CN104852637A - 双芯片无刷直流电机驱动控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用双芯片联合对无刷电机进行控制的驱动控制系统。该系统采用ARM和CPLD联合控制，本控制系统的力矩、速度和位置的给定值来自上位机，电机状态的反馈值根据电机内的三相霍尔传感器的反馈值计算得出。ARM与上位机相连，接收上位机发送的给定值并根据上位机的指令进行力矩控制、速度控制或位置控制；CPLD接收三相霍尔器的反馈信号，进行位置和速度的计算，将计算值传递到ARM，ARM结合计算值和给定值进行控制运算，并发送控制字。CPLD接收ARM的控制字并解析为控制指令，通过电机的驱动电路控制电机运转。该系统不需用速度和位置传感器，简化了系统结构，可实现转矩、转速和位置的高精度控制。

Description

双芯片无刷直流电机驱动控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于伺服控制技术领域，涉及一种无刷电机驱动控制系统及控制方法。

背景技术

无刷直流电机由永磁材料制造的转子、带有线圈绕组的定子和位置传感器组成。它具备直流电机优越的调速性能的同时，又取消了碳刷、滑环结构所带来的各类问题。还具有结构简单、效率高、运行可靠等优点。

无刷直流电机的调速方式通常通过开环PWM调制来实现，通过外部给定占空比来实现转速的变化，但这种调速方式适用于对调速要求不高的场合，无法满足较高的调速性能要求，也无法实现对转矩转速的高精度控制。同时，传统的单片机控制系统、专用电机控制系统和DSP控制系统，在实现故障保护时，实现的故障保护电路，响应延时长，降低了系统的安全性。

传统的无刷直流电机的闭环速度控制和闭环位置控制系统，需要利用编码器作为传感器对电机的速度和位置进行检测，在使用时提高了系统的生产成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可实现快速、精准调速的无刷直流电机驱动控制系统。

本发明的技术方案是：双芯片无刷直流电机驱动控制系统，包括上位机、驱动电路、电压电流检测与比较电路和控制系统，无刷直流电机内置三相霍尔传感器，驱动电路为三相全桥电路，控制系统包括相互连接的逻辑处理器、微处理器，以及与逻辑处理器相连的驱动电路；

逻辑处理器包括计算单元、保护单元、驱动控制单元和通信单元，其中，计算单元接收三相霍尔传感器的反馈信号，并进行位置运算和速度运算；通信单元用于与微处理器的通信；

上位机与微处理器相连，上位机传递控制给定值信号到微处理器，并控制微处理器的控制模式在速度控制、位置控制和力矩控制之间切换；

微处理器接收来自逻辑处理器的位置和速度计算值，结合上位机的给定值，采用PID算法计算出速度、位置和力矩的控制值，并将控制值反馈到逻辑处理器的驱动控制单元，控制单元将其解析为控制信号，逻辑处理器通过驱动电路与电机驱动电路相连，驱动电路接收驱动控制单元给定的控制信号，通过驱动电路控制无刷直流电机工作；电压电流检测与比较电路包括电压检测与比较电路和电流检测与比较电路，分别采集电压值和电流值并反馈到微处理器的ADC采集端，同时将电压比较值和电流比较值传递到逻辑处理器，保护单元进行过压与过流的判断；若发生过压、过流等故障，逻辑处理器会先于微处理器做出响应，控制电机快速刹车，微处理器紧随其后再次控制电机做出刹车动作。经过双重刹车控制，确保电机的快速故障保护。

优选的是：逻辑处理器采用CPLD芯片，微处理器采用ARM芯片，二者通过SPI总线通信。

无刷直流电机控制系统的控制方法，通过上位机发送控制模式指令到微处理器，控制模式指令分为速度控制、位置控制和力矩控制，电机驱动电路采用上桥PWM，下桥ON的控制模式：

