基于滑模观测器的永磁直流电机换相控制装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于滑模观测器的永磁直流电机换相控制装置及方法，该装置包括处理器模块、电压采样模块、电流采样模块及光电隔离模块等；其中，所述处理器模块输入端连接有电压采样模块和电流采样模块，输出端连接有光电隔离模块，将电压采样模块、电流采样模块得到的数据构建滑模观测器，实现电机换相及闭环控制；所述电压采样模块和电流采样模块输入端连接有永磁直流电机，输出端连接有处理器模块输；所述光电隔离模块输入端连接有处理器模块输，输出端连接有驱动电路模块；所述驱动电路模块输入端连接有光电隔离模块，输出端连接有永磁直流电机。本发明专利技术应用于永磁直流电机无位置传感器控制系统中，实时计算反电动势，实现换相的控制。

Commutation control device and method of permanent magnet DC motor based on sliding mode observer

【技术实现步骤摘要】
基于滑模观测器的永磁直流电机换相控制装置及方法
本专利技术涉及一种永磁直流电机无位置传感器换相控制装置，具体涉及一种基于滑模观测器的永磁直流电机换相控制装置及方法。
技术介绍
永磁直流电机本体具有物理结构简单、速度调节响应迅速、带载能力强、功率因数高等优点。所以该类电机在人类各个领域的生产活动中有着重要的应用价值。为检测到连续的永磁直流电机转子位置信息，实现电机的换相控制，永磁直流电机一般采用电磁感应式、霍尔磁敏式或光电式等传感器进行转子位置检测。但是，上述位置传感器不仅增加了电机的体积和成本，且难以维修，又由于传感器外部连接电路较复杂，容易受到谐波的污染，这不仅在生产方法上增加了难度也大大限制了永磁直流电机在一些系统要求高(如卫星仪器)条件下的应用。因此对无位置传感器控制系统的研究成为最近电机控制学科的热点。虽然不再在转子上安装位置检测装置，但在电机运行过程中，为了控制由逆变功率器件的关断与导通引起的电机换相，仍然需要得到转子位置信息。目前应用最广泛的方法是：反电动势过零检测法。但是反电动势无法直接通过检测装置检测到，这就需要通过测量永磁直流电机本体可以测量得到的电流量、电压量等电信号建立数学模型，通过实时计算其变化量来间接获得反电动势过零点，进而实现换相控制。通过构建已知状态量的观测器，得到反电动势的观测值，实现电机换相控制，具有原理简单、稳定性好等特点，但是当存在负载突变、系统参数变换时，控制系统置无法保证转子位置检测准确，换相稳定。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于滑模观测器的永磁直流电机换相控制装置及方法，其能够应用于永磁直流电机无位置传感器控制系统中，实时计算反电动势，实现换相的控制。该换相控制装置应用滑模观测器，能够在负载突变、系统参数变换的情况下，稳定运行。为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案来实现的：基于滑模观测器的永磁直流电机换相控制装置，包括处理器模块、电压采集模块、电流采集模块、光电隔离模块和驱动电路模块；其中，所述处理器模块输入端连接有电压采样模块和电流采样模块，输出端连接有光电隔离模块，将电压采样模块、电流采样模块得到的数据构建滑模观测器，实现电机换相及闭环控制；所述电压采样模块和电流采样模块输入端连接有永磁直流电机，输出端连接有处理器模块输；所述光电隔离模块输入端连接有处理器模块输，输出端连接有驱动电路模块；所述驱动电路模块输入端连接有光电隔离模块，输出端连接有永磁直流电机。本专利技术进一步的改进在于，处理器模块的采用STC15W404单片机，用于对电压采集模块和电流采集模块采集到的模拟量数据进行分析、计算得到转子位置信息，并输出控制永磁直流电机换相，转速、转矩计算的数字PWM信号；所述电压采集模块，用于采集永磁直流电机三相电压模拟量并将数据传至处理器模块；所述电流采集模块采用LM358运算放大器，用于采集永磁直流电机三相电流模拟量并将数据传至处理器模块，；所述光电隔离模块采用P521-4光电隔离芯片，用于实现光电转换，隔离STC15W404单片机与电机驱动电路，避免信号互相干扰，避免因为反馈电流信号过大导致单片机损坏；所述驱动电路模块采用型号为IRF9540N的场效应晶体管，用于控制电机的旋转角度和运转速度，实现对占空比的控制。基于滑模观测器的永磁直流电机换相控制方法，包括：获取转子检测电路的电流、电压信号，对电流、电压信号进行克拉克变换；构建滑模观测器，通过滑模观测器得到反电动势观测值；通过反电动势观测值计算电机转子位置进而得到电机转速；进行转速PI运算和转矩PI运算，实现闭环控制。本专利技术进一步的改进在于，获取转子检测电路的电流、电压信号，对电流、电压信号进行克拉克变换，电流计算过程如下：同理可得克拉克变换后的电压uα，uβ；电机在两相静止坐标系下的数学模型为：其中式中：iα、iβ为在两相静止坐标系中的定子电流；uα、uβ为两相静止坐标系中的定子电压；eα、eβ为在两相静止坐标系中的反电动势；R、L分别为绕组相电阻和等效电感；ψf为永磁体磁链；ω为转子角速度；θ为转子角度。本专利技术进一步的改进在于，构建滑模观测器，通过滑模观测器得到反电动势观测值；滑模观测器计算过程如下：根据永磁直流电机数学模型，构建滑模观测器式中：‘^’为观测值；k1和k2为滑模增益；F(·)为切换函数，采用符号函数；滑模观测器误差方程为可表示为定义滑模切面为：当系统进入滑模面后，根据滑模观测器误差方程得到反电动势观测值为其中：本专利技术进一步的改进在于，通过反电动势观测值计算电机转子位置进而得到电机转速，计算过程如下：电机转子位置：电机转速：与现有技术相比，本专利技术至少具有如下有益的技术效果：1.本专利技术采用永磁直流电机无位置传感器控制系统，无需额外安装转子检测模块，进一步降低永磁直流电机体积和开发成本；2.本专利技术采用滑模观测器对反电动势进行计算，得到转子位置，进而实现电机换相，该观测器算法相对简单，通过数学方法得到的转子位置准确；3.本专利技术采用转速、转矩双闭环控制系统，整个系统鲁棒性能好；4.本专利技术光电隔离模块采用P521-4光电隔离芯片，该芯片使处理器输入PWM信号与驱动桥之间无直接电信号联系，同时使电路信号传输不受外界电磁干扰，增加了电路的抗干扰能力。附图说明图1为本专利技术硬件系统框图；图2为本专利技术处理器模块原理图；图3为本专利技术电压采样模块原理图；图4为本专利技术电流采样模块原理图；图5为本专利技术光电隔离模块原理图；图6为本专利技术驱动模块原理图；图7为本专利技术软件主程序流程图；图8为本专利技术软件中断程序流程图。具体实施方式下面通过附图，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。如图1所示，本专利技术提供的基于滑模观测器的永磁直流电机换相控制装置，包括：处理器模块、电压采样模块、电流采样模块、光电隔离模块和驱动电路模块。所述处理器模块的模拟量采集通道连接所述电压采样模块、所述电流采用模块，所述处理器模块的数字PWM输出端连接所述光电隔离模块。所述光电隔离模块连接有用于驱动永磁同步电机的所述驱动电路模块。所述驱动电路模块连接永磁同步电机A、B、C三相。如图2所示，所述处理器模块由STC15W404单片机构成。STC15W404单片机供电范围为2.6-5.5V，正常工作电流最大为0.1uA，此外，还具有4KB大小的Flash空间，512字节大小的SRAM空间，9KB大小的EEPROM，并内置可靠性极高的复位电路、时钟电路和6路PWM输出端口。其中，所述处理器模块用于对所述电压采集模块和所述电流采集模块采集到的模拟量数据进行分析、计算得到转子位置信息，并输出控制永磁直流电机换相，转速、转矩计算的数字PWM信号至所述光电隔离模块。如图3所示，所述电压采样模块由相关电阻、电容构成。主本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于滑模观测器的永磁直流电机换相控制装置，其特征在于，包括处理器模块、电压采集模块、电流采集模块、光电隔离模块和驱动电路模块；其中，/n所述处理器模块输入端连接有电压采样模块和电流采样模块，输出端连接有光电隔离模块，将电压采样模块、电流采样模块得到的数据构建滑模观测器，实现电机换相及闭环控制；所述电压采样模块和电流采样模块输入端连接有永磁直流电机，输出端连接有处理器模块输；所述光电隔离模块输入端连接有处理器模块输，输出端连接有驱动电路模块；所述驱动电路模块输入端连接有光电隔离模块，输出端连接有永磁直流电机。/n

