CN112398377A - 一种低压、无传感器foc电机驱动系统 - Google Patents

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尹福祥
王振华
王嘉阳
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Abstract

本发明公开了一种低压、无传感器FOC电机驱动系统，包括驱动单元、控制单元和位置检测单元，控制单元接收控制信号，驱动单元接收电流并为电机本体工作提供电源，位置检测单元具有霍尔传感器用于检测电机本体位置并将位置信号向控制单元进行反馈，控制单元接收到位置信号和控制信号后，再控制驱动单元进行工作；本系统精度高，速度快以高性能的DSP为核心、以软件控制为导向；可编程，对环境不敏感，可以实现准确的操作，采用先进的算法，采用多级辅助功能，易于升级；能够用软件实现复杂控制算法，而不需采用复杂的模拟电路设计。

Description

一种低压、无传感器FOC电机驱动系统
技术领域
本发明涉及电机驱动技术，具体是一种低压、无传感器FOC电机驱动系统。
背景技术
就电机而言，手持的主要采用有刷电机，此类电机价格便宜、结构简单，但是可靠性较差易损坏，工作时会出现电火花现象，调速性能较差。
而目前的控制方式，多以PLC和单片机为主，这类工具一般体积较大，灵敏性较差。在控制系统中若给定的输入信号是预先未知且随时间变化的，并且系统的输出量随输入量的变化而变化这种系统就称为随动系统。快速跟踪和准确定位是随动系统的两个重要技术指标。其随动系统控制器的好坏直接影响着装备战术技术性能因此如何使随动系统具有稳定性好、可靠性高、响应速度快、跟踪精度高等特点成为研究随动系统的关键。
随着计算机技术、现代控制理论的迅猛发展，由数字控制装置组成的随动系统即数字随动系统应运而生。与传统的模拟系统相比，数字随动系统控制是从计算机接收控制命令它具有设计简单，体积小，修改方便，精度高，可靠性高等优点。
无刷直流电机是一种新型机电一体化直流电机，是现代电子技术( 包括电力电子和微电子技术) 、控制理论和电机技术相结合的产物。不同于采用机械换向的传统有刷直流电机，BLDCM 采用电子换向技术，具有运行效率高、安全可靠、噪声低、散热性能好、体积小、寿命长、控制灵活等一系列优点。
无刷直流电机传统控制电路多采用单片机作为主控制器，但单片机运算速度较慢，难以实现复杂的电机控制算法，其控制系统的运行稳定性、精度等不足以满足使用者对其的性能要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低压、无传感器FOC电机驱动系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种低压、无传感器FOC电机驱动系统，包括驱动单元、控制单元和位置检测单元，控制单元接收控制信号，驱动单元接收电流并为电机本体工作提供电源，位置检测单元具有霍尔传感器用于检测电机本体位置并将位置信号向控制单元进行反馈，控制单元接收到位置信号和控制信号后，再控制驱动单元进行工作。
所述控制单元包括DSP，控制单元根据调速电路的型号，输出相应的PWM型号，驱动模块将脉宽变化的方波信号转换为大小变化的直流信号，经过驱动模块整形、放大后控制电机；所述DSP采用TMS320F28335芯片。
所述驱动模块包括驱动电路和逆变电路，驱动电路由DRV8353RS前置驱动器和多个MOS管构成，多个MOS呈星形连接，驱动模块还包括驱动芯片UCC27210和UCC27211驱动器，驱动模块将PWM控制信号进行调理放大，控制逆变电路中具有开关功能的MOS管的通断；所述MOS管采用CSD19506KCB MOSFET功率管；所述逆变电路由 6 个 CSD18533 MOSFET 功率管组成，接收 PWM 信号，输出 BLDCM 三相交流源。
作为本发明的优选方案：所述位置检测单元包括多个独立的编码器，编码器连接电压电流采样电路。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
精度高，速度快以高性能的DSP为核心、以软件控制为导向；
可编程，对环境不敏感，可以实现准确的操作，采用先进的算法，采用多级辅助功能，易于升级；
能够用软件实现复杂控制算法，而不需采用复杂的模拟电路设计；
可以通过软件程序修改实现不同的控制算法，无需更改硬件电路；
可降低体积、重量和功耗；
具有较高的可靠性，易于维修和测试；
对噪声和干扰有较强的抗干扰能力。
附图说明
图1为控制系统的组成图。
图2为无刷直流电机的结构原理图。
图3为驱动模块的电路图。
图4为矢量控制的原理图。
图5为系统硬件原理图。
图6为无位置传感器BLDCM的启动流程图。
图7为系统的软件流程图。
图8为电子环向程序的流程图。
图9为速度电流控制流程图。
图10为位置检测单元的芯片电路图。
图11为电压电流采样电路的电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
请参阅图1，本发明实施例中，一种低压、无传感器FOC电机驱动系统，包括驱动单元、控制单元和位置检测单元，控制单元接收控制信号，驱动单元接收电流并为电机本体工作提供电源，位置检测单元具有霍尔传感器用于检测电机本体位置并将位置信号向控制单元进行反馈，控制单元接收到位置信号和控制信号后，再控制驱动单元进行工作。
如图2-5，无刷直流电机主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成；电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似但是没有笼型绕组和其他启动装置；图中的电动机本体为三相两极，三相定子绕组分别与电子开关线路中对应的功率开关器件联结A相B、相、C相绕组分别与MOS管V1，V2，V3连接VP1，VP2，VP3位置传感器、的跟踪转子与电机转轴相联结，用来检测电动机转子的位置，其输出端与电子开关线路中对应的功率开关器件连接。
