一种无刷电机的转角控制方法和控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种无刷电机的转角控制方法和控制系统。包括以下步骤：检测两相定子绕组电流，并对其进行信号变换，生成直角坐标系下的对应电流值；对外部输入的转角位置给定信号进行电压转换，生成数字信号控制器需要的低电压信号；采集低电压信号并得到转角位置给定值，计算出转角位置给定信号对应的电机电流参考值；将对应电流值与电机电流参考值比较，并生成PWM控制信号，对逆变桥的上下桥臂进行PWM控制，使无刷电机的转子达到转角位置给定信号对应的转角位置。本发明选用无刷电机，并采用先进的开环控制方法，不仅可以获得很高的位置控制精度，极大地提高电机及负载的频率响应值，而且省去了高精度位置传感器，简化了系统，提高了系统的可靠性。
【专利说明】
一种无刷电机的转角控制方法和控制系统
技术领域
[0001 ]本发明涉及电机控制领域，特别涉及一种无刷电机的转角控制方法和控制系统。
【背景技术】
[0002]在电机位置控制领域，通常采用两种转角控制方法，一种方法是采用步进电机开环控制，每接受一个步进脉冲，电机旋转一个步进角度；另一种方法是采用各种控制电机，例如同步电机、步进电机、无刷电机等，加装高精度位移传感器，从而对电机位置进行闭环控制。采用第一种方法时，由于步进电机的局限性，不能获得很高的频率响应，在一些应用领域不能采用；采用第二种方法时，由于需要加装位移传感器，增加系统复杂性，增加了尺寸。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题是提供一种无刷电机的转角控制方法和控制系统，解决了现有技术只能采用步进电机进行开环控制，或者采用无刷电机时需要加装位移传感器的技术问题。
[0004]本发明解决上述技术问题的技术方案如下:一种无刷电机的转角控制方法，包括以下步骤:
[0005]步骤I，检测无刷电机逆变器输出的两相定子绕组电流，并对所述两相定子绕组电流进行信号变换，生成直角坐标系下的对应电流值；
[0006]步骤2，对外部输入的转角位置给定信号进行电压转换，生成数字信号控制器需要的低电压信号，采集所述低电压信号得到转角位置给定值；
[0007]步骤3，根据所述转角位置给定值，计算出所述转角位置给定信号对应的电机电流参考值；
[0008]步骤4，将步骤I中所述对应电流值与步骤3中的所述电机电流参考值比较，根据比较结果生成用于控制无刷电机逆变桥的PWM控制信号；
[0009]步骤5，根据所述PffM控制信号向逆变桥上下桥臂发送驱动信号；
[0010]步骤6，根据所述驱动信号，逆变桥对电机定子绕组进行PffM控制，使无刷电机的转子达到所述转角位置给定信号对应的转角位置。
[0011]本发明的有益效果是:本发明选用无刷电机，并采用先进的开环控制方法，不仅可以获得很高的位置控制精度，极大地提高电机及负载的频率响应值，而且省去了高精度位置传感器，简化了系统，提高了系统的可靠性，在旋芯比例液压阀、旋芯伺服阀、控制阀门的控制以及其他涉及特定旋转角度范围的控制领域得到广泛应用。
[0012]在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
[0013]进一步，所述无刷电机逆变器为三相逆变器。
[0014]进一步，所述步骤I具体为:检测所述三相逆变器输出的定子绕组电流iJPib，并根据所述ijPib计算出i。，对所述ia、ib和i。作CLARKE转换，将所述ia、ib和i。等效为直角坐标系的ia和ip。
[0015]进一步，所述步骤3具体为:根据得到的转角位置给定值，计算出所述转角位置给定信号对应的电流参考值i_f和ifef ;所述步骤4具体为:将所述i_f与所述ia比较，将ifirrf与所述b比较，生成电流偏差值;对所述电流偏差值进行PI运算，得到指令电压Va和Ve，并对所述指令电压Va和Vfi做电压空间矢量脉宽调制运算，生成用于控制逆变桥的PffM控制信号。
[0016]进一步，还包括电机基准转角回复步骤，所述电机基准转角回复步骤具体为:
