CN107040170B - 一种小功率永磁同步电机控制系统及控制方法 - Google Patents
一种小功率永磁同步电机控制系统及控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种小功率永磁同步电机控制系统及控制方法，涉及交流电机控制领域，实现了有位置传感器和无位置传感器的磁场定位控制。该控制系统包括控制单元和驱动单元，控制单元中GPIO模块检测驱动单元故障信号，PWM产生模块输出6路PWM波形，ADC模块采集电机相电流、相电压，通过SPI通信模块和位置传感器完成对电机位置和速度的检测；驱动单元中通过6路PWM波形控制6个MOSFET关断，相电流调理电路实现电机相电流的检测与信号放大，相电压采集电路实现电机相电压的检测与转换。本发明实现了有位置传感器和无位置传感器两种形式的磁场定位控制，适用于中、低成本应用场合。
Description
技术领域
本发明涉及交流电机控制技术领域，具体涉及一种小功率永磁同步电机控制系统及控制方法。
背景技术
近年来，随着电力电子、微电子技术以及新型电机控制理论和的快速发展，永磁同步电动机得以迅速推广应用。永磁同步电机具有高功率密度、快速动态响应、效率高、损耗低、体积小等优点，在节能空调、洗衣机和其他家电产品制造领域中，已经成为实现大规模产品制造的理想选择，在能源节约和环境保护日益受到重视的今天，对永磁同步电机的研究就显得尤为必要。
永磁同步电机的磁场定位控制以其高效率、低噪声、低纹波转矩等特点，在永磁同步电机的控制算法中得到广泛应用。在中、低成本应用场合中，永磁同步电机磁场定位控制的实现可以利用位置传感器，诸如编码器、旋转变压器或者霍尔传感器，然而，并不是所有的永磁同步电机磁场定位控制都需要位置传感器提供精细的换向角度，而且，在大多数情况下是不需要位置传感器来实现零速控制的。
因此，需要设计一种小功率永磁同步电机控制器，可以满足中、低成本应用场合兼顾有位置传感器和无位置传感器两种形式的磁场定位控制。
发明内容
为了实现对小功率永磁同步电机有位置传感器和无位置传感器两种形式的磁场定位控制，本发明提供一种小功率永磁同步电机控制系统及控制方法。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
本发明的一种小功率永磁同步电机控制系统，包括控制单元和驱动单元，所述控制单元包括：
用于检测驱动单元故障信号的GPIO模块；
由6个PWM调制器组成的PWM产生模块，输出6路PWM信号；
由6个AD转换器组成的ADC模块，用于采集永磁同步电机的相电流和相电压；
通过SPIMOSI信号、SPIMISO信号、SPISET信号与外部位置传感器相连的SPI通信模块，通过SPI通信模块和位置传感器完成对永磁同步电机位置和速度的检测；
所述驱动单元包括：
与6个PWM调制器一一对应相连的6个MOSFET，通过所述PWM产生模块3输出的6路PWM信号来控制6个MOSFET的关断，实现永磁同步电机的磁场定位控制；
其输入端与6个MOSFET中的3个一一对应相连且其输出端与6个AD转换器中的3个一一对应相连的3个相电流调理电路，用于实现永磁同步电机相电流的检测与信号放大，以供ADC模块采集；
其输入端与永磁同步电机的三端一一对应相连且其输出端与6个AD转换器中的其余3个一一对应相连的3个相电压采集电路，用于实现永磁同步电机相电压的检测与转换，以供ADC模块采集。
进一步的，所述GPIO模块包括：通过fault引脚与驱动单元相连的第一GPIO接口、通过otw引脚与驱动单元相连的第二GPIO接口；通过对驱动单元的fault信号和otw信号进行扫描检测来判断驱动单元的运行情况，当驱动单元出现故障时，所述控制单元锁定PWM信号输出，保护电机控制系统。
进一步的，6个PWM调制器分别为第一PWM调制器至第六PWM调制器，所述第一PWM调制器至第六PWM调制器分别产生PWM_AH信号、PWM_BH信号、PWM_CH信号、PWM_AL信号、PWM_BL信号、PWM_CL信号，所述PWM_AH信号与PWM_AL信号经逻辑或处理后得到驱动单元的reset_a使能信号，所述PWM_BH信号与PWM_BL信号经逻辑或处理后得到驱动单元的reset_b使能信号，所述PWM_CH信号与PWM_CL信号经逻辑或处理后得到驱动单元的reset_c使能信号。
进一步的，6个AD转换器分别为第一AD转换器至第六AD转换器，每个采样周期内依次完成对永磁同步电机相电压和相电流的采集。
进一步的，3个相电压采集电路分别为第一相电压采集电路、第二相电压采集电路、第三相电压采集电路；
所述第一相电压采集电路主要由第四电阻、第五电阻、第四电容组成，第四电阻与第四电容并联后与第五电阻串联，所述第一相电压采集电路的输入端和输出端分别与永磁同步电机的A端和第四AD转换器一一对应相连；
所述第二相电压采集电路主要由第六电阻、第七电阻、第五电容组成，第六电阻与第五电容并联后与第七电阻串联，所述第二相电压采集电路的输入端和输出端分别与永磁同步电机的B端和第五AD转换器一一对应相连；