当上位机发送力矩控制指令时，将力矩值给定值传递到微处理器，控制方法如下：

L1、微处理器接收电流检测电路检测的电流值，将电流值乘以电机力矩系数进行力矩计算，得到当前电机力矩计算值；

L2、微处理器根据力矩给定值和当前电机力矩计算值，得到两者偏差，结合PID算法，经过限幅后计算出力矩控制值，并转化为力矩控制字，传递到逻辑处理器；

L3、逻辑处理器读取霍尔传感器反馈信号，根据逻辑处理器内部设计的换向控制逻辑，调整三相全桥电路的导通情况，实现电机绕组的换相控制；辑处理器根据接收的力矩控制字，通过线性换算生成具有对应占空比的PWM信号，作为上桥PWM控制信号，进而调整电机绕组上的电压；通过换相和调压，实现电机力矩控制；

当上位机发送速度控制指令时，将速度给定值传递到微处理器，控制方法如下：

S1、逻辑处理器将三相霍尔传感器信号异或处理，得到方波信号；

S2、统计方波信号两个相邻上升沿之间20KHz时钟脉冲的个数，得到速度计数值MOTOR_SPEED；

S3、将速度计数值传递到微处理器，微处理器进行速度计算，计算公式如下：

$Roter\_Speed=\frac{1}{\[(MOTER\_SPEED+2)/20000\]\·3\·P}\·60$

其中，MOTER_SPEED为步骤S2中计算得到的速度计数值，P为三相无刷电机极对数，Roter_Speed为计算出的当前电机转速，单位是rpm；

S4：微处理器根据速度给定值和S3步骤中计算出的当前电机转速，得到两者的偏差，再通过PID算法，并经过限幅后计算出控制值，这个控制值就作为力矩给定值；通过重复步骤L1-L2，计算电机当前力矩，再跟之前得到的力矩给定值做比较，得到两者偏差，通过PID算法，并经过限幅后，计算出力矩控制值，并转化为对应的力矩控制字，传递到逻辑处理器；逻辑处理器解析控制字；

S5：重复L3中步骤，通过换相和调压，实现对电机速度控制；

当上位机发送位置控制指令时，将位置给定值传递到微处理器，控制方法如下：

W1、逻辑处理器的计算单元对三相霍尔传感器的反馈信号进行处理，使电机正转时，计算单元输出高电平，位置计数加一，电机反转时，计算单元输出低电平，位置计数减一，这里的位置计数就代表了电机的当前位置；

W2、逻辑处理器将位置计数传递到微处理器，与位置给定值比较得到偏差，然后通过PID算法，并经过限幅后计算出控制值，这个控制值就作为速度给定值，重复S1-S4；

W3、重复L3中步骤，通过换相和调压，实现对电机位置控制。

本发明的有益效果是：

(1)本发明提供了一种双芯片无刷电机驱动系统。ARM+CPLD双芯片联合实现转矩、转速、位置的高精度控制，同时利用了CPLD芯片的快速响应优点，实现了电机过压、过流故障的快速保护；

(2)该系统不使用速度和位置检测传感器，通过逻辑处理器内部逻辑实现速度和位置的精确计算，进而实现电机的速度和位置闭环控制，大大降低了系统成本；

(3)定制了一种CPLD片内SPI核，以适应SPI通信时序，实现了ARM与CPLD之间的SPI全双工通信，同时自定义了一种基于SPI总线的全双工通信协议；该SPI核具有很强的可移植性，具有统一的对外接口，可以轻松移植到任何一款CPLD芯片上以实现SPI通信功能；

(4)该控制方法采用变结构控制系统，可以实现力矩单闭环控制、速度双闭环控制、位置三闭环控制之间的实时切换。

(5)系统工作时，通过检测的电流与电压值进行系统稳定性判断，若发生故障，先通过逻辑处理器发出刹车指令，再通过微处理器发出刹车指令，通过双重控制，保证电机的安全运转。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为具体实施方式控制系统结构示意图。

图3为驱动电路结构示意图。

图4为力矩单闭环控制结构示意图。

图5为力矩单闭环控制方法流程图。

图6为速度双闭环控制结构示意图。

图7为速度双闭环控制方法流程图。

图8为位置三闭环控制结构示意图。

图9为位置三闭环控制方法流程图。

图10速度计算逻辑框图

图11速度计算时序分析图

图12位置计算逻辑图

图13位置计算时序分析图

图14为电流检测与比较电路

图15为电压检测与比较电路

具体实施方式

如图1所示，无刷直流电机驱动控制系统，包括电机上位机、驱动电路、电流检测与比较电路、电压检测与比较电路和控制系统，无刷直流电机内置三相霍尔传感器，电机驱动电路为三相全桥电路。

