基于dsp的三闭环控制直流变频压缩机的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及直流变频压缩机，尤其涉及一种新型转子位置测算法的三闭环控制的变频压缩机。
【背景技术】
[0002]DSP芯片的快速运算能力能够使控制系统实时地进行运算，其内部结构使控制系统能实现更复杂的控制算法，可以将速度环、电流环和位置环以数字方式实现，可以通过高速网络接口进行系统升级和扩展，形成以全数字方式实现的无刷直流电机控制系统。目前，TI公司的TMS320F2812DSP芯片广泛的应用于运动控制、数控机床、电力系统、自动化仪器等领域。本文介绍了一种基于DSP控制无刷直流变频压缩机的系统设计。
[0003]无刷直流变频压缩机集成诸多优点正在逐步取代交流异步压缩机。由于压缩机的结构特殊性。使得其内部无法安装位置传感器。因此如何正确检测电机的转子位置是目前面临的一个难题。现有的BLDCM控制系统大多采用单环控制，很难同时满足系统的快速性、稳定性与准确性的要求。此处采用TMS320F2812型DSP为主控制芯片。采用EPM3128ATC100—10型CPLD实现BLDCM的逻辑换相与速度计算。实现了控制系统的电流环、速度环、位置环的三环控制。无传感器无刷直流电机一般采用检测电机绕组产生的反电势过零点来获得转子位置信息，但是由于反电势中混有PWM强脉冲干扰，如果采用滤波的方法获取反电动势，会造成相移和延时，而且在低速时会造成对反电势的过度衰减导致换相失败。本设计在PWM-on期间直接检测悬空相绕组的端电压。通过DSP软件运行将其和直流母线电压的一半比较进而获得反电势过零点。此种方法使得硬件结构简单，成本低。
【发明内容】
[0004]本实用新型旨在开发出一套成本低廉、高精度、高灵敏度、满足各种应用场合高性能直流变频压缩机，其电机控原理不仅适用于压缩机，还可用于其他对电机灵敏度，精确度要求高的地方，如电动抓手，陀螺仪，数字机床等。
[0005]本实用新型以DSP为主控芯片，电机控制系统与上位机通过通讯单元进行实时通信，DSP接收位置反馈信号、电流反馈信号、速度反馈信号后，根据反馈的电压信号与悬空相绕组的端电压比较计算得出位置反馈信号，位置指令和位置反馈信号形成的偏差信号进行控制律的计算，输出电机控制信号。基于DSP+CPLD的无刷直流电机三环控制设计片IR2130控制逆变电路MOSFET功率管的开通与关断，实现电机的PffM控制。电机电流经过电流采样电路与隔离放大电路后送入DSP，形成电流环。大规模可编程逻辑器件(CPLD)进行速度反馈和电机换相信号的处理。电机输出带动执行机构运转。
[0006]CPLD接受到电机绕组的反电动势，经过内部逻辑电路的处理，形成四路逆变器的导通控制信号，用来控制电机绕组的加电顺序；通过CPLD内置的数字锁相环74LS297进行锁相处理，完成对电机转速的的恒定控制。利用CPLD将锁相环和换相处理电路封装在一起，形成一个完整的速度反馈控制模块。
[0007]实用新型是基于DSP+CPLD+新型转子位置测算法的三闭环控制变频压缩机，该系统的主要组成部分:控制模块、数据采集电路、功率驱动电路。
[0008]控制模块:此处采用TMS320F2812型DSP为主控制芯片，接受可编程逻辑器件CPLD转换的反馈数字信号，产生驱动控制信号PffM波，进而控制无刷直流电机的转速。
[0009]数据采集电路:包含电流采集反馈、速度信号采集以及转子位置测算电路构成三闭环控制回路。其中转子位置测算法是在PWM导通期间，悬空绕组的反电势叠加在1/2电源电压之上，其波形正确反映在绕组端口上，因而可以在每一次PWM导通期间采样该端口的电压，判断过零点。
