一种可换向的无感FOC电机控制系统及方法与流程

一种可换向的无感foc电机控制系统及方法
技术领域
1.本发明涉及一种可换向的无感foc电机控制系统及方法，属于电气技术技术领域。


背景技术：

2.foc(field-oriented control)，即磁场定向控制，也称矢量变频，是目前无刷直流电机(bldc)和永磁同步电机(pmsm)高效控制的最佳选择。
3.现有技术中，一般无感foc电机控制算法电机在具体的生产作业过程中，无法满足对无位置传感器电机高驱动效率并具有换向的使用需求的应用场合，输出效果不稳定，响应速度满、通用性差且不便于与其他系统连接。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种可换向的无感foc电机控制系统及方法，具有输出效果稳定，响应速度快、通用性好以及便于与其他系统连接的特点。
5.为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
6.第一方面，本发明提供了一种可换向的无感foc电机控制方法，由单片机执行，包括：
7.接收外部信号；
8.对外部信号进行处理得到电机相位电流值；
9.将电机相位电流值通过foc矢量控制算法，得到各输出引脚的占空比；
10.输出各输出引脚的占空比进行电机驱动；
11.对驱动后的电机进行电流闭环阶段操作和电机速度闭环控制；
12.响应于接收到换向指令后，对转子转向进行实时控制。
13.进一步的，所述外部信号由无刷电机相位电流经过采样运放电路放大后，通过采样功率电阻传递得出。
14.进一步的，将电机相位电流值通过foc矢量控制算法，得到各输出引脚的占空比，包括：
15.设定电机速度预设值和电机转向预设值；
16.获取电机的u、v两个相位电流值；
17.将电机的u、v两个相位电流进行clark变换，得到i
α
、i
β
；
18.通过滑膜观测器得出电机转子角度；
19.基于i
α
、i
β
和电机转子角度进行park变换，得到实际电机力矩分量和电机磁链分量；
20.将实际电机力矩分量、电机磁链分量、所述电机速度预设值和电机转向预设值进行pid计算；
21.将计算结果进行反park计算获得输出i
α
、i
β
；
22.将输出i
α
、i
β
经过svpwm变为所述各输出引脚的占空比。
23.进一步的，所述转速和转向的预设值根据对外部通讯通过通信协议发送的转速、转向命令解算后设定，且设定时所述单片机将所获得的电流、电压以及实时转速信息通过通信协议打包发送至外部通讯端。
24.进一步的，通过滑膜观测器得出电机转子角度，包括：
25.根据所述无刷电机参数设定滑膜截面；
26.通过实时校正将滑模观测器模型逼近实际的电机模型；
27.当观测器模型与实际电机模型完全一致时，通过滑膜截面估算电机反电势后，通过反切计算得出所述电机转子角度。
28.进一步的，对驱动后的电机进行电流闭环阶段操作和电机速度闭环控制，其中：
29.电流闭环阶段操作包括：
30.基于外部信号设定电机力矩分量和电机磁链分量参考值；
31.判断电机力矩分量和电机磁链分量参考值和实际值差距是否在允许误差内；
32.当差距在允许误差内时，电机标志位从电流环标志转变为电流、速度闭环标志位；
33.电机速度闭环控制包括：
34.将所述电机速度预设值通过映射计算变为电机力矩分量预设值；
35.通过pid运算将所述实际电机力矩分量值逐步达到所述电机力矩分量预设值。
36.进一步的，响应于接收到换向指令后，对转子转向进行实时控制，包括：接收到换向指令后，当原本电机旋转方向为轴向逆时针旋转时，通过软件将电机接线更换，同时将所述驱动电路中的v相输出桥臂、u相输出桥臂重新定义为u相输出桥臂、v相输出桥臂。
37.第二方面，本发明提供了一种可换向的无感foc电机控制系统，包括：
38.信号接收模块：用于接收外部信号；
39.电机相位电流值计算模块：用于对外部信号进行处理得到电机相位电流值；
40.占空比输出模块：用于将电机相位电流值通过foc矢量控制算法，得到各输出引脚的占空比；
41.电机驱动模块：用于输出各输出引脚的占空比进行电机驱动；
42.电机控制模块：用于对驱动后的电机进行电流闭环阶段操作和电机速度闭环控制；
43.转子转向控制模块：用于响应于接收到换向指令后，对转子转向进行实时控制。
44.第三方面，本发明提供了一种可换向的无感foc电机控制装置，包括处理器及存储介质；
45.所述存储介质用于存储指令；
46.所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据上述任一项所述方法的步骤。
47.第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述任一项所述方法的步骤。
48.与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
