CN105553344A - 一种无位置传感器的三相无刷电机控制器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种无位置传感器的三相无刷电机控制器及其控制方法，所述电机控制器包括：通讯接口，连接上位机和电机控制电路，用于接收上位机的控制命令，并将电机控制器的状态反馈给上位机；电机控制电路，与三相六桥逆变器电路和采样电阻相连，用于重构电机的三相相电流值；三相六桥逆变器电路，与电机控制电路和采样电阻相连，用于将直流电源斩波，变为正弦交流信号控制三相无刷电机；采样电阻，与所述三相六桥逆变器电路以及电机控制电路相连，用于采集母线电流；所述电机控制电路、三相六桥逆变器电路以及采样电阻形成闭环回路。本发明利用单电阻采集电机电流，从电流中计算出电机位置信息，用于控制三相电机的稳定运行。

Description

一种无位置传感器的三相无刷电机控制器及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种电机控制技术，特别是涉及一种无位置传感器的三相无刷电机控制器及其控制方法。
背景技术
电机(Motor)是把电能转换成机械能的一种设备。电机主要由定子与转子组成，它是利用通电线圈(也就是定子绕组)产生旋转磁场并作用于转子(如鼠笼式闭合铝框)形成磁电动力旋转扭矩，通过磁场对电流受力的作用，使电机转动，通电导线在磁场中受力运动的方向跟电流方向和磁感线(磁场方向)方向有关。由于电机的一系列优点，即使用和控制非常方便，具有自起动、加速、制动、反转、掣住等能力，能满足各种运行要求；而且电机的工作效率较高，又没有烟尘、气味，不污染环境，噪声也较小，所以在工农业生产、交通运输、国防、商业及家用电器、医疗电器设备等各方面广泛应用。
随着新能源汽车的开发使用的普及，以及传统汽车智能化、电子化的改进，原有的机械水泵、风扇和有刷电动水泵、风扇明显的不能满足新发展的需求。三相无刷直流电机具有结构简单、运行效率高、调速性能好和控制简单等优点，已经在自动化控制领域得到了广泛应用。一般的三相无刷直流电机需要转子位置传感器提供转子位置信号，控制器根据位置信号控制电力电子开关逆变器对三相绕组进行换相控制，但安装位置传感器增大了电机的体积和成本，且传感器连线较多，属于弱点信号，易受电机强电、外界信号干扰，降低了电机运行的可靠性。
然而，高性能无传感器控制技术的实现，不但避免了位置传感器的安装、维护问题，而且降低了电机成本，因此，无位置传感器的三相无刷直流电机成为车用电机的一个重要发展方向，可应用于汽车水冷泵、燃料泵、变速箱油泵、空调风机、散热风扇等应用中。
因此，本发明为了解决上述问题点，其目的在于：提供一种无位置传感器的三相无刷电机控制器及其控制方法，不需要位置传感器，利用单电阻采集电机电流，从电流中计算出电机位置信息，用于控制三相电机的稳定运行。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种无位置传感器的三相无刷电机控制器及其控制方法，不需要位置传感器，利用单电阻采集电机电流，从电流中计算出电机位置信息，用于控制三相电机的稳定运行。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种无位置传感器的三相无刷电机控制器，包括：通讯接口，与电机控制电路相连，用于接收上位机或主控制器的控制命令，并将电机控制器的状态反馈给上位机；电机控制电路，与三相六桥逆变器电路和采样电阻相连，用于重构电机的三相相电流值；三相六桥逆变器电路，与电机控制电路和采样电阻相连，用于将直流电源斩波，变为正弦交流信号控制三相无刷电机；采样电阻，与所述三相六桥逆变器电路以及电机控制电路相连，用于采集母线电流；所述电机控制电路、三相六桥逆变器电路以及采样电阻形成闭环回路。
