CN106452231B - 一种有刷直流电机驱动器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于自动控制领域，特别涉及一种适用于自动化生产线、数控机械等工业控制领域的有刷直流电机驱动器及其控制方法。一种有刷直流电机驱动器，包括PC机、控制板模块、驱动板模块、信息采集模块和直流电机，所述的控制板模块，通过使能控制和脉宽调制技术产生的PWM信号控制所述的驱动板模块，将弱电信号放大并达到直流电机的额定电压，使直流电机精确运动；所述的信息采集模块，用于检测直流电机的速度、位置和电流，并将检测的结果反馈给控制板模块。本发明的有刷直流电机驱动器有六种控制方式选择：位置控制、速度控制、转矩控制、速度位置控制、转矩速度控制、转矩位置控制和速度位置转矩控制。

Description

一种有刷直流电机驱动器及其控制方法

技术领域

本发明属于自动控制领域，特别涉及一种适用于自动化生产线、数控机械等工业控制领域的有刷直流电机驱动器及其控制方法。

背景技术

直流电机作为最早出现的电动机，同时也是最早可以实现调速的电动机。由于它具有良好的线性调速特性、控制简单、效率高及优异的动态特性，长期以来一直占据着调速控制领域的统治地位。直流电机的应用非常广泛，将直流电机作为控制对象，以直流电机驱动器为核心，以电力电子器件及功率变换装置为执行机构，可精确地控制电机转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动控制的运动要求。

直流电机驱动器是一种用来控制和驱动电机的控制器，直流电机驱动器要完成信号采集、功率驱动的处理任务，并根据采集的反馈信号通过位置、速度和电流三种方式对直流电机进行控制，实现系统准确定位、快速跟踪。一般的有刷直流电机驱动器只有速度、位置和电流的单环控制或双环控制，本发明有刷直流电机驱动器能够实现单环控制(速度环、位置环和转矩环)、双环控制(速度位置环、转矩速度环和转矩位置环)和三环控制(转矩速度位置环)，使直流电机的稳定性和精确性进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种安全性和稳定性好，成本低，有快速动态响应的有刷直流电机驱动器。

本发明的目的还在于提供一种有刷直流电机驱动器控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种有刷直流电机驱动器，包括PC机、控制板模块、驱动板模块、信息采集模块和直流电机，所述的控制板模块，通过使能控制和脉宽调制技术产生的PWM信号控制所述的驱动板模块，将弱电信号放大并达到直流电机的额定电压，使直流电机精确运动；所述的信息采集模块，用于检测直流电机的速度、位置和电流，并将检测的结果反馈给控制板模块；所述的PC机通过RS232通讯接口与控制板模块连接，用于PC机与直流电机的通讯。

所述的控制板模块包括ATMEGA32和ATMEGA16L微处理器；选用ATMEGA32作为主单片机，ATMEGA16L作为从单片机，ATMEGA32和ATMEGA16L微处理器采用并行通讯，ATMEGA32包括A/D转换模块、I/O模块和RS232通讯接口，实现与计算机的串口通讯、与从单片机的并行通讯、直流电机的正反转控制、直流电机运行的使能控制、PWM波形的输出和直流电机极性的控制功能；ATMEGA16L包括I/O模块和外部中断模块，通过外部中断采集编码器的脉冲数进行计数，得到直流电机的转速和位移，等待主单片机的指令，通过并行通讯将数据传送给主单片机。

所述的驱动板模块中的控制芯片采用IR2112，H桥驱动电路由功率MOS管组成。

所述的信息采集模块包括速度采集模块，电流采集模块和位置采集模块；电流由霍尔传感器采集；位置由编码器采集；PC机设定2种速度采集方式，即测速机方式或编码器采集方式。

一种有刷直流电机驱动器的控制方法，采用闭环控制策略，通过测量直流电机的实际电流，速度和位置经过PID控制实现速度环、位置环和转矩环的单环控制；实现速度位置环、转矩速度环和转矩位置环的双环控制；实现转矩速度位置环的三环控制。

