CN110635723B

CN110635723B - 一种基于磁编码器的永磁同步电机伺服系统

Info

Publication number: CN110635723B
Application number: CN201910965257.3A
Authority: CN
Inventors: 王令; 葛志雄; 徐燕; 毕林林; 沈祥立; 马瑞; 刘侃; 宋国鹏; 席京尧
Original assignee: CHINA AEROSPACE TIMES ELECTRONICS CO LTD; Beijing Aerospace Feiteng Equipment Technology Co ltd
Current assignee: CHINA AEROSPACE TIMES ELECTRONICS CO LTD; Beijing Aerospace Feiteng Equipment Technology Co ltd
Priority date: 2019-10-11
Filing date: 2019-10-11
Publication date: 2021-06-22
Anticipated expiration: 2039-10-11
Also published as: CN110635723A

Abstract

一种基于磁编码器的永磁同步电机伺服系统，包括电源模块、MCU主控模块、三相驱动桥及过压保护模块、相电流采集及过流保护模块、磁编码器位置反馈模块、温湿度检测模块；串口RS232、RS422通讯电路和CAN通讯模块；MCU主控模块集成有三相互补PWM输出单元、多路定时器单元和多路ADC单元，以实现永磁同步电机的SVPWM矢量控制和DTC直接转矩控制；三相驱动桥及过压保护模块利用自举电容实现单偏置电源供电；本发明具有结构紧凑、低速运行、扭矩大、过载能力强、力矩波动小、响应快、精度高、调节线性度好、输出效率高、运行可靠、维护方便、以及成本低廉等特点，利于小型化、集成化和分布式设计。

Description

一种基于磁编码器的永磁同步电机伺服系统

技术领域

本发明属于永磁同步电机的伺服系统领域，主要应用于微小型电动舵机和框架力矩电机等微小型伺服驱动机构上。

背景技术

随着当前永磁同步电机使用越来越普遍，具有低转速、大扭矩、强过载能力、快速响应、高精度、线性度良好的机械特性及调节特性的、力矩波动小等特点，同时结构紧凑、运行可靠、维护方便、无需减速装置，非常适合应用于微小型执行机构；而绝对位置传感器磁编码器具有精度高、体积小、结构简单、使用方便的特点；同时控制方式也从方波控制发展到SPWM正弦控制、SVPWM矢量控制、DTC直接转矩控制、以及其它现代控制方式。所以基于磁编码器的永磁同步电机伺服控制系统是现代伺服驱动控制技术发展的一个重要方向，非常适合在需要快速稳定和高跟踪精度的导引头框架控制系统与需要快速响应和变负载的舵机伺服系统中应用。

当前永磁同步电机伺服系统一般体积较大，或者驱动能力不足；永磁同步电机伺服系统位置反馈多采用的旋转变压器或光电编码器，不仅体积较大，而且成本较高，同时会增加MCU的运算负担，本范明采用体积小、精度高、价格低的磁编码器，其位置信息通过数字接口或脉冲宽度输出，降低了MCU的运算负担；通常永磁同步电机伺服系统仅采用SVPWM空间矢量控制或DTC直接转矩控制中的一种，而本发明可以任意配置控制方式，适应不同的控制对象，或同一控制对象的不同控制阶段进行不同的控制方式。

发明内容

本发明提供一种基于磁编码器的永磁同步电机的微小型化伺服系统，不仅满足高性能伺服控制系统对低转速，大扭矩的要求，同时满足小型化和轻量化的要求。

本发明采用的技术方案：一种基于磁编码器的永磁同步电机伺服系统，其特征在于：包括电源模块、MCU主控模块、三相驱动桥及过压保护模块、相电流采集及过流保护模块、磁编码器位置反馈模块、温湿度检测模块；串口RS232、RS422通讯电路和CAN通讯模块；

MCU主控模块从串口RS232通讯电路或RS422通讯电路或CAN通讯模块接收上级系统的控制指令，并实时向上级系统发送本系统的运行状态信息；MCU主控模块利用PID控制算法进行电流、速度和位置闭环调节，并通过SVPWM空间矢量控制算法或DTC直接转矩控制算法向三相驱动桥及过压保护模块输出三相PWM控制信号，驱动永磁同步电机的运行；

MCU主控模块通过相电流采集及过流保护模块实时采集相电流；MCU主控模块通过集成的定时器捕获功能或SPI接口实时读取磁编码器位置反馈模块的位置信息；

MCU主控模块利用相电流采集及过流保护模块输出的高电平信号标识三相驱动桥及过压保护模块中三相桥驱动过流；

MCU主控模块实时采集过压保护模块的母线电压信息；

MCU主控模块实时监测温湿度检测模块的温度和湿度信息。

所控三相驱动桥及过压保护模块采用全N-MOS的驱动模式，并利用自举电容实现单偏置电源供电。

所述MCU主控模块采用集成有串口、CAN接口、SPI接口、三相互补PWM输出单元和多ADC采集单元的单片机。

通过磁编码器位置反馈模块获取位置和速度反馈信息；在系统运行前，进行磁通相位和永磁同步电机转矩对齐，确定零点。

根据电流和位置反馈利用PID控制算法进行位置环、速度环和电流环的闭环调节，通过电压矢量进行SVPWM空间矢量控制，或根据磁链和转矩进行DTC直接转矩控制。

所述MCU主控模块包括主控MCU U3、晶振Y1、稳压滤波陶瓷电容C13、稳压滤波陶瓷电容C20、滤波陶瓷电筒C14、滤波陶瓷电筒C21、稳压滤波电容C15-C19、稳压陶瓷电容C18、启动电阻R12、复位电阻R11、复位陶瓷电容C12、串联电阻R10、发光二极管D5；共同构成主控MCU应用电路；

