专利名称：无刷直流电机定频积分控制器及其构造方法
技术领域：
本发明涉及无刷直流电机的调速技术领域，尤其是涉及一种无刷直流电机定频积分控制器及其构造方法。
背景技术：
无刷直流电机以其体积小、重量轻、无换向火花、效率高、出力大、特性好、响应快等优点，成为很多领域传动执行机构的优选方案。无刷直流电机通常采用速度电流双闭环线性PID控制。线性PID控制算法简单，易于实现，但在电机参数变化、负载扰动等情况下动态响应变差，鲁棒性不强，不能满足更高精度动态性能应用场合的控制要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种无刷直流电机定频积分控制器，其结构简单，实现方便，成本低，抗负载扰动能力强，控制精度高。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种无刷直流电机定频积分控制器，其特征在于包括速度给定单元、无刷直流电机调速系统和对无刷直流电机的实际速度进行检测的速度测定单元，所述速度给定单元和无刷直流电机调速系统之间连接有闭环控制器和与闭环控制器串接的定频积分控制单元，所述闭环控制器与速度给定单元和速度测定单元连接并用于根据给定速度和无刷直流电机的实际速度对定频积分控制单元进行控制，所述定频积分控制单元与无刷直流电机调速系统连接并用于对无刷直流电机调速系统进行定频积分控制。上述的无刷直流电机定频积分控制器，其特征在于所述定频积分控制单元包括比较器、与比较器输出端连接的触发器、一个输入端与触发器输出端连接的控制信号输出单元和复位输入端与控制信号输出单元输出端连接的可复位积分器，所述比较器的一个输入端与可复位积分器的输出端连接，所述比较器的另一个输入端与闭环控制器的输出端连接，所述可复位积分器的积分电压输入端接有积分电压给定单元，所述控制信号输出单元的另一个输入端连接有定时时钟单元，所述控制信号输出单元的输出端与无刷直流电机调速系统连接。上述的无刷直流电机定频积分控制器，其特征在于所述无刷直流电机调速系统包括直流电源、与直流电源连接的逆变桥、与逆变桥连接的无刷直流电机、与无刷直流电机连接的负载、以及用于根据定频积分控制单元所输出的占空比为D的控制信号和安装在无刷直流电机上的霍尔位置传感器所输出的信号HA、HB、HC对逆变桥进行驱动的驱动器，所述驱动器的输入端与定频积分控制单元和霍尔位置传感器相接，所述驱动器的输出端与逆变桥相接。上述的无刷直流电机定频积分控制器，其特征在于所述闭环控制器为速度控制
ο本发明还提供了一种简单易行、速度跟踪性能好、抗负载扰动能力强的无刷直流电机定频积分控制器的构造方法，其特征在于该方法包括以下步骤步骤一、构造无刷直流电机调速系统；步骤二、作整个无刷直流电机调速系统的等效输入变量为输入给所述驱动器的占空比为D的控制信号，输出变量为所述无刷直流电机的实际转速η ；步骤三、构造定频积分控制单元；步骤四、构造闭环控制器；步骤五、将定频积分控制单元和闭环控制器串接；步骤六、将速度给定单元输出的速度给定信号~加到闭环控制器的一个输入端；步骤七、速度测定单元对无刷直流电机的实际速度进行检测并将检测到的实际速度η加到闭环控制器的另一个输入端；步骤八、闭环控制器采集速度给定信号ng和实际速度η，经过分析处理后加到比较器的一个输入端；步骤九、通过定频积分控制单元获得占空比为D的控制信号并输出给无刷直流电机调速系统；步骤十、无刷直流电机调速系统接收定频积分控制单元所输出的占空比为D的控制信号并对无刷直流电机的转速进行控制。上述的无刷直流电机定频积分控制器的构造方法，其特征在于步骤九中通过所述定频积分控制单元获得占空比为D的控制信号的过程如下901、定时时钟单元的时钟信号周期开始时，控制信号输出单元接收定时时钟单元所输出的时钟脉冲信号并输出高电平给可复位积分器；902、已复位的可复位积分器开始对积分电压给定单元给定的积分电压进行积分；903、当积分至比较器的两个输入端相等时，比较器的输出状态发生变化，比较器变化后的输出状态使得触发器的输出状态变化，控制信号输出单元接收触发器所输出的变化后的输出状态并输出低电平给可复位积分器，可复位积分器复位；904、当定时时钟单元的下一个时钟信号周期开始时，重复步骤901 903。