雙芯片無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于伺服控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種采用雙芯片聯(lián)合對(duì)無(wú)刷電機(jī)進(jìn)行控制的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]無(wú)刷直流電機(jī)由永磁材料制造的轉(zhuǎn)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(jī)優(yōu)越的調(diào)速性能的同時(shí)，又取消了碳刷、滑環(huán)結(jié)構(gòu)所帶來的各類問題。還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。
[0003]無(wú)刷直流電機(jī)的調(diào)速方式通常通過開環(huán)PWM調(diào)制來實(shí)現(xiàn)，通過外部給定占空比來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的變化，但這種調(diào)速方式適用于對(duì)調(diào)速要求不高的場(chǎng)合，無(wú)法滿足較高的調(diào)速性能要求，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的高精度控制。同時(shí)，傳統(tǒng)的單片機(jī)控制系統(tǒng)、專用電機(jī)控制系統(tǒng)和DSP控制系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)時(shí)，實(shí)現(xiàn)的故障保護(hù)電路，響應(yīng)延時(shí)長(zhǎng)，降低了系統(tǒng)的安全性。
[0004]傳統(tǒng)的無(wú)刷直流電機(jī)的閉環(huán)速度控制和閉環(huán)位置控制系統(tǒng)，需要利用編碼器作為傳感器對(duì)電機(jī)的速度和位置進(jìn)行檢測(cè)，在使用時(shí)提高了系統(tǒng)的生產(chǎn)成本。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)用新型的目的在于提供一種可實(shí)現(xiàn)快速、精準(zhǔn)調(diào)速的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。
[0006]本實(shí)用新型的技術(shù)方案是:雙芯片無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，包括上位機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路、電壓電流檢測(cè)與比較電路和控制系統(tǒng)，無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)置三相霍爾傳感器，所述驅(qū)動(dòng)電路為三相全橋電路，所述控制系統(tǒng)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(qū)動(dòng)電路；
[0007]邏輯處理器包括計(jì)算單元、保護(hù)單元、驅(qū)動(dòng)控制單元和通信單元，其中，計(jì)算單元接收三相霍爾傳感器的反饋信號(hào)，并進(jìn)行位置運(yùn)算和速度運(yùn)算；通信單元用于與微處理器的通信；
[0008]上位機(jī)與微處理器相連，上位機(jī)傳遞控制給定值信號(hào)到微處理器，并控制微處理器的控制模式；
[0009]微處理器接收來自邏輯處理器的位置和速度計(jì)算值，結(jié)合上位機(jī)的給定值，采用PID算法計(jì)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(qū)動(dòng)控制單元，邏輯處理器通過驅(qū)動(dòng)電路與驅(qū)動(dòng)電路相連，驅(qū)動(dòng)電路接收驅(qū)動(dòng)控制單元給定的控制信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)電路控制無(wú)刷直流電機(jī)工作；
[0010]所述電壓電流檢測(cè)與比較電路包括電流檢測(cè)與比較電路和電壓檢測(cè)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(shí)將電流比較值和電壓比較值傳遞到邏輯處理器，保護(hù)單元進(jìn)行過壓與過流的判斷。
[0011]優(yōu)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。
[0012]本實(shí)用新型的有益效果是:
[0013](I)本實(shí)用新型提供了一種雙芯片無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。ARM+CPLD雙芯片聯(lián)合實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、位置的高精度控制，同時(shí)利用了 CPLD芯片的快速響應(yīng)優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)過壓、過流故障的快速保護(hù)；
[0014](2)該系統(tǒng)不使用速度和位置檢測(cè)傳感器，通過邏輯處理器內(nèi)部邏輯實(shí)現(xiàn)速度和位置的精確計(jì)算，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度和位置閉環(huán)控制，大大降低了系統(tǒng)成本；
[0015](3)定制了一種CPLD片內(nèi)SPI核，以適應(yīng)SPI通信時(shí)序，實(shí)現(xiàn)了 ARM與CPLD之間的SPI全雙工通信，同時(shí)自定義了一種基于SPI總線的全雙工通信協(xié)議；該SPI核具有很強(qiáng)的可移植性，具有統(tǒng)一的對(duì)外接口，可以輕松移植到任何一款CPLD芯片上以實(shí)現(xiàn)SPI通信功能。
【附圖說明】
[0016]圖1為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2為【具體實(shí)施方式】控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖3為驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖4電流檢測(cè)與比較電路。
[0020]圖5電壓檢測(cè)與比較電路。
【具體實(shí)施方式】
[0021]如圖1所示，雙芯片無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，包括上位機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路、電壓電流檢測(cè)與比較電路和控制系統(tǒng)，無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)置三相霍爾傳感器，驅(qū)動(dòng)電路為三相全橋電路。
