專利名稱：低成本高性能直流無(wú)刷電機(jī)控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種低成本高性能直流無(wú)刷電機(jī)控制裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)有兩類，即模擬控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)。模擬控制系統(tǒng)是以專用無(wú)刷直流電機(jī)控制芯片為核心構(gòu)成的控制電路，其典型的控制芯片是美國(guó)Fairchild公司生產(chǎn)的ML4425型芯片。這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但由于受自身的限制，這種系統(tǒng)存在如下缺點(diǎn)成本較高，可靠性差，調(diào)速性能不理想，調(diào)速范圍小，電機(jī)的起動(dòng)電流過(guò)大，不易控制，對(duì)負(fù)載的適應(yīng)能力差，需要對(duì)不同的負(fù)載設(shè)計(jì)和整定系統(tǒng)硬件，維修不方便。數(shù)字控制系統(tǒng)大部分是以微控制器或數(shù)字信號(hào)處理器為核心。數(shù)字控制系統(tǒng)調(diào)速性能好，適應(yīng)能力強(qiáng)，且它的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器均由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，為采用不同的控制算法提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。但是數(shù)字控制系統(tǒng)也存在著以下缺陷需要轉(zhuǎn)速傳感器，而轉(zhuǎn)速傳感器的成本高，需要特殊的機(jī)械安裝，不利于系統(tǒng)的調(diào)試和維修，同時(shí)導(dǎo)致了系統(tǒng)的可靠性變差。某些不需要轉(zhuǎn)速傳感器的數(shù)字控制系統(tǒng)，其速度控制性能不理想，尤其是低速性能差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍窄，抗電磁干擾能力較弱，硬件結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，價(jià)格較高。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是要提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)速范圍寬、可靠性好、系統(tǒng)效率高、抗干擾能力強(qiáng)的低成本高性能直流無(wú)刷電機(jī)控制裝置。
解決本實(shí)用新型技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是該低成本高性能直流無(wú)刷電機(jī)控制裝置包括交流輸入單元、整流單元、控制電源，整流單元的輸出端通過(guò)電流采樣電路與電流信號(hào)處理單元連接，整流單元的輸出端同時(shí)與可進(jìn)行直流/交流轉(zhuǎn)換、形成可變頻、變壓的三相交流電壓的逆變單元連接，逆變單元的變頻調(diào)速輸出端直接與電機(jī)定子的三相繞組連接，有電壓信號(hào)處理單元通過(guò)三相電壓采樣電路與電機(jī)定子的三相繞組連接，電流信號(hào)處理單元和電壓信號(hào)處理單元的信號(hào)都接入數(shù)字信號(hào)處理器單元，數(shù)字信號(hào)處理器單元執(zhí)行全部的控制算法并對(duì)與逆變單元連接的觸發(fā)單元進(jìn)行控制連接。
與背景技術(shù)相比，本實(shí)用新型對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)控制具有如下優(yōu)點(diǎn)1、尺寸小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單全部硬件電路集成于一塊小的印刷電路板上，不需要任何外部支持器件。
2、調(diào)速范圍寬通常情況下，調(diào)速范圍可達(dá)1∶40。針對(duì)不同的電機(jī)，定子頻率最高可達(dá)200Hz，最低可達(dá)0.5Hz。