所述第三相电压采集电路主要由第八电阻、第九电阻、第六电容组成，第八电阻与第六电容并联后与第九电阻串联，所述第三相电压采集电路的输入端和输出端分别与永磁同步电机的C端和第六AD转换器一一对应相连。
进一步的，3个相电流调理电路分别为第一相电流调理电路、第二相电流调理电路、第三相电流调理电路，相电流调理电路主要由放大器、第十电阻～第十五电阻、第七电容、第八电容组成，第十电阻、第十一电阻、第七电容与第十二电阻并联后连接在放大器输入端，第十电阻另一端接地，第十一电阻另一端接2.5V电源，第十三电阻与第八电容并联后连接在放大器输入端，放大器三个输出端中的一个输出端串联一个第十五电阻，一个输出端输出电压V-并接地，最后一个输出端输出电压V+并与ADC模块相连，为ADC模块供电，第十四电阻并联在放大器两端，并且第十四电阻一端接在第十三电阻与第八电容并联电路输出端。
进一步的，6个MOSFET分别为第一MOSFET至第六MOSFET；
所述第一MOSFET和第四MOSFET的栅极均与第一PWM调制器相连，第一PWM调制器产生的PWM_AH信号输出给第一MOSFET和第四MOSFET，控制第一MOSFET和第四MOSFET的关断；
所述第二MOSFET和第五MOSFET的栅极均与第二PWM调制器相连，第二PWM调制器产生的PWM_BH信号输出给第二MOSFET和第五MOSFET，控制第二MOSFET和第五MOSFET的关断；
所述第三MOSFET和第六MOSFET的栅极均与第三PWM调制器相连，第三PWM调制器产生的PWM_CH信号输出给第三MOSFET和第六MOSFET，控制第三MOSFET和第六MOSFET的关断；
所述第一MOSFET的漏极分别与第四MOSFET的源极以及第一相电压采集电路的输入端相连，第四MOSFET的漏极与第一相电流调理电路的输入端相连，第一相电流调理电路两端并联有第一电容和第一电阻，第一相电流调理电路的输出端与第一AD转换器相连；
所述第二MOSFET的漏极分别与第五MOSFET的源极以及第二相电压采集电路的的输入端相连，第五MOSFET的漏极与第二相电流调理电路的输入端相连，第二相电流调理电路两端并联有第二电容和第二电阻，第二相电流调理电路的输出端与第二AD转换器相连；
所述第三MOSFET的漏极分别与第六MOSFET的源极以及第三相电压采集电路的的输入端相连，第六MOSFET的漏极与第三相电流调理电路的输入端相连，第三相电流调理电路两端并联有第三电容和第三电阻，第三相电流调理电路的输出端与第三AD转换器相连。
进一步的，所述第一相电流调理电路中，第十电阻、第十一电阻、第七电容和第十二电阻并联电路的一端连接第四MOSFET的漏极，第十三电阻和第八电容并联电路的一端接地，放大器串联一个第十五电阻的输出端与第一AD转换器相连，放大器输出的3.3V电压为第一AD转换器供电；
所述第二相电流调理电路中，第十电阻、第十一电阻、第七电容和第十二电阻并联电路的一端连接第五MOSFET的漏极，第十三电阻和第八电容并联电路的一端接地，放大器串联一个第十五电阻的输出端与第二AD转换器相连，放大器输出的3.3V电压为第二AD转换器供电；
所述第三相电流调理电路中，第十电阻、第十一电阻、第七电容和第十二电阻并联电路的一端连接第六MOSFET的漏极，第十三电阻和第八电容并联电路的一端接地，放大器串联一个第十五电阻的输出端与第三AD转换器相连，放大器输出的3.3V电压为第三AD转换器供电。
本发明还提供了一种小功率永磁同步电机控制方法，当采用有位置传感器形式的磁场定位控制时，其具体工作过程如下：
步骤一、通过控制单元触发ADC模块中断，通过ADC模块采集永磁同步电机的相电压Va、Vb、Vc和相电流Ia、Ib、Ic；
步骤二、通过SPI通信模块读取外部位置传感器的位置数据，获得永磁同步电机的电角度θe和实际转速值ω；
步骤三、根据速度参考值ωr *与实际转速值ω的偏差，执行速度控制算法并输出相电流参考值Iq*和Id*，其中，Id*＝0；
步骤四、利用永磁同步电机的相电流Ia、Ib执行磁场定位控制中Clarke变换得到α-β坐标系中的相电流Iα、Iβ，根据永磁同步电机的电角度θe再执行Park变换得到d-q坐标系中的相电流实际值Iq和Id，并分别与相电流参考值Iq*和Id*相比较，借助PI电流控制算法对相电流实际值Iq和Id进行校正，获得相电压Vq、Vd；
步骤五、利用相电压Vq、Vd和永磁同步电机的电角度θe，执行磁场定位控制中Park逆变换得到α-β坐标系中的相电压Vα、Vβ；
步骤六、利用空间矢量脉宽调制方法对相电压Vα、Vβ进行处理得到新的PWM信号；
步骤七、通过控制单元将新的PWM信号输出给驱动单元，控制驱动单元内部的6个MOSFET的关断，控制永磁同步电机的旋转，实现永磁同步电机的磁场定位控制和转速的闭环控制。
本发明还提供了一种小功率永磁同步电机控制方法，当采用无位置传感器形式的磁场定位控制时，其具体工作过程如下：
步骤一、通过控制单元触发ADC模块中断，通过ADC模块采集永磁同步电机的相电压Va、Vb、Vc和相电流Ia、Ib、Ic；
