CN111769776B - 一种轮毂电机控制器电流重构***及方法 - Google Patents

一种轮毂电机控制器电流重构***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种轮毂电机控制器电流重构***及方法，属于电机控制技术领域，包括矢量控制环模块、相电流采样与重构模块、角度检测模块、驱动模块以及电机；其中，所述矢量控制环模块根据外部输入的调速信号、所述相电流采样与重构模块的相线电流信号和所述角度检测模块的角度位置信号，产生6路PWM驱动信号至所述驱动模块；所述驱动模块向所述电机提供运行时的电压和电流换向回路；所述角度检测模块捕获所述电机的位置信息，提供换向依据；所述相电流采样与重构模块用于对相线电流进行采集和重构。

Description

一种轮毂电机控制器电流重构***及方法
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，特别涉及一种轮毂电机控制器电流重构***及方法。
背景技术
轮毂电机在电动自行车上的应用是一种典型的案例，而轮毂电机控制器多采用闭环矢量控制方式。矢量控制过程中需要实时检测转子位置信息和采集相线电流。为了节约成本，轮毂电机控制器多采用基于MOS内阻的电阻采样方式，在MOS管下管导通时，对电流进行采样。根据电机控制理论，同一时刻流过电机的三相电流和为零，因此只需采集两相电流，便可以计算出三相电流。而现代控制技术将矢量控制算法固化到微处理器中，来实现对电机控制的目的。
相线电流的准确度对电机运行效果至关重要，而基于MOS内阻的电阻采样方式，需要在MOS下桥臂导通时进行采样，MOS管的导通和关断需要一定时间，加上微处理器ADC采样亦需要一定的时间。因此，存在一定的区域，将无法采集到电流，一般的处理方式是，采用降低调制比或降低PWM频率的方式，来保证相线电流能够准确采到，这样就降低了电压输出，使得电机无法在全速范围内运行。因此，单电阻采样方式得到广泛的研究，但单电阻采样需要在一个控制周期中采集两次电流数据，对微处理处理速度的要求非常高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种轮毂电机控制器电流重构***及方法，以解决目前当MOS管导通时间小于相线电流采样时间而无法采集到电流时，采用降低调制比或降低PWM频率的方式降低了电压输出，使得电机无法在全速范围内运行的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种轮毂电机控制器电流重构***，包括矢量控制环模块、相电流采样与重构模块、角度检测模块、驱动模块以及电机；其中，
所述矢量控制环模块根据外部输入的调速信号、所述相电流采样与重构模块的相线电流信号和所述角度检测模块的角度位置信号，产生6路PWM驱动信号至所述驱动模块；
所述驱动模块向所述电机提供运行时的电压和电流换向回路；
所述角度检测模块捕获所述电机的位置信息，提供换向依据；
所述相电流采样与重构模块用于对相线电流进行采集和重构。
可选的，所述矢量控制环模块根据调速信号、相线电流信号和角度位置信号，经过Clark、Park、逆Park、逆Clark变换，计算出所需相导通时间，并借助微处理器产生6路PWM驱动信号。
可选的，所述相电流采样与重构模块采用MOS内阻的方式对相线电流进行采样，根据相导通时间和ADC的电流采样时间，将采样分为采集两相电流、采集一相电流和不采集电流；根据分类将采集到的电流进行重构得到所述矢量控制环模块所需的相线电流。
本发明还提供了一种轮毂电机控制器电流重构方法，包括：
根据相导通时间和电流采样时间对电流采样进行分类；
对相电流进行重构。
可选的，根据相导通时间和电流采样时间对电流采样进行分类包括：
情况1：如果相导通时间大于两路相电流采样时间，根据扇区号采集对应的两相电流；
情况2：如果相导通时间大于一路相电流采样时间，根据扇区号采集对应的一相电流；
情况3：如果相导通时间不足以满足电流采样时间，不对相电流进行采样。
