本發(fā)明機電一體化技術領域，具體說是涉及一種無刷線圈激磁直流電機無位置傳感器dsp控制系統(tǒng)。

背景技術：

無刷線圈激磁直流電機是在無刷直流電機的基礎上設計的，雖然無刷直流電機在工業(yè)領域中得到了日益廣泛的應用，電機的控制技術也日趨成熟，但無刷直流電機中永磁體的存在仍有其不足之處：成本較高、永磁轉子激磁磁通無法控制、恒功率運行區(qū)間變小導致電機速度擴展能力有限以及存在永磁體的退磁風險等問題。因此為改善無刷直流電機永磁體存在的缺點，設計了無刷線圈激磁直流電機以及電機控制系統(tǒng)。但是傳統(tǒng)的電機控制系統(tǒng)都依賴于轉子位置傳感器的位置閉環(huán)系統(tǒng)，位置傳感器不僅削弱了電機結構簡單的優(yōu)勢，而且降低了系統(tǒng)高速運行的可靠性，又給安裝、調試帶來了很大不便，難以實現(xiàn)電機的高速運行。本發(fā)明就是為了消除位置傳感器對控制系統(tǒng)的影響，對無刷線圈激磁直流電機驅動系統(tǒng)裝置進行無位置傳感器設計。

技術實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的

本發(fā)明的目的在于為無刷線圈激磁直流電機提供一種無位置傳感器控制系統(tǒng)，形成一種新型電機驅動系統(tǒng)，解決了無刷線圈激磁直流電機控制系統(tǒng)依賴于轉子位置傳感器的方式存在的問題，減小了系統(tǒng)的成本，降低了系統(tǒng)的復雜性，提高了系統(tǒng)的可靠性及堅固性。

技術方案

一種無刷線圈激磁直流電機無位置傳感器dsp控制系統(tǒng)，其特征在于：主要包括無刷線圈激磁直流電機、控制器dsp、三相功率變換電路、單相功率變換電路、電流檢測電路、電壓檢測電路、igbt驅動模塊、接口電路、光耦隔離電路、ad轉換電路、保護電路、電源模塊；電壓檢測電路、電流檢測電路與無刷線圈激磁直流電機相連接，電壓檢測電路、電流檢測電路與ad轉換電路相連接，ad轉換電路與控制器dsp相連接；控制器dsp與光耦隔離電路相連接，光耦隔離電路與igbt驅動模塊相連接；igbt驅動模塊分別與三相功率變換電路和單相功率變換電路相連接；三相功率變換電路的輸出端與無刷線圈激磁直流電機的a、b、c三相勵磁繞組相連接；單相功率變換電路輸出端與激磁線圈相連接；控制器dsp與接口電路相連接；保護電路與控制器dsp相連接；電源模塊分別為igbt驅動模塊、電壓檢測電路、電流檢測電路、光耦隔離電路、接口電路、ad轉換電路、和保護電路供電。

無刷線圈激磁直流電機為9-6結構的凸極式定轉子無刷線圈激磁直流電機。

控制器dsp選用型號為tms320f28335。

三相功率變換電路為三相不對稱半橋式電路，控制電機三相勵磁繞組電流的導通順序；單相功率變換電路為單相全橋式電路，控制激磁線圈電流的大小和方向。

電流檢測電路采用霍爾電流傳感器；電壓檢測電路采用單相繞組電阻分壓電壓檢測方法。

電源模塊包括220v交流電壓轉為±15v、5v直流電壓以及5v~3.3v電平轉換電路；電源模塊分別與igbt驅動模塊、電壓檢測電路、電流檢測電路相連接，為它們提供15v直流電；電源模塊與光耦隔離電路相連接，為其提供5v直流電；電源模塊與接口電路相連接，為其提供3.3v直流電；電源模塊與ad轉換電路相連接，為其提供5v和3.3v直流電；電源模塊與保護電路相連接，為其提供15v和5v直流電。

igbt驅動模塊由前級驅動電路、2sc1018t模塊、故障信號調理電路、后級功率驅動電路構成。

接口電路為dsp的sci串行接口與上位機的通信，采用max3232芯片作為rs232電平與cmos電平的轉換。

光耦隔離電路為pwm信號光耦隔離，采用光耦隔離器件6n137。

ad轉換電路主要是由前端調理電路和ads8364外圍硬件電路組成；保護電路主要分為過電壓保護電路和過電流保護電路，過電壓保護電路采用的芯片為lm339和過電流保護電路采用的芯片為lm358。

