CN113904595A - 一种永磁无刷直流电机控制系统及其控制方法 - Google Patents

一种永磁无刷直流电机控制系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

一种永磁无刷直流电机控制系统，包括整流滤波模块、DC‑DC模块、MCU模块、IGBT驱动模块、位置检测模块和RS485网络接口模块；所述整流滤波模块与输入电源连接，所述整流滤波模块还分别与DC‑DC模块、IGBT驱动模块电性连接，所述DC‑DC模块分别与MCU模块、RS485网络接口模块电性连接，所述MCU模块分别与IGBT驱动模块、位置检测模块以及RS485网络接口模块电性连接，所述IGBT驱动模块和位置检测模块均与电机连接。该系统能够通过RS485网络远程控制和设置电机运行参数，远程控制连线较少且安装简单，便于永磁无刷直流电机远程控制，提升永磁无刷直流电机控制的网络化水平，提升控制器抗干扰性能。

Description

一种永磁无刷直流电机控制系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及永磁无刷直流电机的驱动控制技术领域，具体涉及一种基于RS485总线控制的永磁无刷直流电机控制系统及其控制方法。
背景技术
由于永磁无刷直流电机具有体积小、效率高、可调速度范围宽、噪声低等优点，目前被广泛应用于汽车、船舶、航空、机器人等行业。永磁无刷直流电机控制器主要是根据永磁无刷直流电机定子位置信号，利用PWM脉宽调制技术驱动电机。
目前永磁无刷直流电机控制器主要采用数字I/O信号控制电机启停、本地拨码或模拟信号调节电机转速，可以设置的参数较少，不便于电机运行参数设置和远程控制。并且控制器与电机之间连线较多，安装复杂。因此如何减少控制器外部控制线，提升永磁无刷直流电机控制网络化水平和抗干扰能力具有重要意义。
发明内容
本发明其目的就在于提供一种永磁无刷直流电机控制系统及其控制方法，以解决上述背景技术中的问题。
为实现上述目的而采取的技术方案是，一种永磁无刷直流电机控制系统，该系统包括整流滤波模块、DC-DC模块、MCU模块、IGBT驱动模块、位置检测模块和RS485网络接口模块；所述整流滤波模块与输入电源连接，所述整流滤波模块还分别与DC-DC模块、IGBT驱动模块电性连接，所述DC-DC模块分别与MCU模块、RS485网络接口模块电性连接，所述MCU模块分别与IGBT驱动模块、位置检测模块以及RS485网络接口模块电性连接，所述IGBT驱动模块和位置检测模块均与电机连接。
进一步，所述整流滤波模块包括保险管F1、压敏电阻RV、单相整流桥U1、电阻RX0、共模电感L1、电容C101、热敏电阻RT1、电容C102、电容C103；所述整流滤波模块将AC220V、50Hz电源经过保险管F1、压敏电阻RV进入单相整流桥U1，经整流的电源依次经过电阻RX0、共模电感L1、电容C101、热敏电阻RT1、电容C102、电容C103进行滤波得到稳定的直流母线电源供给DC-DC模块和IGBT驱动模块。
进一步，所述DC-DC模块包括第一级DC-DC电路、第二级DC-DC电路、第三级DC-DC电路；所述第一级DC-DC电路包括DC/DC模块U2、电容C107、电容C108，所述DC/DC模块U2将直流母线电源降压为15V直流电源，所述电容C107和电容C108对DC/DC模块U2输出的电源进行滤波得到稳定的15V直流电源供给IGBT驱动模块和第二级DC-DC电路；所述第二级DC-DC电路包括电容C106、DC/DC模块U3、电容C113、电容C114，所述DC/DC模块U3将15V直流电源降压为5V直流电源，所述电容C113和电容C114对DC/DC模块U3输出的电源进行滤波得到稳定的5V直流电源供给位置检测模块和RS485网络接口模块；所述第三级DC-DC电路包括DC/DC模块U6、电容C115、电容C116，所述DC/DC模块U6将5V直流电源降压为3.3V直流电源，所述电容C115和电容C116对DC/DC模块U3输出的电源进行滤波得到稳定的3.3V直流电源供给MCU模块和RS485网路接口模块。
进一步，所述位置检测模块包括电阻R401、电阻R402、电阻R403、电容C401、电容C402、电容C403、高速光耦合器E1、高速光耦合器E2、高速光耦合器E3、电阻R404、电阻R405、电阻R406；所述位置检测模块通过霍尔传感器确定电机定子位置，霍尔传感器通过电阻R401、电阻R402、电阻R403、电容C401、电容C402、电容C403上拉5V后分别接入高速光耦合器E1、高速光耦合器E2、高速光耦合器E3进行输入信号隔离，经过光电隔离的霍尔信号输入MCU模块。