步骤二、利用永磁同步电机的相电流Ia、Ib执行磁场定位控制中Clarke变换得到α-β坐标系中的相电流Iα、Iβ，利用永磁同步电机的相电压Va、Vb执行磁场定位控制中Clarke变换得到α-β坐标系中的相电压Vα、Vβ；
步骤三、利用相电压Vα、Vβ和相电流Iα、Iβ以及永磁同步电机的相电感参数Ls和电阻参数Rs，计算α-β坐标系中的反电动势Eα和Eβ，如公式(1)所示：
步骤四、α-β坐标系中的反电动势Eα和Eβ经过Park变换后，得到d-q坐标系中的反电动势Ed和Eq，如公式(2)所示：
步骤五、d-q坐标系中的反电动势Ed和Eq经过一阶低通滤波器后，得到反电动势分量Edf和Eqf，采用q轴上的反电动势分量Eqf除以电机反电动势系数KΦ得到估计的转速ωe，如公式(3)所示：
步骤六、对估计的转速ωe进行积分得到估计的电角度θe，如公式(4)：
θe＝∫ωedt (4)
步骤七、根据速度参考值ωr *与估计的转速ωe的偏差，执行速度控制算法并输出相电流参考值Iq*和Id*，其中，Id*＝0；
步骤八、利用永磁同步电机的相电流Ia、Ib执行磁场定位控制中Clarke变换得到α-β坐标系中的相电流Iα、Iβ，根据永磁同步电机的电角度θe再执行Park变换得到d-q坐标系中的相电流实际值Iq和Id，并分别与相电流参考值Iq*和Id*相比较，借助PI电流控制算法对相电流实际值Iq和Id进行校正，获得相电压Vq、Vd；
步骤九、利用相电压Vq、Vd和永磁同步电机的电角度θe，执行磁场定位控制中Park逆变换得到α-β坐标系中的相电压Vα、Vβ；
步骤十、利用空间矢量脉宽调制方法对相电压Vα、Vβ进行处理得到新的PWM信号；
步骤十一、通过控制单元将新的PWM信号输出给驱动单元，控制驱动单元内部的6个MOSFET的关断，控制永磁同步电机的旋转，实现永磁同步电机的磁场定位控制和转速的闭环控制。
本发明的有益效果是：本发明的一种小功率永磁同步电机控制系统，在硬件上包括控制单元和驱动单元的具体电路，控制单元中的GPIO模块用于检测驱动单元故障信号，PWM产生模块输出6路PWM波形，ADC模块用于采集永磁同步电机的相电流和相电压，通过SPI通信模块和位置传感器完成对永磁同步电机位置和速度的检测；驱动单元中，通过6路PWM波形来控制6个MOSFET的关断，实现永磁同步电机的磁场定位控制，3个相电流调理电路用于实现永磁同步电机相电流的检测与信号放大，以供ADC模块采集，3个相电压采集电路用于实现永磁同步电机相电压的检测与转换，以供ADC模块采集。本发明通过上述硬件和软件的结合实现了有位置传感器和无位置传感器两种形式的磁场定位控制，实现了小功率永磁同步电机的集成控制，适用于中、低成本应用场合，同时，本发明在硬件的设计上简单明了、成本低廉、安全可靠。
本发明还设计了一种小功率永磁同步电机控制方法，当采用有位置传感器形式的磁场定位控制时，控制单元通过SPI通信模块读取位置传感器的位置数据，根据ADC模块采集的永磁同步电机相电流完成磁场定位控制算法，通过PWM产生模块输出6路脉宽调制波形，控制永磁同步电机的旋转；当采用无位置传感器形式的磁场定位控制时，控制单元则是根据永磁同步电机的相电流和电机参数估计永磁同步电机的位置和转速，完成磁场定位控制算法。本发明的控制方法所采用的磁场定位控制算法十分简便、可操作性强。该控制方法满足小功率永磁同步电机在中、低成本场合中的应用需要。
附图说明
图1为本发明的一种小功率永磁同步电机控制系统的电路原理示意图。
图2为相电流调理电路的原理图。
图3为永磁同步电机无位置传感器控制的角位置估计器原理图。
图4为本发明的一种小功率永磁同步电机控制方法的原理示意图。
图中：1、控制单元，2、GPIO模块，2-1、第一GPIO接口，2-2、第二GPIO接口，3、PWM产生模块，3-1、第一PWM调制器，3-2、第二PWM调制器，3-3、第三PWM调制器，3-4、第四PWM调制器，3-5、第五PWM调制器，3-6、第六PWM调制器，4、ADC模块，4-1、第一AD转换器，4-2、第二AD转换器，4-3、第三AD转换器，4-4、第四AD转换器，4-5、第五AD转换器，4-6、第六AD转换器，5、SPI通信模块，6、驱动单元，7、第一MOSFET，8、第二MOSFET，9、第三MOSFET，10、第四MOSFET，11、第五MOSFET，12、第六MOSFET，13、第一相电流调理电路，14、第二相电流调理电路，15、第三相电流调理电路，16、第一相电压采集电路，17、第二相电压采集电路，18、第三相电压采集电路，19、永磁同步电机，20、放大器，R1～R15、第一电阻～第十五电阻，C1～C8、第一电容～第八电容。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明的一种小功率永磁同步电机控制系统，主要由控制单元1和驱动单元6组成。
如图1所示，控制单元1主要包括GPIO(通用输入/输出)模块2、PWM产生模块3、ADC(模拟数字转换器)模块4和SPI(串行外设接口)通信模块5。
