CN101895247A

CN101895247A - 潜器螺旋桨驱动电机转速控制器

Info

Publication number: CN101895247A
Application number: CN2010102155028A
Authority: CN
Inventors: 刘胜; 余辰光; 屈阳; 李冰; 王宇超
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2010-07-02
Filing date: 2010-07-02
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2030-07-02
Also published as: CN101895247B

Abstract

本发明提供的是一种潜器螺旋桨驱动电机转速控制器。预定的电机转速值通过上位机输入，通过RS-232串行总线传输至主控制单元，主控制单元产生六路带死区的PWM信号，PWM信号经过三相栅极电路驱动器驱动电机，通过三相PWM逆变器来控制电机的导通进而调节电机转速，在电机上安装光电编码器，经主控制单元换算得到电机的实际转速，反馈作用于控制器上与预定转速相比较并调节PWM信号使电机快速的达到预定转速，与此同时将实际转速数值通过液晶显示单元显示。本发明中具有控制精度高、工作电压及功耗低、可靠性好、结构简单、寿命长等特点。可以随水下机器人配备，无须专业人员即可随时进行对转速进行控制。

Description

潜器螺旋桨驱动电机转速控制器

技术领域

本发明涉及的是一种电机转速控制装置。特别是一种水下潜器螺旋桨驱动电机的转速控制装置。

背景技术

螺旋桨控制装置是由多个构成，产生前后、左右和上下方向的推力，而且通过组合使用完成操纵运动。由于推力作用方向的不同，对水下机器人的速度有着很大的影响，为满足水下机器人的机动、快速的性能要求，因此对螺旋桨的转速的精确控制就显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以准确地控制驱动电机的转速并且能将转速实时地显示在液晶屏上的潜器螺旋桨驱动电机转速控制器。

本发明的目的是这样实现的：

本发明主要包括主控制单元、液晶显示单元、电机驱动单元和编码器，预定的电机转速值通过上位机输入，通过RS-232串行总线传输至由单片机XC878构成的主控制单元，主控制单元经过空间矢量控制算法由P3.0-P3.6口产生六路带死区的PWM信号，PWM信号经过主要由芯片6ED003L06构成的三相栅极电路驱动器驱动电机，通过由6个MOSFET管组成的三相PWM逆变器来控制电机的导通进而调节电机转速，并根据上位机给定的预设值达到预设转速，并将电机接在螺旋桨上制成小型推进器，在电机上安装光电编码器通过芯片CD40106得到与转速相关的方波信号，经主控制单元换算得到电机的实际转速，反馈作用于控制器上与预定转速相比较并调节PWM信号使电机快速的达到预定转速，与此同时将实际转速数值通过单片机的P0、P1传送至液晶显示单元。

本发明的主要特点体现在：

1、采用英飞凌公司的XC878单片机作为主控制芯片，其具有噪声低，抗干扰能力强，适合工控领域及恶劣的环境等特点。并且无需外部EEPROM、晶体、低压中断(LVI)电路、稳压器、输入/输出(I/O)复用器、模数转换器(ADC)。

2、液晶显示单元可以实时地显示电机的转速等数据，这使得操作人员可以实时地监控电机的运行情况。

3、对射式传感器输出的是方波信号很容易输入到控制器中，其精度也远远高于其他的反射式传感器于霍尔传感器，本设计外加一片CD40106整形电路，有效地滤除噪声能得到更理想的方波信号，进而得到更精确的电机转速对射式传感器设计电路简单，输出的是方波信号很容易输入到控制器中，其精度也远远高于反射式传感器和霍尔传感器，本设计外加一片CD40106整形电路，有效地滤除噪声能得到更理想的方波信号，进而得到更精确的电机转速

4、采用串行总线标准RS-232实现计算机与单片机外设之间的数据通讯。主轴转速控制器与上位机传输速率可达9600bps，并可承受电缆中任何导线短路。

5、采用PWM调速技术控制电机调速，PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。可使信号噪声影响降到最小，既经济、节约空间、抗噪性能强。

本发明中的螺旋桨转速控制器具有控制精度高、工作电压及功耗低、可靠性好、结构简单、寿命长等特点。可以随水下机器人配备，无须专业人员即可随时进行对转速进行控制。控制器的使用可以为解决螺旋桨转速精度方面和远距离控制方面存在的问题，对提高水下机器人在水下勘探、营救的快速性、准确性有着重要意义。

