CN115800838A - 一种宽幅高压直流供电执行机构控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种宽幅高压直流供电执行机构控制系统，所述系统包括阀位检测模块、控制模块和功率驱动模块，阀位检测模块用于获取阀门位置信号，控制模块用于将所述阀门位置信号和预设位置信号进行比较得到比较结果，并根据比较结果生成所述控制驱动信号；功率驱动模块用于响应所述控制驱动信号生成驱动信号，所述驱动信号用于控制电机转动。本发明利用控制模块、阀位检测模块和功率驱动模块监测电机实际运转的直流电压，通过调整所述控制驱动信号脉宽调制占空比实现电机转速调节，当实际直流电压在电压阈值范围之外时，控制模块向所述功率驱动模块发送制动信号以使电机停止转动，从而实现了宽幅高压直流的控制。

Description

一种宽幅高压直流供电执行机构控制系统

技术领域

本发明涉及电动执行机构控制技术领域，尤其涉及一种宽幅高压直流供电执行机构控制系统。

背景技术

目前国内外的电动执行机构主要适用的直流电压等级通常为24V、48V、60V、110V及220V等标准电压，电压波动小，稳定可靠。但是在船舶、舰艇等相关应用环境中，供电的方式主要为蓄电池。因蓄电池是化学电源，在使用过程中一些蓄电池会提前老化或损坏，从而严重影响整个蓄电池组的供电水平甚至无法供电。蓄电电池组在运行过程中，随着使用时间的增加必然会有个别或部分蓄电池出现老化现象。蓄电池的寿命是有限的，并随着工作环境的变化，其寿命也存在影响，蓄电池需要人工进行定期监测和维护。蓄电池的供电电压会根据使用的时间、负载增加等因素逐步降低，存在供电电压幅值高、范围大及波动幅度大等特点，使用标准的电动执行机构会在电源匹配上有一定的局限性。并且电动执行机构使用大幅波动的电源电压会对设备本身的功率、控制精度及使用寿命等性能参数产生严重的影响，甚至损坏。

因此，在高压直流电源电压的大幅变化的情况下，如何控制宽幅高压直流电压是目前亟需解决的技术问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明提供一种宽幅高压直流供电执行机构控制系统。该系统利用功率驱动模块输入并转换直流电源为线性电压反馈给控制模块，利用控制模块监测实际直流电压，通过调整所述控制驱动信号脉宽调制占空比实现电机转速调节，若实际直流电压在直流电压阈值范围外，则控制模块发送电机制动信号，功率驱动模块响应制动信号并使得电机停止运转，让电机的功率、控制精度及使用寿命等性能参数得到稳定，从而解决高压直流电源电压大幅变化的技术问题。

为实现上述目的及其它相关目的，本发明提供的技术方案如下。

一种宽幅高压直流供电执行机构控制系统，包括：

阀位检测模块，用于获取阀门位置信号；

控制模块，用于将所述阀门位置信号和预设位置信号进行比较得到比较结果，并根据比较结果生成所述控制驱动信号；

功率驱动模块，用于响应所述控制驱动信号生成驱动信号，所述驱动信号用于控制电机转动。

在本申请的实施例所提供的技术方案中，所述功率驱动模块包括：开关电源子模块，用于将直流电源输出的所述高压直流电压通转换为一个或多个目标直流电压，所述一个或多个目标直流电压为所述功率驱动模块和所述控制模块中的子模块供电。

在本申请的实施例所提供的技术方案中，所述功率驱动模块包括：电压检测子模块，用于将所述直流电源输出的电源电压转换为线性电压信号；

所述控制模块根据所述线性电压信号计算得到所述直流电源输出的实际直流电压，并根据所述实际直流电压和电压阈值范围判断所述直流电源的工作状态，所述工作状态包括正常工作状态和异常工作状态。

在本申请的实施例所提供的技术方案中，所述工作状态包括：当所述实际直流电压在所述电压阈值范围之外时，所述工作状态为异常；当所述实际直流电压在所述电压阈值范围内时，所述工作状态为正常。

在本申请的实施例所提供的技术方案中，所述电压检测子模块包括：线性光耦单元，用于将所述高压直流电压进行隔离并得到电压隔离信号；放大单元，用于将所述的电压隔离信号进行放大，得到所述线性电压信号。