3、使用方便無(wú)任何特殊安裝及定位要求。
4、適應(yīng)性好，可用于不同的容量、不同結(jié)構(gòu)的無(wú)刷直流電機(jī)，具有統(tǒng)一控制器的特點(diǎn)。可應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等各種工業(yè)和民用場(chǎng)合。
5、可靠性好可自動(dòng)處理故障，無(wú)維修要求。
6、抗干擾能力強(qiáng)，可適用于環(huán)境惡劣的場(chǎng)合。具有良好的抗換流噪聲的能力，能保證在不同的負(fù)載條件下，有良好的動(dòng)態(tài)控制能力。
7、效率高可達(dá)90％以上。
8、成本低系統(tǒng)硬件均采用普通的元器件，無(wú)任何特殊器件。
9、軟件升級(jí)方便。


以下結(jié)合實(shí)施例附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
圖1 為本實(shí)用新型的方框原理圖圖2 為數(shù)字信號(hào)處理器單元電路原理圖圖3 為數(shù)字信號(hào)處理器與外部仿真器(JTAG)相連的接口電路原理圖圖4 為數(shù)字信號(hào)處理器的外部接口電路原理圖圖5 為高速串行口(CAN)接口電路原理圖圖6 為觸發(fā)單元電路原理圖圖7 為整流單元電路原理圖圖8 為逆變器單元電路原理圖圖9 為電壓采樣電路原理圖圖10 為電流信號(hào)處理單元電路原理圖圖11 為控制電源單元電路原理圖圖12 數(shù)字信號(hào)處理器控制程序流程圖圖中1-交流輸入單元、2-整流單元、3-逆變單元、4-電機(jī)、5-觸發(fā)單元、6-電壓信號(hào)處理單元、7-電流信號(hào)處理單元、8-數(shù)字信號(hào)處理器單元、9-接口電路、R-電阻、C-電容、U1-復(fù)位芯片(采用TPS3809)、U2-數(shù)字信號(hào)處理器芯片(采用TMS320LF240A)、U3-運(yùn)算放大器(采用LM6134)、U4-模擬開關(guān)(采用DG9422)、U5-穩(wěn)壓電源(采用LM1117，3.3v)、U6-電壓穩(wěn)壓芯片(采用1117，5v)、U7-高壓開關(guān)集成穩(wěn)壓電源芯片(采用TNY266G)、U8-光電耦合管(采用PC817A)、U9-高速串行通訊口(采用TLE6250GV33)、U10-三相驅(qū)動(dòng)模塊(采用TR21362)、U11，U12-運(yùn)算放大器(采用LM248)、Y1-晶體震蕩器(采用ECS-10FM/SM)、T1-高頻降壓變壓器(采用PNY-05015)、Q1～Q6-場(chǎng)效應(yīng)管、D1-二極管(采用1N5822)、D2-二極管(采用1N4001)、D3-穩(wěn)壓管(采用1N4742A)、D4～D6-二極管(采用MMSD4148)、D7-單相全橋整流器(采用KBU6J)、ISO1，ISO2-光電耦合管、Itrip-電流檢測(cè)器
具體實(shí)施方式
本實(shí)施例中，該低成本高性能直流無(wú)刷電機(jī)控制裝置，包括交流輸入單元，整流單元，逆變單元，有數(shù)字信號(hào)處理器單元執(zhí)行全部的控制算法并對(duì)觸發(fā)單元進(jìn)行控制，有電流信號(hào)處理單元對(duì)直流母線采樣電流進(jìn)行處理，處理后再送給數(shù)字信號(hào)處理器單元，有電壓信號(hào)處理單元對(duì)三相采樣電壓進(jìn)行處理，處理后再送給數(shù)字信號(hào)處理器單元。其中數(shù)字信號(hào)處理器單元是本裝置的核心，它執(zhí)行全部的控制算法，并通過(guò)觸發(fā)單元控制逆變單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的變頻調(diào)速。
如附圖1所示，本專利的硬件由以下幾個(gè)功能單元組成交流輸入單元，整流單元，逆變單元、采樣信號(hào)處理單元、觸發(fā)單元、數(shù)字信號(hào)處理單元和接口電路等。
圖2中，數(shù)字信號(hào)處理器單元是本實(shí)用新型的核心，它執(zhí)行全部的控制算法，并通過(guò)觸發(fā)單元控制逆變單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的變頻調(diào)速。有與外部仿真器相連接口電路、外部接口電路、高速串行口CAN電路與數(shù)字信號(hào)處理器單元相連。
