CN100525064C - 直流电动机的全数字化智能控制模块 - Google Patents

Abstract

本发明直流电动机的全数字化智能控制模块是利用微处理器的强大数据处理能力，接收和解释从串口发来的上位机的命令和参数，并分别设置正向脉冲宽度计数器、反向脉冲宽度计数器和死区宽度计数器，再由控制逻辑电路产生PWM信号输出通过电动机驱动电路去控制直流电动机，还可以设置光电隔离电路输出PWM信号。本发明直流电动机的全数字化智能控制模块可以更合理地设置正向脉冲宽度计数器、反向脉冲宽度计数器和死区宽度计数器，彻底解决了PWM控制电路在电动机不转时的高耗电状态，从而减少了电源功耗，延长了用该电路控制的电动机在有限供电量下的工作时间，有着极其重大的意义，并适应多种直流电动机的需求。

Description

直流电动机的全数字化智能控制模块

技术领域

本发明涉及一种电动机控制电路，特别是涉及一种直流电动机的全数字化智能控制模块。

背景技术

在对电动机进行控制的功能实现上，采用以模拟元器件为主的方法设计脉冲宽度调制(PWM)电路。这是一种应用多年的经典电路，在相关教科书、应用文集等技术资料中都有详细的介绍。其硬件构成是：

用运算放大器、电阻、电容、稳压二极管组成的三角波发生器，它决定PWM的周期，其频率、幅值为定值；

用放大器、基准电压源以及电阻组成的基准电压电路，产生死区上、下限电压，其幅值也为定值；

用D/A转换器、放大器、电阻组成的数字/电压电路，产生PWM的控制信号，其大小受微处理器控制；

用两组比较器、电阻组成的三角波一方波变换电路，同时产生正向和反向电流PWM信号，其占空比受微处理器及死区上、下限电压控制。

在PWM的频率和两个死区电压值都已设定的条件下，通过微处理器运行程序，设置D/A转换器的电压，产生所需要的PWM波形，实现对电动机进行方向、转速及制动控制的目的。

但是用这种方式设计的PWM电路中存在的一些技术和工艺方面的问题，主要是：

1、电路结构复杂，分立元件的一致性不易控制。

2、不能在线改变PWM的周期和死区的占空比。

3、PWM的控制精度受制于分立元件的精度，一般只可达到1％左右。

4、调试难度大，元器件成本高，可能出现的故障点多，不易维修。

5、不能保证产品在规模生产时的一致性和高品质。

其中，死区的占空比不能在线编程修改，对脉冲宽度调制(PWM)电路的总体性能具有至关重要的影响。因为，这种经典的设计方案，使得电动机在低速以至停转时与高速转消耗同样大小的电流。结果是，要求系统提供的电池具有较高的安培小时数。从应用角度说就是，需要更大的电池空间和更高的储能费用。

怎样在保证电动机正常工作的前提下，尽量降低功耗已是业界许多工程师期盼已久、却仍未圆满解决的难题之一。

相对于线性控制电路，脉宽调制器提供了一种控制电动机的节能方法，它大大降低了驱动电路在驱动电动机工作时自身的功率消耗，并通过改变施加在各自定子绕组上的平均电压以控制电动机的方向和转速。

