專利名稱：直流電動機的全數(shù)字化智能控制模塊的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電動機控制電路，特別是涉及一種直流電動機的全數(shù)字化智能控制模塊。
背景技術：
在對電動機進行控制的功能實現(xiàn)上，采用以模擬元器件為主的方法設計脈沖寬度調(diào)制(PWM)電路。這是一種應用多年的經(jīng)典電路，在相關教科書、應用文集等技術資料中都有詳細的介紹。其硬件構成是用運算放大器、電阻、電容、穩(wěn)壓二極管組成的三角波發(fā)生器，它決定PWM的周期，其頻率、幅值為定值；用放大器、基準電壓源以及電阻組成的基準電壓電路，產(chǎn)生死區(qū)上、下限電壓，其幅值也為定值；用D/A轉(zhuǎn)換器、放大器、電阻組成的數(shù)字/電壓電路，產(chǎn)生PWM的控制信號，其大小受微處理器控制；用兩組比較器、電阻組成的三角波-方波變換電路，同時產(chǎn)生正向和反向電流PWM信號，其占空比受微處理器及死區(qū)上、下限電壓控制。
在PWM的頻率和兩個死區(qū)電壓值都已設定的條件下，通過微處理器運行程序，設置D/A轉(zhuǎn)換器的電壓，產(chǎn)生所需要的PWM波形，實現(xiàn)對電動機進行方向、轉(zhuǎn)速及制動控制的目的。
但是用這種方式設計的PWM電路中存在的一些技術和工藝方面的問題，主要是1、電路結構復雜，分立元件的一致性不易控制。
2、不能在線改變PWM的周期和死區(qū)的占空比。
3、PWM的控制精度受制于分立元件的精度，一般只可達到1％左右。
4、調(diào)試難度大，元器件成本高，可能出現(xiàn)的故障點多，不易維修。
5、不能保證產(chǎn)品在規(guī)模生產(chǎn)時的一致性和高品質(zhì)。
其中，死區(qū)的占空比不能在線編程修改，對脈沖寬度調(diào)制(PWM)電路的總體性能具有至關重要的影響。因為，這種經(jīng)典的設計方案，使得電動機在低速以至停轉(zhuǎn)時與高速轉(zhuǎn)消耗同樣大小的電流。結果是，要求系統(tǒng)提供的電池具有較高的安培小時數(shù)。從應用角度說就是，需要更大的電池空間和更高的儲能費用。
怎樣在保證電動機正常工作的前提下，盡量降低功耗已是業(yè)界許多工程師期盼已久、卻仍未圓滿解決的難題之一。
相對于線性控制電路，脈寬調(diào)制器提供了一種控制電動機的節(jié)能方法，它大大降低了驅(qū)動電路在驅(qū)動電動機工作時自身的功率消耗，并通過改變施加在各自定子繞組上的平均電壓以控制電動機的方向和轉(zhuǎn)速。
在一個PWM周期中，包括正向電流脈沖寬度，反向電流脈沖寬度和死區(qū)時間三部分。死區(qū)時間又分為兩部分死區(qū)1和死區(qū)2。其時序如圖6所示。
在圖6中，P0為PWM的周期時鐘信號，其周期等于2ms。P1為正向電流的控制脈沖信號。P2為反向電流的控制脈沖信號。P3為死區(qū)時間的控制脈沖信號。
從圖6可以看到PWM周期＝正向電流脈沖寬度+死區(qū)1+反向電流脈沖寬度+死區(qū)2通常，死區(qū)1的時間等于死區(qū)2的時間。
在大多數(shù)電動機控制電路中，PWM周期和死區(qū)均為定值，二者之差，即為正向電流脈沖寬度與反向電流脈沖寬度之和PWM周期-死區(qū)時間＝正向電流脈沖寬度+反向電流脈沖寬度以PWM方式控制的直流電動機，其運動方向和轉(zhuǎn)速取決于正向電流脈沖寬度與反向電流脈沖寬度之差。而其功率消耗取決于正向電流脈沖寬度與反向電流脈沖寬度之和。
