CN106533303B - 一种永磁无刷直流电机驱动器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁无刷直流电机驱动器控制方法，该方法用于电机驱动伺服控制系统的控制，该系统具有较好的控制精度和动态响应性能，在电机起动时首先通过软件读取3个换相HALL的值获得转子的实际位置，启动后通过转子位置传感器检测出转子角位置ω_ref，同时计算出转子的速度n，然后检测定子电流FOC控制算法，以得到检测值i_d和i_q，然后分别经PI调节器输出交直流轴电压值u_d和u_q，再经过坐标变换后生成电压值u_α和u_β，得出SVPWM驱动信号最后输出6路控制脉冲信号，驱动六个MOS从而驱动电机。本发明提供的永磁直流无刷电机驱动控制方法适用于智能壁障机器人的控制。采用DSP处理器来实现，通过直轴电流为零的矢量控制策略实现控制过程；解决了超调和快速性的矛盾，提高了系统抗干扰能力，符合高性能的要求。

Description

一种永磁无刷直流电机驱动器控制方法

技术领域

本发明涉及直流电机领域，特别是一种永磁无刷直流电机驱动器控制方法。

背景技术

机器人在进行巡检时，往往会遇到墙壁或阻挡物等障碍；这种环境下机器人需要驱动电机来克服障碍，这种机器人采用永磁直流电机来驱动控制系统；但是直流电机的控制精度不高，导致机器人无法正确越过障碍物，或者由于电机的动态响应性能欠佳，降低了机器人系统抗干扰能力，因此，需要一种动态响应性能的直流电机驱动器控制方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种永磁无刷直流电机驱动器；该直流电机驱动器控制方法具有动态响应性能高的特点。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的永磁无刷直流电机驱动器控制方法，所述直流电机驱动器包括处理器DSP、HALL传感器和直流电机；所述HALL传感器用于获取直流电机运行状态信号并将信号输入到处理器DSP中；所述直流电机驱动器按照以下步骤进行控制：

保护直流电机驱动器运行状态现场；

采集直流电机驱动器运行时的电流序列数据；

初始化相电流的相位；

读取HALL传感器的HALL状态值更新相位；

根据HALL状态值采用速度环控制直流电机的速度；

更新闭环周期；闭环周期时间间隔固定，每当更新时间到时，读取外部给定比例系数和积分常数,如果常数有变化则进行更新；如果没有变化则直接跳过执行下一步；

检测电机相电流传给处理器CPU；

通过Clark变换按照以下公式将旋转电流转换成静止相电流：

其中，i_α表示经过Clark变换后静止坐标系下的α轴电流；i_β表示表示经过Clark变换后静止坐标系下的β轴电流；i_a；i_b；i_c分别表示电机ABC相的瞬时相电流；

