CN107171604A - 无刷线圈激磁直流电机无位置传感器dsp控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于机电一体化技术领域，涉及一种无刷线圈激磁直流电机无位置传感器DSP控制系统，主要包括无刷线圈激磁直流电机、控制器DSP、三相功率变换电路、单相功率变换电路、电流检测电路、电压检测电路、IGBT驱动模块、接口电路、光耦隔离电路、AD转换电路。本发明解决了无刷线圈激磁直流电机控制系统依赖于转子位置传感器的方式，减小了系统的成本、降低了系统的复杂性，提高了系统的可靠性及坚固性。

Description

无刷线圈激磁直流电机无位置传感器DSP控制系统
技术领域
本发明机电一体化技术领域，具体说是涉及一种无刷线圈激磁直流电机无位置传感器DSP控制系统。
背景技术
无刷线圈激磁直流电机是在无刷直流电机的基础上设计的，虽然无刷直流电机在工业领域中得到了日益广泛的应用，电机的控制技术也日趋成熟，但无刷直流电机中永磁体的存在仍有其不足之处：成本较高、永磁转子激磁磁通无法控制、恒功率运行区间变小导致电机速度扩展能力有限以及存在永磁体的退磁风险等问题。因此为改善无刷直流电机永磁体存在的缺点，设计了无刷线圈激磁直流电机以及电机控制系统。但是传统的电机控制系统都依赖于转子位置传感器的位置闭环系统，位置传感器不仅削弱了电机结构简单的优势，而且降低了系统高速运行的可靠性，又给安装、调试带来了很大不便，难以实现电机的高速运行。本发明就是为了消除位置传感器对控制系统的影响，对无刷线圈激磁直流电机驱动系统装置进行无位置传感器设计。
发明内容
发明目的
本发明的目的在于为无刷线圈激磁直流电机提供一种无位置传感器控制系统，形成一种新型电机驱动系统，解决了无刷线圈激磁直流电机控制系统依赖于转子位置传感器的方式存在的问题，减小了系统的成本，降低了系统的复杂性，提高了系统的可靠性及坚固性。
技术方案
一种无刷线圈激磁直流电机无位置传感器DSP控制系统，其特征在于：主要包括无刷线圈激磁直流电机、控制器DSP、三相功率变换电路、单相功率变换电路、电流检测电路、电压检测电路、IGBT驱动模块、接口电路、光耦隔离电路、AD转换电路、保护电路、电源模块；电压检测电路、电流检测电路与无刷线圈激磁直流电机相连接，电压检测电路、电流检测电路与AD转换电路相连接，AD转换电路与控制器DSP相连接；控制器DSP与光耦隔离电路相连接，光耦隔离电路与IGBT驱动模块相连接；IGBT驱动模块分别与三相功率变换电路和单相功率变换电路相连接；三相功率变换电路的输出端与无刷线圈激磁直流电机的A、B、C三相励磁绕组相连接；单相功率变换电路输出端与激磁线圈相连接；控制器DSP与接口电路相连接；保护电路与控制器DSP相连接；电源模块分别为IGBT驱动模块、电压检测电路、电流检测电路、光耦隔离电路、接口电路、AD转换电路、和保护电路供电。
无刷线圈激磁直流电机为9-6结构的凸极式定转子无刷线圈激磁直流电机。
控制器DSP选用型号为TMS320F28335。
三相功率变换电路为三相不对称半桥式电路，控制电机三相励磁绕组电流的导通顺序；单相功率变换电路为单相全桥式电路，控制激磁线圈电流的大小和方向。
电流检测电路采用霍尔电流传感器；电压检测电路采用单相绕组电阻分压电压检测方法。
电源模块包括220V交流电压转为±15V、5V直流电压以及5V~3.3V电平转换电路；电源模块分别与IGBT驱动模块、电压检测电路、电流检测电路相连接，为它们提供15V直流电；电源模块与光耦隔离电路相连接，为其提供5V直流电；电源模块与接口电路相连接，为其提供3.3V直流电；电源模块与AD转换电路相连接，为其提供5V和3.3V直流电；电源模块与保护电路相连接，为其提供15V和5V直流电。
