一种无传感器无刷直流电机的软起动控制装置制造方法
【专利摘要】一种无传感器无刷直流电机的软起动控制装置，是一种能够用来对无刷直流电机进行基于无位置传感器算法的电流可控起动和高精度转速控制的装置，其主要包括系统供电模块、FPGA模块、接口电路模块、反电动势检测模块、直流调制模块以及逆变模块。该装置在起动时通过直流调制模块控制电机绕组电流，同时通过反电动势检测电路获取电机转子位置信号，然后FPGA模块根据相关控制算法对三相桥式逆变电路进行PWM调制，最终实现基于无位置传感器算法的无刷直流电机的高精度转速控制。该发明不仅具备无刷直流电机高转速情况下的无位置传感器高精度控制能力，而且在电机起动过程中实现了绕组电流完全可控，尤其适用于小电枢电感的高速无刷直流电机。
【专利说明】一种无传感器无刷直流电机的软起动控制装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及无传感器无刷直流电机的软起动控制装置，用于对无传感器无刷直流电机的高精度控制，具有起动电流可控以及外部掉电异常处理的功能，特别适用于低压大功率场合下，小电枢电感的高速无刷直流电机无位置传感器控制。另外，这种控制装置也同样适用于感应电机或永磁同步电机的软起动与变频调速控制。
【背景技术】
[0002]在工业领域中，鼓风机、压缩机、电动机床主轴等电机调速系统已经得到广泛应用。和直流电机、感应电机等其他类型电机相比，永磁无刷直流电机具有能量密度高、控制简单、维护方便等特点，可以通过直接驱动负载省掉变速箱以及附带的冷却与润滑装置，提升设备性能和可靠性，是调速系统中理想的电机类型。
[0003]现有的无刷直流电机根据获取转子位置的方式可以分为有位置传感器控制方式和无位置传感器控制方式。同前者相比，无位置传感器控制方式虽然增加了控制算法的复杂程度，但是具有可靠性高、控制精度高、成本低等优点。工业中成熟应用的无传感器无刷直流电机控制系统主要是基于反电动势检测的无传感器控制算法:通过检测反电动势信号获取转子位置信号进行无刷直流电机的控制。在起动阶段必须通过外部给定电压，将转子进行强制定位，然后通过控制相绕组的电压与频率，在反电动势幅值达到一定转速后切换至闭环位置检测。这种方法由于整个起动阶段无法准确获知转子位置信息，也无法直接控制电机电流和起动转矩，导致电机起动电流较大。另外，工业低压大功率调速领域中，永磁无刷直流电机电枢电感通常较小，传统“交-直-交”的控制结构将母线电压直接加至电机绕组，由于没有反电动势进行平衡，导致起动电流瞬间极大，对电网以及电机都造成冲击。另外，电机初始阶段无法控制起动力矩，对于转动惯量较大且负载转矩较大的场合起动较为困难，大大增加了无传感器无刷直流电机控制系统的调试难度。降低电机起动电流可以采用软起动器进行控制。现有的软起动器控制装置主要采用晶闸管相控整流的方式，通过调节逆变器前的母线电压实现各种软起动功能，广泛应用于如感应电机、永磁同步电机、无刷直流电机等调速系统中。但是这种方法需要专门的驱动电路板以及晶闸管，增加了系统成本和复杂程度。另外，对于无传感器无刷直流电机系统中，软起动器通常只是控制母线电压，虽然能够降低电机起动电流，但是没有办法直接控制电机转矩。在电机负载较大或者转动惯量较大的场合，现有的无传感器无刷直流电机控制系统对于电机的起动控制仍然较为困难，大大增加了系统调试难度。
[0004]因此，直接控制电机起动电流一方面可以限制电机起动电流,减小对电网的冲击，另一方面也能够控制电机的起动力矩，从而更好的适应负载转矩和转动惯量较大的场合，降低调试复杂程度，将无刷直流电机的无位置传感器控制应用拓展到更广的范围。
【发明内容】
[0005]本发明的技术解决问题:克服现有基于反电动势检测法的无传感器无刷直流电机的“交-直-交”功率拓扑结构和控制算法在电机起动过程中，进行转子强制定位以及升频升压电压时，起动电流大，起动力矩不可控的缺点，提出一种基于FPGA的无传感器无刷直流电机软起动控制装置。
