CN104330735B - 一种无刷无位置陀螺电机反电势信号模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于仪器仪表及自动化检测设备领域，涉及一种无刷无位置陀螺电机反电势信号模拟装置，包括主控模块、反电势信号产生电路、鉴相电路、频率转换电路、电流监测电路、人机交互模块及控制电路；人机交互模块，其用于向主控模块发送操作指令，还用于显示主控模块发送处理后的检测信息；主控模块，其用于根据接收人机交互模块发送的操作指令产生控制信号，并将控制信号发送给反电势信号产生电路，还用于获取鉴相电路、频率转换电路与电流监测电路检测信息，并进行处理，将处理后的检测信息发送给人机交互模块；反电势信号产生电路，其用于根据接收到控制信号产生反电势模拟信号，并将反电势模拟信号发送给控制电路；快速精确定位控制电路故障。

Description

一种无刷无位置陀螺电机反电势信号模拟装置及方法

技术领域

本发明属于仪器仪表及自动化检测设备领域，涉及一种无刷无位置陀螺电机反电势信号模拟装置及方法。

背景技术

在高精度陀螺仪中，通常采用无位置传感器永磁无刷直流电动机作为驱动电机。陀螺电机包括电机本体与控制电路两部分，控制电路是陀螺电机的关键部分；传统的直流力矩电机中转子位置传感器使电机的结构变得复杂，因此，在无刷无位置陀螺电机中，应用了无转子位置传感器控制的技术，利用反电势检测电路取代传感器，以提高电路和控制复杂性来降低电机的复杂性。同时，为满足陀螺电机对转速稳定度的特殊要求，在控制电路中还应用了锁相环技术。

电机本体与控制电路成闭环控制，各种信号也相互影响，出现故障时，故障定位比较困难。目前该设备在检测过程中只能判断陀螺电机能否启动、转速是否稳定，但故障定位不具体，无法判断是电机本体故障还是控制电路故障。一旦出现故障，需购置完好的陀螺电机用于检测维修，但成本较高，同时控制电路性能无法测试。

发明内容

本发明的目的是提供一种无刷无位置陀螺电机反电势信号模拟装置及方法，解决陀螺电机检测手段匮乏、故障定位困难等问题，实现了对陀螺电机控制电路故障的快速检测与精确定位，集成化程度高，可扩展性强。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种无刷无位置陀螺电机反电势信号模拟装置，包括主控模块、反电势信号产生电路、鉴相电路、频率转换电路、电流监测电路、人机交互模块及控制电路；

所述人机交互模块，其用于向主控模块发送操作指令，还用于显示主控模块发送的处理后的检测信息；

所述主控模块，其用于根据接收的人机交互模块发送的操作指令产生控制信号，并将控制信号发送给反电势信号产生电路，还用于获取鉴相电路、频率转换电路与电流监测电路的检测信息，并进行处理，将处理后的检测信息发送给人机交互模块；

所述反电势信号产生电路，其用于根据接收到的控制信号产生反电势模拟信号，并将反电势模拟信号发送给所述控制电路；

所述控制电路，其用于将接收到所述反电势模拟信号作为替代电机本体产生的反电势信号，并根据反电势信号的变化输出脉宽可调的电机驱动信号，再送至反电势信号产生电路，形成闭环，以模拟无刷无位置电机驱动控制过程；

所述鉴相电路，其用于采集控制电路转速反馈和基准频率之间相位差脉冲信号，并根据解调控制电路中跟踪收敛时间和扰动回复时间，从而生成对所述控制电路稳速控制精度检测信息发送主控模块；

所述频率转换电路，其用于采集所述控制电路中的反电势模拟信号频率，将反电势模拟信号频率转化为电机本体转速，并生成电机本体的转速稳定度检测信息发送给主控模块；

所述电流监测电路，其用于根据所述控制电路中电机本体绕组电流，通过对电流的跑和非线性进行分析，从而生成控制电路中对外同步控制性能检测信息发送主控模块。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述主控模块包括第一信号接收单元、第一信号生成单元、第一信号发送单元、第二信号接收单元、信号处理单元与第二信号发送单元；

