一种基于51单片机的无刷直流电机转速控制方法技术

一种基于51单片机的无刷直流电机转速控制方法，增加电机相电流采样电路，采样出电机相线的电流，使用滑模电流观测器实时计算出无刷直流电机的电角度，通过相关计算得到电机的机械转速；采用查表的计算方式，提高滑模电流观测器的计算速度，降低51单片机的使用资源，提高51单片机的效率；对无刷直流电机HALL信号使用两个一阶低通滤波器进行速度滤波，得出的结果和滑模电流观测器的计算出的电机机械转速做处理，在不同标定的转速上进行权重分配，从而得出电机的实时转速，进而提高电机的转速精度；通过查表和定标处理速度环和电流环的计算，可以提高整个51单片机运算的速度；满足高性能的要求，在不提高成本的方式下，满足各类需求。需求。需求。

【技术实现步骤摘要】
一种基于51单片机的无刷直流电机转速控制方法


[0001]本专利技术属于无刷直流电机控制领域，具体涉及一种基于51单片机的无刷直流电机转速控制方法。

技术介绍

[0002]原有的基于8位单片机的无刷直流电机的控制只能采用速度环进行控制，并且由于8位单片机的处理速度以及采样精度根不上，导致速度采集、速度计算、以及输出速率慢，从而整个电机的转速控制精度只能保持在
±
10％，在某些特定客户的要求下无法满足客户全量程
±
2％需求。