[0006]本发明的技术解决方案:一种无传感器无刷直流电机的软起动控制装置，包括:
[0007]系统供电模块3:由三相整流桥2输出的直流母线电压提供输入，输出5V，±15V以及15V与FPGA模块19以及接口电路模块13相连接，作为软起动控制装置的电源，同时，在外部交流电源模块1失效时，能够将电源失效信号传送给FPGA模块19，利用永磁电机9制动时通过三相逆变桥7回馈至直流母线上电容的电能完成电机系统掉电异常处理；
[0008]直流调制模块5:与电容充电限流装置4和逆变模块8相接，用于在永磁电机9起动时进行电流控制，向逆变模块8提供可控的电流输入，同时完成永磁电机9起动与额定运行两种不同状态之间的切换和监控；
[0009]逆变模块8:与直流调制模块5、接口电路模块13及永磁电机9相接，用于按照接口电路模块13输出的PWM信号，将直流调制模块5输入的直流电流或电压信号进行逆变，为永磁电机9绕组提供交流电压；所述逆变模块8由再生制动模块6、三相逆变桥模块7及驱动电路10组成，其中驱动电路模块10将接口电路模块13输出的PWM信号进行放大后一方面驱动三相逆变桥模块7完成逆变功能，另一方面驱动再生制动模块6用于再生能量消耗；
[0010]反电动势检测模块12:与接口电路模块13和永磁电机9相接，对永磁电机9中的A、B、C三相绕组的反电动势信号进行调理与滤波的预处理，得到含有转子位置信息的初始检测信号传送至接口电路模块13进行电平转换；
[0011]接口电路模块13:由电平转换电路17、模数转换电路16、信号隔离电路15和电流传感器接口电路14组成，其中电流传感器接口电路14和电平转换电路17分别将电流传感器模块11输出的电流信号和反电动势调理模块12输出的转子位置信号通过模数转换电路16进行调理与电平转换后输入给FPGA模块19，同时FPGA模块19输出的PWM控制信号通过电平转换电路17和信号隔离电路15输出至直流调制模块5和逆变模块8 ；
[0012]FPGA模块19:由FPGA芯片18、配置芯片22、外扩SRAM20及外扩FLASH21组成，其中配置芯片22通过串行总线在整个装置上电时将控制程序配置到FPGA芯片18中，外扩SRAM20和外扩FLASH21通过并行总线与FPGA芯片18进行连接，在运行时作为程序与数据存储器；所述FPGA芯片18通过接口电路模块13接收模数转换后的电流和反电动势信号，并且将控制信号进行电平转换和隔离，实现无传感器无刷直流电机的软起动控制算法以及基于反电动势自适应滤波的高精度转速控制；FPGA芯片18集成有软起动算法模块、自适应滤波算法模块、模型变结构控制算法模块和异常掉电故障处理模块，其中软起动算法模块完成电机的可控电流起动功能，并且实时将检测到的电机转速ω和相电流Ιχ输送给模型变结构控制算法模块；自适应滤波算法模块根据当前的转速ω以及软起动算法模块估
计的转子位置Θ进行自适应滤波，得到精确的转子位置$ ;模型变结构控制算法模块根据
电机转速ω、相电流Ιχ以及估算的转子位置沒，进行参数辨识，并采用极点配置的方法进行电机电流PI调节器设计，将设计出的PI调节器的比例和积分参数Kp、Ki实时反馈回软起动算法模块，当切换掉直流调制模块时，系统结构参数发生较大变化，根据当前电机运行状态重新设计PI调节器，更新相关的比例、积分参数，完成模型变结构控制；电源异常掉电时，异常掉电处理模块进行现场数据保存，控制逆变器回馈制动功能，并将异常信号传送给模型变结构算法模块。
[0013]所述FPGA芯片18采用EP3C40Q240芯片作为控制核心芯片。
[0014]所述FPGA模块19采用片上系统SOPC的方法实现了两个32_bit软核处理器:其中一个微处理器负责完成系统的外部通讯和状态监测；另一个微处理器负责系统的起动控制算法、模型变结构控制算法、稳速高精度控制算法以及反电动势自适应滤波算法，两片软核处理器之间采用片内并行总线连接。
