CN106208835A - 转速电流双闭环控制无刷直流电机控制系统 - Google Patents

转速电流双闭环控制无刷直流电机控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种转速电流双闭环控制无刷直流电机控制系统，包括控制器（1）、转速计（2）、换相装置（3）、第一位置传感器（4）、第二位置传感器（5）、速度控制器（6）、PWM控制器（7）、电流控制器（10）和电流采集器（11），其中所述第一位置传感器（4）为转角位置传感器，所述第二位置传感器（5）为磁极位置传感器，第一位置传感器（4）和第二位置传感器（5）分别与无刷直流电机（9）连接，所述控制器（1）分别连接转速计（2）和换相装置（3），换相装置（3）与PWM控制器（7）连接，PWM控制器（7）与电流控制器（10）连接，电流控制器（10）另一端与速度控制器（6）连接。本发明现出很快的动态跟随性能，动态抗扰性能高。

Description

转速电流双闭环控制无刷直流电机控制系统
技术领域
本发明涉及一种转速电流双闭环控制无刷直流电机控制系统，属于工业控制领域。
背景技术
无刷直流电机是伴着电力电子技术的迅速发展而发展起来的一中新型电机，它是现代工业设备中重要的运动部件。无刷直流电机以法拉第电磁感应定律为基础，而又以新型的电力电子技术、数字电子技术和各种物理原理为后盾，具有很强的生命力。
无刷直流电机既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多特点，同时克服了有刷直流电机由于机械电刷和换向器的存在所带来的噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等弊端，降低了制造成本，简化了电机的维修。
无刷直流电机具有旋转的磁场和固定的电枢。电子换相线路中的功率开关器件可直接与电枢绕组相连。在电机内，装有一个磁极位置传感器，用来检测转子在运行过程中的位置。它与电子换相电路一起替代了有刷直流电机的换相装置。如图1所示，无刷直流电机由本体、位置传感器和电子换相电路三大部分组成。
目前无刷直流电机主要存在的问题包括可靠性一般、控制器成本较高，需要电子控制器才能够工作，增加了技术复杂性和成本；应用中一般需要位置传感器，增加了结构复杂性和成本降低可靠性；转子永磁材料限制了电机使用环境温度，不适用于高温场合；有较明显的转矩波动，限制了电机在高性能伺服系统、低速度纹中的应用。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种可以有利于换挡控制的转速电流双闭环控制无刷直流电机控制系统。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
一种转速电流双闭环控制无刷直流电机控制系统，包括控制器、转速计、换相装置、第一位置传感器、第二位置传感器、速度控制器、PWM控制器、电流控制器和电流采集器，其中所述第一位置传感器为转角位置传感器，所述第二位置传感器为磁极位置传感器，第一位置传感器和第二位置传感器分别与无刷直流电机连接，所述控制器分别连接转速计和换相装置，换相装置与PWM控制器连接，PWM控制器与电流控制器连接，电流控制器另一端与速度控制器连接。
优选地，上述PWM控制器通过逆变电路与无刷直流电机连接。
优选地，上述第一位置传感器和第二位置传感器分别与控制器连接。
优选地，上述换相装置对换相位置进行判断，并将判断结果传输到PWM控制器。
优选地，上述转速计进行转速计算，所述电流采集器采集电流控制器和逆变电路之间的电流值。
优选地，上述控制系统通过给定转速信号与转速计计算的信号进行比较，误差值传输到速度控制器。
优选地，电流调节环在里面，转速调节环在外面，形成了转速、电流双闭环控制系统；给定信号与速度反馈值进行比较，误差值送入速度控制器；经速度控制器计算后得到电流环的给定值，与电流采集值进行比较，误差值送入电流调节器；经电流调节器计算后得到PWM的占空比，进而调节逆变电路实现无刷直流电机控制系统的控制；转速环作为外环可以实现无刷直流电机控制系统速度的无静差控制；电流环作为内环实现电流或转矩的控制，从而实现系统的快速跟踪。
相较于现有技术，本发明提供的转速电流双闭环控制无刷直流电机控制系统具有很好的动态性能，包括：1）无刷直流电机控制系统在启动和升速过程中，能够在电流受电机过载能力约束下，表现出很快的动态跟随性能；2）动态抗扰性能高，包括抗负载扰动和抗电网电压扰动。当负载受到扰动后，可以通过速度调节器产生抗扰作用，当电网电压波动时，通过电流调节器的作用可以迅速作出反应产生抗扰作用。
附图说明
图1为无刷直流电机组成结构示意图；
图2为本发明转速电流双闭环控制无刷直流电机控制系统结构示意图。
附图标记：1-控制器；2-转速计；3-换相装置；4-第一位置传感器；5-第二位置传感器；6-速度控制器；7-PWM控制器；8-逆变电路；9-无刷直流电机；10-电流控制器；11-电流采集器。
具体实施方式