进一步，所述RS485网络接口模块包括电容C421、电阻R420、隔离的全双工RS485收发器D3和静电保护二极管V17。
一种永磁无刷直流电机控制系统的控制方法，该方法包括以下步骤：
（1）控制器上电后，MCU模块对定时器、RS485网络、位置检测模块进行程序初始化设置，初始化完成后进入while循环执行相关控制逻辑；
（2）while循环中等待远程RS485控制命令或控制参数指令，如若控制器通过RS485接收到远程控制指令，则控制器进入Step3对接收的RS485指令进行解析,如果RS485没有更新控制则继续等待新的RS485控制指令；
（3）控制器对接收的RS485指令进行解析和校验，并相远端控制系统发送相应的控制指令，表示已成功接收控制指令；
（4）控制器根据解析的控制指令，判断接收到的控制指令是控制命令还是控制参数；
（5）如若控制器接收的控制指令是控制命令，则控制器根据电机定子位置信号输出对应PWM脉宽调制信号，驱动电机启动或者停止；如若控制器接收的控制指令是控制参数，则控制器更新控制参数；
（6）控制器通过RS485总线发送电机和控制器运行参数，包括转速、故障和运行状态等信息。
有益效果
与现有技术相比本发明具有以下优点。
本发明可以通过RS485网络远程控制和设置电机运行参数，远程控制连线较少且安装简单，便于永磁无刷直流电机远程控制，提升永磁无刷直流电机控制的网络化水平和抗干扰能力。
附图说明
以下结合附图对本发明作进一步详述。
图1为本发明中永磁无刷直流电机控制系统的电气原理框图；
图2为本发明中整流滤波模块的电路原理图；
图3为本发明中DC-DC模块的电路原理图；
图4为本发明中位置检测模块的电路原理图；
图5为本发明中RS485网络接口模块的电路原理图；
图6为本发明控制系统的控制逻辑框图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述。
如图1-图5所示，一种永磁无刷直流电机控制系统，该系统包括整流滤波模块1、DC-DC模块2、MCU模块3、IGBT驱动模块4、位置检测模块5和RS485网络接口模块6；所述整流滤波模块1与输入电源连接，所述整流滤波模块1还分别与DC-DC模块2、IGBT驱动模块4电性连接，所述DC-DC模块2分别与MCU模块3、RS485网络接口模块6电性连接，所述MCU模块3分别与IGBT驱动模块4、位置检测模块5以及RS485网络接口模块6电性连接，所述IGBT驱动模块4和位置检测模块5均与电机7连接。
所述整流滤波模块1包括保险管F1、压敏电阻RV、单相整流桥U1、电阻RX0、共模电感L1、电容C101、热敏电阻RT1、电容C102、电容C103；所述整流滤波模块1将AC220V、50Hz电源经过保险管F1、压敏电阻RV进入单相整流桥U1，经整流的电源依次经过电阻RX0、共模电感L1、电容C101、热敏电阻RT1、电容C102、电容C103进行滤波得到稳定的直流母线电源供给DC-DC模块2和IGBT驱动模块4。
所述DC-DC模块2包括第一级DC-DC电路、第二级DC-DC电路、第三级DC-DC电路；所述第一级DC-DC电路包括DC/DC模块U2、电容C107、电容C108，所述DC/DC模块U2将直流母线电源降压为15V直流电源，所述电容C107和电容C108对DC/DC模块U2输出的电源进行滤波得到稳定的15V直流电源供给IGBT驱动模块4和第二级DC-DC电路；所述第二级DC-DC电路包括电容C106、DC/DC模块U3、电容C113、电容C114，所述DC/DC模块U3将15V直流电源降压为5V直流电源，所述电容C113和电容C114对DC/DC模块U3输出的电源进行滤波得到稳定的5V直流电源供给位置检测模块5和RS485网络接口模块6；所述第三级DC-DC电路包括DC/DC模块U6、电容C115、电容C116，所述DC/DC模块U6将5V直流电源降压为3.3V直流电源，所述电容C115和电容C116对DC/DC模块U3输出的电源进行滤波得到稳定的3.3V直流电源供给MCU模块3和RS485网路接口模块6。
所述位置检测模块5包括电阻R401、电阻R402、电阻R403、电容C401、电容C402、电容C403、高速光耦合器E1、高速光耦合器E2、高速光耦合器E3、电阻R404、电阻R405、电阻R406；所述位置检测模块通过霍尔传感器确定电机定子位置，霍尔传感器通过电阻R401、电阻R402、电阻R403、电容C401、电容C402、电容C403上拉5V后分别接入高速光耦合器E1、高速光耦合器E2、高速光耦合器E3进行输入信号隔离，经过光电隔离的霍尔信号输入MCU模块3。