[0017]设定电机的基准转角；
[0018]根据所述电机基准转角计算出基准电流矢量；
[0019]利用极距内旋转，当无刷电机的供电电源上电时，根据所述基准电流矢量，控制无刷电机快速回复所述基准转角；当无刷电机的供电电源掉电时，根据所述基准电流矢量，利用直流电源储存的电能，控制无刷电机快速回复所述基准转角。
[0020]采用上述进一步方案的有益效果是:本进一步方案可以在无刷电机供电电源上电和掉电时，控制无刷电机快速回复基准转角，满足应用该系统时，无刷电机复归到指定角度的特殊要求。
[0021]进一步，所述转角位置给定信号对应的转角限定在无刷电机的相邻两个极距范围内。
[0022]—种无刷电机的转角控制系统，包括电流检测电路、转角位置给定电路、数字信号控制器、逆变桥驱动电路和逆变桥，
[0023]所述电流检测电路用于检测无刷电机逆变器输出的两相定子绕组电流，并对所述两相定子绕组电流进行信号变换和滤波，由数字信号控制器采集后，运行软件生成直角坐标系下的对应电流值；
[0024]所述转角位置给定电路用于对外部输入的转角位置给定信号进行电压转换，生成数字信号控制器需要的低电压信号，以供数字信号控制器采集计算得到转角位置给定值；
[0025]所述数字信号控制器用于采集所述两相定子绕组电流，并运行软件生成直角坐标系下的对应电流值;还用于采集所述低电压信号，得到转角位置给定值，并计算出所述转角位置给定信号对应的电机电流参考值;将所述电机电流参考值和所述直角坐标系下的对应电流值比较，根据比较结果生成用于控制无刷电机逆变桥的PWM控制信号；
[0026]所述逆变桥驱动电路用于为逆变桥提供驱动电源，并根据所述PWM控制信号向所述逆变桥的上下桥臂发送驱动信号；
[0027]所述逆变桥用于根据所述驱动信号对电机电压进行空间矢量PWM控制，使无刷电机的转子达到所述转角位置给定信号对应的转角位置。
[0028]进一步，所述电流检测电路用于采集逆变器输出的两相定子绕组电流i4Pib。
[0029]进一步，所述数字信号控制器包括第一计算单元、CLARKE转换单元、第二计算单元、比较单元、PI运算单元和SVPffM调制单元，
[0030]所述第一计算单元用于根据所述ijPib计算出i。；
[0031]所述CLARKE转换单元用于对所述ia、ib和ic作CLARKE转换，将ia、ib和ic等效为直角坐标系的ia和if!。
[0032]所述第二计算单元用于根据得到的转角位置给定值，计算出所述转角位置给定信号对应的电流参考值i_f和ierrf;
[0033]所述比较单元用于将所述iarrf与所述ia比较，将ifirrf与所述ip比较，并生成电流偏差值；
[0034]所述PI运算单元用于对所述电流偏差值进行PI运算，得到指令电压Va和Ve;
[0035]所述SVPffM调制单元用于对所述指令电压Va和Ve做电压空间矢量脉宽调制运算，生成用于控制逆变桥的PWM控制信号。
[0036]进一步，还包括直流电源变换电路、直流电源检测电路和/或电流保护电路，
[0037]所述直流电源变换电路用于将外部输入的直流电源电压转换成逆变器内电路需要的各种等级电压，并提供给数字信号控制器、电流检测电路和/或电流保护电路；
[0038]所述直流电源检测电路用于将外部电源电压转换成数字信号控制器可以检测的电压信号，当数字信号控制器检测到所述电压信号过压时，产生用于关闭所述逆变桥的控制信号；
[0039]所述电流保护电路用于检测所述无刷电机的逆变电流，当所述逆变电流过流时，向数字信号控制器发出用于关闭逆变桥的中断信号。
[0040]采用上述进一步方案的有益效果是:采用直流电源变换电路，可以快速平稳地为无刷电机逆变器的各种内部电路提供所需的不同等级电压的电源。采用直流电源检测电路，可以将外部电源电压转换成数字信号控制器可以检测的电压信号，以便数字信号控制器进行过压保护、掉电保护。采用电流保护电路，可以对逆变电流进行检测，当检测到电机的逆变电流过流时，实时关闭逆变桥，从而保护电机。
【附图说明】
[0041]图1为本发明一种无刷电机的转角控制方法的流程示意图；