[0022]控制系統(tǒng)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(qū)動(dòng)電路。如圖2所示，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。該系統(tǒng)不采用位置和速度傳感器，而是采用無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)部霍爾傳感器反饋值，進(jìn)行位置和速度的計(jì)算。CPLD接收到三相霍爾傳感器反饋信號(hào)后，進(jìn)行位置運(yùn)算和速度運(yùn)算，得到無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置值和速度值，此處稱為位置和速度的計(jì)算值，傳遞到ARM。
[0023]上位機(jī)與ARM相連，控制ARM的工作，用于調(diào)控ARM進(jìn)行速度控制、位置控制或力矩控制。上位機(jī)下達(dá)控制指令時(shí)，將控制給定值傳遞到ARM內(nèi)，ARM根據(jù)給定值和計(jì)算值，根據(jù)PID算法，得出速度、位置和力矩的控制值，并將控制值反饋到CPLD。CPLD通過驅(qū)動(dòng)電路與驅(qū)動(dòng)電路相連，驅(qū)動(dòng)電路采用UCC27211MOSFET驅(qū)動(dòng)器，圖3為橋路I驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)示意圖，其他兩路橋路的驅(qū)動(dòng)電路與該路結(jié)構(gòu)相同，只是PWM調(diào)制信號(hào)接收端口不同。驅(qū)動(dòng)電路接收的控制值即PWM調(diào)制信號(hào)，分別來自CPLD的PWMA0-PWMA5端，在CPLD產(chǎn)生的PWM信號(hào)控制下，控制場(chǎng)效應(yīng)管的開關(guān)，使電機(jī)的三相繞組能按要求的順序?qū)ǎ瑢?shí)現(xiàn)定子繞組的正確換向；其次是在CPLD發(fā)送的不同PWM占空比控制信號(hào)作用下，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)壓調(diào)速。
[0024]電流檢測(cè)與比較電路和電壓檢測(cè)與比較電路將采集的電流值和電壓值反饋到ARM的ADC采集端，同時(shí)將電流比較值和電壓比較值傳遞到邏輯處理器，進(jìn)行過壓與過流的判斷，當(dāng)電路發(fā)生故障時(shí)，邏輯處理器會(huì)率先響應(yīng)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行快速剎車控制，微處理器緊隨其后，下發(fā)剎車指令再次控制電機(jī)剎車，確保電機(jī)的快速故障保護(hù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.雙芯片無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，包括上位機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路、電壓電流檢測(cè)與比較電路和控制系統(tǒng)，無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)置三相霍爾傳感器，所述驅(qū)動(dòng)電路為三相全橋電路，其特征在于:所述控制系統(tǒng)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(qū)動(dòng)電路； 邏輯處理器包括計(jì)算單元、保護(hù)單元、驅(qū)動(dòng)控制單元和通信單元，其中，計(jì)算單元接收三相霍爾傳感器的反饋信號(hào)，并進(jìn)行位置運(yùn)算和速度運(yùn)算；通信單元用于與微處理器的通Is ; 上位機(jī)與微處理器相連，上位機(jī)傳遞控制給定值信號(hào)到微處理器，并控制微處理器的控制模式； 微處理器接收來自邏輯處理器的位置和速度計(jì)算值，結(jié)合上位機(jī)的給定值，采用PID算法計(jì)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(qū)動(dòng)控制單元，邏輯處理器通過驅(qū)動(dòng)電路與驅(qū)動(dòng)電路相連，驅(qū)動(dòng)電路接收驅(qū)動(dòng)控制單元給定的控制值，通過驅(qū)動(dòng)電路控制無(wú)刷直流電機(jī)工作； 所述電壓電流檢測(cè)與比較電路包括電流檢測(cè)與比較電路和電壓檢測(cè)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(shí)將電流比較值和電壓比較值傳遞到邏輯處理器，保護(hù)單元進(jìn)行過壓與過流的判斷。2.如權(quán)利要求1所述的雙芯片無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，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。
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種雙芯片無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用ARM和CPLD聯(lián)合控制，本控制系統(tǒng)的力矩、速度和位置的給定值來自上位機(jī)，電機(jī)狀態(tài)的反饋值根據(jù)電機(jī)內(nèi)的三相霍爾傳感器的反饋值計(jì)算得出。ARM與上位機(jī)相連，接收上位機(jī)發(fā)送的給定值并根據(jù)上位機(jī)的指令進(jìn)行力矩控制、速度控制或位置控制；CPLD接收三相霍爾器的反饋信號(hào)，進(jìn)行位置和速度的計(jì)算，將計(jì)算值傳遞到ARM，ARM結(jié)合計(jì)算值和給定值進(jìn)行控制運(yùn)算，并發(fā)送控制字。CPLD接收ARM的控制字并解析為控制指令，通過電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。該系統(tǒng)不需用速度和位置傳感器，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和位置的高精度控制。
【IPC分類】H02P6/08, H02H7/08, H02P6/00
【公開號(hào)】CN204696967
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520352367
【發(fā)明人】黎明, 王建國(guó), 張家明
【申請(qǐng)人】中國(guó)海洋大學(xué)
【公開日】2015年10月7日
【申請(qǐng)日】2015年5月27日