晶振Y1的3管脚与电源模块相连；稳压滤波陶瓷电C13、滤波陶瓷电筒C14并联跨接于晶振Y1的2管脚VDD_+3.3V和4管脚GND之间；

稳压滤波电容C15-C17并联分别跨接于主控MCU U3的1管脚、24管脚、36管脚VDD_+3.3V和GND之间，稳压滤波电容C18和C19并联跨接于主控MCU U3的48管脚VDD_+3.3V和GND之间；稳压滤波电容C18和C19靠近主控MCU U3的48管脚；C20、C21并联跨接于U3的9管脚VAA_+3.3V和GND之间，稳压滤波陶瓷电容C20、滤波陶瓷电筒C21并靠近主控MCU U3的9管脚；主控MCU U3的23、35、47管脚接地GND；

启动电阻R12一端与主控MCU U3的44管脚MCU_BOOT0相连，一端接GND，选择FLASH启动模式；

复位电阻R11与复位陶瓷电容C12串联，并跨接于VDD_+3.3V和GND之间，串联点与主控MCU U3的7管脚相连，起复位的作用；

串联电阻R10和发光二极管D5串联，并跨接于VDD_+3.3V和主控MCU U3的25管脚LED_FLASH之间，指示MCU的运行状态。

所述三相驱动桥及过压保护模块包括：三相NMOS驱动桥U9、稳压电解电容C35、滤波陶瓷电容C36、滤波陶瓷电容C37、自举二极管D6、自举陶瓷电容C38、充电陶瓷电容C40、使能电阻R43、使能陶瓷电容C41、比较器滤波电容C45、比较输出上拉电阻R53、比较输出滤波陶瓷电容C44、母线电源分压电阻R71、母线电源分压电阻R72、滤波陶瓷电容C52、永磁同步电机接口M1、相电流采集电阻R50、R51、R52；共同构成永磁同步电机伺服系统的三相驱动器电路简图及母线电压采集的应用电路；

稳压电解电容C35、滤波陶瓷电容C36、滤波陶瓷电容C37并联于输入电源PWR_IN和电源地GND之间；自举陶瓷电容C38一端连接输入电源PWR_IN，另一端与三相NMOS驱动桥U9的17管脚连接；自举二极管D6的1管脚连接输入电源PWR_IN，2管脚连接三相NMOS驱动桥U9的17管脚，3管脚连接充电陶瓷电容C40的一端，充电陶瓷电容C40的另一端与三相NMOS驱动桥U9的24管脚相连；三相NMOS驱动桥U9的22、23管脚与输入电源PWR_IN相连；使能电阻R43与使能陶瓷电容C41串联于工作电源VDD_+3.3V和地GND之间，串联点与三相NMOS驱动桥U9的9管脚连接；三相NMOS驱动桥U9的26、13、28管脚，分别与主控MCU U3的29、30、31管脚相连；三相NMOS驱动桥U9的27、14、16管脚，分别与主控MCU U3的2、3、4管脚相连；C45跨接于三相NMOS驱动桥U9的15管脚和GND之间；三相NMOS驱动桥U9的31管脚、23管脚、19管脚分别与永磁同步电机的接口相连；相电流采集电阻R50、R51、R52的一端分别与三相NMOS驱动桥U9的29管脚、25管脚、12管脚相连；相电流采集电阻R50、R51、R52的另一端与GND相连；比较输出上拉电阻R53与比较输出滤波陶瓷电容C44串联于VDD_+3.3V和GND之间，串联点与三相NMOS驱动桥U9的11管脚和主控MCU U3的41管脚相连；母线电源分压电阻R71与母线电源分压电阻R72串联于PWR_IN和GND之间，串联点与主控MCU U3的15管脚相连；母线电源分压电阻R72与滤波陶瓷电容C52并联。

所述磁编码器位置反馈模块采用高精度的磁编码器AS5408A进行绝对位置采集，包括磁编码器接口P3、滤波陶瓷电容C50、稳压陶瓷电容C51；共同构成磁编码器位置应用电路；

滤波陶瓷电容C50和稳压陶瓷电容C51并联于VDD_+3.3V和GND之间，磁编码器接口P3的1管脚与VDD_+3.3V相连，6管脚与GND相连；磁编码器接口P3的2、3、4、5管脚分别与主控MCU U3的17、28、27、26管脚相连；

所述相电流采集及过流保护模块方案如下：

运算放大器U8、滤波陶瓷电容C32、稳压陶瓷电容C33、电压偏置电阻R37、电压偏置电阻R44、电压偏置电阻R54、输入电阻R38、输入电阻R45、输入电阻R55、滤波陶瓷电容C34、滤波陶瓷电容C42、滤波陶瓷电容C46、接地电阻R40、接地电阻R47、接地电阻R57、反馈电阻R41、反馈电阻R48、反馈电阻R58、反馈陶瓷电容C39、反馈陶瓷电容C43、反馈陶瓷电容C47、电阻R60、电阻R61、电阻R62、电阻R63、电阻R65、反馈电阻R64；共同组成相电流处理采集应用电路；

运算放大器U8的4管脚和11管脚分别与VAA_+3.3V和AGND相连；滤波陶瓷电容C32、稳压陶瓷电容C33并联于VAA_+3.3V和AGND之间；电压偏置电阻R37、输入电阻R38、滤波陶瓷电容C34的一端都与运算放大器U8的3管脚相连，滤波陶瓷电容C34的另一端接AGND，电压偏置电阻R37的另一端连接VAA_+3.3V，输入电阻R38的另一端与三相NMOS驱动桥U9的29管脚相连；接地电阻R40两端分别与运算放大器U8的2管脚和AGND相连，反馈电阻R41、反馈陶瓷电容C39并联于运算放大器U8的1管脚和2管脚之间；运算放大器U8的1管脚与主控MCU U3的10管脚相连；