[0042]图2为本发明一种无刷电机的转角控制系统的系统结构图。
【具体实施方式】
[0043]以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0044]如图1所述，为本发明一种无刷电机的转角控制方法的流程示意图，包括以下步骤:
[0045]步骤I，检测无刷电机逆变器输出的两相定子绕组电流，并对所述两相定子绕组电流进行信号变换，生成直角坐标系下的对应电流值；
[0046]步骤2，对外部输入的转角位置给定信号进行电压转换，生成数字信号控制器需要的低电压信号，采集所述低电压信号得到转角位置给定值；
[0047]步骤3，根据转角位置给定值，计算出所述转角位置给定信号对应的电机电流参考值；
[0048]步骤4，将步骤I中所述对应电流值与步骤3中的所述电机电流参考值比较，根据比较结果生成用于控制无刷电机逆变桥的PWM控制信号；
[0049]步骤5，根据所述PffM控制信号向无刷电机逆变桥上下桥臂发送驱动信号；
[0050]步骤6，根据所述驱动信号，逆变桥对电机定子绕组进行PffM控制，使无刷电机的转子达到所述转角位置给定信号对应的转角位置。
[0051]优选实施例中，本发明采用三相逆变器，且所述转角位置给定信号对应的转角限定在无刷电机的相邻两个极距范围内。当采用三相逆变器时，所述步骤I具体为:检测所述三相逆变器输出的定子绕组电流ia和ib，并根据所述ia和ib计算出ic，对所述ia、ib和ic作CLARKE转换，将所述ia、ib和i。等效为直角坐标系的ia和ie。步骤2具体为:外部控制器给无刷电机逆变器发送与给定转角大小对应的高电平脉冲宽度信号，转角位置给定电路将此外部信号与内部电路隔离，同时转换成数字信号控制器可以接受的低电平信号，由数字信号控制器根据脉冲宽度大小计算给定转角大小。所述步骤3具体为:对于一个确定的给定转角，在平面空间中相应有一个确定的电流矢量，数字信号控制器将给定转角对应的给定电流矢量分解成直角坐标系的水平分量电流参考值iarrf和垂直分量电流参考值ifcrf。所述步骤4具体为:将所述
[0052]iaref与所述ia比较，将ieref与所述ie比较，生成电流偏差值;对所述电流偏差值进行PI运算，得到指令电压Va和Vi!，并对所述指令电压Va和VM故电压空间矢量脉宽调制运算，生成用于控制无刷电机逆变桥的PWM控制信号。
[0053]在一个优选的实施例中，还包括电机基准转角回复步骤，所述电机基准转角回复步骤具体为:
[0054]设定电机的基准转角；
[0055 ]根据所述电机基准转角计算出基准电流矢量；
[0056]利用极距内旋转，当无刷电机的供电电源上电时，根据所述基准电流矢量，控制无刷电机快速回复所述基准转角；当无刷电机的供电电源掉电时，根据所述基准电流矢量，利用直流电源储存的电能，控制无刷电机快速回复所述基准转角。采用上述电机基准转角回复步骤，可以在无刷电机供电电源上电和掉电时，控制无刷电机快速回复基准转角，满足应用该系统时，无刷电机复归到指定角度的要求。
[0057]本发明选用无刷电机，并采用先进的开环控制方法，不仅可以获得很高的位置控制精度，极大地提高电机及负载的频率响应值，而且省去了高精度位置传感器，简化了系统，提高了系统的可靠性，在旋芯比例液压阀、旋芯伺服阀、控制阀门的控制以及其他涉及特定旋转角度范围的控制领域得到广泛应用。例如将该方法用于旋芯液压比例阀的控制，旋芯比例阀在零角度位置，切断压力腔P腔压力油，既不向配油腔A腔配油，也不向配油腔B腔配油；阀芯在正角度位置，向A腔配油，配油量与正向角度大小成正比；阀芯在负角度位置，向B腔配油，配油量与负向角度大小成正比。控制无刷电机角度，即可控制阀芯旋转角度，从而快速控制液压油的方向和流量大小。
[0058]如图2所示，为本发明一种无刷电机的转角控制系统的结构示意图，包括电流检测电路、转角位置给定电路、数字信号控制器、逆变桥驱动电路和逆变桥，
[0059]所述电流检测电路用于检测无刷电机逆变器输出的两相定子绕组电流；
