一种基于FPGA的无刷直流电机节能控制系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于FPGA的无刷直流电机节能控制系统及控制方法，包括电源模块、功率驱动模块、电流检测模块、AD转换模块、过压保护模块、以FPGA为核心的数据处理单元和无刷直流电机，电流检测模块采集无刷直流电机的电流，送入AD转换模块，得到无刷直流电机三相的相电流信号，传送给以FPGA为核心的数据处理单元；无刷直流电机产生的转子位置信号传送给以FPGA为核心的数据处理单元；以FPGA为核心的数据处理单元根据接收的信号得到PWM信号，将PWM信号与换相信号传送给功率驱动模块；功率驱动模块根据接收的信号产生控制信号，控制无刷直流电机。本发明专利技术结构简单、易于实现，并且能够提高电机功率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA的无刷直流电机节能控制系统及控制方法
本专利技术属于无刷电机控制领域，尤其涉及一种能够提高电力效率的，基于FPGA的无刷直流电机节能控制系统及控制方法。
技术介绍
无刷电机诞生于20世纪60年代后期，是伴随着永磁材料技术、微电子及电力电子技术、控制技术等迅速发展而出现的一种新型电机。无刷直流电机跟其他电机相比，转矩的平稳性较差，电机耗能增加，效率降低。目前，优化电机性能的方法大都是典型的基于电机损耗模型的优化方法，基于电机损耗模型的优化方法很大程度上依赖电机参数，这些参数会随着电机的不同运行状态改变，需要对损耗模型参数进行在线辨识，实现过程比较复杂。在实际应用中，要对电机的模型进行简化，根据抽象的优化数学模型获得近似最优解，该值与实际最优值之间存在偏差，这样对电机效率的优化效果并不明显，只能实现次优控制。在实际应用中，由于设计和制作工艺的问题，导致无刷直流电机反电动势波形与电流波形不同相位，因为每相电压和电流谐波的乘积是输出功率，在每个周期输出功率会有负值，平均功率会降低，影响了电机的性能，增加了电机损耗，限制了直流无刷电机在高精度系统中的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种实现过程简单的，基于FPGA的无刷直流电机节能控制系统，本专利技术的目的还包括提供一种能够提高电机效率的，基于FPGA的无刷直流电机节能控制方法。一种基于FPGA的无刷直流电机节能控制系统，包括电源模块、功率驱动模块、电流检测模块、AD转换模块、过压保护模块、以FPGA为核心的数据处理单元和无刷直流电机，电源模块为功率驱动模块、电流检测模块、AD转换模块、以FPGA为核心的数据处理单元和无刷直流电机供电；过压保护模块采集电源模块的电压，产生过压信号传送给以FPGA为核心的数据处理单元；电流检测模块采集无刷直流电机的电流，送入AD转换模块，得到无刷直流电机三相的相电流信号，传送给以FPGA为核心的数据处理单元；无刷直流电机产生的转子位置信号传送给以FPGA为核心的数据处理单元；以FPGA为核心的数据处理单元根据接收的转子位置信号，产生换相信号，采用节能控制方法，得到三相电流控制量，以FPGA为核心的数据处理单元包括滞环电流调节模块，将三相电流控制量与三相的相电流信号的差值传送给滞环电流调节模块，得到PWM信号，将PWM信号与换相信号传送给功率驱动模块；功率驱动模块根据接收的信号产生控制信号，控制无刷直流电机。一种基于FPGA的无刷直流电机节能控制方法，包括以下几个步骤，步骤一：无刷直流电机正常运转，过压保护模块采集电源模块的电压，产生过压信号传送给以FPGA为核心的数据处理单元；步骤二：无刷直流电机自带的霍尔传感器检测电机的转子位置，然后把霍尔传感器产生的霍尔信号送到FPGA处理芯片，产生换相信号；步骤三：电流检测模块采集无刷直流电机的电流，送入AD转换模块，得到无刷直流电机三相的相电流信号ia(t)、ib(t)和ic(t)；步骤四：根据三相的相电流信号ia(t)、ib(t)和ic(t)计算得到三相电流控制量i'a(t)、i'b(t)和i'c(t)，其中g是三相电流i'a(t)、i'b(t)和i'c(t)的增益，eam(t)、ebm(t)、ecm(t)为不包含零序分量的三相反电动势；步骤五：将三相电流控制量i'a(t)、i'b(t)和i'c(t)与三相的相电流信号ia(t)、ib(t)和ic(t)的差值经过滞环电流调节，输出PWM信号；步骤六：功率驱动模块根据接收的PWM信号与换相信号，产生控制信号，控制无刷直流电机运转。有益效果：本专利技术就是采用电流波形追踪计算出的不包含零序谐波的反电动势波形实现无刷直流电机节能而设计的，保证电机的反电动势波形与电流波形同相位，并且不依赖电机参数。本专利技术控制方法采用定子电流波形追踪不包含零序谐波的反电动势波形的方法，提高电机的效率，不依赖电机参数，精度提高；核心处理器采用FPGA，该专利技术不仅需要硬件电路的设计，还需要复杂的软件算法和控制方法加以实现，来保证电机的正常运行。运算速度快与数据处理能力强的FPGA芯片为核心的控制系统可以实现更复杂的控制算法。本专利技术涉及一种基于FPGA的无刷直流电机节能控制系统，采用运算速度快与数据处理能力强的FPGA芯片作为核心的数据处理单元，可以实现复杂的控制算法，运用数字控制技术实现对无刷直流电机的控制。本专利技术中采用的节能方法不需要对电机的模型进行简化，不依赖电机参数，实现过程简单，能够克服由于设计和制作工艺问题造成的无刷直流电机反电动势波形与电流波形不同相位的问题，保证无刷直流电机的效率得到提高，具有着深远的学术意义。