49.本发明公开了一种可换向的无感foc电机控制器及其控制方法，可以适用于具体的生产作业过程中，满足对无位置传感器电机高驱动效率并具有换向的使用需求的应用场合，具有输出效果稳定，响应速度快、通用性好以及便于与其他系统连接的特点。
附图说明
50.图1是本发明实施例一提供的电机控制器原理图；
51.图2是本发明实施例一提供的电机控制器整体控制流程图；
52.图3是本发明实施例一提供的电机控制器换向部分控制流程图。
具体实施方式
53.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
54.实施例一：
55.为解决在具体的生产作业过程中，对无位置传感器电机高转化效率并有换向的使用需求，本发明专利设计了一种可换向的无感foc电机控制器(下文简称为控制器)及其控制方法，可以适用于具体的生产作业过程中，满足对无位置传感器电机高驱动效率并具有换向的使用需求的应用场合，具有输出效果稳定，响应速度快、通用性好以及便于与其他系统连接的特点。
56.本方案包括硬件平台与软件控制部分，硬件平台由主控电路、控制电源电路、功率电源电路、逆变电路以及反馈采样电路组成，其中：
57.主控电路由单片机、单片机外围支撑电路和通讯接口组成，其中单片机与单片机外围支撑电路结合，实现单片机顺利计算运行，通讯接口与单片机连接，负责与外部其他控制系统通讯连接，便于外部控制系统读取、更改单片机内部参数。
58.控制电源电路由控制电源输入接口、防反接元器件、滤波电容以及电源模块组成。当所述控制器控制电源输入通过所属控制电源输入接口，经过所述防反接元器件，如控制电源正负接反，则所述防反接元器件不导通，用以保护后端元器件，电流最后抵达所述电源模块，所述电源模块将外部输入控制电源转变为单片机所需驱动电压，为所述单片机提供电源。
59.功率电源电路负责为所述控制器整体提供功率电源，由功率电源输入接口、功率电源防反接元器件以及支撑电容组成，功率电源由所述功率电源输入接口输入，经过所述功率电源防反接元器件，如功率电源正负接反，则所述功率电源防反接元器件不导通，用以保护后端元器件，经由所述支撑电容滤波后，传递至所述逆变电路。
60.逆变电路由电机输出接口、所述驱动芯片以及六个驱动功率管组成，所述驱动芯片输入端通过接收所述单片机发出的驱动信号，经过所述驱动芯片加大电流、电压，分别发送至所述六个驱动功率管，以达到驱动电机的目的；所述驱动功率模块通过基极接收驱动信号，驱动集电极和发射极导通或关闭，用以向外输出驱动。所述六个驱动功率管两两组合分别组成上、下臂桥，其中上臂桥共三个驱动功率管，下臂桥共三个驱动功率管。上臂桥发射极连接所述电机输出接口，集电极连接功率电，下臂桥发射极连接功率采样电阻，集电极连接所述电机输出接口。
61.反馈采样电路由运放模块、运放放大电阻以及所述功率采样电阻组成，所述功率采样电阻一端与所述驱动功率管下臂桥发射机连接，另一端接地，负责将驱动无刷电机的电流转化为电压信号，传递至所述运放模块，所述运放模块与所述运放放大电阻相互作用，将所述功率采样电阻转化生成的电压信号进行放大处理，将处理后的电压信号传递至所述
单片机。
62.软件控制部分负责将外部信号进行处理，根据外部信号处理结果判断无刷电机相位电流数值，通过将电机相位电流值结合电机参数，得出电机转子实际位置，以确定转子角度，实现无位置传感器判断无刷电机转子位置的目的。其中，外部信号来源为所述采样功率电阻将所述无刷电机相位电流，经过采样运放电路放大后传递单片机得出的。
63.软件部分整体驱动电机算法置于单片机pwm中断进行，所述软件控制部分整体控制方式采用foc矢量控制算法，具体为将所述无刷电机的u、v两个相位电流iu、iv通过clark变换iα、iβ(iα、iβ分别为静态α轴、β轴电流数值)，通过滑膜观测器获得电机转子角度，park变换为iq、id，根据矢量分量情况，iq为电机力矩分量，id为电机磁链分量，iq以及id通过矢量结合可得出电机转子实际运行状态，将实际值iq以及id与预设值进行pid计算，将计算结果进行反park计算得出需要输出的i
α
、i
β
，将i
α
、i
β
经过svpwm计算器变为所述单片机各输出引脚的占空比，进而实现电机驱动。
64.电机转子角度通过滑膜观测器得出，具体方法为根据所述无刷电机参数，设定滑膜截面，实际电机电流模型中包含扩展反电动势的大小，所述滑模观测器模型，能够通过实时校正，逐步的逼近实际的电机模型，当观测器模型与实际电机模型完全一致的时候，观测器模型内的扩展反电动势参数即为需要的实际电机扩展反电动势，通过滑膜截面估算电机反电势e
α
、e
β
，将获得的反电势通过反切计算，得出当前电机转子的估算角度。
65.所述svpwm的主要思想是以三相对称正弦波电压供电时三相对称电动机定子理想磁链圆为参考标准，以三相逆变器不同开关模式作适当的切换，从而形成pwm波，以所形成的实际磁链矢量来追踪其准确磁链圆。具体方式为，通过解算相位电流确定svpwm区间，各区间各pwm开启通道占空比不同，通过控制各通道开启占空比程度，用以控制各驱动功率管开启程度，以达到所述驱动电路输出正弦电流波形的目的。