电压偏置电阻R44、输入电阻R45、滤波陶瓷电容C42的一端都与运算放大器U8的5管脚相连，滤波陶瓷电容C42的另一端接AGND，电压偏置电阻R44的另一端连接VAA_+3.3V，输入电阻R45的另一端与三相NMOS驱动桥U9的25管脚相连；接地电阻R47两端分别与运算放大器U8的6管脚和AGND相连，反馈电阻R48、反馈陶瓷电容C43并联于运算放大器U8的6管脚和7管脚之间；运算放大器U8的7管脚与U3的11管脚相连；

电压偏置电阻R54、输入电阻R55、滤波陶瓷电C46的一端都与运算放大器U8的10管脚相连，滤波陶瓷电C46另一端接AGND，电压偏置电阻R54的另一端连接VAA_+3.3V，输入电阻R55的另一端与三相NMOS驱动桥U9的12管脚相连；接地电阻R57两端分别与运算放大器U8的9管脚和AGND相连，反馈电阻R58、反馈陶瓷电容C47并联于运算放大器U8的8管脚和9管脚之间；运算放大器U8的8管脚与主控MCU U3的17管脚相连；

电阻R60、电阻R61、电阻R62的一端都与运算放大器U8的12管脚相连，另一端分别与运算放大器U8的8、7、1管脚相连；电阻R63两端分别连接运算放大器U8的12管脚和AGND；电阻R65两端分别连接运算放大器U8的13管脚和AGND；反馈电阻R64两端分别连接U8的13管脚和14管脚；运算放大器U8的14管脚与三相NMOS驱动桥U9的30管脚相连。

一种基于磁编码器的永磁同步电机伺服控制方法，

(1)伺服系统启动自检，并进行参数配置，并通过CAN接口或RS232接口或RS422接口将自检信息和状态信息发送给上级系统；

(2)上级系统将控制指令通过CAN接口或RS232接口或RS422接口发送给MCU主控模块；MCU主控模块中断接收，解析指令，并将配置永磁同步电机运行模式；

(3)根据不同运行模式，SVPWM矢量控制或DTC直接转矩控制，进入伺服系统控制周期；

(4)以中断和DMA模式进行母线电压和三相驱动桥温湿度实时采样，并依次判断母线是否过压，温湿度是否过高；若过压，或者温湿度过高，则利用刹车功能停止电机运行；若未过压且温湿度未过高，则启动电机；

(5)采集磁编码器反馈的位置信息θ，并计算速度信息ω，根据位置和速度指令进行PID位置和速度闭环调节，输出电流控制参考量i_{d_ref}，i_{q_ref}；

(6)若是SVPWM空间矢量控制模式：以中断和DMA模式实时采集三相电流信息，得到i_a和i_b，i_c通过i_a+i_b+i_c＝0获得；并判断是否过流，若过流，则利用刹车功能停止电机运行；若未过流，则通过Clarke变换进行两轴系统转换，得出i_α、i_β；根据磁编码器反馈的机械角度换算成变换角度，旋转两轴系统，进行Park变换，得到i_d，i_q；根据电流或转矩指令，进行PID电流环调节，输出电压控制参考量U_{d_ref}和U_{q_ref}，接着进行Park逆变换，得到U_{α_ref}和U_{β_ref}；根据电流控制参考量i_{d_ref}，i_{q_ref}，位置信息θ，速度信息ω进行相位前馈解算，得出偏置量ΔU_{α_ref}和ΔU_{β_ref}；根据电压控制参考量U_{α_ref}和U_{β_ref}，前馈偏置量ΔU_α和ΔU_β，解算电压矢量扇区和工作时间，进行SVPWM空间矢量控制；

若为DTC直接转矩控制模式：根据采集的相电流和相电压，进行Clarke变换，得出i_α、i_β、U_α、U_β；根据i_α、i_β、U_α、U_β，对定子的磁通和力矩进行估计，得出|Ψ_s|和T_s，同时解算当前转子的位置及所在的扇区；与控制参考量|Ψ_{s_ref}|和T_s进行滞缓比较，得出状态开关量，表征当前磁和力是过还是差，并根据不同的状态和所在的扇区，输出不同的电压矢量；

(7)通过RS232接口、或RS422接口、或CAN接口将伺服系统运行的信息反馈到上级系统。

本发明的有益效果是：

1)针对现有永磁同步电机伺服系统体积较大的特点，本发明进行了微小型化设计，起到了简化电路结构作用，达到了控制简单的效果，提高了系统的可靠性和可维护性；

2)针对现有永磁同步电机伺服系统一般仅针对某种执行机构采用一种控制模式，或是SVPWM矢量控制，或是DTC直接转矩控制，本发明将二者进行兼容设计，不仅可以根据控制对象配置不同的工作方式，而且针对要求复杂的同一个控制对象，可以根据不同的阶段切换两种工作方式，拓展本发明的应用功能，并提高本发明的控制性能。

