[发明专利]高速大惯量负载用无铁芯无刷直流电机控制系统及方法

权利要求书

1.一种高速大惯量负载用无铁芯无刷直流电机控制系统，其特征在于：包括无铁芯无刷直流电机、控制系统及其内部的驱动电路；所述控制系统包括信号检测模块、数字控制模块和线性功率驱动模块；

所述信号检测模块包括电流检测模块、转速检测模块和A/D转换器，分别用于检测无铁芯无刷直流电机的三相电流和转速，并将采集的三相电流和转速数据通过A/D转换器输出至数字控制模块，为数字控制模块提供控制依据；所述数字控制模块包括数字控制器，用于将信号检测模块提供的信息，根据PI控制算法完成计算，输出控制量；所述线性功率驱动模块包括高速隔离运放模块、大功率运算放大器模块和驱动模块；所述数字控制模块的输出端依次通过高速隔离运放模块、大功率运算放大器模块、驱动模块与无铁芯无刷直流电机相连接，用于将所述数字控制模块输出的模拟量的控制信号与功率级信号相隔离并进行功率放大后，转换为电机绕组高电压和大电流的驱动信号。

2.根据权利要求1所述的一种高速大惯量负载用无铁芯无刷直流电机控制系统，其特征在于：所述内部的驱动电路包括：直流电源、电源滤波模块、三相逆变桥、梯形波反电动势无刷直流电机、三相电感、电流检测模块和数字控制器；

所述直流电源用于为系统提供稳定的电压；所述电源滤波模块用于滤除电源带来的杂波，其包括滤波电感和滤波电容；所述直流电源的正极与滤波电感的一端相连接，该滤波电感的另一端分别与滤波电容和三相逆变桥相连接，所述滤波电容的另一端与直流电源的负极相连接；所述三相逆变桥包括六个桥臂，每个桥臂由一个开关管和一个二极管组成；每个二极管分别反相并联在对应开关管的集电极和发射极两端，该三相逆变桥用于根据六个开关管的状态将直流电转换为三相交流电；在所述三相逆变桥与梯形波反电动势无刷直流电机的三相绕组之间串接三相电感，用于增大系统等效电感，对换相瞬间的电流起缓冲作用；

在所述三相电感的每一路上并联一路开关或继电器，用于将串联的三相电感切出；

所述电流检测模块包括两个霍尔电流传感器，霍尔传感器与电机绕组串联，用于检测电流大小；

所述数字控制器分别与梯形波反电动势无刷直流电机和电流检测模块相连接，用于采集梯形波反电动势无刷直流电机的三相霍尔信号HA,HB,HC和电流检测模块的两相电流信号ia，ib以及启动信号和转速参考信号，输出六个PWM波信号至梯形波反电动势无刷直流电机4，用于控制六个开关管的开通与关断。

3.如权利要求1或2所述的一种高速大惯量负载用无铁芯无刷直流电机控制系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、启动阶段：采用开环控制的方式，通过定时递增占空比来拖动电机达到高速；

步骤2、稳定运行阶段：当转速上升至设定转速，切换至闭环调速模式，采用PI控制的方式进行闭环调速，控制频率根据调试结果确定。

4.根据权利要求3所述的一种高速大惯量负载用无铁芯无刷直流电机控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤1的具体步骤包括：

(1)霍尔传感器检测转子当前位置，数字控制器根据霍尔传感器传递的上升沿、下降沿及当前位置进行换相操作；

(2)数字控制器根据霍尔传感器信号采集当前导通的两相的电流，如果电流超出设定值，则关闭PWM输出；

(3)当电机转速达到10000转时，电机反电动势已达到同步反电动势的一半时，通过数字控制器将三相电感切出电路。

5.根据权利要求3所述的一种高速大惯量负载用无铁芯无刷直流电机控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤2的具体步骤包括：

(1)采用PI控制方式，外环为转速环，内环为电流环，是一个比较控制，主要起限流作用；

(2)转速环PI控制器根据当前转速与参考转速的误差，得到控制器输出占空比；

(3)电流环检测电机相电流，将相电流大小与设定的最大电流值比较，若相电流大于设定值，即减小输出占空比，直至相电流小于设定值为止；

(4)在稳速阶段，转速环与电流环的共同作用，使电机转速、电流稳定于参考值。