所以，不管正向電流和反向電流怎么變，即不管電動機怎么運動(高速、低速還是停轉(zhuǎn))，直流電動機消耗的功率基本不變。
這樣，我們?nèi)菀椎贸鲆粋€結論脈寬調(diào)制器控制的直流電動機的功耗受控于死區(qū)時間在PWM周期中的占空比。
當需要電動機保持停轉(zhuǎn)狀態(tài)時，就要設置正向電流脈沖寬度等于反向電流脈沖寬度。顯然，即使電動機停轉(zhuǎn)，也一點不能減少功率消耗。
隨著死區(qū)時間的逐漸減小，電動機的功耗逐漸增大，而與電動機的轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)速無關。
一般情況下，為了得到盡量快的電動機運行轉(zhuǎn)速，將死區(qū)時間設置得盡量小。然而，很小的死區(qū)時間使得電動機在轉(zhuǎn)速很慢以至停轉(zhuǎn)時，仍然要消耗與高速旋轉(zhuǎn)同樣大小的電流。

發(fā)明內(nèi)容
為彌補上述缺陷，本發(fā)明提供一種采用微處理器為核心的直流電動機的全數(shù)字化智能控制模塊。
本發(fā)明直流電動機的全數(shù)字化智能控制模塊是利用微處理器的強大數(shù)據(jù)處理能力，接受和解釋從串口發(fā)來的上位機的命令和參數(shù)，并分別設置正向脈沖寬度計數(shù)器、反向脈沖寬度計數(shù)器和死區(qū)寬度計數(shù)器，再由控制邏輯電路產(chǎn)生PWM信號輸出去控制直流電動機。
本發(fā)明直流電動機的全數(shù)字化智能控制模塊，包括微處理器、連接上位機的串行接口、連接外部設備的并行接口，所述微處理器的數(shù)據(jù)、地址線和讀寫線連接到控制邏輯電路和若干個計數(shù)器，所述控制邏輯電路有一組控制線連接計數(shù)器，還有一組控制線連接到并行接口，所述控制邏輯電路輸出PWM信號到外部的電動機驅(qū)動電路，通過電動機驅(qū)動電路驅(qū)動直流電動機，所述微處理器的工作過程如下(1)開機后初始化智能接口和控制邏輯電路；(2)等待上位機從串口發(fā)來的命令和參數(shù)；(3)命令容錯；(4)判斷命令是否正確？錯誤返回步驟(2)，正確繼續(xù)；(5)參數(shù)容錯；(6)判斷參數(shù)是否正確？錯誤返回步驟(2)，正確繼續(xù)；(7)解釋命令和參數(shù)；(8)設置正向脈沖寬度計數(shù)器；(9)設置反向脈沖寬度計數(shù)器；(10)設置死區(qū)寬度計數(shù)器；(11)回步驟(2)。
本發(fā)明直流電動機的全數(shù)字化智能控制模塊，所述控制邏輯電路輸出的PWM信號經(jīng)過光電耦合器輸出。
本發(fā)明直流電動機的全數(shù)字化智能控制模塊，所述控制邏輯電路和所述計數(shù)器用一片可編程邏輯器件實現(xiàn)，所述PWM信號從所述可編程邏輯器件輸出。
本發(fā)明直流電動機的全數(shù)字化智能控制模塊可以更合理地設置正向脈沖寬度計數(shù)器、反向脈沖計數(shù)器和死區(qū)寬度計數(shù)器，徹底解決了PWM控制電路在電動機不轉(zhuǎn)時的高耗電狀態(tài)，從而減少了電源功耗，延長了用該電路控制的電動機在有限供電量下的工作時間，有著極其重大的意義。


圖1是本發(fā)明直流電動機的全數(shù)字化智能控制模塊的實施例一的電路框圖；圖2是本發(fā)明直流電動機的全數(shù)字化智能控制模塊的實施例二的電路框圖；圖3是本發(fā)明直流電動機的全數(shù)字化智能控制模塊的實施例三的電路框圖；圖4是本發(fā)明直流電動機的全數(shù)字化智能控制模塊的實施例四的電路框圖；圖5是本發(fā)明直流電動機的全數(shù)字化智能控制模塊的微處理器程序流程圖；圖6是本發(fā)明直流電動機的全數(shù)字化智能控制模塊的PWM周期、正向脈沖、反向脈沖及死區(qū)時間的時序圖；圖7是本發(fā)明直流電動機的全數(shù)字化智能控制模塊中控制邏輯電路和計數(shù)器的實施例參考圖。