優(yōu)點及效果

本發(fā)明所述無刷線圈激磁直流電機無位置傳感器dsp控制系統(tǒng)消除了位置傳感器對系統(tǒng)的影響，使系統(tǒng)結構簡單可靠、成本降低，而且能夠實現(xiàn)無刷線圈激磁直流電機的啟動、制動及運行性能，并保證電機的電磁轉矩大、調速范圍寬的特性，擴展了電機的應用場合。

附圖說明

圖1為9-6結構的凸極式定轉子無刷線圈激磁直流電機局部結構示意圖。

圖2為9-6結構的凸極式定轉子無刷線圈激磁直流電機三維結構示意圖。

圖3為本發(fā)明總體結構示意圖。

圖4為本發(fā)明原理框圖。

圖5為電源模塊的5v~3.3v電路。

圖6為ads8364轉換電路圖。

圖7igbt驅動模塊功能框圖。

圖8前級驅動電路圖。

圖9后級驅動電路圖。

圖10故障信號調理電路圖。

圖11霍爾電流傳感器電路連接圖。

圖12單相繞組電阻分壓電壓檢測電路圖。

圖13光耦隔離電路圖。

圖14三相功率變換電路圖。

圖15單相功率變換電路圖。

圖16max3232芯片接口電路圖。

圖17轉子位置估算流程圖。

圖18過電壓保護電路圖。

圖19過電流保護電路圖。

附圖標記說明：

1是電機機殼，2是定子鐵芯，3是勵磁繞組，4是轉子鐵芯，5是電機轉軸，6是激磁線圈。

具體實施方式

本發(fā)明涉及一種無刷線圈激磁直流電機無位置傳感器dsp控制系統(tǒng)，是一種新型智能化電機控制系統(tǒng)，利用dsp芯片的tms320f28335為數(shù)據(jù)處理核心單元，對電機繞組電感計算測量獲得電機轉子位置，實現(xiàn)無刷線圈激磁直流電機無位置傳感器dsp控制。該系統(tǒng)通過檢測電機的電流信號和電壓信號，利用控制器dsp對電機的磁鏈進行計算，從而得到電機轉子位置，通過開斷電機驅動電路的igbt實現(xiàn)電機的換相控制，進而實現(xiàn)無刷線圈激磁直流電機的無位置傳感器控制的啟動、制動、停車及四象限運行。同時，運用此控制系統(tǒng)不僅保證了電機的良好調磁性能、輸出電磁轉矩大的基本特性，而且消除了位置傳感器存在的復雜性、減小了系統(tǒng)的成本、提高了系統(tǒng)的可靠性及堅固性，更加擴展了無刷線圈激磁直流電機的應用場合。

無刷線圈激磁直流電機如圖1、圖2所示，其中圖1為局部結構圖，圖2為三維結構圖。無刷線圈激磁直流電機包括電機機殼1、定子鐵芯2、勵磁繞組3，轉子鐵芯4、電機轉軸5、和激磁線圈為6。電機轉軸5外部設置有轉子鐵芯4，轉子鐵芯4的外部設置定子鐵芯2；定子鐵芯2沿圓周均勻分布9個凸極，每個定子凸極上纏繞有勵磁繞組3，轉子鐵芯4上均勻分布有6個凸極，定轉子之間的空氣隙為0.4mm。

如圖3所示，無刷線圈激磁直流電機無位置傳感器dsp控制系統(tǒng)，主要包括無刷線圈激磁直流電機、控制器dsp、三相功率變換電路、單相功率變換電路、電流檢測電路、電壓檢測電路、igbt驅動模塊、接口電路、光耦隔離電路、ad轉換電路、保護電路、電源模塊；用于檢測電機相電壓的電壓檢測電路、用于檢測電機相電流的電流檢測電路分別與無刷線圈激磁直流電機相連接；電壓檢測電路、電流檢測電路與ad轉換電路相連接，ad轉換電路與控制器dsp相連接；電壓檢測電路檢測的電壓信號、電流檢測電路檢測的電流信號經(jīng)ad轉換電路輸入給控制器dsp；控制器dsp對ad轉換電路輸入采集信號通過控制算法的計算分析實現(xiàn)pwm波信號的觸發(fā)?？刂破鱠sp與光耦隔離電路相連接，把pwm波信號（控制器dsp發(fā)出的）輸入給光耦隔離電路，光耦隔離電路與igbt驅動模塊相連接；光耦隔離電路實現(xiàn)pwm波信號由3.3v～5v的轉化，并實現(xiàn)了igbt驅動模塊與控制器dsp的隔離，實現(xiàn)對控制器dsp的保護。igbt驅動模塊的輸出端分別與三相功率變換電路的輸入端和單相功率變換電路的輸入端相連接；三相功率變換電路的輸出端與無刷線圈激磁直流電機的a、b、c三相勵磁繞組3相連接；單相功率變換電路輸出端與激磁線圈6相連接?？刂破鱠sp與接口電路相連用于上位機通信。保護電路與控制器dsp相連接；電源模塊分別為igbt驅動模塊、電壓檢測電路、電流檢測電路、光耦隔離電路、接口電路、ad轉換電路、和保護電路供電。