获取电流反馈信号采用SVPWM算法实现电流环控制；

通过电角度θ计算其正弦值sin和余弦值cos，实现Park反变换将静止相相电流转换成旋转相电流；

根据旋转相电流计算电流向量的扇区从而计算出各个电流矢量所需作用的时间；

更新PWM比较数据；

恢复现场。

进一步，所述SVPWM算法具体步骤如下：

获取输出相电压Vs所在扇区；

根据以下公式确定扇区：

其中，V_s表示输出相电压；V_sαV_sβ分别表示在等效静止坐标系下α，β轴分量；

按照以下公式分别进行计算：

计算T₁，并装载比较寄存器；

计算T₂，并装载比较寄存器；

计算T₀，并装载比较寄存器；T₀＝T-T₁-T₂

其中，T₁，T₂分别表示Us所在扇区的两基本开关矢量作用的时间；T₀表示0矢量作用时间；T_s表示开关周期；V_dc表示直流母线电压；

结束计算。

进一步，所述扇区按照以下步骤进行计算：

设置扇区P＝0；

通过以下公式得到P1：

P₁＝signV_sβ

通过以下公式得到P2：

P₂＝2sign[sin60°V_sα-sin30°V_sβ]；

同理P3：

P₃＝4sign[-sin60°V_sα-sin30°V_sβ]；

按照以下公式合成矢量P：

P＝P₁+P₂+P₃；

分别按照以下步骤通过查表来确定扇区：

当P＝3时，Vs位于第Ⅰ扇区；

当P＝1时，Vs位于第Ⅱ扇区；

当P＝5时，Vs位于第Ⅲ扇区；

当P＝4时，Vs位于第Ⅳ扇区；

当P＝6时，Vs位于第Ⅴ扇区；

当P＝2时，Vs位于第Ⅵ扇区；

其中，P，P1，P2，P3分别表示预设变量；Sign(x)为判定函数：若x大于0时为1，否则为0，V_sα，V_sβ分别表示在等效静止坐标系下α，β轴分量；

进一步，所述电流采样是按照以下步骤进行：

设置电流采样控制参数；

采取电阻法获取电机转子电压采样值；

将电压采样值预处理后通过光耦元件隔离输出得到输出信号；

将输出信号送给DSP处理器进行计算得到被测电流值。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明提供的永磁直流无刷电机驱动器是一种电机驱动伺服控制系统，该系统具有较好的控制精度和动态响应性能，为后续研究做了良好的技术基础。

本方法在电机起动时首先通过软件读取3个换相HALL的值获得转子的实际位置，启动后通过转子位置传感器检测出转子角位置ω_ref，同时计算出转子的速度n，然后检测定子(任两相)电流FOC控制算法，以得到检测值i_d和i_q，然后分别经PI调节器输出交直流轴电压值u_d和u_q，再经过坐标变换后生成电压值u_α和u_β，得出SVPWM驱动信号最后输出6路控制脉冲信号，驱动六个MOS从而驱动电机。

本发明提供的永磁直流无刷电机驱动控制方法适用于智能壁障机器人的控制。采用DSP处理器来实现，通过直轴电流为零的矢量控制策略实现控制过程；解决了超调和快速性的矛盾，提高了系统抗干扰能力，符合高性能的要求。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

本发明的附图说明如下。

图1为驱动电机控制算法原理图。

图2为静止和旋转坐标示意图。

图3为电流闭环控制传递函数结构图。

图4a为空间矢量和开关状态。

图4b为3个桥臂开关函数的波形。

图4c为3个桥臂开关时序关系。

图5为速度闭环系统的传递函数结构图。

图6为电机相电流采样电路。

图7a为电流采样流程图。

图7b为是计算扇区流程图。

图7c为SVPWM算法流程图。

图8为控制和中断流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图所示，本实施例提供的永磁无刷直流电机驱动器控制方法，所述永磁无刷直流电机驱动器包括处理器DSP、HALL传感器、直流电机、PID控制器、PARK变换模块、PARK反变换模块、三相逆变器、Clark变换模块、速度计算逻辑模块：

本实施例的驱动器采用串口或者电阻记性电机调速，直接将控制命令发个DSP，利用DSP的定时器采用PWM比较输出模式，输出3组独立互补PWM信号。电机相电流采样模块将电流采样电压信号直接输入给DSP的ADC脚，CPU得到相应采样值，通过内部软件实现PID控制器、PARK变换模块、PARK反变换模块转化后，生成PWM控制信号输出，从而实现电流环控制。三路HALL传感器采用差分转单端的芯片将TTL电平转换成3.3V电平后接DSP的3个GPIO脚，DSP采用定时器的计数模式，实现电机的位置计算和速度计算，实现速度环控制。

