专利名称：低成本高性能直流无刷电机控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于电机控制技术领域，涉及一种低成本高性能直流无刷电机控制装置。
背景技术：
现有的直流无刷电机控制系统有两类，即模拟控制系统和数字控制系统。模拟控制系统是以专用无刷直流电机控制芯片为核心构成的控制电路，其典型的控制芯片是美国Fairchild公司生产的ML4425型芯片。这种控制系统结构简单，但由于受自身的限制，这种系统存在如下缺点成本较高，可靠性差，调速性能不理想，调速范围小，电机的起动电流过大，不易控制，对负载的适应能力差，需要对不同的负载设计和整定系统硬件，维修不方便。数字控制系统大部分是以微控制器或数字信号处理器为核心。数字控制系统调速性能好，适应能力强，且它的转速调节器和电流调节器均由软件来实现，为采用不同的控制算法提供了物质基础。但是数字控制系统也存在着以下缺陷需要转速传感器，而转速传感器的成本高，需要特殊的机械安装，不利于系统的调试和维修，同时导致了系统的可靠性变差。某些不需要转速传感器的数字控制系统，其速度控制性能不理想，尤其是低速性能差，转速调节范围窄，抗电磁干扰能力较弱，硬件结构相对复杂，价格较高。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是要提供一种结构简单、调速范围宽、可靠性好、系统效率高、抗干扰能力强的低成本高性能直流无刷电机控制装置。
解决本实用新型技术问题所采用的技术方案是该低成本高性能直流无刷电机控制装置包括交流输入单元、整流单元、控制电源，整流单元的输出端通过电流采样电路与电流信号处理单元连接，整流单元的输出端同时与可进行直流/交流转换、形成可变频、变压的三相交流电压的逆变单元连接，逆变单元的变频调速输出端直接与电机定子的三相绕组连接，有电压信号处理单元通过三相电压采样电路与电机定子的三相绕组连接，电流信号处理单元和电压信号处理单元的信号都接入数字信号处理器单元，数字信号处理器单元执行全部的控制算法并对与逆变单元连接的触发单元进行控制连接。
与背景技术相比，本实用新型对直流无刷电机控制具有如下优点1、尺寸小，结构简单全部硬件电路集成于一块小的印刷电路板上，不需要任何外部支持器件。
2、调速范围宽通常情况下，调速范围可达1∶40。针对不同的电机，定子频率最高可达200Hz，最低可达0.5Hz。
3、使用方便无任何特殊安装及定位要求。
4、适应性好，可用于不同的容量、不同结构的无刷直流电机，具有统一控制器的特点。可应用于风机、水泵、压缩机等各种工业和民用场合。
5、可靠性好可自动处理故障，无维修要求。
6、抗干扰能力强，可适用于环境恶劣的场合。具有良好的抗换流噪声的能力，能保证在不同的负载条件下，有良好的动态控制能力。
7、效率高可达90％以上。
8、成本低系统硬件均采用普通的元器件，无任何特殊器件。
9、软件升级方便。
以下结合实施例附图对本实用新型作进一步的详细描述。
图1 为本实用新型的方框原理图图2 为数字信号处理器单元电路原理图图3 为数字信号处理器与外部仿真器(JTAG)相连的接口电路原理图图4 为数字信号处理器的外部接口电路原理图图5 为高速串行口(CAN)接口电路原理图图6 为触发单元电路原理图图7 为整流单元电路原理图图8 为逆变器单元电路原理图图9 为电压采样电路原理图图10 为电流信号处理单元电路原理图图11 为控制电源单元电路原理图图12 数字信号处理器控制程序流程图图中1-交流输入单元、2-整流单元、3-逆变单元、4-电机、5-触发单元、6-电压信号处理单元、7-电流信号处理单元、8-数字信号处理器单元、9-接口电路、R-电阻、C-电容、U1-复位芯片(采用TPS3809)、U2-数字信号处理器芯片(采用TMS320LF240A)、U3-运算放大器(采用LM6134)、U4-模拟开关(采用DG9422)、U5-稳压电源(采用LM1117，3.3v)、U6-电压稳压芯片(采用1117，5v)、U7-高压开关集成稳压电源芯片(采用TNY266G)、U8-光电耦合管(采用PC817A)、U9-高速串行通讯口(采用TLE6250GV33)、U10-三相驱动模块(采用TR21362)、U11，U12-运算放大器(采用LM248)、Y1-晶体震荡器(采用ECS-10FM/SM)、T1-高频降压变压器(采用PNY-05015)、Q1～Q6-场效应管、D1-二极管(采用1N5822)、D2-二极管(采用1N4001)、D3-稳压管(采用1N4742A)、D4～D6-二极管(采用MMSD4148)、D7-单相全桥整流器(采用KBU6J)、ISO1，ISO2-光电耦合管、Itrip-电流检测器
