CN105391364A - 一种无刷直流电机无位置传感器控制系统及控制方法 - Google Patents

一种无刷直流电机无位置传感器控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

一种无刷直流电机无位置传感器控制系统及控制方法，该系统包括复合电源、主电路、无刷直流电机及DSP控制器，复合电源、主电路与无刷直流电机依次相连，主电路经采样电路连接DSP控制器，DSP控制器分别经驱动电路和保护电路连接主电路，DSP控制器连接接口电路和功能按键；该方法包括：一、检测相电压反电势信号与相电流信号，二、计算线反电势，三、确定转子位置，四、进行逆变换，五、产生PWM占空。本发明通过线反电势法检测电机在启动与低速阶段的反电势，并将改进线反电势法融入FOC算法，简化了FOC算法在位置与速度的计算过程，提高了系统的实时性与控制精度，达到改善电机动态性能的目的。

Description

一种无刷直流电机无位置传感器控制系统及控制方法
技术领域：
本发明涉及无刷直流电机控制领域，具体涉及一种无刷直流电机无位置传感器控制系统及控制方法。
背景技术：
传统的无刷直流电机控制系统为获得准确的转子位置信号，一般采用霍尔磁敏式、电磁式或光电式等位置传感器进行检测。但是，用位置传感器不但增大了电机的体积和成本，而且维修困难；同时不能适应高温、高湿等恶劣的工作环境，在某些工业应用场合甚至不允许使用；又由于传感器连线较多，容易受到外界信号的干扰，降低了电机运行的可靠性。同时传统的无刷直流电机控制方法以梯形方式驱动定子，会导致输出转矩出现振荡，控制精度较低。
线反电动势法是无刷直流电机常用的无位置传感器控制方法，绕组换相时刻由线反电势过零点直接得到，有效的提高了变速过程中的换相精度。但现有的线反电动势法控制FOC算法中对于位置检测采用EMF方式，利用检测到的相电流经过Clark变换后得到的旋转分量进行大量变换计算后才能估算出转子位置，并且存在相电流检测误差累积运用于转子位置估算，从而导致位置信号检测不准确，引起电压矢量误差大，导致电机输出转矩波动大，当电机处于静止或空载时，由于相电流很小，将导致电机转子位置确定困难，无法准确确定转子位置，从而引起控制失败。
发明内容：
本发明为克服现有技术的不足，提供了一种无刷直流电机无位置传感器控制系统及控制方法，可通过线电势法实时检测电机在启动与低速阶段的反电势，并将带有位置补偿的线反电势法融入FOC算法，简化了FOC算法在位置与速度的计算过程，提高了系统的实时性与控制精度，达到改善电机动态性能的目的。
本发明的无刷直流电机无位置传感器控制系统，为实现上述目的所采用的技术方案在于：包括由超级电容器和锂电池组成的复合电源、由双向DC-DC变换器和逆变器组成的主电路、无刷直流电机及DSP控制器，所述复合电源、主电路与无刷直流电机依次相连，主电路通过采样电路连接DSP控制器，DSP控制器分别通过驱动电路和保护电路连接主电路，DSP控制器连接接口电路和功能按键。
作为本控制系统的进一步改进，所述DSP控制器连接显示设备，通过显示设备显示电机的相关运行参数。
本发明的无刷直流电机无位置传感器控制方法，为实现上述目的所采用的技术方案在于由以下步骤构成：
步骤一、检测相电压反电势信号与相电流信号，相电压反电势信号的检测是通过基于端电压的采样电路中的端电压检测电路经过电阻分压采样电路与第一RC滤波电路低通滤波后，再经过由第一运算放大器构成的减法电路后获得关断相的反电势信号；相电流信号的检测是采样电路中的相电流检测电路通过在主电路中的三相桥式逆变电路的任意两对桥壁中串联接入采样电阻，将电机的相电流转换成电压信号经过第二RC滤波电路低通滤波、偏置电路电压预置之后经过运算放大电路运放放大得到相电流信号，将反电势信号与相电流信号输出给DSP控制器内部12位ADC，作为输入信号送入FOC算法控制过程中；