所述第一信号接收单元，其用于接收人机交互模块发送的操作指令，并将操作指令发送给第一信号生成单元；

所述第一信号生成单元，其用于根据接收到的操作指令生成相应的控制信号，并将控制信号发送给第一信号发送单元；

所述第一信号发送单元，其用于发送控制信号给反电势信号产生电路；

所述第二信号接收单元，其用于采集所述鉴相电路、频率转换电路与电流监测电路发送的检测信息，并将检测信息发送信号处理单元；

所述信号处理单元，其用于处理所述鉴相电路、频率转换电路与电流监测电路发的检测信息，生成相应的检测结果发送给第二信号发送单元；

所述第二信号发送单元，其用于向人机交互模块发送检测结果。

进一步，所述人机交互模块包括指令生成单元与显示单元；

所述指令生成单元，其用于根据用户指令生成相应的操作指令；

所述显示单元，其用于显示接收到处理后的检测结果。

进一步，所述主控模块为ARM主控模块。

进一步，所述ARM主控模块为STM32F103C8T6C处理器。

进一步，所述人机交互模块包括指令生成单元与显示单元；

所述指令生成单元，其用于根据用户指令生成相应的操作指令；

所述显示单元，其用于显示接收到处理后的检测结果。

本发明的另一目的在于提供一种无刷无位置陀螺电机反电势信号模拟方法，包括：

步骤1，通过人机交互模块向所述主控模块发送驱动主控模块的操作指令；

步骤2，当所述主控模块接收到操作指令后，生成相应的控制信号发送给反电势产生电路；

步骤3，当反电势信号产生电路接收到主控模块发送的控制信号产生反电势模拟信号，并将反电势模拟信号发送给所述控制电路；

步骤4，所述控制电路接收到所述反电势信号产生电路的反电势模拟信号，驱动所述控制电路运转；

步骤5，所述鉴相电路、频率转换电路、电流监测电路分别采集控制电路稳速控制精度检测信息、转速稳定度检测信息、控制性能检测信息，并将所述检测信息发送至主控模块；

步骤6，所述主控模块根据接收到检测信息生成相应的检测结果，并将检测结果发送给人机交互模块显示出来。

进一步，所述步骤5中频率转换电路采集控制电路的转速稳定度检测信息，具体包括：

所述频率转换电路根据采集所述控制电路中的反电势模拟信号频率，将反电势模拟信号频率转化为电机本体转速，并生成电机本体的转速稳定度检测信息。

进一步，所述步骤5中电流监测电路采集控制电路的控制性能检测信息，具体包括：

所述电流监测电路根据所述控制电路中电机本体绕组电流，通过对电流的跑和非线性进行分析，从而生成控制电路中对外同步控制性能的检测信息。

进一步，所述步骤5中鉴相电路采集控制电路的稳速控制精度检测信息，具体包括：

所述鉴相电路根据采集电机本体转速反馈和基准频率之间相位差脉冲信号，并根据解调控制电路中跟踪收敛时间和扰动回复时间，从而生成对所述控制电路中稳速控制精度的检测信息。

进一步，所述步骤6具体包括：

当所述主控模块接收到所述鉴相电路、频率转换电路、电流监测电路采集的检测信息，处理所述检测信息生成相应的控制电路的检测结果，所述检测结果包括电流信号与故障诊断结果；将所述检测结果发送到人机交互模块显示出来。

本发明的有益效果是：采用通用化、集约化的设计思想，搭建了“陀螺电机反电势信号模拟与控制电路性能测试”平台，具有良好的可扩展性。通过研究无刷无位置电机驱动技术，运用Matlab和Multisim仿真，提出反电势信号产生算法，利用DDS技术设计反电势信号产生电路，实现了电机控制电路的激励；运用高速信号采集技术及优化的数据处理算法，实现了控制电路性能的测试，同时节约了检测成本，减少了故障排查时间，提高了工作效率。