3)本发明永磁同步电机无需换向传感器，通过相电流采集模块获取电压矢量，确定其所在扇区。

4)针对现有永磁同步电机伺服系统的通讯接口一般只有RS232或RS422，本发明集成了RS232，RS422和CAN这3种常用接口，方便了系统的分布式设计。

5)MCU主控模块利用相电流采集及过流保护模块输出的高电平信号标识三相桥驱动过流，并利用PWM输出的刹车功能避免过流；MCU主控模块及其集成ADC实时采集过压保护模块的母线电压信息，实施过压保护禁止PWM输出功能MCU主控模块通过集成的SPI接口实时监测温湿度检测模块的温度和湿度信息；MCU主控模块通过RS232、RS422或CAN接口向上级系统发送报警信息。

附图说明

图1本发明基于磁编码器的永磁同步电机伺服系统的整体框架图。

图2本发明基于磁编码器的永磁同步电机伺服系统的软件基本流程图。

图3本发明基于磁编码器的永磁同步电机伺服系统的电源模块原理图。

图4本发明基于磁编码器的永磁同步电机伺服系统的MCU主控模块原理图。

图5本发明基于磁编码器的永磁同步电机伺服系统的三相驱动桥及过压保护模块原理图。

图6本发明基于磁编码器的永磁同步电机伺服系统的磁编码器位置反馈模块原理图。

图7本发明基于磁编码器的永磁同步电机伺服系统的相电流采集及过流保护模块原理图。

图8本发明基于磁编码器的永磁同步电机伺服系统的温湿度检测模块原理图。

图9本发明基于磁编码器的永磁同步电机伺服系统的CAN通讯模块原理图。

图10本发明基于磁编码器的永磁同步电机伺服系统的串口RS232、RS422通讯电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和对本发明做进一步说明。

如图1本发明采用的整体技术方案如下所述：包括电源模块、MCU主控模块，N-MOS型三相驱动桥模块，相电流采集模块，磁编码器位置反馈模块，过流保护模块，过压保护模块，温湿度检测模块，RS232、RS422和CAN通讯模块，PID控制算法，SVPWM空间矢量控制算法，DTC直接转矩控制算法。

如图2本发明伺服控制的软件方案如下所述：

(1)首先伺服系统启动自检，并进行参数配置，并通过CAN接口，或RS232接口，或RS422接口将自检信息和状态信息发送给上级系统。

(2)上级系统将控制指令通过CAN接口，或RS232接口，或RS422接口发送给MCU；MCU中断接收，解析指令，并将配置永磁同步电机运行模式。

(3)根据不同运行模式，SVPWM矢量控制或DTC直接转矩控制，进入伺服系统控制周期。

(4)以中断和DMA模式进行母线电压和三相驱动桥温湿度实时采样，并依次判断母线是否过压，温湿度是否过高。若过压，或者温湿度过高，则利用刹车功能停止电机运行；若未过压且温湿度未过高，则启动电机。

(5)采集磁编码器反馈的位置信息θ，并计算速度信息ω，根据位置和速度指令进行PID位置和速度闭环调节，输出电流控制参考量i_{d_ref}，i_{q_ref}。

(6)若是SVPWM空间矢量控制模式：以中断和DMA模式采集三相电流信息，得到i_a和i_b，i_c通过i_a+i_b+i_c＝0获得。并判断是否过流，若过流，则利用刹车功能停止电机运行；若未过流，则通过Clarke变换进行两轴系统转换，得出i_α、i_β；根据磁编码器反馈的机械角度换算成变换角度，旋转两轴系统，进行Park变换，得到i_d，i_q；根据电流或转矩指令，进行PID电流环调节，输出电压控制参考量U_{d_ref}和U_{q_ref}，接着进行Park逆变换，得到U_{α_ref}和U_{β_ref}；根据电流控制参考量i_{d_ref}，i_{q_ref}，位置信息θ，速度信息ω进行相位前馈解算，得出偏置量ΔU_{α_ref}和ΔU_{β_ref}；根据电压控制参考量U_{α_ref}和U_{β_ref}，前馈偏置量ΔU_α和ΔU_β，解算电压矢量扇区和工作时间，进行SVPWM空间矢量控制。

(7)若为DTC直接转矩控制模式：根据采集的相电流和相电压，进行Clarke变换，得出i_α、i_β、U_α、U_β；根据i_α、i_β、U_α、U_β，对定子的磁通和力矩进行估计，得出|Ψ_s|和T_s，同时解算当前转子的位置及所在的扇区；与控制参考量|Ψ_{s_ref}|和T_s进行滞缓比较，得出状态开关量，表征当前磁和力是过还是差，并根据不同的状态和所在的扇区，输出不同的电压矢量。

(8)通过RS232接口、或RS422接口、或CAN接口将伺服系统运行的信息反馈到上级系统；

(9)若伺服系统接收到结束指令或系统工作在异常状态，则停止系统运行，并上报信息。

如图3本发明伺服系统的电源模块方案如下：系统的供电电压PWR_IN的范围是+12V～+36V，然后通过TPS5430DDA电源转换芯片转换为PWR_+5.0V，PWR_+5.0V电源通过0Ω隔离调试电阻生成系统工作电源VCC_+5.0V，然后通过SPX3819M5-L-3-3低压差稳压器进行二次电源转换VCC_+3.3V，再通过0Ω电阻分割成数字电源VDD_+3.3V和模拟电源VAA_+3.3V。系统地GND和模拟地AGND通过0Ω电阻相连。

电源输入端子P1，起防止电源反插的8EWS08S整流二极管D1，起过压保护作用的SMBJ33A瞬变电压抑制二极管D3组成电源输入应用电路。

TPS5430DDA电源转换芯片U1，220uF稳压电解电容C4，10uF稳压陶瓷电容C5，0.1uF滤波陶瓷电容C6，22uH储能电感L1，B340A整流二极管D2，10nF陶瓷启动电容C1，220uF稳压电解电容C2，0.1uF陶瓷滤波电容C3，10K、33K反馈电阻R2、R4构成电源转换+5V输出的应用电路。