GPIO模块2用于检测来自驱动单元6的故障信号。GPIO模块2包括两个GPIO接口，分别为第一GPIO接口2-1和第二GPIO接口2-2，第一GPIO接口2-1通过fault引脚与驱动单元6相连，第二GPIO接口2-2通过otw引脚与驱动单元6相连。通过对驱动单元6的fault信号和otw信号进行扫描检测来判断驱动单元6的运行情况，当驱动单元6出现故障时，控制单元1能够及时锁定PWM信号输出，保护电机控制系统。
PWM产生模块3由6个PWM调制器组成，分别为第一PWM调制器3-1、第二PWM调制器3-2、第三PWM调制器3-3、第四PWM调制器3-4、第五PWM调制器3-5、第六PWM调制器3-6。第一PWM调制器3-1产生PWM_AH信号、第二PWM调制器3-2产生PWM_BH信号、第三PWM调制器3-3产生PWM_CH信号、第四PWM调制器3-4产生PWM_AL信号、第五PWM调制器3-5产生PWM_BL信号、第六PWM调制器3-6产生PWM_CL信号，6路PWM信号或者说6路PWM波形的产生基于磁场定位控制算法。PWM_AH信号与PWM_AL信号经过逻辑或处理后得到驱动单元6的reset_a使能信号，PWM_BH信号与PWM_BL信号经过逻辑或处理后得到驱动单元6的reset_b使能信号，PWM_CH信号与PWM_CL信号经过逻辑或处理后得到驱动单元6的reset_c使能信号。PWM产生模块3输出6路PWM信号，通过控制驱动单元6内部的6个MOSFET的关断，实现永磁同步电机19的磁场定位控制。
ADC模块4由6路12位AD转换器组成，分别为第一AD转换器4-1、第二AD转换器4-2、第三AD转换器4-3、第四AD转换器4-4、第五AD转换器4-5和第六AD转换器4-6。每个采样周期内依次完成对永磁同步电机19的相电压和相电流的采集。
通过SPI通信模块5和位置传感器完成对永磁同步电机19位置和速度的检测。当需要完成永磁同步电机19有位置传感器形式的磁场定位控制时，SPI通信模块5通过SPIMOSI信号(SPI总线主输出/从输入)、SPIMISO信号(SPI总线主机输入/从机输出)、SPISET信号(SET置位)与外部位置传感器相连，通过这三个信号实现对外部位置传感器位置数据的读取，利用位置传感器的数据控制单元以及所采集的位置数据完成永磁同步电机19有位置传感器形式的磁场定位控制。SPI通信模块5用于采集外部位置传感器的位置数据，采用位置数据来完成永磁同步电机19的电角度换向。
驱动单元6包括6个MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管)、3个相电流调理电路和3个相电压采集电路。
6个MOSFET分别为第一MOSFET7、第二MOSFET8、第三MOSFET9、第四MOSFET10、第五MOSFET11、第六MOSFET12。第一MOSFET7和第四MOSFET10的栅极均与第一PWM调制器3-1相连，第一PWM调制器3-1产生的PWM_AH信号输出给第一MOSFET7和第四MOSFET10，控制第一MOSFET7和第四MOSFET10的关断。第二MOSFET8和第五MOSFET11的栅极均与第二PWM调制器3-2相连，第二PWM调制器3-2产生的PWM_BH信号输出给第二MOSFET8和第五MOSFET11，控制第二MOSFET8和第五MOSFET11的关断。第三MOSFET9和第六MOSFET12的栅极均与第三PWM调制器3-3相连，第三PWM调制器3-3产生的PWM_CH信号输出给第三MOSFET9和第六MOSFET12，控制第三MOSFET9和第六MOSFET12的关断。第一MOSFET7的漏极分别与第四MOSFET10的源极以及第一相电压采集电路16的输入端相连，第四MOSFET10的漏极与第一相电流调理电路13的输入端相连，第一相电流调理电路13两端并联有第一电容C1和第一电阻R1，第一相电流调理电路13的输出端与第一AD转换器4-1相连。第二MOSFET8的漏极分别与第五MOSFET11的源极以及第二相电压采集电路17的的输入端相连，第五MOSFET11的漏极与第二相电流调理电路14的输入端相连，第二相电流调理电路14两端并联有第二电容C2和第二电阻R2，第二相电流调理电路14的输出端与第二AD转换器4-2相连。第三MOSFET9的漏极分别与第六MOSFET12的源极以及第三相电压采集电路18的的输入端相连，第六MOSFET12的漏极与第三相电流调理电路15的输入端相连，第三相电流调理电路15两端并联有第三电容C3和第三电阻R3，第三相电流调理电路15的输出端与第三AD转换器4-3相连。