可选的，在所述情况1下，直接采集两相电流，带入矢量控制环模块，通过驱动模块产生期望的电压输出，控制电机运行。
可选的，在所述情况2下，包括：
步骤1，读取上一时间片的dq轴电流和当前角度；
步骤2，将得到的dq轴电流和当前角度进行Park逆变换，得到估计值
Figure BDA0002562742190000031
步骤3，将估计值
Figure BDA0002562742190000032
进行Clark逆变换，得到估计电流
Figure BDA0002562742190000033
步骤4，用采集到的一相电流，替换所述步骤3中得到的估计电流，得到重构计算电流
Figure BDA0002562742190000034
步骤5，将计算得到的重构计算电流
Figure BDA0002562742190000035
带入矢量控制环模块，通过驱动模块产生期望的电压控制输出，对电机进行调速控制。
可选的，所述情况3具体为：该状态下无法得到可靠的相电流，采用上一时间片的α，β轴的电流Iα，Iβ，作为矢量控制环模块的输入，得到期望的电压。
本发明具有以下有益效果：
(1)在不改变原有采样方式的基础上，对采样点分类，在采集不到电流的位置通过重构的相电流计算期望的电压输出，满足控制设计要求；
(2)通过引入提供的相电流重构方法，可以解决在全速范围内的调速控制；
(3)本发明提供的技术方案适用于单ADC模块微处理器。
附图说明
图1是轮毂电机控制器电流重构***框图；
图2是轮毂电机控制器电流重构方法流程图；
图3是相电流在情况1下的重构流程图；
图4是相电流在情况2下的重构流程图；
图5是相电流在情况3下的重构流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种轮毂电机控制器电流重构***及方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
实施例一
本发明提供了一种轮毂电机控制器电流重构***，如图1所示，包括矢量控制环模块1、相电流采样与重构模块2、角度检测模块3、驱动模块4以及电机5。所述矢量控制环模块1输出6路PWM驱动信号至所述驱动模块4，所述驱动模块4输出至所述相电流采样与重构模块2和所述电机5，所述角度检测模块3从所述电机5中获得电机的位置信息送至所述矢量控制环模块1，所述相电流采样与重构模块2输出重构电流至所述矢量控制环模块1。
所述矢量控制环模块1主要实现核心控制算法，接收输入的调速信号、重构电流
Figure BDA0002562742190000041
以及电机位置角度θ。所述调速信号由外部的霍尔转把提供，输入信号为模拟量，所述电机位置角度θ由所述电机5中的三路霍尔提供。所述重构电流是由所述相电流采样与重构模块2提供。所述矢量控制环模块1主要负责Clark、Park、逆Clark、逆Park等变换的实施；进一步，计算出每相导通时间，借助于微处理器的PWM生成模块，产生6路PWM信号。本方案在STM32F030C8T6上已经验证通过，但该算法不仅限于该处理器。
所述相电流采样与重构模块2负责采集和重构相线电流。相线电流的采样通过MOS内阻的方式进行。并且所述相电流采样与重构模块2根据所述矢量控制环模块1计算出的相导通时间与ADC的电流采样时间的对比结果，将采样分为：采集两相电流、采集一相电流和不采集电流。然后根据本发明提供的相电流重构方案，重构所述矢量控制环模块1所需的重构电流
Figure BDA0002562742190000042
所述角度检测模块3负责处理三路异或的霍尔电机信号。三路霍尔电机信号每60°变化一次，所述角度检测模块3中的微处理器捕获单元可以捕获变化信号时间间隔，进而推算出电机转过的角度，获得电机的位置信息。
所述驱动模块4由MOS管构成三相全桥电路，由所述矢量控制环模块1提供的6路PWM信号控制，负责提供所述电机5运行时的电压Va、Vb、Vc和电流换向回路。所述电机5采用轮毂电机，但不限于型号和厂家。
实施例二
本发明提供了一种轮毂电机控制器电流重构方法，流程示意图如图2所示，根据相导通时间和电流采样时间对电流采样进行分类：
