CN108322102A - 同步控制多路电机的驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种同步控制多路电机的驱动器，旨在提供一种可以有效减少电机驱动器重量和体积，且无需编程即可完成同时控制或单独控制多路直流电机的转向和转速的同步控制多路电机的驱动器。本发明通过下述技术方案予以实现：CPU电路板为驱动电路板提供模拟输入模式、R/C输入模式、简易串口模式和封包串口模式四种工作模式选择；CPU电路板中的模拟量采集模块通过电机控制接口模块采集驱动电路板的电机位置、电流、转速信息，复杂可编程逻辑器件CPLD对各类输入/输出离散量进行逻辑变换处理，DSP模块与CPLD接口获取/发送逻辑信号、解析处理RS422通信模块中RS422通信数据，以及对电机控制电路进行动作控制，并输出控制信息到驱动电路板，控制电机按照预定参数运转。

Description

同步控制多路电机的驱动器

技术领域

本发明涉及一种能够满足多电机系统架构需求的电机驱动器，其具有转速、电流及方向控制功能，使之适用于多电机特别是对系统重量和体积有限制要求的应用场合。

背景技术

同步控制是工业控制中常见的控制方式，在工程运用中，通常需要采用几台电机同时驱动，要求几台电机速度同步才能保证传动链的正常运行，否则就会产生链条堆积或断裂，使系统不能很好的运行。在多个电机/多个软起动器的情况下，在起动时通常会发生一台电动机(和软起动器)会比其他电动机(和软起动器)承担更多的负载，严重时会只有其中部分电动机转动，其余电动机不转动的，结果导致电动机跳闸或皮带被拉断。这是因为即使出自同一厂家相同型号的电机，其机械电气性能也不可能完全相同。何况当电动机和软起动器处于不同位置时，变化的电源压降和电源阻抗导致每台设备有不同的电压。当两台电机承担的负载不同时转差亦不相同，负载重的电机转速较低、负载轻的电机转速较高。如果采用两个独立的速度闭环控制系统对两电机同步驱动，控制相对复杂，难以完全保证良好的同步。如果个别电机因为转速比其它都快，电机的负载将会比正常负载大，定子电流急升，增加电机发热量，严重时会烧坏电机。在大功率场合由于外界扰动比较大、不稳定因素多，各电机的稳定性和同步精度很难保证。如果各个电机之间存在一定的速度差，系统的相关应力会成倍增加。严重时可能导致系统的毁坏。由于各电机的性能和工况存在微弱差异，加之它们的工作状态又相互影响，它们之间必然会产生细微的转速差。微弱的转速差产生的拖动不同步，可能会使系统结构应力成倍增加。严重是会毁坏系统。为了解决这个问题，常规做法一般选用高性能的可编程序控制器(PLC)，但这种多台电动机同步拖动运行的设备采用变频器拖动异步电动机加可编程序控制器(PLC)的控制模式，常出现被动跟随电动机忽快忽慢的现象。同时要在实际生产过程中，根据负荷状况的不同，精确设定变频器加、减速时间，如此用户操作、参数设定很不方便。而且存在操作复杂、成本偏高，以及结构复杂，故障机会多的缺点。

目前，市面上常见的步进电机驱动器一般都是单轴驱动器。传统的电机驱动器是一台电机对应一张驱动电路板，这样在需要对多台电机进行独立控制的场合就需要多张驱动电路板，进一步的，在系统架构时就需要对每张驱动电路板设计相应的相位定序表、高频控制线路及复杂的编程对接接口才能实现多个电机的驱动，而在一些对电机驱动器的重量和体积要求特别严格应用场合，比如：中小型无人机的电动起落架收放、输送机的传动控制、舵机系统等。如果采用传统的多个驱动电路板方案，则会增加整个系统的体积和重量，而无法满足这类系统的需求，一种更为轻便灵活且能够集成多电机驱动的控制器亟待被发明。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种可以有效减少电机驱动器重量和体积，且无需编程即可完成同时控制或单独控制多路直流电机的转向和转速的同步控制多路电机的驱动器。