所述永磁无刷直流电机驱动器按照以下步骤进行控制操作：

保护现场；主要是完成对系统故障信息的实时检测处理，保证系统能够在安全的范围内运行

电流采样；由ADC完成一个序列的采样，CPU响应ADC中断处理程序。系统主要在ADC

中断程序里面处理采样得到的数据，实现速度环和电流环的调节。

读取HALL值及其相位初始化；通过CPU的IO口读取HALL传感器编码可以初略的判断转子的位置，可以修正转子位置。

更新相位；在得到HALL编码之后对电机相应相施加电流，可以使得定子的旋转磁场，与转子同步。

速度环；根据三路HALL传感器经过逻辑运算后，转换成速度脉冲输出，测量电机速度技术采用常用的M/T法。通过速度反馈与速度命令值，经过PID控制实现速度的高精度控制。

更新闭环周期；闭环周期又称伺服周期及PID控制的循环周期；闭环周期时间间隔固定，每当更新时间到时，读取外部给定比例系数和积分常数,若常数有变化则进行更新如过没有变化直接跳过执行下一步。

相电流检测；相电流是通过电机相串联电阻实时采样经过ADC采样后传给CPU

Clark变换；将旋转的电机转子坐标系电流转换成为静止的相垂直的等效想电流。

求sin和cos值；软件通过估算可以大体知道转子机械角度，通过查表经过PARK变换可以得到相应的每个时刻的直轴与交轴电流

Park变换；将旋转的dp电流转换成静止的等效两相相电流。

电流环；电流环的实现主要是由电流反馈后由SVPWM实现。

Park逆变换；将静止的等效两相相电流转换成旋转的三相电流。

求扇区；由三相电流值可以确定电流向量的扇区从而可以算出各个电流矢量所需作用的时间。

PWM比较强更新数据；采用过DSP定时器的比较输出功能实现PWM输出。

恢复现场。

所述SVPWM算法具体步骤如下：假设变量P，P1，P2，P3。Sign(x)为判定函数：若x大于0时为1，否则为0，V_sαV_sβ分别表示在等效静止坐标系下α，β轴分量；

获取Vs所在扇区；扇区的确定采用常规的

然后分别按照以下公式进行计算：

计算T₁，并装载比较寄存器；

计算T₂，并装载比较寄存器；

计算T₀，并装载比较寄存器；T₀＝T-T₁-T₂

所述扇区按照以下步骤进行计算：

设置扇区P＝0；

通过以下公式得到P1：

P₁＝signV_sβ

通过以下公式得到P2

P₂＝2sign[sin60°V_sα-sin30°V_sβ]

同理可得P3：

P₃＝4sign[-sin60°V_sα-sin30°V_sβ]

通过以下公式得到P：P＝P₁+P₂+P₃

查表确定扇区。当P＝3时，Vs位于第Ⅰ扇区；

当P＝1时，Vs位于第Ⅱ扇区；当P＝5时，Vs位于第Ⅲ扇区；当P＝4时，Vs位于第Ⅳ扇区；当P＝6时，Vs位于第Ⅴ扇区；当N＝2时，Vs位于第Ⅵ扇区

所述电流采样是按照以下步骤进行：

设置电流采样控制参数；

采取电阻法获取电机转子电压采样值；

将电压采样值预处理后通过光耦元件隔离输出得到输出信号；

将输出信号送给DSP处理器进行计算得到被测电流值。

实施例2

本实施例中采用的FOC控制算法，基本思想是在磁场定向坐标上，将电流矢量分解成两个相互垂直，彼此独立的矢量i_d(产生磁通的励磁电流分量)和i_q(产生转矩的转矩电流分量)控制i_d和i_q便可以控制电动机的转矩。按转子磁链定向的控制方法(i_d＝0)使定子电流矢量位于q轴，无d轴分量。此时转矩T_e和i_q呈线性关系。因此，只要对i_q进行控制，就可以达到控制转矩的目的。Clark变换是定子三相绕组由静止ABC轴系到静止αβ轴系的坐标变换，Park变换即两相静止坐标通过变换矩阵等效到两相旋转坐标上，如图2所示，两坐标系按照以下公式进行转换：

