一種無刷直流電機無位置傳感器控制系統及控制方法
【技術領域】
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[0001]本發明涉及無刷直流電機控制領域，具體涉及一種無刷直流電機無位置傳感器控制系統及控制方法。
【背景技術】
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[0002]傳統的無刷直流電機控制系統為獲得準確的轉子位置信號，一般采用霍爾磁敏式、電磁式或光電式等位置傳感器進行檢測。但是，用位置傳感器不但增大了電機的體積和成本，而且維修困難；同時不能適應高溫、高濕等惡劣的工作環境，在某些工業應用場合甚至不允許使用；又由于傳感器連線較多，容易受到外界信號的干擾，降低了電機運行的可靠性。同時傳統的無刷直流電機控制方法以梯形方式驅動定子，會導致輸出轉矩出現振蕩，控制精度較低。
[0003]線反電動勢法是無刷直流電機常用的無位置傳感器控制方法，繞組換相時刻由線反電勢過零點直接得到，有效的提高了變速過程中的換相精度。但現有的線反電動勢法控制F0C算法中對于位置檢測采用EMF方式，利用檢測到的相電流經過Clark變換后得到的旋轉分量進行大量變換計算后才能估算出轉子位置，并且存在相電流檢測誤差累積運用于轉子位置估算，從而導致位置信號檢測不準確，引起電壓矢量誤差大，導致電機輸出轉矩波動大，當電機處于靜止或空載時，由于相電流很小，將導致電機轉子位置確定困難，無法準確確定轉子位置，從而引起控制失敗。
【發明內容】
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[0004]本發明為克服現有技術的不足，提供了一種無刷直流電機無位置傳感器控制系統及控制方法，可通過線電勢法實時檢測電機在啟動與低速階段的反電勢，并將帶有位置補償的線反電勢法融入F0C算法，簡化了 F0C算法在位置與速度的計算過程，提高了系統的實時性與控制精度，達到改善電機動態性能的目的。
[0005]本發明的無刷直流電機無位置傳感器控制系統，為實現上述目的所采用的技術方案在于:包括由超級電容器和鋰電池組成的復合電源、由雙向DC-DC變換器和逆變器組成的主電路、無刷直流電機及DSP控制器，所述復合電源、主電路與無刷直流電機依次相連，主電路通過采樣電路連接DSP控制器，DSP控制器分別通過驅動電路和保護電路連接主電路，DSP控制器連接接口電路和功能按鍵。
[0006]作為本控制系統的進一步改進，所述DSP控制器連接顯示設備，通過顯示設備顯示電機的相關運行參數。
[0007]本發明的無刷直流電機無位置傳感器控制方法，為實現上述目的所采用的技術方案在于由以下步驟構成:
[0008]步驟一、檢測相電壓反電勢信號與相電流信號，相電壓反電勢信號的檢測是通過基于端電壓的采樣電路中的端電壓檢測電路經過電阻分壓采樣電路與第一 RC濾波電路低通濾波后，再經過由第一運算放大器構成的減法電路后獲得關斷相的反電勢信號；相電流信號的檢測是采樣電路中的相電流檢測電路通過在主電路中的三相橋式逆變電路的任意兩對橋壁中串聯接入采樣電阻，將電機的相電流轉換成電壓信號經過第二 RC濾波電路低通濾波、偏置電路電壓預置之后經過運算放大電路運放放大得到相電流信號，將反電勢信號與相電流信號輸出給DSP控制器內部12位ADC，作為輸入信號送入FOC算法控制過程中；
[0009]步驟二、通過檢測到的兩相導通相的反電勢信號作差計算出線反電勢，線反電勢過零點對應無刷直流電機的換向時刻，利用檢測到的兩相相電流經過角度換算得到第三相相電流，進一步計算出任一相導通時相電流起始與結束的時刻，并計算起始與結束的時刻分別所對應的反電勢，再將二者作差得出反電勢偏差，以反電勢偏差值作為輸入變量通過模糊PI計算，進一步得到轉子誤差補償角度，當偏差為零時，相電流波形的中點位于相反電勢波形的中點；
[0010]步驟三、通過F0C算法進行坐標變換以確定轉子位置，所述坐標變換是通過檢測相電流la和Ib，經計算得到第三相相電流Ic，經Clark變換將三相對稱、相隔120度角的交流電Ia、Ib和Ic變換得到相隔90度角的正弦交流電I α和I β，所述I α為相對定子靜止的磁場分量電流，I β為相對定子靜止的轉矩分量電流，利用線反電勢檢測確定的換相時刻與計算得到的轉子誤差補償角度來確定精確的轉子位置，并結合Ια和Ιβ進行速度估算與角度計算，得到轉子相對定子的變化角度Θ以及電機的轉速參考值Ν*，通過Ια、Ιβ和Θ這三個變量，采用Park變換將相對定子靜止的坐標變成相對轉子靜止的坐標，并且得到給定值Id和Iq，所述Id為相對轉子靜止磁場分量電流，Iq為相對轉子靜止轉矩分量電流；
