基于改进型滑模观测器的BLDCM控制系统及控制方法与流程

本发明涉及一种基于改进型滑模观测器的BLDCM控制系统及控制方法，尤其是一种基于DSP+FPGA的改进型滑模观测器的无位置BLDCM控制系统及控制方法。

背景技术：

由于电子器件、多功能控制器和控制思想的发展，BLDCM控制系统的性能得到很大的提高。BLDCM通过检测转子的位置信号来控制功率管的开通和关断，因而其具有较好调速特性，故而转子位置的检测是十分重要的事情。为获得转子位置，传统的方法是通过位置传感器进行检测，如霍尔传感器；但位置传感器也产生了很多问题，如：(1)电路设计更为复杂；(2)系统的成本费用增加；(3)传感器在恶劣环境下受到干扰易造成检测精度不高。

所以，位置传感器产生的影响势必会限制BLDCM的发展和广泛的应用，若能采用其他的检测方法省去位置传感器，同时又能准确得到转子位置的信号，使得电机得到很好地控制，则定将推动BLDCM的发展，因此无位置的BLDCM的控制系统开始备受关注。

因此，结合《国家“十三五”发展规划》和《中国制造2025》时代的特点，我国国情和无刷直流电机发展趋势，无位置传感器技术已经成为电机控制领域研究的热点。而BLDCM的应用广泛，如电动车、空调、升降机等领域。

20世纪90年代开始，无刷直流电机在电动车和无人机等领域逐渐被广泛应用，而无位置控制技术更为受欢迎。

于是近年来，国内许多专家和学者提出很多控制方法，根据现有的学术研究状况，对无传感器的BLDCM的研究主要可归纳为以下几个方面：

(1)、采用反电动势法时，虽然能取得BLDCM的正常运行，但也存在起动困难和需进行误差补偿的弱点，因而该控制策略的广泛应用也在一定程度上受到限制。

(2)、采用续流二极管法时，需使用6个隔离电源用于比较电路，所以该检测方法也一直未得到广泛的推广。

(3)、端电压过零检测法需不断进行转子位置误差补偿，同时增加了硬件电路设计的复杂性。

(4)、滑模观测器控制法是与控制对象的参数变化与扰动无关，控制系统具有较好的鲁棒性等优点，在无需知道电机参数的情况下，只需知道BLDCM的母线电压和电流的数据，就能通过SMO(Sliding mode observer)估算出转子的位置信息和转速的大小，进而实现电机的稳定运行。该位置检测方法可以很好地减少系统设计成本，并增强了系统的可靠性，减少了控制系统的维护工作。但是由于滑模观测器控制策略存在转子“抖振”的问题，并且转子位置误差未得到补偿，此外控制系统如果选择单一的DSP芯片很难满足既高速又精准的采样信号，因此该控制系统选择基于DSP+FPGA的改进型的滑模控制器的BLDCM控制系统。

基于SMO的控制系统结构框图如图2所示，由检测得到的母线电流和电压得信息，然后通过Clark转换得到在静止坐标系下的电流和电压，然后通过滑模观测器估算出转速和转子位置，由SVPWM信号实现控制功率管的开通和关断，从而实现电机的正常运行；但是由于传统滑模观测器控制策略存在转子“抖振”的问题，并且转子位置误差未得到补偿。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于改进型滑模观测器的BLDCM控制系统及控制方法，能够克服现有技术中无刷直流电机必须安装霍尔传感器实现位置信号的控制和传统滑模观测器存在“抖振”的问题以及转子位置角未得到补偿的不足。

按照本发明提供的技术方案，所述基于改进型滑模观测器的BLDCM控制系统，其特征是：包括由DSP控制器和FPGA控制器组成的控制系统，所述DSP控制器连接上位机、JTAG接口、存储单元、功率驱动模块IPM、电源模块、XINTF模块和晶振复位电路，所述FPGA控制器连接电源模块、XINFT模块、晶振复位电路和调理电路，调理电路连接保护电路，保护电路和功率驱动模块IPM连接。

进一步的，所述DSP控制器和上位机通过RS232通信串口连接。

所述基于改进型滑模观测器的BLDCM控制方法，其特征是：通过上位机labview设定电机的额定转速、额定功率、通信设置、电机的正反转参数，进而实现与下位机DSP控制器的通信后，当电压电流传感器检测出相电压和相电流，经调理电路后将电压电流信号传递给FPGA控制器，经XINTF模块传输给DSP控制器的AD采样模块，并在控制系统中经滑模控制算法估算出转子的位置角和转速，并进而实现外环转速内环电流环的双闭环无刷直流电机矢量控制系统。

