一种无刷直流电机五段式矢量控制系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及电机控制领域，具体设及一种无刷直流电机矢量控制系统。
【背景技术】
[000引无刷直流电机（BLDCM)由于结构简单、维护方便W及调速性能良好等一系列优点 已经得到广泛的应用，特别是在家用电器、电动车等领域。该些应用领域对电机运行的平滑 性和低噪音等方面提出了更高的要求。
[000引中国专利公开号为CN101159424、名称为"电机控制中SVPWM控制方法及采用该控 审巧法的控制装置"提出一种应用于交流电机的传统SVPWM控制方法，即为走段式矢量控制 技术。该走段式矢量控制技术的基本原理是；通过对SVPWM调制信号加入零序分量进行补 偿得到SVPWM调制波信号，由SVPWM调制波信号直接计算确定S相比较器切换点，目的是利 用逆变器各桥臂开关控制信号的不同组合，使逆变器的输出空间矢量的运行轨迹尽可能接 近圆形。其控制装置功能模块包括：扭矩指令确定模块、电流指令确定模块、电流调节器、同 步/固定坐标系变换模块、SVPWM模块、固定/同步坐标变换器、转子位置检测器、速度计算 器等。
[0004]将走段式矢量控制技术引入到逆变器及其控制中虽能实现对电机的精确控制并 解决电机运行时噪音过大的问题，但是采用的是对电机定子绕组=相同时调制的方式，该 种方式产生的直接后果就是：提高了逆变器的开关频率，增加了开关损耗，导致功率开关管 发热严重。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的不足，本发明提出一种无刷直流电机用五段式矢量控制系统。该 五段式矢量控制系统能解决无刷直流电机因多变量、非线性、强禪合等特性造成的难于控 制的问题，实现了无刷直流电机在不同负载下低转矩纹波、运动平滑、噪音小的运行效果， 并且开关损耗低、功率管发热量小。
[0006]本发明一种无刷直流电机用五段式矢量控制系统采用的技术方案是；包括速度 控制器、转矩控制器、化rk逆变换器、S相桥式逆变器、Clark变换器、转子位置检测模块、 Park变换器、速度计算模块W及电流PI控制器，速度控制器将速度给定值n*与无刷直流 电机的转速反馈值n进行比较，输出满足电机负载需要的转矩电流i。*，转矩控制器将Park 变换器变换得到的同步旋转坐标系下巧由的实际电流i,与速度控制器输出的转矩电流i。* 进行比较计算得到相应的定子交轴电压定子交轴电压U。输出至Park逆变换器；Park 逆变换器取定子直轴电压分量U异日定子交轴电压分量U。，利用转子位置检测模块输出的转 子位置信号9,经变换后得到静止坐标系下电压分量U。和电压分量U。和输出至 五段式SVPWM模块；五段式SVPWM模块对Park逆变换器计算得出的静止坐标系下电压分 量U。和进行处理，计算调制，判别扇区，产生五段式PWM信号控制=相桥式逆变器；= 相桥式逆变器根据输入的控制信号实现=相电路上下桥臂功率管的开通关断W控制无刷 直流电机各绕组的导通状态；Clark变换器取=相桥式逆变器上两相电流采样信号作为输 入，通过计算得到第=相电流，经转换后输出两相静止坐标系下的实际电流值i。和将 实际电流值i。和输出至Park变换器； Park变换器接收两相静止坐标系下的实际电流值i。和i^，经转换后输出两相旋转坐 标系下的实际电流值么和i。;电流PI控制器将Park变换器变换得到的同步旋转坐标系下 巧由的实际电流jV与给定i/=〇比较计算，输出相应的定子直轴电压町;定子直轴电压U渝 出至Park逆变换器。
