[发明专利]一种无传感器无刷直流电机的软起动控制装置

摘要

一种无传感器无刷直流电机的软起动控制装置，是一种能够用来对无刷直流电机进行基于无位置传感器算法的电流可控起动和高精度转速控制的装置，其主要包括系统供电模块、FPGA模块、接口电路模块、反电动势检测模块、直流调制模块以及逆变模块。该装置在起动时通过直流调制模块控制电机绕组电流，同时通过反电动势检测电路获取电机转子位置信号，然后FPGA模块根据相关控制算法对三相桥式逆变电路进行PWM调制，最终实现基于无位置传感器算法的无刷直流电机的高精度转速控制。该发明不仅具备无刷直流电机高转速情况下的无位置传感器高精度控制能力，而且在电机起动过程中实现了绕组电流完全可控，尤其适用于小电枢电感的高速无刷直流电机。

主权项

1.一种无传感器无刷直流电机的软起动控制装置，其特征在于： 系统供电模块（3）：由三相整流桥（2）输出的直流母线电压提供输入，输出5V，±15V以及15V与FPGA模块（19）以及接口电路模块（13）相连接，作为软起动控制装置的电源，同时，在外部交流电源模块（1）失效时，能够将电源失效信号传送给FPGA模块（19），利用永磁电机（9）制动时通过三相逆变桥（7）回馈至直流母线上电容的电能完成电机系统掉电异常处理; 直流调制模块（5）：与电容充电限流装置（4）和逆变模块（8）相接，用于在永磁电机（9）起动时进行电流控制，向逆变模块（8）提供可控的电流输入，同时完成永磁电机（9）起动与额定运行两种不同状态之间的切换和监控； 逆变模块（8）：与直流调制模块（5）、接口电路模块（13）及永磁电机（9）相接，用于按照接口电路模块（13）输出的PWM信号，将直流调制模块（5）输入的直流电流或电压信号进行逆变，为永磁电机（9）绕组提供交流电压；所述逆变模块（8）由再生制动模块（6）、三相逆变桥模块（7）及驱动电路（10）组成，其中驱动电路模块（10）将接口电路模块（13）输出的PWM信号进行放大后一方面驱动三相逆变桥模块（7）完成逆变功能，另一方面驱动再生制动模块（6）用于再生能量消耗； 反电动势检测模块（12）：与接口电路模块（13）和永磁电机（9）相接，对永磁电机（9）中的A、B、C三相绕组的反电动势信号进行调理与滤波的预处理，得到含有转子位置信息的初始检测信号传送至接口电路模块（13）进行电平转换； 接口电路模块（13）：由电平转换电路（17）、模数转换电路（16）、信号隔离电路（15）和电流传感器接口电路（14）组成，其中电流传感器 接口电路（14）和电平转换电路（17）分别将电流传感器模块（11）输出的电流信号和反电动势调理模块（12）输出的转子位置信号通过模数转换电路（16）进行调理与电平转换后输入给FPGA模块（19），同时FPGA模块（19）输出的PWM控制信号通过电平转换电路（17）和信号隔离电路（15）输出至直流调制模块（5）和逆变模块（8）； FPGA模块（19）：由FPGA芯片（18）、配置芯片（22）、外扩SRAM（20）及外扩FLASH（21）组成，其中配置芯片（22）通过串行总线在整个装置上电时将控制程序配置到FPGA芯片（18）中，外扩SRAM（20）和外扩FLASH（21）通过并行总线与FPGA芯片（18）进行连接，在运行时作为程序与数据存储器；所述FPGA芯片（18）通过接口电路模块（13）接收模数转换后的电流和反电动势信号，并且将控制信号进行电平转换和隔离，实现无传感器无刷直流电机的软起动控制算法以及基于反电动势自适应滤波的高精度转速控制；FPGA芯片（18）集成有软起动算法模块、自适应滤波算法模块、模型变结构控制算法模块和异常掉电故障处理模块，其中软起动算法模块完成电机的可控电流起动功能，并且实时将检测到的电机转速ω和相电流Ix输送给模型变结构控制算法模块；自适应滤波算法模块根据当前的转速ω以及软起动算法模块估计的转子位置θ进行自适应滤波，得到精确的转子位置模型变结构控制算法模块根据电机转速ω、相电流Ix以及估算的转子位置进行参数辨识，并采用极点配置的方法进行电机电流PI调节器设计，将设计出的PI调节器的比例和积分参数Kp、Ki实时反馈回软起动算法模块，当切换掉直流调制模块时，系统结构参数发生较大变化，根据当前电机运行状态重新设计PI调节器，更新相关的比例、积分参数，完成模型变结构控制；电源异常掉电时，异常掉电处理模块进行现场数据保存，控制逆变器回馈制动功能，并将异常信号传送给模型变结构算法模块。