具体实施方式
本实施例中，该低成本高性能直流无刷电机控制装置，包括交流输入单元，整流单元，逆变单元，有数字信号处理器单元执行全部的控制算法并对触发单元进行控制，有电流信号处理单元对直流母线采样电流进行处理，处理后再送给数字信号处理器单元，有电压信号处理单元对三相采样电压进行处理，处理后再送给数字信号处理器单元。其中数字信号处理器单元是本装置的核心，它执行全部的控制算法，并通过触发单元控制逆变单元，实现对电机的变频调速。
如附图1所示，本专利的硬件由以下几个功能单元组成交流输入单元，整流单元，逆变单元、采样信号处理单元、触发单元、数字信号处理单元和接口电路等。
图2中，数字信号处理器单元是本实用新型的核心，它执行全部的控制算法，并通过触发单元控制逆变单元，实现对电机的变频调速。有与外部仿真器相连接口电路、外部接口电路、高速串行口CAN电路与数字信号处理器单元相连。
图3中，JTAG接口处理数字处理器U2与JTAG相关的信号，TMS、TDO、TDI、TCK、EMU0和EMU1通过插头J1与外部仿真器相连。
图4为外部接口电路原理图，接口电路与数字信号处理器单元相连。为防止干扰，外部接口电路中采用了光耦。
图5为串口CAN接口电路原理图。在这个接口中使用了一个专用CAN集成芯片，即CAN高速串行口。
图6为驱动电路原理图。驱动电路单元与数字信号处理器单元相连，其核心部分U10，它是一个继承驱动放大芯片，其绝缘能力达600v。
图7为整流单元电路原理图。整流单元的输出端通过直流母线与逆变单元连接。整流单元实现AC/DC转换，形成直流母线电压。图中的R62是过电流抑制热敏电阻，用于限制系统的冲击电流；J8用于网侧的单相交流输入，当网侧电压为220v时，直流母线电压为300v；整流单元电路中有倍压电路接口J7，当电网电压为110v时，由插座J7连接的倍压电路起作用，仍能将直流母线电压维持在300v，这样，就提高了系统对不同电网制式的适应能力。
图8为逆变单元电路原理图。逆变单元是电机控制的执行机构，它实现DC/AC转换，形成可变频、变压的交流电压，以调节和控制电机的转速，逆变单元包括六只场效应管(MOSFET)功率元件开关，三只场效应管(MOSFET)功率元件开关组成逆变单元的上桥管，另三只场效应管(MOSFET)功率元件开关组成逆变单元的下桥管，每只开关都并有RC过流吸收电路。逆变单元输出220V三相交流电，输出最高频率为200HZ，最低频率为0.5HZ。插口J9作为三相定子的电压采样电路(图9所示)的采样接入口。
图9为电压采样电路原理图。电机的三相定子电压A，B，C经过电阻分压和滤波，通过电压跟随器送至数字信号处理器U2的A/D输入通道。与此同时，直流母线电压也被采样；图10为电流信号处理单元电路原理图。整流单元的输出端通过电流采样电路与电流信号处理单元连接，其电流采样电路是将电流取样电阻(R10)接在直流母线上，电流流经电流取样电阻(R10)产生的压降变化信息连接入电流信号处理单元。在直流母线上，接有一个电流取样电阻R10，它产生的压降经处理、采样后，作为反映电流的信息。电压保持器通过Sample-I的控制，输出能准确反映电机相电流的情况。与此同时，U3C构成了一个电压比较器，用以形成过电流检测电路；图11为控制电源单元电路原理图。U7是该单元的核心PWM控制芯片。本单元采用了一个简单的AC/DC变换电路，其输入电压取自直流母线，有三组输出电压3，3V，5V和12V。光耦U8用于反馈控制。
本实用新型的工作过程220v或110v单相交流电插座J8进入，通过交流输入单元送入整流单元。整流单元把单相交流电变为直流电。
交流输入单元用于对单相交流输入进行抗噪声及限流处理，其输出直接供给整流单元，如图7所示。R62是压敏电阻，其作用是抑制系统工作时的冲击过电流，L2是共模共轭线圈，用于降低电磁干扰(EMI)水平。整流单元实现AC/DC的转换，形成直流母线(DC-BUS)电压；D7是一个单相全桥整流器，其输出经过串联连接的电容C36和C37组成的直流滤波器滤波，得到平滑的直流，送到直流母线上。当J8输入220v单相交流电时，直流母线电压为300v；如果网侧电压为110v，则由插座J7接入倍压电路，仍能将直流母线(DC-BUS)电压保持为300v。这样就提高了系统对不同电网制式的适应能力，这是本系统的特点之一。