控制系统包括相互连接的逻辑处理器、微处理器，以及与逻辑处理器相连的驱动电路。如图2所示，逻辑处理器采用型号为5M240ZT100I5N的CPLD芯片，微处理器采用型号为STM32F100R8T6的ARM芯片，二者通过SPI总线通信。

该系统不采用位置和速度传感器，而是采用无刷直流电机内部的霍尔传感器反馈的电机转子的位置值和速度值。由于霍尔传感器反馈的值并非连续信号，仅是固定点的固定信号，CPLD内置速度和位置计算逻辑。CPLD接收到三相霍尔传感器反馈的信号后，进行位置运算和速度运算，得到无刷直流电机转子连续的位置值和速度值，此处称为位置和速度的计算值。CPLD芯片内部搭建有SPI通讯逻辑，可实现ARM和CPLD之间的全双工通信。ARM通过SPI通信逻辑请求CPLD的位置计算值或速度计算值，ARM内设定了电机给定控制值，此处称为给定值，ARM根据给定值和计算值，根据PID算法，得出速度、位置和力矩的控制值，通过SPI通信逻辑，ARM向CPLD下发控制字，用以控制电机的转速、转向和刹车。

SPI通信协议如表1所示。通信协议具体用法说明：

1、电机的转速由Bits0～6设定的占空比决定，占空比的范围是0～100：占空比设置为0时，电机不转，占空比设置为100时，电机以额定转速运转，占空比与电机的转速呈线性关系。

2、电机的转向由Bit8设定的方向决定：Bit8＝0时电机逆时针旋转，Bit8＝1时电机顺时针旋转。

3、在控制电机转速和转向的同时还可以请求位置或速度信息，由Bit14决定：Bit14＝0时请求速度信息，Bit14＝1时请求位置信息。

4、控制电机刹车由Bit7决定：Bit7＝1时电机刹车，此时不论其他Bit设置成什么，电机都会立即无条件刹车，这种刹车方式本质上是将电机的三相动力线短接。

表1 SPI通信协议

二进制位	用途	说明
			Bits 0-6	占空比，用于控制电机转速	占空比范围：0～100，单位：％
Bit 7	刹车信号，用于控制电机刹车	0无效，1刹车
			Bit 8	方向，用于控制电机转向	0正转，1反转
Bits 9～13	无	无
			Bit 14	请求信息，用于请求位置或速度信息	0速度，1位置
Bit 15	无	无

CPLD通过驱动电路与电机驱动电路相连，驱动电路采用UCC27211MOSFET驱动器，图3为桥路1驱动电路结构示意图，其他两路桥路的驱动电路与该路结构相同，只是PWM调制信号接收端口不同。在进行驱动控制时，采取上桥场效应管工作于PWM状态进行调压，下桥场效应管处于长通状态的工作模式。驱动电路接收的控制值即PWM调制信号，分别来自CPLD的PWM A0-PWM A5端，驱动电路控制电机驱动电路，在CPLD产生的PWM信号控制下，控制场效应管的开关，使电机的三相绕组能按要求的顺序导通，实现定子绕组的正确换向；其次是在CPLD发送的不同PWM占空比控制信号作用下，实现电机的调压调速。

电压电流检测与比较电路将采集的电流值和电压值反馈到ARM的ADC采集端，同时将电流比较值和电压比较值传递到CPLD，进行过压与过流的判断，当电路发生故障时，CPLD内部的保护单元会率先动作，控制电机刹车，ARM紧随其后，生成控制信号，反馈到驱动电路，再次控制电机刹车；同时，ARM所采集的电流值还用于力矩计算，反应电机实时力矩。

上位机与ARM相连，控制ARM的工作模式，系统工作时，通过上位机发送控制模式指令到微处理器，控制模式指令分为速度控制、位置控制和力矩控制，电机驱动电路采用上桥PWM，下桥ON的控制模式。