本发明提供一种转速电流双闭环控制无刷直流电机控制系统，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提供的转速电流双闭环控制无刷直流电机控制系统，包括控制器1、转速计2、换相装置3、第一位置传感器4、第二位置传感器5、速度控制器6、PWM控制器7、电流控制器10和电流采集器11，其中第一位置传感器4为转角位置传感器，第二位置传感器5为磁极位置传感器，第一位置传感器4和第二位置传感器5分别与无刷直流电机9连接，控制器1分别连接转速计2和换相装置3，换相装置3与PWM控制器7连接，PWM控制器7与电流控制器10连接，电流控制器10另一端与速度控制器6连接。PWM控制器7通过逆变电路8与无刷直流电机9连接。第一位置传感器4和第二位置传感器5分别与控制器1连接。换相装置3对换相位置进行判断，并将判断结果传输到PWM控制器7。转速计2进行转速计算，电流采集器11采集电流控制器10和逆变电路8之间的电流值。控制系统通过给定转速信号与转速计2计算的信号进行比较，误差值传输到速度控制器6。
本发明的工作原理是：从图1中可以看出电流调节环在里面，称为内环；转速调节环在外面，称为外环。这样就形成了转速、电流双闭环控制系统。给定信号与速度反馈值进行比较，误差值送入速度控制器。经速度控制器计算后得到电流环的给定值，与电流采集值进行比较，误差值送入电流调节器。经电流调节器计算后得到PWM的占空比，进而调节逆变电路实现无刷直流电机控制系统的控制。转速环作为外环可以实现无刷直流电机控制系统速度的无静差控制；电流环作为内环实现电流或转矩的控制，从而实现系统的快速跟踪。
脉宽调制（PWM）技术是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，实现开关稳压电源输出或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字信号对模拟信号进行控制的一种非常有效的技术。
PWM技术可以极其有效地进行谐波抑制，在频率、效率各方面有着明显的优点，使逆变电路的技术性能与可靠性得到了明显的提高。采用PWM方式构成的逆变器，其输入为固定不变的直流电压，可以通过PWM技术在同一逆变器中既实现调压又实现调频。由于这种逆变器只有一个可控的功率级，简化了主回路和控制回路的结构，因而体积小、质量轻、可靠性高。又因为集调压、调频于一身，所以调节速度快、系统的动态响应好。此外，采用PWM技术不仅能提供较好的逆变器输出电压和电流波形，而且也提高了逆变器对电网的功率因数。
本发明提供的转速电流双闭环控制无刷直流电机控制系统具有很好的动态性能，包括：1）无刷直流电机控制系统在启动和升速过程中，能够在电流受电机过载能力约束下，表现出很快的动态跟随性能；2）动态抗扰性能高，包括抗负载扰动和抗电网电压扰动。当负载受到扰动后，可以通过速度调节器产生抗扰作用，当电网电压波动时，通过电流调节器的作用可以迅速作出反应产生抗扰作用。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种转速电流双闭环控制无刷直流电机控制系统，其特征在于：所述控制系统包括控制器（1）、转速计（2）、换相装置（3）、第一位置传感器（4）、第二位置传感器（5）、速度控制器（6）、PWM控制器（7）、电流控制器（10）和电流采集器（11），其中所述第一位置传感器（4）为转角位置传感器，所述第二位置传感器（5）为磁极位置传感器，第一位置传感器（4）和第二位置传感器（5）分别与无刷直流电机（9）连接，所述控制器（1）分别连接转速计（2）和换相装置（3），换相装置（3）与PWM控制器（7）连接，PWM控制器（7）与电流控制器（10）连接，电流控制器（10）另一端与速度控制器（6）连接。
2.如权利要求1所述的转速电流双闭环控制无刷直流电机控制系统，其特征在于：所述PWM控制器（7）通过逆变电路（8）与无刷直流电机（9）连接。
3.如权利要求1所述的转速电流双闭环控制无刷直流电机控制系统，其特征在于：所述第一位置传感器（4）和第二位置传感器（5）分别与控制器（1）连接。
4.如权利要求1所述的转速电流双闭环控制无刷直流电机控制系统，其特征在于：所述换相装置（3）对换相位置进行判断，并将判断结果传输到PWM控制器（7）。
5.如权利要求1所述的转速电流双闭环控制无刷直流电机控制系统，其特征在于：所述转速计（2）进行转速计算，所述电流采集器（11）采集电流控制器（10）和逆变电路（8）之间的电流值。
6.如权利要求1所述的转速电流双闭环控制无刷直流电机控制系统，其特征在于：所述控制系统通过给定转速信号与转速计（2）计算的信号进行比较，误差值传输到速度控制器（6）。
7.如权利要求1所述的转速电流双闭环控制无刷直流电机控制系统，其特征在于：电流调节环在里面，转速调节环在外面，形成了转速、电流双闭环控制系统；给定信号与速度反馈值进行比较，误差值送入速度控制器；经速度控制器计算后得到电流环的给定值，与电流采集值进行比较，误差值送入电流调节器；经电流调节器计算后得到PWM的占空比，进而调节逆变电路实现无刷直流电机控制系统的控制；转速环作为外环可以实现无刷直流电机控制系统速度的无静差控制；电流环作为内环实现电流或转矩的控制，从而实现系统的快速跟踪。
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