CN108512467B - 直流无刷电机控制装置及控制方法 - Google Patents

直流无刷电机控制装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种直流无刷电机控制装置及控制方法，它的DSP数字处理器的电机驱动器控制指令输出端连接FPGA信号处理器，FPGA信号处理器的电机驱动器控制电压信号输出端通过数字模拟转换器连接差分放大器的信号输入端，差分放大器的信号输出端连接电机驱动器的控制电压输入端；圆光栅位置传感器的信号输出端连接FPGA信号处理器，DSP数字处理器的地址和数据总线通信端连接FPGA信号处理器；FPGA信号处理器的换向时序控制信号输出端连接电机驱动器的换向时序控制端，电机驱动器的电机驱动电压反馈信号输出端连接DSP数字处理器的电压反馈信号输入端。本发明实现对无刷电机实时、可靠、高精度的闭环控制。

Description

直流无刷电机控制装置及控制方法
技术领域
本发明涉及自动控制和电力拖动技术领域，具体地指一种直流无刷电机控制装置及控制方法。
背景技术
电力拖动是以电动机的转矩和转速为控制对象，按生产机械工艺要求进行电动机转速或位置控制的自动化系统。无刷直流电机控制系统具有良好的运行、控制及经济性能，而且无刷直流电机是利用电子换相替代机械换相和电刷，既具有直流电动机良好的调速性能，又具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等优点，在众多领域中得到了广泛的应用。一个直流无刷电机闭环控制系统通常包括处理器、驱动器、位置传感器和电机等几部分组成，在进行无刷电机驱动时首先要解决换向问题，目前常用的方法是采用三个霍尔传感器检测电机转子位置进行换向，在一些要求不高的场合能够满足要求，但在一些特殊领域如航空航天，采用霍尔换向可能会导致无刷电机运行效率降低，影响整个系统的控制精度，并且采用霍尔换向要面临接线数量多、传感器易损坏、不能适应高温和潮湿环境等问题，使整个系统的可靠性大大降低。此外，大部分无刷电机控制系统多采用单DSP(DigitalSignal Processing，数字信号处理)或单片机架构，存在对数据处理及控制算法执行实时性不高的缺点。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种直流无刷电机控制装置及控制方法，实现对无刷电机实时、可靠、高精度的闭环控制。
为实现此目的，本发明所设计的一种直流无刷电机控制装置及控制方法，其特征在于：它包括DSP数字处理器、FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)信号处理器、电机驱动器、数字模拟转换器、差分放大器和圆光栅位置传感器，其中，DSP数字处理器的电机驱动器控制指令输出端连接FPGA信号处理器的电机驱动器控制指令输入端，FPGA信号处理器的电机驱动器控制电压信号输出端连接数字模拟转换器的信号输入端，数字模拟转换器的信号输出端连接差分放大器的信号输入端，差分放大器的信号输出端连接电机驱动器的控制电压输入端；
圆光栅位置传感器的信号输出端连接FPGA信号处理器的位置传感器角度信息输入端，DSP数字处理器的地址和数据总线通信端连接FPGA信号处理器的位置传感器角度信息输出端；
FPGA信号处理器的换向时序控制信号输出端连接电机驱动器的换向时序控制端，电机驱动器的电机驱动电压反馈信号输出端连接DSP数字处理器的电压反馈信号输入端。
一种基于上述装置的直流无刷电机控制方法，它包括如下步骤：
步骤1：所述DSP数字处理器接收上位机给出的电机控制命令；
步骤2：FPGA信号处理器中的轨迹规划模块读取圆光栅位置传感器的当前的位置传感器角度信息反馈值，并根据上位机给出的电机控制命令，计算出无刷电机的运行位移路径轨迹，FPGA信号处理器中的位置PID模块以计算出的无刷电机运行位移轨迹得到的角度为当前无刷电机运行的目标角度值，读取圆光栅位置传感器的实时的位置传感器角度信息反馈值，计算得到输出量速度值；