在本申请的实施例所提供的技术方案中，所述控制模块包括：信号接收子模块，用于接收所述线性电压信号；采样子模块，用于对所述线性电压进行采样，得到由多个数字信号构成的数字信号合集；转换子模块，用于将所述数字信号合集通过阈值分割和模板匹配得到电压值转换关系式，并根据所述电压转换关系式计算得到所述实际直流电压；控制子模块，用于比较所述实际直流电压和所述电压阈值范围，当所述实际直流电压在所述电压阈值范围之外时，判断所述直流电源处于异常工作状态，并向所述功率驱动模块发送制动信号以使电机停止转动。

在本申请的实施例所提供的技术方案中，所述控制模块包括：方波生成子模块，用于将所述实际直流电压进行调制，得到脉宽方波；调制脉宽子模块，比较当前电机转速和目标电机转速，确定转速差值，根据所述转速差值调制所述脉宽方波，通过调制后的所述脉宽方波改变所述功率驱动模块输出的平均电压，并利用所述平均电压调整所述电机的转速。

在本申请的实施例所提供的技术方案中，所述调制脉宽子模块包括：占空比获取单元，用于获取所述转速差值，并根据所述转速差值与关系表，得到所述脉宽方波的占空比，其中所述关系表为所述电机速度与占空比的对应关系；转速调制单元，用于将所述占空比进行调整，调制所述当前平均电压以使所述电机转速改变；其中，所述关系表为所述电机速度与占空比的对应关系。

在本申请的实施例所提供的技术方案中，所述阀位检测模块包含编码器子模块，用于将所述电机的阀位转动角度转换为所述阀门位置信号。

在本申请的实施例所提供的技术方案中，所述控制系统还包括滤波模块：用于将输入所述直流电源的宽幅初始电压进行滤波，从而得到所述高压直流电压。

在本发明所提供的系统中，控制模块用于将阀门位置信号和预设位置信号进行比较，得到位置差，功率驱动模块根据位置差对电机进行驱动；同时，控制模块检测直流电源并计算出实时占空比调整电机转速，以使直流电源在电压阈值范围内。当电动执行机构使用宽幅高压直流进行供电时，本发明实现了对宽幅高压直流的控制，以使电动执行机构的功率、控制精度及使用寿命等性能参数稳定。

附图说明

图1是本发明实施例中宽幅高压直流供电执行机构控制系统的框图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

发明人研究发现，在船舶、舰艇等相关应用环境中，电子设备的供电方式主要为蓄电池但是蓄电池的供电电压是会随着使用的时间、负载的增加等因素，因此存在供电的电压幅值高，范围大及波动幅度大等特点，该特点会使得电子设备的运行参数和寿命受到影响，甚至无法正常工作。

基于上述出现的技术问题，本发明提供了一种宽幅高压直流供电执行机构控制系统，控制模块用于比较阀门位置信号和预设位置信号得到位置差，功率驱动模块根据位置差对电机进行驱动，同时控制模块检测直流电源并通过调制占空比改变电机转速，让直流电源处于电压阈值范围内。

如图1所示，本发明实施例提供一种宽幅高压直流供电执行机构控制系统，其包括：

阀位检测模块，用于获取阀门位置信号；

控制模块，用于将阀门位置信号和预设位置信号进行比较得到比较结果，并根据比较结果生成控制驱动信号；

功率驱动模块，用于响应控制驱动信号生成驱动信号，驱动信号用于控制电机转动。

详细地，功率驱动模块包括:开关电源子模块，用于将直流电源输出的高压直流电压通转换为一个或多个目标直流电压，一个或多个目标直流电压为功率驱动模块和控制模块中的子模块供电。

在本申请的一个实施例中，开关电源子模块采用的是反激式开关电源电路结构进行设计可将直流电流转化为5V、24V及4路15V等稳定可靠的直流电压并为控制模块和功率驱动模块电路中的子模块进行供电。反激式开关电源结构简单，具有短路保护、过载保护及欠压保护等多种保护功能，可提高系统对宽幅电压适应能力。

在本申请的一个实施例中，功率驱动模块包括：电压检测子模块，用于将直流电源输出的电源电压信号转换为线性电压信号；控制模块根据线性电压信号计算得到直流电源输出的实际直流电压，并根据实际直流电压和电压阈值范围判断直流电源的工作状态，工作状态包括正常工作状态和异常工作状态。