SPX3819M5-L-3-3低压差稳压器U2，4.7uF稳压电解电容C7，0.1uF滤波陶瓷电容C8，4.7K上拉使能电阻R7，0Ω隔离调试电阻R5，10pF旁漏陶瓷电容C11，10uF稳压陶瓷电容C9，0.1uF陶瓷滤波电容C10，构成+3.3V输出的低压差稳压应用电路。

P1的1、2管脚是电源的正输入端PWR_IN，3、4管脚是负输入端GND。8EWS08S整流二极管D1的1、3管脚与电源输入端子P1的1、2管脚PWR_IN相连，8EWS08S整流二极管D1的4管脚与D3的2管脚相连。SMBJ33A瞬变电压抑制二极管D3的1管脚与电源输入端子P1的3、4管脚GND相连。

C4、C5、C6与D3并联，并分别于U1的7管脚和6、9管脚相连。C1两端跨接于U1的1和8管脚之间。D2的阴端、L1的一端与U1的1管脚相连，D2的阳端接电源地PWR_GND。L1的另一端为+5V输出端PWR_+5.0V，C2、C3并联于+5V输出端PWR_+5.0V和电源地PWR_GND之间。反馈电阻R2、R4串联于+5V输出端PWR_+5.0V和电源地PWR_GND之间，R2、R4的串联点与U1的4管脚相连。

PWR_+5.0V电源，1K电阻R3和发光二极管D4串联，并通过D4指示PWR_+5.0V电源工作状态。PWR_+5.0V电源通过0Ω隔离调试电阻R1产生系统工作电源VCC_+5.0V。

C7、C8并联跨接于低压差稳压器U2的1和2管脚，R7跨接于U2的1和3管脚。C11两端分别与U2的管脚和数字GND相连。R5一端与U2的5管脚连接，另一端与系统工作电源VCC_+3.3V连接。C9、C10并联跨接于VCC_+3.3V和GND之间。R6两端分别连接电源VCC_+3.3V和VDD_+3.3V，R8两端分别连接电源VCC_+3.3V和VAA_+3.3V。R9两端连接GND和AGND。

如图4本发明伺服系统的MCU主控模块方案如下所述：STM32F103CBT6主控MCU U3，8MHz晶振Y1,1uF稳压滤波陶瓷电容C13、C20，10nF滤波陶瓷电筒C14、C21，0.1uF稳压滤波电容C15、C16、C17、C19，4.7uF稳压陶瓷电容C18，10K启动电阻R12，10K复位电阻R11，01uF复位陶瓷电容C12，1K串联电阻R10，发光二极管D5，共同构成主控MCU应用电路。

晶振Y1的3管脚与U2的5管脚z相连，网络标识CLK_8MH。C13、C14并联跨接于Y1的2管脚VDD_+3.3V和4管脚GND之间。

C15、C16、C17并联分别跨接于U3的1管脚、24管脚、36管脚VDD_+3.3V和GND之间，C18和C19并联跨接于U3的48管脚VDD_+3.3V和GND之间，C18和C19靠近U3的48管脚。C20、C21并联跨接于U3的9管脚VAA_+3.3V和GND之间，C20、C21并靠近U3的9管脚。U3的23、35、47管脚接地GND。

R12一端与U3的44管脚MCU_BOOT0相连，一端接GND，选择FLASH启动模式。

R11与C12串联，并跨接于VDD_+3.3V和GND之间，串联点与U3的7管脚相连，网络标识为MCU_nRST，起复位的作用。

R10和D5串联，并跨接于VDD_+3.3V和U3的25管脚LED_FLASH之间，指示MCU的运行状态。

如图5本发明伺服系统的三相驱动桥及过压保护模块方案如下：

L6230QTR三相NMOS驱动桥U9、100uF稳压电解电容C35，0.1uF滤波陶瓷电容C36、C37，SMBD7000自举二极管D6，0.22uF自举陶瓷电容C38，10nF充电陶瓷电容C40，10K使能电阻R43，1nF使能陶瓷电容C41，0.1uF比较器滤波电容C45，10K比较输出上拉电阻R53，10nF比较输出滤波陶瓷电容C44，22K、2K母线电源分压电阻R71、R72，0.1uF滤波陶瓷电容C52，永磁同步电机接口M1，0.33Ω的相电流采集电阻R50、R51、R52构成永磁同步电机伺服系统的三相驱动器电路简图及母线电压采集的应用电路。

C35、C36、C37并联于输入电源PWR_IN和电源地GND之间。C38一端连接输入电源PWR_IN，另一端与U9的17管脚连接。D6的1管脚连接输入电源PWR_IN，2管脚连接U9的17管脚，3管脚连接C40的一端，C40的另一端与U9的24管脚相连。U9的22、23管脚与输入电源PWR_IN相连。R43与C41串联于工作电源VDD_+3.3V和地GND之间，串联点与U9的9管脚连接，网络标识MT_BKIN。U9的26、13、28管脚，分别与U3的29、30、31管脚相连，网络标识分别为MT_PWM_IN1、MT_PWM_IN2、MT_PWM_IN3。U9的27、14、16管脚，分别与U3的2、3、4管脚相连，网络标识分别为MT_PWM_EN1、MT_PWM_EN2、MT_PWM_EN3。U9的30管脚的网络标识为MT_SENSE_R_ALL。C45跨接于U9网络标识为MT_I_REF_DAC的15管脚和GND之间。U9的31管脚、23管脚、19管脚分别与永磁同步电机的接口相连，网络标识分别为MT_WA、MT_WB、MT_WC。R50、R51、R52的一端分别与U9的29管脚、25管脚、12管脚相连，网络标识分别为MT_SENSE_R1、MT_SENSE_R2、MT_SENSE_R2，R50、R51、R52的另一端与GND相连。R53与C44串联于VDD_+3.3V和GND之间，串联点与U9的11管脚和U3的41管脚相连，网络标识为MT_I_OVER。