[0015]所述的外部交流电源模块I失效时，电机进入发电机模式，FPGA模块19通过逆变桥实时控制电机三相的导通顺序，对电机进行回馈控制，此时系统供电模块3持续能够正常工作，完成对于系统的供电，实现掉电异常处理。
[0016]所述软起动算法模块实现过程为:
[0017](I)控制电机两相绕组导通，使用PI调节器根据相电流检测值IX，通过控制直流调制模块使绕组电流达到预设值；
[0018](2)根据预设的电机参数估计出在当前恒定电流条件下电机的加速时间，并依此进行绕组的换相，完成基于恒流变频的无传感器无刷直流电机的外同步起动；
[0019](3)通过反电动势检测电路对电机的反电动势过零点信号进行实时检测，当电机达到一定转速即从外同步切换至依赖反电动势过零点信号的位置信息检测；
[0020](4)电机电流达到预设值时，为降低系统损耗旁路掉直流调制模块，系统控制模型发生变化。此时，根据模型变结构算法模块计算出的结果，实时更新控制器的结构参数，保证系统的性能要求，实现无传感器无刷直流电机的软起动功能。
[0021 ] 所述自适应滤波算法模块实现过程为:
[0022](I)根据软起动算法输入的转速ω和反电动势检测电路参数实时计算对应的延时角度Q1;
[0023](2)根据软起动算法输入的转速ω和预输入的电机电感和电阻参数估算出延时角度θ2 ;
[0024](3)将θ” θ2以及预设的软件计算延时03和反电势信号检测的转子位置Θ进行综合，即得到滤波后的转子位置=-氏。
[0025]所述模型变结构控制算法模块实现过程为:
[0026](I)首先利用最小二乘法进行定周期的系统参数滤波，根据当前电机的绕组电流Ix和转速ω估计出电机绕组的电感、电阻值；
[0027](2)根据实际估计的电感、电阻值对电机模型进行调整，采用极点配置的方法进行PI调节器设计，根据设计出的参数来实时更新软起动算法模块中的PI调节器的比例积分参数Kp、Ki ；
[0028](3)控制系统旁路掉直流调制模块时，系统结构参数发生较大变化，此时根据当前的电流、转速状态，设计新结构的调节器，更新软起动算法模块中PI调节器的器比例、积分参数，以满足系统的性能要求，实现模型变结构控制。
[0029]所述异常掉电故障处理模块实现过程为:
[0030](I)保存现场参数，将绕组电流Ix、转子转速ω、目标转速以及PI调节器Kp、Ki当前的系统状态与控制参数，存储至外扩Flash模块中；
[0031](2)关闭控制系统除直流调制系统外的所有PWM信号，给出故障信号，永磁电机反电动势电能通过逆变器回馈至电容，为系统供电模块供电。
[0032]本发明的原理:电机起动时，FPGA芯片调节直流调制模块，利用电流传感器检测对电机相电流完成闭环控制，限制起动电流，实现起动力矩可控的无传感器无刷直流电机软起动。同时系统反电动势检测电路实时监测反电动势信号，在转子转速达到适当程度时，进行无位置传感器控制算法的闭环切换。此时FPGA芯片开始执行电机的电流、转速的双闭环控制，其中电机转速通过反电动势检测信号由FPGA芯片的测速模块进行估计。当电机相电流达到预定幅值，为了节省损耗，直流调制单元完成起动环节至正常运行环节的切换，同时FPGA芯片执行模型变结构的控制算法，保证控制系统在切换过程中的稳定性。在电机中高速运行阶段，为了降低电阻、电感等模型参数以及电流、转速等运行状态对于反电动势信号检测的影响，FPGA芯片开始执行自适应滤波模块，保证转子位置估计的精度。控制系统与外界的通讯算法则由FPGA芯片内部例化的32位软核处理器并行完成，保证控制算法的实时性。系统供电装置时刻检测外部供电，当出现异常掉电时，通过整流回馈保证系统完成故障处理与现场数据存储。FPGA芯片输出的PWM信号通过接口模块与高速光耦来完成信号隔离，并输送至直流调制模块和逆变模块，完成控制信号的放大。
