A相绕组反电势过零点时刻，信通信息反馈电路捕捉到这一时刻后延时30°电角度，发送驱动信号使A相绕组导通120°电角度，在180°电角度时刻关断A相绕组驱动信号，发送B相绕组驱动信号，B相绕组导通。此过程重复进行，实现驱动电动机持续运转，并且保证在最佳换相时刻切换绕组导通顺序，能够有效地抑制转矩脉动对电动机运转的影响。

系统程序利用DSP的强大数据处理能力，实现控制系统数据采集处理、电机绕组换相、零速起动、速度计算和调节等功能。采用模块化集成设计思想，可以将先系统程序分为系统初始化、控制系统主程序和各个功能子程序三部分模块进行分别设计，然后在有机组成一个整体实现系统软件的全部功能。初始化模块的功能是设置系统时钟、系统中断、看门狗、事件管理器和I/O端口，并实现程序中涉及的各个变量的初始化。主程序模块功能是实现电动机零速起动、控制方式转换及各个模块间的任务切换，主程序流程如图4所示。各个功能子程序模块功能是实现电动机转子位置判断、绕组换相、速度和电流计算等。

永磁无刷直流电动机无位置传感器控制主程序流程如下：

（1）DSP内部初始化；

（2）系统开环启动，转子预定位；

（3）外同步加速向无位置传感器控制切换；

（4）反电动势法闭环控制；

（5）程序结束。

永磁无刷直流电动机静止时刻反电动势为零，电枢绕组换相时刻无法通过“反电动势法”获取，所以无位置传感器控制技术在电机起动时需要依靠其他控制方式。开环启动过程软件流程如图5所示，系统采用“转子预定位”、“外同步加速”和“外同步与内同步切换”三段式启动策略。转子预定位是指让电机的某两相在足够电压的情况下通入一定时间（t）电流，产生一个方向固定的磁场，电磁转矩驱动电机转子到预定位置，转子达到预定位置后，采用升频升压的方式对电机进行加速直到能够产生足够的反电动势（i＞=20）。DSP能够采集反电动势过零点信号，调节系统控制方式从外加速阶段切换到内加速阶段。

如图5所示，永磁无刷直流电动机无位置传感器控制开环启动流程如下：

（1）程序开始；

（2）判断定位是否完成，完成执行步骤（3），否则执行步骤（1）；

（3）设置TIPR和EV模块；

（4）设置COMPR和t值；

（5）判断导电时间t，达到设置值执行步骤（6），否则执行步骤（5）；

（6）点击绕组换相；

（7）判断一转是否结束，结束执行步骤（8），否则执行步骤（5）；

（8）判断i是否大于等于20，是执行步骤（9），否则执行步骤（4）；

（9）电机运行模式切换。

Claims (1)

1.永磁无刷直流电动机无位置传感器控制系统，其特征是：包括硬件电路和系统程序两部分，其中硬件电路部分是由整流单元（1）的输出端和电网（17）直接相连接，整流单元（1）的输出端和滤波单元（2）的输入端相连接，滤波单元（2）的输出端和逆变单元（3）的输入端相连接，逆变单元（3）的输出端和电动机（16）的三相绕组相连接，逆变单元（3）的控制端和隔离驱动单元（4）的输出端相连接，隔离驱动单元（4）的输入端和DSP最小系统（7）的PWM信号输出端相连接，控制面板（5）的输出端和DSP最小系统（7）的输入端相连接，显示单元（6）的输入端和DSP最小系统（7）的输出端相连接，电流传感器（13）与电动机（16）的三相绕组相连接，电流传感器（13）的输出端和信号处理单元A（8）的输入端相连接，信号处理单元A（8）的输出端与DSP最小系统（7）的输入端相连接，温度传感器（14）固定在电动机（16）和逆变单元（3）的表面，温度传感器（14）的输出端和信号处理单元B（9）的输入端相连接，信号处理单元B（9）的输出端与DSP最小系统（7）的输入端相连接，电压互感器（15）与电动机（16）的三相绕组相连接，电压互感器（15）的输出端和光耦隔离单元（12）的输入端相连接，光耦隔离单元（12）的输出端和低通滤波单元（11）的输入端相连接，低通滤波单元（11）的输出端和过零比较单元（10）的输入端相连接，过零比较单元（10）的输出端与DSP最小系统（7）的输入端相连接；