圖3中，JTAG接口處理數(shù)字處理器U2與JTAG相關(guān)的信號(hào)，TMS、TDO、TDI、TCK、EMU0和EMU1通過(guò)插頭J1與外部仿真器相連。
圖4為外部接口電路原理圖，接口電路與數(shù)字信號(hào)處理器單元相連。為防止干擾，外部接口電路中采用了光耦。
圖5為串口CAN接口電路原理圖。在這個(gè)接口中使用了一個(gè)專用CAN集成芯片，即CAN高速串行口。
圖6為驅(qū)動(dòng)電路原理圖。驅(qū)動(dòng)電路單元與數(shù)字信號(hào)處理器單元相連，其核心部分U10，它是一個(gè)繼承驅(qū)動(dòng)放大芯片，其絕緣能力達(dá)600v。
圖7為整流單元電路原理圖。整流單元的輸出端通過(guò)直流母線與逆變單元連接。整流單元實(shí)現(xiàn)AC/DC轉(zhuǎn)換，形成直流母線電壓。圖中的R62是過(guò)電流抑制熱敏電阻，用于限制系統(tǒng)的沖擊電流；J8用于網(wǎng)側(cè)的單相交流輸入，當(dāng)網(wǎng)側(cè)電壓為220v時(shí)，直流母線電壓為300v；整流單元電路中有倍壓電路接口J7，當(dāng)電網(wǎng)電壓為110v時(shí)，由插座J7連接的倍壓電路起作用，仍能將直流母線電壓維持在300v，這樣，就提高了系統(tǒng)對(duì)不同電網(wǎng)制式的適應(yīng)能力。
圖8為逆變單元電路原理圖。逆變單元是電機(jī)控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它實(shí)現(xiàn)DC/AC轉(zhuǎn)換，形成可變頻、變壓的交流電壓，以調(diào)節(jié)和控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，逆變單元包括六只場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)功率元件開關(guān)，三只場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)功率元件開關(guān)組成逆變單元的上橋管，另三只場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)功率元件開關(guān)組成逆變單元的下橋管，每只開關(guān)都并有RC過(guò)流吸收電路。逆變單元輸出220V三相交流電，輸出最高頻率為200HZ，最低頻率為0.5HZ。插口J9作為三相定子的電壓采樣電路(圖9所示)的采樣接入口。
圖9為電壓采樣電路原理圖。電機(jī)的三相定子電壓A，B，C經(jīng)過(guò)電阻分壓和濾波，通過(guò)電壓跟隨器送至數(shù)字信號(hào)處理器U2的A/D輸入通道。與此同時(shí)，直流母線電壓也被采樣；圖10為電流信號(hào)處理單元電路原理圖。整流單元的輸出端通過(guò)電流采樣電路與電流信號(hào)處理單元連接，其電流采樣電路是將電流取樣電阻(R10)接在直流母線上，電流流經(jīng)電流取樣電阻(R10)產(chǎn)生的壓降變化信息連接入電流信號(hào)處理單元。在直流母線上，接有一個(gè)電流取樣電阻R10，它產(chǎn)生的壓降經(jīng)處理、采樣后，作為反映電流的信息。電壓保持器通過(guò)Sample-I的控制，輸出能準(zhǔn)確反映電機(jī)相電流的情況。與此同時(shí)，U3C構(gòu)成了一個(gè)電壓比較器，用以形成過(guò)電流檢測(cè)電路；圖11為控制電源單元電路原理圖。U7是該單元的核心PWM控制芯片。本單元采用了一個(gè)簡(jiǎn)單的AC/DC變換電路，其輸入電壓取自直流母線，有三組輸出電壓3，3V，5V和12V。光耦U8用于反饋控制。
