高速大惯量负载用无铁芯无刷直流电机控制系统及方法
阅读说明：本技术 高速大惯量负载用无铁芯无刷直流电机控制系统及方法 (Iron-core-free brushless direct current motor control system and method for high-speed large-inertia load ) 是由 郭婷婷 缪子超 邓丽辉 金琛 魏江峰 王建飞 李璐 于 2019-07-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种高速大惯量负载用无铁芯无刷直流电机控制系统及方法,其技术特点在于：包括无铁芯无刷直流电机、控制系统及其内部的驱动电路；所述控制系统包括信号检测模块、数字控制模块和线性功率驱动模块；所述内部的驱动电路包括：直流电源、电源滤波模块、三相逆变桥、梯形波反电动势无刷直流电机、三相电感、电流检测模块和数字控制器。本发明能够为高速大惯量飞轮用的无铁芯无刷直流电机的控制提供一种减小启动电流,减小电流换相波动的控制系统,并使大惯量系统能够稳定高速运转。(the invention relates to a control system and a control method of a coreless brushless direct current motor for high-speed large-inertia load, which are technically characterized in that: the brushless direct current motor comprises a coreless brushless direct current motor, a control system and a driving circuit inside the coreless brushless direct current motor; the control system comprises a signal detection module, a digital control module and a linear power driving module; the internal driving circuit includes: the device comprises a direct current power supply, a power supply filtering module, a three-phase inverter bridge, a trapezoidal wave back electromotive force brushless direct current motor, a three-phase inductor, a current detection module and a digital controller. The invention can provide a control system for reducing starting current and current commutation fluctuation for controlling a coreless brushless direct current motor for a high-speed large-inertia flywheel, and the large-inertia system can stably run at a high speed.)
技术领域
本发明属于伺服电机控制技术领域，涉及无铁芯无刷直流电机控制系统， 尤其是一种高速大惯量负载用无铁芯无刷直流电机控制系统及方法。
背景技术
飞轮是电机与同轴的惯量体的组合，它通过改变旋转速度，从而改变转 子的动量矩，进一步产生与其速度变化率成正比的反作用力矩，因此飞轮的 主要用途为转动惯量的储存以及通过与载体进行动量交换向载体输出力矩。 飞轮系统常用于航天器姿态控制与飞轮储能电池中。飞轮电机的转速范围和 速度控制精度得到很大的提升，当飞轮电机的转速达到上万转每分时，飞轮 作为动量的存储装置的能量存储密度甚至会大于电池等化学能源的能量密 度，其能量转换效率最高可达到90％，远大于传统的储能方式，同时，其瞬时输出功率也远远大于化学能源。
