[发明专利]基于无位置传感器无刷直流电机IP核的电机控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及基于无位置传感器无刷直流电机IP核的控制系统，属于电机控制领域。

背景技术

无刷直流电机(Brushless DC Motor，简称BLDCM)是梯形波永磁同步电动机的别称， 其特点是电机中气隙磁密分布为梯形波，因而电机的反电势波形和电流波形均为梯形波。

无刷直流电机与其他各类电动机相比，具有体积小、效率高、出力大、起动转矩大、 过载能力强、动态特性好、控制容易、灵活、方便等特点。现已广泛应用于医疗、数控机 床、机器人控制、电动车驱动和家电应用等领域。高性能的无刷直流电机需要实时检测转 子位置已实现其自控变频驱动，因此产生了各种无刷直流电机转子位置信号的监测方法， 如电磁式位置传感器，霍尔位置传感器，光电编码器等。但这些位置传感器都作为电机本 体的附属结构存在，使电机结构进一步复杂化，增加了电机的重量和体积，同时，位置传 感器安装与维护困难，是整个无刷直流电机本体结构中最薄弱的环节，使无刷直流电机的 可靠性降低。因此，目前，无刷直流电机的无位置传感器控制成为学者和工程人员研究的 热点。

无位置传感器的转子位置检测是通过检测和计算与转子位置有关的物理量间接地获 得转子的位置信息。常用的无位置传感器位置检测方法有反电势过零检测法、续流二极管 工作状态检测法、绕组三次谐波检测法和瞬时电压方程法等。

目前，在无刷直流电机转子位置信号无传感器检测领域中，反电动势过零检测法由于 检测电路结构简单，算法亦不复杂，因此发展最成熟，应用最为广泛。

对于最常见的两相导通星形三相六状态工作方式，除了换向的瞬间之外，在任何时刻， 电机总有一项绕组处于断路状态。当断路相绕组的反电势过零之后，再经过30度电角度， 就是该相的换相点。因此，只要检测到各相绕组反电势的过零点，就可以确定电机的转子 位置和下次换流时间。传统的反电势过零检测算法都是通过外围分立的模拟电路，重构出 电机的中心点电压来获得反电势过零信号的。但是，受重构电路准确性的影响，反电势过 零信号总是存在误差，造成电机的换相精度较低，控制性能不是很理想。随着数字信号处 理器DSP的出现，在DSP中以软件方式实现过零检测及驱动控制一度成为研究热点。但是， 软件算法的串行性又会引入一定的执行延时，而且它还会增加CPU的负担，限制了电机其 它控制任务的完成。另外，传统的反电势过零检测法仅能在20％以上额定转速以上才能使 用，调速范围受到很大制约，一般调速范围D在5～10之间。

发明内容

本发明的目的是解决现有过零检测方法中软件算法的串行性会引入一定的执行延时， 而且它还会增加CPU的负担，限制了电机其它控制任务的完成；另外，传统的反电势过零 检测法仅能在20％以上额定转速以上才能使用，调速范围受到很大制约的问题，提供了基 于无位置传感器无刷直流电机IP核的电机控制系统。

本发明它包括FPGA、隔离电路和多路并行模数转换采样电路，多路并行模数转换采 样电路接收无刷直流电机的三相电压采样信号和母线电流采样信号，并输出给FPGA，FPGA 输出无刷直流电机控制信号通过隔离电路给无刷直流电机，

多路并行模数转换采样电路选用AD73360模数转换芯片，

FPGA包括无位置传感器无刷直流电机IP核和NIOS II软核，无位置传感器无刷直流 电机IP核和NIOS II软核分别挂接在FPGA内部的总线上，NIOS II软核发出指令，通过 FPGA的总线传达给无位置传感器无刷直流电机IP核，所述指令包括采样指令、输入转向 信号、启停信号和输入转速n，

无位置传感器无刷直流电机IP核包括多路模数转换接口单元、反电势过零检测单元、 三段式同步启动模块、转速电流双闭环负反馈PI调节器和PWM控制器，

多路模数转换接口单元，用于将接收到的三相电压采样信号发送给反电势过零检测单 元；还用于将接收到的母线电流采样信号发送给转速电流双闭环负反馈PI调节器；

反电势过零检测单元，用于接收三相电压信号，还用于输出无刷直流电机的实际转速 信号给转速电流双闭环负反馈PI调节器；

三段式同步启动模块，用于接收系统输入的转向信号，还用于输出开环占空比控制信 号、开环换相信号和开/闭环控制信号给PWM控制器以实现无刷直流电机的软启动；