本實(shí)用新型的工作過(guò)程220v或110v單相交流電插座J8進(jìn)入，通過(guò)交流輸入單元送入整流單元。整流單元把單相交流電變?yōu)橹绷麟姟?br> 交流輸入單元用于對(duì)單相交流輸入進(jìn)行抗噪聲及限流處理，其輸出直接供給整流單元，如圖7所示。R62是壓敏電阻，其作用是抑制系統(tǒng)工作時(shí)的沖擊過(guò)電流，L2是共模共軛線圈，用于降低電磁干擾(EMI)水平。整流單元實(shí)現(xiàn)AC/DC的轉(zhuǎn)換，形成直流母線(DC-BUS)電壓；D7是一個(gè)單相全橋整流器，其輸出經(jīng)過(guò)串聯(lián)連接的電容C36和C37組成的直流濾波器濾波，得到平滑的直流，送到直流母線上。當(dāng)J8輸入220v單相交流電時(shí)，直流母線電壓為300v；如果網(wǎng)側(cè)電壓為110v，則由插座J7接入倍壓電路，仍能將直流母線(DC-BUS)電壓保持為300v。這樣就提高了系統(tǒng)對(duì)不同電網(wǎng)制式的適應(yīng)能力，這是本系統(tǒng)的特點(diǎn)之一。
直流母線上的300v的直流電送到逆變單元。逆變單元是電機(jī)控制的執(zhí)行單元，它實(shí)現(xiàn)DC/AC的轉(zhuǎn)換，形成可變頻、變壓的三相交流電壓，以控制電機(jī)；同時(shí)，電流采樣也由直流母線處進(jìn)行。
逆變單元逆變單元主要由6只場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET功率開關(guān)元件組成，參見(jiàn)圖8。圖中Q1、Q2和Q3為逆變器的上橋管，Q4、Q5和Q6為逆變器的下橋管。逆變單元輸出220v三相交流電(C相、B相和A相)，輸出最高頻率為200Hz，最低頻率為0.5Hz。這在目前世界上同類產(chǎn)品中所沒(méi)有的高性能。它的輸出直接接在電機(jī)的定子的三相繞組上，以調(diào)節(jié)和控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。插口J9作為三相定子的電壓采樣電路(圖9所示)的采樣接入口。
電流信號(hào)處理單元由圖10可見(jiàn)，一個(gè)電流取樣電阻R10接在逆變器輸入端的直流母線上。電流流經(jīng)R10產(chǎn)生的壓降，經(jīng)處理、采樣，反映電流信息。R10上的電壓信號(hào)首先經(jīng)濾波，再進(jìn)行放大處理，送至模擬開關(guān)U4的輸入端。這個(gè)模擬開關(guān)的通斷受數(shù)字信號(hào)處理器U2控制的，它和電容C11構(gòu)成了一個(gè)電壓保持器，其輸出經(jīng)過(guò)一個(gè)電壓跟隨器U3B，送到數(shù)字信號(hào)處理器U2的A/D通道。這個(gè)硬件支持的直流電流采樣電路將脈沖式的直流電流變?yōu)檫B續(xù)的電壓信號(hào)，為實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制算法奠定了基礎(chǔ)，這是本實(shí)用新型專利的一大特點(diǎn)。同時(shí)，U3C構(gòu)成了一個(gè)電壓比較器，由它可以形成過(guò)電流檢測(cè)電路。
電壓采樣電路由圖9可見(jiàn)，電機(jī)的三相定子電壓A相、B相和C相經(jīng)過(guò)電阻分壓和濾波，再通過(guò)電壓跟隨器送到數(shù)字信號(hào)處理器U2的A/D的輸入通道。同時(shí)，直流母線(DC-BUS)電壓也被采樣。
數(shù)字信號(hào)處理器單元是本實(shí)用新型的核心，它執(zhí)行全部的控制算法，并通過(guò)觸發(fā)單元控制逆變單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的變頻調(diào)速控制。圖2示出了該單元電路原理圖。圖中，U2是數(shù)字信號(hào)處理器，型號(hào)為TMS320F2403A。U1是復(fù)位芯片，用于產(chǎn)生系統(tǒng)的復(fù)位信號(hào)給U2。U2有8路10位模擬輸入通道。其中6路用于采樣直流母線電流的電流反饋(Current-feedback)，三相定子電壓(Phase-VA-Feedback，Phase-VB-eedback和Phase-VC-Feedback)，直流母線電壓(Bus-Uoltage)和外部模擬輸入命令(Commnd-Input)。U2有三路鎖位(Capture)輸入信號(hào)，分別用于外部信號(hào)的接口。U2有6路脈沖寬度調(diào)制(PWM)輸出通道，用于控制逆變器的6只場(chǎng)效應(yīng)管功率元件開關(guān)。這6路信號(hào)中，GAU、GBU和GCU用于控制上橋管；GAL、GBL和GCL用于控制下橋管。