CN112398288A - 一体化电机控制器系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一体化电机控制器系统，将霍尔磁角度传感器、主控芯片、电机驱动电路集成到同一块电路板，所述的霍尔磁角度传感器输出PWM信号或通过SPI接口与主控芯片进行通讯，将电机位置信息传递给主控芯片，所述的主控芯片通过对位置信息和转速信息的处理和计算，控制电机的转速和位置，主控芯片控制电机驱动电路的开关频度及换向时机。本发明极大的缩短了驱动器至电机的三相线和编码器至控制器的信号线，使系统得以简化；不存在反射波的影响；抗干扰能力强，可靠性高；体积、质量小型化，使整个系统的功率密度有所提高；材料成本及维护成本降低。可以用来取代传统驱动系统，并广泛应用于工业产线。
Description
技术领域
本发明涉及自动化控制技术领域，具体涉及一种一体化电机控制器系统。
背景技术
电机驱动系统广泛应用于智能机器人系统、汽车系统、工业机械设备系统的电机驱动当中，有着广泛的市场和应用前景。目前国内电机应用过程中多是采取控制驱动器与电机本体分离放置，如此必然会导致在一些庞杂的机电控制系统中，电源电缆，控制电缆以及通讯电缆引线长度和体积的增加，布线复杂，抗干扰能力差得问题。近年来，随着电力电子技术和传感器技术的发展，目前已经允许把控制器、驱动器、高精度编码器和电机本体高度集成起来，形成一个一体化式电机。
发明内容
本发明提供一种一体化电机控制器系统，将霍尔磁角度传感器、主控芯片、电机驱动芯片集成到同一块电路板当中，使得走线能够尽可能贴近电机，UVW输出线缆变得极短，编码器不需要外部走线，将驱动器和电机结合为一个整体，大大减少了走线数量，降低了机械设计机电一体的难度，解决了一直以来驱控一体走线输出多，驱动模块化能力不足的缺点。
本发明所采用的技术方案是一体化电机控制器系统，将霍尔磁角度传感器、主控芯片、电机驱动电路集成到同一块电路板，所述的霍尔磁角度传感器输出PWM信号或通过SPI接口与主控芯片进行通讯，将电机位置信息传递给主控芯片，所述的主控芯片通过对位置信息和转速信息的处理和计算，控制电机的转速和位置，所述的主控芯片控制电机驱动电路的开关频度及换向时机。
进一步地，该控制器系统还包括RS485通讯电路，时钟电路，电流传感器电路，电压转换电路，温度检测电路，所述的主控芯片用于执行了产生电机驱动PWM信号，电流传感器信号转换、处理，霍尔角度传感器信号处理，进行电流环、位置环、速度环闭环矢量控制计算功能；所述的电压转换电路用于将直流24V电源，转换成5V给霍尔磁角度传感器电路供电，转换成3.3V给主控芯片进行供电；所述的电机驱动电路根据主控芯片发出的驱动信号，对电机UVW三相进行控制，驱动电机转动，所述的驱动信号接口，直接与电UVW线相连。
进一步地，所述的霍尔磁角度传感器位于主控芯片的正中心，并与电机轴同轴。
进一步地，所述的主控芯片选用STM32F401，所述的主控芯片的29,30,31引脚与26,27,28引脚可复用为高级定时器功能，产生六路互补的PWM信号，分别与电机驱动芯片的4脚和5脚相连。
进一步地，所述的电机驱动芯片内部嵌有高端MOS管开关和低端MOS管开关，根据PWM驱动信号的高低电平变化，驱动电机UVW各相导通时间。
本发明的有益效果是：驱动系统极大的缩短了驱动器至电机的三相线和编码器至控制器的信号线，使系统得以简化；不存在反射波的影响；抗干扰能力强，可靠性高；体积、质量小型化，使整个系统的功率密度有所提高；材料成本及维护成本降低。本发明的一体化电机，本体采用永磁同步电机，具有高功率密度、低噪音的特点，满足水下仿生潜航器对驱动装置质量和噪音的要求。由于一体化电机以上优点，可以用来取代传统驱动系统，并广泛的应用于工业产线。适用于对体积和质量严格受控、抗干扰性要求高的航天航空、军事、机器人等领域。
附图说明
图1为本发明一体化电机控制器系统总体框图。
图2为本发明主控制芯片电路示意图。
图3为本发明电机驱动电路示意图。
具体实施方式
现结合附图对发明做进一步的说明，当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
在本发明的实施例中，对电机的轴数不做限定，可以是6轴或8轴，也可以是更少的轴，或者更多的轴。本一体化电机控制器系统，将霍尔磁角度传感器、主控制芯片、电机驱动芯片集成到同一块电路板当中。具体地，一体化电机控制器系统包括CPU控制单元，RS485通讯电路单元，时钟电路单元，角度传感器电路单元，电机驱动电路单元，电流传感器电路单元，电压转换电路单元，温度检测电路单元。其中主控制芯片电路执行了产生电机驱动PWM信号，电流传感器信号转换、处理，霍尔角度传感器信号处理，进行电流环、位置环、速度环闭环矢量控制计算功能；其中电源转换芯片，将直流24V电源，转换成5V给霍尔角度传感器电路供电，转换成3.3V给CPU进行供电；其中驱动芯片电路，根据主控CPU芯片发出的驱动信号，其中控制电路板驱动信号接口，直接与电UVW线相连，对电机UVW三相进行控制，驱动电机转动。
其中霍尔磁角度传感器位于控制电路板正中心，并与电机轴同轴，芯片选用英飞凌公司的TLE5012B芯片，依据巨磁电阻效应，感应安装在电机轴上的磁环转过的角度，获得电机位置信息。具备自动校准功能，可以对0～360°角度范围进行精确测量，最大角度误差为1°，磁钢以及传感器芯片安装位置与电机轴同轴，角度传感器可以输出PWM信号或通过SPI接口与主控芯片进行通讯，使主控芯片获得精确的角度信息，进而实现计算出电机转速，控制电机转动等功能。