附图说明图1为本专利技术控制系统的基本组成框图；图2为本专利技术控制的数据处理单元FPGA芯片的原理图；图3(a)为反电动势波形的谐波分析图，图3(b)为消除零序谐波后的反电动势波形的谐波分析图；图4为霍尔信号与电流流向的关系表。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术做进一步详细说明。一种基于FPGA的无刷直流电机节能的控制系统，包括电源模块、功率驱动模块、电流检测模块、AD转换模块、过压保护模块、以FPGA为核心的数据处理单元；过压保护模块对直流侧母线电压进行检测，电流检测模块连接AD模块，AD转换模块分别连接以FPGA为核心的数据处理单元，以FPGA为核心的数据处理单元连接功率驱动模块，电源模块为上述各模块供电。电机连接该系统的电流检测模块、功率驱动模块和过压保护模块。以FPGA为核心的数据处理单元由EP3C16Q240C8的外围硬件电路组成。本专利技术还提供一种基于FPGA的无刷直流电机节能控制方法，包括如下步骤：(1)无刷直流电机的三相电压分别用ea(t)、eb(t)、ec(t)表示，三相电流分别用ia(t)、ib(t)、ic(t)表示，并对它们进行傅里叶变换，而每相电压和电流谐波乘积的和是电磁功率，设为Pe。所以在计算电磁功率的值时，应该把各次谐波都考虑在内。要使电机的效率提高，那么每相电压和电流的谐波应该保持同相位，另外电流的均方根值和电压的均方根值分别等于额定电流和额定电压也是约束条件之一，可得到定子电流跟反电动势的关系。本专利技术采用线性追踪思想，使电流波形追踪计算出的反电动势波形，该反电动势波形中不包含零序谐波。(2)要消除反电动势EMF的零序分量，本专利技术采用零序消除的方法，也就是三相反电动势的叠加减去零序谐波以后等于其他次谐波，而其他次谐波的叠加为零，由此可推出不包含零序谐波的反电动势。如图1所示，一种基于FPGA的无刷直流电机节能的控制系统，有电源模块、功率驱动模块、电流检测模块、AD转换模块、过压保护模块、以FPGA为核心的数据处理单元；过压保护模块对直流侧母线电压进行检测，电流检测模块连接AD模块，AD转换模块分别连接以FPGA为核心的数据处理单元，以FPGA为核心的数据处理单元连接功率驱动模块，电源模块为上述各模块供电。包括如下部分：(1)电源模块为其他各个模块供电，保证整个控制系统能够正常工作；(2)过压保护模块是对步骤(1)中电源模块提供的直流母线电压进行检测，把产生的过压信号送到FPGA处理芯片；(3)为了保证无刷直流电机能够正常运转，通过无刷直流电机自带的霍尔传感器检测电机的转子位置，然后把霍尔传感器产生的霍尔本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于FPGA的无刷直流电机节能控制系统，其特征在于：包括电源模块、功率驱动模块、电流检测模块、AD转换模块、过压保护模块、以FPGA为核心的数据处理单元和无刷直流电机，电源模块为功率驱动模块、电流检测模块、AD转换模块、以FPGA为核心的数据处理单元和无刷直流电机供电；过压保护模块采集电源模块的电压，产生过压信号传送给以FPGA为核心的数据处理单元；电流检测模块采集无刷直流电机的电流，送入AD转换模块，得到无刷直流电机三相的相电流信号，传送给以FPGA为核心的数据处理单元；无刷直流电机产生的转子位置信号传送给以FPGA为核心的数据处理单元；以FPGA为核心的数据处理单元根据接收的转子位置信号，产生换相信号，采用节能控制方法，得到三相电流控制量，以FPGA为核心的数据处理单元包括滞环电流调节模块，将三相电流控制量与三相的相电流信号的差值传送给滞环电流调节模块，得到PWM信号，将PWM信号与换相信号传送给功率驱动模块；功率驱动模块根据接收的信号产生控制信号，控制无刷直流电机。

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的无刷直流电机节能控制系统，其特征在于：包括电源模块、功率驱动模块、电流检测模块、AD转换模块、过压保护模块、以FPGA为核心的数据处理单元和无刷直流电机，电源模块为功率驱动模块、电流检测模块、AD转换模块、以FPGA为核心的数据处理单元和无刷直流电机供电；过压保护模块采集电源模块的电压，产生过压信号传送给以FPGA为核心的数据处理单元；电流检测模块采集无刷直流电机的电流，送入AD转换模块，得到无刷直流电机三相的相电流信号，传送给以FPGA为核心的数据处理单元；无刷直流电机产生的转子位置信号传送给以FPGA为核心的数据处理单元；以FPGA为核心的数据处理单元根据接收的转子位置信号，产生换相信号，采用节能控制方法，得到三相电流控制量，以FPGA为核心的数据处理单元包括滞环电流调节模块，将三相电流控制量与三相的相电流信号的差值传送给滞环电流调节模块，得到PWM信号，将PWM信号与换相信号传送给功率驱动模块；功率驱动模块根据接收的信号产生控制信号，控制无刷直流电机；所述的节能控制系统的控制方法，包括以下几个步骤，步骤一：无刷直流电机正常运转，过压保护模...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵凯岐，胡青青，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23