实现上述目的的技术方案是：一种同步控制多路电机的驱动器，包括：为驱动电路板提供模拟输入模式、R/C输入模式、简易串口模式和封包串口模式四种工作模式选择的CPU电路板；为CPU电路板、驱动电路板提供电压的电源转换电路板，其特征在于：电源转换电路板、CPU电路板和驱动电路板通道之间通过连接线相连组成闭环驱动电路，其中，驱动电路板上集成了三个相同且相互独立的驱动模块，三个驱动模块组成三路无刷直流电机的驱动电路；CPU电路板至少集成了模拟量采集模块、电机控制接口模块、电平转换模块、CPLD模块、DSP模块和RS422通信模块；驱动电路板根据输入的信号和细分参数的设置产生电机的控制信号，模拟量采集模块通过电机控制接口模块采集驱动电路板的电机位置、电流、转速信息，CPLD模块对各类输入/输出离散量进行逻辑变换处理，DSP模块与CPLD接口获取/发送逻辑信号、解析处理RS422通信模块中的RS422通信数据，输出控制信息到驱动电路板，对电机控制电路进行动作控制，控制电机按照预定参数运转，完成同时控制或单独控制多路直流电机的转向和转速。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

可以有效减轻电机驱动器的重量和体积。本发明针对这类应用场合将电源转换电路板、CPU电路板和驱动电路板之间通过连接线相连组成闭环驱动电路，并将3个电机的驱动电路集成到一张驱动电路板上，并将电源转换电路板、CPU电路板和驱动电路板通道之间通过连接线相连组成闭环驱动电路驱动器，可以有效减少电机驱动器的重量和体积，可以避免机同步驱动控制的相对复杂度，操作复杂、成本偏高以及结构复杂，故障机会多的缺点。

无需编程。本发明针对现有技术多台电动机同步拖动运行的设备普遍采用变频器拖动异步电动机加可编程序控制器(PLC)的控制模式，常出现被动跟随电动机忽快忽慢的现象的不足之处，采用三个独立的驱动模块组成三路无刷直流电机的驱动电路，电路板根据输入的信号和细分参数的设置产生电机的控制信号，模拟量采集模块通过电机控制接口模块采集驱动电路板的电机位置、电流、转速信息，保证了良好的同步，无需编程，也不需要采用变频器拖动，即可完成同时控制或单独控制多路直流电机的转向和转速。驱动电路板根据输入的信号和细分参数的设置产生电机的控制信号，CPLD模块对各类输入/输出离散量进行逻辑变换处理，避免了现有技术可编程序控制器PLC控制模式，常出现被动跟随电动机忽快忽慢的现象。驱动电机按设定要求旋转，保证了各电机的稳定性和同步精度，克服了现有技术需要对多台电机独立控制需要多张驱动电路板，在系统架构时需要对每张驱动电路板设计相应的相位定序表、高频控制线路及复杂的编程对接接口才能实现多个电机的驱动不足短板。

产生的开关损耗更少、更耐高温。本发明采用DSP模块与CPLD接口获取/发送逻辑信号、解析处理RS422通信模块中的RS422通信数据，输出控制信息到驱动电路板，对电机控制电路进行动作控制，控制电机按照预定参数运转，可以避免定子电流急升，增加电机发热量，不稳定因素的出现，而且产生的开关损耗更少、更耐高温。

轻便灵活。本发明驱动器采用模拟输入模式、R/C输入模式、简易串口模式和封包串口模式，四种可供选择的工作模式，用此操作时速度比以往的电机速度快2倍，力矩也要多15％以上。闭环驱动电路每个通道可达电流为10A。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明。

图1是本发明同步控制多路电机的驱动器系统框图。

图2是图1CPU电路板电路原理框图.