步骤3：FPGA信号处理器中的速度PID模块以位置PID模块计算得出的速度值为输入量，以利用圆光栅角度值计算出直流无刷电机的运行速度为反馈量，计算出电机驱动器控制电压信号，同时FPGA信号处理器根据当前采集的圆光栅角度值，给出换向时序控制信号给电机驱动器，控制直流无刷电机运转，实现直流无刷电机闭环控制；
步骤4：直流无刷电机在运行过程中，DSP数字处理器采集电机驱动器的电机驱动电压反馈信号从而得到电机驱动电流信号，当电机驱动电流超过驱动器额定值时，DSP数字处理器向上位机返回电机过流状态信息。
本发明的有益效果：
本发明的控制装置采用模块化、通用化设计，各功能模块之间相互独立，集成度高；本发明的控制装置通过采集圆光栅传感器实时角度值产生相应的无刷电机换向信号，能够提高无刷电机换向的稳定性，增强系统的可靠性；本发明的控制装置将数字控制电路和电机驱动电路通过数字隔离器隔离，能够提高整个系统的抗干扰能力；本发明的控制装置实时检测电机的驱动电流大小，出现过流时及时向上位机反馈状态信息，提高了系统的安全性。本发明的控制系统采用DSP+FPGA的控制架构，将角度解算和无刷电机换向功能由FPGA实现，减少了DSP数字处理器的运算量，能够提高执行算法的实时性和控制精度。
附图说明
图1为本发明硬件逻辑框图；
图2为本发明的控制原理框图；
图3为本发明主程序逻辑框图；
图4为本发明定时中断控制逻辑框图。
其中，1—DSP数字处理器、2—FPGA信号处理器、3—电机驱动器、4—数字模拟转换器、5—差分放大器、6—圆光栅位置传感器、7—上位机、8—CAN隔离收发器、9—电平转换器、10—数字隔离器、11—仪表放大器、12—存储器。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
本发明所设计的一种直流无刷电机控制装置及控制方法，如图1所示，它包括DSP数字处理器1(TMS320F28335)、FPGA信号处理器2、电机驱动器3(MSK4460)、数字模拟转换器4(DAC8734SPFB)、差分放大器5和圆光栅位置传感器6，其中，DSP数字处理器1的电机驱动器控制指令输出端连接FPGA信号处理器2的电机驱动器控制指令输入端，FPGA信号处理器2的电机驱动器控制电压信号输出端(通过SPI总线，Serial Peripheral Interface，串行外设接口)连接数字模拟转换器4的信号输入端，数字模拟转换器4的信号输出端连接差分放大器5的信号输入端，差分放大器5的信号输出端连接电机驱动器3的控制电压输入端；
圆光栅位置传感器6的信号输出端连接FPGA信号处理器2的位置传感器角度信息输入端，DSP数字处理器1的地址和数据总线通信端连接FPGA信号处理器2的位置传感器角度信息输出端；圆光栅位置传感器6的圆光栅与无刷电机转轴同轴安装；
FPGA信号处理器2的换向时序控制信号输出端连接电机驱动器3的换向时序控制端，电机驱动器3的电机驱动电压反馈信号输出端连接DSP数字处理器1的电压反馈信号输入端。
上述技术方案中，它还包括上位机7，所述DSP数字处理器1的上位机通信端通过CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)隔离收发器8连接上位机7的通信端。
上述技术方案中，它还包括电平转换器9，所述圆光栅位置传感器6的信号输出端连接电平转换器9的输入端，电平转换器9的输出端通过数字隔离器10连接FPGA信号处理器2的位置传感器角度信息输入端。
上述技术方案中，它还包括仪表放大器11，所述电机驱动器3的电压反馈信号输出端连接仪表放大器11的输入端，仪表放大器11的输出端通过数字隔离器10连接DSP数字处理器1的电压反馈信号输入端。
上述技术方案中，所述FPGA信号处理器2的电机驱动器控制电压信号输出端通过数字隔离器10连接数字模拟转换器4的信号输入端，FPGA信号处理器2的换向时序控制信号输出端通过数字隔离器10连接电机驱动器3的换向时序控制端。
上述技术方案中，所述DSP数字处理器1的数据存储端连接SRAM存储器12的数据存储端；用于程序运行过程中，临时变量的存储。