本发明的有益效果在于：

本发明的有刷直流电机驱动器有六种控制方式选择：位置控制、速度控制、转矩控制、速度位置控制、转矩速度控制、转矩位置控制和速度位置转矩控制。

本发明的有刷直流电机驱动器的硬件结构简单，主单片机采用微处理器ATMEGA32和从单片机采用微处理器ATMEGA16L，能够实现主从单片机的并行通讯，并且两个微处理器性价比高。

本发明的有刷直流电机驱动器提供了信息采集模块，能够测量直流电机的实际转速、位置和电流，并反馈到控制板模块，进一步保证直流电机的稳定性和精确性。

本发明的有刷直流电机驱动器具有过流、过压、过负载等保护措施，人机界面操作简单，有快速的动态响应，安全性和稳定性好等优点。

附图说明

图1为本发明有刷直流电机驱动器的组成框图；

图2为本发明有刷直流电机驱动器原理图；

图3为本发明有刷直流电机驱动器控制方法原理图；

图4为本发明有刷直流电机驱动器的主单片机程序流程图；

图5为本发明有刷直流电机驱动器的从单片机程序流程图；

图6为本发明有刷直流电机驱动器主从单片机并口通讯的时序图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明的目的在于提供一种有刷直流电机驱动器，包括PC机、控制板模块、驱动板模块、信息采集模块和直流电机。PC机通过RS232通讯接口与控制板模块连接，控制板模块与驱动板模块连接，驱动板模块与直流电机连接，直流电机与信息采集模块连接，信息采集模块与控制板模块连接。所述的有刷直流电机控制方法能够通过测量直流电机的实际电流，速度和位置经过PID控制实现直流电机单环控制(速度环、位置环和转矩环)、双环控制(速度位置环、转矩速度环和转矩位置环)和三环控制(转矩速度位置环)。本发明所述的有刷直流电机驱动器，能够实现主从单片机并行通讯，采用智能芯片，具有体积小、响应速度快、成本低、可靠性高和制作简单等优点，使直流电机的运行更加稳定、可靠和精确。

本发明采用如下技术方案：

一种有刷直流电机驱动器，包括PC机、控制板模块、驱动板模块、信息采集模块和直流电机。所述的控制板模块，通过使能控制和脉宽调制技术产生的PWM信号控制所述的驱动板模块，将弱电信号放大并达到直流电机的额定电压，使直流电机精确运动；所述的信息采集模块，用于检测直流电机的速度、位置和电流，并将检测的结果反馈给控制板模块；所述的PC机通过RS232通讯接口与控制板模块连接，用于PC机与直流电机的通讯。

所述的控制板模块是有刷直流电机驱动器的核心部分，它起着对全局的控制作用。其包括ATMEGA32和ATMEGA16L微处理器。选用ATMEGA32作为主单片机，ATMEGA16L作为从单片机，ATMEGA32和ATMEGA16L微处理器采用并行通讯，ATMEGA32包括A/D转换模块、I/O模块和RS232串口，可以实现与计算机的串口通讯、与从单片机的并行通讯、电机的正反转控制、电机运行的使能控制、PWM波形的输出和电机极性的控制等功能；ATMEGA16L包括I/O模块和外部中断模块，可以通过外部中断采集编码器的脉冲数进行计数，得到电机的转速和位移，等待主单片机的指令，通过并行通讯将数据传送给主单片机。

所述的驱动板模块中的控制芯片采用IR2112，H桥驱动电路由功率MOS管组成。

所述的信息采集模块包括速度采集，电流采集和位置采集。位置由编码器采集；PC机可以设定2种速度采集方式：测速机或编码器采集；电流由霍尔传感器采集。

本发明的另一个目的是一种有刷直流电机驱动器的控制方法如下：采用闭环控制策略，通过测量直流电机的实际电流，速度和位置经过PID控制能够实现单环控制(速度环、位置环和转矩环)、双环控制(速度位置环、转矩速度环和转矩位置环)和三环控制(转矩速度位置环)。