66.所述软件部分转速、转向输入由所述通讯接口部分通过外部通讯获得，具体方式为外部通讯通过通信协议发送转速、转向命令至所述单片机，所述单片机通过解算通讯命令设定预设转速以及旋转方向，同时所述单片机将所获得的电流、电压以及实时转速信息通过通信协议打包发送至外部通讯端，实现全双工通讯。
67.软件控制部分整体流程分为三个阶段，分别为强拖阶段，电流闭环运行阶段以及电流、速度闭环阶段，三个阶段分时进行，前一阶段结束后标志出现，开始进入到下一阶段。
68.所述电机标志位默认为停止位，当所述单片机接收运行命令后，开始进行所述软件控制部分。
69.所述强拖阶段，设定所述驱动电路一相导通高桥臂输出为一个定值，其余两相低桥臂接地，设定后，所述电机转子角度被强制拖拽至一个固定角度，设定该角度为电机0
°
，强拖时间设定方式为延时，强拖结束后标志为延时结束，电机标志位变为电流环标志，控制进行至电流闭环阶段。
70.电机标志位变为电流环标志后，进入所述电流闭环阶段，首先根据外部通讯，输入所述无刷电机的旋转方向以及预设转速。设定iq、id的参考值，该参考值为固定值，与预设值无关，通过foc整体计算，驱动电机进行转动，当设定的id与实际id差距在允许误差内时，电机标志位从电流环标志转变为电流、速度闭环标志位，所述电流闭环阶段结束，控制程序进入所述电流、速度闭环阶段。
71.当控制程序进入所述电流、速度闭环阶段时，开始对电机速度进行闭环控制，所述电机速度预设值通过映射计算变为iq预设值，通过pid运算将所述实际iq值逐步达到所述iq预设值，以达到电机预设转速。
72.本方法相对于一般无感foc电机控制算法电机机械换向不同的是，当单片机接收到换向指令后，可对转子转向进行实时控制：单片机接收到换向指令后，当原本电机旋转方向为ccw(轴向逆时针旋转)时，将所述单片机将反馈采样电路所采集的iu、iv电流重新定义为iv、iu即通过软件将电机接线更换，同时将所述驱动电路中的v相输出桥臂、u相输出桥臂重新定义为u相输出桥臂、v相输出桥臂，以达到将原本ccw转变为cw(轴向顺时针旋转)的软件换向效果。当所述单片机接收停止信号时，所述单片机pwm输出通道全部停止输出pwm信号，同时电机标志位变为停止位，等待下一次运行命令到来。
73.实施例二：
74.一种可换向的无感foc电机控制系统，可实现实施例一所述的一种可换向的无感foc电机控制方法，包括：
75.信号接收模块：用于接收外部信号；
76.电机相位电流值计算模块：用于对外部信号进行处理得到电机相位电流值；
77.占空比输出模块：用于将电机相位电流值通过foc矢量控制算法，得到各输出引脚的占空比；
78.电机驱动模块：用于输出各输出引脚的占空比进行电机驱动；
79.电机控制模块：用于对驱动后的电机进行电流闭环阶段操作和电机速度闭环控制；
80.转子转向控制模块：用于响应于接收到换向指令后，对转子转向进行实时控制。
81.实施例三：
82.本发明实施例还提供了一种可换向的无感foc电机控制装置，可实现实施例一所述的一种可换向的无感foc电机控制方法，包括处理器及存储介质；
83.所述存储介质用于存储指令；
84.所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行下述方法的步骤：
85.接收外部信号；
86.对外部信号进行处理得到电机相位电流值；
87.将电机相位电流值通过foc矢量控制算法，得到各输出引脚的占空比；
88.输出各输出引脚的占空比进行电机驱动；
89.对驱动后的电机进行电流闭环阶段操作和电机速度闭环控制；
90.响应于接收到换向指令后，对转子转向进行实时控制。
91.实施例四：
92.本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，可实现实施例一所述的一种可换向的无感foc电机控制方法，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现下述方法的步骤：
93.接收外部信号；
94.对外部信号进行处理得到电机相位电流值；
95.将电机相位电流值通过foc矢量控制算法，得到各输出引脚的占空比；
96.输出各输出引脚的占空比进行电机驱动；
97.对驱动后的电机进行电流闭环阶段操作和电机速度闭环控制；
98.响应于接收到换向指令后，对转子转向进行实时控制。
99.本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
100.本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
101.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
102.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
103.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。