附图说明

图1是螺旋桨转速控制器的组成图；

图2是主控制单元原理图；

图3是液晶显示模块接口电路原理图；

图4是三相栅极驱动电路原理图；

图5是三相PWM逆变器原理图；

图6是RS-232通讯电路原理图；

图7是光电测速原理图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1，本发明包括：主控制单元部分，是整个系统的核心部分，控制着整个螺旋桨转速控制系统、液晶显示和数据的运算处理；电机驱动部分，驱动电机的运行；通信部分，负责单片机与上位机之间的数据通信；液晶显示部分，负责实时地显示电机的转速。电机测速部分，用光电编码器测量电机实时数据。

结合图2，单片机主控电路包括的电源接口电路、时钟电路、复位电路、外中断电路。其中在电源接口电路设计上VDDC、VDDP1、VDDP2、VDDP3、VSSC、VSSP1、VSSP2是MCU基本的电源管脚，C1-C4电容分别接与4组单片机电源接口电源管脚之间起去耦作用。该电源为所有I/O缓冲器电路和一个内部稳压器供电(+5V)。内部稳压器为CPU及MCU的其他内部电路提供经过稳压的低电压电源。VAREF和VAGND是MCU的模拟电源管脚。该管脚引入的电源为ADC模块供电，R2、R4、R5接在模拟电源管脚之间为分压电阻使VAREF与VAGND两端电压降到3.3V左右，C5也接在管脚VAREF与VAGND之间起滤波作用。并还应在离MCU电源管脚尽可能近的地方安装若干个旁路电容器来抑制高频噪音。时钟电路是整个系统的关键部分，在单片机内部，时钟发生器主要用来产生时钟信号，以控制单片机的工作节奏。图中C7和C8为晶振电路的负载匹配电容，必须使用专为高频应用设计的高质量陶瓷电容器。电阻R6，R7并联接在XTAL1与XTAL2引脚间用来提供偏置路径用于在晶体启动过程中将EXTAL输入保持在线性范围内，必须采用低电感电阻。单片机在工作运行之前，必须进行复位操作。当单片机运行出错使系统出现死机时，也必须按复位建以重新启动单片机。XC878单片机采用按键手动复位方式复位。其芯片引脚RESET是复位信号的输入端，只要当复位信号是高电平时，且有效时间持续两个机器周期以上，单片机就能完成复位操作。RESET是一个专用管脚，带有内置的上拉器件。手动外部复位的是通过增加一个到地线的简单开关(拉低复位管脚以强制进行复位)来实现，其中上拉电阻R3接RESET引脚，电容C6接在供电电源与地之间起到滤波作用。上拉电阻R1与引导程序加载器控制(MBC)引脚相连，用于程序的烧入。

结合图3，选用LCD25664液晶显示模块。其与单片机之间的连接可以有两种方式，一种是直接访问的方式，一种是间接访问的方式。由于涉及到的芯片数量不是很多，单片机的引脚不算紧张，因此采用直接访问方式，将数据线接到P1.0-P1.7口，控制信号接到P0.0-P0.4口，因为这样在编程时就可以将液晶作为I/O设备统一编址，编写程序也相对简单。

结合图4，栅极驱动芯片(6ED003L06F)是完整的桥式驱动器，用于控制功率器件，如三相系统中阻塞电压达+600V的IGBT或MOSFET晶体管集成了三相电平转换、门极驱动和电路保护等诸多特性，在缩小芯片尺寸的同时也提高了性能，例如抗反相瞬态电压的鲁棒性等。图中，管脚2-7接单片机中产生的6路PWM信号。10引脚EN直接控制芯片是否有输出，只有当引脚输入端为高电平时，芯片才正常工作，其中R10为下拉电阻连在EN引脚与地之间。8引脚为保护引脚，正常情况下为高电平，当运行在欠压或过电流保护触发的状态下，这个引脚变为低电平，R9为上拉电阻，接在电源与8引脚间。9引脚为过流保护引脚，其中电容C8接在9引脚与地间起去耦作用。14，15，16引脚为栅极驱动低侧的3路PWM输出，19，23，27引脚栅极驱动高侧的3路PWM输出。18，20，22，24，26，28引脚为高侧提供电压。快速恢复二极管D1-D3及电阻R12-R14(可防止过载时的峰值电流对芯片的影响)两者串联接在电源和为高侧输出提供电压的3个高电平引脚之间，3个电容C12-C14接在为高侧输出提供电压的3对引脚之间起去耦作用。下拉电阻R11串联C10接在VCC与地之间，C11接在VCC与VSS之间取去噪作用。电解电容C15直接接在电源和地之间起去耦作用。

结合图5，绝大多数三相电动机采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压，实现调速。当开关管MOSFET的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压U_S。t₁秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0。t₂秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。这样，电动机的电枢绕组两端的电压平均值U₀为：

U_{0} = \frac{t_{1} U_{s} + 0}{t_{1} + t_{2}} = \frac{t_{1}}{T} U_{s} = {αU}_{s}

式中α——占空比，

α = \frac{t_{1}}{T} .