【技术特征摘要】
1.基于滑模观测器的永磁直流电机换相控制装置，其特征在于，包括处理器模块、电压采集模块、电流采集模块、光电隔离模块和驱动电路模块；其中，
所述处理器模块输入端连接有电压采样模块和电流采样模块，输出端连接有光电隔离模块，将电压采样模块、电流采样模块得到的数据构建滑模观测器，实现电机换相及闭环控制；所述电压采样模块和电流采样模块输入端连接有永磁直流电机，输出端连接有处理器模块输；所述光电隔离模块输入端连接有处理器模块输，输出端连接有驱动电路模块；所述驱动电路模块输入端连接有光电隔离模块，输出端连接有永磁直流电机。


2.根据权利要求1所述的基于滑模观测器的永磁直流电机换相控制装置，其特征在于，处理器模块的采用STC15W404单片机，用于对电压采集模块和电流采集模块采集到的模拟量数据进行分析、计算得到转子位置信息，并输出控制永磁直流电机换相，转速、转矩计算的数字PWM信号；
所述电压采集模块，用于采集永磁直流电机三相电压模拟量并将数据传至处理器模块；
所述电流采集模块采用LM358运算放大器，用于采集永磁直流电机三相电流模拟量并将数据传至处理器模块，；
所述光电隔离模块采用P521-4光电隔离芯片，用于实现光电转换，隔离STC15W404单片机与电机驱动电路，避免信号互相干扰，避免因为反馈电流信号过大导致单片机损坏；
所述驱动电路模块采用型号为IRF9540N的场效应晶体管，用于控制电机的旋转角度和运转速度，实现对占空比的控制。


3.基于滑模观测器的永磁直流电机换相控制方法，其特征在于，该方法基于权利要求1或2所述的基于滑模...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨沛豪，孙钢虎，兀鹏越，柴琦，王小辉，寇水潮，高峰，郭兴宇，李志鹏，张欣欣，孙梦瑶，薛磊，贺婷，
申请(专利权)人：西安热工研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61