高速飞轮储能用电机应具有以下基本性能要求：额定功率时具有很高的 效率、空载时具有很低的损耗。高速飞轮储能系统主要包括飞轮转子、轴承、 电动机、电力变换器和控制单元五部分。
为带动大惯量负载高速运动，且需满足系统功耗小，所选用的电机一般 为无铁芯电机。无铁芯电机定子绕组电感、电阻很小，电气时间常数小，从 而会使得基于电压型控制器下的绕组电流不连续、转矩波动大的问题。同时 机械时间常数大，电机电感、电阻非常小，系统电流的控制也是系统的难点 所在。高速大惯量飞轮用电机的控制问题成为飞轮运行质量的关键所在。
通过公开专利文献的检索，发现一篇与本发明申请相关的公开专利文献：
其专利名称为小电枢电感永磁无刷直流电动机低功耗控制系统，公开号 为CN1710801A，该发明采用前置降压斩波器的方式，将直流电源电压根据不 同的转速进行降压，三相逆变器只负责换相。通过该种方式进行电机驱动及 调速。前置降压斩波器，将三相逆变器的直流电压减小，减小PWM峰值，进 而减小换相瞬间电流峰值，减小电流脉动。本发明采用在三相逆变器及电机 之间串接三相电感来减小电流脉动，三相逆变器不仅负责换相，也负责调压 调速。
通过技术分析，申请人认为，上述公开专利文献与本发明申请在技术方 案上有较大不同，尤其控制方式及电路结构上存在较大不同。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高速大惯量负载用无 铁芯无刷直流电机控制系统及方法，能够为高速大惯量飞轮用的无铁芯无刷 直流电机的控制提供一种减小启动电流，减小电流换相波动的控制系统，并 使大惯量系统能够稳定高速运转。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种高速大惯量负载用无铁芯无刷直流电机控制系统包括无铁芯无刷直 流电机、控制系统及其内部的驱动电路；所述控制系统包括信号检测模块、 数字控制模块和线性功率驱动模块；
所述信号检测模块包括电流检测模块、转速检测模块和A/D转换器，分 别用于检测无铁芯无刷直流电机的三相电流和转速，并将采集的三相电流和 转速数据通过A/D转换器输出至数字控制模块，为数字控制模块提供控制依 据；所述数字控制模块包括数字控制器，用于将信号检测模块提供的信息， 根据PI控制算法完成计算，输出控制量；所述线性功率驱动模块包括高速隔 离运放模块、大功率运算放大器模块和驱动模块；所述数字控制模块的输出 端依次通过高速隔离运放模块、大功率运算放大器模块、驱动模块与无铁芯 无刷直流电机相连接，用于将所述数字控制模块输出的模拟量的控制信号与 功率级信号相隔离并进行功率放大后，转换为电机绕组高电压和大电流的驱 动信号。
而且，所述内部的驱动电路包括：直流电源、电源滤波模块、三相逆变 桥、梯形波反电动势无刷直流电机、三相电感、电流检测模块和数字控制器； 所述直流电源用于为系统提供稳定的电压；所述电源滤波模块用于滤除电源 带来的杂波，其包括滤波电感和滤波电容；所述直流电源的正极与滤波电感 的一端相连接，该滤波电感的另一端分别与滤波电容和三相逆变桥相连接， 所述滤波电容的另一端与直流电源的负极相连接；所述三相逆变桥包括六个 桥臂，每个桥臂由一个开关管和一个二极管组成；每个二极管分别反相并联在对应开关管的集电极和发射极两端，该三相逆变桥用于根据六个开关管的 状态将直流电转换为三相交流电；在所述三相逆变桥与梯形波反电动势无刷 直流电机的三相绕组之间串接三相电感，用于增大系统等效电感，对换相瞬 间的电流起缓冲作用；
在所述三相电感的每一路上并联一路开关或继电器，用于将串联的三相 电感切出；
所述电流检测模块包括两个霍尔电流传感器，该霍尔电流传感器与电机 绕组串联，用于检测电流大小；