IGBT驱动模块由前级驱动电路、2SC1018T模块、故障信号调理电路、后级功率驱动电路构成。
接口电路为DSP的SCI串行接口与上位机的通信，采用MAX3232芯片作为RS232电平与CMOS电平的转换。
光耦隔离电路为PWM信号光耦隔离，采用光耦隔离器件6N137。
AD转换电路主要是由前端调理电路和ADS8364外围硬件电路组成；保护电路主要分为过电压保护电路和过电流保护电路，过电压保护电路采用的芯片为LM339和过电流保护电路采用的芯片为LM358。
优点及效果
本发明所述无刷线圈激磁直流电机无位置传感器DSP控制系统消除了位置传感器对系统的影响，使系统结构简单可靠、成本降低，而且能够实现无刷线圈激磁直流电机的启动、制动及运行性能，并保证电机的电磁转矩大、调速范围宽的特性，扩展了电机的应用场合。
附图说明
图1为9-6结构的凸极式定转子无刷线圈激磁直流电机局部结构示意图。
图2为9-6结构的凸极式定转子无刷线圈激磁直流电机三维结构示意图。
图3为本发明总体结构示意图。
图4为本发明原理框图。
图5为电源模块的5V~3.3V电路。
图6为ADS8364转换电路图。
图7 IGBT驱动模块功能框图。
图8前级驱动电路图。
图9后级驱动电路图。
图10故障信号调理电路图。
图11霍尔电流传感器电路连接图。
图12单相绕组电阻分压电压检测电路图。
图13光耦隔离电路图。
图14三相功率变换电路图。
图15单相功率变换电路图。
图16 MAX3232芯片接口电路图。
图17转子位置估算流程图。
图18过电压保护电路图。
图19过电流保护电路图。
附图标记说明：
1是电机机壳，2是定子铁芯，3是励磁绕组，4是转子铁芯，5是电机转轴，6是激磁线圈。
具体实施方式
本发明涉及一种无刷线圈激磁直流电机无位置传感器DSP控制系统，是一种新型智能化电机控制系统，利用DSP芯片的TMS320F28335为数据处理核心单元，对电机绕组电感计算测量获得电机转子位置，实现无刷线圈激磁直流电机无位置传感器DSP控制。该系统通过检测电机的电流信号和电压信号，利用控制器DSP对电机的磁链进行计算，从而得到电机转子位置，通过开断电机驱动电路的IGBT实现电机的换相控制，进而实现无刷线圈激磁直流电机的无位置传感器控制的启动、制动、停车及四象限运行。同时，运用此控制系统不仅保证了电机的良好调磁性能、输出电磁转矩大的基本特性，而且消除了位置传感器存在的复杂性、减小了系统的成本、提高了系统的可靠性及坚固性，更加扩展了无刷线圈激磁直流电机的应用场合。
无刷线圈激磁直流电机如图1、图2所示，其中图1为局部结构图，图2为三维结构图。无刷线圈激磁直流电机包括电机机壳1、定子铁芯2、励磁绕组3，转子铁芯4、电机转轴5、和激磁线圈为6。电机转轴5外部设置有转子铁芯4，转子铁芯4的外部设置定子铁芯2；定子铁芯2沿圆周均匀分布9个凸极，每个定子凸极上缠绕有励磁绕组3，转子铁芯4上均匀分布有6个凸极，定转子之间的空气隙为0.4mm。
如图3所示，无刷线圈激磁直流电机无位置传感器DSP控制系统，主要包括无刷线圈激磁直流电机、控制器DSP、三相功率变换电路、单相功率变换电路、电流检测电路、电压检测电路、IGBT驱动模块、接口电路、光耦隔离电路、AD转换电路、保护电路、电源模块；用于检测电机相电压的电压检测电路、用于检测电机相电流的电流检测电路分别与无刷线圈激磁直流电机相连接；电压检测电路、电流检测电路与AD转换电路相连接，AD转换电路与控制器DSP相连接；电压检测电路检测的电压信号、电流检测电路检测的电流信号经AD转换电路输入给控制器DSP；控制器DSP对AD转换电路输入采集信号通过控制算法的计算分析实现PWM波信号的触发。控制器DSP与光耦隔离电路相连接，把PWM波信号（控制器DSP发出的）输入给光耦隔离电路，光耦隔离电路与IGBT驱动模块相连接；光耦隔离电路实现PWM波信号由3.3V～5V的转化，并实现了IGBT驱动模块与控制器DSP的隔离，实现对控制器DSP的保护。IGBT驱动模块的输出端分别与三相功率变换电路的输入端和单相功率变换电路的输入端相连接；三相功率变换电路的输出端与无刷线圈激磁直流电机的A、B、C三相励磁绕组3相连接；单相功率变换电路输出端与激磁线圈6相连接。控制器DSP与接口电路相连用于上位机通信。保护电路与控制器DSP相连接；电源模块分别为IGBT驱动模块、电压检测电路、电流检测电路、光耦隔离电路、接口电路、AD转换电路、和保护电路供电。
