CN108233796A - 一种用于液压系统中的无刷直流电机控制器 - Google Patents

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李默竹
郑荣
于闯
任福琳
梁保强
梁洪光
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Abstract

本发明涉及一种用于液压系统中的无刷直流电机控制器，包括：检测电路、控制电路、驱动电路、功率转换电路；检测电路用于输出方波信号、电机电流信号给控制电路；控制电路用于根据接收的方波信号计算出输出电机转子位置信号、转速信号；再根据电机转子位置信号、转速信号、接收的电机电流信号输出控制信号给驱动电路；驱动电路用于对接收的控制信号进行隔离放大并输出给功率转换电路；功率转换电路用于根据接收的隔离放大后的控制信号控制内部的IGBT开关管开通或关断，从而实现对无刷直流电机转速和方向的控制。本发明的控制系统整体体积较小，使用方便、可靠；控制针对性强、适应性好；适合在不同工作情况下使用；具有电流、绝缘检测和保护功能。

Description

一种用于液压系统中的无刷直流电机控制器
技术领域
本发明涉及直流电机控制领域，具体的说是一种用于液压系统中的无刷直流电机控制器。
背景技术
无刷直流电机是指具有串励直流电机起动特性和并励直流电机调速特性的梯形波方波直流电机，其基本结构由电机本体、功率驱动电路及位置传感器三者组成。无刷直流电机具有结构简单、出力大和效率高等特点。随着电机技术、电力电子技术、数字控制技术、控制理论及传感器技术的发展与应用，无刷直流电机的一般控制技术已日趋成熟，相关生产制造工艺和通用技术也均规范化，并形成了一系列标准。同时，其电机优化设计、节能型驱动、转矩波动抑制、无位置传感器控制、弱磁调速等技术难题均得到了很好的研究和解决。目前，无刷直流电机已在国防、机器人、航空航天、轨道交通、精密机床、汽车电子、家用电器、办公自动化、以及工业过程控制等领域得到了广泛的应用。
发明内容
针对液压系统中对油量传输控制的需求，本发明提供了一种可以用于液压系统中的无刷直流电机控制器。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种用于液压系统中的无刷直流电机控制器，包括：
检测电路，连接无刷直流电机、控制电路；用于输出方波信号、电机电流信号给控制电路；
控制电路，连接检测电路、驱动电路、上位机；用于根据接收的方波信号计算出电机转子位置信号、转速信号；再根据电机转子位置信号、转速信号、接收的电机电流信号输出控制信号给驱动电路；
驱动电路，连接功率转换电路，用于对接收的控制信号进行隔离放大并输出给功率转换电路；
功率转换电路，连接无刷直流电机；用于根据接收的隔离放大后的控制信号控制内部的IGBT开关管开通或关断，从而实现对无刷直流电机转速和方向的控制。
所述检测电路包括：位置检测电路、电流检测电路；
所述位置检测电路包括光电开关、遮光盘；所述光电开关安装在电机定子上，与安装在电机转子上的遮光盘配合输出方波信号；
所述电流检测电路连接无刷直流电机，用于采集电机的电流信号。
所述光电开关包括发光二极管和光敏三极管。
所述电流检测电路采用霍尔元件进行电机电流检测。
所述控制电路采用嵌入式处理器。
所述驱动电路内部包括集成门极驱动芯片，用于对接收的控制信号进行隔离放大。
所述功率转换电路，采用三相不对称半桥型电路，包括三个并联的支路；所述每个支路包括：依次串联的第一IGBT开关管、绕组、第二IGBT开关管，和与依次串联的第一IGBT开关管、绕组并联的第一二极管，和与依次串联的绕组、第二IGBT开关管并联的第二二极管；所述上述两个IGBT开关管用于提供电流通路；所述上述两个二极管用于提供续流回路。
还包括过流保护电路，用于通过内部比较器芯片对检测电路采集的电机电流信号与预设阈值做比较，输出电流超限报警信号给控制电路。
还包括绝缘保护电路，所述绝缘保护电路包括依次连接的检测采样电路、信号放大电路；所述绝缘保护电路连接电机的电缆，用于采集电缆电流信号并放大再输出给控制电路，由控制电路根据预设阈值判断出电缆是否故障。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明使用VxWorks实时操作系统，并存储有针对液压系统的控制算法，控制针对性强、适应性好；
2.系统使用的功率转换电路可以在程序的控制下有多种工作方式，适合在不同工作情况下使用；
3.控制系统整体体积较小，适合在空间上有特殊要求的情况下使用，连接使用方便，可靠；
4.具有电流、绝缘等检测和保护功能，在系统出现异常现象时能够智能的进行判断和初步处理。
5.通过预置的控制逻辑算法及硬件电路，可以广泛的应用于液压系统中泵类负载的控制。