所述数字控制器分别与梯形波反电动势无刷直流电机和电流检测模块相 连接，用于采集梯形波反电动势无刷直流电机的三相霍尔信号HA,HB,HC和电 流检测模块的两相电流信号ia，ib以及启动信号和转速参考信号，输出六个 PWM波信号至梯形波反电动势无刷直流电机4，用于控制开关管的开通与关 断。
一种高速大惯量负载用无铁芯无刷直流电机控制方法，包括以下步骤：
步骤1、启动阶段：采用开环控制的方式，通过定时递增占空比来拖动 电机达到高速；
步骤2、稳定运行阶段：当转速上升至设定转速，切换至闭环调速模式， 采用PI控制的方式进行闭环调速，控制频率根据调试结果确定；
而且，所述步骤1的具体步骤包括：
(1)霍尔传感器检测转子当前位置，数字控制器根据霍尔传感器传递的 上升沿、下降沿及当前位置进行换相操作；
(2)数字控制器根据霍尔传感器信号采集当前导通的两相的电流，如果 电流超出设定值，则关闭PWM输出；
(3)当电机转速达到10000转时，电机反电动势已达到同步反电动势的 一半时，通过数字控制器将三相电感切出电路。
而且，所述步骤2的具体步骤包括：
(1)采用PI控制方式，外环为转速环，内环为电流环，是一个比较控 制，主要起限流作用；
(2)转速环PI控制器根据当前转速与参考转速的误差，得到控制器输 出占空比；
(3)电流环检测电机相电流，将相电流大小与设定的最大电流值比较， 若相电流大于设定值，即减小输出占空比，直至相电流小于设定值为止；
(4)在稳速阶段，转速环与电流环的共同作用，使电机转速、电流稳定 于参考值。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明通过在逆变器与电机绕组之间串接三相电感，且三个电感上分 别并联一个开关，用于将电感从电路中切出，从而增大系统的等效电感，抑 制换相瞬间电流波动，解决因电机电感小带来的换相电流发生畸变的问题。
2、本发明采用48V直流电源提供给系统稳定的电压，电源滤波模块滤除 电源带来的杂波，防止杂波对硬件电路板的损坏，三相逆变桥根据控制输入 将直流电转换为三相交流电。在三相逆变器与电机之间串接三相电感，增大 系统等效电感，对换相瞬间的电流起缓冲作用，防止电流发生畸变。
3、本发明在升速过程中，通过霍尔传感器检测电机转速，调节系统占空 比。当转速接近给定转速，进行转速闭环控制，能够精确地调节转速。
4、本发明驱动方式采用同步整流方式，能够有效减小大电流运行的逆变 桥的开关损耗，因无铁芯电机电阻、电感非常小，运行时电流较大。如果采 用传统三相六状态的驱动方式，在电路不导通期间，利用开关管反并联的二 极管进行续流，系统利用与开关管反并联的二极管进行续流。二极管的管压 降为0.2～0.6V，在开关管关闭期间，电流流经二极管，造成系统损耗较大。 同步整流方式采用开关管MOSFET续流，MOSFET导通压降小，在大电流电路 运行中能够有效地减小电流运行的逆变桥的开关损耗，提高系统的运行效率。 整个运行过程，检测三相电流，电流采样频率等于PWM频率，可以避免无效 电流的采样而使控制策略无效。
5、本发明在升速阶段采用恒压频比的控制方式，防止在启动阶段占空比 变化而使电流发生突变，超过电机最大承受电流而损坏绕组。
6、本发明的电流检测采用非接触式的霍尔电流传感器，提升电流检测精 度和检测范围。
7、本发明三相电感的切出采用电子控制方式，由微控制器给出信号即可， 简单方便，安全性高。
8、本发明的运行分为两个阶段，启动阶段与稳定运行阶段。系统启动时 间长，以小时为单位，启动阶段采用定时递增占空比的方式将电机驱动至高 速，在启动中期通过数字控制器给出信号将三相电感切出，再继续升速。在 即将到达稳速时，进行闭环控制，控制方案采用PI控制，控制频率为1Hz。 当升速完成进入稳速阶段，采用PI调节的方式，控制系统转速稳定在设定转 速。
9、本发明的硬件电路设计充分考虑了低压大电流的硬件设计方案。
附图说明
图1是本发明控制系统框图；
图2是本发明的控制系统电路连接示意图；
图3是本发明的系统运算及控制流程示意图；
图4是本发明的控制方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：
一种高速大惯量负载用无铁芯无刷直流电机控制系统，如图1和图2所 示，包括无铁芯无刷直流电机、控制系统及其内部的驱动电路；