電機(jī)和主回路的過(guò)電流通過(guò)過(guò)電流(Over-Current-Flag)和故障(FAULT)輸入腳由數(shù)字信號(hào)處理器監(jiān)視。U2的編程是通過(guò)插頭J1與外部仿真器(JTAG)相連來(lái)實(shí)現(xiàn)的。與JTAG相關(guān)的信號(hào)包括測(cè)試模式選擇輸入(TMS)、測(cè)試數(shù)據(jù)輸出(TDO)、測(cè)試數(shù)據(jù)輸入(TDI)、測(cè)試時(shí)鐘輸入(TCK)、仿真測(cè)試輸入/輸出口0(EMU0)和仿真測(cè)試輸入/輸出口1(EMU1)。另外，一個(gè)通用的高速串行口(CAN)用于U2和外部計(jì)算機(jī)之間的通訊，相關(guān)的信號(hào)是CAN-RX(高速串行口輸入)和CAN-TX(高速串行口輸出)。晶體震蕩器Y1用于程調(diào)式和編程。
圖1中的觸發(fā)單元是為了給逆變器的各功率元件提供觸發(fā)信號(hào)，同時(shí)，將其放大到可以驅(qū)動(dòng)該電路的功率元件的水平，用以控制各功率元件的導(dǎo)通時(shí)間和導(dǎo)通次序，達(dá)到變頻調(diào)速的目的。圖6是觸發(fā)單元的原理圖。其核心部份是U10，它是一個(gè)集成驅(qū)動(dòng)放大芯片。其絕緣能力達(dá)600v。它接受由U2來(lái)的控制信號(hào)GAU、GBU、GCU、GAL、GBL和GCL，然后，將其放大到可以驅(qū)動(dòng)MOSFET的水平，其輸出為HO1、HO2、HO3、LO1、LO2和LO3，它們分別連接到逆變器的6只MOSFET管的柵極上。該芯片有4個(gè)控制引腳，分別為Fault、En、Itrip和Rcin。其中Rcin用于心片的復(fù)位控制；Itrip用于檢測(cè)主回路電流。當(dāng)主回路電流超過(guò)預(yù)定值時(shí)，該芯片就會(huì)產(chǎn)生Fault(故障)信號(hào)給U2，用于故障中斷處理。En為輸出使能，它控制U2的工作。
接口電路有三個(gè)(1)、編程和調(diào)試JTAG接口，如圖3所示，它與外部仿真器相連，用于編程和調(diào)試。其信號(hào)與U2相連，計(jì)有TMS、TDI、TDO、TCK、EMU0和EMU1，這些信號(hào)通過(guò)一個(gè)10引腳的插頭J1與外部仿真器相連。
(2)、外部接口，如圖4所示。在這個(gè)接口電路中，為了防止噪聲干擾，在電路中采用了光耦。其中，ISO1有兩路光耦，分別用于通斷控制ON-OFF-Control和轉(zhuǎn)矩信號(hào)輸入(Torque-PWM-IN)。光耦I(lǐng)SO2用于輸出轉(zhuǎn)速信息(Output-Speed-PWM-dsp)。
(3)、高速串行接口CAN，如圖5所示。CAN非常普通的高速串行口，它正在取代RS232成為串行通訊的標(biāo)準(zhǔn).。J3是一個(gè)2引腳的插頭，用于與外界設(shè)備進(jìn)行連接。
控制電源單元如圖11所示。控制電源是一個(gè)簡(jiǎn)單的DC/DC變換電路，其輸入取自300v直流母線(DC-BUS)電壓，其輸出為3.3v、5v和12v，用光電耦合管(U8)作為反饋控制。U7是該單元的核心脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制芯片。其輸出的三組電壓3.3v，5v和12v中3.3v用于數(shù)字信號(hào)處理器相關(guān)的一些控制芯片；5v用于JTAG；12v用于驅(qū)動(dòng)電路。
本裝置為無(wú)位置、無(wú)轉(zhuǎn)速傳感器，采用雙環(huán)控制的無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)，其具有的速度外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制是由數(shù)字處理器單元來(lái)完成。轉(zhuǎn)速控制使用優(yōu)化的軟件控制算法，在無(wú)轉(zhuǎn)速、無(wú)轉(zhuǎn)子位置傳感器的速度控制中，根據(jù)采樣的定子三相電壓信號(hào)，計(jì)算電機(jī)的反電勢(shì)，以確定反電勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)，對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行實(shí)時(shí)在線估計(jì)。