CN108494297A - 总线型直流无刷驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种总线型直流无刷驱动装置。包括总线接口模块、运动控制器、H桥模块、电流采集模块、直流无刷电机和光电编码器；总线接口模块的一端通过网线接口与外部设备连接；总线接口模块的另一端与运动控制器相连；运动控制器、直流无刷电机与H桥模块相连；光电编码器与直流无刷电机同轴相连；光电编码器还与运动控制器相连；电流采集模块串接于H桥模块与直流无刷电机之间，电流采集模块的电信号输出端与所述运动控制器相连；运动控制器采用改进的电流矢量控制算法实现直流无刷电机的速度控制和位置控制。本发明能实现对直流无刷电机速度和位置的良好控制，可以广泛应用于机器人关节等需要精密控制的场合，且硬件成本低。

Description

总线型直流无刷驱动装置
技术领域
本发明涉及电机控制领域，尤其涉及一种总线型直流无刷驱动装置。
背景技术
直流无刷电机与直流有刷电机相比，由于无电刷、滑环等易损配件，可靠性大幅提高、寿命大大加长。同时，直流无刷电机可以在直流供电条件下工作，并且功率范围可以涵盖数瓦至数十瓦的区域，可以有效弥补交流伺服电机的不足，广泛应用于电池供电、户外、以及微型、小型精密机电设备和工业机器人关节中。但是目前直流无刷电机普遍采用霍尔传感器作为反馈元件，大多只能用作速度控制，而且角度分辨率低。如专利号申请号“201610968645.3”，题为“一种永磁直流无刷电机驱动器控制方法”、专利申请号“201620499748.5”，题为“一种直流无刷控制电路”的两个专利，采用霍尔位置传感器获取电机转子的位置，旋转精度较低，无法保证直流无刷电机在速度和位置控制上的准确性。在控制方式上，多采用方波驱动电机，如专利申请号“201610950415.4”，题为“一种方波驱动永磁型直流无刷电机模拟系统”、专利申请号“201710408627.4”，题为“一种大功率直流无刷电机控制器”的两个专利，这种控制方式简单，但是方波驱动的直流无刷电机在工作过程存在较大的转矩脉动和换相噪声。少部分采用正弦波驱动，通过基于PI控制器的电流矢量控制算法，大大减低了直流无刷电机在工作过程存在转矩脉动和换相噪声，如专利申请号“201610968645.3”，题为“一种永磁直流无刷电机驱动器控制方法”、专利申请号“201310349699.8”，题为“直流无刷电机控制方法”，该方法通过电流环的PI控制器对d-q坐标系下的两相电压进行解耦，进而完成控制信号的输出。但是由于解耦项的部分参数会随温度的变化而改变，使得电机运行时性能会有所下降。并且在整个过程中需要3次坐标变换，加大了计算的复杂度。
发明内容
本发明的目的在于克服上述无刷电机控制中的缺陷而提供的一种总线型直流无刷电机驱动装置，该装置中运动控制器采用改进的电流矢量控制算法，控制过程中只需两次坐标变换，并且无需对两相电压进行解耦，控制简单，易于实现，同时基于该算法实现了直流无刷电机的速度控制和位置控制。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种总线型直流无刷驱动装置，包括总线接口模块、运动控制器、H桥模块、电流采集模块、直流无刷电机和光电编码器；所述总线接口模块的一端通过网线接口与外部设备连接；所述总线接口模块的另一端与所述运动控制器相连；所述运动控制器的输出与H桥模块相连；所述H桥模块与直流无刷电机相连；所述光电编码器与直流无刷电机同轴相连；所述光电编码器的电信号输出端与所述运动控制器相连；所述电流采集模块串接于H桥模块与直流无刷电机之间，所述电流采集模块的电信号输出端与所述运动控制器相连；所述运动控制器采用改进的电流矢量控制算法实现直流无刷电机的速度控制，其步骤如下：
步骤S1：所述运动控制器通过光电编码器反馈的直流无刷电机转动信号，同步更新转子的电角度θe和实际转速ωe；
步骤S2：在三相自然坐标系ABC下，所述电流采集模块将三相电流ia,ib,ic电信号传给所述运动控制器；
步骤S3：通过Clarke变换，将步骤S2所述的三相电流转换成两相静止坐标系α-β下的电流iα,iβ：