[0033]本发明与现有技术相比的优点在于:本发明通过改进传统无刷直流电机控制系统“交-直-交”的功率拓扑结构，在起动过程中采用直流调制模块直接控制电机起动电流，实现无传感器无刷直流电机的软起动控制；在中高速运行时则切换普通PWM控制，降低直流损耗。为了降低系统参数漂移和运行状态的影响，系统采用反电动势信号的自适应滤波算法，实现了无传感器无刷直流电机的高精度调速控制。与现有的无刷直流电机所采用的控制器相比具有以下特点:
[0034](I)和广泛使用的基于反电动势检测方法的无传感器无刷直流电机控制系统相t匕，本发明具有明显的优点:系统在电机起动时，利用电流传感器实时监控直流母线电流，采用基于PI调节器的PWM算法控制直流调制模块，实现对于电机相电流幅值的完全可控操作，大大降低电机起动对于电网的冲击。另外通过调节电机起动力矩可以使系统适应负载力矩和转动惯量更大的场合，降低了系统调试复杂度，拓展了应用范围，尤其适用于低压大功率场合下的小电枢电感高速无刷直流电机控制。
[0035](2)本发明采用了大容量FPGA作为主控制芯片，其中无传感器自适应滤波控制算法采用独立模块并行实现，随时可以进行转子位置估计，同传统无传感器控制算法相比，降低了系统模型参数漂移对于反电势法的影响，大大减少了系统的控制延时，提高了无传感器无刷直流电机的控制精度。
[0036](3)本发明中的供电装置，通过实时监控三相交流主电源，在掉电时主控制系统对电机进行回馈控制，将母线电压稳定在系统供电模块正常工作范围内，从而实现了系统主电源掉电检测与异常处理功能，大大提高了整个系统的可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]图1为本发明的结构组成框图；
[0038]图2为本发明的控制原理框图；[0039]图3为本发明的单个通道的电流传感器接口电路；
[0040]图4为本发明的单个通道的反电动势检测信号接口电路；
[0041]图5为本发明的模数转换芯片电路；
[0042]图6为本发明直流调制模块电路；
[0043]图7为本发明的单个通道高速光电隔离电路、脉冲驱动电路和三相桥式逆变电路的电路图；
[0044]图8为本发明的过流保护信号产生电路；
[0045]图9为本发明的FPGA芯片与外扩的SRAM和FLASH芯片信号连接的电路图；
[0046]图10为本发明的控制流程图。
【具体实施方式】
[0047]如图1所示，本发明主要由三相交流电源模块1、三相整流模块2、系统供电模块
3、电容充电限流装置4、直流调制模块5、逆变模块8、无刷直流电机9、电流传感器11、反电动势检测模块12、接口电路模块13及FPGA模块19组成。其中逆变模块8包括三相逆变桥7、再生制动模块6以及驱动电路10 ;接口电路模块13包括电平转换电路17、模数转换电路16、信号隔离电路15及电流传感器接口电路14 ;FPGA模块19包括FPGA芯片18、外扩Flash存储器21、外扩SRAM存储器20以及配置芯片22。电机起动时，系统首先通过接口电路模块13和直流调制模块5，监控直流母线电流，然后根据电流给定值通过PI控制进行PWM闭环控制直流调制模块5。同时根据反电动势检测模块12和接口电路模块13实时检测电机转子位置，电机加速至预设转速时即可切换至无传感器无刷直流电机的转子闭环检测。电机继续加速至设定转速过程中，电流达到设定值时，可以将直流调制模块5切换掉，降低开关损耗。此时，系统执行正常的电流、转速双闭环PI控制算法，对转子位置调理信号实时进行数字滤波和补偿，实现电机的无位置传感器算法；根据上位机给定，结合电流采样信号进行PWM调制；根据反电动势调理信号进行高精度转速估计；电机相电流超过限制时对PWM信号进行处理，保护功率模块；母线电压超过限制时对再生制动模块5进行控制，消耗再生能量；实现电机起动和额定运行时的模型变结构控制算法；系统供电模块3由母线提供输入电压，为整个控制装置提供高精度电源。在外部交流电源模块1失效时，能够将失效信号传送给FPGA模块19，系统控制电机进行回馈制动，将机械能转化为电能完成掉电异常处理。