优选地，所述电机控制电路包括连接于所述通讯接口的微控制器，与所述微控制器连接的转速环PI控制器，连接于所述转速环PI控制器且与所述微控制器连接的磁场定向控制器，分别与所述微控制器、磁场定向控制器以及三相六桥逆变器电路连接的空间矢量脉宽调制模块，与所述微控制器连接的ADC模数转换电路以及与所述ADC模数转换电路连接的信号放大器。
优选地，所述信号放大器的输入端分别连接于所述采样电阻的两端。
优选地，所述采样电阻为电流采样。
优选地，所述电机控制器还包括防反电路，所述防反电路分别连接于所述电源与电机控制电路之间以及电源与所述三相六桥逆变器电路之间。
优选地，所述防反电路为MOS管防反电路。
优选地，所述通讯接口为单线串行通讯总线或脉冲宽度调制信号。
本发明还提供了一种无位置传感器的三相无刷电机控制器的控制方法，包括：所述电机控制电路接收到通讯接口传送过来的控制指令后，电机控制电路将所述控制指令转化为三相六桥逆变器电路的6路开关状态，控制三相六桥逆变器电路的输出，所述采样电阻采集母线电流，经电机控制电路，重构出电机的三相相电流值。
优选地，所述电机控制电路包括连接于所述通讯接口的微控制器，与所述微控制器连接的转速环PI控制器，连接于所述转速环PI控制器且与所述微控制器连接的磁场定向控制器，分别与所述微控制器、磁场定向控制器以及三相六桥逆变器电路连接的空间矢量脉宽调制模块，与所述微控制器连接的ADC模数转换电路以及与所述ADC模数转换电路连接的信号放大器。
优选地，所述电机控制器还包括防反电路，所述防反电路分别连接于所述电源与电机控制电路之间以及电源与所述三相六桥逆变器电路之间，用以电源反接保护。
如上所述，本发明提供一种无位置传感器的三相无刷电机控制器及其控制方法，所述电机控制器包括：通讯接口，连接上位机或主控制器和电机控制电路，用于接收上位机或主控制器的控制命令，并将电机控制器的状态反馈给上位机；电机控制电路，与三相六桥逆变器电路和采样电阻相连，用于重构电机的三相相电流值；三相六桥逆变器电路，与电机控制电路、电机和采样电阻相连，用于将直流电源斩波，变为正弦交流信号控制三相无刷电机；采样电阻，与所述三相六桥逆变器电路、电机控制电路以及参考地相连，用于采集母线电流；所述电机控制电路、三相六桥逆变器电路以及采样电阻形成闭环回路。具有以下有益效果：本发明采用单电阻无位置传感器控制方案，只使用一个母线电流采样电阻，就能获得电机相电流、电机转子位置、转速等信息，实现了电机的转速闭环控制，其控制性能与带位置传感器和多个相电流传感器的控制方案一致，在不降低控制性能的前提下极大降低了系统成本。
附图说明
图1显示为本发明的无位置传感器的三相无刷电机控制器的系统框图。
图2显示为本发明的无位置传感器的三相无刷电机控制器的电机控制电路框图。
图3显示为本发明的无位置传感器的三相无刷电机控制器的结构框图。
图4显示为本发明的无位置传感器的三相无刷电机控制器的控制方法流程图。
元件标号说明
1电机控制器
11通讯接口
12电机控制电路
121微控制器
122转速环PI控制器
123磁场定向控制器
124空间矢量脉宽调制模块
125ADC模数转换电路
126信号放大器
13三相六桥逆变器电路
14采样电阻
15防反电路
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1至图3所示，本实施例提供一种无位置传感器的三相无刷电机控制器，包括：
通讯接口11，与电机控制电路12相连，用于接收上位机或主控制器的控制命令，并将电机控制器的状态反馈给上位机；