[0060]所述转角位置给定电路用于对外部输入的转角位置给定信号进行电压转换，生成数字信号控制器需要的低电压信号；
[0061]所述数字信号控制器用于接收所述两相定子绕组电流，并运行软件生成直角坐标系下的对应电流值;还用于采集所述低电压信号，得到转角位置给定值，并计算出所述转角位置给定信号对应的电机电流参考值;并将所述电机电流参考值和所述直角坐标系下的对应电流值比较，根据比较结果生成用于控制无刷电机逆变桥的PWM控制信号；
[0062]所述逆变桥驱动电路用于为逆变桥提供驱动电源，并根据所述PWM控制信号向所述逆变桥的上下桥臂发送驱动信号；
[0063]所述逆变桥用于根据所述驱动信号对电机电压进行空间矢量PWM控制，使无刷电机的转子达到所述转角位置给定信号对应的转角位置。
[0064]在优选实施例中，所述电流检测电路用于采集逆变器输出的两相定子绕组电流ia和ibo
[0065]所述数字信号控制器包括第一计算单元、CLARKE转换单元、第二计算单元、比较单元、PI运算单元和SVPWM调制单元，所述第一计算单元用于根据所述ijPib计算出i。;所述CLARKE转换单元用于对所述ia、ib和i。作CLARKE转换，将ia、ib和i。等效为直角坐标系的ia和b;所述第二计算单元用于根据转角位置给定值，计算出所述转角位置给定信号对应的电流参考值iarrf和ifirrf ;所述比较单元用于将所述icirrf与所述ia比较，将ifirrf与所述if!比较，并生成电流偏差值;所述PI运算单元用于对所述电流偏差值进行PI运算，得到指令电压Va和Ve;所述SVPWM调制单元用于对所述指令电压Va和VM故电压空间矢量脉宽调制运算，生成用于控制逆变桥的PWM控制信号。
[0066]在其他优选实施例中，所述无刷电机的转角控制系统还包括直流电源变换电路、直流电源检测电路和/或电流保护电路，
[0067]所述直流电源变换电路用于将外部输入的直流电源电压转换成逆变器内电路需要的各种等级电压，并提供给数字信号控制器、电流检测电路和/或电流保护电路；
[0068]所述直流电源检测电路用于将外部电源电压转换成数字信号控制器可以检测到电压信号，当数字信号控制器检测到所述电压信号过压时，产生用于关闭所述逆变桥的控制信号；
[0069]所述电流保护电路用于检测所述无刷电机的逆变电流，当所述逆变电流过流时，向数字信号控制器发出用于关闭逆变桥的中断信号。
[0070]采用直流电源变换电路，可以快速平稳的为无刷电机逆变器的各种内部电路提供所需的不同等级电压。采用所述直流电源检测电路，可以将外部电源电压转换成数字信号控制器可以检测的电压信号，以便数字信号控制器进行过压保护、掉电保护。采用电流保护电路，可以对逆变电流进行检测，当检测到电机的逆变电流过流时，实时关闭逆变桥，从而保护电机。
[0071]尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
【主权项】
1.一种无刷电机的转角控制方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤I，检测无刷电机逆变器输出的两相定子绕组电流，并对所述两相定子绕组电流进行信号变换，生成直角坐标系下的对应电流值； 步骤2，对外部输入的转角位置给定信号进行电压转换，生成数字信号控制器需要的低电压信号，采集所述低电压信号得到转角位置给定值； 步骤3，根据所述转角位置给定值，计算出所述转角位置给定信号对应的电机电流参考值； 步骤4，将步骤I中所述对应电流值与步骤3中的所述电机电流参考值比较，根据比较结果生成用于控制逆变桥的PWM控制信号； 步骤5，根据所述PffM控制信号向逆变桥上下桥臂发送驱动信号； 步骤6，根据所述驱动信号，逆变桥对电机定子绕组进行PffM控制，使无刷电机的转子达到所述转角位置给定信号对应的转角位置。2.根据权利要求1所述的转角控制方法，其特征在于，所述无刷电机逆变器为三相逆变器。3.根据权利要求2所述的转角控制方法，其特征在于，所述步骤I具体为:检测所述三相逆变器输出的定子绕组电流ia和ib，并根据所述ia和ib计算出ic，对所述定子绕组电流ia、ib和i。