CN112311284A - 一种电机控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种电机控制系统，包括：伺服模组、与所述伺服模组连接的驱动模组、隧道磁电阻TMR编码器，以及与所述驱动模组、TMR编码器连接的电机模组；所述电机模组包括与所述驱动模组连接的电机组件、与所述TMR编码器连接的传动组件；所述电机组件带动所述传动组件进行转动；所述TMR编码器检测所述传动组件的转动角度信息，以及将所述转动角度信息发送至所述伺服模组；所述伺服模组基于所述转动角度信息生成目标控制信号，以及将所述目标控制信号发送至驱动模组；所述驱动模组按照所述目标控制信号驱动所述电机组件。本发明实施例通过TMR编码器能够检测电机组件的绝对转动角度。

Description

一种电机控制系统

技术领域

本发明涉及自动化控制技术领域，特别是涉及一种电机控制系统。

背景技术

目前市场上的步进电机控制方法一般用开环控制，或者用单独的驱动器配合光栅尺编码器来实现闭环控制。

开环控制如果遇上传动结构机械误差、配合间隙、负载变化、摩擦力不均匀等问题，存在失步、错步、堵转、过冲等现象。在控制方式上，使用者需要考虑诸多技术因素影响，进行不同速度、力矩、加速、减速等参数配置，并配合辅助定位传感器，以达到移动定位的目标。对使用者技术水平和电机力矩、效率等要求较高，一般用于精度要求不高的场合。

通过高精度光栅尺编码器对电机进行闭环控制可以避免上述的一些问题，但高精度的光栅尺编码器由于制造要求高，导致价格高，且需要配套单独的控制器，尺寸大，占用安装空间。并且光栅尺编码器的定位为相对位置，系统断电或者人为移动后，需要复位。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明实施例以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种电机控制系统。

为了解决上述问题，本发明实施例公开了一种电机控制系统，包括：伺服模组、与所述伺服模组连接的驱动模组、隧道磁电阻TMR编码器，以及与所述驱动模组、TMR编码器连接的电机模组；所述电机模组包括与所述驱动模组连接的电机组件、与所述TMR编码器连接的传动组件；

所述电机组件带动所述传动组件进行转动；

所述TMR编码器检测所述传动组件的转动角度信息，以及将所述转动角度信息发送至所述伺服模组；

所述伺服模组基于所述转动角度信息生成目标控制信号，以及将所述目标控制信号发送至驱动模组；

所述驱动模组按照所述目标控制信号驱动所述电机组件。

可选地，所述电机组件包括转动轴；所述传动组件包括：第一磁体固定件、与所述第一磁体固定件连接的第一磁性部件；所述第一磁铁固定件与所述转动轴固定连接；所述第一磁性部件与所述TMR编码器相对设置。

可选地，所述第一磁铁固定件设置有第一齿轮；所述传动组件还包括：一个或多个第二磁体固定件、与所述第二磁体固定件连接的第二磁性部件；所述第二磁铁固定件设置有第二齿轮；所述第一齿轮与所述第二齿轮连接，所述第一齿轮与所述第二齿轮之间具有预设传动比。