步骤二、通过检测到的两相导通相的反电势信号作差计算出线反电势，线反电势过零点对应无刷直流电机的换向时刻，利用检测到的两相相电流经过角度换算得到第三相相电流，进一步计算出任一相导通时相电流起始与结束的时刻，并计算起始与结束的时刻分别所对应的反电势，再将二者作差得出反电势偏差，以反电势偏差值作为输入变量通过模糊PI计算，进一步得到转子误差补偿角度，当偏差为零时，相电流波形的中点位于相反电势波形的中点；
步骤三、通过FOC算法进行坐标变换以确定转子位置，所述坐标变换是通过检测相电流Ia和Ib，经计算得到第三相相电流Ic，经Clark变换将三相对称、相隔120度角的交流电Ia、Ib和Ic变换得到相隔90度角的正弦交流电Iα和Iβ，所述Iα为相对定子静止的磁场分量电流，Iβ为相对定子静止的转矩分量电流，利用线反电势检测确定的换相时刻与计算得到的转子误差补偿角度来确定精确的转子位置，并结合Iα和Iβ进行速度估算与角度计算，得到转子相对定子的变化角度θ以及电机的转速参考值N*，通过Iα、Iβ和θ这三个变量，采用Park变换将相对定子静止的坐标变成相对转子静止的坐标，并且得到给定值Id和Iq，所述Id为相对转子静止磁场分量电流，Iq为相对转子静止转矩分量电流；
步骤四、通过FOC算法根据变换后得到的相对于转子静止的Id和Iq进行逆变换，具体是将速度给定值N与速度参考值N*进行比较，经过模糊PI调节得到转矩分量电流参考值Iqref，参考值Iqref与给定值Iq进行比较后经过模糊PI调节得到相对转子静止转矩分量电压Vq，同时给定参考值得磁场分量电流参考值Idref与给定值Id比较后经过模糊PI调节得到相对转子静止磁场分量电压Vd，所述Vd和Vq是构成发射到电机的电压矢量，新的变换角度θ根据Park逆变换产生的电压和Park变换产生的电流进行估算，通过Park逆变换，利用Vd、Vq和θ三个变量将相对转子静止的坐标旋转变换到相对定子静止的坐标并且得到相对定子静止的两相正弦正交磁场分量电压值Vα和转矩分量电压值Vβ，再对Vα和Vβ进行Clark逆变换以获得三相电压值Va，Vb和Vc；
步骤五、通过三相电压值Va，Vb和Vc计算出新的PWM占空比，通过DSP控制器的事件管理器输出PWM驱动波形，隔离驱动三相桥式逆变电路中相应的功率单元，产生所需的电压矢量来调节电机输出的转速与转矩。
作为本控制方法的进一步改进，在电机转子初始位置确定后，以升频升压的方式驱动无刷直流电机启动。因为电机刚启动运转时反电势幅值较小，其过零点的检测还不足以准确地用来进行换相，为此采用升频升压同步启动的方式来驱动无刷直流电机启动。
作为本控制方法的进一步改进，无刷直流电机未启动时，通过对主电路中的逆变电路实施两两导通和三三导通共十二个电压矢量进行转子初始位置30度区间的检测，再采用预定位法施加电压矢量对转子进行精确定位，从而得到准确的转子初始位置。
作为本控制方法的进一步改进，所述升频升压同步启动的方式是在电路通电后，端电压检测电路得到相反电势e，经过第一RC滤波电路的电容上的电压加到压控振荡器经分频器分频后作为时钟信号输入到环形分配器上，然后转换为换相逻辑信号，同时，该电压通过A/D转换模块进行模数转换将信号送至DSP控制器内部的EV事件管理器产生变化的PWM驱动信号，该电压与参考电压经过比较电路后输出模式控制信号，通过得到的换相逻辑信号与PWM驱动信号控制驱动主电路中逆变器各功率单元的导通关断顺序与时长，使得逆变器输出电压发生变化。