R71与R72串联于PWR_IN和GND之间，串联点与U3的15管脚相连，网络标识为MT_PWR_ADC。C52与R72并联。

如图6本发明伺服系统的磁编码器位置反馈模块方案如下：

采用高精度的磁编码器AS5408A进行绝对位置采集，P3为磁编码器AS5408A的接口，0.1uF滤波陶瓷电容C50，4.7uF稳压陶瓷电容C51共同构成磁编码器位置应用电路。C50、C51并联于VDD_+3.3V和GND之间，P3的1管脚与VDD_+3.3V相连，6管脚与GND相连。P3的2、3、4、5管脚分别与U3的17、28、27、26管脚相连，其对应的网络标识分别为MT_ENCODER_1、MT_ENCODER_2、MT_ENCODER_3、MT_ENCODER_4。

如图7本发明伺服系统的相电流采集及过流保护模块方案如下：

TSV914AIPT运算放大器U8，0.1uF滤波陶瓷电容C32，4.7uF稳压陶瓷电容C33，2.2K电压偏置电阻R37、R44、R54，680Ω输入电阻R38、R45、R55，680pF滤波陶瓷电容C34、C42、C46，2.2K接地电阻R40、R47、R57，2.2K反馈电阻R41、R48、R58，100pF反馈陶瓷电容C39、C43、C47，2.2K电阻R60、R61、R62、R63、R65，500Ω反馈电阻R64组成相电流处理采集应用电路。

U8的4管脚和11管脚分别与VAA_+3.3V和AGND相连。C32、C33并联于VAA_+3.3V和AGND之间。R37，R38、C34的一端都与U8的3管脚相连，C34的另一端接AGND，R37的另一端连接VAA_+3.3V，R38的另一端与U9的29管脚相连，网络标识为MT_SENSE_R1。R40两端分别与U8的2管脚和AGND相连，R41、C39并联与U8的1管脚和2管脚之间。U8的1管脚与U3的10管脚相连，网络标识MT_SENSE_R1_ADC。

R44，R45、C42的一端都与U8的5管脚相连，C42的另一端接AGND，R44的另一端连接VAA_+3.3V，R45的另一端与U9的25管脚相连，网络标识为MT_SENSE_R2。R47两端分别与U8的6管脚和AGND相连，R48、C43并联与U8的6管脚和7管脚之间。U8的7管脚与U3的11管脚相连，网络标识MT_SENSE_R2_ADC。

R54，R55、C46的一端都与U8的10管脚相连，C46另一端接AGND，R54的另一端连接VAA_+3.3V，R55的另一端与U9的12管脚相连，网络标识为MT_SENSE_R3。R57两端分别与U8的9管脚和AGND相连，R58、C47并联与U8的8管脚和9管脚之间。U8的8管脚与U3的17管脚相连，网络标识MT_SENSE_R3_ADC。

R60、R61、R62的一端都与U8的12管脚相连，另一端分别与U8的8、7、1管脚相连。R63两端分别连接U8的12管脚和AGND。R65两端分别连接U8的13管脚和AGND。R64两端分别连接U8的13管脚和14管脚。U8的14管脚与U9的30管脚相连，网络标识MT_SENSE_R_ALL。

如图8本发明伺服系统的温湿度采集电路方案如下：

采用HDC1080DMBR温湿度传感U4，0.1uF稳压滤波陶瓷电容C24，10K上拉电阻R13、R15构成温湿度采集应用电路。HDC1080DMBR温湿度传感器与MCU采用I2C接口通讯。

U4的5管脚与VDD_+3.3V连接，U4的2管脚、7接地盘与GND相连。C24两端跨接于U4的5管脚VDD_+3.3V和GND之间。U4的6、1管脚分别与U3的42、43管脚相连，网络标识分别为HT_SCL、HT_SDA。R13两端分别与VDD_+3.3V和U4的6管脚相连，R15两端分别与VDD_+3.3V和U4的1管脚相连。

如图9本发明伺服系统的CAN总线通讯电路方案如下：

SN65HVD232QDQ1CAN驱动器U5，1uF稳压滤波陶瓷电容C22，10nF滤波陶瓷电容C23，120Ω终端匹配电阻R16，CAN接口P2构成CAN总线通讯应用电路。

U5的3、2管脚分别与VDD_+3.3V、GND相连。U5的1、4管脚分别与U3的46、45管脚相连。C22、C23并联于U5的3、2管脚之间。R16两端跨接于U5的7、6管脚之间，网络标识分别为CANHL_P、CANHL_N。P2的1、2管脚分别与U5的7、6相连，3管脚接GND。

如图10本发明伺服系统的串口接口方案如下：

MAX3222EEUP串口RS232收发器U6，0.1uF充电陶瓷电容C25、C26，0.1uF稳压滤波电容C28，0.1uF储能电容C27、C31，4.7K上拉电阻R32，接口端子P4组成RS232串口应用电路。

MAX3491EESD串口RS422收发器U7，1uF稳压滤波陶瓷电容C29，10nF滤波陶瓷电容C30，1K使能电阻R32，120Ω匹配电阻R25、R35，接口端子P5组成RS422串口应用电路。