所述控制系统包括信号检测模块、数字控制模块和线性功率驱动模块；
所述信号检测模块包括电流检测模块、转速检测模块和A/D转换器，分 别用于检测无铁芯无刷直流电机的三相电流和转速，并将采集的三相电流和 转速数据通过A/D转换器输出至数字控制模块，为数字控制模块提供控制依 据；所述数字控制模块包括数字控制器，用于将信号检测模块提供的信息， 根据PI控制算法完成计算，输出控制量；所述线性功率驱动模块包括高速隔 离运放模块、大功率运算放大器模块和驱动模块；所述数字控制模块的输出 端依次通过高速隔离运放模块、大功率运算放大器模块、驱动模块与无铁芯 无刷直流电机相连接，用于将所述数字控制模块输出的模拟量的控制信号与 功率级信号相隔离并进行功率放大后，转换为电机绕组高电压和大电流的驱 动信号，实现对电机的控制；
在本实施例中，所述数字控制模采用ST公司的STM32F103系列微控制器， 该系列芯片可产生六路互补的的PWM波，主频可达72M,IO口丰富，具有3个 12位的AD模块，资源丰富，非常适合完成电机的控制。该芯片进行PI控制 算法运算，最后输出六个PWM波给高速隔离运放模块。高速隔离运放模块将 隔离后的pwm波给运算放大器，使pwm波信号具有驱动能力。
在本实施例中，所述功率驱动模块采用IRF2110芯片，该款驱动芯片过 流及过压保护，对无铁芯无刷直流电机运行时可能出现的电流过流起到很好 的保护作用，对过流的保护可做到硬件及软件双重保护。经运算放大器的pwm 波作为IRS2110驱动芯片的输入，该芯片输出六路驱动信号，控制开关管的 通断。
在本实施例中，所述信号检测模块主要是转速的检测及电流的检测。电 流检测模块采用非接触式的霍尔电流传感器，该种方法检测两相的电流，第 三相电流可由计算得到，采用非接触式的电流检测方式可检测更宽范围的电 流，检测精度更高，受温度的影响小，非常适合该类大电流场合的检测应用。 信号检测模块的输入为A相、B相的电流及霍尔位置信号，输出为A相、B相 电流大小及转速值。
如图3所示，所述内部的驱动电路包括：48V直流电源1、电源滤波模块 2、三相逆变桥3、梯形波反电动势无刷直流电机4、三相电感5、电流检测 模块6和数字控制器7；
所述48V直流电源1用于为系统提供稳定的电压；
所述电源滤波模块2用于滤除电源带来的杂波，防止杂波对硬件电路板 的损坏，其包括滤波电感和滤波电容；所述48V直流电源的正极与滤波电感 的一端相连接，该滤波电感的另一端分别与滤波电容和三相逆变桥相连接， 所述滤波电容的另一端与48V直流电源1的负极相连接；
所述三相逆变桥3包括六个桥臂，每个桥臂由一个开关管和一个二极管 组成；每个二极管分别反相并联在对应开关管的集电极和发射极两端，该三 相逆变桥3用于根据六个开关管的状态将直流电转换为三相交流电。
在所述三相逆变桥3与梯形波反电动势无刷直流电机4的三相绕组之间 串接三相电感5，用于增大系统等效电感，对换相瞬间的电流起缓冲作用， 防止电流发生畸变。
在所述三相电感的每一路上并联一路开关或继电器，用于将串联的三相 电感切出；
在本实施例中，串接的三相电感只在梯形波反电动势无刷直流电机4升 速时连入系统，在达到高转速时，通过数字控制器7将电感切掉，防止在高 频下电感等效分压过多，造成电机不能达到同步转速，系统损耗较高。
所述电流检测模块6包括两个霍尔电流传感器，霍尔电流传感器与电机 绕组串联，梯形波反电动势无刷直流电机4的三相绕组穿过霍尔电流传感器， 根据霍尔效应，霍尔电流传感器会检测电流大小。
所述数字控制器7分别与梯形波反电动势无刷直流电机4和电流检测模 块相连接，用于采集梯形波反电动势无刷直流电机4的三相霍尔信号 HA,HB,HC和电流检测模块的两相电流信号ia，ib以及启动信号和转速参考 信号，输出六个PWM波信号至梯形波反电动势无刷直流电机4，用于控制六 个功率开关管的开通与关断。
在本实施例中，所述开关管选用MOSFET器件，型号为IRF4110；
在本实施例中，本发明的微处理器为STM32F103系列，非接触式电流传 感器型号为ACS723，驱动芯片为IRF2110.