高速時(shí)采用閉環(huán)換流控制，低速時(shí)采用開環(huán)換流控制，以保證了換流的可靠性。由開環(huán)換流控制到閉環(huán)換流控制的切換點(diǎn)可以在很低的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行。調(diào)速范圍為1∶40；最高頻率為200Hz，最低頻率為0.5Hz。調(diào)速范圍寬，低速性能好。電機(jī)的控制分為三個(gè)階段轉(zhuǎn)子初始定位、開環(huán)爬行和閉環(huán)控制。這里所說(shuō)的開環(huán)和閉環(huán)是指逆變器的換流控制。逆變器的換流控制是根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行的。本實(shí)用新型提出了無(wú)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器和無(wú)轉(zhuǎn)速傳感器的控制方案。其思路是根據(jù)采樣的電機(jī)定子三相電壓信號(hào)，對(duì)轉(zhuǎn)子位置的實(shí)時(shí)在線估計(jì)。在電機(jī)轉(zhuǎn)速高于某速度值時(shí)，提出的控制算法具有很高的精度，可以保證逆變器的準(zhǔn)確換流；在低速時(shí)，由于采樣的定子電壓信號(hào)太弱，所估計(jì)的轉(zhuǎn)子位置存在一定偏差，該偏差不易補(bǔ)償。這是目前無(wú)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器的電機(jī)控制存在的問(wèn)題，使控制極不可靠。為了保證電機(jī)的可靠控制，在低速段換流采用開環(huán)控制。由數(shù)字信號(hào)處理器U2控制低速爬行速度和低速爬行的時(shí)間，解決了這一難題，控制效果好，而且還可以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合。這是本實(shí)用新型的一大特點(diǎn)。
采樣定子三相電壓，用于在線估計(jì)轉(zhuǎn)子位置，以實(shí)現(xiàn)正確的換流；采樣直流母線電流，用于攢制電機(jī)的相電流和電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；為了實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，就需要有轉(zhuǎn)速信息，由于本實(shí)用新型無(wú)轉(zhuǎn)速傳感器，故開發(fā)了轉(zhuǎn)速估計(jì)算法，很好地解決了這一問(wèn)題。
換流控制是數(shù)字信號(hào)處理器U2工作控制的核心。它決定每次換流的時(shí)刻。本實(shí)用新型無(wú)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器，這里轉(zhuǎn)子位置信息，是由數(shù)字信號(hào)處理器U2在線估算出來(lái)的無(wú)刷直流電機(jī)的反電勢(shì)而計(jì)算出來(lái)的。
工作程序描述經(jīng)典的雙環(huán)控制被用于控制算法的開發(fā)。外環(huán)為速度環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。雙環(huán)采用相同的采樣周期，為25uS。PWM控制頻率為200Hz。數(shù)字信號(hào)處理器內(nèi)部有2個(gè)定時(shí)器T1和T2，在這里，T1用于PWM定時(shí)，T2用于控制定時(shí)。整個(gè)控制過(guò)程由一個(gè)主程序和幾個(gè)不同的功能模塊子程序組成。
主程序主要用于系統(tǒng)的初始化和中斷等待自循環(huán)?；境绦蚩驁D如圖12所示各子程序功能介紹1)中斷控制程序。