[0011]步驟四、通過F0C算法根據變換后得到的相對于轉子靜止的Id和Iq進行逆變換，具體是將速度給定值N與速度參考值N*進行比較，經過模糊PI調節得到轉矩分量電流參考值Iqref，參考值Iqref與給定值Iq進行比較后經過模糊PI調節得到相對轉子靜止轉矩分量電壓Vq，同時給定參考值得磁場分量電流參考值Idref與給定值Id比較后經過模糊PI調節得到相對轉子靜止磁場分量電壓Vd，所述Vd和Vq是構成發射到電機的電壓矢量，新的變換角度Θ根據Park逆變換產生的電壓和Park變換產生的電流進行估算，通過Park逆變換，利用Vd、Vq和Θ三個變量將相對轉子靜止的坐標旋轉變換到相對定子靜止的坐標并且得到相對定子靜止的兩相正弦正交磁場分量電壓值Va和轉矩分量電壓值，再對Va和Vβ進行Clark逆變換以獲得三相電壓值Va，Vb和Vc ；
[0012]步驟五、通過三相電壓值Va，Vb和Vc計算出新的PWM占空比，通過DSP控制器的事件管理器輸出PWM驅動波形，隔離驅動三相橋式逆變電路中相應的功率單元，產生所需的電壓矢量來調節電機輸出的轉速與轉矩。
[0013]作為本控制方法的進一步改進，在電機轉子初始位置確定后，以升頻升壓的方式驅動無刷直流電機啟動。因為電機剛啟動運轉時反電勢幅值較小，其過零點的檢測還不足以準確地用來進行換相，為此采用升頻升壓同步啟動的方式來驅動無刷直流電機啟動。
[0014]作為本控制方法的進一步改進，無刷直流電機未啟動時，通過對主電路中的逆變電路實施兩兩導通和三三導通共十二個電壓矢量進行轉子初始位置30度區間的檢測，再采用預定位法施加電壓矢量對轉子進行精確定位，從而得到準確的轉子初始位置。
[0015]作為本控制方法的進一步改進，所述升頻升壓同步啟動的方式是在電路通電后，端電壓檢測電路得到相反電勢e，經過第一 RC濾波電路的電容上的電壓加到壓控振蕩器經分頻器分頻后作為時鐘信號輸入到環形分配器上，然后轉換為換相邏輯信號，同時，該電壓通過Α/D轉換模塊進行模數轉換將信號送至DSP控制器內部的EV事件管理器產生變化的PWM驅動信號，該電壓與參考電壓經過比較電路后輸出模式控制信號，通過得到的換相邏輯信號與PWM驅動信號控制驅動主電路中逆變器各功率單元的導通關斷順序與時長，使得逆變器輸出電壓發生變化。
[0016]本發明的有益效果是:本發明采用數字信號處理器TMS320F2812為DSP控制器的主控芯片，利用線反電勢法替代F0C算法中的間接測量反電動勢EMF方式，可有效地簡化F0C算法計算過程，提高控制系統的響應速度與控制精度。同時，在F0C算法中引入模糊PI以取代傳統的PI調節，使得F0C控制算法可以更加有效地改善動態響應，以較低的電流產生最佳的轉矩，并且在每一個PWM周期中控制電機電流，從根本上限制電流，進而實現響應負載動態變化，達到改善電機動態性能的目的。在制動環節采用再生制動技術，通過采用上下橋臂各管皆為PWM調制的Hpwm Lpwm調制方式，由于PWM信號無效續流時不會產生反電動勢短接回路，因此可以對反電動勢產生的再生制動電流進行很好的控制，從而可以確保電機制動結束時能夠準確的得到電機實際轉子位置，以便在下次起動時無需再次進行轉子初始位置檢測。
【附圖說明】
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[0017]圖1為本發明的結構示意圖；
[0018]圖2為磁場定向控制原理框圖；
[0019]圖3為功率輸出采樣電路；
[0020]圖4為升頻升壓控制原理圖。
【具體實施方式】
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[0021 ] 參照圖1，該無刷直流電機無位置傳感器控制系統，包括由超級電容器和鋰電池組成的復合電源1、由雙向DC-DC變換器和逆變器組成的主電路2、無刷直流電機3及DSP控制器5，所述復合電源1、主電路2與無刷直流電機3依次相連，主電路2通過采樣電路4連接DSP控制器5，DSP控制器5分別通過驅動電路9和保護電路8連接主電路2，DSP控制器5連接接口電路6、顯示設備7及功能按鍵10。
[0022]所述DSP控制器5采用TI公司的數字信號處理器TMS320F2812為主控芯片，總體工作過程為:外部控制指令由功能按鍵10經信號調理發送給DSP控制器5，主電路2通過采樣電路4輸出的相電流反饋的信號經過信號調理發送給DSP控制器5，經過Clark與Park變換計算輸出電流反饋值；主電路2通過采樣電路4輸出的相電壓反電勢檢測信號經過調理利用線反電勢法計算出轉子位置信號，作為F0C算法的輸入，與DSP控制器的給定轉速信號比較，經過模糊PI調節器輸出電流給定值，再與電流反饋值進行比較，經模糊PI調節器進入Clark與Park逆變換計算后輸出可變的PWM控制信號。本控制系統通過檢測無刷直流電機3的相電流與相電壓控制無刷直流電機3的轉速轉矩，從而提高無刷直流電動機3的動態性能以及減少轉矩脈動。
[0023]參照圖2和圖3，該無刷直流電機無位置傳感器控制方法的具體過程為:
[0024]步驟一、檢測相電壓反電勢信號與相電流信號，相電壓反電勢信號的檢測是通過基于端電壓的采樣電路4中的端電壓檢測電路11經過電阻分壓采樣電路12與第一 RC濾波電路13低通濾波后，再經過由第一運算放大器14構成的減法電路15后獲得關斷相的反電勢?目號；相電流?目號的檢測是米樣電路4中的相電流檢測電路16通過在主電路2中的二相橋式逆變電路17的任意兩對橋壁中串聯接入采樣電阻18，將電機的相電流轉換成