基于改进型滑模观测器的BLDCM控制系统及控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于改进型滑模观测器的BLDCM控制系统及控制方法，其特征是：通过上位机labview设定电机的额定转速、额定功率、通信设置、电机的正反转参数，进而实现与下位机DSP控制器的通信后，当电压电流传感器检测出相电压和相电流，经调理电路后将电压电流信号传递给FPGA控制器，经XINTF模块传输给DSP控制器的AD采样模块，并在控制系统中经滑模控制算法估算出转子的位置角和转速，并进而实现外环转速内环电流环的双闭环无刷直流电机矢量控制系统。本发明专利技术能够克服现有技术中无刷直流电机必须安装霍尔传感器实现位置信号的控制和传统滑模观测器存在“抖振”的问题以及转子位置角未得到补偿的不足。

【技术实现步骤摘要】
基于改进型滑模观测器的BLDCM控制系统及控制方法
本专利技术涉及一种基于改进型滑模观测器的BLDCM控制系统及控制方法，尤其是一种基于DSP+FPGA的改进型滑模观测器的无位置BLDCM控制系统及控制方法。
技术介绍
由于电子器件、多功能控制器和控制思想的发展，BLDCM控制系统的性能得到很大的提高。BLDCM通过检测转子的位置信号来控制功率管的开通和关断，因而其具有较好调速特性，故而转子位置的检测是十分重要的事情。为获得转子位置，传统的方法是通过位置传感器进行检测，如霍尔传感器；但位置传感器也产生了很多问题，如：(1)电路设计更为复杂；(2)系统的成本费用增加；(3)传感器在恶劣环境下受到干扰易造成检测精度不高。所以，位置传感器产生的影响势必会限制BLDCM的发展和广泛的应用，若能采用其他的检测方法省去位置传感器，同时又能准确得到转子位置的信号，使得电机得到很好地控制，则定将推动BLDCM的发展，因此无位置的BLDCM的控制系统开始备受关注。因此，结合《国家“十三五”发展规划》和《中国制造2025》时代的特点，我国国情和无刷直流电机发展趋势，无位置传感器技术已经成为电机控制领域研究的热点。而BLDCM的应用广泛，如电动车、空调、升降机等领域。20世纪90年代开始，无刷直流电机在电动车和无人机等领域逐渐被广泛应用，而无位置控制技术更为受欢迎。于是近年来，国内许多专家和学者提出很多控制方法，根据现有的学术研究状况，对无传感器的BLDCM的研究主要可归纳为以下几个方面：(1)、采用反电动势法时，虽然能取得BLDCM的正常运行，但也存在起动困难和需进行误差补偿的弱点，因而该控制策略的广泛应用也在一定程度上受到限制。(2)、采用续流二极管法时，需使用6个隔离电源用于比较电路，所以该检测方法也一直未得到广泛的推广。(3)、端电压过零检测法需不断进行转子位置误差补偿，同时增加了硬件电路设计的复杂性。(4)、滑模观测器控制法是与控制对象的参数变化与扰动无关，控制系统具有较好的鲁棒性等优点，在无需知道电机参数的情况下，只需知道BLDCM的母线电压和电流的数据，就能通过SMO(Slidingmodeobserver)估算出转子的位置信息和转速的大小，进而实现电机的稳定运行。该位置检测方法可以很好地减少系统设计成本，并增强了系统的可靠性，减少了控制系统的维护工作。但是由于滑模观测器控制策略存在转子“抖振”的问题，并且转子位置误差未得到补偿，此外控制系统如果选择单一的DSP芯片很难满足既高速又精准的采样信号，因此该控制系统选择基于DSP+FPGA的改进型的滑模控制器的BLDCM控制系统。基于SMO的控制系统结构框图如图2所示，由检测得到的母线电流和电压得信息，然后通过Clark转换得到在静止坐标系下的电流和电压，然后通过滑模观测器估算出转速和转子位置，由SVPWM信号实现控制功率管的开通和关断，从而实现电机的正常运行；但是由于传统滑模观测器控制策略存在转子“抖振”的问题，并且转子位置误差未得到补偿。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于改进型滑模观测器的BLDCM控制系统及控制方法，能够克服现有技术中无刷直流电机必须安装霍尔传感器实现位置信号的控制和传统滑模观测器存在“抖振”的问题以及转子位置角未得到补偿的不足。按照本专利技术提供的技术方案，所述基于改进型滑模观测器的BLDCM控制系统，其特征是：包括由DSP控制器和FPGA控制器组成的控制系统，所述DSP控制器连接上位机、JTAG接口、存储单元、功率驱动模块IPM、电源模块、XINTF模块和晶振复位电路，所述FPGA控制器连接电源模块、XINFT模块、晶振复位电路和调理电路，调理电路连接保护电路，保护电路和功率驱动模块IPM连接。进一步的，所述DSP控制器和上位机通过RS232通信串口连接。所述基于改进型滑模观测器的BLDCM控制方法，其特征是：通过上位机labview设定电机的额定转速、额定功率、通信设置、电机的正反转参数，进而实现与下位机DSP控制器的通信后，当电压电流传感器检测出相电压和相电流，经调理电路后将电压电流信号传递给FPGA控制器，经XINTF模块传输给DSP控制器的AD采样模块，并在控制系统中经滑模控制算法估算出转子的位置角和转速，并进而实现外环转速内环电流环的双闭环无刷直流电机矢量控制系统。