本发明与现有技术相比具有以下优点1、本发明无刷直流电机定频积分控制器的结构简单，实现方便，构造方法简单易行，设计合理。2、本发明采用定频积分控制的方法，有效地解决了无刷直流电机的非线性控制问题，所构造的无刷直流电机调速系统速度跟踪性好，抗负载扰动能力强。3、本发明在不使用电流检测及电流调节器的情况下，能够控制无刷直流电机的速度，实现成本低。4、本发明采用闭环控制器和定频积分控制单元相结合的方法，实现了对无刷直流电机的调速，在电机参数变化、负载扰动等情况下动态响应性能好，鲁棒性好，能够很好地满足高精度动态性能应用场合的控制要求，控制精度高。5、本发明的工程实现容易，应用前景广阔。下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本发明无刷直流电机定频积分控制器的电路原理框图。图2为本发明定频积分控制单元的电路原理框图。图3为本发明无刷直流电机调速系统的电路原理框图。图4为本发明无刷直流电机定频积分控制器的构造方法的方法流程图。图5为本发明无刷直流电机定频积分控制器及其构造方法的三相无刷直流电机的电流波形图。图6为本发明无刷直流电机定频积分控制器及其构造方法的三相无刷直流电机的速度跟踪波形图。图7为本发明无刷直流电机定频积分控制器及其构造方法的三相无刷直流电机突加负载时的速度跟踪波形图。附图标记说明1-速度给定单元；2-1-直流电源；2-31-霍尔位置传感器；3-闭环控制器；4-2-触发器；4-4-控制信号输出单元；4-6-定时时钟单元；
2-无刷直流电机调速系统 2-2-逆变桥； 2-4-负载；
4-定频积分控制单元； 4-3-可复位积分器；
4-5-积分电压给定单元
5-速度测定单元。
2-3-无刷直流电机 2-5-驱动器； 4-1-比较器；
具体实施例方式如图1所示，本发明所述的无刷直流电机定频积分控制器，包括速度给定单元1、 无刷直流电机调速系统2和对无刷直流电机的实际速度进行检测的速度测定单元5，所述速度给定单元1和无刷直流电机调速系统2之间连接有闭环控制器3和与闭环控制器3串接的定频积分控制单元4，所述闭环控制器3与速度给定单元1和速度测定单元5连接并用于根据给定速度和无刷直流电机的实际速度对定频积分控制单元4进行控制，所述定频积分控制单元4与无刷直流电机调速系统2连接并用于对无刷直流电机调速系统2进行定频积分控制。如图2所示，本实施例中，所述定频积分控制单元4包括比较器4-1、与比较器4-1 输出端连接的触发器4-2、一个输入端与触发器4-2输出端连接的控制信号输出单元4-4和复位输入端与控制信号输出单元4-4输出端连接的可复位积分器4-3，所述比较器4-1的一个输入端与可复位积分器4-3的输出端连接，所述比较器4-1的另一个输入端与闭环控制器3的输出端连接，所述可复位积分器4-3的积分电压输入端接有积分电压给定单元4-5， 所述控制信号输出单元4-4的另一个输入端连接有定时时钟单元4-6，所述控制信号输出单元4-4的输出端与无刷直流电机调速系统2连接。如图3所示，本实施例中，所述无刷直流电机调速系统2包括直流电源2-1、与直流电源2-1连接的逆变桥2-2、与逆变桥2-2连接的无刷直流电机2-3、与无刷直流电机2_3连接的负载2-4、以及用于根据定频积分控制单元4所输出的占空比为D的控制信号和安装在无刷直流电机2-3上的霍尔位置传感器2-31所输出的信号HA、HB、HC对逆变桥2_2进行驱动的驱动器2-5，所述驱动器2-5的输入端与定频积分控制单元4和霍尔位置传感器2-31 相接，所述驱动器2-5的输出端与逆变桥2-2相接。其中，所述逆变桥2-2为公知的三相逆变桥，所述三相逆变桥的三个极点与无刷直流电机2-3相接，由驱动器2-5发出的信号dSx(x取值从1到6)控制三相逆变桥中功率开关器件&c(x取值从1到6)的导通和关断；所述功率开关器件&c(x取值从1到6)是全控型器件，具体地，所述功率开关器件(χ取值从1到6)为功率晶体管(GTR)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、功率场效应晶体管(MOSFET)或智能功率模块(IPM)；所述三相逆变桥中的二极管SDx (χ取值从1到6)为快恢复二极管或高频二极管，快恢复二极管和高频二极管不仅具有足够的耐压，而且其描述频率特性的反向恢复时间足够短。