附图说明
图1为本发明所采用的控制原理；
图2为本发明所采用的功率变换主电路；
图3为本发明所采用的驱动电路；
图4为本发明所采用的电流检测采样电路；
图5为本发明所采用的绝缘检测电路；
图6为本发明所采用的控制程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
电机控制器的构架如图1所示，本发明公布一种用于液压系统中的无刷直流电机控制器。系统通过转速调节和电流调节实现转速、电流的双闭环控制，处理器通过对位置信号的判断，对功率模块进行驱动，进而实现对电机的控制。系统主要包括控制电路、功率转换电路、驱动电路、检测电路和保护电路。控制电路用来采集各种电机的实时参数，并进行处理，以实现对电机运行状态的实时响应。本系统使用的是盛博SCM9022嵌入式处理器及相关模块。处理器基于Intel Atom N455/D525，支持667/800MHz DDR3内存，同时包含一个更新的第三代图形处理核心，并支持64位操作系统。处理器安装有VxWorks实时操作系统，并预置有相应的控制逻辑和算法。功率转换主电路采用的是不对称半桥型电路。驱动电路采用的是TLP250集成门极驱动芯片及相关元件。检测电路包括位置检测和电流检测。位置信号反应的是电机运行过程中转子与定子的相对位置，通过外围电路的测量，将包含转子位置信息的一系列方波信号送到主控芯片对应功能的接口，进而完成对电机运行状态的控制；对电机电流采用霍尔元件进行检测。另外，在系统中还设计了监视过流、绝缘等故障的保护电路。
本发明采用的功率变换主电路的结构为不对称半桥型电路。图2表示的是三相的不对称半桥型主电路，绕组L1与开关管VT1、VT4，二极管VD1、VD4相连接；绕组L2与开关管VT2、VT5，二极管VD2、VD5相连接；绕组L3与开关管VT3、VT6，二极管VD3、VD6相连接；开关管为绕组提供工作过程中的电流通路，二极管为绕组提供续流回路。电容C1电阻R1以及开关管VT可以起到稳压的作用。这样的双开关管结构使电路可以有多种工作方式。以A相为例，当两个开关管VT1与VT4同时导通时，直流电源为电机A相绕组L1供电；若此时关断VT1，则绕组L1两端外加电压为零，绕组中的能量经VT4和VD4进行续流；若两个开关管VT1与VT4同时关断，则绕组L1两端电压为负的电源电压，绕组L1中的能量经VD1和VD4进行续流。
驱动电路以TLP250集成门极驱动芯片为核心，需要的供电电压范围较宽，驱动能力强，能够可靠的驱动IGBT等开关器件；其主要性能参数包括：电源供电电压：10～35V；输入电流阀值：5mA；输出电流：±0.5A；隔离电压：2500V；最小动作时间：0.5us。工作时需要的供电电压范围较宽，驱动能力强，能可靠驱动50A以下的IGBT，内部采用光耦隔离，隔离效果好，工作频率高，可以兼容CMOS/TTL电平。图3为其原理电路图。
位置检测电路使用光敏式检测原理。检测器呈U型结构，一边内置发光二极管，另一边内嵌光敏三极管。光束能否到达三极管是三极管是否导通的条件。光电开关一般会根据实际的需要安装在机壳上或者定子上。同时，转子上固定有遮光盘，它会与电机转子一同旋转。因此就可以利用这些特性调整每一相开通和关断的时刻及位置，以辅助软件功能的实现，达到控制要求。
电流检测电路，采用霍尔元件进行测量。霍尔元件都具有磁敏性。载流状态的霍尔材料会在磁场中产生垂直于磁场以及电流的感应电动势。利用这一原理，将霍尔元件和外围辅助电路集成在一起就构成了检测电路，图4为检测采样电路原理。
过流保护电路使用比较器LM339的比较输出功能，对检测信号加以判断。并规定当出现任何故障时，其对应的比较输出均为低电平。比较器的参考输入端接有变阻器，可以针对不同情况用来调整保护值的大小。
绝缘检测电路负责检测与系统相连接的电缆的绝缘情况。测试电路向电缆中预留的一芯电线中注入电流，当出现接地故障时，电流值会明显增大，此时检测电路会检测到存在故障，硬件保护会被触发，同时控制器也会根据采集到的数据特征作出判断。图5为绝缘检测原理。电路主要由前端的检测采样电路和后端的信号放大电路组成，处理后的信息将由对应的传感器采集接收。
如图6所示，控制程序存储在微控制器中，微控制器中安装有VxWorks实时操作系统，预置有用于控制液压泵类负载的算法和控制逻辑，能够较好的实现转速、转矩的调整；上电后程序自动启动运行。先后执行初始化程序、主控制程序、定时器内部周期中断程序以及响应外部中断的程序。初始化程序主要完成对工作频率的设定、初始化各功能模块、设置控制参数；主程序主要完成电机的启动控制方式、转速计算、发送转速信息、故障检测等任务；定时器中断负责读取模拟量数据、转矩调节、开通角调整、换向逻辑判断、转子位置计算以及驱动输出等；外部中断用来捕获位置信息、功率保护启动、以及通信接收等。

