高速大惯量负载用无铁芯无刷直流电机控制系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种高速大惯量负载用无铁芯无刷直流电机控制系统及方法，其技术特点在于：包括无铁芯无刷直流电机、控制系统及其内部的驱动电路；所述控制系统包括信号检测模块、数字控制模块和线性功率驱动模块；所述内部的驱动电路包括：直流电源、电源滤波模块、三相逆变桥、梯形波反电动势无刷直流电机、三相电感、电流检测模块和数字控制器。本发明专利技术能够为高速大惯量飞轮用的无铁芯无刷直流电机的控制提供一种减小启动电流，减小电流换相波动的控制系统，并使大惯量系统能够稳定高速运转。

Control system and method of coreless BLDCM for high speed and large inertia load

【技术实现步骤摘要】
高速大惯量负载用无铁芯无刷直流电机控制系统及方法
本专利技术属于伺服电机控制
，涉及无铁芯无刷直流电机控制系统，尤其是一种高速大惯量负载用无铁芯无刷直流电机控制系统及方法。
技术介绍
飞轮是电机与同轴的惯量体的组合，它通过改变旋转速度，从而改变转子的动量矩，进一步产生与其速度变化率成正比的反作用力矩，因此飞轮的主要用途为转动惯量的储存以及通过与载体进行动量交换向载体输出力矩。飞轮系统常用于航天器姿态控制与飞轮储能电池中。飞轮电机的转速范围和速度控制精度得到很大的提升，当飞轮电机的转速达到上万转每分时，飞轮作为动量的存储装置的能量存储密度甚至会大于电池等化学能源的能量密度，其能量转换效率最高可达到90％，远大于传统的储能方式，同时，其瞬时输出功率也远远大于化学能源。高速飞轮储能用电机应具有以下基本性能要求：额定功率时具有很高的效率、空载时具有很低的损耗。高速飞轮储能系统主要包括飞轮转子、轴承、电动机、电力变换器和控制单元五部分。为带动大惯量负载高速运动，且需满足系统功耗小，所选用的电机一般为无铁芯电机。无铁芯电机定子绕组电感、电阻很小，电气时间常数小，从而会使得基于电压型控制器下的绕组电流不连续、转矩波动大的问题。同时机械时间常数大，电机电感、电阻非常小，系统电流的控制也是系统的难点所在。高速大惯量飞轮用电机的控制问题成为飞轮运行质量的关键所在。通过公开专利文献的检索，发现一篇与本专利技术申请相关的公开专利文献：其专利名称为小电枢电感永磁无刷直流电动机低功耗控制系统，公开号为CN1710801A，该专利技术采用前置降压斩波器的方式，将直流电源电压根据不同的转速进行降压，三相逆变器只负责换相。通过该种方式进行电机驱动及调速。前置降压斩波器，将三相逆变器的直流电压减小，减小PWM峰值，进而减小换相瞬间电流峰值，减小电流脉动。本专利技术采用在三相逆变器及电机之间串接三相电感来减小电流脉动，三相逆变器不仅负责换相，也负责调压调速。通过技术分析，申请人认为，上述公开专利文献与本专利技术申请在技术方案上有较大不同，尤其控制方式及电路结构上存在较大不同。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高速大惯量负载用无铁芯无刷直流电机控制系统及方法，能够为高速大惯量飞轮用的无铁芯无刷直流电机的控制提供一种减小启动电流，减小电流换相波动的控制系统，并使大惯量系统能够稳定高速运转。