本發(fā)明設計出兩種功率逆變電路：三相功率變換電路為三相不對稱半橋式電路，控制電機三相勵磁繞組電流的導通順序；單相功率變換電路為單相橋式電路，控制激磁線圈電流的大小和方向。

電流檢測電路采用霍爾電流傳感器，型號可選用chf-400b；電壓檢測電路采用單相繞組電阻分壓電壓檢測方法，采用芯片lm358。

電源模塊包括220v交流電壓轉為±15v、5v直流電壓以及5v~3.3v電平轉換電路。電源模塊分別與igbt驅動模塊、電壓檢測電路、電流檢測電路相連接，為它們提供15v直流電；電源模塊與光耦隔離電路相連接，為其提供5v直流電；電源模塊與接口電路相連接，為其提供3.3v直流電；電源模塊與ad轉換電路相連接，為其提供5v和3.3v直流電；電源模塊與保護電路相連接，為其提供15v和5v直流電。

無刷線圈激磁直流電機為9-6結構的凸極式定轉子無刷線圈激磁直流電機。

控制器dsp可選用型號為tms320f28335。

接口電路為dsp的sci串行接口與上位機的通信，可采用max3232芯片作為rs232電平與cmos電平的轉換。

光耦隔離電路為pwm信號光耦隔離，可采用光耦隔離器件6n137。

igbt驅動模塊由前級驅動電路、2sc1018t模塊、故障信號調理電路、后級功率驅動電路構成。

ad轉換電路主要是由前端調理電路和ads8364外圍硬件電路組成。保護電路主要分為過電壓保護電路和過電流保護電路，過電壓保護電路采用的芯片為lm339和過電流保護電路采用的芯片為lm358。

控制器dsp發(fā)出pwm信號與光耦隔離電路相連接，光耦隔離電路與igbt驅動模塊相連接（由于控制器dsp發(fā)出的pwm信號只有3.3v，為了提高pwm信號的抗干擾及驅動能力，pwm信號經(jīng)過光耦隔離電路實現(xiàn)pwm波信號由3.3v～5v的轉化，經(jīng)igbt驅動模塊實現(xiàn)pwm波幅值由5v～15v的轉化，并對其進行功率放大。這是由于電壓等級的不同需要光耦隔離電路的保護）。igbt驅動模塊的輸出端與三相功率變換電路輸入端相連接，同時與單相功率變換電路輸入端相連接。

電流檢測電路的輸出端與ad轉換電路的輸入端相連接，ad轉換電路的輸出端與控制器dsp的輸入端相連接；電壓檢測電路的輸出端與ad轉換電路的輸入端相連接，ad轉換電路的輸出端與控制器dsp的輸入端相連接。電流信號和電壓信號送到控制器dsp中，在dsp中采用滑膜變結構控制策略，利用反饋回來的電壓和電流進行磁鏈計算，得到真實的磁鏈，進而估算出轉子位置角和轉速，控制器dsp發(fā)出pwm波信號經(jīng)光耦隔離電路、igbt驅動模塊升壓至15v后，控制三相功率變換電路中igbt的開斷，實現(xiàn)電機運轉。并通過計算得到速度參數(shù)以及反饋的電流信號相結合，來控制單相功率變換電路中igbt的開斷進行激磁線圈調磁，進而調節(jié)轉速特性，實現(xiàn)閉環(huán)控制進行調速。

圖4所示采用滑膜變結構控制策略的無位置傳感器控制是電流、速度雙閉環(huán)結構，其中內環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為速度環(huán)，給定速度與反饋速度經(jīng)pi調節(jié)器得到電流給定iref，iref再與電機反饋電流iph比較形成電流偏差，控制pwm脈沖。電機反饋的電壓uph和電流iph通過磁鏈觀測計算，得到真實磁鏈。轉子位置角與轉速由滑膜觀測控制策略估算得到。

實施例1：

無刷線圈激磁直流電機為9-6結構的凸極式定轉子無刷線圈激磁直流電機。

選擇的器件型號具體為：

圖5為電源模塊的5v~3.3v電路，由ams1117芯片及其外圍硬件電路組成。

三相功率變換電路和單相功率變換電路由型號為skm600gb066d的igbt組成；

圖6為ad轉換電路主要是由前端調理電路和ads8364芯片電路組成。反饋信號經(jīng)過前端調理電路的縮放和平移，輸入給ads8364的兩個模擬輸入通道+in和-in。模擬輸入通道+in和-in的最大電壓輸入范圍為-0.3v~+6v（ads8364用+5v供電）。

