CN218387323U

CN218387323U - 一种bldc电机转速环电流环双闭环控制系统

Info

Publication number: CN218387323U
Application number: CN202222774063.5U
Authority: CN
Inventors: 郑帮军; 尤孝伟; 林敏�
Original assignee: Unitech Xi'an Intelligent Technology Co ltd
Current assignee: Unitech Xi'an Intelligent Technology Co ltd
Priority date: 2022-10-20
Filing date: 2022-10-20
Publication date: 2023-01-24
Anticipated expiration: 2032-10-20

Abstract

本实用新型提供了一种BLDC电机转速环电流环双闭环控制系统，属于电机控制领域。它解决了现有电机控制系统容易出现过流、欠压情况以及严重地会导致功率器件损坏的问题。本BLDC电机转速环电流环双闭环控制系统，包括微控制器、信号驱动和隔离电路、三相桥式电路、三相电压电路以及若干个霍尔传感器，位于三相桥式电路中电连接有均用于电流检测的U相电流检测电路和V相电路检测电路，U相电流检测电路由与三相桥式电路串联电连接的U相测流电阻R和与微控制器电连接的放大电路Ib组成，V相电流检测电路由与U相测流电阻R串联电连接的V相测流电阻R和与微控制器电连接的放大电路Ia组成。本实用新型具有不会出现过流情况、控制精准且控制精准的优点。

Description

一种BLDC电机转速环电流环双闭环控制系统

技术领域

本实用新型属于电机控制技术领域，涉及一种电机控制系统，特别涉及一种BLDC电机转速环电流环双闭环控制系统。

背景技术

无刷直流电机一般是由电动机主体和电机控制器组成电机系统，属于一种典型的机电一体化产品。无刷直流电机配合相应的驱动器，以电子换向器取代了机械换向器，既具有直流电机良好的调速性能，又具有交流电机结构简单、无换向火花、运行可靠和易于维护等优点，因而在航空航天、数控机床、机器人、电动汽车、计算机外围设备和家用电器等方面都获得了广泛应用，直流无刷电机的正常运行离不开相应的电机控制器。电机要转动起来，需要电机定子产生一个旋转的磁场，带动电机转子旋转。电机控制器的实际作用是利用电力电子器件将直流输入电源转换为三相交流电源，输入到BLDC电机，产生旋转磁场，带动转子运行。

目前最常见的BLDC电机控制系统对于硬件成本控制要求较高，而对电机响应快速性和对扭矩控制要求较低的场合。如果有电流控制需求，或者在电机响应快速性要求高的场合，该控制系统运行会存在以下情况例如工况1：电机运行过程中遇到堵转情况，电机控制器需要将电机相电流限制在一定的数值，使之不再增大，目前的这种控制系统无法将电流维持在某一固定水平。又例如工况2：电机在带载启动的情况下，需要达到一定的加速度，如果没有电流限制的话，加速度过快会导致电机过流。以上两种工况都不太试用单转速环控制，而且基于之前描述的硬件电路，无法准确的控制或者限制电流输出。倘若为了增强电机的转速响应快速性而贸然地扩大PI调节器参数或者电机PWM波占空比，那么整个系统就容易出现过流、欠压情况，严重地会导致功率器件损坏。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提供了一种增加了电流环的BLDC电机转速环电流环双闭环控制系统，来解决以上问题。

本实用新型的目的可通过下列技术方案来实现：一种BLDC电机转速环电流环双闭环控制系统，其特征在于，包括微控制器、信号驱动和隔离电路、三相桥式电路、三相电压电路以及若干个霍尔传感器，位于所述的三相桥式电路中电连接有均用于电流检测的U相电流检测电路和V相电路检测电路，所述的U相电流检测电路由与三相桥式电路串联电连接的U相测流电阻R和与微控制器电连接的放大电路Ib组成，所述的V相电流检测电路由与U相测流电阻串联电连接的V相测流电阻R和与微控制器电连接的放大电路Ia组成。

在上述的一种BLDC电机转速环电流环双闭环控制系统中，所述的U相测流电阻和V相测流电阻均串联在三相桥式电路下桥臂与直流母线相接的回路上。

在上述的一种BLDC电机转速环电流环双闭环控制系统中，所述的放大电路Ib并联连接于U相测流电阻R两端且用于检测电流大小，所述的放大电路Ia并联连接于V相测流电阻R两端且用于检测电流大小。

