[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

技術領域

本發明屬于伺服控制技術領域，涉及一種無刷電機驅動控制系統及控制方法。

背景技術

無刷直流電機由永磁材料制造的轉子、帶有線圈繞組的定子和位置傳感器組成。它具備直流電機優越的調速性能的同時，又取消了碳刷、滑環結構所帶來的各類問題。還具有結構簡單、效率高、運行可靠等優點。

無刷直流電機的調速方式通常通過開環PWM調制來實現，通過外部給定占空比來實現轉速的變化，但這種調速方式適用于對調速要求不高的場合，無法滿足較高的調速性能要求，也無法實現對轉矩轉速的高精度控制。同時，傳統的單片機控制系統、專用電機控制系統和DSP控制系統，在實現故障保護時，實現的故障保護電路，響應延時長，降低了系統的安全性。

傳統的無刷直流電機的閉環速度控制和閉環位置控制系統，需要利用編碼器作為傳感器對電機的速度和位置進行檢測，在使用時提高了系統的生產成本。

發明內容

本發明的目的在于提供一種可實現快速、精準調速的無刷直流電機驅動控制系統。

本發明的技術方案是：雙芯片無刷直流電機驅動控制系統，包括上位機、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，驅動電路為三相全橋電路，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，采用PID算法計算出速度、位置和力矩的控制值，并將控制值反饋到邏輯處理器的驅動控制單元，控制單元將其解析為控制信號，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；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，分別采集電壓值和電流值并反饋到微處理器的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；若發生過壓、過流等故障，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。經過雙重剎車控制，確保電機的快速故障保護。

優選的是：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。

無刷直流電機控制系統的控制方法，通過上位機發送控制模式指令到微處理器，控制模式指令分為速度控制、位置控制和力矩控制，電機驅動電路采用上橋PWM，下橋ON的控制模式：

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：

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；