電機(jī)的全部控制功能是通過(guò)T2定時(shí)中斷完成的。T2的定時(shí)采樣控制周期為25us。電機(jī)的控制分為三個(gè)階段轉(zhuǎn)子的初始定位；開環(huán)爬行；閉環(huán)控制。本實(shí)用新型提出了無(wú)轉(zhuǎn)速或無(wú)轉(zhuǎn)子位置傳感器的速度控制方案。其思路是根據(jù)采樣的電機(jī)三相定子電壓信號(hào)對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行實(shí)時(shí)在線估計(jì)。在電機(jī)轉(zhuǎn)速高于某速度時(shí)，為了保證換流的可靠控制，在低速階段的換流使用開環(huán)換流的方法。最終的爬行階段時(shí)的時(shí)間和速度都由數(shù)字信號(hào)處理器U2完成。
2)A/D采樣子程序。
電機(jī)的定子三相電壓被采樣，用于在線估計(jì)轉(zhuǎn)子位置，以實(shí)現(xiàn)正確的換流。與此同時(shí)，直流母線電流也被采樣，用于控制電的相電流及電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。數(shù)子信號(hào)處理器有8個(gè)A/D通道，分別分配給電流和三相電壓。
3)換流控制子程序。
換流控制是數(shù)字信號(hào)處理器U2整個(gè)工作的核心，其任務(wù)是決定每次換流的時(shí)刻。永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制的特點(diǎn)是在任何時(shí)刻，僅有兩相定子繞組導(dǎo)電，另一相處于非導(dǎo)電狀態(tài)。理論上，該非導(dǎo)電相的反電勢(shì)可以在線檢測(cè)或估計(jì)出來(lái)，它本身包含了轉(zhuǎn)子位置信息，為實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感器換流控制提供了條件。在本控制算法中，所采樣的定子三相電壓用于計(jì)算非導(dǎo)電相的反電勢(shì)。計(jì)算或估計(jì)出來(lái)的反電勢(shì)用于確定其過(guò)零點(diǎn)。另外，還充分地考慮了換流噪聲的影響，提高了整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力。
4)分相控制子程序通常，電機(jī)繞組有六種導(dǎo)通狀態(tài)，其編號(hào)為0，1，2，3，4，5，每一種導(dǎo)通狀態(tài)對(duì)應(yīng)一個(gè)編號(hào)。具體關(guān)系如下編號(hào) 上橋 下橋0A相B相1A相C相2B相C相3B相A相4C相A相5C相B相此分相控制子程序?qū)⒏鶕?jù)換流控制子程序傳遞來(lái)的信息，決定各相導(dǎo)通的變化。
5)轉(zhuǎn)速估計(jì)子程序?yàn)榱藢?shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，必需有轉(zhuǎn)速信息。由于本控制系統(tǒng)沒(méi)有轉(zhuǎn)速傳感器，所以，在軟件中必需開發(fā)轉(zhuǎn)速估計(jì)算法。它由換流控制子程序所提供的定時(shí)信息計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速。
6)轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)子程序。
轉(zhuǎn)速和電流均采用PI調(diào)節(jié)器算法進(jìn)行控制。在具體實(shí)現(xiàn)這一算法中，使用了抗飽和算法。
7)脈沖寬度調(diào)制(PWM)逆變控制子程序。
該子程序是整個(gè)控制算法的最終執(zhí)行者，由它確定PWM的占空比。
權(quán)利要求1.一種低成本高性能直流無(wú)刷電機(jī)控制裝置，包括交流輸入單元、整流單元、控制電源，其特征在于整流單元的輸出端通過(guò)電流采樣電路與電流信號(hào)處理單元連接，整流單元的輸出端同時(shí)與可進(jìn)行直流/交流轉(zhuǎn)換、形成可變頻、變壓的三相交流電壓的逆變單元連接，逆變單元的變頻調(diào)速輸出端直接與電機(jī)定子的三相繞組連接，有電壓信號(hào)處理單元通過(guò)三相電壓采樣電路與電機(jī)定子的三相繞組連接，電流信號(hào)處理單元和電壓信號(hào)處理單元的信號(hào)都接入數(shù)字信號(hào)處理器單元，數(shù)字信號(hào)處理器單元執(zhí)行全部的控制算法并對(duì)與逆變單元連接的觸發(fā)單元進(jìn)行控制連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