在一个PWM周期中，包括正向电流脉冲宽度，反向电流脉冲宽度和死区时间三部分。死区时间又分为两部分：死区1和死区2。其时序如图6所示。

在图6中，P0为PWM的周期时钟信号，其周期等于2ms。P1为正向电流的控制脉冲信号。P2为反向电流的控制脉冲信号。P3为死区时间的控制脉冲信号。

从图6可以看到：

PWM周期＝正向电流脉冲宽度+死区1+反向电流脉冲宽度+死区2

通常，死区1的时间等于死区2的时间。

在大多数电动机控制电路中，PWM周期和死区均为定值，二者之差，即为正向电流脉冲宽度与反向电流脉冲宽度之和：

PWM周期-死区时间＝正向电流脉冲宽度+反向电流脉冲宽度

以PWM方式控制的直流电动机，其运动方向和转速取决于正向电流脉冲宽度与反向电流脉冲宽度之差。而其功率消耗取决于正向电流脉冲宽度与反向电流脉冲宽度之和。

所以，不管正向电流和反向电流怎么变，即不管电动机怎么运动(高速、低速还是停转)，直流电动机消耗的功率基本不变。

这样，我们容易得出一个结论：

脉宽调制器控制的直流电动机的功耗受控于死区时间在PWM周期中的占空比。

当需要电动机保持停转状态时，就要设置正向电流脉冲宽度等于反向电流脉冲宽度。显然，即使电动机停转，也一点不能减少功率消耗。

随着死区时间的逐渐减小，电动机的功耗逐渐增大，而与电动机的转动方向和转速无关。

一般情况下，为了得到尽量快的电动机运行转速，将死区时间设置得尽量小。然而，很小的死区时间使得电动机在转速很慢以至停转时，仍然要消耗与高速旋转同样大小的电流。

发明内容

为弥补上述缺陷，本发明提供一种采用微处理器为核心的直流电动机的全数字化智能控制模块。

本发明直流电动机的全数字化智能控制模块是利用微处理器的强大数据处理能力，接受和解释从串口发来的上位机的命令和参数，并分别设置正向脉冲宽度计数器、反向脉冲宽度计数器和死区宽度计数器，再由控制逻辑电路产生PWM信号输出去控制直流电动机。

本发明直流电动机的全数字化智能控制模块，包括微处理器、连接上位机的串行接口、连接外部设备的并行接口，所述微处理器的数据、地址线和读写线连接到控制逻辑电路和若干个计数器，所述控制逻辑电路有一组控制线连接计数器，还有一组控制线连接到并行接口，所述控制逻辑电路输出PWM信号到外部的电动机驱动电路，通过电动机驱动电路驱动直流电动机，所述微处理器的工作过程如下：

(1)开机后初始化智能接口和控制逻辑电路；

(2)等待上位机从串口发来的命令和参数；

(3)命令容错；

(4)判断命令是否正确？错误返回步骤(2)，正确继续；

(5)参数容错；

(6)判断参数是否正确？错误返回步骤(2)，正确继续；

(7)解释命令和参数；

(8)设置正向脉冲宽度计数器；

(9)设置反向脉冲宽度计数器；

(10)设置死区宽度计数器；

(11)回步骤(2)。

本发明直流电动机的全数字化智能控制模块，所述控制逻辑电路输出的PWM信号经过光电耦合器输出。

本发明直流电动机的全数字化智能控制模块，所述控制逻辑电路和所述计数器用一片可编程逻辑器件实现，所述PWM信号从所述可编程逻辑器件输出。

本发明直流电动机的全数字化智能控制模块可以更合理地设置正向脉冲宽度计数器、反向脉冲计数器和死区宽度计数器，彻底解决了PWM控制电路在电动机不转时的高耗电状态，从而减少了电源功耗，延长了用该电路控制的电动机在有限供电量下的工作时间，有着极其重大的意义。

附图说明

图1是本发明直流电动机的全数字化智能控制模块的实施例一的电路框图；

图2是本发明直流电动机的全数字化智能控制模块的实施例二的电路框图；

图3是本发明直流电动机的全数字化智能控制模块的实施例三的电路框图；

图4是本发明直流电动机的全数字化智能控制模块的实施例四的电路框图；

图5是本发明直流电动机的全数字化智能控制模块的微处理器程序流程图；

图6是本发明直流电动机的全数字化智能控制模块的PWM周期、正向脉冲、反向脉冲及死区时间的时序图；

图7是本发明直流电动机的全数字化智能控制模块中控制逻辑电路和计数器的实施例参考图。

具体实施方式

为进一步阐述本发明，下面结合实施例做更详尽的说明。

图1是本发明直流电动机的全数字化智能控制模块的实施例一，也是基本电路。在本实施例中。微处理器设有两个对外部的输入输出口，一个是串行接口，用来和上位机通信，就是说，本发明直流电动机的全数字化智能控制模块只是一块中间电路，必须有上下设备才能完整工作。另一个是双向并行接口，用于逻辑信号的输入输出。

微处理器有数据、地址线和读写线，同时连接控制电路中的控制逻辑电路和计数器，计数器包含正向脉冲宽度计数器、反向脉冲宽度计数器和死区宽度计数器(具体线路可参见图7，这是一个实施例的实际电路图，这里不再累述)，这些计数器由微处理器来设定，而这些计数器到预置时间时会发出适当的控制信号给控制逻辑电路中的相应单元，在微处理器和计数器的共同控制下，控制逻辑电路产生出PWM信号，输出给电动机驱动电路，控制直流电动机工作。

