CN204696971U - 一种单芯片集成的电机矢量控制系统 - Google Patents
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Abstract
一种单芯片集成的电机矢量控制系统，包括电源模块，用于对预驱动模块、微控制器、电机矢量控制算法模块提供电源；微控制器，与所述电机矢量控制算法模块通过数据总线连接，用于对电机矢量控制算法模块的参数配置和电机控制，电机矢量控制算法模块，用于将电机数据传输至微控制器，用于向预驱动模块输出驱动信号，预驱动模块，与所述电机矢量控制算法模块连接，用于将电机矢量控制算法模块输出的驱动信号，转换成驱动逆变桥的场效应管的高压驱动信号，驱动电机。本实用新型将电机矢量控制算法硬件化，并行执行控制算法，相比微控制器软件实现的方式，具有算法执行速度快，实时状态响应快，可靠性高的优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种电机控制系统，特别涉及一种单芯片集成的电机矢量控制系统。
背景技术
目前，电机矢量控制系统主要由以下方式实现
一、基于32位的微控制器以纯软件的方式实现算法，外搭电源模块，预驱动模块，即电机矢量控制系统设置为微控制器，没有电源模块，预驱动模块，电机矢量控制算法模块。
1、这种电机矢量控制系统由于分立元件较多，不仅使控制系统成本高，而且具有系统可靠性不高，驱动板不能做小的缺点。
2、由于电机控制系统的实时性，以纯软件实现控制算法的方式由于微控制器是顺序执行指令，对于电机的实时状态有可能无法快速响应，影响系统的可靠性。
3、由于电机矢量控制算法的复杂性，以纯软件实现控制算法的方式会对开发和测试人员有较高的技术要求，开发人员的专业性决定了代码的可靠性，测试人员的技术素质影响系统的好坏。
二、基于纯硬件的方式实现控制算法，并集成电源模块，预驱动模块(即电机矢量控制系统包括电源模块、预驱动模块和电机矢量控制算法模块，没有微控制器)。这种电机矢量控制系统由于高度集成，只适合少部分应用场合，不能满足大部分用户不同的应用需求。
现有技术中，存在的一类方案是芯片集成16位微控制器，电源模块，预驱动模块，没有电机矢量控制算法模块，而且是多芯片集成，即微控制器一个晶圆与另外一个晶圆包含电源模块和预驱动模块两个晶圆合封成一个芯片，并非真正意义上的单芯片集成。由于没有电机矢量控制算法模块，因此需要微控制器通过纯软件模式实现控制算法，导致速度相对于电机控制算法模块，速度较慢，可靠性不高，并且需要人员开发算法。
另一种方案是芯片集成32位微控制器和电机矢量控制算法模块，没有电源模块，预驱动模块，这种电机矢量控制系统采用32位微控制器，硬件成本相对较高，而且没有电源模块和预驱动模块，需要外搭分立元件。
目前大部分的微控制器都是配备通用的外设，很少专门应用于电机控制方面的外设，一些常用的算法如PI控制器和低通滤波器，每个运算周期都需要微控制器重复地运算，导致过多地占用微控制器的运算时间，可能对电机的实时状态不能快速响应，减低系统的可靠性。
发明内容
本实用新型的目的在于克服上述问题，提供一种性能稳定，成本低的单芯片集成电源模块，预驱动模块，微控制器和电机矢量控制算法模块的电机控制系统。
本实用新型的目的通过下述技术方案实现：一种单芯片集成的电机矢量控制系统，包括，
电源模块，用于对预驱动模块、微控制器、电机矢量控制算法模块提供电源；
微控制器，与所述电机矢量控制算法模块通过数据总线连接，用于对电机矢量控制算法模块的参数配置和电机控制；
电机矢量控制算法模块，用于将电机数据传输至微控制器，用于向预驱动模块输出驱动信号；