保護電路主要分為過電壓保護電路和過電流保護電路，過電壓保護電路采用的芯片為lm339和過電流保護電路采用的芯片為lm358。

控制器dsp以tms320f28335為核心組成的，在加快數(shù)據(jù)處理的同時也提高了電機對控制信號的響應效率。

igbt驅動模塊功能框圖如圖7所示，igbt驅動模塊主要由前級驅動電路、2sc1018t模塊、后級驅動電路、故障信號調理電路構成。如圖8～圖10所示，控制器dsp發(fā)出pwm波信號（a和b），經(jīng)過前級驅動電路調理后，分別輸入到2sc1018t模塊ina和inb引腳，經(jīng)模塊2sc1018t處理后，由上下兩組vce、gl、ref、gh、ve引腳輸出給后級功率驅動電路，最終由后級功率驅動電路輸出至igbt模塊的上橋臂和下橋臂。后級功率驅動電路用于檢測igbt的過流、短路障等，并將檢測到的故障報警信號經(jīng)模塊2sc1018t的so1、so2引腳輸出給故障信號調理電路，并反饋至控制器dsp?？刂破鱠sp通過判斷分析實現(xiàn)對故障電路的切斷、保護等。

igbt模塊的型號可采用skm600gb066d。

光耦隔離電路為控制電路實現(xiàn)了隔離保護，采用光耦隔離器件6n137。

本發(fā)明的控制裝置的具體電路連接關系如下：

如圖11所示霍爾電流傳感器信號輸出端與ad轉換電路輸入端input相連接，ad轉換電路輸出端output連接控制器dsp的兩路輸入端adcinb0、adcinb1；如圖12所示的電壓檢測電路的輸出端與ad轉換電路輸入端input相連接，ad轉換電路輸出端output連接控制器dsp兩路輸入端adcina0、adcina1；控制器dsp的六路輸出端pwm1～pwm6連接如圖13所示的光耦隔離電路輸入端pwmin，光耦隔離電路的輸出端pwmout與igbt驅動模塊的六路輸入端相連接，igbt驅動模塊輸出端(1、2、8/10、7、9)連接如圖14所示三相功率變換電路中的igbt（k1-k6）信號輸入端，三相功率變換電路的輸出端與無刷線圈激磁直流電機的三相電樞繞組連接；控制器dsp的另四路輸出端pwm7～pwm10連接光耦隔離電路的輸入端，光耦隔離電路的輸出端與igbt驅動模塊的輸入端相連接，igbt驅動模塊的輸出端連接如圖15所示單相功率變換電路中的igbt信號輸入端，單相功率變換電路的輸出端與無刷線圈激磁直流電機的激磁線圈連接；三相功率變換電路由六個igbt組成，其中電路中每個上橋臂的igbt集電極相連后與電源正極相連，每個下橋臂的igbt發(fā)射極相連后與電源負極相連，為電機的旋轉提供能量；四個igbt組成單相功率變換電路，其中電路中每個上橋臂的igbt與電源的正極相連，每個下橋臂的igbt與電源的負極相連，為電機的激磁線圈提供能量，并可以通過改變igbt的導通方式來改變激磁線圈的調磁方式，進而對電機進行增磁或弱磁控制，達到調磁的目的。其中，控制器dsp與如圖16所示的接口電路連接，接口電路與電腦連接。

本發(fā)明工作原理如下：

無刷線圈激磁直流電機無位置傳感器控制系統(tǒng)，通過電流檢查電路和電壓檢查電路采集的信號送到控制器dsp中，在控制器dsp中采用滑膜變結構控制策略。利用反饋回來的電壓和電流進行磁鏈計算，得到真實的磁鏈，進而估算出轉子轉速與位置，如圖17為轉子位置估算流程圖?？刂破鱠sp由此可以發(fā)出控制信號開斷igbt，實現(xiàn)電機運轉。通過計算得到速度參數(shù)以及反饋的電流信號相結合，控制單相功率變換電路中igbt的開斷進行激磁線圈調磁，進而調節(jié)轉速特性，實現(xiàn)閉環(huán)控制進行調速。同時，電壓檢測電路與電流檢測電路對電機電壓、電流進行檢測，檢測后的采樣電壓、電流反饋至如圖18、19所示的過電壓、過電流保護電路輸入端。經(jīng)過幅值判斷比較后，分別輸出至控制器dsp的cap1、cap2引腳，以防電壓、電流過大，影響電機性能。