进一步的，所述DSP控制器和FPGA控制器与上位机建立通信，接受各种反馈信号、完成转速和位置的估算，矢量算法的计算，占空比的计算并产生PWM。

进一步的，实时检测电机的两相的电压和电流，推导出另一相的电压和电流，电压和电流的采样数据发送给FPGA控制器，经FPGA计算后得到i_α、i_β、u_α、u_β，并经XINTF模块传输给DSP控制顺，并经估算得到电机转子转速和位置的信息。

本发明引入Sigmoid函数作为滑模观测器的控制函数，以削弱抖振；同时构建反电动势观测器直接提取反电动势信号，并采用锁相环算法以获取电机转子位置和转速，同时在控制系统中实现转子位置的补偿，从而实现该控制系统具有较好的动静稳定性。

附图说明

图1为基于DSP+FPGA的BLDCM控制系统框图。

图2为基于SMO的控制系统结构框图。

图3为Sigmoid函数。

图4为转子位置和转速估算示意图。

图5为BLDCM控制系统软件框图。

图6为故障保护框图。

图7为传统滑模观测器下转速波形图。

图8为改进型滑模观测器下的转速波形图。

图9为传统滑模观测器下的转子位置仿真波形图。

图10为传统滑模观测器下转子位置局部放大仿真波形图。

图11为改进型滑模观测器下的转子位置仿真波形图。

图12为改进型滑模观测器下的转子位置局部放大仿真波形图。

具体实施方式

下面结合具体附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明所述基于改进型滑模观测器的BLDCM控制系统包括由DSP控制器1和FPGA控制器2组成的高性能控制系统，所述DSP控制器1连接上位机3、JTAG接口4、存储单元5、功率驱动模块IPM6、电源模块7、XINTF模块8和晶振复位电路12，DSP控制器1和上位机3通过RS232通信串口连接；所述FPGA控制器2连接电源模块7、XINFT模块8、晶振复位电路12和调理电路11，调理电路11连接保护电路10，保护电路10和功率驱动模块IPM6连接。

所述DSP控制器和FPGA控制器主要功能是执行各种操作和指令，与上位机建立通信，接受各种反馈信号、完成转速和位置的估算，矢量算法的计算，占空比的计算并产生PWM等，因此利用DSP强大的高速运算能力，既实现无刷直流电机矢量控制算法的快速计算，又缩短控制周期，作为辅助单元，FPGA管理接口配置和数据采样，既实现了对系统的保护又可以协助DSP完成某些运算，减轻DSP负担，提高系统的整体控制性能，从而实现伺服控制系统所需要的具有良好的响应速度与控制精度高的特点。

所述功率驱动模块IPM作为电路中的逆变环节，IPM由高速低功耗的IGBT管芯和优化的栅极驱动电路及快速保护电路组成。即模块内部不仅把IGBT功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且还具有过流、过热保护，即使发生负载短路或过热事故，也可以保护IPM不损坏。

所述DSP控制器与FPGA控制器通过XINTF模块进行通讯，实现两个控制器之间数据的高速传输。所述DSP控制器和FPGA控制器交流伺服系统的核心，它们之间信息的交互是通过总线实现的。其中信息包括：DSP把FPGA映射成扩展的IO空间。通过IS来扩展IO空间的，DSP的RD、WE、IS、INT和FPGA直接相连，为了提高总线访问速度，RD、WE和IS要接到FPGA的专用输入引脚而不是通用口上，这是由其内部结构决定的。

所述上位机的labview界面主要涉及电机的额定转速、额定功率、RS232的通信设置、电机的正反转等参数的设置，以及实现下位机反馈的转速信号、电压和电流信号的波形显示等功能。

所述电源模块为整个控制系统提供动力资源，经三相桥式整流电路得到直流电，一方面输送到功率驱动模块IPM，另一方面输送到开关电源，并经变压器降压得到所需的各种控制电源，之后通过电源芯片得到所需的各种控制电源。

为了实现I_d＝0和SVPWM算法，以及转速和转子位置估算，必须实时检测电机的三相电流和电压，由于无刷直流电机是Y型对称的绕组，一次只需检测两相的电压和电流即可，可推导出另一相的电压和电流，对于电压和电流采样分别选择电压和电流传感器经调理电路后，经采集的数据发送给FPGA控制器，经FPGA控制器计算后得到i_α、i_β、u_α、u_β，并经XINTF模块传输给DSP控制器，而由无刷直流电机的数学模型和滑模观测器可知：在滑模控制器中使用sigmoid函数取代开关函数(如图3所示)，并经电流观测器和电压观测器得到：估算的反电动势然后通过锁相环(PLL，如图4所示)得到转速和转子位置，其中是经转子位置锁相环结构后，得到的位置估计值，经控制器不断调节，当时，可以实现对θ的完全跟踪。而e_α、e_β是反电动势，而是估算的反电动势，由于系统中在进行电压电流采样过程中经过了低通滤波器进行滤波，因此在此进行转子位置补偿因此实际的转子位置为