电机控制电路12，与三相六桥逆变器电路13和采样电阻14相连，用于重构电机的三相相电流值；
三相六桥逆变器电路13，与电机控制电路12和采样电阻14相连，用于将直流电源斩波，变为正弦交流信号控制三相无刷电机；
采样电阻14，与所述三相六桥逆变器电路13以及电机控制电路12相连，用于采集母线电流；
所述电机控制电路12、三相六桥逆变器电路13以及采样电阻14形成闭环回路。
作为示例，所述通讯接口11为单线串行通讯总线或脉冲宽度调制信号。
作为示例，所述电机控制电路12包括连接于所述通讯接口11的微控制器121，与所述微控制器121连接的转速环PI控制器122，连接于所述转速环PI控制器122且与所述微控制器121连接的磁场定向控制器123，分别与所述微控制器121、磁场定向控制器123以及三相六桥逆变器电路13连接的空间矢量脉宽调制模块124，与所述微控制器121连接的模数转换器电路125以及与所述ADC模数转换电路125连接的信号放大器126。
具体的，所述微控制器121作为电机控制器1的控制单元，根据当前三相六桥逆变器电路13的开关状态及母线电流值，重构出电机的三相相电流值。
具体的，所述转速环PI控制器122连接于所述微控制器121和磁场定向控制器123之间，通过比较当前电机转速与从通讯接口获得的转速指令的差值，给出电机所需的电流值。
具体的，所述磁场定向控制器123分别与所述转速环PI控制器122和微控制器121连接，所述转速环PI控制器122将电流值指令传送给磁场定向控制器123，所述磁场定向控制器123根据转速环PI控制器122给出的电流指令及当前电流数值，计算给出电机所需的电压矢量值。
具体的，所述空间矢量脉宽调制模块124分别与所述三相六桥逆变器电路13和微控制器连接，将磁场定向控制器123给出的电压矢量转化为三相六桥逆变器电路13的6路开关状态，用以控制三相六桥逆变器电路13的输出。
作为示例，所述信号放大器126的输入端分别连接于所述采样电阻14的两端，当母线电流流经所述采样电阻14时，所述采样电阻14两端形成压降，所述信号放大器126将采样电阻14两端的压降进行信号放大。
具体的，所述ADC模数转换电路125连接于所述信号放大器126和微控制器121之间，用于将所述信号放大器126传送过来的模拟信号进行模数转换，转化为数字信号。
具体的，所述三相六桥逆变器电路13连接于所述空间矢量脉宽调制模块124和采样电阻14之间，所述三相六桥逆变器电路13在电机控制电路12的控制下将直流电源斩波，变为正弦交流信号，用以控制三相无刷电机。
需要说明的是，所述三相六桥逆变器电路13是将直流电源变换为所需频率的交流电源的电路。所述三相六桥逆变器电路13是由六个开关器件构成的三个半桥，同一桥臂的上下半桥的信号相反。在本实施例中，采用NMOS管构成三相六桥逆变器电路。三相六桥逆变器电路13通过以确定的时间使上桥、下桥的功率开关器件导通和关断，从而在输出端得到相位相差120度的三相交流电。
作为示例，所述采样电阻14为电流采样。
需要说明的是，所述采样电阻14分为电流采样和电压采样，所述采样电阻并联为电压采样，所述采样电阻串联为电流采样；在本实施例中，所述采样电阻14与所述三相六桥逆变器电路13串联，为电流采样，所述采样电阻14用于采集三相六桥逆变器电路13的母线电流。
作为示例，所述电机控制器1还包括防反电路15，所述防反电路15分别连接于所述电源与电机控制电路12之间以及电源与所述三相六桥逆变器电路13之间，所述防反电路15为MOS管防反电路。在本实施例中，通过所述防反电路15，实现电源反接保护，即当电源正负极接反后不会损坏电机控制器1。
