CN109768745A - 一种基于模型设计的直流无刷控制系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模型设计的直流无刷控制系统与方法，其中系统包括：霍尔信号模块接受电压信号后输出为转速估算和扇区选择；转速计算模块输入连接到霍尔信号模块的输出，输出为转速的实际值，与转速的给定值作比较并连接到转速调节模块的输入；转速调节模块输出连接到功率管算法选择模块；利用三相逆变桥控制直流无刷电机；直流无刷电机通过霍尔传感器测得电压信号送至霍尔信号模块。同时提供的方法，根据工作需求确定系统硬件，在仿真无误的情况下，进行控制器代码自动生成，软件在环仿真测试，系统级控制器MCU代码一键生成，进行MCU代码调试，直到完成直流无刷电机实物控制。

Description

一种基于模型设计的直流无刷控制系统与方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及到直流无刷电机开发研究领域，具体的说是一种基于模型设计的直流无刷控制系统与方法。

背景技术

直流无刷电机结构简单，而且由于移去了物理电刷，解决了普通直流电机限制最大转速、易产生火花、需定期维修等缺点，同时又具备交流电动机结构简单、运行可靠等一系列优点和直流电动机效率高、加速快、无励磁损耗、调速性能好等诸多特点。随着微电子技术发展和高级永磁材料的发现和应用，为该类电机控制技术的发展提供了契机。

直流无刷电机控制系统的开发设计一般首先在MATLAB的SIMULINK软件中进行仿真研究，对控制算法进行正确性验证，当仿真结果与设计要求吻合时，再将算法改成C语言代码，结合DSP的底层驱动程序，在DSP上实现，完成编程、编译、调试等步骤。

传统的开发流程用C语言编写代码花费时间较多，若出现问题还需要对问题的所在进行长时间的分析、确认。开发人员花费大量精力进行代码修改及参数调试，影响开发进度。

发明内容

为了解决上述的现有技术问题，本发明专利的目的是提供一种基于模型设计开发的直流无刷电机控制系统与方法，将控制系统联合仿真模型，一键生成系统级代码，并自动下载到MCU开发平台。不用手写代码，就完成从仿真模拟到代码实现的整个过程，大大缩短从仿真到编程调试的开发周期。同时该过程具有开发成本低、代码可靠性高和调试灵活特点。

为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案予以实现：

一种基于模型设计的直流无刷控制系统，包括：

搭建构成的直流无刷电机调速的模型，所述模型包括霍尔信号模块、转速计算模块、转速调节模块、功率管选择算法模块、PWM信号生成模块；

以及用于控制上述模型中各个模块的DSP；

所述的霍尔信号模块接受电压信号后输出为转速估算和扇区选择，所述的转速计算模块输入连接到霍尔信号模块的输出，输出为转速的实际值，与转速的给定值作比较并连接到转速调节模块的输入； 所述的转速调节模块输出连接到功率管算法选择模块，控制PWM占空比来驱动直流无刷电机运行；

关于扇区选择：根据霍尔检测信号可以计算出对应的扇区，只有知道所对应的扇区，才可以选择Mos管开通的顺序图3、4就是表示的根据所在扇区和转向合理选择Mos管开通顺序的过程。

还包括与所述模型中PWM信号生成模块连接的驱动板，所述驱动板最后将信号送至直流无刷电机；

所述直流无刷电机通过三个霍尔传感器测得的电压信号送至霍尔信号模块。

在本发明的一个优选实施例中，所述三个霍尔传感器的电角度互差120，分布在直流无刷电机的转子外侧。

在本发明的一个优选实施例中，所述的功率管选择算法模块一个输入连接到霍尔信号模块，选择相应的功率管开通，控制各项绕组通电顺序，另一个输入连接到转速调节模块，输出为正弦信号，连接到PWM信号生成模块。