预驱动模块，与所述电机矢量控制算法模块连接，用于将电机矢量控制算法模块输出的驱动信号，转换成驱动逆变桥的场效应管的高压驱动信号，发送至逆变桥；
逆变桥，根据收到的高压驱动信号，输出驱动电机。
其中，所述电源模块、微控制器、电机矢量控制算法模块和预驱动模块设置于同一个晶圆。
其中，所述预驱动模块通过6N模式输出高压驱动信号或者通过3P3N模式输出高压驱动信号。
其中，所述微控制器包括处理器CPU、数据存储器、指令存储器、普通定时器模块、通讯模块、硬件乘除法单元和输入输出；所述处理器CPU通过数据总线分别与通讯模块、数据存储器、通讯模块、硬件乘除法单元、普通定时器、输入输出连接，所述处理器CPU通过指令总线连接指令存储器。
其中，所述微控制器还包括电机专用定时器，PI控制器模块，低通滤波器模块，所述处理器CPU通过数据总线分别连接电机专用定时器，PI控制器模块，低通滤波器模块。
其中，所述微控制器为8位微控制器。
其中，所述电机矢量控制算法模块包括转子转矩PI控制器、转子磁通PI控制器、PARK反变换模块、CLARKE反变换模块、SVPWM模块、驱动信号输出模块、电流采集重构模块、电压采集重构模块、CLARKE变换模块、PARK变换模块、位置速度估算模块和角度输出模块组成；所述转子转矩PI控制器和转子磁通PI控制器连接PARK反变换模块，所述PARK反变换模块连接CLARKE反变换模块，所述CLARKE反变换模块连接SVPWM模块，所述SVPWM模块连接驱动信号输出模块，所述电压采集重构模块连接位置速度估算模块，所述电流采集重构模块连接CLARKE变换模块，所述CLARKE变换模块连接PARK变换模块和位置速度估算模块，所述PARK变换模块连接转子转矩PI控制器和转子磁通PI控制器，所述位置速度估算模块连接角度输出模块。
本实用新型较现有技术相比具有以下优点及有益效果：
(1)本实用新型的元器件均设置在同一片晶圆上，集成度高，可靠性高，省去分立元器件的成本，同时减少焊接成本，节省PCB面积和成本；
(2)本实用新型将电机矢量控制算法硬件化，并行执行控制算法，相比微控制器软件实现的方式，具有算法执行速度快，实时状态响应快，可靠性高的优点；
(3)本实用新型将微控制器和电机矢量控制算法模块结合，一方面，省去软件实现电机矢量控制算法的工作量和不确定性，大大地降低技术门槛，缩短开发周期，免去软件维护成本；另一方面保留了微控制器的灵活性，满足用户的附加功能需求。
(4)由于电机矢量控制算法模块只完成最基本的矢量控制算法，本实用新型在普通的8位微控制器的基础上，增加电机专用的外设，用于完成电机矢量控制算法模块以外的附加电机控制功能。
(5)8位微控制器由于性能低，不擅长做运算，但是优点是面积小，成本低，可以做一些辅助性的功能，而电机矢量控制算法模块。为了弥补8位微控制器性能低的缺点，将电机常用的运算模块(如PI控制器，低通滤波器)和控制模块(如电机专用定时器)作为外设，使得大部分运算不占用处理器CPU资源，而且能完成矢量控制算法以外的电机相关算法。
附图说明
图1为本实用新型驱动电机的整体结构示意图；
图2为本实用新型微控制器的结构框图；
图3为本实用新型预驱动模块6N模式输出的结构框图；
图4为本实用新型预驱动模块3P3N模式输出的结构框图；
图5为本实用新型的电机矢量控制系统的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。
如图1、图2、图4所示，一种单芯片集成的电机矢量控制系统，包括，
电源模块，用于对预驱动模块、微控制器、电机矢量控制算法模块提供电源；
微控制器，与所述电机矢量控制算法模块通过数据总线连接，用于对电机矢量控制算法模块的参数配置和电机控制；
电机矢量控制算法模块，用于将电机数据传输至微控制器，用于向预驱动模块输出驱动信号；