[0048]如图2所示，给出了本发明的控制原理，FPGA模块控制电流信号的检测、电机反电动势信号的检测与转子位置估计，主要控制算法包括软起动算法模块、自适应滤波算法模块、模型变结构控制算法模块和异常掉电故障处理模块。软起动算法模块是系统的主功能软件模块，主要完成电机的可控电流起动功能，并且实时将检测到的电机转速ω和相电流Ix输送给模型变结构控制算法模块。首先，控制电机两相绕组导通，使用ΡΙ调节器根据相电流检测值Ix，通过控制直流调制模块使绕组电流达到预设值；然后，根据预设的电机参数估计出在当前恒定电流条件下电机的加速时间，并依此进行绕组的换相，完成基于恒流变频的无传感器无刷直流电机的外同步起动；其次，通过反电动势检测电路对电机的反电动势过零点信号进行实时检测，当电机达到一定转速即从外同步切换至依赖反电动势过零点信号的位置信息检测；最后，电机电流达到预设值时，为降低系统损耗旁路掉直流调制模块，系统控制模型发生变化。此时，根据模型变结构算法模块计算出的结果，实时更新控制器的结构参数，保证系统的性能要求，实现无传感器无刷直流电机的软起动功能。
[0049]自适应滤波算法模块，根据当前的转速ω以及软起动算法模块估计的转子位置
Θ进行自适应滤波，得到较为精确的转子位置0。首先，根据软起动算法输入的转速ω和
反电动势检测电路参数实时计算对应的延时角度G1 ;然后，根据软起动算法输入的转速ω和预输入的电机电感和电阻参数估算出延时角度θ2;最后，将θ” θ2以及预设的软件计算延时93和反电势信号检测的转子位置Θ进行综合，即可得到滤波后的转子位置θ = β-βι-02-θ3 。
[0050]模型变结构控制算法模块根据电机转速ω、相电流Ix以及估算的转子位置β进
行系统参数辨识，完成控制器设计，将参数Kp、Ki实时反馈回软起动算法模块。当系统切换掉直流调制模块时，进行控制器切换，完成模型变结构控制。首先，利用最小二乘法进行定周期的系统参数滤波，根据当前电机的绕组电流Ix和转速ω估计出电机绕组的电感、电阻值；然后，根据实际估计的电感、电阻值对电机模型进行调整，采用极点配置的方法进行PI调节器设计，定时更新软起动算法模块中的Kp、Ki参数；最后，控制系统旁路掉直流调制模块时，系统结构参数发生较大变化，此时根据当前的电流、转速状态，设计新结构的调节器，更新软起动算法模块的控制参数，以满足系统的性能要求，实现模型变结构控制。
[0051]系统电源异常掉电时，异常掉电处理模块进行现场数据保存，控制逆变器回馈制动等功能，并将异常信号传送给模型变结构算法模块。首先，将绕组电流Ix、转子转速ω、目标转速ω %以及控制器Kp、Ki等当前的系统状态与控制参数，存储至外扩Flash模块中；然后，关闭控制系统除直流调制系统外的所有PWM信号，给出故障信号，永磁电机反电动势电能通过逆变器回馈至电容，为系统供电模块供电。没有采用软起动技术的无传感器无刷直流电机控制系统的起动电流一般为电机额定电流的2?3倍，驱动功率等级为35kW、额定电流75A的低压无刷直流电机，起动电流达到150?200A，若采用本发明的软起动装进行控制，电机的起动电流可以降低至5A，从而实现电机系统的平滑起动。当系统外部主电源出现故障时，控制系统获得由系统供电模块提供的掉电异常信号，根据当前的运行情况，执行掉电异常处理算法，保证母线电压范围在一定时间内维持在供电模块的允许输入范围内。同时FPGA模块根据片上系统方法实现一枚32bit软核处理器专门负责系统通讯和状态监测，与控制算法执行模块通过并行总线相连接，同时处理信息。控制系统根据上位机给定参考信息，结合以上控制算法完成对于系统功率模块的控制。
[0052]如图3所示，电流传感器得到的电流信号先后经过跟随器、电平偏置、抗混叠低通滤波以及限幅电路后，输入幅值在OV?5V范围内，从而匹配模数转换电路15的输入要求。
[0053]如图4所示，电机线或相反电动势信号经过分压低通滤波电路后，通过LM239进行信号比较，得到反电动势过零点信号，然后通过光耦HCPL2630完成信号的隔离和电平转换，最终将监测到的含有转子位置信息的反电动势信号传送给FPGA模块进行滤波和估计。