电流环控制中矢量控制最终是对电机的定子的电流控制，各个环节的优化是高性能的基础，要提高控制精度和速度响应要求电流环具有输出电流谐波分量小，响应速度快的特点。电流环控制环路采用电压型的PWM控制器(SVPWM)，由于电流反馈信号有较多谐波分量，所以需要经过滤波环节，且给定滤波时间常数与反馈滤波时间常数相等。电枢回路等效看成电阻和电感的一阶惯性环节，可以得到电流环的控制环路传递函数结构如图3，β₁是电流反馈电路的放大系数。

电流环闭环传递函数与二阶系统标准形式比较，并根据二阶最优进行参数调整可以得到电流环比例系数为。

SVPWM输出方法，在任意给定的空间电压矢量,均可由8个基本空间电压矢量合成(Sa，S_b，S_c，)。根据三角关系,可计算各矢量的作用时间如下:参考电压矢量Vref位于基本空间矢量V1和V2所包围的扇区内。因此可以用基本空间矢量V1和V2表示：

为尽量减少谐波，一般采用7段式，即在一个调制周期的剩余时间T0＝Ts-T1-T2内采用零矢量,并将这段时间均匀分布在一个调制周期的开头、结尾和中间。如图4中所示，图4b为3个桥臂开关函数的波形，

T1和T2分别在周期时间T内的空间矢量各自站的时间T0是零矢量作用时间。将上式投影到αβ轴上得：

基本空间矢量的幅值代入式3可得矢量作用时间：

因此可以得到任意空间电压矢量，精确控制电压矢量。

速度环是在电流环的设计的基础上，进行速度环的PI调节器的设计，速度环要求进度高响应快的特点在速度采样信号和速度给定信号中都增加时间常数t的滤波环节则可以得到速度闭环系统的传递函数结构图，如图5所示：经过实际情况对模型简化计算就可以大致计算得出速度环闭环PI调节器的比例系数为：

SVPWM控制信号，由DSP经FOC控制后产生，由光耦ACPL-3120隔离栅极驱动，驱动六个由IR公司的功率开关MOSFET，irf540构成惯用的三相逆变桥电路，从而实现电机的SVPWM调制产出圆形的旋转磁场。

电流采样的响应速度和准确性是决定电动机控制性能的主要因素。本电机选用星型连接的定子绕组结构，采取电阻法，即是将一较小阻值的无感采样电阻串联在电机相中，采样得到的电压经AD8656差分放大之后通过光耦元件隔离输出电压位0-3.3V，送给DSP的ADC处理，DSP通过电阻电压值间接计算出被测电流值。此测量方法可检测出定子的三相电流、快速简单、成本低，温度对测量精度影响小。实际电机相电流采样电路如图6所示。

电流反馈经过矢量变换之后的处理后由PID调节器调节各个控制量，此过程需要对信号离散化，得到PID控制器：

将式转化为：

△u(k)＝u(k)-u(k-1)

＝K_p△e(k)+Kie(k)+[△e(k)-△e(k-1)]

式中：△e(k)＝e(k)-e(k-1)

e(k-1)＝e(k-2)＝0

最终转化：△u(k)＝A△e(k)-Be(k-1)+Ce(k-2)

其中，A＝K_p(1+T/T_i+T_d/T)，B＝K_p(1+2T_d/T)，C＝K_p(T_d/T)；

需要对每个字母符号说明具体含义：

其中，e(k)表示第K次的误差；e(k-1)表示第K－1次的误差；e(k-2)表示第K－2次的误差；u(k)表示；u(k-1)表示第K－1次的控制量；u(k-2)表示第K－1次的控制量；Δe(k)表示；Δu(k)表示第K次输出控制量；K_p表示比例控制系数；Td表示微分周期；T_i表示积分周期；T表示离散化周期；

