[發明專利]雙芯片無刷直流電機驅動控制系統及控制方法

有效

• 申請號: 201510279715.X
• 申請日: 2015-05-27
• 公開（公告）號: CN104852637B
• 公開（公告）日: 2017-05-17
• 發明（設計）人: 黎明;王建國;張家明;陳震;張帥
• 申請（專利權）人: 中國海洋大學
• 主分類號: H02P6/00
• 分類號: H02P6/00;H02P6/08;H02H7/08
• 代理公司: 青島聯信知識產權代理事務所37227
• 代理人: 段秀瑛,王月玲

1.雙芯片無刷直流電機驅動控制系統的控制方法，其特征在于：所述驅動控制系統包括上位機、電機驅動電路、電壓電流檢測與比較電路和控制系統，無刷直流電機內置三相霍爾傳感器，電機驅動電路為三相全橋電路，其特征在于：所述控制系統包括相互連接的邏輯處理器、微處理器，以及與邏輯處理器相連的驅動電路；

邏輯處理器包括計算單元、保護單元、驅動控制單元和通信單元，其中，計算單元接收三相霍爾傳感器的反饋信號，并進行位置運算和速度運算；通信單元用于與微處理器的通信；

上位機與微處理器相連，上位機傳遞控制給定值信號到微處理器，并控制微處理器的控制模式在速度控制、位置控制和力矩控制之間切換；

微處理器接收來自邏輯處理器的位置和速度計算值，結合上位機的給定值，進行速度、位置和力矩的控制值的計算，并將控制值反饋到邏輯處理器的驅動控制單元，驅動控制單元將控制值解析為控制信號，邏輯處理器通過驅動電路與電機驅動電路相連，驅動電路接收驅動控制單元給定的控制信號，通過驅動電路控制無刷直流電機工作；

所述電壓電流檢測與比較電路包括電壓檢測與比較電路和電流檢測與比較電路，二者分別將采集的電流值和電壓值反饋到微處理器的ADC采集端，同時將電壓比較值和電流比較值傳遞到邏輯處理器，保護單元進行過壓與過流的判斷；

所述控制方法為：通過上位機發送控制模式指令到微處理器，所述控制模式指令分為速度控制、位置控制和力矩控制，所述電機驅動電路采用上橋PWM，下橋ON的控制模式，工作時，電壓檢測與比較電路、電流檢測與比較電路將采集的電流值和電壓值反饋到微處理器的ADC采集端，同時將電流比較值和電壓比較值傳遞到邏輯處理器，保護單元進行過壓與過流的判斷；若發生過載、過壓、短路故障，邏輯處理器會先于微處理器做出響應，控制電機快速剎車，微處理器緊隨其后再次控制電機做出剎車動作；

當上位機發送力矩控制指令時，將力矩值給定值傳遞到微處理器，控制方法如下：

L1、微處理器接收電流檢測與比較電路檢測的電流值，將電流值乘以電機力矩系數進行力矩計算，得到當前電機力矩計算值；

L2、微處理器根據力矩給定值和當前電機力矩計算值，得到兩者偏差，結合PID算法，經過限幅后計算出力矩控制值，并轉化為力矩控制字，傳遞到邏輯處理器；

L3、邏輯處理器讀取三相霍爾傳感器反饋信號，根據邏輯處理器內部設計的換向控制邏輯，調整三相全橋電路的導通情況，實現電機繞組的換相控制；邏輯處理器根據接收的力矩控制字，通過線性換算生成具有對應占空比的PWM信號，作為上橋PWM控制信號，進而調整電機繞組上的電壓；通過換相和調壓，實現電機力矩控制；

當上位機發送速度控制指令時，將速度給定值傳遞到微處理器，控制方法如下：

S1、邏輯處理器將三相霍爾傳感器信號異或處理，得到方波信號；

S2、統計方波信號兩個相鄰上升沿之間20KHz時鐘脈沖的個數，得到速度計數值MOTOR_SPEED；

S3、將速度計數值傳遞到微處理器，微處理器進行速度計算，計算公式如下：

$Roter\_Speed=\frac{1}{\[(MOTER\_SPEED+2)/20000\]\·3\·P}\·60$

其中，MOTER_SPEED為步驟S2中計算得到的速度計數值，P為三相無刷電機極對數，Roter_Speed為計算出的當前電機轉速，單位是rpm；

S4：微處理器根據速度給定值和S3步驟中計算出的當前電機轉速，得到兩者的偏差，再通過PID算法，并經過限幅后計算出控制值，這個控制值就作為力矩給定值；通過重復步驟L1-L2，計算電機當前力矩，再跟之前得到的力矩給定值做比較，得到兩者偏差，通過PID算法，并經過限幅后，計算出力矩控制值，并轉化為對應的力矩控制字，傳遞到邏輯處理器；邏輯處理器解析控制字；

S5：重復L3中步驟，通過換相和調壓，實現對電機速度控制；

當上位機發送位置控制指令時，將位置給定值傳遞到微處理器，控制方法如下：

W1、邏輯處理器的計算單元對三相霍爾傳感器的反饋信號進行處理，使電機正轉時，計算單元輸出高電平，位置計數加一，電機反轉時，計算單元輸出低電平，位置計數減一，這里的位置計數就代表了電機的當前位置；

W2、邏輯處理器將位置計數傳遞到微處理器，與位置給定值比較得到偏差，然后通過PID算法，并經過限幅后計算出控制值，這個控制值就作為速度給定值，重復S1-S4；

W3、重復L3中步驟，通過換相和調壓，實現對電機位置控制。

2.如權利要求1所述的雙芯片無刷直流電機驅動控制系統的控制方法，其特征在于：所述邏輯處理器采用CPLD芯片，微處理器采用ARM芯片，二者通過SPI總線通信。