Claims (9)

1.一种用于液压系统中的无刷直流电机控制器，其特征在于，包括：
检测电路，连接无刷直流电机、控制电路；用于输出方波信号、电机电流信号给控制电路；
控制电路，连接检测电路、驱动电路、上位机；用于根据接收的方波信号计算出电机转子位置信号、转速信号；再根据电机转子位置信号、转速信号、接收的电机电流信号输出控制信号给驱动电路；
驱动电路，连接功率转换电路，用于对接收的控制信号进行隔离放大并输出给功率转换电路；
功率转换电路，连接无刷直流电机；用于根据接收的隔离放大后的控制信号控制内部的IGBT开关管开通或关断，从而实现对无刷直流电机转速和方向的控制。
2.按照权利要求1所述一种用于液压系统中的无刷直流电机控制器，其特征在于，所述检测电路包括：位置检测电路、电流检测电路；
所述位置检测电路包括光电开关、遮光盘；所述光电开关安装在电机定子上，与安装在电机转子上的遮光盘配合输出方波信号；
所述电流检测电路连接无刷直流电机，用于采集电机的电流信号。
3.按照权利要求1所述一种用于液压系统中的无刷直流电机控制器，其特征在于，所述光电开关包括发光二极管和光敏三极管。
4.按照权利要求2所述一种用于液压系统中的无刷直流电机控制器，其特征在于，所述电流检测电路采用霍尔元件进行电机电流检测。
5.按照权利要求1所述一种用于液压系统中的无刷直流电机控制器，其特征在于，所述控制电路采用嵌入式处理器。
6.按照权利要求1所述一种用于液压系统中的无刷直流电机控制器，其特征在于，所述驱动电路内部包括集成门极驱动芯片，用于对接收的控制信号进行隔离放大。
7.按照权利要求1所述一种用于液压系统中的无刷直流电机控制器，其特征在于，所述功率转换电路，采用三相不对称半桥型电路，包括三个并联的支路；所述每个支路包括：依次串联的第一IGBT开关管、绕组、第二IGBT开关管，和与依次串联的第一IGBT开关管、绕组并联的第一二极管，和与依次串联的绕组、第二IGBT开关管并联的第二二极管；所述上述两个IGBT开关管用于提供电流通路；所述上述两个二极管用于提供续流回路。
8.按照权利要求1所述一种用于液压系统中的无刷直流电机控制器，其特征在于，还包括过流保护电路，用于通过内部比较器芯片对检测电路采集的电机电流信号与预设阈值做比较，输出电流超限报警信号给控制电路。
9.按照权利要求1所述一种用于液压系统中的无刷直流电机控制器，其特征在于，还包括绝缘保护电路，所述绝缘保护电路包括依次连接的检测采样电路、信号放大电路；所述绝缘保护电路连接电机的电缆，用于采集电缆电流信号并放大再输出给控制电路，由控制电路根据预设阈值判断出电缆是否故障。
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