作CLARKE转换，将所述i a、i b和i。等效为直角坐标系的i α和ie。4.根据权利要求3所述的转角控制方法，其特征在于，所述步骤3具体为:根据得到的转角位置给定值，计算出所述转角位置给定信号对应的电流参考值和所述步骤4具体为:将所述与所述ia比较，将ifoef与所述ie比较，生成电流偏差值;对所述电流偏差值进行PI运算，得到指令电压V。和Ve，并对所述指令电压V。和VM故电压空间矢量脉宽调制运算，生成用于控制逆变桥的PWM控制信号。5.根据权利要求1?4任一所述的转角控制方法，其特征在于，还包括电机基准转角回复步骤，所述电机基准转角回复步骤具体为: 设定电机的基准转角； 根据所述电机基准转角计算出基准电流矢量； 利用极距内旋转，当无刷电机的供电电源上电时，根据所述基准电流矢量，控制无刷电机快速回复所述基准转角；当无刷电机的供电电源掉电时，根据所述基准电流矢量，利用直流电源储存的电能，控制无刷电机快速回复所述基准转角。6.根据权利要求5所述的转角控制方法，其特征在于，所述转角位置给定信号对应的转角限定在无刷电机的相邻两个极距范围内。7.—种无刷电机的转角控制系统，其特征在于，包括电流检测电路、转角位置给定电路、数字信号控制器、逆变桥驱动电路和逆变桥， 所述电流检测电路用于检测无刷电机逆变器输出的两相定子绕组电流，并将所述两相定子绕组电流发送给数字信号控制器； 所述转角位置给定电路用于对外部输入的转角位置给定信号进行电压转换，生成数字信号控制器需要的低电压信号； 所述数字信号控制器用于接收所述两相定子绕组电流，并运行软件生成直角坐标系下的对应电流值;还用于采集所述低电压信号，得到转角位置给定值，并计算出所述转角位置给定信号对应的电机电流参考值;将所述电机电流参考值和所述直角坐标系下的对应电流值比较，根据比较结果生成用于控制无刷电机逆变桥的PWM控制信号； 所述逆变桥驱动电路用于为逆变桥提供驱动电源，并根据所述PWM控制信号向所述逆变桥的上下桥臂发送驱动信号； 所述逆变桥用于根据所述驱动信号对电机电压进行空间矢量PWM控制，使无刷电机的转子达到所述转角位置给定信号对应的转角位置。8.根据权利要求7所述的转角控制系统，其特征在于，所述电流检测电路用于采集逆变器输出的两相定子绕组电流ijPib。9.根据权利要求8所述的转角控制系统，其特征在于，所述数字信号控制器包括第一计算单元、CLARKE转换单元、第二计算单元、比较单元、PI运算单元和SVPffM调制单元， 所述第一计算单元用于根据所述ia和ib计算出i。； 所述CLARKE转换单元用于对所述定子绕组电流ia、ib和ic作CLARKE转换，将ia、ib和ic等效为直角坐标系的ici和ie; 所述第二计算单元用于根据转角位置给定值，计算出所述转角位置给定信号对应的电流参考值i_f和ifirrf; 所述比较单元用于将所述Wef与所述L比较，将iforf与所述b比较，并生成电流偏差值； 所述PI运算单元用于对所述电流偏差值进行PI运算，得到指令电压Va和Ve; 所述SVPffM调制单元用于对所述指令电压Va和Ve做电压空间矢量脉宽调制运算，生成用于控制逆变桥的PWM控制信号。10.根据权利要求7?9任一所述的转角控制系统，其特征在于，还包括直流电源变换电路、直流电源检测电路和/或电流保护电路， 所述直流电源变换电路用于将外部输入的直流电源电压转换成逆变器内电路需要的各种等级电压，并提供给数字信号控制器、电流检测电路和/或电流保护电路； 所述直流电源检测电路用于将外部电源电压转换成数字信号控制器可以检测的电压信号，当数字信号控制器检测到所述电压信号过压时，产生用于关闭逆变桥的控制信号； 所述电流保护电路用于检测所述无刷电机的逆变电流，当所述逆变电流过流时，向数字信号控制器发出用于关闭逆变桥的中断信号。
【文档编号】H02P21/24GK105846743SQ201610176805
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月25日
【发明人】王党生
【申请人】武汉市航天汉诺优科技有限公司