附图说明

图1为本发明一种无刷无位置陀螺电机反电势信号模拟装置结构示意图；

图2为本发明主控模块的结构示意图；

图3为本发明人机交互模块的结构示意图；

图4为本发明陀螺电机控制电路拓扑结构示意图；

图5为本发明一种无刷无位置陀螺电机反电势信号模拟方法流程图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

10、主控模块，11、反电势信号产生电路，12、鉴相电路，13、频率转换电路，14、电流监测电路，15、人机交互模块，16、控制电路，20、电机，21、反电势检测电路，22、方波形成电路，23、频率合成电路，24、锁相环电路，25、转速设定单元，26、换向电路，27、速度补偿电路，28、启动电路，29、开关功放电路，101、第一信号接收单元，102、第一信号生成单元，103、第一信号发送单元，104、第二信号接收单元，105、信号处理单元，106、第二信号发送单元，151指令生成单元，152显示单元。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，为一种无刷无位置陀螺电机反电势信号模拟装置，包括主控模块10、反电势信号产生电路11、鉴相电路12、频率转换电路13、电流监测电路14、人机交互模块15及控制电路16；

所述人机交互模块15，其用于向主控模块10发送操作指令，还用于显示主控模块10发送的处理后的检测信息；

所述主控模块10，其用于根据接收的人机交互模块15发送的操作指令产生控制信号，并将控制信号发送给反电势信号产生电路11，还用于获取鉴相电路12、频率转换电路13与电流监测电路14的检测信息，并进行处理，将处理后的检测信息发送给人机交互模块15；

所述反电势信号产生电路11，其用于根据接收到的控制信号产生反电势模拟信号，并将反电势模拟信号发送给所述控制电路16；

所述控制电路16，其用于将接收到所述反电势模拟信号作为替代电机本体产生的反电势信号，并根据反电势信号的变化输出脉宽可调的电机驱动信号，再送至反电势信号产生电路，形成闭环，以模拟无刷无位置电机驱动控制过程；

所述鉴相电路12，其用于采集控制电路转速反馈和基准频率之间相位差脉冲信号，并根据解调控制电路16中跟踪收敛时间和扰动回复时间，从而生成对所述控制电路16稳速控制精度检测信息发送主控模块10；

所述频率转换电路13，其用于采集所述控制电路16中的反电势模拟信号频率，将反电势模拟信号频率转化为电机本体转速，并生成电机本体的转速稳定度检测信息发送给主控模块10；

所述电流监测电路14，其用于根据所述控制电路16中电机本体绕组电流，通过对电流的跑和非线性进行分析，从而生成控制电路中对外同步控制性能检测信息发送主控模块。

如图2所示，为本发明主控模块的结构示意图，所述主控模块10包括第一信号接收单元101、第一信号生成单元102、第一信号发送单元103、第二信号接收单元104、信号处理单元105与第二信号发送单元106；

所述第一信号接收单元101，其用于接收人机交互模块15发送的操作指令，并将操作指令发送给第一信号生成单元102；

所述第一信号生成单元102，其用于根据接收到的操作指令生成相应的控制信号，并将控制信号发送给第一信号发送单元103；

所述第一信号发送单元103，其用于发送控制信号给反电势信号产生电路11；

所述第二信号接收单元104，其用于采集所述鉴相电路12、频率转换电路13与电流监测电路14发送的检测信息，并将检测信息发送信号处理单元105；

所述信号处理单元105，其用于处理所述鉴相电路12、频率转换电路13与电流监测电路14发的检测信息，生成相应的检测结果发送给第二信号发送单元106；

所述第二信号发送单元106，其用于向人机交互模块15发送检测结果。

如图3所示，为本发明人机交互模块结构示意图，所述人机交互模块15包括指令生成单元151与显示单元152；

所述指令生成单元151，其用于根据用户指令生成相应的操作指令；

所述显示单元152，其用于显示接收到处理后的检测结果。

优选的，所述主控模块10为ARM主控模块，所述ARM主控模块为STM32F103C8T6C处理器，该芯片是基于ARM Cortex-M3的内核。最高时钟频率达到72MHZ，能实时处理大量数据，而且内部带有8个片内的A/D转换器以及多个UART串行通信接口，大大的提高了系统的集成度。