可选地，所述传动组件还包括：同步组件，所述同步组件分别与所述第一齿轮、第二齿轮连接；

所述第一齿轮通过所述同步组件带动所述第二齿轮转动。

可选地，所述同步组件包括同步齿轮；所述同步齿轮分别与所述第一齿轮、所述第二齿轮啮合连接。

可选地，所述同步组件还包括同步带；所述同步带包括履带本体，以及嵌入于所述履带本体内部与所述履带本体匹配的金属线体；

所述同步带连接所述同步齿轮和所述第一齿轮，以及，连接所述同步齿轮以及所述第二齿轮。

可选地，所述TMR编码器包括至少两个惠斯通电桥，所述惠斯通电桥包括至少四个TMR电阻，所述TMR电阻位于不同桥臂。

可选地，所述伺服模组包括电路板、位于所述电路板上的控制芯片、与所述控制芯片连接的通信接口；所述TMR编码器、所述驱动模组与所述控制芯片连接。

可选地，还包括：底座、以及散热罩；所述电机组件包括与所述转动轴连接的电机本体；所述底座包括相对设置的第一平面与第二平面；

所述电机本体与所述第一平面连接，所述转动轴与所述第二平面连接；

所述散热罩收容所述传动组件、TMR编码器、驱动模组以及伺服模组。

可选地，还包括：与所述伺服模组连接的上位机；所述电机组件与预设的移动对象连接；

所述伺服模组接收上位机发送的目标数据；所述目标数据包括所述移动对象的目标移动量；

所述伺服模组根据所述目标数据生成初始控制信号。

本发明实施例包括以下优点：

在本发明实施例中，当电机组件进行转动时，能够带动传动组件进行转动，TMR编码器能够检测传动组件的绝对转动角度得到转动角度信息，伺服模组能够针对接收到的转动角度信息生成目标控制信号，并将目标控制信号发送至驱动模组，驱动模组能够采用目标控制信号，由于转动角度信息与电机转动角度匹配，使得驱动模组能够针对电机转动角度对电机组件按照目标控制信号进行精准控制，实现对电机组件的闭环控制。

附图说明

图1是本发明的一种电机控制系统的第一视角结构示意图；

图2是本发明的一种电机控制系统的第二视角结构示意图；

图3是本发明的一种电机控制系统中传动组件部分结构示意图；

图4是本发明的另一种电机控制系统的结构示意图；

图5是本发明的又一种电机控制系统的结构示意图；

图6是本发明的一种电机控制系统的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1，示出了本发明的一种电机控制系统的第一视角结构示意图，参照图2，示出了本发明的一种电机控制系统的第二视角结构示意图，本发明实施例可以包括：伺服模组100、与所述伺服模组100连接的驱动模组、隧道磁电阻TMR(Tunnel MagnetoResistance)编码器，以及与所述驱动模组、TMR编码器连接的电机模组200；所述电机模组200包括与所述驱动模组连接的电机组件210、与所述TMR编码器连接的传动组件220；

所述电机组件210带动所述传动组件220进行转动；

所述TMR编码器检测所述传动组件220的转动角度信息，以及将所述转动角度信息发送至所述伺服模组100；

所述伺服模组100基于所述转动角度信息生成目标控制信号，以及将所述目标控制信号发送至驱动模组；

所述驱动模组按照所述目标控制信号驱动所述电机组件210。

电机组件210可以包含有转子，在电机中的转子进行转动时，传动组件220会同步转动。

TMR编码器可以基于隧道磁电效应对传动组件220的转动角度进行检测，检测出传动组件220的绝对转动角度。

伺服模组100可以接收TMR编码器发送的转动角度信息，并针对转动角度信息生成目标控制信号，已经将目标控制信号发送至驱动模组。

驱动模组与电机组件210电连接，可以按照目标控制信号控制电机组件210的电流信号大小和方向，以实现按照指定的速度驱动电机组件210转动指定角度。

在本发明实施例中，当电机组件210进行转动时，能够带动传动组件220进行转动，TMR编码器能够检测传动组件220的绝对转动角度得到转动角度信息，伺服模组100能够针对接收到的转动角度信息生成目标控制信号，并将目标控制信号发送至驱动模组，驱动模组能够采用目标控制信号，由于转动角度信息与电机转动角度匹配，使得驱动模组能够针对电机转动角度对电机组件210按照目标控制信号进行精准控制，实现对电机组件210的闭环控制。

进一步地，由于能够TMR编码器是基于隧道磁电效应对传动组件220的绝对转动角度进行检测得到转动角度信息，从而能够基于转动角度信息确定电机组件210的绝对转动角度，使得即使本电机控制系统在掉电时，无需对电机组件210的转动角度重新对准零位，以及判断电机组件210是否丢步，在电机组件210丢步时能够基于转动角度信息进行修正。