结合图1和图3，本发明有刷直流电机驱动器由PC机、控制板模块、驱动板模块、信息采集模块和直流电机构成。PC机发送命令，命令通过RS232通许接口传送到控制板模块，控制板模块根据PC机的命令输出PWM信号和使能控制，对驱动板模块执行相应的操作，进而控制直流电机精确的运动，同时信息采集模块检测电机的速度、位置和电流反馈给控制板模块，控制板芯片通过PID控制算法，对直流电机的速度、位置和电流进行控制，调整直流电机达到最佳的运动状态。

结合图2，本发明有刷直流电机驱动器的控制板模块包括ATMEGA32和ATMEGA16L微处理器，选用ATMEGA32作为主单片机，ATMEGA16L作为从单片机，ATMEGA32和ATMEGA16L微处理器采用并行通讯；驱动板模块与直流电机连接，对直流电机进行驱动，其中功率管驱动采用IR2112，H桥驱动电路由功率MOS管组成；PC机与控制板模块通过RS232通讯接口实现通讯，进行参数的设置、保存、修改和传递。

主单片机ATMEGA32采用14.7456MHz的晶振，定时周期为5ms，使用了6个AD端口，同时也使用了22个普通的I/O端口，能够实现与计算机通信，采用的是RS232通讯接口。A/D端口获取测速机测量的速度反馈、霍尔传感器测量的电流反馈、PC机的速度/位置给定，实现PID控制调节；I/O端口实现与从单片机的并行通讯功能、电机的正反转控制、电机运行的使能控制、PWM波形的输出、电机极性的控制和复位控制等功能。极性控制方式有两种：双极性控制和单极性控制，单极性控制决定的是正转还是反转，单/双极性的拨码开关联合起来实现直流电机的单/双极性控制。主单片机能够将电机的基本参数储存到EEPROM区，使得重新上电的时候，能够得到上次操作退出时的参数，提供了过流保护和开环保护的功能，死区和斜坡适应功能。AD的精度为10位，PWM输出精度为10位。

从单片机ATMEGA16L采用8MHz的晶振，定时周期为10ms，包括I/O端口和外部中断端口。I/O端口主要实现与主单片机进行并行通讯并通过并行通讯将数据传送给主单片机、复位控制和编码器计数清零；外部中断端口主要采集编码器A、B相的脉冲数进行计数，完成位置/速度反馈值的获取，等待主单片机的指令，通过并行通讯将数据传送给主单片机。从单片机根据获得的编码器的脉冲数，计算出电机的转速(13位)和转动的角度(14位)。当从单片机接收到主单片机发送的命令，包括3个部分：1)读取速度还是位置；2)倍频系数；3)线数，根据指令返回所需要的数据。

结合图3，本发明的控制方法可采用单环(位置、速度、恒转矩)控制、双环(速度位置、转矩速度、转矩位置)控制和三环(速度位置转矩)控制。在位置控制环中，输入的位置给定值和通过编码器测量电机实际转动位移量的反馈值经比较器相减，得到位置偏差，并将位置偏差作为位置PID调节器的输入，经过PID计算，产生位置环PID调节器的输出，作为位置环的输入；在速度控制环中，输入的速度给定值和通过编码器或测速机测量电机实际转速的反馈值经比较器相减，得到速度偏差，并将速度偏差作为位置PID调节器的输入，经过PID计算，产生速度环PID调节器的输出，作为速度环的输入；在电流控制环中，输入的电流给定值和通过霍尔传感器测量的电流实际反馈值经比较器相减，得到电流偏差，并将电流偏差作为电流PID调节器的输入，经过PID计算，产生电流环PID调节器的输出，作为电流环的输入。若是位置环控制时位置反馈只能由编码器测量，若是位置、速度双环时，测速机测量速度反馈，编码器测量位置反馈。当采用的控制方式为单环控制时，并且P、I、D三参数的获取为电位器给定时，比例参数调节、积分参数调节和微分参数调节才有效。为了获得良好的静、动态性能，在位置控制环、速度控制环和电流控制环中分别有位置调节器、速度调节器和电流调节器，并都采用PID控制。