[0010]功率驱动电路:采用三相全桥驱动，上桥臂功率MOSFET管进行PffM的方式控制。功率元件采用N沟道MOSFET管IRF250。驱动元件采用栅极驱动专用电路IR2130。其独有的HVIC技术使得它可以用来驱动工作在母线电压高达600V的电路中的MOSFET器件。
[0011](I)变频压缩机的功率驱动驱动电路
[0012]采用三相全桥驱动，上桥臂功率MOSFET管进行PffM的方式控ffjlj。设计中考虑到硬件电路焊接的简单，故采用了 P沟道场效应管与N沟道场效应管共同组成三相全桥。其中上桥臂采用P沟道的场效应管IRF9540，下桥臂采用场效应管IRF540组成。在驱动电路的设计上，桥臂的上下管的驱动是不能共地的，因此对上下桥臂驱动的光耦输出端要分配不同的独立电源。而三个下管的驱动则可以共地，因此对于驱动光耦的输出端，一共需要两组独立电源。
[0013](2)转子位置检测电路
[0014]对于过零点的检测。可以通过DSP的A/D 口直接将反电势信号由模拟量转换成数字量。然后通过软件的方法和1/2的直流母线电压比较，得到电机转子过零点。这样做的好处是系统简单，过零延时较小。但是对于系统硬件的抗干扰设计要求高，加大了软、硬件设计的难度。而且在一些干扰比较强的场合难以应用。考虑到上述原因。设计了无传感器电机转子位置的测量电路，如图1所示。此电路兼有反电势检测和调理功能。从Χ/Υ/Ζ电机接线端子上获取反电势信号，需要首先将高压信号衰减到合适的可以测量的范围。图中X相的端电压经过R18、R19、R20和R5、R10分压后产生X相反电势的分压信号X-DIV。同样，母线电压V DC也需要经过电阻R27、R28、R29、R8和R13分压后调整到合适的范围，产生U_DIV信号。X相分压信号X_DIV经过R14和C4组成的滤波电路滤波后接入到模拟电压比较器I C06(LM339)的同向输入端。而直流母线分压信号U_DIV经电容C7、C8滤波后，并经电阻R16接入到比较器的反相输入端。比较器输出经过R3上拉电阻后产生过零信号输出X_INT接入到MCU相应的外部引脚。对于电感量较小的电机，产生的反电势信号较小。造成检测到的反电势信号过零点滞后于实际反电势过零点。滞后太多将造成换相的不准确。由于本系统采用PWM_0N调制方式，可以在电路中引入电阻R30、R31和R32(注意连接的方式)解决这个问题。以X相为例，在检测上升沿过零点时，考察X相反电势信号比较器的反相端电压。如图2所示，此时电流由Z相端子流向Y相端子，并且在这个60°扇区内。Y相端子与直流母线负端常通，因此Y_DIV的电平为地。通过电阻R33与电阻R32的分压，使得X相比较器的反相端电压比参考电压U-DIV低，因此可以适当提前比较器输出的上升沿过零点时间。同样，在检测X相下降沿过零点时，由于在这个60°扇区内，电流由Y相端子流向Z相端子，并且Y相端子与直流母线的正端常通。Y-DIV为2倍U-DIV电压。通过电阻R32可提升比较器的反相端输入电压，从而也可适当提前比较器检测到过零点的时机。调整阻值大小可以在一定范围内调整过零点时间，必要时候可以配合软件对换相时间进行适当补m
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[0015](3)系统组成和工作原理
[0016]三相BLDCM的三环控制框图如图2所示。最内环为电流环，次内环为速度环，最外环为位置环。该三环控制以位置控制为最终目标，给定位置与位置反馈量形成偏差，经位置调节后产生速度参考量。它与速度反馈量的偏差经速度调节
[0017]后形成电流参考量。它与电流反馈量的偏差经电流调节后形成PWM占空比的控制量。根据反馈的电压信号与悬空相绕组的端电压比较计算得出位置反馈信号，输出电机控制信号实现电动机的速度控制，最终实现整个系统的位置控制。