低成本高性能直流無(wú)刷電機(jī)控制裝置，其特征在于整流單元的輸出端通過(guò)直流母線與逆變單元連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低成本高性能直流無(wú)刷電機(jī)控制裝置，其特征在于整流單元的輸出端通過(guò)電流采樣電路與電流信號(hào)處理單元連接，其電流采樣電路是將電流取樣電阻(R10)接在直流母線上，電流流經(jīng)電流取樣電阻(R10)產(chǎn)生的壓降變化信息連接入電流信號(hào)處理單元，它將脈沖式的電流信號(hào)變?yōu)檫B續(xù)的電壓信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低成本高性能直流無(wú)刷電機(jī)控制裝置，其特征在于有與外部仿真器相連接口電路、外部接口電路、高速串行口CAN電路與數(shù)字信號(hào)處理器單元相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的低成本高性能直流無(wú)刷電機(jī)控制裝置，其特征在于外部接口電路中采用了光耦。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低成本高性能直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于整流單元電路中有倍壓電路接口J7。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低成本高性能直流無(wú)刷電機(jī)控制裝置，其特征在于逆變單元包括六只場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)功率元件開關(guān)，三只場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)功率元件開關(guān)組成逆變單元的上橋管，另三只場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)功率元件開關(guān)組成逆變單元的下橋管，每只開關(guān)都并有RC過(guò)流吸收電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的低成本高性能直流無(wú)刷電機(jī)控制裝置，其特征在于逆變單元輸出220V三相交流電，輸出最高頻率為200HZ，最低頻率為0.5HZ。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低成本高性能直流無(wú)刷電機(jī)控制裝置，其特征在于控制電源是一個(gè)簡(jiǎn)單的DC/DC變換電路，其輸入取自300v直流母線電壓，其輸出為3.3v、5v和12v，用光電耦合管(U8)作為反饋控制。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種低成本高性能直流無(wú)刷電機(jī)控制裝置。它包括交流輸入單元、整流單元，整流單元的輸出端通過(guò)電流采樣電路與電流信號(hào)處理單元連接，整流單元的輸出端同時(shí)與可進(jìn)行直流/交流轉(zhuǎn)換、形成可變頻、變壓的三相交流電壓的逆變單元連接，逆變單元的變頻調(diào)速輸出端直接與電機(jī)定子的三相繞組連接，有電壓信號(hào)處理單元通過(guò)三相電壓采樣電路與電機(jī)定子的三相繞組連接，電流信號(hào)處理單元和電壓信號(hào)處理單元的信號(hào)都接入數(shù)字信號(hào)處理器單元，數(shù)字信號(hào)處理器單元執(zhí)行全部的控制算法并對(duì)與逆變單元連接的觸發(fā)單元進(jìn)行控制連接。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)速范圍寬、可靠性好、系統(tǒng)效率高、抗干擾能力強(qiáng)、生產(chǎn)成本低。
文檔編號(hào)H02P7/18GK2667799SQ200320114160
公開日2004年12月29日 申請(qǐng)日期2003年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月19日
發(fā)明者王長(zhǎng)江, 張永惠 申請(qǐng)人:王長(zhǎng)江, 張永惠