由上述公式可知：当电源电压U_S不变的情况下。电枢的端电压的平均值U₀取决于占空比α的大小，改变α值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的。

本发明采用全桥式逆变器N沟道MOSFET管对电机进行驱动产生三相电压。通过PWM控制时，频率可以达到10KHz。有错误状态警告，输出短路保护，欠压关闭等各种完善的保护功能。可以使电机具有较好的硬度。控制端可直接与单片机接口，输出端可直接与电机相连。它完善的保护措施，降低了硬件故障发生机率，提高了运行的稳定性。其中R15、R17、R19，R21、R23、R25为限流电阻接在六路PWM输出和6个MOSFET管栅极之间，R16、R18、R20、R22、R24、R26接在场效应管栅极与源极间起保护作用。R27，R28并联在电源和地之间为分压电阻，电阻R29-R34三路并联接在MOSFET管输出的三相电压与地之间，提供了使电机运行的三相电压，R21-R23为分压电阻接在地和源极之间过流检测。C16-C18为滤波电容接在外部电源与地之间。

结合图6，MAX232芯片为通讯模块电路，其中16号管脚接高电平；6号、15号管脚接低电平；1号、3号管脚之间接电容起到电荷泵的作用以保证芯片可以正常工作；13号、14号管脚与电脑串口的2号、3号管脚相连以接收上位机发送的指令；11号、12号管脚与单片机的TXD1、RXD1管脚相连将转换好的高低电平信号发送给单片机。其中C19接在4、5引脚之间，C20接在1、3引脚之间，C21接在电源和VDD引脚之间，C22串联C23接在电源和VEE之间，其中C19-C23都为电源变换的储能电容。

结合图7，在电机测速部分中，采用了透射式的红外传感器和光电编码器。电机带动螺旋桨转动起来时，固定在电机轴上的码盘随之转动，当发射管发出的红外光透过光栅镂空的透光缝，接收管接收到光信号输出高电平。反之输出低电平，即在螺旋桨转动过程中会产生一系列的脉冲，但由于外界干扰等因素影响，脉冲需进一步进行整形，然后才可以将此信号输送到单片机处理。我们利用一片CD40106整形，CD40106是14脚的六施密特触发器，它可以将任意波形整成方波。通过检测脉冲周期就可以计算出当前的转数值。光电编码器线数越多，同等速度下单位时间内所能检测到脉冲数也越多，因而速度检测的分辨率也更高。另一方面，线数增多后，相邻脉冲间的持续时间会变短，脉冲检测的可靠性会因相邻脉冲的干扰而受到影响，因此在精确度不太高的要求下，线数可取40，通过单位时间内通过的脉冲数确定电机转速。其中R37，R38分别接在电源与发射管、接收管上起限流保护作用。

Claims

1.一种潜器螺旋桨驱动电机转速控制器，要包括主控制单元、液晶显示单元、电机驱动单元和编码器，其特征是：预定的电机转速值通过上位机输入，通过RS-232串行总线传输至由单片机XC878构成的主控制单元，主控制单元经过空间矢量控制算法由P3.0-P3.6口产生六路带死区的PWM信号，PWM信号经过主要由芯片6ED003L06构成的三相栅极电路驱动器驱动电机，通过由6个MOSFET管组成的三相PWM逆变器来控制电机的导通进而调节电机转速，并根据上位机给定的预设值达到预设转速，并将电机接在螺旋桨上制成小型推进器，在电机上安装光电编码器通过芯片CD40106得到与转速相关的方波信号，经主控制单元换算得到电机的实际转速，反馈作用于控制器上与预定转速相比较并调节PWM信号使电机快速的达到预定转速，与此同时将实际转速数值通过单片机的P0、P1传送至液晶显示单元。