情况1：如果相导通时间大于两路相电流采样时间，这时完全可以采集到相线电流，此时根据扇区号采集对应的两相电流；
如图3所示，为情况1下的相电流重构流程图。首先步骤S100获取对应扇区的两相电流Ia和Ib、Ia和Ic，或Ib和Ic，然后步骤S101直接进入矢量控制环模块；
情况2：如果相导通时间大于一路相电流采样时间，根据扇区号采集对应的一相电流；如图4所示具体如下：
S200，读出上一时间片的dq轴电流Id_pre，Iq_pre和当前角度θ；这里提取出上一时间片的dq轴的电流数据，是为所述情况2下提供重构数据；
S201，Park逆变换是将旋转两相坐标系下的变量，变换到静止两相坐标系下的变换，即dq轴到α，β轴坐标的转换。将所述步骤S200中得到的dq轴坐标系下的Id_pre，Iq_pre电流，和当前角度θ，进行Park逆变换，获得α，β轴坐标系下电流估计值
Figure BDA0002562742190000051
其中当前角度θ参与了逆变换运算；
S202，Clark逆变换是将静止两相坐标系下的变量，转换为静止三相坐标系下的变量的运算。将所述步骤S201中得到的电流估计值
Figure BDA0002562742190000052
进行Clark逆变换，得到估计电流
Figure BDA0002562742190000053
S203，首先读出相应扇区下的一相电流，比如此时A相电流Ia，可以获得，B相电流Ib无法获得，将所述步骤S202中的估计电流
Figure BDA0002562742190000054
作为B相电流，即：
Figure BDA0002562742190000055
S204，根据所述步骤S203估算出重构电流
Figure BDA0002562742190000056
S205，直接带入所示矢量控制环模块1，再次经过Clark变换，Park变换，PID控制和Park逆变换，就可以得到期望的电压输出量，对电机进行调速控制。
情况3：如果相导通时间不足以满足电流采样时间，这是无法获得准确的相线电流，此时不对相电流进行采样。
如图5所示，为情况3下的相电流重构流程图。首先步骤S300获取上一时间片保存的α，β轴的电流Iα，Iβ，接着步骤S301直接跳转到矢量控制环模块。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (1)

1.一种轮毂电机控制器电流重构方法，其特征在于，包括：
根据相导通时间和电流采样时间对电流采样进行分类；
对相电流进行重构；
根据相导通时间和电流采样时间对电流采样进行分类包括：情况1：如果相导通时间大于两路相电流采样时间，根据扇区号采集对应的两相电流；
情况2：如果相导通时间大于一路相电流采样时间，根据扇区号采集对应的一相电流；
情况3：如果相导通时间不足以满足电流采样时间，不对相电流进行采样；
在所述情况1下，直接采集两相电流，带入矢量控制环模块，通过驱动模块产生期望的电压输出，控制电机运行；
在所述情况2下，包括：步骤1，读取上一时间片的dq轴电流和当前角度；
步骤2，将得到的dq轴电流和当前角度进行Park逆变换，得到估计值
Figure FDA0004135234390000011
步骤3，将估计值
Figure FDA0004135234390000012
进行Clark逆变换，得到估计电流
Figure FDA0004135234390000013
步骤4，用采集到的一相电流，替换所述步骤3中得到的估计电流，得到重构计算电流
Figure FDA0004135234390000014
步骤5，将计算得到的重构计算电流
Figure FDA0004135234390000015
带入矢量控制环模块，通过驱动模块产生期望的电压控制输出，对电机进行调速控制；
所述情况3具体为：该状态下无法得到可靠的相电流，采用上一时间片的α，β轴电流Iα，Iβ，作为矢量控制环模块的输入，得到期望的电压。
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