[0054]如图5所示，本发明的模数转换芯片采用的是ADI公司的AD7606，该芯片具有16位精度、8路单端输入通过8个采样保持器可以保证同时采样、I个200KHZ的转换器，接口则可以灵活使用SPI或者并行接口，其功耗在IOOmW左右，该芯片的输入接口内建有限幅电路，以及高达7kV的ESD能力。另外，独立的采样保持器保证了信号的相位关系，200KHz的转换器完全可以满足系统的实时性要求，高速并行接口保证了转换结果高速的输出以减小系统的延时，完善的限幅保护和防静电接口电路则使得该芯片具有较高的可靠性，非常适合工业场合。
[0055]如图6所示，为本发明的直流调制模块5，主要包括两级并行的开关和阻尼负载，另外使用LA28-NP电流传感器时刻检测电流。通过控制T1和QNPN两个开关管完成电机控制电流起动以及电机状态切换。
[0056]如图7所示，为本发明的双通道高速光电隔离电路、脉冲驱动电路和三相桥式逆变电路的电路图，其余4路通道类似。高速光耦HCPL2630实现PWM信号与强电通过的隔离，隔离后的PWM信号经过专用驱动芯片2SD315AI完成功率放大，驱动IGBT半桥模块BSM100GB120DN2,实现信号的功率控制。
[0057]如图8所示，为电机过流保护电路。当电流传感器的输出信号同预定值经过比较器LM139进行比较，产生保护信号。其中TL431为可调电压参考源，通过调节其反馈电阻实现电流比较值的调节。
[0058]如图9所示，本发明所采用的FPGA芯片为ALTERA公司的EP3C40Q240，内部含有40K个LE逻辑单元，集成了 128个18 X 18位的乘法器，含有lOOkByte的RAM以及4个PLL，系统采用50M的晶振作为系统时钟，丰富的逻辑乘法器保证了功率模块控制算法的高速执行，多达126个可用I/O资源，使得FPGA芯片与外围芯片的接口非常方便。丰富的资源可以很方便经济的实现嵌入式软核，通过将硬件资源占用较多的通讯算法采用独立的软核处理器实现并行控制，这样可以大大提高系统执行软起动控制、模型变结构控制以及自适应滤波等算法的执行效率。另外系统外扩了一片1MX 16-bit的FLASH芯片AM29LV160以及1片512X 16-bit的SRAM芯片IS61LV25616，满足系统控制算法对于程序和数据的存储需求。
[0059]FPGA的控制流程如图10所示:系统上电后从配置芯片中加载相关程序信息，成功加载后进入工作模式。系统进入工作模式后首先完成系统自检，若自检不成功，则系统进入故障诊断模式，同时停机并发出故障信号。当系统自检正常时，开始并行执行3部分的工作:(1)独立的电机状态监控和通讯算法，通过检测电机的电流、母线电压和温度等信息，估计电机状态，当出现过流、过流和过热时，电机进入相关异常处理，保护系统。同时负责进行系统的外部通讯功能，将当前系统状态反馈回上位机。(2)系统主程序首先从上位机获得控制参数。当电机起动时，使用默认的控制参数执行电流可控的软起动算法，若电机起动失败，系统根据反馈的电流信息进行自适应控制参数调整，重新进行起动。当电机成功完成软起动，电流达到一定程度后，为了降低系统损耗，使用直流调制模块切换系统状态，同时执行模型变结构算法保证控制系统的稳定性。当转子转速达到额定的60%时，电机模型参数漂移对于反电动势检测信号造成的影响不可忽略，采用自适应滤波算法进行转子位置的估计，实现无传感器无刷直流电机的转速高精度控制。(3 )系统供电装置时刻对主电源进行监测，当发生系统掉电时，将故障信号传送给FPGA模块，一方面系统根据当前电机运行状态执行回馈算法为系统供电装置提供一定时间的稳定电压，另外系统执行异常掉电处理，存储当前设定参数并保存现场数据。
