CN113037173A - 一种纯硬件高性能电机驱动控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种纯硬件高性能电机驱动控制器，包括：信号变换模块，用于将电机的霍尔信号转换为与所述电机的转速成正比的电压信号；速度与电流环模块，用于基于所述电压信号、速度给定信号以及电机电流信号，生成电流调节信号；PWM模块，用于将所述电流调节信号转换为占空比可调的PWM信号；门控信号模块，用于将运行信号输入门控信号发生器，获得门控信号，将所述门控信号和所述PWM信号相与，获得控制信号；并基于所述控制信号驱动所述电机。本发明的实施例通过将电机的霍尔信号转换为与电机的转速成正比的电压信号，从而用电压值表示电机的转速信号，使得转速信号具有较高的线性度，能够满足大部分型号的电机驱动的需求。

Description

一种纯硬件高性能电机驱动控制器

技术领域

本发明涉及电机驱动，尤其涉及一种纯硬件高性能电机驱动控制器。

背景技术

电机驱动控制器是电机的重要组成部分，主要实现电机的供电、驱动、转速反馈等功能，现有的电机驱动控制器由于线性度较差，对于一些特定型号的电机用电机无法满足驱动的要求。

发明内容

为了解决上述技术问题的至少一个，本发明提供一种纯硬件高性能电机驱动控制器，包括：

信号变换模块，用于将电机的霍尔信号转换为与所述电机的转速成正比的电压信号；

速度与电流环模块，用于基于所述电压信号、速度给定信号以及电机电流信号，生成电流调节信号；

PWM模块，用于将所述电流调节信号转换为占空比可调的PWM信号；

门控信号模块，用于将运行信号输入门控信号发生器，获得门控信号，将所述门控信号和所述PWM信号相与，获得控制信号；并基于所述控制信号驱动所述电机。

作为一种可选的实施方式，所述信号变换模块，包括：

霍尔传感器，与所述电机相连，用于获取电机的三路霍尔信号；

倍频电路模块，用于将三路所述霍尔信号的全部上升沿触发信号和下降沿触发信号输入倍频电路，获取倍频信号；

频压变换模块，用于将所述倍频信号输入频压变换电路，获取所述电压信号。

作为一种可选的实施方式，所述速度与电流环模块，包括：

速度环模块，用于将所述电压信号作为转速调节器的负反馈，并且将所述速度给定信号作为转速调节器的输入，经所述转速调节器PI调节后，获得速度环输出信号。

作为一种可选的实施方式，所述速度与电流环模块，包括：

电流环模块，用于将所述速度环输出信号作为电流调节器的输入，并且将所述电机电流信号作为电流调节器的负反馈，获得所述电流调节信号。

作为一种可选的实施方式，所述门控信号模块，包括三相功率桥模块，所述门控信号模块具体用于：

将运行信号输入门控信号发生器，获得三路所述门控信号；

将三路所述门控信号分别和所述PWM信号相与，获得三路控制信号；将三路所述控制信号分别作为所述三相功率桥模块的三个高压侧输入端的输入信号；

将三路所述门控信号分别经非门后，作为所述三相功率桥模块的三个低压侧输入端的输入信号；

基于所述高压侧输入端的输入信号和所述低压侧输入端的输入信号，所述三相功率桥模块向所述电机输出三相电。

作为一种可选的实施方式，所述电机驱动控制器，还包括：

电源变换模块，用于基于上电信号，向所述信号变换模块、所述速度与电流环模块、所述PWM模块以及所述门控信号模块供电，并且基于并网控制信号，控制三相功率电路母线上电，并通过所述门控信号模块向所述电机提供三相电。

作为一种可选的实施方式，所述电机驱动控制器，还包括：

保护模块，用于基于识别的风险信号，发出紧急制动信号，并将所述紧急制动信号输入所述门控信号模块；所述风险信号包括：基于电机电流信号和电压信号，获取的过压信号、欠压信号和过流信号中的至少一种。