所述电机驱动器3的电机驱动电压反馈信号输出端输出的电机驱动电压反馈信号与电机驱动器的电机驱动电流成正比(电压信号和电机电流成4倍关系)。
上述技术方案中，DSP数字处理器1通过从电机驱动器3获取的电压反馈信号得到直流无刷电机的工作电流超过电机驱动器3的额定值时，DSP数字处理器1向上位机7返回电机过流状态信息，上位机收到过流状态信息后，进行报警提示，且不再发送控制指令给DSP数字处理器1。
所述FPGA信号处理器2用于对FPGA信号处理器2输出的位置传感器角度信息进行解析，DSP数字处理器1用于采集置传感器角度解析信号，并根据上位机7给出的电机控制命令，计算出无刷电机的运行位移路径轨迹,从而产生电机驱动器3所需的换向时序信号(HALL A、HALL B和HALL C)。
上述技术方案中，差分放大器5用于将单端的模拟指令电压转换为差分电压给电机驱动器；电平转换器9用于将圆光栅输出的5v差分CMOS电平，转换为3.3V TTL电平；仪表放大器11用于将电机驱动器MONITOR输出的电流信号转换为电压信号并进行放大，以便于DSP的AD模块采集；数字隔离器10用于将电机端和DSP控制端隔离。主要是因为电机在运行过程中会有干扰产生，隔离器的作用是防止这些干扰对DSP控制造成影响。
一种基于上述装置的直流无刷电机控制方法，它包括如下步骤：
步骤1：所述DSP数字处理器1的主程序模块通过CAN总线中断接收上位机7给出的电机控制命令；
步骤2：FPGA信号处理器2中的轨迹规划模块读取圆光栅位置传感器6的当前的位置传感器角度信息反馈值，并根据上位机给出的电机控制命令，计算出无刷电机的运行位移路径轨迹，FPGA信号处理器2中的位置PID模块(比例(proportion)、积分(inegration)、微分(differentiation))以计算出的无刷电机运行位移轨迹得到的角度为当前无刷电机运行的目标角度值，读取圆光栅位置传感器6的实时的位置传感器角度信息反馈值，计算得到输出量速度值；
步骤3：FPGA信号处理器2中的速度PID模块以位置PID模块计算得出的速度值为输入量，以利用圆光栅角度值计算出直流无刷电机的运行速度为反馈量，计算出电机驱动器控制电压信号，同时FPGA信号处理器2根据当前采集的圆光栅角度值，给出换向时序控制信号给电机驱动器3，控制直流无刷电机运转，实现直流无刷电机闭环控制；
步骤4：直流无刷电机在运行过程中，DSP数字处理器1采集电机驱动器3的电机驱动电压反馈信号从而得到电机驱动电流信号，当电机驱动电流超过驱动器额定值时，DSP数字处理器1向上位机返回电机过流状态信息，上位机收到过流状态信息后，进行报警提示，且不再发送控制指令给DSP。
上述技术方案中，图2为本发明的控制原理框图：工作时，DSP处理器通过CAN隔离收发器接收上位机发送的自检、定位、恒速运转、停止运行等控制命令。轨迹规划模块根据控制命令中的目标角度信息θi和速度信息Vm，采集当前位置角度值θ0，计算出电机运行位移路径轨迹。步骤2中，计算出直流无刷电机的运行位移路径轨迹的具体方法为轨迹规划模块采用三角函数规划路径曲线，曲线分为加速、匀速和减速三阶段，计算时根据公式1计算直流无刷电机加速段和减速段位移之和SAD，并和直流无刷电机运行的总位移S比较，当S>SAD时，电机有加速、匀速和减速三阶段运动，当S≤SAD时，电机仅有加速和减速两阶段运动；
式中，Am为直流无刷电机运行最大加速度，Vm为直流无刷电机达到的最大速度，Vs为加速时的起始速度；
直流无刷电机运行的总位移S通过上位机电机控制命令中含有的运行目标速度和目标位置信息计算得到；
加速段位移计算公式为：
式中，t为函数中时间变量，Tm为加速度的时间；
匀速段的位移计算公式为：
S(t)2＝Vmt (3)
减速段位移计算公式为：
式中Ve为减速段的终止速度，Tm1为减速段的时间，且：
上述技术方案的步骤3中的换向时序在控制直流无刷电机运行前通过测试完成，具体方法包括以下步骤：
步骤100：直流无刷电机脱开所有负载，圆光栅位置传感器6的圆光栅与无刷电机转轴同轴安装；