在本发明的一个优选实施例中，所述的PWM信号生成模块将产生的6路PWM送到驱动板，驱动直流无刷电机运行。

DSP通过加装在电机内部的3个电角度相差120度的霍尔传感器发出的位置信号来判断当前的转子位置。每当转子磁极经过霍尔传感器附近时，它们会随着转子下磁密度的变化发出一个高电平或低电平信号，表示北磁极或南磁极正经过该传感器。

根据这三个霍尔传感器信号的组合，就能决定换向的精确顺序，再分配给无刷直流电机定子上各绕组，以便使电机产生持续不断的转矩。由于每转过 60个电角度，其中一个霍尔传感器就会改变状态，完成电周期需要六步，也称为对电机进行六步循环加电。

实现电机指定方向旋转后，霍尔传感器传回信号改变一次即转过60度电角度，转化为机械角度后除信号改变的时间间隔，得出实际转速，与理论值比较。当实际值大于理论值时，减小PWM占空比可减小电压、降低转速；当实际值小于理论值时，增大PWM占空比可增大电压、升高转速，最终实现转速闭环。

一种基于模型设计的直流无刷控制方法，包括以下步骤：

（1）根据直流无刷电机控制系统的性能要求，确定该系统的硬件参数和外围控制电路；

（2）根据所设计的硬件电路搭建直流无刷电机控制系统的SIMULINK仿真模型；

（3）设计所述控制系统中的PI控制器参数，并调节所述控制系统的各个参数；

（4）下来进行软硬件联合仿真，确定所设计控制系统的可靠性；

（5）在软硬件联合无误的情况下，将仿真模型中控制器部分自动生成C代码；

（6）对生成的控制系统代码进行软件在环仿真测试，确定控制器的无误性；

（7）结合SIMULINKMCU中自带的MCU外设库和自己搭建的软件库，配合上述控制器部分，进行系统级仿真，并生成系统级控制器MCU代码，一键下载到MCU开发平台；

（8）先进行硬件在环测试，确保硬件在环测试无误的情况下，再对直流无刷电机控制系统进行软硬件调试；

（9）不断进行系统调试，直到完成对直流无刷电机的实物控制。

通过以上技术方案，本发明的技术效果在于：

本发明采用基于模型设计开发的方法，建立直流无刷电机控制的软硬件联合仿真模型，控制电机转速闭环，使转速保持在恒定状态，克服了传统电力电子系统软硬件分离的开发模式，开发成本和所需时间大大减小。

本发明采用核心算法和外围硬件联合仿真的思想，一键生成嵌入式代码，直接下载到MCU开发平台运行，不用人工手写代码，提高了开发速度。

本发明的控制系统开发方法，可以应用到各种控制系统的研究与应用中，应用前景很好。

附图说明

附图1是本发明的直流无刷电机控制结构图；

附图2是本发明的控制方法的步骤示意图；

附图3是本发明的直流无刷电机的正转控制表；

附图4是本发明的直流无刷电机的反转控制表；

附图5是直流无刷电机控制仿真模型；

附图6是PI控制器输出波形；

附图7是转速仿真波形；

附图8是系统级仿真模型；

附图9是转速串口输出图。

具体实施

传统项目开发根据要求和技术规范手动将c代码写入原型以达到要求，这需要熟练软件编程的程序员花费大量的时间来编写程序。而且手动编码的数量不均匀，降低了软件的可靠性并增加了代码错误的可能性。而使用MATLAB自动生成系统级c代码，这样就缩短了开发周期，同时避免了人为引入的错误，使设计流程实现了最佳的优化。

无刷直流电动机的基本原理是在定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场互相作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。