更进一步地，由于可以获取电机组件210的绝对转动角度，在生成目标控制信号时，能过基于电机组件210的绝对转动角度进行精准控制，提高电机控制系统的控制精度。由于控制精度更高，可以提高电机组件210的工作效率以及输出功率利用率。

在本发明的一种可选实施例中，所述电机组件210包括转动轴；参照图3，示出了本发明实施例中传动组件220部分结构示意图；所述传动组件220包括：第一磁铁固定件221、与所述第一磁铁固定件221连接的第一磁性部件222；所述第一磁铁固定件与所述转动轴固定连接；所述第一磁性部件222与所述TMR编码器相对设置。

转动轴与电机组件210中的转子同步转动，由于第一磁铁固定件221与转动轴固定连接，使得电子组件的转子在转动时，转动轴带动第一磁铁固定件221进行同步转动。而由于第一磁性部件222固定于第一磁体固件，使得电机组件210中的转子转动时，第一磁性部件222同步转动。TMR编码器的中心与第一磁性部件222的中心相对设置。

在实际应用中，第一磁性部件222可以为磁铁，本发明实施例对磁铁的组成材料、磁通量、尺寸不作限定。

作为一种示例，TMR编码器可以为TMR传感器。

由于TMR编码器的检测精度远大于现有技术中采用光栅尺的检测精度，使得本发明针对电机组件210的转动角度的检测精度远大于现有技术中采用光栅尺对电机组件210的转动角度的检测精度。

在本发明的一种可选实施例中，所述第一磁铁固定件设置有第一齿轮2211；所述传动组件220还包括：一个或多个第二磁铁固定件223、与所述第二磁铁固定件223连接的第二磁性部件；所述第二磁铁固定件设置有第二齿轮2231；所述第一齿轮2211与所述第二齿轮2231连接，所述第一齿轮2211与所述第二齿轮2231之间具有预设传动比。

第一齿轮2211与第二齿轮2231连接，使得在第一齿轮2211转动时能够带动第二齿轮2231进行转动，由于第一齿轮2211和第二齿轮2231具有预设的传动比，使得第一磁性部件222和第二磁性部件可以以不同的速度转动。可以针对第二磁性部件设置相应的TMR编码器，从而通过快慢转速不同的磁性部件达到不同行程的精准控制和行程记录。

在本发明的一种可选实施例中，所述传动组件220还包括：同步组件224，所述同步组件224分别与所述第一齿轮2211、第二齿轮2231连接；所述第一齿轮2211通过所述同步组件224带动所述第二齿轮2231转动。

通过同步组件224连接第一齿轮2211和第二齿轮2231，使得电机组件210带动第一齿轮2211转动时，通过同步组件224带动第二齿轮2231进行转动，进而带动第二磁铁固定件223、第二磁性部件进行转动。

在本发明的一种可选实施例中，所述同步组件224包括同步齿轮2241；所述同步齿轮2241分别与所述第一齿轮2211、所述第二齿轮2231啮合连接。

参照图4，示出了本发明的另一种电机控制系统的结构示意图。在本发明的一种可选实施例中，所述同步组件224还包括同步带2242；所述同步带2242包括履带本体，以及嵌入于所述履带本体内部与所述履带本体匹配的金属线体；

所述同步带2242连接所述同步齿轮2241和所述第一齿轮2211，以及，连接所述同步齿轮2241以及所述第二齿轮2231。

通过同步带2242和同步齿轮2241，使得第一齿轮2211和第二齿轮2231能够同步转动，同时，避免通过齿轮进行传动时发生的空回情况，进一步提高了转动角度的检测准确性。

在本发明的一种可选实施例中，所述TMR编码器包括至少两个惠斯通电桥，所述惠斯通电桥包括至少四个TMR电阻，所述TMR电阻位于不同桥臂。

一个TMR编码器里面设置有两个由TMR电阻构成的电桥电路，0～180度1个桥，90～270度另一个桥。每个桥包含4个TMR电阻。磁性部件的中心位置和TMR编码器的中心位置对应放置，距离0.5～2mm。