2.根据权利要求1所述的潜器螺旋桨驱动电机转速控制器，其特征是：所述主控制单元包括电源接口电路、时钟电路、复位电路、外中断电路，电源接口电路中VDDC、VDDPI、VDDP2、VDDP3、VSSC、VSSP1、VSSP2是MCU基本的电源管脚，通过第一电容(C1)-第四电容(C4)去耦；VAREF和VAGND是MCU的模拟电源管脚，该模拟电源管脚引入的电源为ADC模块供电，第三电阻(R3)-第五电阻(R5)为分压电阻使VAREF与VAGND两端电压降到3.3V；时钟电路中的第七电容(C7)和第八电容(C8)为晶振电路的负载匹配电容，第二电阻(R2)用来提供偏置路径用于在晶体启动过程中将EXTAL输入保持在线性范围内；XC878单片机引脚RESET是复位信号的输入端；第一电阻R1、第六电阻(R6)为上拉电阻，第七电阻R7和第八电阻R8起起振作用，第五电容(C5)和第六电容(C6)起滤波作用。

3.根据权利要求2所述的潜器螺旋桨驱动电机转速控制器，其特征是：所述传送至液晶显示单元选用LCD25664液晶显示模块，其与单片机之间的采用直接访问的方式或者是间接访问的方式传输信号，数据线接到P1.0-P1.7口，控制信号接到P0.0-P0.4口。

4.根据权利要求3所述的潜器螺旋桨驱动电机转速控制器，其特征是：所述三相栅极电路驱动器选用6ED003L06F栅极驱动芯片；管脚2-7接单片机中产生的6路PWM信号；10引脚EN直接控制芯片是否有输出，只有当引脚输入端为高电平时，芯片才正常工作，其中第十电阻(R10)为下拉电阻连在EN引脚与地之间；8引脚为保护引脚，正常情况下为高电平，当运行在欠压或过电流保护触发的状态下，这个引脚变为低电平，第九电阻(R9)为上拉电阻，接在电源与8引脚间；9引脚为过流保护引脚，其中第八电容(C8)接在9引脚与地间起去耦作用；14、15、16引脚为栅极驱动低侧的3路PWM输出，19、23、27引脚栅极驱动高侧的3路PWM输出；18、20、22、24、26、28引脚为高侧提供电压；快速恢复第一二极管(D1)-第三二极管(D3)及电阻第十二电阻(R12)-第十四电阻(R14)两者串联接在电源和为高侧输出提供电压的3个高电平引脚之间，第十二电容(C12)-第十四电容(C14)接在为高侧输出提供电压的3对引脚之间起去耦作用；第十一电阻(R11)串联第十电容(C10)接在VCC与地之间，第十一电容(C11)接在VCC与VSS之间取去噪作用；第十五电容(C15)直接接在电源和地之间起去耦作用。

5.根据权利要求4所述的潜器螺旋桨驱动电机转速控制器，其特征是：所述PWM逆变器中的第十五电阻(R15)、第十七电阻(R17)、第十九电阻(R19)、第二十一电阻(R21)、第二十三电阻(R23)、第二十五电阻(R25)为限流电阻接在六路PWM输出和6个MOSFET管栅极之间，第十六电阻(R16)、第十八电阻(R18)、第二十电阻(R20)、第二十二电阻(R22)、第二十四电阻(R24)、第二十六电阻(R26)接在场效应管栅极与源极间起保护作用；第二十七电阻(R27)、第二十八电阻(R28)并联在电源和地之间为分压电阻，第二十九电阻(R29)-第三十四电阻(R34)三路并联接在MOSFET管输出的三相电压与地之间、提供了使电机运行的三相电压，第二十一电阻(R21)-第二十三电阻(R23)为分压电阻接在地和源极之间过流检测；第十六电容(C16)-第十八电容(C18)为滤波电容接在外部电源与地之间。

6.根据权利要求5所述的潜器螺旋桨驱动电机转速控制器，其特征是：所述RS-232串行总线是以MAX232芯片为通讯模块电路，其中16号管脚接高电平；6号、15号管脚接低电平；1号、3号管脚之间接电容起到电荷泵的作用；13号、14号管脚与电脑串口的2号、3号管脚相连；11号、12号管脚与单片机的TXD1、RXD1管脚相连将转换好的高低电平信号发送给单片机；其中第十九电容(C19)接在4、5引脚之间，第二十电容(C20)接在1、3引脚之间，第二十一电容(C21)接在电源和VDD引脚之间，第二十二电容(C22)串联第二十三电容(C23)接在电源和VEE之间。