步骤S4：在两相旋转坐标系d-q下，将设定的参考转速ωref与步骤S1所得的实际转速ωe进行比较，将差值输入速度环PI控制器得到参考电流同时令
步骤S5：利用步骤S1所得的电角度θe，通过反Park变换，将步骤S4得到的参考电流 转换到两相静止坐标系α-β下的参考电流
步骤S6：在两相静止坐标系α-β下，将步骤S3所得的电流iα,iβ和步骤S5所得的电流进行比较，将差值输入电流环准PR控制器，得到参考电压
步骤S7：将步骤S6所得的参考电压作为空间电压矢量调制输入信号，得到H桥开关信号；
步骤S8：将步骤S7所得的H桥开关信号作为H桥模块的输入，从而驱动直流无刷电机；
步骤S9：返回步骤S1，重复循环，不断调整控制，最终使电机达到转速控制要求。
在本发明一实施例中，所述运动控制器还采用改进的电流矢量控制算法实现直流无刷电机位置控制，具体步骤如下：
步骤S01：直流无刷电机初始运行前，所述运动控制器读取所述光电编码器初始反馈脉冲数p1；
步骤S02：上位机通过所述总线接口模块将目标位置发送至所述运动控制器；
步骤S03：所述运动控制器将步骤S02得到的目标位置转换为所述光电编码器对应的脉冲数p2，并加上步骤S01得到的光电编码器初始反馈脉冲的p1，得脉冲总数p1+p2；
步骤S04：将步骤S03得到的脉冲总数p1+p2与光电编码器反馈脉冲的累加值p3进行比较，将差值作为位置偏差量，并输入位置环P控制器，得到参考转速ωref；
步骤S05：将步骤S04得到的参考转速ωref，作为直流无刷电机的速度控制的输入，对直流无刷电机进行速度控制；
步骤S06：所述运动控制器在直流无刷电机运行时，不断累加光电编码器反馈的脉冲，将累加的脉冲数p3作为实际位置；
步骤S07：返回步骤S04，重复循环，当步骤S04所述位置偏差量为0时，位置环P控制器输出参考转速ωref为0，完成一次位置控制。
在本发明一实施例中，所述总线接口模块包括总线输入接口、总线控制器和总线模块输出接口。
在本发明一实施例中，所述H桥模块包括桥控制器和3对MOSFET，所述3对MOSFET分别与直流无刷电机的3个绕组对应连接。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、在直流无刷电机控制系统中，通过光电编码器采集无刷电机转子的速度和位置信息，提高了电机控制中速度精度和位置精度；
2、通过改进的电流矢量控制算法，在电流环控制中，采用准PR控制器，代替了传统电流矢量控制中的PI控制器，无需对两相电压进行解耦，提高控制性能；
3、整个算法控制过程中只需进行两次坐标变换，结构简单，易于实现，并且有较好的控制精度和动态响应性能。
附图说明
图1是本发明的系统结构图。
图2是本发明中速度控制实现流程图。
图3是本发明中速度控制实现框图。
图4是本发明中位置控制实现流程图。
图5是本发明中位置控制实现框图。
图6是本发明中总线接口模块。
图7是本发明中H桥模块。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
以下为本发明的具体实现过程。
如图1所示，在本实施例中，电机控制(速度/位置)信号通过总线接口模块中的输入接口从上位机传输至总线控制器，控制信号经总线控制器解析后，传输至运动控制器。运动控制器根据电流采集模块反馈的电流信号和光电编码器反馈的直流无刷电机转动信号，通过改进的电流矢量控制算法，将解析后的控制指令输出为对应的电控制信号。电控制信号传输至H桥模块，H桥模块根据电控制信号驱动直流无刷电机。在控制过程中，运动控制器可将反馈的直流无刷电机的电流信号和转动信号通过总线接口模块传输回上位机。
如图6所示，在本实例中，运动控制器采用STM32F103VET6芯片，总线控制器采用EtherCAT总线控制器LAN9252芯片，总线接口采用RJ45网络接口。上位机通过网线与RJ45网络输入接口连接，从而与总线控制器进行数据交互，RJ45网络输出接口可通过网线与下一台总线控制设备相连。运动控制器与总线控制器采用16位总线接口方式进行数据交互，其中A[4:1]为地址线，D[15:0]为数据线，WR，RD，CS，SYNC0，SYNC1和IRQ为控制信号线。