转动角度信息为TMB编码器输出的电阻信息，伺服模组100能够采用电阻信息确定所述传动组件220的当前角度；并根据当前角度以及预设参数，生成目标控制信号。

具体的，惠斯通电桥自由层会随着外界磁场的变化而变化TMR电阻会随着自由层和钉扎层的夹角变化而变化通过反正切可以在

里得到每一个绝对角度，从而实现对磁性部件的绝对转动角度进行检测。

预设参数可以是配置驱动模组合适的工作电流、锁定电压等参数，设定最大速度、加速步数、匀速步数、减速步数等。

在本发明的一种可选实施例中，所述伺服模组100包括电路板110、位于所述电路板110上的控制芯片、与所述控制芯片连接的通信接口；所述TMR编码器、所述驱动模组与所述控制芯片连接。

通过控制芯片与接收TMR编码器发送的转动角度信息、生成目标控制信号，以及将目标控制信号发送至驱动模组。通信接口可以与上位机通信，控制芯片通过通信接口接收上位机发送的数据。

作为一种示例，控制芯片可以为单片机，通信接口为RS485总线接口。

参照图5，示出了本发明的又一种电机控制系统的结构示意图。在本发明的一种可选实施例中，还包括：底座300、以及散热罩400；所述电机组件210包括与所述转动轴连接的电机本体；所述底座300包括相对设置的第一平面与第二平面；

所述电机本体与所述第一平面连接，所述转动轴与所述第二平面连接；

所述散热罩400收容所述传动组件220、TMR编码器、驱动模组以及伺服模组100。

电机本体与传动组件220、TMR编码器、驱动模组、伺服模组100分别位于底座300的两侧，并通过散热罩400收容传动组件220、TMR编码器、驱动模组以及伺服模组100，降低电机本体工作时传动组件220、TMR编码器、驱动模组以及伺服模组100的温度。

在实际应用中，电机本体为步进电机。

在本发明的一种可选实施例中，还包括：与所述伺服模组100连接的上位机；所述电机组件210与预设的移动对象连接；

所述伺服模组100接收上位机发送的目标数据；所述目标数据包括所述移动对象的目标移动量；

所述伺服模组100根据所述目标数据生成初始控制信号。

上位机可以包括但不限于个人计算机、移动终端，本发明对上位机的具体类型、型号、规格不作限定，仅需要满足上位机可以与伺服模组100通信即可。

具体的，上位机可以通过通信接口与控制芯片进行单向或双向通信。

电机组件210可以具有输出轴，输出轴可以通过推动结构与移动对象连接，使得电机组件210在沿着第一方转动时，推动结构能够推动移动对象沿着指定方向移动。

所述伺服模组100可以根据所述目标数据以及转动角度信息，更新目标控制信号，从而使得能够在移动负载的过程中，结合目标数据对电机组件210进行精准实时控制。

本发明实施例可精确控制负载的位置和速度，以及电机本体的输出力矩，根据实际负载情况实时调整电机本体的电流大小。根据电机本体转动角度的绝对唯一性，分析不同的移动距离，计算最优工作电流、加速S曲线、锁定电压等，实现静止无抖动，平稳安静的运动，低发热，高速响应。同时在闭环伺服控制下，电机本体力矩可以100％充分利用，系统设计时无需考虑力矩冗余并精简减速机构，选用力矩更小、体积更小的电机。通过总线协议指令，使用预定义的整定参数，可以实现位置和电机状态信息实时获取，降低客户使用门槛和使用成本，用步进电机实现伺服电机的功能。