所述陀螺电机包括电机本体与控制电路16，所述电机本体与所述控制电路16呈闭环控制，

图4所示，为本发明陀螺电机控制电路拓扑结构示意图。

所述陀螺电机的控制电路包括电机20、两个反电势检测电路21、两个方波形成电路22、频率合成电路23、换向电路26、锁相环电路24、转速设定单元25、速度补偿电路27、开关功放电路29与启动电路28；所述控制电路中H桥的四个基极的输入端连接到处理器的四个I/O口来检测电机20的实时驱动状态，其中，电机20为陀螺电机中的电机本体，所述电机20的输入被反电势产生电路的反电势模拟信号所替代，根据其驱动状态产生0～500Hz相位恒定差为90°的反电势信号并按照一定的控制规则产生，四路反馈信号连接到反电势检测电路21的四个输入端，从而构成环路控制；

所述电机20的四路反馈信号两两与每个所述反电势检测电路21的输入端相连，用于对反电势检测电路21输入所述电机根据主控模块10产生的反电势信号；每个所述反电势检测电路21的输出端与每个所述方波形成电路22的输入端相连，用于根据反电势检测电路21对反电动势信号进行滤波后生成稳定的高电平与低电平脉冲信号；每个所述方波形成电路22的输出端分别与换向电路26、频率合成电路23的输入端相连，用于将两个稳定的高电平或低电平脉冲信号中的方向进行反转，用于将两个稳定的高电平或低电平脉冲信号合成单一频率的脉冲信号；所述锁相环电路24的输入端分别与转速设定单元25、频率合成电路23的输出端相连，所述锁相环电路24应用于电机20稳速时，压控振荡器一般由功率放大器和电机本体所取代，反馈回路为霍尔速度信号，由于相位是频率的积分，锁相环是进行相位比较的，因此能使电机速度控制达到很高的精度。

所述速度补偿电路27的输入端分别与锁相环电路24、换向电路26的输出端相连，用于根据速度补偿电路27设置对对基准频率信号进行相位补偿；所述启动电路28的输出端的分别与开关功放电路29、换向电路的输出端相连，用于向开关功放电路29与换向电路26提供稳定的启动电压；所述开关功放电路29的输入端、输出端分别与速度补偿电路27和电机20的四路反馈信号相连，用于根据速度补偿电路27发送的转速信号稳定放大后发送给电机20。

在本实例中，反电势检测电路21包括低通滤波器、过零比较器、光电耦合，电机的三相反电势从端电压引出后经过分压、二阶有缘低通滤波器、过零比较器获得检测波形，对所述检测波形经过方波生成电路22，使得生成稳定的高电平与低电平脉冲信号。两个脉冲信号经过频率合成特定的单一频率，通过转速单元设定的陀螺电机的转速，经过锁相环电路24保证所输出的信号频率控制到特定的基准频率。当陀螺电机的转速和基准频率的发生相位差脉冲时，速度补偿电路27根据换向电路提供相反的脉冲频率信号对基准频率信号进行相位补偿，保证了基准频率信号的稳定性和准确性。所述启动电路28向开关功放电路29、换向电路26的提供的向电压是方波，拥有较大的容性负载，便于短报时模块间歇性工作，功耗小。所述开关功放电路29因其损耗小、效率高、通频带宽等优点，作为末级放大器对输入的脉冲信号进行放大，向电机20提供足够的功率。