预驱动模块，与所述电机矢量控制算法模块连接，用于将电机矢量控制算法模块输出的驱动信号，转换成驱动逆变桥的场效应管的高压驱动信号，发送至逆变桥；
逆变桥，根据收到的高压驱动信号，输出驱动电机。
具体的，所述微控制器包括处理器CPU、数据存储器、指令存储器、普通定时器模块、通讯模块、硬件乘除法单元和输入输出；所述处理器CPU通过数据总线分别与通讯模块、数据存储器、通讯模块、硬件乘除法单元、普通定时器、输入输出连接，所述处理器CPU通过指令总线连接指令存储器。
其中，所述微控制器还包括电机专用定时器，PI控制器模块，低通滤波器模块，所述处理器CPU通过数据总线分别连接电机专用定时器，PI控制器模块，低通滤波器模块。
具体的，所述微控制器为8位微控制器。
由于电机矢量控制算法模块只完成最基本的矢量控制算法，本实用新型在普通的8位微控制器的基础上，增加电机专用的外设，用于完成电机矢量控制算法模块以外的附加电机控制功能。
8位微控制器由于性能低，不擅长做运算，但是优点是面积小，成本低，可以做一些辅助性的功能，而电机矢量控制算法模块。为了弥补8位微控制器性能低的缺点，将电机常用的运算模块(如PI控制器，低通滤波器)和控制模块(如电机专用定时器)作为外设，使得大部分运算不占用处理器CPU资源，而且能完成矢量控制算法以外的电机相关算法。
其中，所述电机矢量控制算法模块包括转子转矩PI控制器、转子磁通PI控制器、PARK反变换模块、CLARKE反变换模块、SVPWM模块、驱动信号输出模块、电流采集重构模块、电压采集重构模块、CLARKE变换模块、PARK变换模块、位置速度估算模块和角度输出模块组成；所述转子转矩PI控制器和转子磁通PI控制器连接PARK反变换模块，所述PARK反变换模块连接CLARKE反变换模块，所述CLARKE反变换模块连接SVPWM模块，所述SVPWM模块连接驱动信号输出模块，所述电压采集重构模块连接位置速度估算模块，所述电流采集重构模块连接CLARKE变换模块，所述CLARKE变换模块连接PARK变换模块和位置速度估算模块，所述PARK变换模块连接转子转矩PI控制器和转子磁通PI控制器，所述位置速度估算模块连接角度输出模块。
逆变桥收到的高压驱动信号通过6N模式输出或者通过3P3N模式输出。
如图3左半部分所示，为预驱动模块的6N模式，虚线框部分有三个完全相同的结构，因此只画出一相的结构。数字部分送6个即3组控制信号到预驱动6N模块，以U相两个信号UH，UL为例来分析3P3N模式的工作原理。UH，UL送到模块后，首先经过一个电平转换电路，将电压转换到合适的值，然后分别经过反相器，注意，UH经过反相器后，其高电平为VCC，低电平为VCC-VDD1；UL经过反相器后，高电平为VDD1，低电平为0，信号经过反相器后分别控制对应的晶体管。漏极输出对应的即为控制电机的三相电压。UH，UL信号控制的是U相电压。V相和W相的工作过程与U相完全相同。
如图3右半部分所示，为预驱动模块的3P3N模式，虚线框部分有三个完全相同的结构，因此仅画出了一相的结构。数字部分送6个即3组控制信号到预驱动3P3N模块后，以U相两个信号UH，UL为例，来分析6N模式的工作原理。UH，UL送到模块后，首先经过一个电平转换电路，将电压转换到合适的值，然后分别经过反相器，注意，UH经过反相器后，其高电平为VCC+VDD1，低电平为6N输出的电压值(此处与3P3N不同，3P3N中为固定电压)；UL经过反相器后，高电平为VDD1，低电平为0，信号经过反相器后分别控制对应的晶体管。漏极输出对应的即为控制电机的三相电压。UH，UL信号控制的是U相电压。V相和W相的工作过程与U相完全相同。