步骤200：将直流无刷电机每两相之间进行通电，为避免摩擦力矩或不平衡力矩影响，通电电压按直流无刷电机供电电压90％供给。
步骤300：直流无刷电机通电顺序依次为AB相、AC相、BC相CA相、CB相、AB相,该顺序为直流无刷电机正向旋转，直流无刷电机每两相绕组通电时，会使电机转子发生旋转然后静止，根据电机静止位置，向前推30°电角度做换向点，依次记录换向点位置P0～P6；
步骤400：直流无刷电机反向旋转时，按相反的通电顺序给直流无刷电机的两相绕组通电，换向点的位置测试方法同步骤3，依次记录换向点位置N0～N6；
步骤500：根据步骤3和步骤4编写换向表，并编写相应程序下载到FPGA信号处理器2中。
表中H代表高电平(正电压)，L代表低电平(0)
图3、图4为本发明的软件流程框图：控制算法依附于DSP处理器存在，软件主流程如图3所示，当DSP处理器通过CAN隔离收发器接收上位机发送的自检、定位、恒速运转、停止运行等控制命令时，先进行命令解析，解析出目标角度值、速度值及运行方向，并根据公式(1)-(5)计算轨迹规划所需要的加速段位置和时间、减速段位置和时间及运行总时间初始参数，然后使能驱动电机标志，并在后续的程序执行过程中，不断检测命令的执行情况，并将电机的命令执行状态相应的置为完成、超时或过流。当收到上位机发送的状态查询指令时，发送电机运行状态信息给上位机。在程序运行过程中，会每2ms执行一次定时中断服务程序，如图4所示，每次定时中断，都会采集一次当前电机的角度值、速度值和电流值，当驱动电机标志置位时，根据主程序中计算的轨迹规划参数计算出电机运行轨迹值，该轨迹值作为目标角度值经位置PID模块和速度PID模块计算后，得到电机驱动数字控制电压值，DSP通过SPI总线将该电压值发送给DAC数模转换电路后，变为模拟控制电压值给电机驱动器，驱动电机运转。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种直流无刷电机控制装置的直流无刷电机控制方法，所述直流无刷电机控制装置包括DSP数字处理器(1)、FPGA信号处理器(2)、电机驱动器(3)、数字模拟转换器(4)、差分放大器(5)和圆光栅位置传感器(6)，其中，DSP数字处理器(1)的电机驱动器控制指令输出端连接FPGA信号处理器(2)的电机驱动器控制指令输入端，FPGA信号处理器(2)的电机驱动器控制电压信号输出端连接数字模拟转换器(4)的信号输入端，数字模拟转换器(4)的信号输出端连接差分放大器(5)的信号输入端，差分放大器(5)的信号输出端连接电机驱动器(3)的控制电压输入端；
圆光栅位置传感器(6)的信号输出端连接FPGA信号处理器(2)的位置传感器角度信息输入端，DSP数字处理器(1)的地址和数据总线通信端连接FPGA信号处理器(2)的位置传感器角度信息输出端；
FPGA信号处理器(2)的换向时序控制信号输出端连接电机驱动器(3)的换向时序控制端，电机驱动器(3)的电机驱动电压反馈信号输出端连接DSP数字处理器(1)的电压反馈信号输入端；
其特征在于，直流无刷电机控制方法包括如下步骤：
步骤1：所述DSP数字处理器(1)接收上位机(7)给出的电机控制命令；
步骤2：FPGA信号处理器(2)中的轨迹规划模块读取圆光栅位置传感器(6)的当前的位置传感器角度信息反馈值，并根据上位机给出的电机控制命令，计算出无刷电机的运行位移路径轨迹，FPGA信号处理器(2)中的位置PID模块以计算出的无刷电机运行位移轨迹得到的角度为当前无刷电机运行的目标角度值，读取圆光栅位置传感器(6)的实时的位置传感器角度信息反馈值，计算得到输出量速度值；
步骤3：FPGA信号处理器(2)中的速度PID模块以位置PID 模块计算得出的速度值为输入量，以利用圆光栅角度值计算出直流无刷电机的运行速度为反馈量，计算出电机驱动器控制电压信号，同时FPGA信号处理器(2)根据当前采集的圆光栅角度值，给出换向时序控制信号给电机驱动器(3)，控制直流无刷电机运转，实现直流无刷电机闭环控制；
步骤4：直流无刷电机在运行过程中，DSP数字处理器(1)采集电机驱动器(3)的电机驱动电压反馈信号从而得到电机驱动电流信号，当电机驱动电流超过驱动器额定值时，DSP数字处理器(1)向上位机返回电机过流状态信息。