如图5所示，为本发明一种无刷无位置陀螺电机反电势信号模拟方法流程图。

步骤1，通过人机交互模块向所述主控模块发送驱动主控模块的操作指令；

步骤2，当所述主控模块接收到操作指令后，生成相应的控制信号发送给反电势产生电路；

步骤3，当反电势信号产生电路接收到主控模块发送的控制信号产生反电势模拟信号，并将反电势模拟信号发送给所述控制电路；

步骤4，所述控制电路接收到所述反电势信号产生电路的反电势模拟信号，驱动所述控制电路运转；

在本实例中，其中，反电势信号产生电路11与控制电路16之间是相互通信，能够形成环形控制，反电势信号产生电路11产生的反电势信号能够替代电机，形成闭环控制。

步骤5，所述鉴相电路、频率转换电路、电流监测电路分别采集控制电路稳速控制精度检测信息、转速稳定度检测信息、控制性能检测信息，并将所述检测信息发送至主控模块；

优选的，所述步骤5中频率转换电路采集控制电路的转速稳定度检测信息，具体包括：

所述频率转换电路根据采集所述控制电路中的反电势模拟信号频率，将反电势模拟信号频率转化为电机本体转速，并生成电机本体的转速稳定度检测信息。

优选的，所述步骤5中电流监测电路采集控制电路的控制性能检测信息，具体包括：

所述电流监测电路根据所述控制电路中电机本体定子绕组电流，通过对电流的跑和非线性进行分析，从而生成控制电路中对外同步控制性能的检测信息。

优选的，所述步骤5中鉴相电路采集控制电路的稳速控制精度检测信息，具体包括：

所述鉴相电路根据采集电机本体转速反馈和基准频率之间相位差脉冲信号，并根据解调控制电路中跟踪收敛时间和扰动回复时间，从而生成对所述控制电路中稳速控制精度的检测信息。

步骤6，所述主控模块根据接收到检测信息生成相应的检测结果，并将检测结果发送给人机交互模块显示出来。

优选的，当所述主控模块接收到所述鉴相电路、频率转换电路、电流监测电路采集的检测信息，处理所述检测信息生成相应的控制电路的检测结果，所述检测结果包括电流信号与故障诊断结果；将所述检测结果发送到人机交互模块显示出来。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种无刷无位置陀螺电机反电势信号模拟装置，其特征在于，包括ARM主控模块、反电势信号产生电路、鉴相电路、频率转换电路、电流监测电路、人机交互模块及控制电路；所述人机交互模块包括指令生成单元与显示单元；

所述人机交互模块，其用于向ARM主控模块发送操作指令，还用于显示ARM主控模块发送的处理后的检测信息；

所述ARM主控模块，其用于根据接收的人机交互模块发送的操作指令产生控制信号，并将控制信号发送给反电势信号产生电路，还用于获取鉴相电路、频率转换电路与电流监测电路的检测信息，并进行处理，将处理后的检测信息发送给人机交互模块；

所述反电势信号产生电路，其用于根据接收到的控制信号产生反电势模拟信号，并将反电势模拟信号发送给所述控制电路；

所述控制电路，其用于将接收到所述反电势模拟信号作为替代电机本体产生的反电势信号，并根据反电势信号的变化输出脉宽可调的电机驱动信号，再送至反电势信号产生电路，形成闭环，以模拟无刷无位置电机驱动控制过程；

所述鉴相电路，其用于采集控制电路转速反馈和基准频率之间相位差脉冲信号，并根据解调控制电路中跟踪收敛时间和扰动恢复时间，从而生成对所述控制电路稳速控制精度检测信息发送ARM主控模块；