3个相电流调理电路分别为第一相电流调理电路13、第二相电流调理电路14、第三相电流调理电路15。如图2所示，相电流调理电路主要由放大器20、第十电阻R10～R15、第七电容C7、第八电容C8组成，第十电阻R10、第十一电阻R11、第七电容C7与第十二电阻R12并联后连接在放大器20输入端，第十电阻R10另一端接地，第十一电阻R11另一端接2.5V电源，第十三电阻R13与第八电容C8并联后连接在放大器20输入端，放大器20三个输出端中的一个输出端串联一个第十五电阻R15，一个输出端输出电压V-并接地，最后一个输出端输出电压V+(3.3V)并与ADC模块4相连，为ADC模块4供电，第十四电阻R14并联在放大器20两端，并且第十四电阻R14一端接在第十三电阻R13与第八电容C8并联电路输出端。具体的说：第一相电流调理电路13中，第十电阻R10、第十一电阻R11、第七电容C7和第十二电阻R12并联电路的一端连接第四MOSFET10的漏极，第十三电阻R13和第八电容C8并联电路的一端接地，放大器20串联一个第十五电阻R15的输出端与第一AD转换器4-1相连，放大器20输出的3.3V电压为第一AD转换器4-1供电；第二相电流调理电路14中，第十电阻R10、第十一电阻R11、第七电容C7和第十二电阻R12并联电路的一端连接第五MOSFET11的漏极，第十三电阻R13和第八电容C8并联电路的一端接地，放大器20串联一个第十五电阻R15的输出端与第二AD转换器4-2相连，放大器20输出的3.3V电压为第二AD转换器4-2供电；第三相电流调理电路15中，第十电阻R10、第十一电阻R11、第七电容C7和第十二电阻R12并联电路的一端连接第六MOSFET12的漏极，第十三电阻R13和第八电容C8并联电路的一端接地，放大器20串联一个第十五电阻R15的输出端与第三AD转换器4-3相连，放大器20输出的3.3V电压为第三AD转换器4-3供电。
相电流调理电路主要用于实现永磁同步电机19的相电流的检测与信号放大，由于相电流方向是双向的，而ADC模块4只能检测单方向的电压，因此需要利用相电流调理电路将相电流转换为ADC模块4可以采集的电压。该相电流调理电路首先将永磁同步电机19的相电流转换为[-0.1V，0.1V]范围内的电压，然后将双极性电压转换为ADC模块4允许采集的[0V，3.0V]范围内的电压。图2中，Ix+(正向)、Ix-(反向)中的x表示a、b或c。
3个相电压采集电路分别为第一相电压采集电路16、第二相电压采集电路17、第三相电压采集电路18。如图1所示，第一相电压采集电路16主要由第四电阻R4、第五电阻R5、第四电容C4组成，第四电阻R4与第四电容C4并联后与第五电阻R5串联，永磁同步电机19的A端与第一相电压采集电路16的输入端相连，第一相电压采集电路16的输出端与第四AD转换器4-4相连。第二相电压采集电路17主要由第六电阻R6、第七电阻R7、第五电容C5组成，第六电阻R6与第五电容C5并联后与第七电阻R7串联，永磁同步电机19的B端与第二相电压采集电路17的输入端相连，第二相电压采集电路17的输出端与第五AD转换器4-5相连。第三相电压采集电路18主要由第八电阻R8、第九电阻R9、第六电容C6组成，第八电阻R8与第六电容C6并联后与第九电阻R9串联，永磁同步电机19的C端与第三相电压采集电路18的输入端相连，第三相电压采集电路18的输出端与第六AD转换器4-6相连。
相电压采集电路主要用于检测永磁同步电机19的相电压，采用电阻分压的形式(通过499Ω和10kΩ分压产生0～2.4V范围的电压)将永磁同步电机19的相电压转为ADC模块4可以采集的电压。
如图1和图4所示，本发明的一种小功率永磁同步电机控制方法，当采用有位置传感器形式的磁场定位控制时，控制单元1通过SPI通信模块5读取外部位置传感器的位置数据，根据ADC模块4采集的永磁同步电机19的相电流完成磁场定位控制算法，通过PWM产生模块3输出6路PWM信号，控制永磁同步电机19的旋转。其具体工作过程如下：
步骤一、控制单元1以20kHz的频率触发ADC模块4中断，ADC模块4中的6个AD转换器在每个采样周期内依次采集永磁同步电机19的相电压Va、Vb、Vc和相电流Ia(双向的，包括Ia+和Ia-)、Ib(双向的，包括Ib+和Ib-)、Ic(双向的，包括Ic+和Ic-)；由于永磁同步电机19的相电流方向是双向的，而ADC模块4只能检测单方向的电压，因此需要利用相电流调理电路将相电流转换为ADC模块4可以采集的电压，相电流调理电路首先将永磁同步电机19的相电流转换为[-0.1V，0.1V]范围内的电压，然后将双极性电压转换为ADC模块4允许采集的[0V，3.0V]范围内的电压。
步骤二、通过SPI通信模块5读取外部位置传感器的位置数据，获得永磁同步电机19的电角度θe和实际转速值ω。
步骤三、根据速度参考值ωr *与实际转速值ω的偏差，执行速度控制算法并输出相电流参考值Iq*和Id*，其中，Id*＝0。
步骤四、利用上述获得的永磁同步电机19的相电流Ia、Ib执行磁场定位控制中Clarke变换得到α-β坐标系中的相电流Iα、Iβ，根据永磁同步电机19的电角度θe再执行Park变换得到d-q坐标系中的相电流实际值Iq和Id，并分别与相电流参考值Iq*和Id*相比较，然后借助PI电流控制算法对相电流实际值Iq和Id进行校正，获得相电压Vq、Vd。
步骤五、利用上述获得的相电压Vq、Vd和永磁同步电机19的电角度θe，执行磁场定位控制中Park逆变换得到α-β坐标系中的相电压Vα、Vβ。
步骤六、通过PWM产生模块3中的6个PWM调制器利用空间矢量脉宽调制方法(SVPWM)对上述获得的相电压Vα、Vβ进行处理得到新的PWM信号。