作为一种可选的实施方式，所述信号变换模块，还包括：

霍尔信号预处理模块，用于对三路所述霍尔信号进行预处理，获得每路所述霍尔信号的上升沿触发信号和下降沿触发信号。

作为一种可选的实施方式，所述三相功率桥模块，包括MSK4300三相功率桥集成芯片。

作为一种可选的实施方式，所述电机驱动控制器，还包括：上位机，用于产生上电信号、并网控制信号和运行信号。

与现有技术相比，本发明至少具有如下优点：

本发明的实施例通过将电机的霍尔信号转换为与电机的转速成正比的电压信号，从而用电压值表示电机的转速信号，从而使得转速信号具有较高的线性度，然后通过PWM将电压信号、速度给定信号以及电机的电流信号转换为PWM信号，根据PWM信号驱动电机，从而决定电机绕组电流，控制电机的转矩和转速，通过上述实施方式，使得本发明的电机驱动控制器能够满足大部分型号的电机驱动的需求。

附图说明

附图示出了本发明的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本发明的原理，其中包括了这些附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1为本发明的电机驱动控制器的原理示意框图；

图2为本发明的电机驱动控制器的电路原理逻辑示意框图；

图3为本发明的信号变换模块的原理示意框图；

图4为本发明的速度环与电流环模块的电路原理示意图；

图5为本发明的PWM模块的电路原理示意图；

图6为本发明的三相功率桥模块的电路原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。

需要说明的是，文中的步骤编号，仅为了方便具体实施例的解释，不作为限定步骤执行先后顺序的作用。本实施例提供的方法可以由相关的服务器执行，且下文均以服务器或计算机等电子设备作为执行主体为例进行说明。

参照图1至图3，本发明的实施例提供一种纯硬件高性能电机驱动控制器，包括：

信号变换模块1，用于将电机5的霍尔信号转换为与所述电机的转速成正比的电压信号；

速度与电流环模块2，用于基于所述电压信号、速度给定信号以及电机电流信号，生成电流调节信号；

PWM模块3，用于将所述电流调节信号转换为占空比可调的PWM信号；

门控信号模块4，用于将运行信号输入门控信号发生器41，获得门控信号，将所述门控信号和所述PWM信号相与，获得控制信号；并基于所述控制信号驱动所述电机。

本发明的实施例通过将电机的霍尔信号转换为与电机的转速成正比的电压信号，从而用电压值表示电机的转速信号，从而使得转速信号具有较高的线性度，然后通过PWM将电压信号、速度给定信号以及电机的电流信号转换为PWM信号，根据PWM信号驱动电机，从而决定电机绕组电流，控制电机的转矩和转速，通过上述实施方式，使得本发明的电机驱动控制器能够满足大部分型号的电机驱动的需求。

参照图1至图3，作为本实施例的可选实施方式，所述信号变换模块1，包括：

霍尔传感器11，与所述电机5相连，用于获取电机5的三路霍尔信号；

霍尔信号预处理模块12，用于对三路所述霍尔信号进行预处理，获得每路所述霍尔信号的上升沿触发信号和下降沿触发信号；

倍频电路模块13，用于将三路所述霍尔信号的全部所述上升沿触发信号和所述下降沿触发信号输入倍频电路，获取倍频信号；

频压变换模块14，用于将所述倍频信号输入频压变换电路，获取所述电压信号。

其中，所述倍频电路模块13包括六倍频电路，由于电机采用霍尔信号测试电机的转速和位置，当电机转速较低时，霍尔信号频率变小，会影响转速测量，从而降低控制精度；因此，本实施例通过将三路霍尔信号经六倍频电路处理，以提高电机转速信号的频率。作为另一种可选实施方式，可也采用或门芯片机械能六路脉冲的或运算，从而得到六倍频信号。

所述频压变换模块14包括微分电路、第一555定时器构成的单稳态电路、滤波电路、直流放大电路以及调零电路，从而将六倍频处理后的信号转换为一个与输入频率成正比的电压信号。微分电路、第一555定时器构成的单稳态电路、滤波电路、直流放大电路以及调零电路均可选用现有相关电路模块。