本发明的有益效果是：本发明采用数字信号处理器TMS320F2812为DSP控制器的主控芯片，利用线反电势法替代FOC算法中的间接测量反电动势EMF方式，可有效地简化FOC算法计算过程，提高控制系统的响应速度与控制精度。同时，在FOC算法中引入模糊PI以取代传统的PI调节，使得FOC控制算法可以更加有效地改善动态响应，以较低的电流产生最佳的转矩，并且在每一个PWM周期中控制电机电流，从根本上限制电流，进而实现响应负载动态变化，达到改善电机动态性能的目的。在制动环节采用再生制动技术，通过采用上下桥臂各管皆为PWM调制的HpwmLpwm调制方式，由于PWM信号无效续流时不会产生反电动势短接回路，因此可以对反电动势产生的再生制动电流进行很好的控制，从而可以确保电机制动结束时能够准确的得到电机实际转子位置，以便在下次起动时无需再次进行转子初始位置检测。
附图说明：
图1为本发明的结构示意图；
图2为磁场定向控制原理框图；
图3为功率输出采样电路；
图4为升频升压控制原理图。
具体实施方式：
参照图1，该无刷直流电机无位置传感器控制系统，包括由超级电容器和锂电池组成的复合电源1、由双向DC-DC变换器和逆变器组成的主电路2、无刷直流电机3及DSP控制器5，所述复合电源1、主电路2与无刷直流电机3依次相连，主电路2通过采样电路4连接DSP控制器5，DSP控制器5分别通过驱动电路9和保护电路8连接主电路2，DSP控制器5连接接口电路6、显示设备7及功能按键10。
所述DSP控制器5采用TI公司的数字信号处理器TMS320F2812为主控芯片，总体工作过程为：外部控制指令由功能按键10经信号调理发送给DSP控制器5，主电路2通过采样电路4输出的相电流反馈的信号经过信号调理发送给DSP控制器5，经过Clark与Park变换计算输出电流反馈值；主电路2通过采样电路4输出的相电压反电势检测信号经过调理利用线反电势法计算出转子位置信号，作为FOC算法的输入，与DSP控制器的给定转速信号比较，经过模糊PI调节器输出电流给定值，再与电流反馈值进行比较，经模糊PI调节器进入Clark与Park逆变换计算后输出可变的PWM控制信号。本控制系统通过检测无刷直流电机3的相电流与相电压控制无刷直流电机3的转速转矩，从而提高无刷直流电动机3的动态性能以及减少转矩脉动。
参照图2和图3，该无刷直流电机无位置传感器控制方法的具体过程为：
步骤一、检测相电压反电势信号与相电流信号，相电压反电势信号的检测是通过基于端电压的采样电路4中的端电压检测电路11经过电阻分压采样电路12与第一RC滤波电路13低通滤波后，再经过由第一运算放大器14构成的减法电路15后获得关断相的反电势信号；相电流信号的检测是采样电路4中的相电流检测电路16通过在主电路2中的三相桥式逆变电路17的任意两对桥壁中串联接入采样电阻18，将电机的相电流转换成电压信号经过第二RC滤波电路19低通滤波、偏置电路20电压预置之后经过运算放大电路21运放放大得到相电流信号，将反电势信号与相电流信号输出给DSP控制器5内部12位ADC，作为输入信号送入FOC算法控制过程中；
步骤二、通过检测到的两相导通相的反电势信号作差计算出线反电势，线反电势过零点对应无刷直流电机3的换向时刻，利用检测到的两相相电流经过角度换算得到第三相相电流，进一步计算出任一相导通时相电流起始与结束的时刻，并计算起始与结束的时刻分别所对应的反电势，再将二者作差得出反电势偏差，以反电势偏差值作为输入变量通过模糊PI计算，进一步得到转子误差补偿角度，当偏差为零时，相电流波形的中点位于相反电势波形的中点；
步骤三、通过FOC算法进行坐标变换以确定转子位置，所述坐标变换是通过检测相电流Ia和Ib，经计算得到第三相相电流Ic，经Clark变换将三相对称、相隔120度角的交流电Ia、Ib和Ic变换得到相隔90度角的正弦交流电Iα和Iβ，所述Iα为相对定子静止的磁场分量电流，Iβ为相对定子静止的转矩分量电流，利用线反电势检测确定的换相时刻与计算得到的转子误差补偿角度来确定精确的转子位置，并结合Iα和Iβ进行速度估算与角度计算，得到转子相对定子的变化角度θ以及电机的转速参考值N*，通过Iα、Iβ和θ这三个变量，采用Park变换将相对定子静止的坐标变成相对转子静止的坐标，并且得到给定值Id和Iq，所述Id为相对转子静止磁场分量电流，Iq为相对转子静止转矩分量电流；