当上位机发送力矩控制指令时，将力矩值给定值传递到微处理器，控制方法如下：如图4和图5所示：

L1、ARM接收电流检测电路电测的电流值，将电流值乘以力矩系数进行力矩计算，得到当前电机力矩计算值；

L2、ARM根据力矩给定值和当前电机力矩计算值，结合PID算法，实现力矩单闭环控制，计算出力矩控制值，并转化为力矩控制字，传递到CPLD；

L3、CPLD读取霍尔传感器反馈信号，根据逻辑处理器内部设计的换向控制逻辑，按照换向控制表，调整三相全桥电路的导通情况，实现电机绕组的换相控制，换相控制表如表2所示；逻辑处理器根据接收的力矩控制字，通过线性换算生成具有对应占空比的PWM信号，作为上桥PWM控制信号，调整电机绕组上的电压；通过换相和调压，实现电机力矩控制。

表2 换相控制表

状态编号	霍尔传感器信号(U、V、W)	电机转向	力矩控制字(M1～M6)
				1	101	正转	100100
2	100	正转	100001
				3	110	正转	001001
4	010	正转	011000
				5	011	正转	010010
6	001	正转	000110
				1’	101	反转	011000
2’	100	反转	010010
				3’	110	反转	000110
4’	010	反转	100100
				5’	011	反转	100001
6’	001	反转	001001

当上位机发送速度控制指令时，将速度给定值传递到微处理器，如图6-图7所示，控制方法如下：

S1、CPLD将三相霍尔传感器信号进行异或处理，得到方波信号，其方波信号图如图11所示；

S2、如图11所示，统计方波信号两个相邻上升沿之间20KHz时钟脉冲的个数，得到速度计数值；

S3、将速度计数值传递到微处理器，微处理器进行速度计算，计算公式如下：

$Roter\_Speed=\frac{1}{\[(MOTER\_SPEED+2)/20000\]\·3\·P}\·60$

其中，MOTER_SPEED为速度计数值，P为三相无刷电机极对数，Roter_Speed为计算出的当前电机转速，单位是rpm。

该公式的计算原理是这样的：电机运转时，不论电机是正转还是反转，将三相霍尔传感器信号异或，都会得到一个方波信号，再根据电机电角度与机械角度之间的换算关系：电角度＝机械角度*P(P为电机的极对数)，可以得出以下结论：电机正转或者反转一圈，将三相霍尔传感器信号异或后，都会得到一个具有3·P个上升沿的方波信号。本实施例中，电机的极对数P＝4，那么电机运转时，将三相霍尔传感器信号异或，就会得到一个具有12个上升沿的方波信号，如图11上半部分所示。如果我们能够计算出这个方波信号相邻两个上升沿的时间间隔，然后再乘以3·P，就可以得到电机正转或者反转一圈所用的时间，单位是秒/转，取倒数就得到转/秒，这样的话，我们再乘以60，就得到转/分钟(rpm)，也就是电机正转或反转的转速。

因此只要计算出这个方波信号相邻两个上升沿的时间间隔，就可以实现电机速度的计算。这就要通过CPLD片内设计的硬件逻辑，如图10所示，具体的实现方式如下：

74194为CPLD芯片5M240ZT100I5N内的移位寄存器，CPLD上电后74194的输出端的初始电平状态为QD＝0，QC＝0，QB＝0，QA＝1；将电机运转时的三相霍尔传感器信号异或后的方波信号作为74194的移位控制信号；Up_Counter为同步计数器，CPLD上电后始终在计CLOCK_20KHz信号的上升沿的个数，并存储到Q[11..0]。

方波信号的第一个上升沿到来，74194为同步移位寄存器，再等待CLOCK_20KHz信号的上升沿到来时，74194输出端信号左移一位，变成QD＝0，QC＝0，QB＝1，QA＝0，QB信号作为D触发器DFF的时钟信号端，每当QB信号端有一个上升沿的跳变时，DFF就会将输入信号In[11..0]输出给Out[11..0]，这个Out[11..0]是一个12位的变量，也就是速度计数值MOTOR_SPEED；可以知道，CPLD上电后第一次输出的Out[11..0]，也就是速度计数值MOTOR_SPEED是不准确的。