如图7所示，在本实例中，运动控制器采用STM32F103VET6芯片，H桥控制器采用IR2136芯片。运动控制器通过改进的电流矢量控制算法，对总线控制器传输过来的控制指令进行计算，然后通过高级定时器TIM1输出对应6路互补带死区的PWM电控制信号。6路PWM电控制信号对应输入桥控制器IR2136相应引脚，其中上桥臂PWM1、PWM3、PWM5信号分别对应输入HIN1、HIN2、HIN3高压侧逻辑信号输入引脚，下桥臂PWM2、PWM4、PWM6信号分别对应输入LIN1、LIN2、LIN3低压侧逻辑信号输入引脚。桥控制器IR2136将输入的PWM电控制信号进行功率放大，将功率放大后的上桥臂PWM1、PWM3、PWM5信号分别通过HO1、HO2、HO3高压侧驱动信号引脚输出，将功率放大后的下桥臂PWM2、PWM4、PWM6信号分别通过LO1、LO2、LO3低压侧驱动信号引脚输出，从而驱动6个MOSFET管根据运动控制器计算得到的PWM电控制信号进行开关，进一步驱动直流无刷电机。
如图2和图3所示，在本实施例中，所述运动控制器采用改进的电流矢量控制算法实现直流无刷电机的速度控制，其步骤如下：
步骤S1：所述运动控制器通过光电编码器反馈的直流无刷电机转动信号，同步更新转子的电角度θe和实际转速ωe；
步骤S2：在三相自然坐标系ABC下，所述电流采集模块将三相电流ia,ib,ic电信号传给所述运动控制器；
步骤S3：通过Clarke变换，将步骤S2所述的三相电流转换成两相静止坐标系α-β下的电流iα,iβ：
步骤S4：在两相旋转坐标系d-q下，将设定的参考转速ωref与步骤S1所得的实际转速ωe进行比较，将差值输入速度环PI控制器得到参考电流同时令
步骤S5：利用步骤S1所得的电角度θe，通过反Park变换，将步骤S4得到的参考电流 转换到两相静止坐标系α-β下的参考电流
步骤S6：在两相静止坐标系α-β下，将步骤S3所得的电流iα,iβ和步骤S5所得的电流进行比较，将差值输入电流环准PR控制器，得到参考电压
步骤S7：将步骤S6所得的参考电压作为空间电压矢量调制输入信号，得到H桥开关信号；
步骤S8：将步骤S7所得的H桥开关信号作为H桥模块的输入，从而驱动直流无刷电机；
步骤S9：返回步骤S1，重复循环，不断调整控制，最终使电机达到转速控制要求。
如图4和图5所示，在本实施例中，所述运动控制器采用改进的电流矢量控制算法实现直流无刷电机的位置控制，其步骤如下：
步骤S1：电机初始运行前，所述运动控制器读取所述光电编码器初始反馈脉冲数p1；
步骤S2：上位机通过所述总线接口模块将目标位置发送至所述运动控制器；
步骤S3：所述运动控制器将步骤S2所述的目标位置转换为所述光电编码器对应的脉冲数p2，并加上步骤S1所述光电编码器初始反馈脉冲的p1，得脉冲总数p1+p2；
步骤S4：将步骤S3所述的脉冲总数p1+p2与光电编码器反馈脉冲的累加值p3进行比较，将差值作为位置偏差量，并输入位置环P控制器，得到参考转速ωref；
步骤S5：根据权利要求1所述的速度控制步骤，将步骤S4所述参考转速ωref作为速度控制的输入，对电机进行速度控制；
步骤S6：所述控制器在电机运行时，不断累加光电编码器反馈的脉冲，将累加的脉冲数p3作为实际位置；
步骤S7：返回步骤S4，重复循环，当步骤S4所述位置偏差量为0时，位置环P控制器输出参考转速ωref为0，完成一次位置控制。
如图3和图5所示，在本实例中，电流环通过准PR控制器代替了传统的PI控制器，实现了一种改进电流矢量控制算法对直流无刷电机的控制，控制过程中，无需对两相电压进行解耦，提高控制性能。同时，无论是速度控制还是位置控制，整个控制过程中只需进行两次坐标变换，结构简单，易于实现，并且有较好的控制精度和动态响应性能。数字运动控制器在实现该算法时，为避免混叠效应，本实例采用双线性变换进行离散化处理。具体步骤如下：
步骤S1：准PR控制器控制函数：
步骤S2：双线性变换公式：
步骤S3：将步骤S2所述的双线性变换公式代入步骤S1所述的准PR控制函
数，得：
其中：T为采样周期，
步骤S4：整理后得差分方程：