所述的DSP最小系统（7）包括DSP （18）、电源单元（19）、编程接口（20）、复位单元（21）和指示灯（22），其中电源单元（19）的输入端和电网（17）相连接，电源单元（19）的输出端和DSP（18）的电源输入端口相连接，编程单元（20）的输入端通过仿真器和计算机的串口相连接，编程单元（20）的输出端和DSP （18）的程序输入端口相连接，复位单元（21）的输出端和DSP（18）的输入端相连接，指示灯（22）的输入端和DSP （18）的输出端相连接；

所述的永磁无刷直流电动机转子在定子绕组产生的电磁场作用下按照一定方向连续运转，转子旋转形成导体切割磁力线的情况，根据电磁感应定律，导体切割磁力线运动会在导体中产生感应电动势，即定子绕组产生运动电势，通常称为反电动势；在永磁无刷直流电动机中某相绕组的反电动势为零时，转子直轴与该相绕组的轴线正好重合，通过检测各相绕组反电动势的过零点得到转子的若干关键位置，处理器对转子位置信号进行分析输出合适的控制信号，保证无刷直流电机持续运转，即反电动势法控制方法；

所述的反电动势的过零点与换相时刻关系是，在ωt=30°电角度时刻是A相绕组反电势过零点时刻，信通信息反馈电路捕捉到这一时刻后延时30°电角度，发送驱动信号使A相绕组导通120°电角度，在180°电角度时刻关断A相绕组驱动信号，发送B相绕组驱动信号，B相绕组导通；此过程重复进行，实现驱动电动机持续运转，并且保证在最佳换相时刻切换绕组导通顺序，有效地抑制转矩脉动对电动机运转的影响；所述的系统程序是利用DSP的强大数据处理能力，实现控制系统数据采集处理、电机绕组换相、零速起动、速度计算和调节功能；采用模块化集成设计思想，将先系统程序分为系统初始化、控制系统主程序和各个功能子程序三部分模块进行分别设计，然后再有机组成一个整体实现系统软件的全部功能；初始化模块的功能是设置系统时钟、系统中断、看门狗、事件管理器和I/O端口，并实现程序中涉及的各个变量的初始化；主程序模块实现电动机零速起动、控制方式转换及各个模块间的任务切换，各个功能子程序模块实现电动机转子位置判断、绕组换相、速度和电流计算；

所述的永磁无刷直流电动机静止时刻反电动势为零，电枢绕组换相时刻无法通过“反电动势法”获取，所以无位置传感器控制系统在电机起动时，系统采用“转子预定位”、“外同步加速”和“外同步与内同步切换”三段式启动策略；转子预定位是指让电机的某两相在足够电压的情况下通入一定时间（t）电流，产生一个方向固定的磁场，电磁转矩驱动电机转子到预定位置，转子达到预定位置后，采用升频升压的方式对电机进行加速直到能够产生足够的反电动势；DSP能够采集反电动势过零点信号，调节系统控制方式从外加速阶段切换到内加速阶段；

所述的系统程序的主程序流程如下：

（1）DSP内部初始化；

（2）系统开环启动，转子预定位；

（3）外同步加速向无位置传感器控制切换；

（4）反电动势法闭环控制；

（5）程序结束；

所述开环启动流程如下：

（1）程序开始；

（2）判断定位是否完成，完成执行步骤（3），否则执行步骤（1）；

（3）设置TIPR和EV模块；

（4）设置COMPR和t值；

（5）判断导电时间t，达到设置值执行步骤（6），否则执行步骤（5）；

（6）点击绕组换相；

（7）判断一转是否结束，结束执行步骤（8），否则执行步骤（5）；

（8）判断i是否大于等于20，是执行步骤（9），否则执行步骤（4）；

（9）电机运行模式切换。