在上述的一种BLDC电机转速环电流环双闭环控制系统中，所述的放大电路Ib和放大电路Ia中电流值大小通过线路反馈至微控制器内，且所述的微控制器可根据Ib电流大小和Ia电流大小计算得出三相电流和反馈电流并根据反馈电流来将对电流环给定值和输入值进行设定来实现电机控制。

在上述的一种BLDC电机转速环电流环双闭环控制系统中，位于所述的微控制器与信号驱动和隔离电路之间电连接有PWM0、PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5信号输入，且通过所述的PWM0、PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5信号输入至信号驱动和隔离电路内并通过信号驱动和隔离电路导通关断动作产生交变电压，并交变电压施加儌电机上产生交边电流，从而产生旋转磁势带动电机转子旋转来控制电机。

与现有技术相比，本BLDC电机转速环电流环双闭环控制系统具有以下优点：

1、相电流的采样采用低端双电阻电流采样，该采样方法成本低廉，对运放没有特殊要求，并且采样数值较为准确；

2、由于采用了电流闭环控制，启动电流可以限制在一定的范围内，电机能够实现启动速度快而且不发生过流；

3、增加电流环，不仅可以起到限制启动电流的作用，而且还可以起到稳定转矩的作用，增加系统抗外扰的能力；

4、有了电流环的作用，电机系统能够实现堵转功能，并且可以根据堵转电流大小，做出短时堵转和长时间堵转策略；

5、电流环可以提高电机控制精度和响应速度，改善电机的控制性能。

附图说明

图1是本BLDC电机转速环电流环双闭环控制系统的电路原理框图。

图2是本BLDC电机转速环电流环双闭环控制系统的控制原理框图。

图3是本BLDC电机转速环电流环双闭环控制系统的运行原理框图。

具体实施方式

以下是本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的描述，但本实用新型并不限于这些实施例。

如图1、图2、图3所示，本BLDC电机转速环电流环双闭环控制系统，包括微控制器、信号驱动和隔离电路、三相桥式电路、三相电压电路以及若干个霍尔传感器，位于三相桥式电路中电连接有均用于电流检测的U相电流检测电路和V相电路检测电路，U相电流检测电路由与三相桥式电路串联电连接的U相测流电阻R和与微控制器电连接的放大电路Ib组成，V相电流检测电路由与U相测流电阻R串联电连接的V相测流电阻R和与微控制器电连接的放大电路Ia组成，U相测流电阻和V相测流电阻均串联在三相桥式电路下桥臂与直流母线相接的回路上，放大电路Ib并联连接于U相测流电阻R两端且用于检测电流大小，放大电路Ia并联连接于V相测流电阻R两端且用于检测电流大小。U相测流电阻R和V相测流电阻R的安放位置，既可以把电阻串联在相线电路里面，又可以把电阻串联在三相桥式电路下桥臂与直流母线相接的回路上，前者叫做高端电阻电流采样，后者叫做低端电阻电流采样。高端采样的难点在于对后级处理电路的要求很高，后级运放要能承受很高的且急剧变化的共模电压，这样的运放选择起来并不是很容易。而在低端采样中，采样电阻位于负载低端，即一端与地平面连接，低端采样对运放没有特殊要求，选用常规通用运放即可。因此低端电阻采样成本低廉，特别是单电阻采样方案，具有较大的价格优势。

双电阻采样得到两相电流后，第三相电流可以根据这两相电流计算得到

进一步细说，为了计算得出反馈电流值大小，放大电路Ib和放大电路Ia中电流值大小通过线路反馈至微控制器内，且微控制器可根据Ib电流大小和Ia电流大小计算得出三相电流和反馈电流并根据反馈电流来将对电流环给定值和输入值进行设定来实现电机控制， BLDC电机稳态运行时候的相电流，就会发现三相电流围绕中心轴线呈周期交变变化。而我们为了构建电流闭环，电流反馈值必须是一个稳定值，因此采用的驱动方法是方波控制，所以理论上在任何时候只有两相电流有值，而且这两相电流的数值相等，符号相反，而剩下的一相电流为0。所以，采用将三相电流的数值的绝对值求和，然后将其除以2，得到一个稳定的电流值，于是将此值当作是反馈电流。

