技術領域

本發(fā)明涉及電機控制技術領域，尤其涉及一種智能通道系統(tǒng)專用的電機控制系統(tǒng)及控制方法。

背景技術：

傳統(tǒng)的閘機通常采用交流電機或直流有刷電機，交流電機供電電源一般是220V強電，對閘機而言有安全隱患，并且響應速度較慢；直流有刷電機的碳刷是易損件，使用壽命有限，不適合于通行非常頻繁的場合。直流無刷電機可以有效地規(guī)避上述問題，但是針對閘機特有的應用，需要開發(fā)閘機專用的電機控制系統(tǒng)。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的目的之一在于提供一種智能通道系統(tǒng)專用的電機控制系統(tǒng)，其通過對電機位置、速度和電流進行監(jiān)測，搭載高分辨率編碼器的閉環(huán)反饋技術，通過優(yōu)化速度設置和加速度曲線，啟動速度快，停止平穩(wěn)，降低機械噪聲，可適用于通行非常頻繁的場合。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案：

一種智能通道系統(tǒng)專用的電機控制系統(tǒng)，其包括：

主控制電路，所述主控制電路包括DSP處理器和FPGA處理器；

電機驅動電路，所述電機驅動電路包括驅動模塊、半橋電路，所述驅動模塊的輸入端通過第一I/O隔離模塊連接至DSP處理器的第一輸出端，所述驅動模塊的輸出端通過半橋電路連接至電機；

外圍設備，所述外圍設備通過第三I/O隔離模塊與FPGA處理器相連，所述外圍設備包括紅外傳感模塊、門禁模塊和離合器模塊，所述門禁模塊用于將其采集的開門或關門信號通過FPGA處理器發(fā)送給DSP處理器，所述DSP處理器根據(jù)所述開門或關門信號控制電機的動作；所述紅外傳感模塊用于采集上鎖信號并將所述上鎖信號通過FPGA處理器發(fā)送給DSP處理器，所述DSP處理器根據(jù)所述上鎖信號通過FPGA處理器控制離合器模塊上鎖；

檢測模塊，所述檢測模塊包括對半橋電路溫度進行監(jiān)測的溫度傳感器、對電機電流進行監(jiān)測的電流檢測模塊，對電機位置進行監(jiān)測的位置檢測模塊；所述電流檢測模塊電性連接于半橋電路和電機之間，所述溫度傳感器安裝于半橋電路處，所述位置檢測模塊安裝于電機處，且所述溫度傳感器和位置檢測模塊的輸出端均通過第二I/O隔離模塊連接至DSP處理器的第二輸出端；所述電流檢測模塊的反饋端連接至DSP處理器的第三輸出端。

優(yōu)選地，所述電機控制系統(tǒng)進一步包括第一可調隔離直流電源和第二可調隔離直流電源，所述第一可調隔離直流電源和第二可調隔離直流電源分別為主控制電路和電機驅動電路供電。

優(yōu)選地，所述主控制電路進一步包括第一隔離電源和第二隔離電源，第一隔離電源和第二隔離電源分別為外圍設備和檢測模塊供電。

優(yōu)選地，所述外圍設備進一步包括LED模塊和喇叭模塊，所述DSP處理器根據(jù)所述開門或關門信號通過FPGA處理器控制LED模塊和喇叭模塊做出相應的動作。

優(yōu)選地，所述位置檢測模塊為數(shù)字編碼器或/和霍爾傳感器。

優(yōu)選地，所述半橋電路為MOS管半橋電路或IGBT管半橋電路。

優(yōu)選地，所述檢測模塊進一步包括CAN模塊、RS485模塊和RS232模塊的一種或多種，所述電機控制系統(tǒng)進一步包括一輸入模塊，所述輸入模塊的輸出端通過CAN模塊、RS485模塊或RS232模塊經由第二I/O隔離模塊連接至DSP處理器的輸入端。

優(yōu)選地，所述主控制電路進一步包括靜態(tài)隨機存儲器，所述靜態(tài)隨機存儲器與DSP處理器其中一I/O口連接。

本發(fā)明的目的之二在于提供一種通過上述電機控制系統(tǒng)實現(xiàn)電機控制的方法，其通過對電機位置、速度和電流進行監(jiān)測，搭載高分辨率編碼器的閉環(huán)反饋技術，通過優(yōu)化速度設置和加速度曲線，啟動速度快，停止平穩(wěn)，降低機械噪聲，可適用于通行非常頻繁的場合，該方法包括以下步驟：

步驟1、位置調節(jié)：根據(jù)跟定的位置信號Ua和電機處反饋的電機位置信號Ub之間的偏差通過PID調節(jié)得到電機轉速的參考值Vg，所述電機位置信號Ub通過位置檢測模塊采集獲??；

步驟2、速度調節(jié)：根據(jù)所述電機轉速的參考值Vg和電機處反饋的電機轉速的實際值Ws通過第一PI調節(jié)得到電機電流的給定電壓參考值Ulg，所述電機轉速的實際值Ws通過數(shù)字編碼器采集獲?。?/p>