可以理解的是，在上述实施例中，电机控制系统还可以与电源组件连接，电源组件向伺服模组100、驱动模组、TMR编码器，以及电机模组200进行供电。

以下，以一个示例对本发明实施例的电机控制系统的工作方式作进一步说明，参照图6，示出了本发明的一种电机控制系统的结构框图，工作流程如下：

上位机通过RS485总线接口(通信接口)下发指令给单片机(控制芯片)，指示电机驱动负载(移动对象)从当前位置A移动到位置B。单片机分析移动距离，选择预定义的整定参数，配置驱动芯片(驱动模组)合适的工作电流、锁定电压等参数，设定最大速度、加速步数、匀速步数、减速步数等。电机移动后，齿轮传动结构将电机的转动角度信息传递给TMR传感器(TMR编码器)。单片机获取到TMR传感器的数据，进而分析评估是否需要调整电流、速度、力矩等，以确保运动过程实现加减速平稳，力矩输出效率高，停止不抖动，噪音低等效果。负载运动到位后，单片机通过RS485总线返回应答指令。其中，评估规则和标准是运动过程的算法和参数设置，运动过程分启动、加速、匀速、减速、停止等过程，不同过程中电机需要驱动的电流、力矩大小不同。例如启动时电流和力矩需要设置较大，以克服静摩擦力；而启动之后，只用考虑动摩擦力，电流和力矩可以减小，做功只和力和质量有关，而速度与加速度的设定和电机运动的平稳性和噪音都相关。可以根据移动的步数设定一个S曲线。而这些都是基于转动角度的信息反馈。

尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种电机控制系统，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种电机控制系统，其特征在于，包括：伺服模组、与所述伺服模组连接的驱动模组、隧道磁电阻TMR编码器，以及与所述驱动模组、TMR编码器连接的电机模组；所述电机模组包括与所述驱动模组连接的电机组件、与所述TMR编码器连接的传动组件；

所述电机组件带动所述传动组件进行转动；

所述TMR编码器检测所述传动组件的转动角度信息，以及将所述转动角度信息发送至所述伺服模组；

所述伺服模组基于所述转动角度信息生成目标控制信号，以及将所述目标控制信号发送至驱动模组；

所述驱动模组按照所述目标控制信号驱动所述电机组件。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电机组件包括转动轴；所述传动组件包括：第一磁体固定件、与所述第一磁体固定件连接的第一磁性部件；所述第一磁铁固定件与所述转动轴固定连接；所述第一磁性部件与所述TMR编码器相对设置。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一磁铁固定件设置有第一齿轮；所述传动组件还包括：一个或多个第二磁体固定件、与所述第二磁体固定件连接的第二磁性部件；所述第二磁铁固定件设置有第二齿轮；所述第一齿轮与所述第二齿轮连接，所述第一齿轮与所述第二齿轮之间具有预设传动比。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述传动组件还包括：同步组件，所述同步组件分别与所述第一齿轮、第二齿轮连接；

所述第一齿轮通过所述同步组件带动所述第二齿轮转动。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述同步组件包括同步齿轮；所述同步齿轮分别与所述第一齿轮、所述第二齿轮啮合连接。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述同步组件还包括同步带；所述同步带包括履带本体，以及嵌入于所述履带本体内部与所述履带本体匹配的金属线体；

所述同步带连接所述同步齿轮和所述第一齿轮，以及，连接所述同步齿轮以及所述第二齿轮。

7.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述TMR编码器包括至少两个惠斯通电桥，所述惠斯通电桥包括至少四个TMR电阻，所述TMR电阻位于不同桥臂。

8.根据权利要求1或2或3所述的系统，其特征在于，所述伺服模组包括电路板、位于所述电路板上的控制芯片、与所述控制芯片连接的通信接口；所述TMR编码器、所述驱动模组与所述控制芯片连接。

9.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，还包括：底座、以及散热罩；所述电机组件包括与所述转动轴连接的电机本体；所述底座包括相对设置的第一平面与第二平面；

所述电机本体与所述第一平面连接，所述转动轴与所述第二平面连接；

所述散热罩收容所述传动组件、TMR编码器、驱动模组以及伺服模组。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：与所述伺服模组连接的上位机；所述电机组件与预设的移动对象连接；

所述伺服模组接收上位机发送的目标数据；所述目标数据包括所述移动对象的目标移动量；

所述伺服模组根据所述目标数据生成初始控制信号。

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