本发明设计出两种功率逆变电路：三相功率变换电路为三相不对称半桥式电路，控制电机三相励磁绕组电流的导通顺序；单相功率变换电路为单相桥式电路，控制激磁线圈电流的大小和方向。
电流检测电路采用霍尔电流传感器，型号可选用CHF-400B；电压检测电路采用单相绕组电阻分压电压检测方法，采用芯片LM358。
电源模块包括220V交流电压转为±15V、5V直流电压以及5V~3.3V电平转换电路。电源模块分别与IGBT驱动模块、电压检测电路、电流检测电路相连接，为它们提供15V直流电；电源模块与光耦隔离电路相连接，为其提供5V直流电；电源模块与接口电路相连接，为其提供3.3V直流电；电源模块与AD转换电路相连接，为其提供5V和3.3V直流电；电源模块与保护电路相连接，为其提供15V和5V直流电。
无刷线圈激磁直流电机为9-6结构的凸极式定转子无刷线圈激磁直流电机。
控制器DSP可选用型号为TMS320F28335。
接口电路为DSP的SCI串行接口与上位机的通信，可采用MAX3232芯片作为RS232电平与CMOS电平的转换。
光耦隔离电路为PWM信号光耦隔离，可采用光耦隔离器件6N137。
IGBT驱动模块由前级驱动电路、2SC1018T模块、故障信号调理电路、后级功率驱动电路构成。
AD转换电路主要是由前端调理电路和ADS8364外围硬件电路组成。保护电路主要分为过电压保护电路和过电流保护电路，过电压保护电路采用的芯片为LM339和过电流保护电路采用的芯片为LM358。
控制器DSP发出PWM信号与光耦隔离电路相连接，光耦隔离电路与IGBT驱动模块相连接（由于控制器DSP发出的PWM信号只有3.3V，为了提高PWM信号的抗干扰及驱动能力，PWM信号经过光耦隔离电路实现PWM波信号由3.3V～5V的转化，经IGBT驱动模块实现PWM波幅值由5V～15V的转化，并对其进行功率放大。这是由于电压等级的不同需要光耦隔离电路的保护）。IGBT驱动模块的输出端与三相功率变换电路输入端相连接，同时与单相功率变换电路输入端相连接。
电流检测电路的输出端与AD转换电路的输入端相连接，AD转换电路的输出端与控制器DSP的输入端相连接；电压检测电路的输出端与AD转换电路的输入端相连接，AD转换电路的输出端与控制器DSP的输入端相连接。电流信号和电压信号送到控制器DSP中，在DSP中采用滑膜变结构控制策略，利用反馈回来的电压和电流进行磁链计算，得到真实的磁链，进而估算出转子位置角和转速，控制器DSP发出PWM波信号经光耦隔离电路、IGBT驱动模块升压至15V后，控制三相功率变换电路中IGBT的开断，实现电机运转。并通过计算得到速度参数以及反馈的电流信号相结合，来控制单相功率变换电路中IGBT的开断进行激磁线圈调磁，进而调节转速特性，实现闭环控制进行调速。
图4所示采用滑膜变结构控制策略的无位置传感器控制是电流、速度双闭环结构，其中内环为电流环，外环为速度环，给定速度与反馈速度经PI调节器得到电流给定Iref，Iref再与电机反馈电流Iph比较形成电流偏差，控制PWM脉冲。电机反馈的电压Uph和电流Iph通过磁链观测计算，得到真实磁链。转子位置角与转速由滑膜观测控制策略估算得到。
实施例1：
无刷线圈激磁直流电机为9-6结构的凸极式定转子无刷线圈激磁直流电机。