对于处在核心的微处理器，需要处理大量的数据，其软件流程图可见图5，具体工作过程为：

(1)开机初始化智能化接口和控制逻辑电路。

(2)等待串口来的上位机命令和参数。

(3)接收到命令和参数后，进行命令容错检查。

(4)命令容错检查错误，返回等待串口的新的命令和参数，命令容错检查正确继续。

(5)进行参数容错检查。

(6)参数容错检查错误，返回等待串口新的命令和参数，参数容错检查正确继续。

(7)解释命令和参数。

(8、9、10)设置电动机控制参数。

微处理器将解释后的命令参数输出到相对应的电动机控制信号正向脉冲宽度计数器、反向脉冲宽度计数器、死区宽度计数器中，配合外围的控制逻辑电路，产生控制电动机的正向脉冲和反向脉冲。

(11)返回等待串口新的命令和参数。

在该系统中，本发明直流电动机的全数字化智能控制模块和上位机的通信设有自定义通信协议。通过串行接口(如RS232/422/485)接收命令，按协议进行解释，执行指定的操作。实现以PWM方式控制电动机。实现电动机的复杂控制，如直接数字合成调制。具有命令容错和正、反向脉冲互锁保护功能。对收到的不合理的命令，不予执行。在任何情况下，保证不发出导致驱动电路短路的控制信号。控制参数简单，编程容易。工程人员可以不关心模块内部的硬件电路和软件编程，直接用正、反向电流的脉冲占空比作为控制参数传给模块，就能得到对应的脉冲序列，实现对电动机的方向、转速等物理量进行精确控制，通过设定死区时间的占空比控制电动机的功率消耗，节省能源。

在有的系统中，电动机驱动电路不能和本发明直流电动机的全数字化智能控制模块中的控制逻辑电路共地，此时就需要在控制逻辑电路后面加装光电隔离电路，这就是图2展示的实施例二。在实施例二中，需要对光电隔离电路的两端分别供电，所以直流电源也应在原来的一路输出(可称为数字电源)之外，还要有一路不共地的直流输出(模拟电源)。

在上述两个实施例中，控制逻辑电路和计数器是用小规模集成电路搭建的，作为产品是可以使用的，但是元件越多，成本越高、故障率也越高，为提高产品集成度，降低成本，可以采用可编程逻辑器件实现控制逻辑电路和计数器的功能，这就是图3所示的实施例三和图4所示的实施例四，两者不同的就在于有无光电隔离电路。

本发明直流电动机的全数字化智能控制模块把全数字电路与灵活的软件结合为一体，采用微处理器(MPU或DSP)及CPLD为核心芯片，可以更合理地设置正向脉冲宽度计数器、反向脉冲宽度计数器和死区宽度计数器，彻底解决了PWM控制电路在电动机不转时的高耗电状态，从而减少了电源功耗，延长了用该电路控制的电动机在有限供电量下的工作时间，有着极其重大的意义。加装光电隔离，主要是保护控制逻辑一侧电路的安全，同时更容易适应多种电动机驱动电路的应用需求。

Claims (3)

1、一种直流电动机的全数字化智能控制模块，包括微处理器、串行接口、并行接口，其特征在于所述微处理器的数据地址线和读写线连接到控制逻辑电路和若干个计数器，所述计数器包含正向脉冲宽度计数器、反向脉冲宽度计数器和死区宽度计数器，所述控制逻辑电路有一组控制线连接计数器，还有一组控制线连接到并行接口，所述控制逻辑电路输出PWM信号到外部的电动机驱动电路，通过电动机驱动电路驱动直流电动机，所述微处理器的工作过程如下：

(1)开始后初始化智能接口和控制逻辑电路；

(2)等待上位机从串口发来的命令和参数；

(3)命令容错；

(4)判断命令是否正确？错误返回步骤(2)，正确继续；

(5)参数容错；

(6)判断参数是否正确？错误返回步骤(2)，正确继续；

(7)解释命令和参数；

(8)设置正向脉冲宽度计数器；

(9)设置反向脉冲宽度计数器；

(10)设置死区宽度计数器；

(11)返回步骤(2)。

2、根据权利要求1的直流电动机的全数字化智能控制模块，其特征在于所述控制逻辑电路输出的PWM信号经过光电耦合器输出。

3、权利要求1或2的直流电动机的全数字化智能控制模块，其特征在于所述控制逻辑电路和所述计数器用一块可编程逻辑器件替代，所述PWM信号从所述可编程逻辑器件输出。

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