如图4所示，本实施例还提供一种无位置传感器的三相无刷电机控制器的控制方法，包括：所述电机控制电路12接收到通讯接口11传送过来的控制指令后，电机控制电路12将所述控制指令转化为三相六桥逆变器电路13的6路开关状态，控制三相六桥逆变器电路13的输出，所述采样电阻14采集母线电流，经电机控制电路12，重构出电机的三相相电流值。
具体的，所述电机控制电路12中的微控制器121接收到控制指令后，将控制指令发送给转速环PI控制器122，所述转速环PI控制器122比较当前电机转速与从通讯接口获得的转速指令的差值，给出电机所需的电流值，所述磁场定向控制器123根据所述转速环PI控制器122给出的电流指令及当前电流数值，计算给出电机所需的电压矢量值，所述空间矢量脉宽调制模块124将磁场定向控制器123给出的电压矢量转化为三相六桥逆变器电路13的6路开关状态，控制三相六桥逆变器电路13的输出，所述采样电阻14采集三相六桥逆变器电路13的母线电流，经信号放大器126放大后，由ADC模数转化电路转换为数字信号，电机控制电路12内的微控制器121根据当前的三相六桥逆变器电路13的开关状态及电流值，重构出电机的三相相电流值；微控制器121通过重构的三相相电流值，进行电机磁通估计，得到电机磁场角度，从而得到电机转子的位置角度，并通过固定时间周期内的位置角度差值计算出电机转速。
下面对相电流重构、电机磁通计算、电机磁场角度计算、电机转子位置角度计算以及电机转速计算进行说明。
根据空间矢量脉宽调制原理，三相六桥的开关状态共有8种，其中每相上桥与下桥的状态相反，三相上桥U、V、W的开关状态为：000、100、110、010、011、001、101、111；0代表关断，1代表导通；其中000、111为零矢量状态，是没有有效电流的。另外6种状态下采集到的母线电流与相电流的对应关系如下表所示：
UVW三相上桥状态 UVW三相下桥状态 电流方向 相电流
100 011 U→VW +IU
110 001 UV→W -IW
010 101 V→UW +IV
011 100 VW→U -IU
001 110 W→UV +IW
101 010 UW→V -IV
具体计算步骤如下：
步骤一：在空间矢量脉宽调制的每个脉冲宽度调制(PWM)周期内有2种有效开关状态，可在相应状态采集两次获得两相的相电流，并根据三相相电流相加之和为零，计算出另一相的相电流。
步骤二：将相电流进行克拉克(Clark)变换，公式如下，切换为α-β坐标系内的电流Iα、Iβ。其中，IU和IW为相电流值。
Iα＝Iu
I β = 1 3 * ( I u + 2 I v )
步骤三：根据步骤二得到的α-β坐标系内的电流Iα、Iβ，按下述公式计算在α-β坐标系下的电机磁链Ψsα、Ψsβ。其中Uα、Uβ为α-β坐标系下的电压，R为电机相电阻。
ψsα＝∫(Uα-R*Iα)dt
ψsβ＝∫(Uβ-R*Iβ)dt
步骤四：根据步骤三的电机磁链Ψsα、Ψsβ，按下述公式计算转子磁链Ψρα、Ψρβ。其中，L为电机相电感。
ψρα＝ψsα-L*Iα＝∫(Uα-R*Iαdt-L*Iα
ψρβ＝ψsβ-L*Iβ＝∫(Uβ-R*Iβdt-L*Iβ
步骤五：根据步骤四的转子磁链Ψρα、Ψρβ，按下述公式计算转子角度
步骤六：转子角度每个脉冲宽度调制(PWM)周期计算一次，前后两周期的角度差除以周期值，即得到电机转速ω，公式如下。其中，T为脉冲宽度调制周期，为前后两周期的转子角度差。