结合图4，本发明有刷直流电机驱动器控制板主单片机ATMEGA32的工作过程为：首先需要完成初始化，包括关闭中断、串口、定时器、A/D端口、I/O端口、并口通信端口处于接收状态、PWM输出、外部中断、看门狗和使能中断初始化。读取首次AD值，并将出厂参数写入EEPROM，读取参数，向从单片机发送参数(额定转速、倍频系数、清零标志和编码器线数)，获取AD值，接收上位机数据，如果stop_flag为1，则判断是否恢复出场设置，若Key_parameter_var为21，停止电机，将出厂参数写入EEPROM，发送键参数的默认值给上位机，读取相应参数，向从单片机发送指令；如果stop_flag不为1，获取AD值，选择PID控制及控制方式，定时5ms，将显示参数发送给上位机。

结合图5，本发明有刷直流电机驱动器控制板从单片机ATMEGA16L的工作过程为：首先需要完成初始化，包括关闭中断，I/O端口，从单片机处于闲状态，并口通讯端口处于接收状态，看门狗和使能中断初始化。读取主单片机发来的参数(额定转速、倍频系数、编码器线数和清零标志)，确定定时周期，根据倍频系数选取外部中断初始化程序，接收从单片机发来的数据，如果清零，则位置计算量为0，继续接收从主单片机发来的数据；如果不清零，则等待接收从主单片机发来的数据。

结合图6，本发明有刷直流电机驱动器主从单片机并行通讯由主单片机的联络线PC₁和从单片机的联络线PC₀组成。当联络线的状态为1时，单片机的状态为闲；当联络线的状态为0时，单片机的状态为忙。主从单片机并行通讯具体执行过程为当主单片机联络线的状态为11，主单片机的工作状态为闲，从单片机联络线的状态为11，从单片机的工作状态为闲，则联络线的实际状态为11；当主单片机联络线的状态由11变为10，主单片机的工作状态为忙，从单片机联络线的状态保持为11，从单片机的工作状态保持为闲，而联络线的实际状态由11变为10；当主单片机联络线的状态保持为10，主单片机的工作状态经历了发送数据，从单片机等待接收数据，其联络线的状态由11变为01，而联络线的实际状态由10变为00；当主单片机联络线的状态由10变为11，即主单片机完成了数据发送，从单片机联络线的状态保持为01，从单片机的工作状态为读取数据，而联络线的实际状态由00变为01；当主单片机联络线的状态保持为11，主单片机的工作状态为接收数据，从单片机联络线的状态保持为01，从单片机的工作状态为发送数据，而联络线的实际状态保持为01；主单片机的工作状态为接收数据，当接收完数据其联络线的状态由11变为10，从单片机的工作状态为发送数据，其联络线的状态保持为01，而联络线的实际状态保持由01变为00；当主单片机联络线的状态保持为10，主单片机的工作状态为读取数据，从单片机发送完数据后，其联络线的状态由01变为11，则从单片机的工作状态为闲，而联络线的实际状态保持由00变为10；当主单片机联络线的状态由10变为11，主单片机的工作状态保持为闲，从单片机联络线的状态保持为11，从单片机的工作状态保持为闲，而联络线的实际状态保持由10变为11。一个周期结束。本发明中，有刷直流电机驱动器控制方法能够能够实现单环控制(速度环、位置环和转矩环)、双环控制(速度位置环、转矩速度环和转矩位置环)和三环控制(转矩速度位置环)，主单片机采用微处理器ATMEGA32，从单片机采用微处理器ATMEGA16L，能够实现主从单片机的并行通讯，主单片机通过RS232通讯接口与PC机进行通讯，完成参数的设置、传输和保存，人机界面操作简单，有快速的动态响应，安全性和稳定性好等优点。

Claims (1)