直流母线上的300v的直流电送到逆变单元。逆变单元是电机控制的执行单元，它实现DC/AC的转换，形成可变频、变压的三相交流电压，以控制电机；同时，电流采样也由直流母线处进行。
逆变单元逆变单元主要由6只场效应管MOSFET功率开关元件组成，参见图8。图中Q1、Q2和Q3为逆变器的上桥管，Q4、Q5和Q6为逆变器的下桥管。逆变单元输出220v三相交流电(C相、B相和A相)，输出最高频率为200Hz，最低频率为0.5Hz。这在目前世界上同类产品中所没有的高性能。它的输出直接接在电机的定子的三相绕组上，以调节和控制电机的转速。插口J9作为三相定子的电压采样电路(图9所示)的采样接入口。
电流信号处理单元由图10可见，一个电流取样电阻R10接在逆变器输入端的直流母线上。电流流经R10产生的压降，经处理、采样，反映电流信息。R10上的电压信号首先经滤波，再进行放大处理，送至模拟开关U4的输入端。这个模拟开关的通断受数字信号处理器U2控制的，它和电容C11构成了一个电压保持器，其输出经过一个电压跟随器U3B，送到数字信号处理器U2的A/D通道。这个硬件支持的直流电流采样电路将脉冲式的直流电流变为连续的电压信号，为实现电机的控制算法奠定了基础，这是本实用新型专利的一大特点。同时，U3C构成了一个电压比较器，由它可以形成过电流检测电路。
电压采样电路由图9可见，电机的三相定子电压A相、B相和C相经过电阻分压和滤波，再通过电压跟随器送到数字信号处理器U2的A/D的输入通道。同时，直流母线(DC-BUS)电压也被采样。
数字信号处理器单元是本实用新型的核心，它执行全部的控制算法，并通过触发单元控制逆变单元，实现对电机的变频调速控制。图2示出了该单元电路原理图。图中，U2是数字信号处理器，型号为TMS320F2403A。U1是复位芯片，用于产生系统的复位信号给U2。U2有8路10位模拟输入通道。其中6路用于采样直流母线电流的电流反馈(Current-feedback)，三相定子电压(Phase-VA-Feedback，Phase-VB-eedback和Phase-VC-Feedback)，直流母线电压(Bus-Uoltage)和外部模拟输入命令(Commnd-Input)。U2有三路锁位(Capture)输入信号，分别用于外部信号的接口。U2有6路脉冲宽度调制(PWM)输出通道，用于控制逆变器的6只场效应管功率元件开关。这6路信号中，GAU、GBU和GCU用于控制上桥管；GAL、GBL和GCL用于控制下桥管。电机和主回路的过电流通过过电流(Over-Current-Flag)和故障(FAULT)输入脚由数字信号处理器监视。U2的编程是通过插头J1与外部仿真器(JTAG)相连来实现的。与JTAG相关的信号包括测试模式选择输入(TMS)、测试数据输出(TDO)、测试数据输入(TDI)、测试时钟输入(TCK)、仿真测试输入/输出口0(EMU0)和仿真测试输入/输出口1(EMU1)。另外，一个通用的高速串行口(CAN)用于U2和外部计算机之间的通讯，相关的信号是CAN-RX(高速串行口输入)和CAN-TX(高速串行口输出)。晶体震荡器Y1用于程调式和编程。
图1中的触发单元是为了给逆变器的各功率元件提供触发信号，同时，将其放大到可以驱动该电路的功率元件的水平，用以控制各功率元件的导通时间和导通次序，达到变频调速的目的。图6是触发单元的原理图。其核心部份是U10，它是一个集成驱动放大芯片。其绝缘能力达600v。它接受由U2来的控制信号GAU、GBU、GCU、GAL、GBL和GCL，然后，将其放大到可以驱动MOSFET的水平，其输出为HO1、HO2、HO3、LO1、LO2和LO3，它们分别连接到逆变器的6只MOSFET管的栅极上。该芯片有4个控制引脚，分别为Fault、En、Itrip和Rcin。其中Rcin用于心片的复位控制；Itrip用于检测主回路电流。当主回路电流超过预定值时，该芯片就会产生Fault(故障)信号给U2，用于故障中断处理。En为输出使能，它控制U2的工作。