本实施例中，所述闭环控制器3为速度控制器。结合图4，本发明所述的无刷直流电机定频积分控制器的构造方法，包括以下步骤步骤一、构造无刷直流电机调速系统2 ；步骤二、作整个无刷直流电机调速系统2的等效输入变量为输入给所述驱动器 2-5的占空比为D的控制信号，输出变量为所述无刷直流电机2-3的实际转速η ；步骤三、构造定频积分控制单元4 ；步骤四、构造闭环控制器3 ；步骤五、将定频积分控制单元4和闭环控制器3串接；步骤六、将速度给定单元1输出的速度给定信号ng加到闭环控制器3的一个输入端；步骤七、速度测定单元5对无刷直流电机的实际速度进行检测并将检测到的实际速度η加到闭环控制器3的另一个输入端；步骤八、闭环控制器3采集速度给定信号ng和实际速度n，经过诸如神经网络或模糊计算等闭环控制方法分析处理后加到比较器4-1的一个输入端；步骤九、通过定频积分控制单元4获得占空比为D的控制信号并输出给无刷直流电机调速系统2 ；步骤十、无刷直流电机调速系统2接收定频积分控制单元4所输出的占空比为D 的控制信号并对无刷直流电机的转速进行控制。本实施例中，步骤九中通过所述定频积分控制单元4获得占空比为D的控制信号的过程如下901、定时时钟单元4-6的时钟信号周期开始时，控制信号输出单元4_4接收定时时钟单元4-6所输出的时钟脉冲信号并输出高电平给可复位积分器4-3 ；902、已复位的可复位积分器4-3开始对积分电压给定单元4-5给定的积分电压进行积分；903、当积分至比较器4-1的两个输入端相等时，比较器4_1的输出状态发生变化， 比较器4-1变化后的输出状态使得触发器4-2的输出状态变化，控制信号输出单元4-4接收触发器4-2所输出的变化后的输出状态并输出低电平给可复位积分器4-3，可复位积分器4-3复位；904、当定时时钟单元4-6的下一个时钟信号周期开始时，重复步骤901 903。
根据本发明的无刷直流电机定频积分控制器及其构造方法，通过计算机仿真软件 PS IM对本发明进行仿真。图5为通过本发明构造的仿真系统得到的无刷直流电机三相电流的仿真波形，可见三相无刷直流电机完全按120°星形三相六状态工作。图6为本发明在0秒时给定速度为4000转/秒、在0. 02秒时给定速度为3000转 /秒时的速度仿真波形，可以看出通过本发明构成的无刷直流电机控制系统的快速性好，超调小。图7为本发明在0.03秒时加载的速度仿真波形，可以看出通过本发明构成的无刷直流电机控制系统的鲁棒性好，抗负载扰动能力强。综上所述，本发明实现方便，设计合理，速度跟踪性好，抗负载扰动能力强，鲁棒性好，能够很好地满足高精度动态性能应用场合的控制要求，控制精度高，工程实现容易，应用前景广阔。以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
权利要求
1.一种无刷直流电机定频积分控制器，其特征在于包括速度给定单元(1)、无刷直流电机调速系统( 和对无刷直流电机的实际速度进行检测的速度测定单元(5)，所述速度给定单元(1)和无刷直流电机调速系统( 之间连接有闭环控制器C3)和与闭环控制器 (3)串接的定频积分控制单元G)，所述闭环控制器C3)与速度给定单元(1)和速度测定单元(5)连接并用于根据给定速度和无刷直流电机的实际速度对定频积分控制单元(4)进行控制，所述定频积分控制单元(4)与无刷直流电机调速系统( 连接并用于对无刷直流电机调速系统( 进行定频积分控制。