[0018]系统组成框图如图3所示。BLDCM的三环控制系统的基本工作原理为:①电机控制系统与上位机通过通讯单元进行实时通信。②DSP接收位置反馈信号、电流反馈信号、速度反馈信号后，根据位置指令和位置反馈信号形成的偏差信号进行控制律的计算，输出电机控制信号，电机控制信号进行逻辑处理产生6路控制功率管开关的相序，通过隔离电路输入驱动电路。④驱动电路采用三相全桥方式，采用上桥臂调制方式，采用驱动芯片IR2130控制逆变电路MOSFET功率管的开通与关断，实现电机的PWM控制！⑤电机电流经过电流采样电路与隔离放大电路后送入DSP，形成电流环。CPLD接收反向电动势的次数，经计算得到电机速度信息，送入DSP，形成速度环。通过在PffM-ON期间直接检测悬空相绕组的端电压送给DSP软件运行，将其和直流母线电压的一半比较进而获得反电势过零点，通过位置采样、放大电路反馈给DSP，实现位置环。
【附图说明】
[0019]图1是转子位置检测电路
[0020]图2是三相BLDCM的三环控制框图
[0021]图3是系统组成框图
【具体实施方式】
[0022]本实用新型所依据的新型转子位置测算原理如图1所示，在PffM导通期间，悬空绕组的端电压等于反电势与1/2电源电压的叠加，故可以通过将该绕组的端电压与1/2电源电压进行比较获取反电势过零点。在PWM导通期间，悬空绕组的反电势叠加在1/2电源电压之上，其波形正确反映在绕组端口上，因而可以在每一次PWM导通期间采样该端口的电压，判断过零点。
[0023]图2中，该三环控制以位置控制为最终目标，给定位置与位置反馈量形成偏差，经位置调节后产生速度参考量。它与速度反馈量的偏差经速度调节，形成闭环控制。
[0024]图3为整个系统的组成原理图，从驱动电路采集得到电流信号，经隔离放大电路后送入DSP，经DSP处理得到速度控制信号，传给可编程逻辑控制器CPLD，比较运算后产生功率电路的驱动信号，经隔离电路后，控制驱动电路的输出功率，进而控制转速的稳定。从无刷电机采样得到的悬空绕组端电压信号送入CPLD，经A/D转换后得到数字信号，送入DSP处理得出转子位置，进而产生电机控制信号，送给CPLD后产生功率驱动信号，经隔离电路后控制功率输出，进而实现电机转子位置的控制。
【主权项】
1.基于DSP的三闭环控制直流变频压缩机，该系统的主要组成部分:控制模块、数据采集电路、功率驱动电路， 控制模块:此处采用TMS320F2812型DSP为主控制芯片，接受可编程逻辑器件CPLD转换的反馈数字信号，产生驱动控制信号PWM波，进而控制无刷直流电机的转速； 数据采集电路:可以同步实现电流反馈信号、速度反馈信号、位置反馈信号的采集；功率驱动电路:采用三相全桥驱动，上桥臂功率MOSFET管进行PffM的方式控制，功率元件采用N沟道MOSFET管IRF250，驱动元件采用栅极驱动专用电路IR2130。
【专利摘要】本实用新型公开了是基于DSP的三闭环控制直流变频压缩机。该系统以DSP为主控芯片，大规模可编程逻辑器件(CPLD)进行速度反馈和电机换相信号的处理，基于DSP的三闭环控制直流变频压缩机设计片IR2130控制逆变电路MOSFET功率管的开通与关断，实现电机的PWM控制，电机输出带动执行机构运转。电机控制系统与上位机通过通讯单元进行实时通信，DSP接收位置反馈信号、电流反馈信号、速度反馈信号。位置反馈信号是根据反馈的电压信号与悬空相绕组的端电压比较计算得出的，位置指令和位置反馈信号形成的偏差信号进行控制律的计算，输出电机控制信号。
【IPC分类】H02P6/00, H02P6/18
【公开号】CN204761340
【申请号】CN201520482098
【发明人】王川川, 王峰, 吴谦
【申请人】安徽理工大学
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2015年7月2日