基于模型设计开发的直流无刷电机控制系统与方法，参见附图2，包括以下步骤：

（1）根据直流无刷电机控制系统的性能要求，确定该系统的硬件参数和外围控制电路；

（2）根据所设计的硬件电路搭建直流无刷电机控制系统的SIMULINK仿真模型；

（3）设计所述控制系统中的PI控制器参数，并调节所述控制系统的各个参数；

（4）下来进行软硬件联合仿真，确定所设计控制系统的可靠性；

（5）在软硬件联合无误的情况下，将仿真模型中控制器部分自动生成C代码；

（6）对生成的控制系统代码进行软件在环仿真测试，确定控制器的无误性；

（7）结合SIMULINK中自带的MCU外设库和自己搭建的软件库，配合上述控制器部分，进行系统级仿真，并生成系统级控制器MCU代码，一键下载到MCU开发平台；

（8）先进行硬件在环测试，确保硬件在环测试无误的情况下，再对直流无刷电机控制系统进行软硬件调试；

（9）不断进行系统调试，直到完成对直流无刷电机的实物控制。

在MATLAB的SIMULINK仿真中，搭建直流无刷电机调速的模型，按照上节的控制结构框图进行控制。

其中系统框图如附图1所示，一种基于模型设计的直流无刷控制系统，包括：搭建构成的直流无刷电机调速的模型，所述模型包括霍尔信号模块、转速计算模块、转速调节模块、功率管选择算法模块、PWM信号生成模块；

以及用于控制上述模型中各个模块的DSP；

所述的霍尔信号模块接受电压信号后输出为转速估算和扇区选择，所述的转速计算模块输入连接到霍尔信号模块的输出，输出为转速的实际值，与转速的给定值作比较并连接到转速调节模块的输入； 所述的转速调节模块输出连接到功率管算法选择模块，控制PWM占空比来驱动直流无刷电机运行；

还包括与所述模型中PWM信号生成模块连接的驱动板，所述驱动板最后将信号送至直流无刷电机；

所述直流无刷电机通过三个霍尔传感器测得的电压信号送至霍尔信号模块。

其中三个霍尔传感器的电角度互差120，分布在直流无刷电机的转子外侧；而功率管选择算法模块一个输入连接到霍尔信号模块，选择相应的功率管开通，控制各项绕组通电顺序，另一个输入连接到转速调节模块，输出为正弦信号，连接到PWM信号生成模块。

进一步地，PWM信号生成模块将产生的6路PWM送到驱动板，驱动直流无刷电机运行。

控制器DSP根据转子当前的转动位置发出相应的控制，通过改变脉冲信号的占空比来实现对电机的控制。无刷直流电动机的转子位置是由位置传感器检测出来的。

随着电机转子的旋转，霍尔传感器会随着转子下磁密度的变化产生变化的信号，这些脉冲信号通过I/O口传输给DSP,DSP读取霍尔传感器当前值，确定转子位置，通过配置DSP改变PWM信号输出的高有效或低有效来控制驱动电路，通过传感器传输回的信号进行判断，决定下一时刻转子的位置，改变 MOSFET的导通顺序，很好地实现电机换相的控制；

同时改变PWM信号占空比来调节电机的转速。电机驱动电路控制桥功率管两两通电。当其中两个桥臂导通时，另外一桥臂禁止导通。电机转子每转一圈，霍尔传感器会出现六种状态，DSP对每一种状态发出相应的控制，改变电机的通电相序，实现电机的连续运行，具体如附图3、4所示，例如，当转子位置处于101时，如果是正转，就要使霍尔传感器的值变为001，相应的MOSFET分别是A-和B+开通，其他管关断；当转子位置转到001时，下一个位置对应霍尔传感器的011，以此类推。同时，利用定时器检测两次换向之间的时间间隔，计算出电机运行的速度，再通过调整 PWM信号的占空比调整定子电流，实现调速。

搭建直流无刷电机的仿真模型如附图5所示，在建立好仿真模型后，进行相关仿真配置，调节PI参数：先确定比例系数Kp，令Ki=0，使之成为纯比例调节，调节比例系数Kp由0开始逐渐增大，直至系统出现振荡，再减小Kp使系统不发生振荡，记录此时的比例系数Kp；确定好Kp后，再将Ki从0开始增加，直至误差消失，系统稳定运行。

如附图6所示是PI控制器的输出波形。在设定转速为1000rpm/min的情况下，运行仿真模型，可以通过示波器看到如附图7所示的转速波形，转速经过一段时间的调整，进入系统稳态，达到设定值。

