[发明专利]无刷电机磁场定向控制驱动系统及控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及无刷电机控制驱动技术领域，特别是涉及一种可用于外骨骼机器人的高性能无刷电机磁场定向控制驱动电路及控制方法。

背景技术

目前国内市面上的商用无刷电机驱动电路大多基于霍尔传感器的六步控制法而并非磁场定向控制(Filed Oriented Control，FOC)法。但是基于霍尔传感器的六步控制法，由于霍尔传感器的检测机制的限制，使无刷电机运行的位置控制精度低，最高位置控制精度通常小于5度，并且输出力矩效果差，功率消耗较大。而在一些无刷电机的应用领域，例如外骨骼机器人的驱动控制，对控制精度要求高，骨骼运动需要精确的输出力矩，因此一般位置控制精度需要达到0.1度，而霍尔传感器的六步控制法根本无法满足外骨骼机器人运动时的高精度的要求。

相比于国内，国外的基于磁场定向控制算法的无刷电机控制器虽然位置控制精度可以满足应用需求，但是，国外的磁场定向控制算法存在以下缺陷：

1.普遍采用光栅编码器作为电机转子位置检测传感器，这种传感器非常昂贵，提高了产品的生产成本。

2.主控MCU的运行频率大多小于90MHz，无法助力高端需求。

3.磁场定向控制器允许的最大连续工作电流各个梯度的都有，但大电流的成本很高，而外骨骼机器人高承载力正需要大电流的支持，这使得外骨骼机器人整体的成本高，售价也高，不利于普通人使用。

另外，目前市面上成熟的商用控制器大部分仍采用RS485通信接口，数据传输率低；驱动电路大部分没有MOSFET电桥预驱动器，驱动效果无法满足高端需求；输出力矩、输出电流有限，无法满足大力矩大电流应用需求。

发明内容

基于此，有必要提供一种无刷电机磁场定向控制驱动系统及控制方法，其满足控制精度高和输出力矩大的要求。

一种无刷电机磁场定向控制驱动系统，包括MOSFET电桥模块，其特征在于，还包括主控模块、预驱动器模块和模拟磁角度测量传感器模块；

所述模拟磁角度测量传感器模块连接无刷电机和主控模块，用于实时测量无刷电机转子的角度位置信息，并输出角度位置信息的模拟电压信号；

所述主控模块根据无刷电机转子的角度位置信息的模拟电压信号及三相交流电流信号实时调整三路互补的PWM波形，并将调整后的三路互补的PWM波形输入至预驱动器模块；

所述预驱动器模块接收来自主控模块的三路互补的PWM波形，并产生相应的波形驱动MOSFET电桥模块；

所述MOSFET电桥模块连接三相无刷电机，用于驱动三相无刷电机运行。

在其中一个实施例中，所述模拟磁角度测量传感器模块包括：

信号测量单元，用于测量无刷电机转子的角度位置信息的正弦和余弦模拟电压信号，并计算正切值，得到角度位置信息的数据；

信号滤波单元，用于对所述角度位置信息的数据进行卡尔曼滤波处理，以得到准确的实时角度位置信息的数据。

在其中一个实施例中，所述主控模块内嵌入有执行时间优化单元所述执行时间优化单元包括：

公式运算子单元，用于采用查表法，以缩短程序运行时间；

开方运算子单元，用于采用牛顿迭代法计算浮点数的开方运算，以缩短浮点开方的运算时间。

在其中一个实施例中，所述主控模块包括：

数据采集单元，用于采样无刷电机转子的角度位置信息的正弦和余弦模拟电压信号以及三相交流电流信号；

矢量控制单元，用于根据当前无刷电机转子的角度位置信息的正弦和余弦模拟电压信号及三相交流电流信号，输出带有电子转子目标角度位置信息的三相交流电压信号；

空间矢量调制单元，用于根据带有电机转子目标角度位置信息的三相交流电压信号，实时调整输出PWM信号的占空比参数，并输出相应的三路互补PWM波形。

在其中一个实施例中，所述正弦和余弦模拟电压信号以及三相交流电流信号为所需采样信号，所述数据采集单元还设置有：

采样信号滤波子单元，用于滤除采样信号的噪声频率，使用一阶滤波处理，以得到准确的采样信号；

采样信号标定子单元，用于标定采样信号和实际信号的比例，以补偿硬件电路及电机理论值与实际值的偏差。

一种无刷电机磁场定向控制方法，包括：

获取无刷电机的转子角度位置信息的模拟电压信号；

采样所述模拟电压信号及无刷电机的三相交流电流信号，并利用磁场定向控制算法，实时调整三路互补的PWM波形；

根据三路互补的PWM波形产生相应的驱动波形；