如图5所示，本实用新型的电机矢量控制系统的驱动方法包括以下步骤：
(1)电源模块为预驱动模块，微控制器和电机矢量控制算法模块提供电源；
(2)通过微控制器对电机矢量控制模块进行参数配置，同时输入D轴参考电流IDREF和Q轴参考电流IQREF；
(3)电流采集重构模块采集电机的电流并重构出电机的相电流IA，IB；用户选择电流采集重构模块采用单电阻采集方法或者双电阻采集方法。单电阻采集方法采集母线电流并根据电机的实时状态转化成电机的相电流IA,IB；双电阻采集方法则直接采集电机的相电流IA，IB；
(4)电机相电流IA，IB通过CLARKE变换将电流从3轴2维的定子坐标系变换成2轴的α-β定子坐标系，得到Iα，Iβ；
(5)电压采集重构模块采集电机的母线电压并重构出2轴的α-β定子坐标系下的电压Vα，Vβ；
(6)位置速度估算模块根据电压Vα，Vβ和电流Iα，Iβ估算出当前转子的角度位置θest和转子速度Ω；
(7)角度输出模块将角度θest作平滑处理和补偿，输出转子角度θ；
(8)PARK变换根据转子角度θ将电流从2轴α-β定子坐标系下的Iα，Iβ变换到随着转子磁通旋转的2轴d-q坐标系下的ID，IQ；
(9)将D轴参考电流IDREF减去反馈电流ID，得到的D轴电流差值作为转子磁通PI控制器的输入，经过PI运算得到D轴电压UD；
(10)将Q轴参考电流IQREF减去反馈电流IQ，得到的Q轴电流差值作为转子转矩PI控制器的输入，经过PI运算得到Q轴电压UQ；
(11)PARK逆变换根据转子角度θ将电压矢量UD，UQ从旋转的2轴d-q转子坐标系变换到静止的2轴α-β定子坐标系，得到电压分量Uα，Uβ；
(12)电压分量Uα，Uβ通过CLARKE逆变换将电压从2轴α-β定子坐标系变换到3轴2维的3相定子坐标系，得到电压分量Ur1，Ur2，Ur3；
(13)SVPWM模块根据电压分量Ur1，Ur2，Ur3计算出3相U,V,W对应的PWM占空比CMPu，CMPv，CMPw；SVPWM模块根据用户选择单电阻还是双电阻电流采集方法，会对输出的PWM占空比进行相应的调整和补偿。
(14)驱动信号输出模块输出3相驱动信号，根据软件配置的参数选择输出的驱动信号源来自SVPWM模块的CMPu，CMPv，CMPw，或者来自于微控制器配置的固定占空比PWMDUTY，用于实现预充电和刹车功能；
(15)预驱动模块将驱动信号输出模块输出的3相低压驱动信号转换成驱动逆变桥的场效应管的高压信号，根据用户选择输出6N或者3P3N驱动信号；
(16)逆变桥根据输入的高压驱动信号驱动电机；
(17)若使能速度环，需要使能微控制器的PI控制器，将位置速度估算模块输出的转子速度Ω与目标速度SREF的差值作为PI控制器的输入，PI控制器的输出作为Q轴参考电流IQREF。
(18)另外，可根据电机矢量控制算法模块输出的电流，电压，反电动势，功率等参数，结合微控制器的处理器CPU，PI控制器，低通滤波器和电机专用定时器实现顺风逆风启动，恒功率控制，堵转保护等控制功能。
最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本实用新型的技术方案而非对本实用新型保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的实质和范围。
Claims (10)
1.一种单芯片集成的电机矢量控制系统，其特征在于：包括
电源模块，用于对预驱动模块、微控制器、电机矢量控制算法模块提供电源；
微控制器，与所述电机矢量控制算法模块通过数据总线连接，用于对电机矢量控制算法模块的参数配置和电机控制，
电机矢量控制算法模块，用于将电机数据传输至微控制器，用于向预驱动模块输出驱动信号，