2.按照权利要求1所述的无刷直流电机定频积分控制器，其特征在于所述定频积分控制单元(4)包括比较器G-1)、与比较器(4-1)输出端连接的触发器G-2)、一个输入端与触发器(4- 输出端连接的控制信号输出单元(4-4)和复位输入端与控制信号输出单元 (4-4)输出端连接的可复位积分器G-3)，所述比较器(4-1)的一个输入端与可复位积分器 (4-3)的输出端连接，所述比较器的另一个输入端与闭环控制器(3)的输出端连接， 所述可复位积分器G-3)的积分电压输入端接有积分电压给定单元G-5)，所述控制信号输出单元(4-4)的另一个输入端连接有定时时钟单元G-6)，所述控制信号输出单元(4-4) 的输出端与无刷直流电机调速系统( 连接。
3.按照权利要求1或2所述的无刷直流电机定频积分控制器，其特征在于所述无刷直流电机调速系统( 包括直流电源0-1)、与直流电源连接的逆变桥0-2)、与逆变桥(2- 连接的无刷直流电机0-3)、与无刷直流电机(2- 连接的负载0-4)、以及用于根据定频积分控制单元(4)所输出的占空比为D的控制信号和安装在无刷直流电机(2-3)上的霍尔位置传感器0-31)所输出的信号HA、HB、HC对逆变桥(2_2)进行驱动的驱动器0-5)，所述驱动器0-5)的输入端与定频积分控制单元(4)和霍尔位置传感器 (2-31)相接，所述驱动器0-5)的输出端与逆变桥(2- 相接。
4.按照权利要求3所述的无刷直流电机定频积分控制器，其特征在于所述闭环控制器( 为速度控制器。
5.一种无刷直流电机定频积分控制器的构造方法，其特征在于该方法包括以下步骤步骤一、构造无刷直流电机调速系统；步骤二、作整个无刷直流电机调速系统的等效输入变量为输入给所述驱动器 (2-5)的占空比为D的控制信号，输出变量为所述无刷直流电机0-3)的实际转速η;步骤三、构造定频积分控制单元；步骤四、构造闭环控制器⑶；步骤五、将定频积分控制单元(4)和闭环控制器(3)串接；步骤六、将速度给定单元(1)输出的速度给定信号~加到闭环控制器(3)的一个输入端；步骤七、速度测定单元( 对无刷直流电机的实际速度进行检测并将检测到的实际速度η加到闭环控制器(3)的另一个输入端；步骤八、闭环控制器C3)采集速度给定信号ng和实际速度η，经过分析处理后加到比较器G-1)的一个输入端；步骤九、通过定频积分控制单元(4)获得占空比为D的控制信号并输出给无刷直流电机调速系统；步骤十、无刷直流电机调速系统( 接收定频积分控制单元(4)所输出的占空比为D 的控制信号并对无刷直流电机的转速进行控制。
6.按照权利要求5所述的无刷直流电机定频积分控制器的构造方法，其特征在于步骤九中通过所述定频积分控制单元(4)获得占空比为D的控制信号的过程如下-901、定时时钟单元G-6)的时钟信号周期开始时，控制信号输出单元(4-4)接收定时时钟单元(4-6)所输出的时钟脉冲信号并输出高电平给可复位积分器G-3)；-902、已复位的可复位积分器(4- 开始对积分电压给定单元(4- 给定的积分电压进行积分；-903、当积分至比较器的两个输入端相等时，比较器的输出状态发生变化，比较器(4-1)变化后的输出状态使得触发器(4- 的输出状态变化，控制信号输出单元 (4-4)接收触发器(4- 所输出的变化后的输出状态并输出低电平给可复位积分器G-3)， 可复位积分器(4- 复位；-904、当定时时钟单元G-6)的下一个时钟信号周期开始时，重复步骤901 903。
全文摘要
本发明公开了一种无刷直流电机定频积分控制器及其构造方法，其控制器包括速度给定单元、闭环控制器、定频积分控制单元、无刷直流电机调速系统和速度测定单元；其构造方法包括步骤一、构造无刷直流电机调速系统；二、作无刷直流电机调速系统的等效；三、构造定频积分控制单元；四、构造闭环控制器；五、将定频积分控制单元和闭环控制器串接；六、将速度给定信号ng加到闭环控制器；七、将实际速度n加到闭环控制器；八、闭环控制器采集ng和n并处理后加到比较器的一个输入端；九、通过定频积分控制单元获得占空比为D的控制信号；十、无刷直流电机调速系统对无刷直流电机的转速进行控制。本发明设计合理，速度跟踪性好，抗负载扰动能力强，应用前景广阔。
文档编号H02P21/00GK102497150SQ20111040285
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月7日 优先权日2011年12月7日
发明者贺虎成 申请人:西安科技大学