步驟3、電流調節(jié)：根據(jù)所述電機電流的給定電壓參考值Ulg和電機處反饋的電機電流的實際電壓值Uif通過第二PI調節(jié)得到電流輸出調節(jié)占空比，所述電機電流的實際電壓值Uif通過電流檢測模塊采集后進行A/D轉換獲取；

步驟4、電機控制：將所述電流輸出調節(jié)占空比經由PWM控制器、驅動模塊后對半橋電路的通斷進行控制，進而實現(xiàn)對電機輸出轉速、電流或轉矩的控制。

優(yōu)選地，所述位置調節(jié)、速度調節(jié)和電流調節(jié)均在DSP處理器中進行。

相比現(xiàn)有技術，本發(fā)明的有益效果在于：

1、本發(fā)明采用TI公司的DSP和Actel公司的FPGA/CPLD的雙核架構，集成了閘機所需的全部功能。相對于其他需要二塊PCB板的系統(tǒng)，具有體積小，成本低的明顯優(yōu)勢，并且響應速度快。

、閾值動態(tài)可調的電流檢測技術，反應時間小于50ms，可以非常靈敏地檢測到閘門是否夾到行人；

3、搭載高分辨率編碼器的閉環(huán)反饋技術，并通過優(yōu)化速度設置和加速度曲線，啟動速度快，停止平穩(wěn)，降低機械噪聲；

4、采用電流正弦波控制，低速平穩(wěn)，效率更高，并且可以降低電磁噪聲，減少對外電磁輻射干擾；

5、端口的信號采用光電隔離技術，電源采用變壓器隔離技術（2000V），具有極強的抗干擾能力，極強的可靠性；

6.本發(fā)明具備寬壓電源輸入能力和抗電源干擾能力強的優(yōu)點，適用于在惡劣的工作環(huán)境中。

本發(fā)明具備多種電機驅動能力，既可以驅動直流無刷電機，也可以驅動直流有刷電機。

本發(fā)明集成溫度傳感器模塊，可以防止MOS/IGBT驅動模塊過熱燒毀。

本發(fā)明具備冗余電流檢測能力。當1個電流檢測模塊出現(xiàn)故障，不會影響整個系統(tǒng)的工作性能。

本發(fā)明集成多種電機傳感器接口，既可以連接增量式編碼器，也可以連接絕對式編碼器，還可以連接霍爾傳感器。

附圖說明

圖1為本發(fā)明智能通道系統(tǒng)專用的電機控制系統(tǒng)的結構框圖；

圖2為本發(fā)明電機控制方法的原理圖。

具體實施方式

下面，結合附圖以及具體實施方式，對本發(fā)明做進一步描述：

請參照圖1所示，一種智能通道系統(tǒng)專用的電機控制系統(tǒng)，其包括主控制電路、電機驅動電路、外圍設備和檢測模塊。其中，主控制電路包括DSP處理器（DSP數(shù)字信號處理器模塊）和FPGA處理器（FPGA/CPLD可編程模塊）；電機驅動電路包括驅動模塊、半橋電路，驅動模塊的輸入端通過第一I/O隔離模塊連接至DSP處理器的第一輸出端，驅動模塊的輸出端通過半橋電路連接至電機，半橋電路為MOS管半橋電路或IGBT管半橋電路，對應地，驅動模塊采用高壓MOS管驅動電路或高壓IGBT管驅動電路；外圍設備通過第三I/O隔離模塊與FPGA處理器相連，外圍設備包括紅外傳感模塊、門禁模塊和離合器模塊，門禁模塊用于將其采集的開門或關門信號通過FPGA處理器發(fā)送給DSP處理器，DSP處理器根據(jù)開門或關門信號控制電機的動作；紅外傳感模塊用于采集上鎖信號并將上鎖信號通過FPGA處理器發(fā)送給DSP處理器，DSP處理器根據(jù)上鎖信號通過FPGA處理器控制離合器模塊上鎖；檢測模塊包括對半橋電路（同時也是驅動模塊溫度監(jiān)測）溫度進行監(jiān)測的溫度傳感器、對電機電流進行監(jiān)測的電流檢測模塊，對電機位置進行監(jiān)測的位置檢測模塊；電流檢測模塊電性連接于半橋電路和電機之間，溫度傳感器安裝于半橋電路處，位置檢測模塊安裝于電機處，且溫度傳感器和位置檢測模塊的輸出端均通過第二I/O隔離模塊連接至DSP處理器的第二輸出端；電流檢測模塊的反饋端連接至DSP處理器的第三輸出端。主控制電路還包括靜態(tài)隨機存儲器（SRAM），靜態(tài)隨機存儲器與DSP處理器其中一I/O口連接電流檢測模塊為多個冗余結構，從而避免一個損壞而影響電流檢測。