更详细地，工作状态包括：当实际直流电压在电压阈值范围之外时，工作状态为异常；当实际直流电压在电压阈值范围内时，工作状态为正常。

更详细地，电压检测子模块包括：线性光耦单元，用于将高压直流电压进行隔离并得到电压隔离信号；放大单元，用于将的电压隔离信号进行放大，得到线性电压信号。

更详细地，功率驱动模块中还包括IPM(Intelligent Power Module，智能功率模块)子模块，IPM子模块的额定电压参数为1200V、电流35A，其功耗小，抗干扰能力强，内部集成多种保护功能，增强了系统的稳定性。控制模块发出控制驱动信号，触发IPM的内部三相六桥的对应的桥臂的导通和截止，实现对电机转速、转矩等参数的控制。

其中，本申请的实施例中电机采用高功率密度直流无刷电机。

在本申请的一个实施例中，控制模块包括：信号接收子模块，用于接收线性电压信号；采样子模块，用于对线性电压进行采样，得到由多个数字信号构成的数字信号合集；转换子模块，用于将数字信号合集通过阈值分割和模板匹配得到电压值转换关系式，并根据电压转换关系式计算得到实际直流电压；控制子模块，用于比较实际直流电压和电压阈值范围，当实际直流电压在电压阈值范围之外时，判断直流电源处于异常工作状态，并向功率驱动模块发送制动信号以使电机停止转动。

在本申请的一个实施例中，控制模块包括：方波生成子模块，用于将实际直流电压进行调制，得到脉宽方波；调制脉宽子模块，比较当前电机转速和目标电机转速，确定转速差值根据转速差值调制脉宽方波，通过调制后的脉宽方波改变功率驱动模块输出的平均电压，并利用平均电压调整电机的转速。

更详细地，调制脉宽子模块包括：占空比获取单元，用于获取所述转速差值，并根据所述转速差值与关系表，得到所述脉宽方波的占空比，其中，关系表为所述电机速度与占空比的对应关系；转速调制单元，用于将占空比进行调整，调制当前平均电压以使电机转速改变。

更详细地，本申请的实施例的控制模块采用的是DSPIC30F6010A芯片，其内部嵌入多种外设模块，包含：A/D(模数转换)子模块，PWM(脉冲调制)子模块，电机霍尔信号采集子模块，指令扫描子模块。其中，A/D(模数转换)子模块将电源电压的模拟信号依次通过取样、保持和量化、编码几个过程后转换为数字格式，并将得到的数字信号合集进行通过阈值分割和模板匹配得到电压值转换关系式，根据电压值转换关系式计算实际直流电压，当通过比较实际直流电压在电压阈值范围之外时，直流电源处于异常工作状态，A/D模块向功率驱动控制模块发送抑制电机转动的控制驱动信号。

本申请的实施例的控制模块采用的是DSPIC30F6010A单片机，DSPIC30F6010A芯片中的电机转速调制模块为PWM(脉冲宽度调制)子模块，针对直流电源的输入，通过DSPIC30F6010A芯片中的PWM子模块向IPM子模块提供具有一定频率的脉冲宽度的可调方波。调整脉冲宽度的占空比可改变功率驱动模块的平均电压，可达到调节电机的目的。脉冲宽度的占空比与电机速度的关系表：通过记录电机速度调整至同一速度的对应的脉冲宽度占空比，当电机速度控制在10％内时，记录该速度对应的脉冲宽度占空比，汇总拟合成一次曲线，得到电机速度与脉冲宽度占空比的关系表。通过占空比获取单元获取转速差值，根据转速差值与关系表得到目标速度的脉冲方波占空比，调整占空比，使得当前平均电压改变，电机转速改变。

在本申请的一个实施例中，阀位检测模块包含编码器子模块，用于将电机的阀位转动角度转换为阀门位置信号。

在本申请的一个实施例中，控制系统还包括滤波模块：用于将输入直流电源的宽幅初始电压进行滤波，从而得到高压直流电压。

在本发明中，通过控制模块中的指令扫描子模块进行指令扫描，将用户输入的指令作为预设位置信号，将阀位位置信号作为对比信号；

通过比较预设位置信号和阀位位置信号，得到比较结果，该结果为两个位置的差值，如果差值等于零，则电机不需要运转；若差值非零，则控制模块根据差值向功率驱动模块发送控制驱动信号，功率驱动模块响应控制驱动信号生成驱动信号，驱动信号控制电机运转；

功率驱动模块实时转换直流电源的电源电压信号，将转换的线性电压信号反馈给控制模块，控制模块根据线性电压信号计算出实际直流电压；若实际直流电压在电压阈值范围内，则直流电源工作状态为正常；若实际直流电压在电压阈值范围之外，则直流电源工作状态为异常，此时，控制模块向功率驱动模块发送制止电机运转的控制驱动信号，功率驱动模块停止输出驱动信号，以使电机停止转动。