这成为增量式PID控制，一般计算机只需要采样周期T在选定后就不变，一旦K_p，Td，Ti确定后控制器的输出值只和前三次时刻的控制量有关。

如图7所示，增量式的PID控制器的软件设计流程，SVPWM需要确定在α-β坐标系下输出电压，分解成基本电压矢量；确定时间T1、T2、T0；写入对应的开寄存器。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的保护范围当中。

Claims (3)

1.一种永磁无刷直流电机驱动器控制方法，所述直流电机驱动器包括处理器DSP、HALL传感器和直流电机；所述HALL传感器用于获取直流电机运行状态信号并将信号输入到处理器DSP中；其特征在于：所述直流电机驱动器按照以下步骤进行控制：

保护直流电机驱动器运行状态现场；

采集直流电机驱动器运行时的电流序列数据；

初始化相电流的相位；

读取HALL传感器的HALL状态值更新相位；

根据HALL状态值采用速度环控制直流电机的速度；

更新闭环周期；闭环周期时间间隔固定，每当更新时间到时，读取外部给定比例系数和积分常数,如果常数有变化则进行更新；如果没有变化则执行下一步；

检测电机相电流传给处理器CPU；

通过Clark变换按照以下公式将旋转电流转换成静止相电流：

其中，i_α表示经过Clark变换后静止坐标系下的α轴电流；i_β表示表示经过Clark变换后静止坐标系下的β轴电流；i_a；i_b；i_c分别表示电机ABC相的瞬时相电流；

获取电流反馈信号采用SVPWM算法实现电流环控制；

通过电角度θ计算其正弦值sin和余弦值cos，实现Park反变换将静止相相电流转换成旋转相电流；

根据旋转相电流计算电流向量的扇区从而计算出各个电流矢量所需作用的时间；

更新PWM比较数据；

恢复现场；

所述SVPWM算法具体步骤如下：

获取输出相电压Vs所在扇区；

根据以下公式确定扇区：

其中，V_s表示输出相电压；V_sαV_sβ分别表示在等效静止坐标系下α，β轴分量；

按照以下公式分别进行计算：

计算T₁，并装载比较寄存器；

计算T₂，并装载比较寄存器；

计算T₀，并装载比较寄存器；T₀＝T-T₁-T₂

其中，T₁，T₂分别表示Us所在扇区的两基本开关矢量作用的时间；T₀表示0矢量作用时间；T_s表示开关周期；V_dc表示直流母线电压；

结束计算。

2.如权利要求1所述的永磁无刷直流电机驱动器控制方法，其特征在于：所述扇区按照以下步骤进行计算：

设置扇区P＝0；

通过以下公式得到P1：

P₁＝signV_sβ

通过以下公式得到P2：

P₂＝2sign[sin60°V_sα-sin30°V_sβ]；

同理P3：

P₃＝4sign[-sin60°V_sα-sin30°V_sβ]；

按照以下公式合成矢量P：

P＝P₁+P₂+P₃；

分别按照以下步骤通过查表来确定扇区：

当P＝3时，Vs位于第Ⅰ扇区；

当P＝1时，Vs位于第Ⅱ扇区；

当P＝5时，Vs位于第Ⅲ扇区；

当P＝4时，Vs位于第Ⅳ扇区；

当P＝6时，Vs位于第Ⅴ扇区；

当P＝2时，Vs位于第Ⅵ扇区；

其中，P，P1，P2，P3分别表示预设变量；Sign(x)为判定函数：若x大于0时为1，否则为0，V_sα，V_sβ分别表示在等效静止坐标系下α，β轴分量。

3.如权利要求1所述的永磁无刷直流电机驱动器控制方法，其特征在于：所述电流采样是按照以下步骤进行：

设置电流采样控制参数；

采取电阻法获取电机转子电压采样值；

将电压采样值预处理后通过光耦元件隔离输出得到输出信号；

将输出信号送给DSP处理器进行计算得到被测电流值。