所述保护电路由于IPM模块自身具有过流、过热、短路等保护功能之外，该控制系统还单独设计了短路、过载、过压、欠压和断相的保护电路，进而实现该控制系统稳定运行。

本发明所述基于改进型滑模观测器的BLDCM控制方法，包括以下过程：

(1)通过上位机Labview界面对串口通信、电机额定转速、占空比、额定转速、额定功率、电机的正反转等相关参数进行设置，设置完毕后，再次检查系统设置和接线是否正确，确保设置和系统接线无误后合闸上电；

(2)通过将电压电流传感器的的信号经调理电路处理后经FPGA控制器传递给DSP控制器的AD采样端口，在DSP控制器中进行转子位置和转速的估算，之后输出相应的信号给DA转换模块，从而为双闭环控制系统提供反馈转速和转子位置的信号，而控制系统的滑模切换函数选择sigmoid函数取代传统的开关函数，对于转速和转子位置的估算该控制系统选择使用PLL锁相环进行提取；

(3)图2中控制系统采用Id＝0的控制方法，当设定的参看转速和估算的转子进行做差比较后经PID调节进而得到转速环的PID调节，之后将该输出信号与Iq信号进行做差比较后经PID调节得到Ud，同时将Id＝0的信号与反馈的Id信号进行比较后经PID调节得到Uq的信号，此后将Ud与Uq信号经Park逆变换得到u_α、u_β，之后经SVPWM信号控制逆变器的工作，从而实现电机的准确换向；

(4)将估算的转速信号和检测的电压电流信号反馈给上位机labview进行界面显示，从而能时刻观察控制系统的工作状况。

由于无刷直流电机无位置控制启动比较困难的通病问题所在，因此在该控制系统中选择使用三段式的启动方式，三段式启动的方法主要体现在：第一段是先由程序控制给任意两相定子绕组通电而另一相关断，则电机定子合成磁势轴线在空间有一确定方向，把转子磁极拖到与其重合的位置，程序控制这一过程持续足够的时间保证能够确定转子的初始位置，这个过程用于实现转子预定位；第二段是按照电机旋转方向的换相顺序由程序控制给相应绕组上电，形成旋转磁场，拖动转子旋转。假如开始让AC两相导通，则接下来依次是B、C；B、A；C、A；C、B；A、B依次导通，就形成了旋转磁场，从而实现转子的旋转。且在开环起动过程中通过程序控制PWM波占空比逐渐增大以改变输出电压，进而来提高转速。第三段是开环换相过程持续一个或几个换相周期后，电机已经达到一定的转速，反电动势达到一定大小，可以测t得到，此时程序跳出开环换相过程，进入到无传感器闭环控制方式。开环换相方式持续的周期数是要通过实验来确定的。

控制系统的故障保护部分，由于IPM模块内部不仅把IGBT功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且还具有过流、过热保护，即使发生负载短路或过热事故，也可以保护IPM不损坏。因此系统在进行故障保护的实施过程中增添了短路、过载、过压、欠压和断相，短路主要是指相间短路以及控制系统中各种控制线的短路；过载主要是指电机的负载过重；过压和欠压主要是直流母线两端的电压分别经反向电压比较器和正向电压比较器进行比较，从而实现过压和欠压的保护，断相主要是检测到电机的某一相断缺的现象。

通过上位机labview进行对电机的正反转，加减速，重载和轻载分别进行调节和测试完毕后，待电机停止运转后，切断主电源等进行相关操作，此外整理和分析labview上位机保存的数据，以便进一步验证该控制系统的合理性。

图7为传统滑模观测器下转速波形图；图8为改进型滑模观测器下的转速波形图；图9为传统滑模观测器下的转子位置仿真波形图；图10为传统滑模观测器下转子位置局部放大仿真波形图；图11为改进型滑模观测器下的转子位置仿真波形图；图12为改进型滑模观测器下的转子位置局部放大仿真波形图；由图7可知传统滑模观测器中电机转速的超调量60％，在1s时达到系统稳定，由图8可知改进型滑模观测器中电机的超调量10％，在0.05s达到控制系统的稳定；此外由图10和图12可知，改进型滑模观测器明显削弱了控制系统的“抖振”，使得控制系统更加稳定运行，可见该控制系统具有较好的动静稳定性。