选择的器件型号具体为：
图5为电源模块的5V~3.3V电路，由AMS1117芯片及其外围硬件电路组成。
三相功率变换电路和单相功率变换电路由型号为SKM600GB066D的IGBT组成；
图6为AD转换电路主要是由前端调理电路和ADS8364芯片电路组成。反馈信号经过前端调理电路的缩放和平移，输入给ADS8364的两个模拟输入通道+IN和-IN。模拟输入通道+IN和-IN的最大电压输入范围为-0.3V~+6V（ADS8364用+5V供电）。
保护电路主要分为过电压保护电路和过电流保护电路，过电压保护电路采用的芯片为LM339和过电流保护电路采用的芯片为LM358。
控制器DSP以TMS320F28335为核心组成的，在加快数据处理的同时也提高了电机对控制信号的响应效率。
IGBT驱动模块功能框图如图7所示，IGBT驱动模块主要由前级驱动电路、2SC1018T模块、后级驱动电路、故障信号调理电路构成。如图8～图10所示，控制器DSP发出PWM波信号（A和B），经过前级驱动电路调理后，分别输入到2SC1018T模块INA和INB引脚，经模块2SC1018T处理后，由上下两组VCE、GL、REF、GH、VE引脚输出给后级功率驱动电路，最终由后级功率驱动电路输出至IGBT模块的上桥臂和下桥臂。后级功率驱动电路用于检测IGBT的过流、短路障等，并将检测到的故障报警信号经模块2SC1018T的SO1、SO2引脚输出给故障信号调理电路，并反馈至控制器DSP。控制器DSP通过判断分析实现对故障电路的切断、保护等。
IGBT模块的型号可采用SKM600GB066D。
光耦隔离电路为控制电路实现了隔离保护，采用光耦隔离器件6N137。
本发明的控制装置的具体电路连接关系如下：
如图11所示霍尔电流传感器信号输出端与AD转换电路输入端Input相连接，AD转换电路输出端Output连接控制器DSP的两路输入端ADCINB0、ADCINB1；如图12所示的电压检测电路的输出端与AD转换电路输入端Input相连接，AD转换电路输出端Output连接控制器DSP两路输入端ADCINA0、ADCINA1；控制器DSP的六路输出端PWM1～PWM6连接如图13所示的光耦隔离电路输入端PWMIN，光耦隔离电路的输出端PWMOUT与IGBT驱动模块的六路输入端相连接，IGBT驱动模块输出端(1、2、8/10、7、9)连接如图14所示三相功率变换电路中的IGBT（K1-K6）信号输入端，三相功率变换电路的输出端与无刷线圈激磁直流电机的三相电枢绕组连接；控制器DSP的另四路输出端PWM7～PWM10连接光耦隔离电路的输入端，光耦隔离电路的输出端与IGBT驱动模块的输入端相连接，IGBT驱动模块的输出端连接如图15所示单相功率变换电路中的IGBT信号输入端，单相功率变换电路的输出端与无刷线圈激磁直流电机的激磁线圈连接；三相功率变换电路由六个IGBT组成，其中电路中每个上桥臂的IGBT集电极相连后与电源正极相连，每个下桥臂的IGBT发射极相连后与电源负极相连，为电机的旋转提供能量；四个IGBT组成单相功率变换电路，其中电路中每个上桥臂的IGBT与电源的正极相连，每个下桥臂的IGBT与电源的负极相连，为电机的激磁线圈提供能量，并可以通过改变IGBT的导通方式来改变激磁线圈的调磁方式，进而对电机进行增磁或弱磁控制，达到调磁的目的。其中，控制器DSP与如图16所示的接口电路连接，接口电路与电脑连接。
本发明工作原理如下：