本专利技术解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：一种高速大惯量负载用无铁芯无刷直流电机控制系统包括无铁芯无刷直流电机、控制系统及其内部的驱动电路；所述控制系统包括信号检测模块、数字控制模块和线性功率驱动模块；所述信号检测模块包括电流检测模块、转速检测模块和A/D转换器，分别用于检测无铁芯无刷直流电机的三相电流和转速，并将采集的三相电流和转速数据通过A/D转换器输出至数字控制模块，为数字控制模块提供控制依据；所述数字控制模块包括数字控制器，用于将信号检测模块提供的信息，根据PI控制算法完成计算，输出控制量；所述线性功率驱动模块包括高速隔离运放模块、大功率运算放大器模块和驱动模块；所述数字控制模块的输出端依次通过高速隔离运放模块、大功率运算放大器模块、驱动模块与无铁芯无刷直流电机相连接，用于将所述数字控制模块输出的模拟量的控制信号与功率级信号相隔离并进行功率放大后，转换为电机绕组高电压和大电流的驱动信号。而且，所述内部的驱动电路包括：直流电源、电源滤波模块、三相逆变桥、梯形波反电动势无刷直流电机、三相电感、电流检测模块和数字控制器；所述直流电源用于为系统提供稳定的电压；所述电源滤波模块用于滤除电源带来的杂波，其包括滤波电感和滤波电容；所述直流电源的正极与滤波电感的一端相连接，该滤波电感的另一端分别与滤波电容和三相逆变桥相连接，所述滤波电容的另一端与直流电源的负极相连接；所述三相逆变桥包括六个桥臂，每个桥臂由一个开关管和一个二极管组成；每个二极管分别反相并联在对应开关管的集电极和发射极两端，该三相逆变桥用于根据六个开关管的状态将直流电转换为三相交流电；在所述三相逆变桥与梯形波反电动势无刷直流电机的三相绕组之间串接三相电感，用于增大系统等效电感，对换相瞬间的电流起缓冲作用；在所述三相电感的每一路上并联一路开关或继电器，用于将串联的三相电感切出；所述电流检测模块包括两个霍尔电流传感器，该霍尔电流传感器与电机绕组串联，用于检测电流大小；所述数字控制器分别与梯形波反电动势无刷直流电机和电流检测模块相连接，用于采集梯形波反电动势无刷直流电机的三相霍尔信号HA,HB,HC和电流检测模块的两相电流信号ia，ib以及启动信号和转速参考信号，输出六个PWM波信号至梯形波反电动势无刷直流电机4，用于控制开关管的开通与关断。一种高速大惯量负载用无铁芯无刷直流电机控制方法，包括以下步骤：步骤1、启动阶段：采用开环控制的方式，通过定时递增占空比来拖动电机达到高速；步骤2、稳定运行阶段：当转速上升至设定转速，切换至闭环调速模式，采用PI控制的方式进行闭环调速，控制频率根据调试结果确定；而且，所述步骤1的具体步骤包括：(1)霍尔传感器检测转子当前位置，数字控制器根据霍尔传感器传递的上升沿、下降沿及当前位置进行换相操作；(2)数字控制器根据霍尔传感器信号采集当前导通的两相的电流，如果电流超出设定值，则关闭PWM输出；(3)当电机转速达到10000转时，电机反电动势已达到同步反电动势的一半时，通过数字控制器将三相电感切出电路。而且，所述步骤2的具体步骤包括：(1)采用PI控制方式，外环为转速环，内环为电流环，是一个比较控制，主要起限流作用；(2)转速环PI控制器根据当前转速与参考转速的误差，得到控制器输出占空比；(3)电流环检测电机相电流，将相电流大小与设定的最大电流值比较，若相电流大于设定值，即减小输出占空比，直至相电流小于设定值为止；(4)在稳速阶段，转速环与电流环的共同作用，使电机转速、电流稳定于参考值。本专利技术的优点和积极效果是：1、本专利技术通过在逆变器与电机绕组之间串接三相电感，且三个电感上分别并联一个开关，用于将电感从电路中切出，从而增大系统的等效电感，抑制换相瞬间电流波动，解决因电机电感小带来的换相电流发生畸变的问题。2、本专利技术采用48V直流电源提供给系统稳定的电压，电源滤波模块滤除电源带来的杂波，防止杂波对硬件电路板的损坏，三相逆变桥根据控制输入将直流电转换为三相交流电。在三相逆变器与电机之间串接三相电感，增大系统等效电感，对换相瞬间的电流起缓冲作用，防止电流发生畸变。