如图4所示，一种高速大惯量负载用无铁芯无刷直流电机控制方法，包 括以下步骤：
步骤1、启动阶段：采用开环控制的方式，通过定时递增占空比来拖动 电机达到高速；
所述步骤1的具体步骤包括：
(1)霍尔传感器检测转子当前位置，数字控制器根据霍尔传感器传递的 上升沿、下降沿及当前位置进行换相操作；
(2)数字控制器根据霍尔传感器信号采集当前导通的两相的电流，如果 电流超出设定值，则关闭PWM输出；
(3)当电机转速达到10000转时，电机反电动势已达到同步反电动势的 一半时，通过数字控制器将三相电感切出电路。
步骤2、稳定运行阶段：当转速上升至设定转速，切换至闭环调速模式， 采用PI控制的方式进行闭环调速，控制频率根据调试结果确定；
所述步骤2的具体步骤包括：
(1)采用PI控制方式，外环为转速环，内环为电流环，是一个比较控 制，主要起限流作用；
(2)转速环PI控制器根据当前转速与参考转速的误差，得到控制器输 出占空比；
(3)电流环检测电机相电流，将相电流大小与设定的最大电流值比较， 若相电流大于设定值，即减小输出占空比，直至相电流小于设定值为止；
(4)在稳速阶段，转速环与电流环的共同作用，使电机转速、电流稳定 于参考值。
本发明的工作过程为：
启动阶段：霍尔传感器检测转子当前位置，数字控制器根据霍尔传感器 传递的上升沿、下降沿及当前位置进行换相操作。对于大惯量系统，启动时 间很长，机械时间常数大，如果在启动阶段采用闭环控制，控制参数调节困 难，往往会带来较差的效果。因此，在本发明中启动阶段采用一种开环的方 式，通过定时递增占空比来拖动电机达到高速。该种方法每增加一次占空比 会预留足够的时间等待转速升高及电机反电动势建立，减小启动阶段的启动 电流。电流检测频率等于PWM频率，PWM采用中央对齐的方式，数字控制器 在PWM定时器产生计数溢出时进行电流采样，采集相的选择根据霍尔传感器 当前位置来决定，采集当前导通相的两相电流，避免无效电流的采集，影响 控制实施。如果电流超出设定值，则关闭PWM输出。当电机转速达到10000 转时，电机反电动势已达到同步反电动势的一半，如果此时将三相电感切除， 电流换相脉动不会很大，电流峰值可抑制。所以在本发明中，在三相电感上 并联有三个开关，开关的闭合与断开通过数字控制器控制，在转速达到10000 转时，电机反电动势已达到同步反电动势的一半，通过数字控制器的控制芯 片的IO口输出电平，闭合开关，将三相电感切出电路。所串三相电感切出电 路后，继续由原来的升速方式运行，当转速达到0.9*设定转速时，进入闭环 运行状态，开始闭环调速。转速调节用PI控制，当转速递增临近设定转速时， 进入转速闭环。因系统惯量大，控制频率不能太高，每一次闭环改变占空比 后，维持1秒，再次进入闭环，防止控制器累加饱和。
稳定运行阶段：稳定运行阶段采用PI控制，对大惯量系统，控制频率很 低，根据调试结果修改，本发明控制频率为1Hz。本发明中电机目标转速为20000转每分，在19000转时将运行方式切换为闭环调速，使电机稳定运行 于设定转速。
霍尔状态与导通的桥臂之间存在逻辑关系表，根据检测的霍尔状态选通 相应的桥臂。通过软件配置高级定时器TIMER1及对应的IO口，根据控制输 出调整输出脉冲的占空比，最终，微控制器输出带死区保护的互补PWM波。 微控制器输出的六路PWM波通过放大隔离，输出给六个MOSFET开关管，驱动 电机运行。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因 此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人 员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。