步骤七、控制单元1将上述6路PWM信号输出给驱动单元6，控制驱动单元6内部的6个MOSFET的关断，控制永磁同步电机19的旋转，实现永磁同步电机19的磁场定位控制和转速的闭环控制。
如图1、图3和图4所示，本发明的一种小功率永磁同步电机控制方法，当采用无位置传感器形式的磁场定位控制时，可以利用角位置估计器来实现永磁同步电机19无位置传感器形式的磁场定位控制。控制单元1根据永磁同步电机19的相电流和电机参数估计永磁同步电机19的位置和速度，完成磁场定位控制算法。其具体工作过程如下：
步骤一、控制单元1以20kHz的频率触发ADC模块4中断，ADC模块4中的6个AD转换器在每个采样周期内依次采集永磁同步电机19的相电压Va、Vb、Vc和相电流Ia(双向的，包括Ia+和Ia-)、Ib(双向的，包括Ib+和Ib-)、Ic(双向的，包括Ic+和Ic-)；由于永磁同步电机19的相电流方向是双向的，而ADC模块4只能检测单方向的电压，因此需要利用相电流调理电路将相电流转换为ADC模块4可以采集的电压，相电流调理电路首先将永磁同步电机19的相电流转换为[-0.1V，0.1V]范围内的电压，然后将双极性电压转换为ADC模块4允许采集的[0V，3.0V]范围内的电压。
步骤二、利用上述获得的永磁同步电机19的相电流Ia、Ib执行磁场定位控制中Clarke变换得到α-β坐标系中的相电流Iα、Iβ，利用上述获得的永磁同步电机19的相电压Va、Vb执行磁场定位控制中Clarke变换得到α-β坐标系中的相电压Vα、Vβ。
步骤三、利用上述获得的α-β坐标系中的相电压Vα、Vβ和相电流Iα、Iβ以及永磁同步电机19的相电感参数Ls和电阻参数Rs，计算α-β坐标系中的反电动势Eα和Eβ，如公式(1)所示：
步骤四、α-β坐标系中的反电动势Eα和Eβ经过Park变换后，得到d-q坐标系中的反电动势Ed和Eq，如公式(2)所示：
步骤五、d-q坐标系中的反电动势Ed和Eq经过一阶低通滤波器LPF后，得到反电动势分量Edf和Eqf，采用q轴上的反电动势分量Eqf除以电机反电动势系数KΦ得到估计的转速ωe，如公式(3)所示：
步骤六、对估计的转速ωe进行积分得到估计的电角度θe，如公式(4)：
θe＝∫ωedt (4)
步骤七、根据速度参考值ωr *与估计的转速ωe的偏差，执行速度控制算法并输出相电流参考值Iq*和Id*，其中，Id*＝0。
步骤八、利用上述获得的永磁同步电机19的相电流Ia、Ib执行磁场定位控制中Clarke变换得到α-β坐标系中的相电流Iα、Iβ，根据永磁同步电机19的电角度θe再执行Park变换得到d-q坐标系中的相电流实际值Iq和Id，并分别与相电流参考值Iq*和Id*相比较，然后借助PI电流控制算法对相电流实际值Iq和Id进行校正，获得相电压Vq、Vd。
步骤九、利用上述获得的相电压Vq、Vd和永磁同步电机19的电角度θe，执行磁场定位控制中Park逆变换得到α-β坐标系中的相电压Vα、Vβ。
步骤十、通过PWM产生模块3中的6个PWM调制器利用空间矢量脉宽调制方法(SVPWM)对上述获得的相电压Vα、Vβ进行处理得到新的PWM信号。
步骤十一、控制单元1将上述6路PWM信号输出给驱动单元6，控制驱动单元6内部的6个MOSFET的关断，控制永磁同步电机19的旋转，实现永磁同步电机19的磁场定位控制和转速的闭环控制。
本实施方式中，控制单元采用高性能DSP芯片，优选的是TI公司的TMS320F28069芯片。
本实施方式中，驱动单元6选用DRV8332芯片，该芯片具备故障保护功能，连续驱动电流达到8A，最大母线电压为50V，具有较大的驱动能力，满足低功率和低成本应用场合。
本实施方式中，放大器20选用OPA365芯片。
本实施方式中，第一电阻R1＝第二电阻R2＝第三电阻R3＝0.01Ω，第四电阻R4＝第六电阻R6＝第八电阻R8＝499Ω，第五电阻R5＝第七电阻R7＝第九电阻R9＝10kΩ，第十电阻R10＝30.1kΩ，第十一电阻R11＝15.4kΩ，第十二电阻R12＝619Ω，第十三电阻R13＝931Ω，第十四电阻R14＝10.2kΩ，第十五电阻R15＝0，第一电容C1＝第二电容C2＝第三电容C3＝第四电容C4＝第五电容C5＝第六电容C6＝0.01μF，第七电容C7＝第八电容C8＝220pF。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种小功率永磁同步电机控制方法，其特征在于，采用一种小功率永磁同步电机控制系统实现，所述一种小功率永磁同步电机控制系统，包括控制单元(1)和驱动单元(6)，所述控制单元(1)包括：
用于检测驱动单元(6)故障信号的GPIO模块(2)；
由6个PWM调制器组成的PWM产生模块(3)，输出6路PWM信号；
由6个AD转换器组成的ADC模块(4)，用于采集永磁同步电机(19)的相电流和相电压；
通过SPIMOSI信号、SPIMISO信号、SPISET信号与外部位置传感器相连的SPI通信模块(5)，通过SPI通信模块(5)和位置传感器完成对永磁同步电机(19)位置和速度的检测；
所述驱动单元(6)包括：