当方波信号的下一个上升沿到来，再等待CLOCK_20KHz信号的上升沿到来时，74194的输出信号端又变成QD＝0，QC＝0，QB＝1，QA＝0，这时DFF就会将输入信号In[11..0]输出给Out[11..0]，也就是速度计数值MOTOR_SPEED，这时的MOTOR_SPEED值就正确记录了方波信号相邻两个上升沿的CLOCK_20KHz信号的上升沿的个数，CLOCK_20KHz是一个频率为20KHz的时钟信号，周期为1/20000秒，所以将MOTOR_SPEED除以20000，就可以得到方波信号相邻两个上升沿的时间间隔。之所以最终计算时采用的是(MOTOR_SPEED+2)除以20000，是因为根据图11下半部分的结果可以看出，MOTOR_SPEED值＝实际的方波信号相邻两个上升沿之间的20KHz上升沿个数-2，即一个计数周期内，会有两个不完整的上升沿信号，即丢失两个上升沿信号。

S4：微处理器根据速度给定值和S3步骤中计算出的当前电机转速，得到两者的偏差，再通过PID算法，并经过限幅后计算出控制值，这个控制值就作为力矩给定值；通过重复步骤L1-L2，计算电机当前力矩，再跟之前得到的力矩给定值做比较，得到两者偏差，通过PID算法，并经过限幅后，计算出力矩控制值，并转化为对应的力矩控制字，传递到逻辑处理器；逻辑处理器解析控制字；

S5：重复L3中步骤，通过换相和调压，实现对电机速度控制。

当上位机发送位置控制指令时，将位置给定值传递到微处理器，如图8-9所示，控制方法与流程如下：

W1、如图12所示，本实施例中的计算单元包括D触发器、比较器和计数器，D触发器分为两级，包括第一级的三个D触发器和第二级的三个D触发器，第一级三个D触发器的时钟信号分别为三相霍尔传感器的U、V、W三相输出信号，第一级三个D触发器的输入信号分别为V、W、U三相输出信号，即时钟信号和输入信号存在相位差；第二级三个D触发器的时钟信号分别为第一级三个D触发器的输出信号，三相霍尔传感器的输出信号经过异或处理，作为第二级三个D触发器的输入信号，第二级三个D触发器的输出进行逻辑与处理，处理后的信号与一时钟信号进行逻辑与处理，输出dir信号；dir信号与输入到计数模块Lpm_counter中，三相霍尔传感器的输出信号经过异或处理的信号作为计数模块Lpm_counter的时钟信号，计数模块进行位置计数；

逻辑处理器的计算单元对三相霍尔传感器的反馈信号进行处理的最终结果是，使电机正转时，dir输出高电平，位置计数加一，电机反转时，dir输出低电平，位置计数减一，这里的位置计数就代表了电机的当前位置；

W2、逻辑处理器将位置计数传递到微处理器，与位置给定值比较得到偏差，然后通过PID算法，并经过限幅后计算出控制值，这个控制值就作为速度给定值，重复S1-S4；

W3、重复L3中步骤，通过换相和调压，实现对电机位置控制。

Claims (3)

1.双芯片无刷直流电机驱动控制系统，包括上位机、驱动电路、电压电流检测与比较电路和控制系统，无刷直流电机内置三相霍尔传感器，驱动电路为三相全桥电路，其特征在于：所述控制系统包括相互连接的逻辑处理器、微处理器，以及与逻辑处理器相连的驱动电路；

逻辑处理器包括计算单元、保护单元、驱动控制单元和通信单元，其中，计算单元接收三相霍尔传感器的反馈信号，并进行位置运算和速度运算；通信单元用于与微处理器的通信；

上位机与微处理器相连，上位机传递控制给定值信号到微处理器，并控制微处理器的控制模式在速度控制、位置控制和力矩控制之间切换；

微处理器接收来自逻辑处理器的位置和速度计算值，结合上位机的给定值，进行速度、位置和力矩的控制值的计算，并将控制值反馈到逻辑处理器的驱动控制单元，驱动控制单元将控制值解析为控制信号，逻辑处理器通过驱动电路与电机驱动电路相连，驱动电路接收驱动控制单元给定的控制信号，通过驱动电路控制无刷直流电机工作；