1.一种有刷直流电机驱动器，包括PC机、控制板模块、驱动板模块、信息采集模块和直流电机，其特征在于：所述的控制板模块，通过使能控制和脉宽调制技术产生的PWM信号控制所述的驱动板模块，将弱电信号放大并达到直流电机的额定电压，使直流电机精确运动；所述的信息采集模块，用于检测直流电机的速度、位置和电流，并将检测的结果反馈给控制板模块；所述的PC机通过RS232通讯接口与控制板模块连接，用于PC机与直流电机的通讯；

所述的控制板模块包括ATMEGA32和ATMEGA16L微处理器；选用ATMEGA32作为主单片机，ATMEGA16L作为从单片机，ATMEGA32和ATMEGA16L微处理器采用并行通讯，ATMEGA32包括A/D转换模块、I/O模块和RS232通讯接口，实现与计算机的串口通讯、与从单片机的并行通讯、直流电机的正反转控制、直流电机运行的使能控制、PWM波形的输出和直流电机极性的控制功能；ATMEGA16L包括I/O模块和外部中断模块，通过外部中断采集编码器的脉冲数进行计数，得到直流电机的转速和位移，等待主单片机的指令，通过并行通讯将数据传送给主单片机；

所述的驱动板模块中的控制芯片采用IR2112，H桥驱动电路由功率MOS管组成；

所述的信息采集模块包括速度采集模块，电流采集模块和位置采集模块；电流由霍尔传感器采集；位置由编码器采集；PC机设定2种速度采集方式，即测速机方式或编码器采集方式；

采用闭环控制策略，通过测量直流电机的实际电流，速度和位置经过PID控制实现速度环、位置环和转矩环的单环控制；实现速度位置环、转矩速度环和转矩位置环的双环控制；实现转矩速度位置环的三环控制；

所述有刷直流电机驱动器由PC机、控制板模块、驱动板模块、信息采集模块和直流电机构成；PC机发送命令，命令通过RS232通讯接口传送到控制板模块，控制板模块根据PC机的命令输出PWM信号和使能控制，对驱动板模块执行相应的操作，进而控制直流电机精确的运动，同时信息采集模块检测电机的速度、位置和电流反馈给控制板模块，控制板芯片通过PID控制算法，对直流电机的速度、位置和电流进行控制，调整直流电机达到最佳的运动状态；

主单片机ATMEGA32采用14.7456MHz的晶振，定时周期为5ms，使用了6个AD端口，同时也使用了22个普通的I/O端口，能够实现与计算机通信，采用的是RS232通讯接口；AD端口获取测速机测量的速度反馈、霍尔传感器测量的电流反馈、PC机的速度/位置给定，实现PID控制调节；I/O端口实现与从单片机的并行通讯功能、电机的正反转控制、电机运行的使能控制、PWM波形的输出、电机极性的控制和复位控制等功能；极性控制方式有两种：双极性控制和单极性控制，单极性控制决定的是正转还是反转，单/双极性的拨码开关联合起来实现直流电机的单/双极性控制；主单片机能够将电机的基本参数储存到EEPROM区，使得重新上电的时候，能够得到上次操作退出时的参数；AD的精度为10位，PWM输出精度为10位；

从单片机ATMEGA16L采用8MHz的晶振，定时周期为10ms，包括I/O端口和外部中断端口；I/O端口主要实现与主单片机进行并行通讯并通过并行通讯将数据传送给主单片机、复位控制和编码器计数清零；外部中断端口主要采集编码器A、B相的脉冲数进行计数，完成位置/速度反馈值的获取，等待主单片机的指令，通过并行通讯将数据传送给主单片机；从单片机根据获得的编码器的脉冲数，计算出电机的转速和转动的角度；从单片机接收主单片机发送的命令，包括3个部分：1)读取速度还是位置；2)倍频系数；3)线数，根据指令返回所需要的数据；