预驱动模块，与所述电机矢量控制算法模块连接，用于将电机矢量控制算法模块输出的驱动信号，转换成驱动逆变桥的场效应管的高压驱动信号，驱动电机。
2.根据权利要求1所述的一种单芯片集成的电机矢量控制系统，其特征在于：设置有逆变桥，根据收到预驱动模块发出的高压驱动信号，输出驱动电机。
3.根据权利要求1所述的一种单芯片集成的电机矢量控制系统，其特征在于：所述电源模块、微控制器、电机矢量控制算法模块和预驱动模块设置于同一个晶圆。
4.根据权利要求1所述的一种单芯片集成的电机矢量控制系统，其特征在于：所述预驱动模块通过6N模式输出高压驱动信号或者通过3P3N模式输出高压驱动信号。
5.根据权利要求1所述的一种单芯片集成的电机矢量控制系统，其特征在于：所述微控制器包括处理器CPU、数据存储器、指令存储器、普通定时器模块、通讯模块、硬件乘除法单元和输入输出；所述处理器CPU通过数据总线分别与通讯模块、数据存储器、通讯模块、硬件乘除法单元、普通定时器、输入输出连接，所述处理器CPU通过指令总线连接指令存储器。
6.根据权利要求5所述的一种单芯片集成的电机矢量控制系统，其特征在于：所述微控制器还包括电机专用定时器，所述处理器CPU通过数据总线与所述电机专用定时器连接。
7.根据权利要求5所述的一种单芯片集成的电机矢量控制系统，其特征在于：所述微控制器还包括PI控制器模块，所述处理器CPU通过数据总线与所述PI控制器模块连接。
8.根据权利要求5所述的一种单芯片集成的电机矢量控制系统，其特征在于：所述微控制器还包括低通滤波器模块，所述处理器CPU通过数据总线与低通滤波器模块连接。
9.根据权利要求1至8任意一项所述的一种单芯片集成的电机矢量控制系统，其特征在于：所述微控制器为8位微控制器。
10.根据权利要求1所述的一种单芯片集成的电机矢量控制系统，其特征在于：所述电机矢量控制算法模块包括转子转矩PI控制器、转子磁通PI控制器、PARK反变换模块、CLARKE反变换模块、SVPWM模块、驱动信号输出模块、电流采集重构模块、电压采集重构模块、CLARKE变换模块、PARK变换模块、位置速度估算模块和角度输出模块组成；所述转子转矩PI控制器和转子磁通PI控制器连接PARK反变换模块，所述PARK反变换模块连接CLARKE反变换模块，所述CLARKE反变换模块连接SVPWM模块，所述SVPWM模块连接驱动信号输出模块，所述电压采集重构模块连接位置速度估算模块，所述电流采集重构模块连接CLARKE变换模块，所述CLARKE变换模块连接PARK变换模块和位置速度估算模块，所述PARK变换模块连接转子转矩PI控制器和转子磁通PI控制器，所述位置速度估算模块连接角度输出模块。
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|---|---|---|---|---|
| CN106130427A (zh) * | 2016-07-08 | 2016-11-16 | 山东交通职业学院 | 一种基于永磁同步电机的伺服系统驱动器及其控制算法 |
| CN107147343A (zh) * | 2017-06-02 | 2017-09-08 | 深圳市奇诺动力科技有限公司 | 无刷电机磁场定向控制驱动系统及控制方法 |
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| CN106130427B (zh) * | 2016-07-08 | 2019-02-15 | 山东交通职业学院 | 一种基于永磁同步电机的伺服系统驱动器的控制算法 |
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