2.根据权利要求1所述的直流无刷电机控制方法，其特征在于：它还包括上位机(7)，所述DSP数字处理器(1)的上位机通信端通过CAN隔离收发器(8)连接上位机(7)的通信端。
3.根据权利要求1所述的直流无刷电机控制方法，其特征在于：它还包括电平转换器(9)，所述圆光栅位置传感器(6)的信号输出端连接电平转换器(9)的输入端，电平转换器(9)的输出端通过数字隔离器(10)连接FPGA信号处理器(2)的位置传感器角度信息输入端。
4.根据权利要求1所述的直流无刷电机控制方法，其特征在于：它还包括仪表放大器(11)，所述电机驱动器(3)的电压反馈信号输出端连接仪表放大器(11)的输入端，仪表放大器(11)的输出端通过数字隔离器(10)连接DSP数字处理器(1)的电压反馈信号输入端。
5.根据权利要求1所述的直流无刷电机控制方法，其特征在于：所述FPGA信号处理器(2)的电机驱动器控制电压信号输出端通过数字隔离器(10)连接数字模拟转换器(4)的信号输入端，FPGA信号处理器(2)的换向时序控制信号输出端通过数字隔离器(10)连接电机驱动器(3)的换向时序控制端。
6.根据权利要求2所述的直流无刷电机控制方法，其特征在于：所述DSP数字处理器(1)的数据存储端连接存储器(12)的数据存储端；
所述电机驱动器(3)的电机驱动电压反馈信号输出端输出的电机驱动电压反馈信号与电机驱动器的电机驱动电流成正比。
7.根据权利要求6所述的直流无刷电机控制方法，其特征在于：DSP数字处理器(1)通过从电机驱动器(3)获取的电压反馈信号得到直流无刷电机的工作电流超过电机驱动器(3)的额定值时，DSP数字处理器(1)向上位机(7)返回电机过流状态信息；
所述FPGA信号处理器(2)用于对FPGA信号处理器(2)输出的位置传感器角度信息进行解析，DSP数字处理器(1)用于采集置传感器角度解析信号，并根据上位机(7)给出的电机控制命令，计算出无刷电机的运行位移路径轨迹,从而产生电机驱动器(3)所需的换向时序信号。
8.根据权利要求1所述的直流无刷电机控制方法，其特征在于：所述步骤2中，计算出直流无刷电机的运行位移路径轨迹的具体方法为轨迹规划模块采用三角函数规划路径曲线，曲线分为加速、匀速和减速三阶段，计算时根据公式1计算直流无刷电机加速段和减速段位移之和SAD，并和直流无刷电机运行的总位移S比较，当S＞SAD时，电机有加速、匀速和减速三阶段运动，当S≤SAD时，电机仅有加速和减速两阶段运动；
式中，Am为直流无刷电机运行最大加速度，Vm为直流无刷电机达到的最大速度，Vs为加速时的起始速度；
直流无刷电机运行的总位移S通过上位机电机控制命令中含有的运行目标速度和目标位置信息计算得到；
加速段位移计算公式为：
式中，t为函数中时间变量，Tm为加速度的时间；
匀速段的位移计算公式为：
S(t)2＝Vmt (3)
减速段位移计算公式为：
式中Ve为减速段的终止速度，Tm1为减速段的时间，且： （5）。
9.根据权利要求8所述的直流无刷电机控制方法，其特征在于：所述步骤3中的换向时序在控制直流无刷电机运行前通过测试完成，具体方法包括以下步骤：
步骤100：直流无刷电机脱开所有负载，圆光栅位置传感器(6)的圆光栅与无刷电机转轴同轴安装；
步骤200：将直流无刷电机每两相之间进行通电，通电电压按直流无刷电机供电电压90％供给；
步骤300：直流无刷电机通电顺序依次为AB相、AC相、BC相CA相、CB相、AB相,该顺序为直流无刷电机正向旋转，直流无刷电机每两相绕组通电时，会使电机转子发生旋转然后静止，根据电机静止位置，向前推30°电角度做换向点，依次记录换向点位置P0～P6；
步骤400：直流无刷电机反向旋转时，按相反的通电顺序给直流无刷电机的两相绕组通电，换向点的位置测试方法同步骤3，依次记录换向点位置N0～N6；
步骤500：根据步骤3和步骤4编写换向表，并编写相应程序下载到FPGA信号处理器(2)中。
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