其中主控制芯片选用STM32F401,该款芯片基于ARM Cortex-M4 32位精简指令内核，运行频率可达84MHz，具有低功耗模式，具备丰富的外设，16个12位的ADC模数转换外设可以用来测量相电流、母线电流、母线电压、温度等数据，定时器可以用来产生6路PWM波形来驱动电机驱动芯片，可以捕获角度检测芯片TLE5012B发出的PWM信号进而获得转动角度值。USART穿行通讯接口外设经过电平转换后，可以与上位进行通讯，进而对控制芯片进行监测与控制。
主控制芯片电路主要完成霍尔磁角度传感器采集数据的处理、变换工作；完成电流传感器采集信号处理、变换工作。完成电机控制电流环、速度环、位置环计算工作；完成电机控制参数flash存储工作；完成RS485串口通讯控制；完成温度传感器数据处理、变换工作；完成电机驱动芯片PWM信号产生工作，完成故障指示灯IO口控制工作；完成电机矢量控制算法计算、坐标变换、PWM驱动信号占空比计算等工作。主控芯片决定驱动芯片的开关频度及换向时机，通过霍尔磁角度传感器TLE5012B反馈回来的位置信息和转速信息来进行转速控制和位置控制。
直流24V转5V电源驱动芯片采用K7805JT-500R3，直流5V转3.3V采用LP5912Q3.3DRVRQ1。
电机驱动芯片采用英飞凌IRSM005-800MH芯片。该款芯片结构紧凑，大小仅为6.0mm*7.5mm，最大处理电流为20A，漏极间电阻最小7.3mΩ，宽驱动端供电电压范围10～20V。每个FDMF2011芯片内部集成了上下两路MOS管电路，主控芯片通过PWM芯片产生六路PWM驱动信号分别控制三个FDMF2011的HO和HI引脚进而驱动该芯片的上臂和下臂，使电流依序流经电机产生顺向或逆向的旋转磁场，并与转子的永磁体相互作用，使电机转动。
如图2所示，U1为CPU芯片，该芯片的29,30,31引脚与26,27,28引脚可复用为高级定时器功能，产生六路互补的PWM信号，分别与图3所示的电机驱动芯片IRSM005-800MH电路的4脚和5脚相连。通过电流传感器得到电流值，通过霍尔角度传感器可以得到位置信息并换算出速度信息，通过上位机设定的目标速度、位置，结合电流环、速度环、位置环并根据矢量控制算法，可以计算出每个控制周期内PWM占空比的大小，由主控制芯片产生六路互补的PWM波，发送给驱动芯片，驱动芯片内部嵌有高端MOS管开关和低端MOS管开关，根据PWM驱动信号的高低电平变化，进而驱动电机UVW各相导通时间，进而实现调速、换向、起停等功能。
综上所述，本发明通过将电机主控制芯片电路、功率驱动芯片电路、传感器检测电路结合到一起，使得走线能够尽可能贴近电机，UVW输出线缆变得极短，编码器不需要外部走线，将驱动器和电机结合为一个整体如此一来，大大减少了走线数量，降低了机械设计机电一体的难度，解决了一直以来驱控一体走线输出多，驱动模块化能力不足的缺点。
Claims (5)
1.一体化电机控制器系统，其特征在于：将霍尔磁角度传感器、主控芯片、电机驱动电路集成到同一块电路板，所述的霍尔磁角度传感器输出PWM信号或通过SPI接口与主控芯片进行通讯，将电机位置信息传递给主控芯片，所述的主控芯片通过对位置信息和转速信息的处理和计算，控制电机的转速和位置，所述的主控芯片控制电机驱动电路的开关频度及换向时机。
2.根据权利要求1所述的一体化电机控制器系统，其特征在于：该控制器系统还包括RS485通讯电路，时钟电路，电流传感器电路，电压转换电路，温度检测电路，所述的主控芯片用于执行了产生电机驱动PWM信号，电流传感器信号转换、处理，霍尔角度传感器信号处理，进行电流环、位置环、速度环闭环矢量控制计算功能；所述的电压转换电路用于将直流24V电源，转换成5V给霍尔磁角度传感器电路供电，转换成3.3V给主控芯片进行供电；所述的电机驱动电路根据主控芯片发出的驱动信号，对电机UVW三相进行控制，驱动电机转动，所述的驱动信号接口，直接与电UVW线相连。
3.根据权利要求1所述的一体化电机控制器系统，其特征在于：所述的霍尔磁角度传感器位于主控芯片的正中心，并与电机轴同轴。
4.根据权利要求1所述的一体化电机控制器系统，其特征在于：所述的主控芯片选用STM32F401，所述的主控芯片的29,30,31引脚与26,27,28引脚可复用为高级定时器功能，产生六路互补的PWM信号，分别与电机驱动芯片的4脚和5脚相连。
5.根据权利要求1所述的一体化电机控制器系统，其特征在于：所述的电机驱动芯片内部嵌有高端MOS管开关和低端MOS管开关，根据PWM驱动信号的高低电平变化，驱动电机UVW各相导通时间。
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| CN202011267066.9A CN112398288A (zh) | 2020-11-13 | 2020-11-13 | 一体化电机控制器系统 |
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|---|---|---|---|---|
| CN115142934A (zh) * | 2022-06-27 | 2022-10-04 | 艾科卡特催化器丹阳有限公司 | 一种用于尿素泵的稳压控制系统 |
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