y(k)＝y1(k)+y2(k)
其中：
y1(k)＝b0x(k)-b0x(k-2)-a1y1(k-1)-a2y1(k-2)
y2(k)＝Kpx(k)
步骤S4的差分方程，实现了对误差信号的稳态控制，相比于传统的PI控制器解耦反馈控制，准PR控制器控制简单，易于实现。
综上所述，本发明提供了提供的一种总线型直流无刷电机驱动装置，该装置中运动控制器采用改进的电流矢量控制算法，在实现速度控制或者位置控制过程中只需两次坐标变换，结构简单，易于实现，并且有较好的控制精度和动态响应性能。同时，控制过程中无需对两相电压进行解耦，提高控制性能。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种总线型直流无刷驱动装置，其特征在于，包括总线接口模块、运动控制器、H桥模块、电流采集模块、直流无刷电机和光电编码器；所述总线接口模块的一端通过网线接口与外部设备连接；所述总线接口模块的另一端与所述运动控制器相连；所述运动控制器的输出与H桥模块相连；所述H桥模块与直流无刷电机相连；所述光电编码器与直流无刷电机同轴相连；所述光电编码器的电信号输出端与所述运动控制器相连；所述电流采集模块串接于H桥模块与直流无刷电机之间，所述电流采集模块的电信号输出端与所述运动控制器相连；所述运动控制器采用改进的电流矢量控制算法实现直流无刷电机的速度控制，其步骤如下：
步骤S1：所述运动控制器通过光电编码器反馈的直流无刷电机转动信号，同步更新转子的电角度θe和实际转速ωe；
步骤S2：在三相自然坐标系ABC下，所述电流采集模块将三相电流ia,ib,ic电信号传给所述运动控制器；
步骤S3：通过Clarke变换，将步骤S2所述的三相电流转换成两相静止坐标系α-β下的电流iα,iβ：
步骤S4：在两相旋转坐标系d-q下，将设定的参考转速ωref与步骤S1所得的实际转速ωe进行比较，将差值输入速度环PI控制器得到参考电流同时令
步骤S5：利用步骤S1所得的电角度θe，通过反Park变换，将步骤S4得到的参考电流 转换到两相静止坐标系α-β下的参考电流
步骤S6：在两相静止坐标系α-β下，将步骤S3所得的电流iα,iβ和步骤S5所得的电流进行比较，将差值输入电流环准PR控制器，得到参考电压
步骤S7：将步骤S6所得的参考电压作为空间电压矢量调制输入信号，得到H桥开关信号；
步骤S8：将步骤S7所得的H桥开关信号作为H桥模块的输入，从而驱动直流无刷电机；
步骤S9：返回步骤S1，重复循环，不断调整控制，最终使电机达到转速控制要求。
2.根据权利要求1所述的总线型直流无刷驱动装置，其特征在于，所述运动控制器还采用改进的电流矢量控制算法实现直流无刷电机位置控制，具体步骤如下：
步骤S01：直流无刷电机初始运行前，所述运动控制器读取所述光电编码器初始反馈脉冲数p1；
步骤S02：上位机通过所述总线接口模块将目标位置发送至所述运动控制器；
步骤S03：所述运动控制器将步骤S02得到的目标位置转换为所述光电编码器对应的脉冲数p2，并加上步骤S01得到的光电编码器初始反馈脉冲的p1，得脉冲总数p1+p2；
步骤S04：将步骤S03得到的脉冲总数p1+p2与光电编码器反馈脉冲的累加值p3进行比较，将差值作为位置偏差量，并输入位置环P控制器，得到参考转速ωref；
步骤S05：将步骤S04得到的参考转速ωref，作为直流无刷电机的速度控制的输入，对直流无刷电机进行速度控制；
步骤S06：所述运动控制器在直流无刷电机运行时，不断累加光电编码器反馈的脉冲，将累加的脉冲数p3作为实际位置；
步骤S07：返回步骤S04，重复循环，当步骤S04所述位置偏差量为0时，位置环P控制器输出参考转速ωref为0，完成一次位置控制。
3.根据权利要求1所述的总线型直流无刷驱动装置，其特征在于，所述总线接口模块包括总线输入接口、总线控制器和总线模块输出接口。
4.根据权利要求1所述的总线型直流无刷驱动装置，其特征在于，所述H桥模块包括桥控制器和3对MOSFET，所述3对MOSFET分别与直流无刷电机的3个绕组对应连接。
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