[0007] S相桥式逆变器的上桥臂导通时定义为状态"1"、关断时定义为状态"0"，形成8 个空间电压矢量，其中有6个非零空间电压矢量和2个零矢量将空间电压矢量平面分为6 个扇区；五段式SVPWM模块根据U。和通过公式计算出=相桥式逆变器的输出相电压K 、与、i/cW及计算出合成参考电压矢量，每个开关周期内的电压矢量均由该扇形区域 两边的基本矢量和零矢量合成，通过控制开关状态的组合，使合成参考电压矢量按设 定的幅值做圆周旋转，合成参考电压矢量旋转到一扇区区域中时，该个区域的两个基 本零矢量分别按对应的作用时间组合得到所要求的合成参考电压矢量滿I出。
[0008] 本发明采用上述技术方案后具有的优点和有益效果是： 1、本发明采用基于Codex-M3内核的STM32系列单片机，控制性能高、功耗低、通用性 好、价格低廉，接口资源丰富，通用性好，适合产品的批量生产，能有效解决方波电流驱动无 刷直流电机时出现的控制效率、电机噪音等方面的问题，实现了在不同负载下转矩脉动小、 运动平滑、噪音低的运行效果。
[0009] 2、本发明克服了传统的走段式SVPWM调制方法对逆变器功率管调制频率过高的 不足，五段式SVPWM调制波作用于逆变器时能有效改善电机的控制性能，同时降低功率管 的开关损耗并减少发热，开关频率降低1/3,功率管开关损耗低，发热量明显减小。
【附图说明】
[0010] 图1是本发明中么=0时无刷直流电机的矢量控制系统结构框图； 图2是本发明中I扇区两相邻基本电压矢量组合作用合成图； 图3是本发明中I扇区五段式SVPWM波； 图4是本发明中法矢量构成的对称=相坐标系和空间电压矢量扇区图； 图5是图1中S相桥式逆变器的电路拓扑结构图。
[0011] 图中；1.速度控制器；2.转矩控制器；3.Park逆变换器；4.五段式SVPWM模块； 5.=相桥式逆变器；6.无刷直流电机；7.Clark变换器；8.转子位置检测模块；9.Park变 换器；10.速度计算模块；11.电流PI控制器。
【具体实施方式】
[0012] 参见图1，无刷直流电机6是本发明装置的控制对象，提供转速、转子位置等反馈 信号。无刷直流电机用五段式矢量控制装置包括W下几个模块；速度控制器1、转矩控制器 2、Park逆变换器3、五段式SVPWM模块4、=相桥式逆变器5、Clark变换器7、转子位置检测 模块8、Park变换器9、速度计算模块10、电流PI控制器11等。速度控制器1将速度给定 值n*与无刷直流电机6的转速反馈值n进行比较，输出满足电机负载需要的转矩电流i。*。 转矩控制器2将Park变换器9变换得到的同步旋转坐标系下巧自的实际电流i。与速度控 制器1输出的转矩电流i。*进行比较计算，得到相应的定子交轴电压定子交轴电压输 出至Park逆变换器3。
[0013]Park逆变换器3取定子直轴电压分量电和定子交轴电压分量U。，利用转子位置检 测模块8输出的转子位置信号0，经变换后得到静止坐标系下电压分量U。和电压分 量U。和输出至五段式SVPWM模块4。
[0014]SVPWM模块4对Park逆变换器3计算得出的静止坐标系下电压分量U。和UP进 行处理，通过运算后输出六路PWM信号控制=相桥式逆变器5。
[0015]=相桥式逆变器5根据输入的五段式SVPWM控制信号实现=相电路上下桥臂功率 管的开通关断，从而控制无刷直流电机6各绕组的导通状态。
[0016]Clark变换器7取=相桥式逆变器5上两相电流采样信号作为输入，通过计算得到 第S相电流，经转换后输出两相静止坐标系下的实际电流值i。和将实际电流值i。和 输出至Park变换器9。
[0017] 转子位置检测模块8选择霍尔传感器获取电机转子的位置信息，按照电角度 120°安装于无刷直流电机6定子绕组部位，检测并判断出当前转子的位置信号。