U6的19和18管脚分别接VDD_+3.3V和GND。U6的13、15、管脚分别与U3的21、22管脚相连，网络标识分别为USART_TX_2、USART_RX_2。U6的17、16管脚分别与P4的1、2管脚相连，网络标识分别为RS232_TXD、RS232_RXD，P4的3管脚接GND。C25跨接于U6的2和4管脚之间，C26跨接于U6的5和6管脚之间。C28两端分别与U6的19管脚和GND相连。C27两端分别接U6的3管脚和GND，C31两端分别接U6的7管脚和GND。R32两端分别接接VDD_+3.3V和U6的20管脚。

U7的13、14管脚接VDD_+3.3V，6、7管脚接GND。U7的5、3、4管脚分别与U3的12、13、14管脚相连，网络标识分别为USART_TX、USART_RX、USART_TE。U7的10、9、12、11管脚分别与P5的1、2、3、4管脚相连，网络标识分别为RS422_T_N、RS422_T_P、RS422_R_P、RS422_R_N。R30两端分别接U7的4管脚和GND。R25两端跨接于RS422_T_N和RS422_T_P之间，R35两端跨接于RS422_R_P和RS422_R_N之间。P5的5管脚接GND。

Claims

1.一种基于磁编码器的永磁同步电机伺服系统，其特征在于：包括电源模块、MCU主控模块、三相驱动桥及过压保护模块、相电流采集及过流保护模块、磁编码器位置反馈模块、温湿度检测模块；串口RS232、RS422通讯电路和CAN通讯模块；

MCU主控模块实时采集过压保护模块的母线电压信息；

MCU主控模块实时监测温湿度检测模块的温度和湿度信息；

所述MCU主控模块包括STM32F103CBT6主控MCU U3、晶振Y1、稳压滤波陶瓷电容C13、稳压滤波陶瓷电容C20、滤波陶瓷电容C14、滤波陶瓷电容C21、稳压滤波电容C15-C19、稳压陶瓷电容C18、启动电阻R12、复位电阻R11、复位陶瓷电容C12、串联电阻R10、发光二极管D5；共同构成主控MCU应用电路；

8MHz晶振Y1的3管脚与电源模块相连；稳压滤波陶瓷电容C13、滤波陶瓷电容C14并联跨接于8MHz晶振Y1的2管脚VDD_+3.3V和4管脚GND之间；

稳压滤波电容C15-C17并联分别跨接于STM32F103CBT6主控MCU U3的1管脚、24管脚、36管脚VDD_+3.3V和GND之间，稳压滤波电容C18和C19并联跨接于STM32F103CBT6主控MCU U3的48管脚VDD_+3.3V和GND之间；稳压滤波电容C18和C19靠近STM32F103CBT6主控MCU U3的48管脚；C20、C21并联跨接于STM32F103CBT6主控MCU U3的9管脚VAA_+3.3V和GND之间，稳压滤波陶瓷电容C20、滤波陶瓷电容C21并靠近STM32F103CBT6主控MCU U3的9管脚；STM32F103CBT6主控MCU U3的23、35、47管脚接地GND；

启动电阻R12一端与STM32F103CBT6主控MCU U3的44管脚MCU_BOOT0相连，一端接GND，选择FLASH启动模式；

复位电阻R11与复位陶瓷电容C12串联，并跨接于VDD_+3.3V和GND之间，串联点与STM32F103CBT6主控MCU U3的7管脚相连，起复位的作用；

串联电阻R10和发光二极管D5串联，并跨接于VDD_+3.3V和STM32F103CBT6主控MCU U3的25管脚LED_FLASH之间，指示MCU的运行状态；

所控三相驱动桥及过压保护模块采用全N-MOS的驱动模式，并利用自举电容实现单偏置电源供电；

所述MCU主控模块采用集成有串口、CAN接口、SPI接口、三相互补PWM输出单元和多ADC采集单元的单片机；

通过磁编码器位置反馈模块获取位置和速度反馈信息；在系统运行前，进行磁通相位和永磁同步电机转矩对齐，确定零点；

根据电流和位置反馈利用PID控制算法进行位置环、速度环和电流环的闭环调节，通过电压矢量进行SVPWM空间矢量控制，或根据磁链和转矩进行DTC直接转矩控制；

所述三相驱动桥及过压保护模块包括：L6230QTR三相NMOS驱动桥U9、稳压电解电容C35、滤波陶瓷电容C36、滤波陶瓷电容C37、自举二极管D6、自举陶瓷电容C38、充电陶瓷电容C40、使能电阻R43、使能陶瓷电容C41、比较器滤波电容C45、比较输出上拉电阻R53、比较输出滤波陶瓷电容C44、母线电源分压电阻R71、母线电源分压电阻R72、滤波陶瓷电容C52、永磁同步电机接口M1、相电流采集电阻R50、R51、R52；共同构成永磁同步电机伺服系统的三相驱动器电路简图及母线电压采集的应用电路；