步骤四、通过FOC算法根据变换后得到的相对于转子静止的Id和Iq进行逆变换，具体是将速度给定值N与速度参考值N*进行比较，经过模糊PI调节得到转矩分量电流参考值Iqref，参考值Iqref与给定值Iq进行比较后经过模糊PI调节得到相对转子静止转矩分量电压Vq，同时给定参考值得磁场分量电流参考值Idref与给定值Id比较后经过模糊PI调节得到相对转子静止磁场分量电压Vd，所述Vd和Vq是构成发射到电机的电压矢量，新的变换角度θ根据Park逆变换产生的电压和Park变换产生的电流进行估算，通过Park逆变换，利用Vd、Vq和θ三个变量将相对转子静止的坐标旋转变换到相对定子静止的坐标并且得到相对定子静止的两相正弦正交磁场分量电压值Vα和转矩分量电压值Vβ，再对Vα和Vβ进行Clark逆变换以获得三相电压值Va，Vb和Vc；
步骤五、通过三相电压值Va，Vb和Vc计算出新的PWM占空比，通过DSP控制器的事件管理器输出PWM驱动波形，隔离驱动三相桥式逆变电路中相应的功率单元，产生所需的电压矢量来调节电机输出的转速与转矩。
本控制方法在无刷直流电机3未启动时，可通过对主电路2中的逆变电路实施两两导通和三三导通共十二个电压矢量进行转子初始位置30度区间的检测，再采用预定位法施加电压矢量对电机转子静止初始位置进行检测。然后再利用升压升频的方式启动电机，并只需要电机转动大约一个电周期就可以准确检测到无刷直流电机的相反电动势的过零点。
参照图4，所述升频升压的方式是通过在电路通电后，端电压检测电路11得到相反电势e，经过第一RC滤波电路13的电容上的电压加到压控振荡器22经分频器23分频后作为时钟信号输入到环形分配器24上，然后转换为换相逻辑信号，同时，该电压通过A/D转换模块25进行模数转换将信号送至DSP控制器5内部的EV事件管理器26产生变化的PWM驱动信号，该电压与参考电压经过比较电路27后输出模式控制信号，通过得到的换相逻辑信号与PWM驱动信号控制驱动主电路2中逆变器各功率单元的导通关断顺序与时长，使得逆变器输出电压发生变化。

Claims (6)

1.一种无刷直流电机无位置传感器控制系统，其特征在于：包括由超级电容器和锂电池组成的复合电源(1)、由双向DC-DC变换器和逆变器组成的主电路(2)、无刷直流电机(3)及DSP控制器(5)，所述复合电源(1)、主电路(2)与无刷直流电机(3)依次相连，主电路(2)通过采样电路(4)连接DSP控制器(5)，DSP控制器(5)分别通过驱动电路(9)和保护电路(8)连接主电路(2)，DSP控制器(5)连接接口电路(6)和功能按键(10)。
2.如权利要求1所述的一种无刷直流电机无位置传感器控制系统，其特征在于：所述DSP控制器(5)连接显示设备(7)。
3.一种无刷直流电机无位置传感器控制方法，其特征在于由以下步骤构成：
步骤一、检测相电压反电势信号与相电流信号，相电压反电势信号的检测是通过基于端电压的采样电路(4)中的端电压检测电路(11)经过电阻分压采样电路(12)与第一RC滤波电路(13)低通滤波后，再经过由第一运算放大器(14)构成的减法电路(15)后获得关断相的反电势信号；相电流信号的检测是采样电路(4)中的相电流检测电路(16)通过在主电路(2)中的三相桥式逆变电路(17)的任意两对桥壁中串联接入采样电阻(18)，将电机的相电流转换成电压信号经过第二RC滤波电路(19)低通滤波、偏置电路(20)电压预置之后经过运算放大电路(21)运放放大得到相电流信号，将反电势信号与相电流信号输出给DSP控制器(5)内部12位ADC，作为输入信号送入FOC算法控制过程中；