当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；由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。
所述控制单元包括DSP，控制单元根据调速电路的型号，输出相应的PWM型号，驱动模块将脉宽变化的方波信号转换为大小变化的直流信号，经过驱动模块整形、放大后控制电机；DSP接收无刷直流电机的霍尔位置传感器信号，对其进行译码，已决定换向顺序，从而实现电机的电子换向；所述DSP采用德州仪器的TMS320F28335芯片。
所述驱动模块包括驱动电路和逆变电路，驱动电路由DRV8353RS前置驱动器和多个MOS管构成，多个MOS呈星形连接，驱动模块还包括驱动芯片UCC27210和UCC27211驱动器，驱动模块将PWM控制信号进行调理放大，控制逆变电路中具有开关功能的MOS管的通断；其中，驱动芯片UCC27210和UCC27211驱动器基于流行的UCC27200和UCC27201MOSFET驱动器，但在性能上进行了一些重大改进；峰值输出上拉和下拉电流已增加至4A源极和4A灌电流，并且上拉和下拉电阻已降低至0.9Ω，从而允许以最小化开关来驱动大功率MOSFET通过MOSFET的米勒高原过渡期间的损耗；该输入结构现在能够直接处理–10VDC，这提高了鲁棒性，还允许不使用整流二极管而直接连接至栅极驱动变压器；输入也独立于电源电压，最大额定值为20V；所述MOS管采用CSD19506KCB MOSFET功率管。
具体的，所述逆变电路由 6 个 CSD18533 MOSFET 功率管组成，接收 PWM 信号，输出 BLDCM 三相交流源。
系统调试过程如图6-8，系统工作开始后，通过位置检测单元检测无刷直流电机的转子初始位置，信号传递给控制单元的DSP判断后，进行相位切换，后进行闭环控制；DSP工作时，首先进行初始化，进行系统自检，进行电子换向时，输入当前霍尔信号，判断霍尔相序是否合法，判断后若合法，则保存，并启动程序进行换相。
如图9，速度、电流控制程序大致的工作过程如下，DSP以每1ms一10ms为一周期循环检测调速转把输出的电压，检测到的电压经采样后通过控制程序的相关算法转化成的占空比，占空比值越大则加载到电机两端的电压就越大，电机转速增加，当占空比达到无法通过调节电压来改变转速时，通过调节电机中的相电流大小来调节电机的转速。
实施例2：
在实施例1的基础之上，如图10-11，所述位置检测单元包括多个独立的编码器，编码器连接电压电流采样电路，采样的电信号通过编码器独立编码后向DSP进行型号反馈，控制电动机的FOC算法利用对DC总线电源电压，每个电动机相的电压以及每个电动机相的电流的采样测量结果。
实施例3：
与实施例1的区别在于，所述位置检测单元中的霍尔传感器可替换为无位置传感器，它不是利用反电动势来检测转子位置而是通过贴于转子表面的非磁性导电材料利用定子绕组高频开关工作时非磁性材料上的涡流效应，使开路相电压的大小随着转子位置而变化从而可以通过检测开路相电压判断转子位置；这种无位置传感器无刷电机克服了一般无位置无刷电动机的启动和低速运行问题但是该方法对电机有特殊要求。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种低压、无传感器FOC电机驱动系统，其特征在于，包括驱动单元、控制单元和位置检测单元，控制单元接收控制信号，驱动单元接收电流并为电机本体工作提供电源，位置检测单元具有霍尔传感器用于检测电机本体位置并将位置信号向控制单元进行反馈，控制单元接收到位置信号和控制信号后，再控制驱动单元进行工作。
2.一种低压、无传感器FOC电机驱动系统，其特征在于，包括驱动单元、控制单元和位置检测单元，控制单元接收控制信号，驱动单元接收电流并为电机本体工作提供电源，位置检测单元具有无位置传感器用于检测电机本体位置并将位置信号向控制单元进行反馈，控制单元接收到位置信号和控制信号后，再控制驱动单元进行工作。
3.根据权利要求1或2所述的一种低压、无传感器FOC电机驱动系统，其特征在于，所述控制单元包括DSP，控制单元根据调速电路的型号，输出相应的PWM型号，驱动模块将脉宽变化的方波信号转换为大小变化的直流信号，经过驱动模块整形、放大后控制电机。
4.根据权利要求3所述的一种低压、无传感器FOC电机驱动系统，其特征在于，所述DSP采用TMS320F28335芯片。
5.根据权利要求1或2所述的一种低压、无传感器FOC电机驱动系统，其特征在于，所述驱动模块包括驱动电路和逆变电路，驱动电路由DRV8353RS前置驱动器和多个MOS管构成，驱动模块还包括驱动芯片UCC27210和UCC27211驱动器，驱动模块将PWM控制信号进行调理放大，控制逆变电路中具有开关功能的MOS管的通断。
6.根据权利要求5所述的一种低压、无传感器FOC电机驱动系统，其特征在于，多个MOS呈星形连接。
7.根据权利要求6所述的一种低压、无传感器FOC电机驱动系统，其特征在于，所述MOS管采用CSD19506KCB MOSFET功率管。
8.根据权利要求5所述的一种低压、无传感器FOC电机驱动系统，其特征在于，所述逆变电路由 6 个 CSD18533 MOSFET 功率管组成，接收 PWM 信号，输出 BLDCM 三相交流源。
9.根据权利要求1或2所述的一种低压、无传感器FOC电机驱动系统，其特征在于，所述位置检测单元包括多个独立的编码器，编码器连接电压电流采样电路。
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