在直流无刷电机MATLAB仿真无误的情况下，将所述控制系统代码由C语言编译为S-FUNCTION,与原来SIMULINK仿真中的控制系统模型作差，在给定相同输入的情况下，偏差若在一定的范围内，则表明原控制系统的算法部分与生成的C代码保持一致性。

将控制系统的算法模块取出来，重新建立系统级控制器的模型，如附图8所示，结合SIMULINK自带的MCU外设模块库主要有ADC、GPIO、PWM、OLED等模块，其中ADC模块用于检测电机速度的给定值；GPIO模块分别用于霍尔元件位置检测和按键输入判断，由控制器的输出作为PWM模块的占空比输入，为三相逆变桥提供驱动信号；PWM输出占空比可调的方波，作为MOSFET的控制信号；OLED显示转速当前值、PI参数。

将上述各模块进行相关配置，在系统级控制仿真无误的情况下，一键生成C代码，并自动下载到MCU中。再进行硬件在环测试，确定无误性后，不断进行MCU代码调试，直至完成对直流无刷电机速度闭环的实物控制。

利用External Model进行相关数据观测和指令下单，也可以通过软件示波器进行数据显示和简单分析。如附图9所示，为速度的串口输出图。

基于模型设计开发的直流无刷电机控制系统从概念构思、需求设计到代码实现，缩短从仿真到编程调试的开发周期。

Claims (5)

1.一种基于模型设计的直流无刷控制系统，其特征在于，包括：

搭建构成的直流无刷电机调速的系统包括霍尔信号模块、转速计算模块、转速调节模块、功率管选择算法模块、PWM信号生成模块；

以及用于控制上述模型中各个模块的DSP；

所述的霍尔信号模块接受电压信号后输出为转速估算和扇区选择，所述的转速计算模块输入连接到霍尔信号模块的输出，输出为转速的实际值，与转速的给定值作比较并连接到转速调节模块的输入； 所述的转速调节模块输出连接到功率管算法选择模块，控制PWM占空比来驱动直流无刷电机运行；

还包括与所述模型中PWM信号生成模块连接的驱动板，所述驱动板最后将信号送至直流无刷电机；

所述直流无刷电机通过三个霍尔传感器测得的电压信号送至霍尔信号模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于模型设计的直流无刷控制系统，其特征在于，所述三个霍尔传感器的电角度互差120，分布在直流无刷电机的转子外侧。

3.根据权利要求1所述的一种基于模型设计的直流无刷控制系统，其特征在于，所述的功率管选择算法模块一个输入连接到霍尔信号模块，选择相应的功率管开通，控制各项绕组通电顺序，另一个输入连接到转速调节模块，输出为正弦信号，连接到PWM信号生成模块。

4.根据权利要求1-3之一所述的一种基于模型设计的直流无刷控制系统，其特征在于，所述的PWM信号生成模块将产生的6路PWM送到驱动板，驱动直流无刷电机运行。

5.一种基于模型设计的直流无刷控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）根据双直流无刷电机控制系统的性能要求，确定该系统的硬件参数和外围控制电路；

（2）根据所设计的硬件电路搭建直流无刷电机控制系统的SIMULINK仿真模型；

（3）设计所述控制系统中的PI控制器参数，并调节所述控制系统的各个参数；

（4）下来进行软硬件联合仿真，确定所设计控制系统的可靠性；

（5）在软硬件联合无误的情况下，将仿真模型中控制器部分自动生成C代码；

（6）对生成的控制系统代码进行软件在环仿真测试，确定控制器的无误性；

（7）结合SIMULINKMCU中自带的MCU外设库和自己搭建的软件库，配合上述控制器部分，进行系统级仿真，并生成系统级控制器MCU代码，一键下载到MCU开发平台；

（8）先进行硬件在环测试，确保硬件在环测试无误的情况下，再对直流无刷电机控制系统进行软硬件调试；

（9）不断进行系统调试，直到完成对直流无刷电机的实物控制。