3、本专利技术在升速过程中，通过霍尔传感器检测电机转速，调节系统占空比。当转速接近给定转速，进行转速闭环控制，能够精确地调节转速。4、本专利技术驱动方式采用同步整流方式，能够有效减小大电流运行的逆变桥的开关损耗，因无铁芯电机电阻、电感非常小，运行时电流较大。如果采用传统三相六状态的驱动方式，在电路不导通期间，利用开关管本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高速大惯量负载用无铁芯无刷直流电机控制系统，其特征在于：包括无铁芯无刷直流电机、控制系统及其内部的驱动电路；所述控制系统包括信号检测模块、数字控制模块和线性功率驱动模块；/n所述信号检测模块包括电流检测模块、转速检测模块和A/D转换器，分别用于检测无铁芯无刷直流电机的三相电流和转速，并将采集的三相电流和转速数据通过A/D转换器输出至数字控制模块，为数字控制模块提供控制依据；所述数字控制模块包括数字控制器，用于将信号检测模块提供的信息，根据PI控制算法完成计算，输出控制量；所述线性功率驱动模块包括高速隔离运放模块、大功率运算放大器模块和驱动模块；所述数字控制模块的输出端依次通过高速隔离运放模块、大功率运算放大器模块、驱动模块与无铁芯无刷直流电机相连接，用于将所述数字控制模块输出的模拟量的控制信号与功率级信号相隔离并进行功率放大后，转换为电机绕组高电压和大电流的驱动信号。/n

【技术特征摘要】
1.一种高速大惯量负载用无铁芯无刷直流电机控制系统，其特征在于：包括无铁芯无刷直流电机、控制系统及其内部的驱动电路；所述控制系统包括信号检测模块、数字控制模块和线性功率驱动模块；
所述信号检测模块包括电流检测模块、转速检测模块和A/D转换器，分别用于检测无铁芯无刷直流电机的三相电流和转速，并将采集的三相电流和转速数据通过A/D转换器输出至数字控制模块，为数字控制模块提供控制依据；所述数字控制模块包括数字控制器，用于将信号检测模块提供的信息，根据PI控制算法完成计算，输出控制量；所述线性功率驱动模块包括高速隔离运放模块、大功率运算放大器模块和驱动模块；所述数字控制模块的输出端依次通过高速隔离运放模块、大功率运算放大器模块、驱动模块与无铁芯无刷直流电机相连接，用于将所述数字控制模块输出的模拟量的控制信号与功率级信号相隔离并进行功率放大后，转换为电机绕组高电压和大电流的驱动信号。


2.根据权利要求1所述的一种高速大惯量负载用无铁芯无刷直流电机控制系统，其特征在于：所述内部的驱动电路包括：直流电源、电源滤波模块、三相逆变桥、梯形波反电动势无刷直流电机、三相电感、电流检测模块和数字控制器；
所述直流电源用于为系统提供稳定的电压；所述电源滤波模块用于滤除电源带来的杂波，其包括滤波电感和滤波电容；所述直流电源的正极与滤波电感的一端相连接，该滤波电感的另一端分别与滤波电容和三相逆变桥相连接，所述滤波电容的另一端与直流电源的负极相连接；所述三相逆变桥包括六个桥臂，每个桥臂由一个开关管和一个二极管组成；每个二极管分别反相并联在对应开关管的集电极和发射极两端，该三相逆变桥用于根据六个开关管的状态将直流电转换为三相交流电；在所述三相逆变桥与梯形波反电动势无刷直流电机的三相绕组之间串接三相电感，用于增大系统等效电感，对换相瞬间的电流起缓冲作用；
在所述三相电感的每一路上并联一路开关或继电器，用于将串联的三相电感切出；
所述电流检测模块包括两个霍尔电流传...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭婷婷，缪子超，邓丽辉，金琛，魏江峰，王建飞，李璐，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七零七研究所，
类型：发明
国别省市：天津;12