参照图1至图3，作为本实施例的可选实施方式，所述速度与电流环模块2，包括：

速度环模块21，用于将所述电压信号作为转速调节器的负反馈，并且将速度给定信号作为转速调节器的输入，经所述转速调节器进行PI调节后，获得速度环输出信号。

电流环模块22，用于将所述速度环输出信号作为电流调节器的输入，并且将电机电流信号作为电流调节器的负反馈，获得所述电流调节信号。

参照图4，本实施例的速度与电流环模块2包括比例积分电路和加法电路，本实施例通过获取电机5的三路霍尔信号，并经过倍频、频压变换后获得和转速呈正比的电压信号，将该信号作为转速调节器的负反馈，经过速度调节器进行PI调节后，输出到电流调节器，作为电流调节器的输入指令，电流调节环将电机电流信号作为其负反馈，获得电流调节信号。

参照图2和图6，作为本实例的可选的实施方式，所述门控信号模块4，还包括三相功率桥模块42；所述三相功率桥模块42优选用MSK4300三相功率桥集成芯片，通过外扩差动放大电路，实现母线电流的传感采集。通过三相功率桥模块，将功率电路和弱电控制电路分开，从而避免功率电路对弱电控制电路的影响。

所述门控信号模块4具体用于：

将运行信号输入门控信号发生器41，获得三路所述门控信号；

将三路所述门控信号分别和所述PWM信号相与，获得三路控制信号；将三路所述控制信号分别作为所述三相功率桥模块42的三个高压侧输入端的输入信号；

将三路所述门控信号分别经非门后，作为所述三相功率桥模块的三个低压侧输入端的输入信号；

基于所述高压侧输入端的输入信号和所述低压侧输入端的输入信号，所述三相功率桥模块向所述电机输出三相电。

作为本实施例的可选的实施方式，所述电机驱动控制器，还包括：

电源变换模块6，用于基于上电信号，向所述信号变换模块1、所述速度与电流环模块2、所述PWM模块3以及所述门控信号模块4供电，并且基于并网控制信号，控制三相功率电路母线上电，并通过所述门控信号模块向所述电机提供三相电。

所述电源变换模块6包括27V电源并网控制电路、浪涌抑制电路62、电源变换稳压滤波电路61，电源变换模块的控制核心可选用UC1842电流模数PWM控制器，27V电源经过多路隔离电源滤波后通过7805、7912和7812等稳压芯片输出相应电压。上位机给控制器上电后，电源变换电路产生±12V、5V三路供地电源，用于信号处理及控制逻辑电路。另外电源变换电路还产生一路独立的5V用于与上位机相连的转速反馈电路。

参照图1、图2和图5，作为本实施例的可选实施方式，所述PWM模块3包括PWM发生器，所述PWM发生器利用RC电路，将第二555定时器输出方波变成三角波，将三角波与转速调节器进行PI调节后输出电压进行比较，从而产生占空比可调的PWM信号，该PWM信号再与门控信号相与，即可用于三相功率桥的驱动，从而决定电机绕组电流，控制电机的转矩和转速。

参照图2，作为可选的实施方式，所述电机驱动控制器，还包括：

保护模块，所述保护模块包括过压/欠压判别电路71、电流比较器电路72等，用于基于识别的风险信号，发出紧急制动信号，并将所述紧急制动信号输入所述门控信号模块；所述风险信号包括：基于电机电流信号和电压信号，获取的过压信号、欠压信号和过流信号中的至少任意一种。

参照图2，作为本实施例可选的实施方式，还包括：上位机8，用于产生上电信号、并网控制信号和运行信号。本实施例的电机驱动控制器可选用电连接器J599/20FB35SN相连。

电源变换模块6从并网继电器9之前取电，上位机8给电机驱动控制器上电后电源变换模块6首先工作，给由信号变换模块1、速度与电流环模块2、PWM模块3、门控信号模块4、保护模块等组成的控制逻辑电路供电。