图3是图2RS422通信模块的电路原理示意图。

图4是图2模拟量采集模块的电流采样电路原理图。

图5是图1驱动电路板电路原理框图。

图6是电机控制电路及MOSFET功率管驱动电路原理图。

图7是三相全桥逆变电路原理示意图。

具体实施方式

参阅图1、图2。在以下描述的实施例中，一种同步控制多路电机的驱动器，包括：电源转换电路板、CPU电路板和驱动电路板，CPU电路板由DSP模块、CPLD模块、RS422通信模块、模拟量采集模块、电机控制接口模块、硬件看门狗模块、电平转换模块组成。电源转换电路板、CPU电路板和驱动电路板之间通过扁平连接线相连。电源转换电路板、CPU电路板及驱动电路板组成同步控制多路电机的驱动器系统，电源转换电路板为CPU电路板、驱动电路板提供电压，CPU电路板通过电机控制接口模块采集驱动电路板的电机位置、电流、转速等信息，CPU电路板为驱动电路板提供模拟输入模式、R/C输入模式、简易串口模式和封包串口模式四种工作模式选择；驱动电路板根据输入的信号和细分参数的设置产生电机的控制信号，CPU电路板中的模拟量采集模块通过电机控制接口模块采集驱动电路板的电机位置、电流、转速信息，复杂可编程逻辑器件CPLD对各类输入/输出离散量进行逻辑变换处理，DSP模块与CPLD接口获取/发送逻辑信号、解析处理RS422通信模块中RS422通信数据，以及对电机控制电路进行动作控制，并输出控制信息到驱动电路板，控制电机按照预定参数运转，完成同时控制或单独控制多路直流电机的转向和转速。

CPU电路板包括顺次串联的硬件看门狗模块、DSP模块、CPLD模块、电平转换模块、电机控制接口模块和模拟量采集模块，以及模拟量采集模块通过DSP模电连接的RS422通信模块。其中，DSP模块的数字信号处理器DSP片内自带的2*8通道、80ns转换率、12位精度的模数转换器ADC。RS422通信模块通过DSP片内自带的串行控制器与上位机通信。模拟量采集模块采集电源转换电路板电源电压、电机单相和母线电流的采样。CPU电路板通过电机控制接口电路与驱动电路板交互，实现对电机的控制和状态反馈。电机调速信号、电机转动方向控制信号均经光耦隔离输出，而且均采用集电极开路输出，当控制信号有效时，通过后级集电极输出将驱动板上对应的电阻端拉低，实现电机的调速和转向控制。

参阅图3。数字信号处理器DSP将采集电机的各相电流作为自动限流、过流保护的依据，同时通过DSP片内模数转换器ADC采集电源电压，检测电源转换电路板的电源电压；利用数字信号处理器DSP芯片内256K*16位Flash作为程序存储器，该存储器驻存有工作软件。CPLD模块主要完成I/O和外设读/写逻辑、硬件看门狗模块看门狗时序逻辑、图3所示RS422通信模块的422通信转换逻辑等。过流保护电路由比较器和带清零端的D触发器构成。D触发器主要用于启动阶段关闭过流保护电路以防止启动电流过大导致触发过流保护。所述逐周期限流电路由精密电阻分压电路、滤波电路及电机控制电路内部集成的逐周期限流模块构成。当电机电流过流时，驱动板上硬件限流电路工作，电机保护，并将故障状态经电平转换电路送给CPU电路板，CPU通过该信号来做相应处理。

参阅图4。模拟量采集模块利用DSP片内两个独立的8通道ADC(ADC_A和ADC_B)实现，采样精度12Bit，采样周期的采样频率结合实际情况而定。滤波、钳位保护电路。模拟量采集模块采集2路+5VDC和+12VDC电源电压采样、9路电流采样(0-5VDC)，经信号调理电路转化为0-3.0VDC，再进行滤波后采集。模拟量采集模块检测电机电流并实现自动限流，以及对电源电压的监测，通过采用线性电流传感器ACS712的电检测电路进行电流检测，检测每个电机检测母线电流、三相中两相的电流，由于线性电流传感器ACS712输出电压为0.5V-4.5V，因此需要经过由集成运算放大器组成的信号调理电路再送给中央处理器CPU进行处理。过流保护电路，当检测到电流大于13A时，进行硬件关断，禁止电机使能。由于电机启动电流较大，在电机启动时关闭过流保护电路，防止电机由于过流保护而无法启动。