具體實施例方式
為進一步闡述本發(fā)明，下面結合實施例做更詳盡的說明。
圖1是本發(fā)明直流電動機的全數(shù)字化智能控制模塊的實施例一，也是基本電路。在本實施例中。微處理器設有兩個對外部的輸入輸出口，一個是串行接口，用來和上位機通信，就是說，本發(fā)明直流電動機的全數(shù)字化智能控制模塊只是一塊中間電路，必須有上下設備才能完整工作。另一個是雙向并行接口，用于邏輯信號的輸入輸出。
微處理器有數(shù)據(jù)、地址線和讀寫線，同時連接控制電路中的控制邏輯電路和計數(shù)器，計數(shù)器包含正向脈沖寬度計數(shù)器、反向脈沖寬度計數(shù)器和死區(qū)寬度計數(shù)器(具體線路可參見圖7，這是一個實施例的實際電路圖，這里不再累述)，這些計數(shù)器由微處理器來設定，而這些計數(shù)器到預置時間時會發(fā)出適當?shù)目刂菩盘柦o控制邏輯電路中的相應單元，在微處理器和計數(shù)器的共同控制下，控制邏輯電路產(chǎn)生出PWM信號，輸出給電動機驅(qū)動電路，控制直流電動機工作。
對于處在核心的微處理器，需要處理大量的數(shù)據(jù)，其軟件流程圖可見圖5，具體工作過程為(1)開機初始化智能化接口和控制邏輯電路。
(2)等待串口來的上位機命令和參數(shù)。
(3)接收到命令和參數(shù)后，進行命令容錯檢查。
(4)命令容錯檢查錯誤，返回等待串口的新的命令和參數(shù)，命令容錯檢查正確繼續(xù)。
(5)進行參數(shù)容錯檢查。
(6)參數(shù)容錯檢查錯誤，返回等待串口新的命令和參數(shù)，參數(shù)容錯檢查正確繼續(xù)。
(7)解釋命令和參數(shù)。
(8、9、10)設置電動機控制參數(shù)。
微處理器將解釋后的命令參數(shù)輸出到相對應的電動機控制信號正向脈沖寬度計數(shù)器、反向脈沖寬度計數(shù)器、死區(qū)寬度計數(shù)器中，配合外圍的控制邏輯電路，產(chǎn)生控制電動機的正向脈沖和反向脈沖。
(11)返回等待串口新的命令和參數(shù)。
在該系統(tǒng)中，本發(fā)明直流電動機的全數(shù)字化智能控制模塊和上位機的通信設有自定義通信協(xié)議。通過串行接口(如RS232/422/485)接收命令，按協(xié)議進行解釋，執(zhí)行指定的操作。實現(xiàn)以PWM方式控制電動機。實現(xiàn)電動機的復雜控制，如直接數(shù)字合成調(diào)制。具有命令容錯和正、反向脈沖互鎖保護功能。對收到的不合理的命令，不予執(zhí)行。在任何情況下，保證不發(fā)出導致驅(qū)動電路短路的控制信號。控制參數(shù)簡單，編程容易。工程人員可以不關心模塊內(nèi)部的硬件電路和軟件編程，直接用正、反向電流的脈沖占空比作為控制參數(shù)傳給模塊，就能得到對應的脈沖序列，實現(xiàn)對電動機的方向、轉(zhuǎn)速等物理量進行精確控制，通過設定死區(qū)時間的占空比控制電動機的功率消耗，節(jié)省能源。
在有的系統(tǒng)中，電動機驅(qū)動電路不能和本發(fā)明直流電動機的全數(shù)字化智能控制模塊中的控制邏輯電路共地，此時就需要在控制邏輯電路后面加裝光電隔離電路，這就是圖2展示的實施例二。在實施例二中，需要對光電隔離電路的兩端分別供電，所以直流電源也應在原來的一路輸出(可稱為數(shù)字電源)之外，還要有一路不共地的直流輸出(模擬電源)。