与6个PWM调制器一一对应相连的6个MOSFET，通过所述PWM产生模块(3)输出的6路PWM信号来控制6个MOSFET的关断，实现永磁同步电机(19)的磁场定位控制；
其输入端与6个MOSFET中的3个一一对应相连且其输出端与6个AD转换器中的3个一一对应相连的3个相电流调理电路，用于实现永磁同步电机(19)相电流的检测与信号放大，以供ADC模块(4)采集；
其输入端与永磁同步电机(19)的三端一一对应相连且其输出端与6个AD转换器中的其余3个一一对应相连的3个相电压采集电路，用于实现永磁同步电机(19)相电压的检测与转换，以供ADC模块(4)采集；
当采用无位置传感器形式的磁场定位控制时，其具体工作过程如下：
步骤一、通过控制单元(1)触发ADC模块(4)中断，通过ADC模块(4)采集永磁同步电机(19)的相电压Va、Vb、Vc和相电流Ia、Ib、Ic；
步骤二、利用永磁同步电机(19)的相电流Ia、Ib执行磁场定位控制中Clarke变换得到α-β坐标系中的相电流Iα、Iβ，利用永磁同步电机(19)的相电压Va、Vb执行磁场定位控制中Clarke变换得到α-β坐标系中的相电压Vα、Vβ；
步骤三、利用相电压Vα、Vβ和相电流Iα、Iβ以及永磁同步电机(19)的相电感参数Ls和电阻参数Rs，计算α-β坐标系中的反电动势Eα和Eβ，如公式(1)所示：
步骤四、α-β坐标系中的反电动势Eα和Eβ经过Park变换后，得到d-q坐标系中的反电动势Ed和Eq，如公式(2)所示：
步骤五、d-q坐标系中的反电动势Ed和Eq经过一阶低通滤波器后，得到反电动势分量Edf和Eqf，采用q轴上的反电动势分量Eqf除以电机反电动势系数KΦ得到估计的转速ωe，如公式(3)所示：
步骤六、对估计的转速ωe进行积分得到估计的电角度θe，如公式(4)：
θe＝∫ωedt (4)
步骤七、根据速度参考值ωr *与估计的转速ωe的偏差，执行速度控制算法并输出相电流参考值Iq*和Id*，其中，Id*＝0；
步骤八、利用永磁同步电机(19)的相电流Ia、Ib执行磁场定位控制中Clarke变换得到α-β坐标系中的相电流Iα、Iβ，根据永磁同步电机(19)的电角度θe再执行Park变换得到d-q坐标系中的相电流实际值Iq和Id，并分别与相电流参考值Iq*和Id*相比较，借助PI电流控制算法对相电流实际值Iq和Id进行校正，获得相电压Vq、Vd；
步骤九、利用相电压Vq、Vd和永磁同步电机(19)的电角度θe，执行磁场定位控制中Park逆变换得到α-β坐标系中的相电压Vα、Vβ；
步骤十、利用空间矢量脉宽调制方法对相电压Vα、Vβ进行处理得到新的PWM信号；
步骤十一、通过控制单元(1)将新的PWM信号输出给驱动单元(6)，控制驱动单元(6)内部的6个MOSFET的关断，控制永磁同步电机(19)的旋转，实现永磁同步电机(19)的磁场定位控制和转速的闭环控制。
2.根据权利要求1所述的一种小功率永磁同步电机控制方法，其特征在于，所述GPIO模块(2)包括：通过fault引脚与驱动单元(6)相连的第一GPIO接口(2-1)、通过otw引脚与驱动单元(6)相连的第二GPIO接口(2-2)；通过对驱动单元(6)的fault信号和otw信号进行扫描检测来判断驱动单元(6)的运行情况，当驱动单元(6)出现故障时，所述控制单元(1)锁定PWM信号输出，保护电机控制系统。
3.根据权利要求1所述的一种小功率永磁同步电机控制方法，其特征在于，6个PWM调制器分别为第一PWM调制器(3-1)至第六PWM调制器(3-6)，所述第一PWM调制器(3-1)至第六PWM调制器(3-6)分别产生PWM_AH信号、PWM_BH信号、PWM_CH信号、PWM_AL信号、PWM_BL信号、PWM_CL信号，所述PWM_AH信号与PWM_AL信号经逻辑或处理后得到驱动单元(6)的reset_a使能信号，所述PWM_BH信号与PWM_BL信号经逻辑或处理后得到驱动单元(6)的reset_b使能信号，所述PWM_CH信号与PWM_CL信号经逻辑或处理后得到驱动单元(6)的reset_c使能信号。
4.根据权利要求3所述的一种小功率永磁同步电机控制方法，其特征在于，6个AD转换器分别为第一AD转换器(4-1)至第六AD转换器(4-6)，每个采样周期内依次完成对永磁同步电机(19)相电压和相电流的采集。
5.根据权利要求4所述的一种小功率永磁同步电机控制方法，其特征在于，3个相电压采集电路分别为第一相电压采集电路(16)、第二相电压采集电路(17)、第三相电压采集电路(18)；
所述第一相电压采集电路(16)主要由第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第四电容(C4)组成，第四电阻(R4)与第四电容(C4)并联后与第五电阻(R5)串联，所述第一相电压采集电路(16)的输入端和输出端分别与永磁同步电机(19)的A端和第四AD转换器(4-4)一一对应相连；
所述第二相电压采集电路(17)主要由第六电阻(R6)、第七电阻(R7)、第五电容(C5)组成，第六电阻(R6)与第五电容(C5)并联后与第七电阻(R7)串联，所述第二相电压采集电路(17)的输入端和输出端分别与永磁同步电机(19)的B端和第五AD转换器(4-5)一一对应相连；