进一步细说，位于微控制器与信号驱动和隔离电路之间电连接有PWM0、PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5信号输入，且通过所述的PWM0、PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5信号输入至信号驱动和隔离电路内并通过信号驱动和隔离电路导通关断动作产生交变电压，并交变电压施加儌电机上产生交边电流，从而产生旋转磁势带动电机转子旋转来控制电机。一般电机控制算法里面将电流环作为内环，转速环作为外环。电流环的给定值来自于转速环的PI调节输出，电流环的反馈值来自于对双电阻电流采样值的计算。电流环的输出成为了PWM的占空比设定，直接影响开关管的导通和关断。对于有些应用场合，转速环被断开，直接控制电流环给定值来控制整个系统，因此可以实现单电流环的控制效果

工作原理

工作时，电机系统首先需要得到转速指令，该指令可以是测试用的上位机给出，也可以是触摸屏显示板通过串口通信给出，还可以是模拟信号给到电机控制器。接下来还需要得到一个重要的信号，那就是电机转速信号，该信号是由电机上霍尔传感器的信号计算得到。一个霍尔扇区的角度已知，测得转子进入该扇区和离开该扇区所经历的时长，就可以计算出转子速度，再经过一些滤波处理，可以精确的反应出该段时间的转速，有了转速给定和转速反馈，将这两个重要变量输入PI调节器，就可以算出一个输出值，该输出值接下来成为了电流环的给定。根据两相电流Ia和Ib，我们求出第三相电流，并且根据这三相电流，我们求出了反馈电流。电流环的给定和反馈输入到PI调节器，最后算出一个输出量，该输出量作为PWM的占空比，而PWM0~PWM5的开关状态，则是根据输入到该计算模块的霍尔信号得到的。PWM0~PWM5信号输入到信号驱动和隔离电路，信号驱动和隔离电路的导通关断动作产生交变电压，交变电压施加到电机上产生交变电流，从而产生旋转磁势，带动转子旋转，以上就是整个电机控制系统的工作过程描述。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了相关术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。

Claims

1.一种BLDC电机转速环电流环双闭环控制系统，其特征在于，包括微控制器、信号驱动和隔离电路、三相桥式电路、三相电压电路以及若干个霍尔传感器，位于所述的三相桥式电路中电连接有均用于电流检测的U相电流检测电路和V相电流检测电路，所述的U相电流检测电路由与三相桥式电路串联电连接的U相测流电阻R和与微控制器电连接的放大电路Ib组成，所述的V相电流检测电路由与U相测流电阻串联电连接的V相测流电阻R和与微控制器电连接的放大电路Ia组成。

2.根据权利要求1所述的一种BLDC电机转速环电流环双闭环控制系统，其特征在于，所述的U相测流电阻和V相测流电阻均串联在三相桥式电路下桥臂与直流母线相接的回路上。

3.根据权利要求1所述的一种BLDC电机转速环电流环双闭环控制系统，其特征在于，所述的放大电路Ib并联连接于U相测流电阻R两端且用于检测电流大小，所述的放大电路Ia并联连接于V相测流电阻R两端且用于检测电流大小。

4.根据权利要求1所述的一种BLDC电机转速环电流环双闭环控制系统，其特征在于，所述的放大电路Ib和放大电路Ia中电流值大小通过线路反馈至微控制器内，且所述的微控制器可根据Ib电流大小和Ia电流大小计算得出三相电流和反馈电流并根据反馈电流来将对电流环给定值和输入值进行设定来实现电机控制。

5.根据权利要求1所述的一种BLDC电机转速环电流环双闭环控制系统，其特征在于，位于所述的微控制器与信号驱动和隔离电路之间电连接有PWM0、PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5信号输入，且通过所述的PWM0、PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5信号输入至信号驱动和隔离电路内并通过信号驱动和隔离电路导通关断动作产生交变电压，并交变电压施加到电机上产生交变电流，从而产生旋转磁势带动电机转子旋转来控制电机。