技术实现思路

[0003]针对上述
技术介绍
中存在的问题，提出一种一种基于51单片机的无刷直流电机转速控制方法，包括如下步骤：
[0004]步骤1，无刷直流电机中增加电机相电流采样电路，输出电机相线的电流；此外采集并输出无刷直流电机的HALL信号；
[0005]步骤2，输出的电流信号和HALL信号通过一阶低通滤波器进行滤波；
[0006]步骤3，对于输出的电流信号，设计滑模电流观测器进行采样补偿；
[0007]步骤4，通过电流差分放大器，得出相线电流，计算得出实际的电流，得到估算电流和实际电流的误差，根据误差调整滑模电流观测器的输出；
[0008]步骤5，得出的滑模电流观测器的输出后，经过一阶低通滤波器得出反电动势估算值，带入滑模电流观测器的方程，得出电流估算值，循环直到得出稳定的滑模电流观测器输出；
[0009]步骤6，对反电动势估算值在通过一阶低通滤波器进行滤波，通过笛卡尔坐标平面转换，得出角度值，在通过一阶低通滤波器进行滤波，得出电机的电转速，知道电机的极数，就可以计算出电机的机械转速；
[0010]步骤7，对于滤波后的HALL信号和滑模电流观测器的计算出的电机机械转速，在不同标定的转速上进行权重分配补偿，从而得出补偿后的电机机械转速，即电机的实时转速。
[0011]本专利技术达到的有益效果为：
[0012](1)提出一种基于51单片机的无刷直流电机转速控制方法，不采用传统的浮点数运算，通过查表和定标处理速度环和电流环的计算，可以提高整个51单片机运算的速度。
[0013](2)由于51单片机的处理速率以及相关输入口的采样速率低，因此无刷直流电机HALL信号采样出的速度信号波动较大，对于该问题在硬件电路上增加一路电流差分放大器，采样出电机相线的电流，使用滑模电流观测器实时计算出无刷直流电机的电角度，通过相关计算得到电机的机械转速，为了提高滑模电流观测器的计算速度，采用查表的计算方式，降低51单片机的使用资源，提高51单片机的效率。
[0014](3)在对无刷直流电机HALL信号使用两个一阶低通滤波器进行速度滤波，得出的
结果和滑模电流观测器的计算出的电机机械转速做处理，在不同标定的转速上进行权重分配，从而得出电机的实时转速，进而提高电机的转速精度。
[0015](4)不仅可以在51单片机低端内核下可靠的运行，满足低成本，并且使用电流采样电路、采用滑模观测器补偿和HALL速度在不同标定的转速上进行权重分配补偿、以及各种降低51单片机CPU使用率的查表、定标方式，满足高性能的要求，在不提高成本的方式下，满足各类需求。
附图说明
[0016]图1为本专利技术实施例中的电机相电流采样电路图。
[0017]图2为本专利技术实施例中的低通滤波器的电路模型图。
[0018]图3为本专利技术实施例中的算法控制模型图。
[0019]图4为本专利技术实施例中的仿真滑模电流观测器电路结构图。
[0020]图5为本专利技术实施例中的仿真波形图。
[0021]图6为本专利技术实施例中的仿真一阶低通滤波器电路结构图。
[0022]图7为本专利技术实施例中的仿真低通滤波效果图。
[0023]图8为本专利技术实施例中的软件流程具体实现示意图。
[0024]图9为本专利技术实施例中的设定电机运行速度曲线图。
[0025]图10为本专利技术实施例中的实际电机运动速度曲线图。
[0026]图11为本专利技术实施例中的电流设定值曲线图。
[0027]图12为本专利技术实施例中的电流实际值曲线图。
具体实施方式
[0028]下面结合说明书附图对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明。
[0029]一种基于51单片机的无刷直流电机转速控制方法，首先，从硬件设计上增加一路电机相电流采样电路，具体电路如图1。
[0030]采用差分放大电路，放大倍数为25.5，使用该电路可以将电机运行过程中的噪音通过差分的方式滤除掉，然后再CVREF基础上输出电压增加或者减小，在硬件中得出稳定的电流信号，然后在软件中采用低通滤波器进行信号滤波，软件低通滤波器的电路模型，如图2。
[0031]如图2可知，该电路模型的输入阻抗Z
i
为：
[0032][0033]通过相关数学推导得出一阶数字化低通滤波器的公式：
[0034]u
o
(n)＝u
o
(n
‑
1)+Ts2πfc(u
i
(n)
‑
u
o
(n
‑
1))
[0035]fc即为滤波器的截止频率，Ts为采样时间。
[0036]由于采用一阶数字化低通滤波器会导致软件相位延迟，具体计算公式如下：
[0037][0038]通过计算得出相位延迟值，经过低通滤波器后比正常相位滞后90度，因此加入相位补偿，，提高转速采样的实时性，提高转速精度。
[0039]由于51单片机的处理速率以及相关输入口的采样速率低，因此无刷直流电机HALL信号采样出的速度信号(电机相电流采样电路是滑膜观测器采样出来的，HALL信号是通过MCU的GPIO采样出来的)波动较大，因此采用滑模电流观测器进行速度采样补偿，由于实际电机电流模型中包含扩展反电动势的大小，如果设计的滑模观测器模型，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大小，因此可以计算出电机电转速，知道电机的极数，就可以计算出电机的机械转速。
[0040]利用基尔霍夫电压定律，可以将电机模型表示为：
[0041][0042]式中u
s
、i
s
、e
s
分别代表电压合成矢量、电流合成矢量、反电动势合成矢量，将上式电机模型表示在两轴静止坐标系下，表示如下：
[0043][0044][0045]最终得出滑模电流观测器的方程，其中i
s*
为电流估算值，e
s*
为反电动势估算值，z为滑模电流观测器输出：
[0046][0047]在对无刷直流电机HALL信号使用两个一阶低通滤波器进行速度滤波，得出的结果和滑模电流观测器的计算出的电机机械转速做处理，在不同标定的转速上进行权重分配，从而得出电机的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于51单片机的无刷直流电机转速控制方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：步骤1，无刷直流电机中增加电机相电流采样电路，输出电机相线的电流；此外采集并输出无刷直流电机的HALL信号；步骤2，输出的电流信号和HALL信号通过一阶低通滤波器进行滤波；步骤3，对于输出的电流信号，设计滑模电流观测器进行采样补偿；步骤4，通过电流差分放大器，得出相线电流，计算得出实际的电流，得到估算电流和实际电流的误差，根据误差调整滑模电流观测器的输出；步骤5，得出的滑模电流观测器的输出后，经过一阶低通滤波器得出反电动势估算值，带入滑模电流观测器的方程，得出电流估算值，循环直到得出稳定的滑模电流观测器输出；步骤6，对反电动势估算值在通过一阶低通滤波器进行滤波，通过笛卡尔坐标平面转换，得出角度值，在通过一阶低通滤波器进行滤波，得出电机的电转速，再基于电机的极数，计算出电机的机械转速；步骤7，对于滤波后的HALL信号和滑模电流观测器的计算出的电机实时转速，在不同标定的转速上进行权重分配补偿，从而得出补偿后的电机机械转速，即电机的实时转速。2.根据权利要求1所述的一种基于51单片机的无刷直流电机转速控制方法，其特征在于：步骤1中，电机相电流采样电路采用差分放大电路，放大倍数为25.5，使用该电路将电机运行过程中的噪音通过差分的方式滤除，然后在参考电压CVREF基础上增加或者减小输出电压，得到稳定的电流信号。3.根据权利要求1所述的一种基于51单片机的无刷直流电机转速控制方法，其特征在于：步骤2中，对无刷直流电机HALL信号使用两个一阶低通滤波器进行速度滤波，并计算得到一阶低通滤波器的相位延迟值，对应设置相位补偿。4.根据权利要求1所述的一种基于51单片机的无刷直流电机转速控制方法，其特征在于：步骤3中，首先利用基尔霍夫电压定律，将电机模型表示为：式中u
s
、i
s
、e
s
分别代表电压合成矢量、电流合成矢量、反电动势合成矢量，R为电机等效电压，L为电机等效...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱宇，唐成文，周易林，赵建兴，
申请(专利权)人：常州富兴机电有限公司，
类型：发明
国别省市：