参阅图5。驱动电路板包括，至少三路驱动电路，三路驱动电路相互独立，且共用一个信号接口，每路驱动电路顺次串联了电机控制电路、MOSFET功率管驱动电路和三相全桥逆变电路，其中，至少一路驱动电路包括了通过电流检测电路并联在电机控制电路与三相全桥逆变电路之间的，由电机位置检测电路、电流检测电和逐周期限流电路组成的并联电路，其余另两路包括了通过电流过保护电路，并联在电机控制电路与三相全桥逆变电路之间构成的，由电流检测电路、电流过保护电路和逐周期限流电路组成的并联电路。运行时，电机控制电路通过信号接口接收来自CPU电路板的电机控制参数，并将参数解析为六步梯形波脉冲宽度调制信号PWM，实现对直流电机运转方向、速度进行控制，电机控制电路输出脉冲宽度调制信号PWM通过MOSFET功率管驱动电路将上桥臂脉冲宽度调制信号PWM通过自举电路进行电压抬高处理，驱动三相全桥逆变电路，通过逻辑顺序对直流电机进行控制，同时通过电流检测电路、电机位置检测电路及逐周期限流电路组成的并联电路、电流检测电路、电流过保护电路和逐周期限流电路组成的并联电路，实时采集直流电机运转过程中的电流及位置信息，并通过信号接口反馈至CPU电路板，CPU根据采集的信息进一步调整参数信号，以保证电机控制电路输出的PWM信号，使直流电机正常稳定的按照预定参数运行，并在直流电机出现电流过大等异常情况时及时终止或进入跳频模式运行，避免金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET或电机烧毁。

参阅图6-7。CPU电路板上的CPU组合控制器可以采用TI公司的数字信号处理器芯片TMS320F28335作为主处理器，总线宽度32位，主频150M(本产品降额使用，最高主频仅设为100M)；电机控制电路采用摩托罗拉公司的MC33035无刷直流电机专用控制芯片，接收电机使能、调速、正反转信号及电机霍尔传感器信号(用于电子换相)，通过内部电路产生PWM信号以控制电机；功率管驱动电路采用IR公司的IR2130，PWM信号经IR2130放大后送往MOSFET功率管以控制功率管的通断，IR2130还可对同一桥臂上下2个MOSFET驱动信号产生2us互锁延迟时间，以确保其不会同时导通，其原理图设计如图6所示；三相全桥逆变电路采用三相两两导通方式，开关管采用IR公司的N沟道增强型MOSFET功率管IRF540N，开关管按PWM信号的控制进行导通与关断，从而将直流母线电压逆变为变化的三相电源以控制电机的启停、正反转、转速。

Claims (10)

1.一种同步控制多路电机的驱动器，包括：为驱动电路板提供模拟输入模式、R/C输入模式、简易串口模式和封包串口模式四种工作模式选择的CPU电路板；为CPU电路板、驱动电路板提供电压的电源转换电路板，其特征在于：电源转换电路板、CPU电路板和驱动电路板通道之间通过连接线相连组成闭环驱动电路，其中，驱动电路板上集成了三个相同且相互独立的驱动模块，三个驱动模块组成三路无刷直流电机的驱动电路；CPU电路板至少集成了模拟量采集模块、电机控制接口模块、电平转换模块、CPLD模块、DSP模块和RS422通信模块；驱动电路板根据输入的信号和细分参数的设置产生电机的控制信号，模拟量采集模块通过电机控制接口模块采集驱动电路板的电机位置、电流、转速信息，CPLD模块对各类输入/输出离散量进行逻辑变换处理，DSP模块与CPLD接口获取/发送逻辑信号、解析处理RS422通信模块中的RS422通信数据，输出控制信息到驱动电路板，对电机控制电路进行动作控制，控制电机按照预定参数运转，完成同时控制或单独控制多路直流电机的转向和转速。