所述RS485网络接口模块6包括电容C421、电阻R420、隔离的全双工RS485收发器D3和静电保护二极管V17。
如图6所示，一种永磁无刷直流电机控制系统的控制方法，该方法包括以下步骤：
（1）控制器上电后，MCU模块对定时器、RS485网络、位置检测模块进行程序初始化设置，初始化完成后进入while循环执行相关控制逻辑；
（2）while循环中等待远程RS485控制命令或控制参数指令，如若控制器通过RS485接收到远程控制指令，则控制器进入Step3对接收的RS485指令进行解析,如果RS485没有更新控制则继续等待新的RS485控制指令；
（3）控制器对接收的RS485指令进行解析和校验，并相远端控制系统发送相应的控制指令，表示已成功接收控制指令；
（4）控制器根据解析的控制指令，判断接收到的控制指令是控制命令还是控制参数；
（5）如若控制器接收的控制指令是控制命令，则控制器根据电机定子位置信号输出对应PWM脉宽调制信号，驱动电机启动或者停止；如若控制器接收的控制指令是控制参数，则控制器更新控制参数；
（6）控制器通过RS485总线发送电机和控制器运行参数，包括转速、故障和运行状态等信息。
本发明中，所述整流滤波模块1将AC220V 50Hz电源经过保险管F1、压敏电阻RV进入单相整流桥U1，经整流电源依次经过电阻RX0、共模电感L1、电容C101、热敏电阻RT1、电容C102、电容C103进行滤波得到稳定的直流母线电源，直流母线电源为DC-DC模块2和IGBT驱动模块4提供工作电源。
所述DC-DC模块2主要包括有三级DC-DC电路；第一级DC-DC电路是采用DC/DC模块U2将直流母线电源降压为15V直流电源，电容C107和电容C108对U2输出电源进行滤波得到稳定的15V直流电源，为IGBT驱动模块提供驱动电源和第二级DC-DC电路提供输入电源；第二级DC-DC电路是采用DC/DC模块U3将15V直流电源降压为5V直流电源，电容C113和电容C114对U3输出电源进行滤波得到稳定的5V直流电源，为位置检测模块和RS485网络接口模块提供电源；第三级DC-DC电路是采用DC/DC模块U6将5V直流电源降压为3.3V直流电源，电容C115和电容C116对U3输出电源进行滤波得到稳定的3.3V直流电源，为MCU模块和RS485网路接口模块提供电源。
所述位置检测模块5用于获取电机定子位置，电机定子位置通过三个霍尔传感器HA、HB、HC确定，三个霍尔传感器通过电阻R401、电阻R402、电阻R403、电容C401、电容C402、电容C403上拉5V后分别接入高速光耦合器E1、高速光耦合器E2、高速光耦合器E3进行输入信号隔离，经过光电隔离的霍尔信号输入MCU模块3；MCU模块3根据霍尔信号产生相对的PWM脉宽调制波形，PWM脉宽调制波形驱动控制IGBT驱动模块4的通断，控制电机7的状态。
所述RS485网络接口模块6主要包括电容C421、电阻R420、隔离的全双工RS485收发器D3和静电保护二极管V17；RS485网络接口模块6主要是接收RS485网络远程控制命令、驱动控制参数和发送电机状态信息，根据控制命令和控制参数控制直流无刷电机运行，同时反馈直流无刷电机和控制器的运行状态、运行参数和故障等信息。
本发明是一种基于RS485总线的永磁无刷直流电机控制系统的控制方法，具体包括步骤如下：
（1）控制器上电后，MCU对定时器、RS485网络、位置检测等模块进行程序初始化设置，初始化完成后程序进入while循环执行相关控制逻辑；
（2）while循环中等待远程RS485控制命令或控制参数指令，如若控制器通过RS485接收到远程控制指令，则控制器进入Step3对接收的RS485指令进行解析,如果RS485没有更新控制则继续等待新的RS485控制指令；
（3）控制器对接收的RS485指令进行解析和校验，并相远端控制系统发送相应的控制指令，表示已成功接收控制指令；
（4）控制器根据解析的控制指令，判断接收到的控制指令是控制命令还是控制参数；
（5）如若控制器接收的控制指令是控制命令，则控制器根据电机定子位置信号输出对应PWM脉宽调制信号，驱动电机启动或者停止；如若控制器接收的控制指令是控制参数，则控制器更新控制参数；
（6）控制器通过RS485总线发送电机和控制器运行参数，包括转速、故障和运行状态等信息。
采用本发明的永磁无刷直流电机控制器可以通过RS485网络远程控制电机和设置运行参数，远程控制连线较少且安装简单，提升永磁无刷直流电机控制的网络化水平和抗干扰能力。