步骤二、通过检测到的两相导通相的反电势信号作差计算出线反电势，线反电势过零点对应无刷直流电机(3)的换向时刻，利用检测到的两相相电流经过角度换算得到第三相相电流，进一步计算出任一相导通时相电流起始与结束的时刻，并计算起始与结束的时刻分别所对应的反电势，再将二者作差得出反电势偏差，以反电势偏差值作为输入变量通过模糊PI计算，进一步得到转子误差补偿角度，当偏差为零时，相电流波形的中点位于相反电势波形的中点；
步骤三、通过FOC算法进行坐标变换以确定转子位置，所述坐标变换是通过检测相电流Ia和Ib，经计算得到第三相相电流Ic，经Clark变换将三相对称、相隔120度角的交流电Ia、Ib和Ic变换得到相隔90度角的正弦交流电Iα和Iβ，所述Iα为相对定子静止的磁场分量电流，Iβ为相对定子静止的转矩分量电流，利用线反电势检测确定的换相时刻与计算得到的转子误差补偿角度来确定精确的转子位置，并结合Iα和Iβ进行速度估算与角度计算，得到转子相对定子的变化角度θ以及电机的转速参考值N*，通过Iα、Iβ和θ这三个变量，采用Park变换将相对定子静止的坐标变成相对转子静止的坐标，并且得到给定值Id和Iq，所述Id为相对转子静止磁场分量电流，Iq为相对转子静止转矩分量电流；
步骤四、通过FOC算法根据变换后得到的相对于转子静止的Id和Iq进行逆变换，具体是将速度给定值N与速度参考值N*进行比较，经过模糊PI调节得到转矩分量电流参考值Iqref，参考值Iqref与给定值Iq进行比较后经过模糊PI调节得到相对转子静止转矩分量电压Vq，同时给定参考值得磁场分量电流参考值Idref与给定值Id比较后经过模糊PI调节得到相对转子静止磁场分量电压Vd，所述Vd和Vq是构成发射到电机的电压矢量，新的变换角度θ根据Park逆变换产生的电压和Park变换产生的电流进行估算，通过Park逆变换，利用Vd、Vq和θ三个变量将相对转子静止的坐标旋转变换到相对定子静止的坐标并且得到相对定子静止的两相正弦正交磁场分量电压值Vα和转矩分量电压值Vβ，再对Vα和Vβ进行Clark逆变换以获得三相电压值Va，Vb和Vc；
步骤五、通过三相电压值Va，Vb和Vc计算出新的PWM占空比，通过DSP控制器的事件管理器输出PWM驱动波形，隔离驱动三相桥式逆变电路中相应的功率单元，产生所需的电压矢量来调节电机输出的转速与转矩。
4.如权利要求3所述的一种无刷直流电机无位置传感器控制方法，其特征在于：无刷直流电机(3)未启动时，通过对主电路(2)中的逆变电路实施两两导通和三三导通共十二个电压矢量进行转子初始位置30度区间的检测，再采用预定位法施加电压矢量对电机转子静止初始位置进行检测。
5.如权利要求4所述的一种无刷直流电机无位置传感器控制方法，其特征在于：在电机转子初始位置确定后，以升频升压的方式驱动无刷直流电机(3)启动。
6.如权利要求5所述的一种无刷直流电机无位置传感器控制方法，其特征在于：所述升频升压的方式是在电路通电后，端电压检测电路(11)得到相反电势e，经过第一RC滤波电路(13)的电容上的电压加到压控振荡器(22)经分频器(23)分频后作为时钟信号输入到环形分配器(24)上，然后转换为换相逻辑信号，同时，该电压通过A/D转换模块(25)进行模数转换将信号送至DSP控制器(5)内部的EV事件管理器(26)产生变化的PWM驱动信号，该电压与参考电压经过比较电路(27)后输出模式控制信号，通过得到的换相逻辑信号与PWM驱动信号控制驱动主电路(2)中逆变器各功率单元的导通关断顺序与时长，使得逆变器输出电压发生变化。
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