采用单环控制、双环控制和三环控制；在位置控制环中，输入的位置给定值和通过编码器测量电机实际转动位移量的反馈值经比较器相减，得到位置偏差，并将位置偏差作为位置PID调节器的输入，经过PID计算，产生位置环PID调节器的输出；在速度控制环中，输入的速度给定值和通过编码器或测速机测量电机实际转速的反馈值经比较器相减，得到速度偏差，并将速度偏差作为位置PID调节器的输入，经过PID计算，产生速度环PID调节器的输出；在电流控制环中，输入的电流给定值和通过霍尔传感器测量的电流实际反馈值经比较器相减，得到电流偏差，并将电流偏差作为电流PID调节器的输入，经过PID计算，产生电流环PID调节器的输出；若是位置环控制时位置反馈只能由编码器测量，若是位置、速度双环时，测速机测量速度反馈，编码器测量位置反馈；当采用的控制方式为单环控制时，并且P、I、D三参数的获取为电位器给定时，比例参数调节、积分参数调节和微分参数调节才有效；为了获得良好的静、动态性能，在位置控制环、速度控制环和电流控制环中分别有位置调节器、速度调节器和电流调节器，并都采用PID控制；

有刷直流电机驱动器控制板主单片机ATMEGA32的工作过程为：首先需要完成初始化，包括关闭中断、串口、定时器、AD端口、I/O端口、并口通信端口处于接收状态、PWM输出、外部中断、看门狗和使能中断初始化；读取首次AD值，并将出厂参数写入EEPROM，读取参数，向从单片机发送参数，获取AD值，接收上位机数据，如果stop_flag为1，则判断是否恢复出场设置，若Key_parameter_var为21，停止电机，将出厂参数写入EEPROM，发送键参数的默认值给上位机，读取相应参数，向从单片机发送指令；如果stop_flag不为1，获取AD值，选择PID控制及控制方式，定时5ms，将显示参数发送给上位机；

有刷直流电机驱动器控制板从单片机ATMEGA16L的工作过程为：首先需要完成初始化，包括关闭中断，I/O端口，从单片机处于闲状态，并口通讯端口处于接收状态，看门狗和使能中断初始化；读取主单片机发来的参数，确定定时周期，根据倍频系数选取外部中断初始化程序，接收从单片机发来的数据，如果清零，则位置计算量为0，继续接收从主单片机发来的数据；如果不清零，则等待接收从主单片机发来的数据；

有刷直流电机驱动器主从单片机并行通讯由主单片机的联络线PC₁和从单片机的联络线PC₀组成；当联络线的状态为1时，单片机的状态为闲；当联络线的状态为0时，单片机的状态为忙；主从单片机并行通讯具体执行过程为当主单片机联络线的状态为11，主单片机的工作状态为闲，从单片机联络线的状态为11，从单片机的工作状态为闲，则联络线的实际状态为11；当主单片机联络线的状态由11变为10，主单片机的工作状态为忙，从单片机联络线的状态保持为11，从单片机的工作状态保持为闲，而联络线的实际状态由11变为10；当主单片机联络线的状态保持为10，主单片机的工作状态经历了发送数据，从单片机等待接收数据，其联络线的状态由11变为01，而联络线的实际状态由10变为00；当主单片机联络线的状态由10变为11，即主单片机完成了数据发送，从单片机联络线的状态保持为01，从单片机的工作状态为读取数据，而联络线的实际状态由00变为01；当主单片机联络线的状态保持为11，主单片机的工作状态为接收数据，从单片机联络线的状态保持为01，从单片机的工作状态为发送数据，而联络线的实际状态保持为01；主单片机的工作状态为接收数据，当接收完数据其联络线的状态由11变为10，从单片机的工作状态为发送数据，其联络线的状态保持为01，而联络线的实际状态保持由01变为00；当主单片机联络线的状态保持为10，主单片机的工作状态为读取数据，从单片机发送完数据后，其联络线的状态由01变为11，则从单片机的工作状态为闲，而联络线的实际状态保持由00变为10；当主单片机联络线的状态由10变为11，主单片机的工作状态保持为闲，从单片机联络线的状态保持为11，从单片机的工作状态保持为闲，而联络线的实际状态保持由10变为11；一个周期结束。