2.如权利要求1所述的同步控制多路电机的驱动器，其特征在于：CPU电路板包括顺次串联的硬件看门狗模块、DSP模块、CPLD模块、电平转换模块、电机控制接口模块和模拟量采集模块，以及通过DSP模块连接的RS422通信模块。

3.如权利要求1所述的同步控制多路电机的驱动器，其特征在于：DSP模块将采集电机的各相电流作为自动限流、过流保护的依据，同时通过数字信号处理器DSP片内模数转换器ADC采集电源电压，检测电源转换电路板的电源电压；利用数字信号处理器DSP芯片内256K*16位Flash作为程序存储器，该存储器驻存有工作软件。

4.如权利要求1所述的同步控制多路电机的驱动器，其特征在于：CPU电路板通过电机控制接口电路与驱动电路板交互，实现对电机的控制和状态反馈，电机调速信号、电机转动方向控制信号均经光耦隔离输出，而且均采用集电极开路输出，当控制信号有效时，通过后级集电极输出将驱动板上对应的电阻端拉低，实现电机的调速和转向控制。

5.如权利要求1所述的同步控制多路电机的驱动器，其特征在于：模拟量采集模块检测电机电流并实现自动限流，以及对电源电压的监测，通过采用线性电流传感器ACS712的电检测电路进行电流检测，检测每个电机母线电流、三相中两相的电流，线性电流传感器ACS712经过由集成运算放大器组成的信号调理电路再送给中央处理器CPU进行处理。

6.如权利要求1所述的同步控制多路电机的驱动器，其特征在于：驱动电路板包括，至少三路相互独立，且共用一个信号接口的驱动电路，每路驱动电路顺次串联了电机控制电路、MOSFET功率管驱动电路和三相全桥逆变电路。

7.如权利要求6所述的同步控制多路电机的驱动器，其特征在于：至少一路驱动电路包括了电流检测电路，电流检测电路并联在电机控制电路与三相全桥逆变电路之间，由电机位置检测电路、电流检测电和逐周期限流电路组成，其余另两路包括了电流过保护电路，其并联在电机控制电路与三相全桥逆变电路之间，由电流检测电路、电流过保护电路和逐周期限流电路组成。

8.如权利要求7所述的同步控制多路电机的驱动器，其特征在于：所述过流保护电路由比较器和带清零端的D触发器构成，D触发器主要用于启动阶段关闭过流保护电路以防止启动电流过大导致触发过流保护。

9.如权利要求7所述的同步控制多路电机的驱动器，其特征在于：所述逐周期限流电路由精密电阻分压电路、滤波电路及电机控制电路内部集成的逐周期限流模块构成，当电机电流过流时，驱动板上硬件限流电路工作，电机保护，并将故障状态经电平转换电路送给CPU电路板，CPU通过该信号来做相应处理。

10.如权利要求9所述的同步控制多路电机的驱动器，其特征在于：运行时，电机控制电路通过信号接口接收来自CPU电路板的电机控制参数，并将参数解析为六步梯形波脉冲宽度调制信号PWM，实现对直流电机运转方向、速度进行控制，电机控制电路输出脉冲宽度调制信号PWM通过MOSFET功率管驱动电路将上桥臂PWM信号通过自举电路进行电压抬高处理，驱动三相全桥逆变电路，通过逻辑顺序对直流电机进行控制，同时通过电流检测电路、电机位置检测电路及逐周期限流电路和过电流保护电路，实时采集直流电机运转过程中的电流及位置信息，并通过信号接口反馈至CPU电路板，CPU根据采集的信息进一步调整参数信号，以保证电机控制电路输出的PWM信号，使直流电机正常稳定的按照预定参数运行。