如上所述，本发明提供一种无位置传感器的三相无刷电机控制器及其控制方法，所述电机控制器1包括：通讯接口11，连接上位机或主控制器和电机控制电路12，用于接收上位机或主控制器的控制命令，并将电机控制器1的状态反馈给上位机；电机控制电路12，与三相六桥逆变器电路13和采样电阻14相连，用于重构电机的三相相电流值；三相六桥逆变器电路13，与电机控制电路12、电机和采样电阻14相连，用于将直流电源斩波，变为正弦交流信号控制三相无刷电机；采样电阻14，与所述三相六桥逆变器电路13、电机控制电路12以及参考地相连，用于采集母线电流；所述电机控制电路12、三相六桥逆变器电路13以及采样电阻14形成闭环回路。具有以下有益效果：本发明采用单电阻无位置传感器控制方案，只使用一个母线电流采样电阻，就能获得电机相电流、电机转子位置、转速等信息，实现了电机的转速闭环控制，其控制性能与带位置传感器和多个相电流传感器的控制方案一致，在不降低控制性能的前提下极大降低了系统成本。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种无位置传感器的三相无刷电机控制器，其特征在于：所述电机控制器包括：
通讯接口，与电机控制电路相连，用于接收上位机或主控制器的控制命令，并将电机控制器的状态反馈给上位机；
电机控制电路，与三相六桥逆变器电路和采样电阻相连，用于重构电机的三相相电流值；
三相六桥逆变器电路，与电机控制电路和采样电阻相连，用于将直流电源斩波，变为正弦交流信号控制三相无刷电机；
采样电阻，与所述三相六桥逆变器电路以及电机控制电路相连，用于采集母线电流；
所述电机控制电路、三相六桥逆变器电路以及采样电阻形成闭环回路。
2.根据权利要求1所述的无位置传感器的三相无刷电机控制器，其特征在于：所述电机控制电路包括连接于所述通讯接口的微控制器，与所述微控制器连接的转速环PI控制器，连接于所述转速环PI控制器且与所述微控制器连接的磁场定向控制器，分别与所述微控制器、磁场定向控制器以及三相六桥逆变器电路连接的空间矢量脉宽调制模块，与所述微控制器连接的ADC模数转换电路以及与所述ADC模数转换电路连接的信号放大器。
3.根据权利要求2所述的无位置传感器的三相无刷电机控制器，其特征在于：所述信号放大器的输入端分别连接于所述采样电阻的两端。
4.根据权利要求1所述的无位置传感器的三相无刷电机控制器，其特征在于：所述采样电阻为电流采样。
5.根据权利要求1所述的无位置传感器的三相无刷电机控制器，其特征在于：所述电机控制器还包括防反电路，所述防反电路分别连接于所述电源与电机控制电路之间以及电源与所述三相六桥逆变器电路之间。
6.根据权利要求5所述的无位置传感器的三相无刷电机控制器，其特征在于：所述防反电路为MOS管防反电路。
7.根据权利要求1所述的无位置传感器的三相无刷电机控制器，其特征在于：所述通讯接口为单线串行通讯总线或脉冲宽度调制信号。
8.一种如权利要求1所述的无位置传感器的三相无刷电机控制器的控制方法，其特征在于：所述电机控制电路接收到通讯接口传送过来的控制指令后，电机控制电路将所述控制指令转化为三相六桥逆变器电路的6路开关状态，控制三相六桥逆变器电路的输出，所述采样电阻采集母线电流，经电机控制电路，重构出电机的三相相电流值。
9.根据权利要求8所述的无位置传感器的三相无刷电机控制方法，其特征在于：所述电机控制电路包括连接于所述通讯接口的微控制器，与所述微控制器连接的转速环PI控制器，连接于所述转速环PI控制器且与所述微控制器连接的磁场定向控制器，分别与所述微控制器、磁场定向控制器以及三相六桥逆变器电路连接的空间矢量脉宽调制模块，与所述微控制器连接的ADC模数转换电路以及与所述ADC模数转换电路连接的信号放大器。
10.根据权利要求8所述的无位置传感器的三相无刷电机控制方法，其特征在于：所述电机控制器还包括防反电路，所述防反电路分别连接于所述电源与电机控制电路之间以及电源与所述三相六桥逆变器电路之间，用以电源反接保护。
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