进一步的，所述DSP控制器和FPGA控制器与上位机建立通信，接受各种反馈信号、完成转速和位置的估算，矢量算法的计算，占空比的计算并产生PWM。进一步的，实时检测电机的两相的电压和电流，推导出另一相的电压和电流，电压和电流的采样数据发送给FPGA控制器，经FPGA计算后得到iα、iβ、uα、uβ，并经XINTF模块传输给DSP控制顺，并经估算得到电机转子转速和位置的信息。本专利技术引入Sigmoid函数作为滑模观测器的控制函数，以削弱抖振；同时构建反电动势观测器直接提取反电动势信号，并采用锁相环算法以获取电机转子位置和转速，同时在控制系统中实现转子位置的补偿，从而实现该控制系统具有较好的动静稳定性。附图说明图1为基于DSP+FPGA的BLDCM控制系统框图。图2为基于SMO的控制系统结构框图。图3为Sigmoid函数。图4为转子位置和转速估算示意图。图5为BLDCM控制系统软件框图。图6为故障保护框图。图7为传统滑模观测器下转速波形图。图8为改进型滑模观测器下的转速波形图。图9为传统滑模观测器下的转子位置仿真波形图。图10为传统滑模观测器下转子位置局部放大仿真波形图。图11为改进型滑模观测器下的转子位置仿真波形图。图12为改进型滑模观测器下的转子位置局部放大仿真波形图。具体实施方式下面结合具体附图对本专利技术作进一步说明。如图1所示，本专利技术所述基于改进型滑模观测器的BLDCM控制系统包括由DSP控制器1和FPGA控制器2组成的高性能控制系统，所述DSP控制器1连接上位机3、JTAG接口4、存储单元5、功率驱动模块IPM6、电源模块7、XINTF模块8和晶振复位电路12，DSP控制器1和上位机3通过RS232通信串口连接；所述FPGA控制器2连接电源模块7、XINFT模块8、晶振复位电路12和调理电路11，调理电路11连接保护电路10，保护电路10和功率驱动模块IPM6连接。所述DSP控制器和FPGA控制器主要功能是执行各种操作和指令，与上位机建立通信，接受各种反馈信号、完成转速和位置的估算，矢量算法的计算，占空比的计算并产生PWM等，因此利用DSP强大的高速运算能力，既实现无刷直流电机矢量控制算法的快速计算，又缩短控制周期，作为辅助单元，FPGA管理接口配置和数据采样，既实现了对系统的保护又可以协助DSP完成某些运算，减轻DSP负担，提高系统的整体控制性能，从而实现伺服控制系统所需要的具有良好的响应速度与控制精度高的特点。所述功率驱动模块IPM作为电路中的逆变环节，IPM由高速低功耗的IGBT管芯和优化的栅极驱动电路及快速保护电路组成。即模块内部不仅把IGBT功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且还具有过流、过热保护，即使发生负载短路或过热事故，也可以保护IPM不损坏。所述DSP控制器与FPGA控制器通过XINTF模块进行通讯，实现两个控制器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于改进型滑模观测器的BLDCM控制系统，其特征是：包括由DSP控制器(1)和FPGA控制器(2)组成的控制系统，所述DSP控制器(1)连接上位机(3)、JTAG接口(4)、存储单元(5)、功率驱动模块IPM(6)、电源模块(7)、XINTF模块(8)和晶振复位电路(12)，所述FPGA控制器(2)连接电源模块(7)、XINFT模块(8)、晶振复位电路(12)和调理电路(11)，调理电路(11)连接保护电路(10)，保护电路(10)和功率驱动模块IPM(6)连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于改进型滑模观测器的BLDCM控制系统，其特征是：包括由DSP控制器(1)和FPGA控制器(2)组成的控制系统，所述DSP控制器(1)连接上位机(3)、JTAG接口(4)、存储单元(5)、功率驱动模块IPM(6)、电源模块(7)、XINTF模块(8)和晶振复位电路(12)，所述FPGA控制器(2)连接电源模块(7)、XINFT模块(8)、晶振复位电路(12)和调理电路(11)，调理电路(11)连接保护电路(10)，保护电路(10)和功率驱动模块IPM(6)连接。2.如权利要求1所述的基于改进型滑模观测器的BLDCM控制系统，其特征是：所述DSP控制器(1)和上位机(3)通过RS232通信串口连接。3.一种基于改进型滑模观测器的BLDCM控制方法，其特征是：通过上位机labview设定电机的额定转速、额定功率、通信设置、电机的正反转参数，进而实现与下位机...

【专利技术属性】
技术研发人员：程炜涛，武亚恒，王海军，叶甜春，
申请(专利权)人：江苏中科君芯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32