稳压电解电容C35、滤波陶瓷电容C36、滤波陶瓷电容C37并联于输入电源PWR_IN和电源地GND之间；自举陶瓷电容C38一端连接输入电源PWR_IN，另一端与L6230QTR三相NMOS驱动桥U9的17管脚连接；自举二极管D6的1管脚连接输入电源PWR_IN，2管脚连接L6230QTR三相NMOS驱动桥U9的17管脚，3管脚连接充电陶瓷电容C40的一端，充电陶瓷电容C40的另一端与L6230QTR三相NMOS驱动桥U9的24管脚相连；L6230QTR三相NMOS驱动桥U9的22、23管脚与输入电源PWR_IN相连；使能电阻R43与使能陶瓷电容C41串联于工作电源VDD_+3.3V和地GND之间，串联点与L6230QTR三相NMOS驱动桥U9的9管脚连接；L6230QTR三相NMOS驱动桥U9的26、13、28管脚，分别与主控MCU U3的29、30、31管脚相连；L6230QTR三相NMOS驱动桥U9的27、14、16管脚，分别与STM32F103CBT6主控MCU U3的2、3、4管脚相连；C45跨接于L6230QTR三相NMOS驱动桥U9的15管脚和GND之间；L6230QTR三相NMOS驱动桥U9的31管脚、23管脚、19管脚分别与永磁同步电机的接口相连；相电流采集电阻R50、R51、R52的一端分别与L6230QTR三相NMOS驱动桥U9的29管脚、25管脚、12管脚相连；相电流采集电阻R50、R51、R52的另一端与GND相连；比较输出上拉电阻R53与比较输出滤波陶瓷电容C44串联于VDD_+3.3V和GND之间，串联点与L6230QTR三相NMOS驱动桥U9的11管脚和主控MCU U3的41管脚相连；母线电源分压电阻R71与母线电源分压电阻R72串联于PWR_IN和GND之间，串联点与STM32F103CBT6主控MCUU3的15管脚相连；母线电源分压电阻R72与滤波陶瓷电容C52并联；

所述磁编码器位置反馈模块采用高精度的磁编码器AS5408A进行绝对位置采集，包括磁编码器AS5408A接口P3、滤波陶瓷电容C50、稳压陶瓷电容C51；共同构成磁编码器位置应用电路；

滤波陶瓷电容C50和稳压陶瓷电容C51并联于VDD_+3.3V和GND之间，磁编码器接口P3的1管脚与VDD_+3.3V相连，6管脚与GND相连；磁编码器接口P3的2、3、4、5管脚分别与STM32F103CBT6主控MCU U3的17、28、27、26管脚相连；

所述相电流采集及过流保护模块方案如下：

TSV914AIPTTSV914AIPT运算放大器U8、滤波陶瓷电容C32、稳压陶瓷电容C33、电压偏置电阻R37、电压偏置电阻R44、电压偏置电阻R54、输入电阻R38、输入电阻R45、输入电阻R55、滤波陶瓷电容C34、滤波陶瓷电容C42、滤波陶瓷电容C46、接地电阻R40、接地电阻R47、接地电阻R57、反馈电阻R41、反馈电阻R48、反馈电阻R58、反馈陶瓷电容C39、反馈陶瓷电容C43、反馈陶瓷电容C47、电阻R60、电阻R61、电阻R62、电阻R63、电阻R65、反馈电阻R64；共同组成相电流处理采集应用电路；

TSV914AIPT运算放大器U8的4管脚和11管脚分别与VAA_+3.3V和AGND相连；滤波陶瓷电容C32、稳压陶瓷电容C33并联于VAA_+3.3V和AGND之间；电压偏置电阻R37、输入电阻R38、滤波陶瓷电容C34的一端都与TSV914AIPT运算放大器U8的3管脚相连，滤波陶瓷电容C34的另一端接AGND，电压偏置电阻R37的另一端连接VAA_+3.3V，输入电阻R38的另一端与L6230QTR三相NMOS驱动桥U9的29管脚相连；接地电阻R40两端分别与TSV914AIPT运算放大器U8的2管脚和AGND相连，反馈电阻R41、反馈陶瓷电容C39并联于TSV914AIPT运算放大器U8的1管脚和2管脚之间；TSV914AIPT运算放大器U8的1管脚与STM32F103CBT6主控MCU U3的10管脚相连；

电压偏置电阻R44、输入电阻R45、滤波陶瓷电容C42的一端都与TSV914AIPT运算放大器U8的5管脚相连，滤波陶瓷电容C42的另一端接AGND，电压偏置电阻R44的另一端连接VAA_+3.3V，输入电阻R45的另一端与L6230QTR三相NMOS驱动桥U9的25管脚相连；接地电阻R47两端分别与TSV914AIPT运算放大器U8的6管脚和AGND相连，反馈电阻R48、反馈陶瓷电容C43并联于TSV914AIPT运算放大器U8的6管脚和7管脚之间；TSV914AIPT运算放大器U8的7管脚与STM32F103CBT6主控MCU U3的11管脚相连；

电压偏置电阻R54、输入电阻R55、滤波陶瓷电C46的一端都与TSV914AIPT运算放大器U8的10管脚相连，滤波陶瓷电C46另一端接AGND，电压偏置电阻R54的另一端连接VAA_+3.3V，输入电阻R55的另一端与L6230QTR三相NMOS驱动桥U9的12管脚相连；接地电阻R57两端分别与TSV914AIPT运算放大器U8的9管脚和AGND相连，反馈电阻R58、反馈陶瓷电容C47并联于TSV914AIPT运算放大器U8的8管脚和9管脚之间；TSV914AIPT运算放大器U8的8管脚与主控MCU U3的17管脚相连；

电阻R60、电阻R61、电阻R62的一端都与TSV914AIPT运算放大器U8的12管脚相连，另一端分别与TSV914AIPT运算放大器U8的8、7、1管脚相连；电阻R63两端分别连接TSV914AIPT运算放大器U8的12管脚和AGND；电阻R65两端分别连接TSV914AIPT运算放大器U8的13管脚和AGND；反馈电阻R64两端分别连接U8的13管脚和14管脚；TSV914AIPT运算放大器U8的14管脚与L6230QTR三相NMOS驱动桥U9的30管脚相连。