无刷线圈激磁直流电机无位置传感器控制系统，通过电流检查电路和电压检查电路采集的信号送到控制器DSP中，在控制器DSP中采用滑膜变结构控制策略。利用反馈回来的电压和电流进行磁链计算，得到真实的磁链，进而估算出转子转速与位置，如图17为转子位置估算流程图。控制器DSP由此可以发出控制信号开断IGBT，实现电机运转。通过计算得到速度参数以及反馈的电流信号相结合，控制单相功率变换电路中IGBT的开断进行激磁线圈调磁，进而调节转速特性，实现闭环控制进行调速。同时，电压检测电路与电流检测电路对电机电压、电流进行检测，检测后的采样电压、电流反馈至如图18、19所示的过电压、过电流保护电路输入端。经过幅值判断比较后，分别输出至控制器DSP的CAP1、CAP2引脚，以防电压、电流过大，影响电机性能。

Claims (10)

1.一种无刷线圈激磁直流电机无位置传感器DSP控制系统，其特征在于：主要包括无刷线圈激磁直流电机、控制器DSP、三相功率变换电路、单相功率变换电路、电流检测电路、电压检测电路、IGBT驱动模块、接口电路、光耦隔离电路、AD转换电路、保护电路、电源模块；电压检测电路、电流检测电路与无刷线圈激磁直流电机相连接，电压检测电路、电流检测电路与AD转换电路相连接，AD转换电路与控制器DSP相连接；控制器DSP与光耦隔离电路相连接，光耦隔离电路与IGBT驱动模块相连接；IGBT驱动模块分别与三相功率变换电路和单相功率变换电路相连接；三相功率变换电路的输出端与无刷线圈激磁直流电机的A、B、C三相励磁绕组相连接；单相功率变换电路输出端与激磁线圈相连接；控制器DSP与接口电路相连接；保护电路与控制器DSP相连接；电源模块分别为IGBT驱动模块、电压检测电路、电流检测电路、光耦隔离电路、接口电路、AD转换电路、和保护电路供电。
2.根据权利要求1所述的无刷线圈激磁直流电机无位置传感器DSP控制系统，其特征在于：无刷线圈激磁直流电机为9-6结构的凸极式定转子无刷线圈激磁直流电机。
3.根据权利要求1所述的无刷线圈激磁直流电机无位置传感器DSP控制系统，其特征在于：控制器DSP选用型号为TMS320F28335。
4.根据权利要求1所述的无刷线圈激磁直流电机无位置传感器DSP控制系统，其特征在于：三相功率变换电路为三相不对称半桥式电路，控制电机三相励磁绕组电流的导通顺序；单相功率变换电路为单相全桥式电路，控制激磁线圈电流的大小和方向。
5.用权利要求1所述的无刷线圈激磁直流电机无位置传感器DSP控制系统，其特征在于：电流检测电路采用霍尔电流传感器；电压检测电路采用单相绕组电阻分压电压检测方法。
6.用权利要求1所述的无刷线圈激磁直流电机无位置传感器DSP控制系统，其特征在于：电源模块包括220V交流电压转为±15V、5V直流电压以及5V~3.3V电平转换电路；电源模块分别与IGBT驱动模块、电压检测电路、电流检测电路相连接，为它们提供15V直流电；电源模块与光耦隔离电路相连接，为其提供5V直流电；电源模块与接口电路相连接，为其提供3.3V直流电；电源模块与AD转换电路相连接，为其提供5V和3.3V直流电；电源模块与保护电路相连接，为其提供15V和5V直流电。
7.用权利要求1所述的无刷线圈激磁直流电机无位置传感器DSP控制系统，其特征在于：IGBT驱动模块由前级驱动电路、2SC1018T模块、故障信号调理电路、后级功率驱动电路构成。
8.用权利要求1所述的无刷线圈激磁直流电机无位置传感器DSP控制系统，其特征在于：接口电路为DSP的SCI串行接口与上位机的通信，采用MAX3232芯片作为RS232电平与CMOS电平的转换。
9.用权利要求1所述的无刷线圈激磁直流电机无位置传感器DSP控制系统，其特征在于：光耦隔离电路为PWM信号光耦隔离，采用光耦隔离器件6N137。
10.用权利要求1所述的无刷线圈激磁直流电机无位置传感器DSP控制系统，其特征在于：AD转换电路主要是由前端调理电路和ADS8364外围硬件电路组成；保护电路主要分为过电压保护电路和过电流保护电路，过电压保护电路采用的芯片为LM339和过电流保护电路采用的芯片为LM358。
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