Claims (6)

1.一种永磁无刷直流电机控制系统，该系统包括整流滤波模块（1）、DC-DC模块（2）、MCU模块（3）、IGBT驱动模块（4）、位置检测模块（5）和RS485网络接口模块（6）；其特征在于，所述整流滤波模块（1）与输入电源连接，所述整流滤波模块（1）还分别与DC-DC模块（2）、IGBT驱动模块（4）电性连接，所述DC-DC模块（2）分别与MCU模块（3）、RS485网络接口模块（6）电性连接，所述MCU模块（3）分别与IGBT驱动模块（4）、位置检测模块（5）以及RS485网络接口模块（6）电性连接，所述IGBT驱动模块（4）和位置检测模块（5）均与电机（7）连接。
2.根据权利1要求所述的一种永磁无刷直流电机控制系统，其特征在于，所述整流滤波模块（1）包括保险管F1、压敏电阻RV、单相整流桥U1、电阻RX0、共模电感L1、电容C101、热敏电阻RT1、电容C102、电容C103；所述整流滤波模块（1）将AC220V、50Hz电源经过保险管F1、压敏电阻RV进入单相整流桥U1，经整流的电源依次经过电阻RX0、共模电感L1、电容C101、热敏电阻RT1、电容C102、电容C103进行滤波得到稳定的直流母线电源供给DC-DC模块（2）和IGBT驱动模块（4）。
3.根据权利1要求所述的一种永磁无刷直流电机控制系统，其特征在于，所述DC-DC模块（2）包括第一级DC-DC电路、第二级DC-DC电路、第三级DC-DC电路；所述第一级DC-DC电路包括DC/DC模块U2、电容C107、电容C108，所述DC/DC模块U2将直流母线电源降压为15V直流电源，所述电容C107和电容C108对DC/DC模块U2输出的电源进行滤波得到稳定的15V直流电源供给IGBT驱动模块（4）和第二级DC-DC电路；所述第二级DC-DC电路包括电容C106、DC/DC模块U3、电容C113、电容C114，所述DC/DC模块U3将15V直流电源降压为5V直流电源，所述电容C113和电容C114对DC/DC模块U3输出的电源进行滤波得到稳定的5V直流电源供给位置检测模块（5）和RS485网络接口模块（6）；所述第三级DC-DC电路包括DC/DC模块U6、电容C115、电容C116，所述DC/DC模块U6将5V直流电源降压为3.3V直流电源，所述电容C115和电容C116对DC/DC模块U3输出的电源进行滤波得到稳定的3.3V直流电源供给MCU模块（3）和RS485网路接口模块（6）。
4.根据权利1要求所述的一种永磁无刷直流电机控制系统，其特征在于，所述位置检测模块（5）包括电阻R401、电阻R402、电阻R403、电容C401、电容C402、电容C403、高速光耦合器E1、高速光耦合器E2、高速光耦合器E3、电阻R404、电阻R405、电阻R406；所述位置检测模块通过霍尔传感器确定电机定子位置，霍尔传感器通过电阻R401、电阻R402、电阻R403、电容C401、电容C402、电容C403上拉5V后分别接入高速光耦合器E1、高速光耦合器E2、高速光耦合器E3进行输入信号隔离，经过光电隔离的霍尔信号输入MCU模块（3）。
5.根据权利1要求所述的一种永磁无刷直流电机控制系统，其特征在于，所述RS485网络接口模块（6）包括电容C421、电阻R420、隔离的全双工RS485收发器D3和静电保护二极管V17。
6.一种永磁无刷直流电机控制系统的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
控制器上电后，MCU模块对定时器、RS485网络、位置检测模块进行程序初始化设置，初始化完成后进入while循环执行相关控制逻辑；
while循环中等待远程RS485控制命令或控制参数指令，如若控制器通过RS485接收到远程控制指令，则控制器进入Step3对接收的RS485指令进行解析,如果RS485没有更新控制则继续等待新的RS485控制指令；
控制器对接收的RS485指令进行解析和校验，并相远端控制系统发送相应的控制指令，表示已成功接收控制指令；
控制器根据解析的控制指令，判断接收到的控制指令是控制命令还是控制参数；
如若控制器接收的控制指令是控制命令，则控制器根据电机定子位置信号输出对应PWM脉宽调制信号，驱动电机启动或者停止；如若控制器接收的控制指令是控制参数，则控制器更新控制参数；
控制器通过RS485总线发送电机和控制器运行参数，包括转速、故障和运行状态等信息。
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