接口电路有三个(1)、编程和调试JTAG接口，如图3所示，它与外部仿真器相连，用于编程和调试。其信号与U2相连，计有TMS、TDI、TDO、TCK、EMU0和EMU1，这些信号通过一个10引脚的插头J1与外部仿真器相连。
(2)、外部接口，如图4所示。在这个接口电路中，为了防止噪声干扰，在电路中采用了光耦。其中，ISO1有两路光耦，分别用于通断控制ON-OFF-Control和转矩信号输入(Torque-PWM-IN)。光耦ISO2用于输出转速信息(Output-Speed-PWM-dsp)。
(3)、高速串行接口CAN，如图5所示。CAN非常普通的高速串行口，它正在取代RS232成为串行通讯的标准.。J3是一个2引脚的插头，用于与外界设备进行连接。
控制电源单元如图11所示。控制电源是一个简单的DC/DC变换电路，其输入取自300v直流母线(DC-BUS)电压，其输出为3.3v、5v和12v，用光电耦合管(U8)作为反馈控制。U7是该单元的核心脉冲宽度调制(PWM)控制芯片。其输出的三组电压3.3v，5v和12v中3.3v用于数字信号处理器相关的一些控制芯片；5v用于JTAG；12v用于驱动电路。
本装置为无位置、无转速传感器，采用双环控制的无刷电机控制系统，其具有的速度外环、电流内环的双环控制是由数字处理器单元来完成。转速控制使用优化的软件控制算法，在无转速、无转子位置传感器的速度控制中，根据采样的定子三相电压信号，计算电机的反电势，以确定反电势的过零点，对转子位置进行实时在线估计。高速时采用闭环换流控制，低速时采用开环换流控制，以保证了换流的可靠性。由开环换流控制到闭环换流控制的切换点可以在很低的转速下进行。调速范围为1∶40；最高频率为200Hz，最低频率为0.5Hz。调速范围宽，低速性能好。电机的控制分为三个阶段转子初始定位、开环爬行和闭环控制。这里所说的开环和闭环是指逆变器的换流控制。逆变器的换流控制是根据电机的转子位置进行的。本实用新型提出了无转子位置检测器和无转速传感器的控制方案。其思路是根据采样的电机定子三相电压信号，对转子位置的实时在线估计。在电机转速高于某速度值时，提出的控制算法具有很高的精度，可以保证逆变器的准确换流；在低速时，由于采样的定子电压信号太弱，所估计的转子位置存在一定偏差，该偏差不易补偿。这是目前无转子位置检测器的电机控制存在的问题，使控制极不可靠。为了保证电机的可靠控制，在低速段换流采用开环控制。由数字信号处理器U2控制低速爬行速度和低速爬行的时间，解决了这一难题，控制效果好，而且还可以适应不同的应用场合。这是本实用新型的一大特点。
采样定子三相电压，用于在线估计转子位置，以实现正确的换流；采样直流母线电流，用于攒制电机的相电流和电机的电磁转矩；为了实现闭环控制，就需要有转速信息，由于本实用新型无转速传感器，故开发了转速估计算法，很好地解决了这一问题。
换流控制是数字信号处理器U2工作控制的核心。它决定每次换流的时刻。本实用新型无转子位置检测器，这里转子位置信息，是由数字信号处理器U2在线估算出来的无刷直流电机的反电势而计算出来的。
工作程序描述经典的双环控制被用于控制算法的开发。外环为速度环，内环为电流环。双环采用相同的采样周期，为25uS。PWM控制频率为200Hz。数字信号处理器内部有2个定时器T1和T2，在这里，T1用于PWM定时，T2用于控制定时。整个控制过程由一个主程序和几个不同的功能模块子程序组成。
主程序主要用于系统的初始化和中断等待自循环。基本程序框图如图12所示各子程序功能介绍1)中断控制程序。
电机的全部控制功能是通过T2定时中断完成的。T2的定时采样控制周期为25us。电机的控制分为三个阶段转子的初始定位；开环爬行；闭环控制。本实用新型提出了无转速或无转子位置传感器的速度控制方案。其思路是根据采样的电机三相定子电压信号对转子位置进行实时在线估计。在电机转速高于某速度时，为了保证换流的可靠控制，在低速阶段的换流使用开环换流的方法。最终的爬行阶段时的时间和速度都由数字信号处理器U2完成。
2)A/D采样子程序。
电机的定子三相电压被采样，用于在线估计转子位置，以实现正确的换流。与此同时，直流母线电流也被采样，用于控制电的相电流及电机的电磁转矩。数子信号处理器有8个A/D通道，分别分配给电流和三相电压。
3)换流控制子程序。