上述主控制電路中，DSP處理器是主要的控制單元，負責所有外圍設備、檢測模塊和電機驅動電路的控制。靜態(tài)隨機存儲器負責為DSP處理器提供程序及數(shù)據(jù)存儲空間。FPGA處理器負責擴展IO，這樣解決了DSP處理器IO口數(shù)量不足的問題，降低了系統(tǒng)的成本，也提高了系統(tǒng)的靈活性。

整個電機控制系統(tǒng)的電源由第一可調隔離直流電源和第二可調隔離直流電源提供，其中，第一可調隔離直流電源和第二可調隔離直流電源分別為主控制電路和電機驅動電路供電。主控制電路中包括有第一隔離電源和第二隔離電源，第一隔離電源和第二隔離電源均為第一可調隔離直流電源經過對應的變壓后形成，第一隔離電源和第二隔離電源分別為外圍設備和檢測模塊供電。

另外，外圍設備還包括LED模塊和喇叭模塊，DSP處理器根據(jù)開門或關門信號通過FPGA處理器控制LED模塊和喇叭模塊做出相應的動作，例如，在開門或關門過程中，可以均使LED模塊閃爍，喇叭模塊播放一定的音樂信號等方式。

位置檢測模塊為編碼器、霍爾傳感器中的一種，本發(fā)明集成多種電機傳感器接口，既可以連接增量式編碼器，也可以連接絕對式編碼器，還可以連接霍爾傳感器。其中，編碼器可以采集位置和速度信息（將編碼器采集數(shù)據(jù)發(fā)送給DSP處理器中的QEP模塊即可），霍爾傳感器采集位置信息。

在工作過程中，DSP處理器根據(jù)開門或關門指令驅動電機時，由DSP處理器先啟動電機，再根據(jù)數(shù)字式編碼器或者霍爾傳感器信號對電機控制信號進行換相，如此循環(huán)往復就可以驅動電機不停地旋轉了。在此驅動電機的過程中，DSP處理器實時采樣電流檢測模塊，溫度傳感器的信號。一旦電流檢測模塊的信號超過設定值，DSP處理器就會立刻清零電機驅動信號。這樣就可以實現(xiàn)電機堵轉或者力矩檢測了。一旦溫度傳感器的信號超過設定值，DSP處理器也會立刻清零電機驅動信號，以防止MOS/IGBT半橋過熱燒毀。

檢測模塊還包括CAN模塊、RS485模塊和RS232模塊的一種或多種，電機控制系統(tǒng)進一步包括一輸入模塊，用戶通過輸入模塊輸入信息，然后通過CAN模塊、RS485模塊或RS232模塊經由第二I/O隔離模塊連接至DSP處理器的輸入端。

請參照圖2所示，采用上述電機控制系統(tǒng)實現(xiàn)電機控制的方法，其通過三閉環(huán)（即位置環(huán)，速度環(huán)，電流環(huán)）結構實現(xiàn)電機的伺服控制。具體的，電機控制方法包括以下步驟：

步驟1、位置調節(jié)（位置環(huán)）：當電機處于運行狀態(tài)時，根據(jù)跟定的位置信號Ua和電機處反饋的電機位置信號Ub之間的偏差通過PID調節(jié)得到電機轉速的參考值Vg，電機位置信號Ub通過位置檢測模塊采集獲取；

步驟2、速度調節(jié)（速度環(huán)）：根據(jù)電機轉速的參考值Vg和電機處反饋的電機轉速的實際值Ws通過第一PI調節(jié)得到電機電流的給定電壓參考值Ulg，電機轉速的實際值Ws通過數(shù)字編碼器采集獲??；

步驟3、電流調節(jié)（電流環(huán)）：根據(jù)電機電流的給定電壓參考值Ulg和電機處反饋的電機電流的實際電壓值Uif通過第二PI調節(jié)得到電流輸出調節(jié)占空比，電機電流的實際電壓值Uif通過電流檢測模塊采集后進行A/D轉換獲取；

步驟4、電機控制：將電流輸出調節(jié)占空比經由PWM控制器、驅動模塊后對半橋電路的通斷進行控制，進而實現(xiàn)對電機輸出轉速、電流或轉矩的控制。

該方法中，電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)均在DSP處理器中進行。電流環(huán)和速度環(huán)均為內環(huán)，位置環(huán)為外環(huán)。電流環(huán)的作用是提供電機控制的快速性，抑制電流環(huán)內部干擾，限制最大電流以保障系統(tǒng)（即指電機控制系統(tǒng)）安全運行。速度環(huán)的作用是增加系統(tǒng)抗負載擾動的能力，抑制速度波動。位置環(huán)的作用是保證系統(tǒng)靜態(tài)精度和動態(tài)跟蹤的性能。在開始跟蹤被控量時，先取消積分作用，使比例項迅速跟蹤偏差的變化。當被控量接近新的設定值時，再將積分作用加上。這樣既可以避免超調又可縮短達到穩(wěn)態(tài)的時間，起到了積分校正的作用。

對本領域的技術人員來說，可根據(jù)以上描述的技術方案以及構思，做出其它各種相應的改變以及形變，而所有的這些改變以及形變都應該屬于本發(fā)明權利要求的保護范圍之內。