信号处理及控制逻辑电路上电结束、初始状态建立后，判断上位机提供的27V电压是否满足并网条件，如果满足并网条件则发出并网控制指令，并网继电器吸合，三相功率电路母线上电。

上位机的运行指令控制电机的运行，上位机运行信号有效并且保护模块输出的紧急制动信号无效时，门控信号模块按照电机的霍尔位置信号产生门控信号控制三相桥中功率管的开通顺序，从而控制电机的转向。

应理解的是，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。上述实施例方法的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，该程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

本发明的流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分。并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能。

本发明在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。

本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本发明，而并非是对本发明的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述发明的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种纯硬件高性能电机驱动控制器，其特征在于，包括：

信号变换模块，用于将电机的霍尔信号转换为与所述电机的转速成正比的电压信号；

速度与电流环模块，用于基于所述电压信号、速度给定信号以及电机电流信号，生成电流调节信号；

PWM模块，用于将所述电流调节信号转换为占空比可调的PWM信号；

门控信号模块，用于将运行信号输入门控信号发生器，获得门控信号，将所述门控信号和所述PWM信号相与，获得控制信号；并基于所述控制信号驱动所述电机。

2.如权利要求1所述的电机驱动控制器，其特征在于，所述信号变换模块，包括：

霍尔传感器，与所述电机相连，用于获取电机的三路霍尔信号；

倍频电路模块，用于将三路所述霍尔信号的全部上升沿触发信号和下降沿触发信号输入倍频电路，获取倍频信号；

频压变换模块，用于将所述倍频信号输入频压变换电路，获取所述电压信号。

3.如权利要求1所述的电机驱动控制器，其特征在于，所述速度与电流环模块，包括：

速度环模块，用于将所述电压信号作为转速调节器的负反馈，并且将所述速度给定信号作为转速调节器的输入，经所述转速调节器P I调节后，获得速度环输出信号。

4.如权利要求3所述的电机驱动控制器，其特征在于，所述速度与电流环模块，包括：

电流环模块，用于将所述速度环输出信号作为电流调节器的输入，并且将所述电机电流信号作为电流调节器的负反馈，获得所述电流调节信号。

5.如权利要求1所述的电机驱动控制器，其特征在于，所述门控信号模块，包括三相功率桥模块，所述门控信号模块具体用于：

将运行信号输入门控信号发生器，获得三路所述门控信号；

将三路所述门控信号分别和所述PWM信号相与，获得三路控制信号；将三路所述控制信号分别作为所述三相功率桥模块的三个高压侧输入端的输入信号；

将三路所述门控信号分别经非门后，作为所述三相功率桥模块的三个低压侧输入端的输入信号；

基于所述高压侧输入端的输入信号和所述低压侧输入端的输入信号，所述三相功率桥模块向所述电机输出三相电。

6.如权利要求1所述的电机驱动控制器，其特征在于，还包括：

电源变换模块，用于基于上电信号，向所述信号变换模块、所述速度与电流环模块、所述PWM模块以及所述门控信号模块供电，并且基于并网控制信号，控制三相功率电路母线上电，并通过所述门控信号模块向所述电机提供三相电。

7.如权利要求1所述的电机驱动控制器，其特征在于，还包括：

保护模块，用于基于识别的风险信号，发出紧急制动信号，并将所述紧急制动信号输入所述门控信号模块；所述风险信号包括：基于电机电流信号和电压信号，获取的过压信号、欠压信号和过流信号中的至少一种。

8.如权利要求2电机驱动控制器，其特征在于，所述信号变换模块，还包括：

霍尔信号预处理模块，用于对三路所述霍尔信号进行预处理，获得每路所述霍尔信号的上升沿触发信号和下降沿触发信号。

9.如权利要求5所述的电机驱动控制器，其特征在于，所述三相功率桥模块，包括MSK4300三相功率桥集成芯片。

10.如权利要求1-8任一项所述的电机驱动控制器，其特征在于，还包括：上位机，用于产生上电信号、并网控制信号和运行信号。

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