本发明提供了一种宽幅高压直流供电执行机构控制系统，该系统结合控制模块和功率驱动模块检测电机工作时，比较实际直流电源与直流电源的阈值范围，若实际直流电源在直流电源的阈值范围之外，控制模块向功率驱动模块发送制止信号以使电机停止转动。在船舶、舰艇上等应用场景中，本发明控制输入宽幅高压直流电源，让电机的功率、控制精度及使用寿命等性能参数得到稳定并使电机处于稳定的工作状态。

上述实施例仅示例性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，但凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种宽幅高压直流供电执行机构控制系统，其特征在于，包括：

阀位检测模块，用于获取阀门位置信号；

控制模块，用于将所述阀门位置信号和预设位置信号进行比较得到比较结果，并根据比较结果生成所述控制驱动信号；

功率驱动模块，用于响应所述控制驱动信号生成驱动信号，所述驱动信号用于控制电机转动。

2.根据权利要求1所述的宽幅高压直流供电执行机构控制系统，其特征在于，所述功率驱动模块包括:

开关电源子模块，用于将直流电源输出的所述高压直流电压通转换为一个或多个目标直流电压，所述一个或多个目标直流电压为所述功率驱动模块和所述控制模块中的子模块供电。

3.根据权利要求1所述的宽幅高压直流供电执行机构控制系统，其特征在于，所述功率驱动模块包括：电压检测子模块，用于将所述直流电源输出的电源电压转换为线性电压信号；

所述控制模块根据所述线性电压信号计算得到所述直流电源输出的实际直流电压，并根据所述实际直流电压和电压阈值范围判断所述直流电源的工作状态，所述工作状态包括正常工作状态和异常工作状态。

4.根据权利要求3所述的宽幅高压直流供电执行机构控制系统，其特征在于，所述工作状态包括：

当所述实际直流电压在所述电压阈值范围之外时，所述工作状态为异常；

当所述实际直流电压在所述电压阈值范围内时，所述工作状态为正常。

5.根据权利要求3所述的宽幅高压直流供电执行机构控制系统，其特征在于，所述电压检测子模块包括：

线性光耦单元，用于将所述高压直流电压进行隔离并得到电压隔离信号；

放大单元，用于将所述的电压隔离信号进行放大，得到所述线性电压信号。

6.根据权利要求1或3所述的宽幅高压直流供电执行机构控制系统，其特征在于，所述控制模块包括：

信号接收子模块，用于接收所述线性电压信号；

采样子模块，用于对所述线性电压进行采样，得到由多个数字信号构成的数字信号合集；

转换子模块，用于将所述数字信号合集通过阈值分割和模板匹配得到电压值转换关系式并根据所述电压转换关系式计算得到所述实际直流电压；

控制子模块，用于比较所述实际直流电压和所述电压阈值范围，当所述实际直流电压在所述电压阈值范围之外时，判断所述直流电源处于异常工作状态，并向所述功率驱动模块发送制动信号以使电机停止转动。

7.根据权利要求6所述的宽幅高压直流供电执行机构控制系统，其特征在于，所述控制模块包括：

方波生成子模块，用于将所述实际直流电压进行调制，得到脉宽方波；

调制脉宽子模块，比较当前电机转速和目标电机转速，确定转速差值，根据所述转速差值调制所述脉宽方波，通过调制后的所述脉宽方波改变所述功率驱动模块输出的平均电压，并利用所述平均电压调整所述电机的转速。

8.根据权利要求7所述的宽幅高压直流供电执行机构控制系统，其特征在于，所述调制脉宽子模块包括：

占空比获取单元，用于获取所述转速差值，并根据所述转速差值与关系表，得到所述脉宽方波的占空比，其中，所述关系表为所述电机速度与占空比的对应关系；

转速调制单元，用于将所述占空比进行调整，调制所述当前平均电压以使所述电机转速改变。

9.根据权利要求1所述的宽幅高压直流供电执行机构控制系统，其特征在于，所述阀位检测模块包含编码器子模块，用于将所述电机的阀位转动角度转换为所述阀门位置信号。

10.根据权利要求1所述的宽幅高压直流供电执行机构控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括滤波模块：用于将输入所述直流电源的宽幅初始电压进行滤波，从而得到所述高压直流电压。

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