所述电压电流检测与比较电路包括电压检测与比较电路和电流检测比较电路，二者分别将采集的电流值和电压值反馈到微处理器的ADC采集端，同时将电压比较值和电流比较值传递到逻辑处理器，保护单元进行过压与过流的判断。

2.如权利要求1所述的双芯片无刷直流电机驱动控制系统，其特征在于：所述逻辑处理器采用CPLD芯片，微处理器采用ARM芯片，二者通过SPI总线通信。

3.如权利要求1所述的双芯片无刷直流电机驱动控制系统的控制方法，通过上位机发送控制模式指令到微处理器，所述控制模式指令分为速度控制、位置控制和力矩控制，所述电机驱动电路采用上桥PWM，下桥ON的控制模式，其特征在于：工作时，电压检测与比较电路、电流检测与比较电路将采集的电流值和电压值反馈到微处理器的ADC采集端，同时将电流比较值和电压比较值传递到逻辑处理器，保护单元进行过压与过流的判断；若发生过载、过压、短路等故障，逻辑处理器会先于微处理器做出响应，控制电机快速刹车，微处理器紧随其后再次控制电机做出刹车动作；

当上位机发送力矩控制指令时，将力矩值给定值传递到微处理器，控制方法如下：

L1、微处理器接收电流检测电路检测的电流值，将电流值乘以电机力矩系数进行力矩计算，得到当前电机力矩计算值；

L2、微处理器根据力矩给定值和当前电机力矩计算值，得到两者偏差，结合PID算法，经过限幅后计算出力矩控制值，并转化为力矩控制字，传递到逻辑处理器；

L3、逻辑处理器读取霍尔传感器反馈信号，根据逻辑处理器内部设计的换向控制逻辑，调整三相全桥电路的导通情况，实现电机绕组的换相控制；辑处理器根据接收的力矩控制字，通过线性换算生成具有对应占空比的PWM信号，作为上桥PWM控制信号，进而调整电机绕组上的电压；通过换相和调压，实现电机力矩控制；

当上位机发送速度控制指令时，将速度给定值传递到微处理器，控制方法如下：

S1、逻辑处理器将三相霍尔传感器信号异或处理，得到方波信号；

S2、统计方波信号两个相邻上升沿之间20KHz时钟脉冲的个数，得到速度计数值MOTOR_SPEED；

S3、将速度计数值传递到微处理器，微处理器进行速度计算，计算公式如下：

$Roter\_Speed=\frac{1}{\[(MOTER\_SPEED+2)/20000\]\·3\·P}\·60$

其中，MOTER_SPEED为步骤S2中计算得到的速度计数值，P为三相无刷电机极对数，Roter_Speed为计算出的当前电机转速，单位是rpm；

S4：微处理器根据速度给定值和S3步骤中计算出的当前电机转速，得到两者的偏差，再通过PID算法，并经过限幅后计算出控制值，这个控制值就作为力矩给定值；通过重复步骤L1-L2，计算电机当前力矩，再跟之前得到的力矩给定值做比较，得到两者偏差，通过PID算法，并经过限幅后，计算出力矩控制值，并转化为对应的力矩控制字，传递到逻辑处理器；逻辑处理器解析控制字；

S5：重复L3中步骤，通过换相和调压，实现对电机速度控制；

当上位机发送位置控制指令时，将位置给定值传递到微处理器，控制方法如下：

W1、逻辑处理器的计算单元对三相霍尔传感器的反馈信号进行处理，使电机正转时，计算单元输出高电平，位置计数加一，电机反转时，计算单元输出低电平，位置计数减一，这里的位置计数就代表了电机的当前位置；

W2、逻辑处理器将位置计数传递到微处理器，与位置给定值比较得到偏差，然后通过PID算法，并经过限幅后计算出控制值，这个控制值就作为速度给定值，重复S1-S4；

W3、重复L3中步骤，通过换相和调压，实现对电机位置控制。