[0060]本发明虽为无传感器无刷直流电机的控制装置，但也可以作为一种通用的控制装置，适用于同步电机或感应电机等三相交流电机的控制，应用者可以根据其特殊的应用领域通过修改软件更改系统硬件参数来灵活方便地实现其功能。
[0061]本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
[0062]以上所述，仅为本发明部分【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种无传感器无刷直流电机的软起动控制装置，其特征在于: 系统供电模块(3):由三相整流桥(2)输出的直流母线电压提供输入，输出5V，±15V以及15V与FPGA模块(19)以及接口电路模块(13)相连接，作为软起动控制装置的电源，同时，在外部交流电源模块(I)失效时，能够将电源失效信号传送给FPGA模块(19)，利用永磁电机(9)制动时通过三相逆变桥(7)回馈至直流母线上电容的电能完成电机系统掉电异常处理； 直流调制模块(5 ):与电容充电限流装置(4 )和逆变模块(8 )相接，用于在永磁电机(9 )起动时进行电流控制，向逆变模块(8)提供可控的电流输入，同时完成永磁电机(9)起动与额定运行两种不同状态之间的切换和监控； 逆变模块(8 ):与直流调制模块(5 )、接口电路模块(13)及永磁电机(9 )相接，用于按照接口电路模块(13)输出的PWM信号，将直流调制模块(5)输入的直流电流或电压信号进行逆变，为永磁电机(9)绕组提供交流电压；所述逆变模块(8)由再生制动模块(6)、三相逆变桥模块(7 )及驱动电路(IO )组成，其中驱动电路模块(IO )将接口电路模块(13 )输出的PWM信号进行放大后一方面驱动三相逆变桥模块(7)完成逆变功能，另一方面驱动再生制动模块(6)用于再生能量消耗； 反电动势检测模块(12 ):与接口电路模块(13 )和永磁电机(9 )相接，对永磁电机(9 )中的A、B、C三相绕组的反电动势信号进行调理与滤波的预处理，得到含有转子位置信息的初始检测信号传送至接口电路模块(13)进行电平转换； 接口电路模块(13 ):由电平转换电路(17 )、模数转换电路(16 )、信号隔离电路(15 )和电流传感器接口电路(14)组成，其中电流传感器接口电路(14)和电平转换电路(17)分别将电流传感器模块(11)输出的电流信号和反电动势调理模块(12 )输出的转子位置信号通过模数转换电路(16 )进行调理与电平转换后输入给FPGA模块(19 )，同时FPGA模块(19 )输出的PWM控制信号通过电平转换电路(17)和信号隔离电路(15)输出至直流调制模块(5)和逆变模块(8)； FPGA模块(19):由FPGA芯片(18)、配置芯片(22)、外扩3狀11(20)及外扩？1^3!1(21)组成，其中配置芯片(22)通过串行总线在整个装置上电时将控制程序配置到FPGA芯片(18)中，外扩SRAM (20)和外扩FLASH (21)通过并行总线与FPGA芯片(18)进行连接，在运行时作为程序与数据存储器；所述FPGA芯片(18)通过接口电路模块(13)接收模数转换后的电流和反电动势信号，并且将控制信号进行电平转换和隔离，实现无传感器无刷直流电机的软起动控制算法以及基于反电动势自适应滤波的高精度转速控制；FPGA芯片(18)集成有软起动算法模块、自适应滤波算法模块、模型变结构控制算法模块和异常掉电故障处理模块，其中软起动算法模块完成电机的可控电流起动功能，并且实时将检测到的电机转速ω和相电流Ix输送给模型变结构控制算法模块；自适应滤波算法模块根据当前的转速ω以及软起动算法模块估计的转子位置Θ进行自适应滤波，得到精确的转子位置化模型变结构控制算法模块根据电机转速ω、相电流Ix以及估算的转子位置进行参数辨识，并采用极点配置的方法进行电机电流PI调节器设计，将设计出的PI调节器的比例和积分参数Kp、Ki实时反馈回软起动算法模块，当切换掉直流调制模块时，系统结构参数发生较大变化，根据当前电机运行状态重新设计PI调节器，更新相关的比例、积分参数，完成模型变结构控制；电源异常掉电时，异常掉电处理模块进行现场数据保存，控制逆变器回馈制动功能，并将异常信号传送给模型变结构算法模块。