所述频率转换电路，其用于采集所述控制电路中的反电势模拟信号频率，将反电势模拟信号频率转化为电机本体转速，并生成电机本体的转速稳定度检测信息发送给ARM主控模块；

所述电流监测电路，其用于根据所述控制电路中电机本体绕组电流，通过对电流的饱和非线性进行分析，从而生成控制电路中对外同步控制性能检测信息发送ARM主控模块；

所述指令生成单元，其用于根据用户指令生成相应的操作指令；

所述显示单元，其用于显示接收到处理后的检测结果。

2.根据权利要求1所述的一种无刷无位置陀螺电机反电势信号模拟装置，其特征在于，所述ARM主控模块包括第一信号接收单元、第一信号生成单元、第一信号发送单元、第二信号接收单元、信号处理单元与第二信号发送单元；

所述第一信号接收单元，其用于接收人机交互模块发送的操作指令，并将操作指令发送给第一信号生成单元；

所述第一信号生成单元，其用于根据接收到的操作指令生成相应的控制信号，并将控制信号发送给第一信号发送单元；

所述第一信号发送单元，其用于发送控制信号给反电势信号产生电路；

所述第二信号接收单元，其用于采集所述鉴相电路、频率转换电路与电流监测电路发送的检测信息，并将检测信息发送信号处理单元；

所述信号处理单元，其用于处理所述鉴相电路、频率转换电路与电流监测电路发的检测信息，生成相应的检测结果发送给第二信号发送单元；

所述第二信号发送单元，其用于向人机交互模块发送检测结果。

3.根据权利要求2所述的一种无刷无位置陀螺电机反电势信号模拟装置，其特征在于，所述ARM主控模块为STM32F103C8T6C处理器。

4.一种无刷无位置陀螺电机反电势信号模拟方法，其特征在于，包括如下：

步骤1，通过人机交互模块向主控模块发送驱动主控模块的操作指令；

步骤2，当所述主控模块接收到操作指令后，生成相应的控制信号发送给反电势产生电路；

步骤3，当反电势信号产生电路接收到主控模块发送的控制信号产生反电势模拟信号，并将反电势模拟信号发送给控制电路；

步骤4，所述控制电路接收到所述反电势信号产生电路的反电势模拟信号，驱动所述控制电路运转；

步骤5，鉴相电路、频率转换电路、电流监测电路分别采集控制电路稳速控制精度检测信息、转速稳定度检测信息、控制性能检测信息，并将所述检测信息发送至主控模块；

步骤6，所述主控模块根据接收到检测信息生成相应的检测结果，并将检测结果发送给人机交互模块显示出来。

5.根据权利要求 4所述的一种无刷无位置陀螺电机反电势信号模拟方法，其特征在于，所述步骤5中频率转换电路采集控制电路的转速稳定度检测信息，具体包括：

所述频率转换电路根据采集所述控制电路中的反电势模拟信号频率，将反电势模拟信号频率转化为电机本体转速，并生成电机本体的转速稳定度检测信息。

6.根据权利要求 4所述的一种无刷无位置陀螺电机反电势信号模拟方法，其特征在于，所述步骤5中电流监测电路采集控制电路的控制性能检测信息，具体包括：

所述电流监测电路根据所述控制电路中电机本体绕组电流，通过对电流的饱和非线性进行分析，从而生成控制电路中对外同步控制性能的检测信息。

7.根据权利要求 4所述的一种无刷无位置陀螺电机反电势信号模拟方法，其特征在于，所述步骤5中鉴相电路采集控制电路的稳速控制精度检测信息，具体包括：

所述鉴相电路根据采集电机本体转速反馈和基准频率之间相位差脉冲信号，并根据解调控制电路中跟踪收敛时间和扰动恢复时间，从而生成对所述控制电路中稳速控制精度的检测信息。

8.根据权利要求 4所述的一种无刷无位置陀螺电机反电势信号模拟方法，其特征在于，所述步骤6具体包括：

当所述主控模块接收到所述鉴相电路、频率转换电路、电流监测电路采集的检测信息，处理所述检测信息生成相应的控制电路的检测结果，所述检测结果包括电流信号与故障诊断结果；将所述检测结果发送到人机交互模块显示出来。