所述第三相电压采集电路(18)主要由第八电阻(R8)、第九电阻(R9)、第六电容(C6)组成，第八电阻(R8)与第六电容(C6)并联后与第九电阻(R9)串联，所述第三相电压采集电路(18)的输入端和输出端分别与永磁同步电机(19)的C端和第六AD转换器(4-6)一一对应相连。
6.根据权利要求4所述的一种小功率永磁同步电机控制方法，其特征在于，3个相电流调理电路分别为第一相电流调理电路(13)、第二相电流调理电路(14)、第三相电流调理电路(15)，相电流调理电路主要由放大器(20)、第十电阻(R10～R15)、第七电容(C7)、第八电容(C8)组成，第十电阻(R10)、第十一电阻(R11)、第七电容(C7)与第十二电阻(R12)并联后连接在放大器(20)输入端，第十电阻(R10)另一端接地，第十一电阻(R11)另一端接2.5V电源，第十三电阻(R13)与第八电容(C8)并联后连接在放大器(20)输入端，放大器(20)三个输出端中的一个输出端串联一个第十五电阻(R15)，一个输出端输出电压V-并接地，最后一个输出端输出电压V+并与ADC模块(4)相连，为ADC模块(4)供电，第十四电阻(R14)并联在放大器(20)两端，并且第十四电阻(R14)一端接在第十三电阻(R13)与第八电容(C8)并联电路输出端。
7.根据权利要求6所述的一种小功率永磁同步电机控制方法，其特征在于，6个MOSFET分别为第一MOSFET(7)至第六MOSFET(12)；
所述第一MOSFET(7)和第四MOSFET(10)的栅极均与第一PWM调制器(3-1)相连，第一PWM调制器(3-1)产生的PWM_AH信号输出给第一MOSFET(7)和第四MOSFET(10)，控制第一MOSFET(7)和第四MOSFET(10)的关断；
所述第二MOSFET(8)和第五MOSFET(11)的栅极均与第二PWM调制器(3-2)相连，第二PWM调制器(3-2)产生的PWM_BH信号输出给第二MOSFET(8)和第五MOSFET(11)，控制第二MOSFET(8)和第五MOSFET(11)的关断；
所述第三MOSFET(9)和第六MOSFET(12)的栅极均与第三PWM调制器(3-3)相连，第三PWM调制器(3-3)产生的PWM_CH信号输出给第三MOSFET(9)和第六MOSFET(12)，控制第三MOSFET(9)和第六MOSFET(12)的关断；
所述第一MOSFET(7)的漏极分别与第四MOSFET(10)的源极以及第一相电压采集电路(16)的输入端相连，第四MOSFET(10)的漏极与第一相电流调理电路(13)的输入端相连，第一相电流调理电路(13)两端并联有第一电容(C1)和第一电阻(R1)，第一相电流调理电路(13)的输出端与第一AD转换器(4-1)相连；
所述第二MOSFET(8)的漏极分别与第五MOSFET(11)的源极以及第二相电压采集电路(17)的的输入端相连，第五MOSFET(11)的漏极与第二相电流调理电路(14)的输入端相连，第二相电流调理电路(14)两端并联有第二电容(C2)和第二电阻(R2)，第二相电流调理电路(14)的输出端与第二AD转换器(4-2)相连；
所述第三MOSFET(9)的漏极分别与第六MOSFET(12)的源极以及第三相电压采集电路(18)的的输入端相连，第六MOSFET(12)的漏极与第三相电流调理电路(15)的输入端相连，第三相电流调理电路(15)两端并联有第三电容(C3)和第三电阻(R3)，第三相电流调理电路(15)的输出端与第三AD转换器(4-3)相连。
8.根据权利要求7所述的一种小功率永磁同步电机控制方法，其特征在于，所述第一相电流调理电路(13)中，第十电阻(R10)、第十一电阻(R11)、第七电容(C7)和第十二电阻(R12)并联电路的一端连接第四MOSFET(10)的漏极，第十三电阻(R13)和第八电容(C8)并联电路的一端接地，放大器(20)串联一个第十五电阻(R15)的输出端与第一AD转换器(4-1)相连，放大器(20)输出的3.3V电压为第一AD转换器(4-1)供电；
所述第二相电流调理电路(14)中，第十电阻(R10)、第十一电阻(R11)、第七电容(C7)和第十二电阻(R12)并联电路的一端连接第五MOSFET(11)的漏极，第十三电阻(R13)和第八电容(C8)并联电路的一端接地，放大器(20)串联一个第十五电阻(R15)的输出端与第二AD转换器(4-2)相连，放大器(20)输出的3.3V电压为第二AD转换器(4-2)供电；
所述第三相电流调理电路(15)中，第十电阻(R10)、第十一电阻(R11)、第七电容(C7)和第十二电阻(R12)并联电路的一端连接第六MOSFET(12)的漏极，第十三电阻(R13)和第八电容(C8)并联电路的一端接地，放大器(20)串联一个第十五电阻(R15)的输出端与第三AD转换器(4-3)相连，放大器(20)输出的3.3V电压为第三AD转换器(4-3)供电。
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