2.根据权利要求1所述的无传感器无刷直流电机的软起动控制装置，其特征在于:所述FPGA芯片(18)采用EP3C40Q240芯片作为控制核心芯片。
3.根据权利要求1所述的无传感器无刷直流电机的软起动控制装置，其特征在于:所述FPGA模块(19)采用片上系统SOPC的方法实现了两个32_bit软核处理器:其中一个微处理器负责完成系统的外部通讯和状态监测；另一个微处理器负责系统的起动控制算法、模型变结构控制算法、稳速高精度控制算法以及反电动势自适应滤波算法，两片软核处理器之间采用片内并行总线连接。
4.根据权利要求1所述的无传感器无刷直流电机的软起动控制装置，其特征在于:所述的外部交流电源模块(I)失效时，电机进入发电机模式，FPGA模块(19)通过逆变桥实时控制电机三相的导通顺序，对电机进行回馈控制，此时系统供电模块(3)持续能够正常工作，完成对于系统的供电，实现掉电异常处理。
5.根据权利要求1所述的无传感器无刷直流电机的软起动控制装置，其特征在于:所述软起动算法模块实现过程为: (1)控制电机两相绕组导通，使用PI调节器根据相电流检测值IX，通过控制直流调制模块使绕组电流达到预设值； (2)根据预设的电机参数估计出在当前恒定电流条件下电机的加速时间，并依此进行绕组的换相，完成基于恒流变频的无传感器无刷直流电机的外同步起动； (3)通过反电动势检测电路对电机的反电动势过零点信号进行实时检测，当电机达到一定转速即从外同步切换至依赖反电动势过零点信号的位置信息检测；` (4)电机电流达到预设值时，为降低系统损耗旁路掉直流调制模块，系统控制模型发生变化。此时，根据模型变结构算法模块计算出的结果，实时更新控制器的结构参数，保证系统的性能要求，实现无传感器无刷直流电机的软起动功能。
6.根据权利要求1所述的无传感器无刷直流电机的软起动控制装置，其特征在于:所述自适应滤波算法模块实现过程为: (1)根据软起动算法输入的转速ω和反电动势检测电路参数实时计算对应的延时角度Q1 ; (2)根据软起动算法输入的转速ω和预输入的电机电感和电阻参数估算出延时角度9 2 ； (3)将θ”θ2以及预设的软件计算延时03和反电势信号检测的转子位置Θ进行综合，即得到滤波后的转子位置θ = β-β、-θ2-θ
7.根据权利要求1所述的无传感器无刷直流电机的软起动控制装置，其特征在于:所述模型变结构控制算法模块实现过程为: (1)首先利用最小二乘法进行定周期的系统参数滤波，根据当前电机的绕组电流Ix和转速ω估计出电机绕组的电感、电阻值； (2)根据实际估计的电感、电阻值对电机模型进行调整，采用极点配置的方法进行PI调节器设计，根据设计出的参数来实时更新软起动算法模块中的PI调节器的比例积分参数 Kp、Ki ； (3)控制系统旁路掉直流调制模块时，系统结构参数发生较大变化，此时根据当前的电流、转速状态，设计新结构的调节器，更新软起动算法模块中PI调节器的器比例、积分参数，以满足系统的性能要求，实现模型变结构控制。
8.根据权利要求1所述的无传感器无刷直流电机的软起动控制装置，其特征在于:所述异常掉电故障处理模块实现过程为: (1)保存现场参数，将绕组电流Ix、转子转速ω、目标转速以及PI调节器Kp、Ki当前的系统状态与控制参数，存储至外扩Flash模块中； (2)关闭控制系统除直流调制系统外的所有PWM信号，给出故障信号，永磁电机反电动势电能通过逆变器回馈至电容，为系统供电模块供电。
【文档编号】H02P1/18GK103701367SQ201310291335
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年7月11日 优先权日:2013年7月11日
【发明者】刘刚, 毛琨, 郑世强, 韩邦成, 孙津济 申请人:北京航空航天大学