在上述兩個實施例中，控制邏輯電路和計數(shù)器是用小規(guī)模集成電路搭建的，作為產(chǎn)品是可以使用的，但是元件越多，成本越高、故障率也越高，為提高產(chǎn)品集成度，降低成本，可以采用可編程邏輯器件實現(xiàn)控制邏輯電路和計數(shù)器的功能，這就是圖3所示的實施例三和圖4所示的實施例四，兩者不同的就在于有無光電隔離電路。
本發(fā)明直流電動機的全數(shù)字化智能控制模塊把全數(shù)字電路與靈活的軟件結合為一體，采用微處理器(MPU或DSP)及CPLD為核心芯片，可以更合理地設置正向脈沖寬度計數(shù)器、反向脈沖寬度計數(shù)器和死區(qū)寬度計數(shù)器，徹底解決了PWM控制電路在電動機不轉(zhuǎn)時的高耗電狀態(tài)，從而減少了電源功耗，延長了用該電路控制的電動機在有限供電量下的工作時間，有著極其重大的意義。加裝光電隔離，主要是保護控制邏輯一側(cè)電路的安全，同時更容易適應多種電動機驅(qū)動電路的應用需求。
權利要求
1.一種直流電動機的全數(shù)字化智能控制模塊，包括微處理器、串行接口、并行接口，其特征在于所述微處理器的數(shù)據(jù)地址線和讀寫線連接到控制邏輯電路和若干個計數(shù)器，所述控制邏輯電路有一組控制線連接計數(shù)器，還有一組控制線連接到并行接口，所述控制邏輯電路輸出PWM信號到外部的電動機驅(qū)動電路，通過電動機驅(qū)動電路驅(qū)動直流電動機，所述微處理器的工作過程如下(1)開機后初始化智能接口和控制邏輯電路；(2)等待上位機從串口發(fā)來的命令和參數(shù)；(3)命令容錯；(4)判斷命令是否正確？錯誤返回步驟(2)，正確繼續(xù)；(5)參數(shù)容錯；(6)判斷參數(shù)是否正確？錯誤返回步驟(2)，正確繼續(xù)；(7)解釋命令和參數(shù)；(8)設置正向脈沖寬度計數(shù)器；(9)設置反向脈沖寬度計數(shù)器；(10)設置死區(qū)寬度計數(shù)器；(11)返回步驟(2)。
2.根據(jù)權利要求1的直流電動機的全數(shù)字化智能控制模塊，其特征在于所述控制邏輯電路輸出的PWM信號經(jīng)過光電耦合器輸出。
3.權利要求1或2的直流電動機的全數(shù)字化智能控制模塊，其特征在于所述控制邏輯電路和所述計數(shù)器的功能用一片可編程邏輯器件實現(xiàn)，所述PWM信號從所述可編程邏輯器件輸出。
全文摘要
本發(fā)明直流電動機的全數(shù)字化智能控制模塊是利用微處理器的強大數(shù)據(jù)處理能力，接收和解釋從串口發(fā)來的上位機的命令和參數(shù)，并分別設置正向脈沖寬度計數(shù)器、反向脈沖寬度計數(shù)器和死區(qū)寬度計數(shù)器，再由控制邏輯電路產(chǎn)生PWM信號輸出通過電動機驅(qū)動電路去控制直流電動機，還可以設置光電隔離電路輸出PWM信號。本發(fā)明直流電動機的全數(shù)字化智能控制模塊可以更合理地設置正向脈沖寬度計數(shù)器、反向脈沖寬度計數(shù)器和死區(qū)寬度計數(shù)器，徹底解決了PWM控制電路在電動機不轉(zhuǎn)時的高耗電狀態(tài)，從而減少了電源功耗，延長了用該電路控制的電動機在有限供電量下的工作時間，有著極其重大的意義，并適應多種直流電動機的需求。
文檔編號H02P1/22GK101075799SQ20061008699
公開日2007年11月21日 申請日期2006年6月23日 優(yōu)先權日2006年6月23日
發(fā)明者魏曉龍 申請人:魏曉龍