换流控制是数字信号处理器U2整个工作的核心，其任务是决定每次换流的时刻。永磁无刷直流电机控制的特点是在任何时刻，仅有两相定子绕组导电，另一相处于非导电状态。理论上，该非导电相的反电势可以在线检测或估计出来，它本身包含了转子位置信息，为实现无传感器换流控制提供了条件。在本控制算法中，所采样的定子三相电压用于计算非导电相的反电势。计算或估计出来的反电势用于确定其过零点。另外，还充分地考虑了换流噪声的影响，提高了整个系统的抗干扰能力。
4)分相控制子程序通常，电机绕组有六种导通状态，其编号为0，1，2，3，4，5，每一种导通状态对应一个编号。具体关系如下编号 上桥 下桥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将根据换流控制子程序传递来的信息，决定各相导通的变化。
5)转速估计子程序为了实现转速的闭环控制，必需有转速信息。由于本控制系统没有转速传感器，所以，在软件中必需开发转速估计算法。它由换流控制子程序所提供的定时信息计算电机转速。
6)转速和电流调节子程序。
转速和电流均采用PI调节器算法进行控制。在具体实现这一算法中，使用了抗饱和算法。
7)脉冲宽度调制(PWM)逆变控制子程序。
该子程序是整个控制算法的最终执行者，由它确定PWM的占空比。
权利要求1.一种低成本高性能直流无刷电机控制装置，包括交流输入单元、整流单元、控制电源，其特征在于整流单元的输出端通过电流采样电路与电流信号处理单元连接，整流单元的输出端同时与可进行直流/交流转换、形成可变频、变压的三相交流电压的逆变单元连接，逆变单元的变频调速输出端直接与电机定子的三相绕组连接，有电压信号处理单元通过三相电压采样电路与电机定子的三相绕组连接，电流信号处理单元和电压信号处理单元的信号都接入数字信号处理器单元，数字信号处理器单元执行全部的控制算法并对与逆变单元连接的触发单元进行控制连接。
2.根据权利要求1所述的低成本高性能直流无刷电机控制装置，其特征在于整流单元的输出端通过直流母线与逆变单元连接。
3.根据权利要求2所述的低成本高性能直流无刷电机控制装置，其特征在于整流单元的输出端通过电流采样电路与电流信号处理单元连接，其电流采样电路是将电流取样电阻(R10)接在直流母线上，电流流经电流取样电阻(R10)产生的压降变化信息连接入电流信号处理单元，它将脉冲式的电流信号变为连续的电压信号。
4.根据权利要求1所述的低成本高性能直流无刷电机控制装置，其特征在于有与外部仿真器相连接口电路、外部接口电路、高速串行口CAN电路与数字信号处理器单元相连。
5.根据权利要求4所述的低成本高性能直流无刷电机控制装置，其特征在于外部接口电路中采用了光耦。
6.根据权利要求1所述的低成本高性能直流无刷电机控制系统，其特征在于整流单元电路中有倍压电路接口J7。
7.根据权利要求1所述的低成本高性能直流无刷电机控制装置，其特征在于逆变单元包括六只场效应管(MOSFET)功率元件开关，三只场效应管(MOSFET)功率元件开关组成逆变单元的上桥管，另三只场效应管(MOSFET)功率元件开关组成逆变单元的下桥管，每只开关都并有RC过流吸收电路。
8.根据权利要求7所述的低成本高性能直流无刷电机控制装置，其特征在于逆变单元输出220V三相交流电，输出最高频率为200HZ，最低频率为0.5HZ。
9.根据权利要求2所述的低成本高性能直流无刷电机控制装置，其特征在于控制电源是一个简单的DC/DC变换电路，其输入取自300v直流母线电压，其输出为3.3v、5v和12v，用光电耦合管(U8)作为反馈控制。
专利摘要本实用新型涉及一种低成本高性能直流无刷电机控制装置。它包括交流输入单元、整流单元，整流单元的输出端通过电流采样电路与电流信号处理单元连接，整流单元的输出端同时与可进行直流/交流转换、形成可变频、变压的三相交流电压的逆变单元连接，逆变单元的变频调速输出端直接与电机定子的三相绕组连接，有电压信号处理单元通过三相电压采样电路与电机定子的三相绕组连接，电流信号处理单元和电压信号处理单元的信号都接入数字信号处理器单元，数字信号处理器单元执行全部的控制算法并对与逆变单元连接的触发单元进行控制连接。本实用新型结构简单、调速范围宽、可靠性好、系统效率高、抗干扰能力强、生产成本低。
文档编号H02P7/18GK2667799SQ200320114160
公开日2004年12月29日 申请日期2003年11月19日 优先权日2003年11月19日
发明者王长江, 张永惠 申请人:王长江, 张永惠