CN201562165U - 网络化的无刷直流电动机无传感器智能控制系统 - Google Patents

Abstract

一种网络化的无刷直流电动机无传感器智能控制系统包括工控机、CAN总线部分、DSP控制部分和液晶显示部分，DSP控制部分是核心，对电动机进行监测、控制和转速调节，包括数字信号处理器、电压和电流检测电路、PWM驱动电路、驱动保护电路和功率电路，CAN总线部分实现工控机与数字信号处理器的网络通信与数据传输，包括CAN接口卡、CAN总线接口电路和CAN控制器，工控机收发远程控制命令、显示状态和打印；液晶显示部分显示电动机转速、电流和电压值；DSP控制部分与液晶显示部分和DM连接，工控机通过CAN总线部分与DSP控制部分连接。本系统能实现网络化管理、无需电流传感器和电压传感器、控制精度高。

Description

网络化的无刷直流电动机无传感器智能控制系统

【技术领域】

本实用新型涉及一种用于控制电动机的装置，特别涉及一种无刷直流电动机的控制装置。

【背景技术】

无刷直流电动机是随着电机控制技术、电力电子技术和微电子技术的发展而出现的一种新型电机，它在诸如数控机床、机器人的伺服驱动系统、医疗器械、仪器仪表及家用电器等方面的应用日益普及。早期的无刷直流电动机控制系统主要是由模拟器件构成的模拟控制系统，这种系统虽然成本低、系统易于实现，但其缺点也是明显的：器件易于老化、由于器件温度漂移而使系统可靠性下降、系统升级困难、系统控制的灵活性较差等；数字控制系统由于能够很好地解决模拟系统存在的这些问题，实现了系统的数字化处理和控制算法的可靠升级，因此已成为无刷直流电动机控制系统发展的主流。然而目前的无刷直流电动机数字控制系统几乎全为独立的控制系统，完全不能满足企业对生产设备进行网络化管理和监控的需求；同时由于现有的数字控制系统大多采用以单片机核心的微处理器，这些单片机集成度尚不够高、需要扩展的外围电路多、数据转换速度不够快，难以构成高性能的控制系统；此外，由于单片机的指令功能不够强、处理速度慢，因此往往很难应用较为复杂的智能控制算法，进而大大影响控制的精度和稳定性。

【实用新型内容】

本实用新型的目的在于提供一种能实现网络管理和监控、具有较高调节精度和稳定性、无需采用电流传感器和电压传感器的网络化的无刷直流电动机无传感器智能控制系统，以克服上述已有技术的不足之处。

解决上述技术问题的技术方案是：一种网络化的无刷直流电动机无传感器智能控制系统，包括工控机、CAN总线部分II、DSP控制部分III和液晶显示部分IV，DSP控制部分III是整个系统的核心，实现对电动机的监测、控制和调节转速的功能，DSP控制部分III包括采用TMS320F2812芯片的数字信号处理器、电压监测电路、电流监测电路、PWM驱动电路、小键盘、驱动保护电路、功率电路和快速光电隔离器芯片，数字信号处理器是DSP控制部分III的控制核心，数字信号处理器通过快速光电隔离器芯片与PWM驱动电路连接，PWM驱动电路与功率电路连接，驱动保护电路分别与PWM驱动电路和功率电路连接，电压监测电路和电流监测电路均分别与TMS320F2812芯片的数字信号处理器和功率电路连接，功率电路还分别与电动机工作电源和无刷直流电动机连接，小键盘与TMS320F2812芯片的数字信号处理器连接，DSP控制部分III分别与液晶显示部分IV和CAN总线部分II连接；液晶显示部分IV用于显示转速、电流和电压值，液晶显示部分IV包括互相连接的液晶显示器和液晶显示控制驱动电路；CAN总线部分II实现工控机与数字信号处理器的网络通信与数据传输，CAN总线部分II包括CAN接口卡、CAN总线、CAN总线接口电路和TMS320F2812芯片内自带的CAN控制器，CAN接口卡插在工控机里，CAN总线分别与CAN接口卡和CAN接口电路连接，CAN总线接口电路与DSP控制部分III的数字信号处理器、电压监测电路、电流监测电路、PWM驱动电路位于同一印刷电路板上以组成一个CAN节点；工控机是管理机，完成远程控制命令发送和接收、电机运行状态显示、报表显示和打印功能，工控机通过CAN总线部分II与DSP控制部分III连接。

由于采用上述结构，本实用新型之网络化的无刷直流电动机无传感器智能控制系统具有以下有益效果：

一.可实现网络化管理和监控

本实用新型中包括有CAN总线部分，其采用成本低的远程通讯网络CAN总线，数据传输距离可达10km，一条CAN总线上可以挂接多个CAN节点，每个CAN节点可控制一台电动机或其它生产设备，且各个CAN节点的接入或拆除不影响其它节点的工作，这样不仅可以将多个电动机控制系统构成一个网络，而且其它的生产设备均可挂接进来，通过也连接在CAN总线上的一台工控机，对挂接在同一总线上的各CAN节点的电动机或其它生产设备进行控制，从而实现了工厂设备的网络化管理和控制。

二.调节精度和稳定性高

本实用新型以DSP控制部分为核心，其中TMS320F2812芯片的数字信号处理器又是DSP

控制部分的控制中心，该TMS320F2812芯片是一款高性能、高集成度的新型电机控制用的数字信号处理器，其内部包含有16通道的12位A/D转换模块、PWM模块、CAN控制器等，可实现对各电压信号、电流信号和转速值的转换、计算和调控，并可采用各种复杂的智能控制算法对无刷直流电动机进行控制，相对现有的以微处理器为核心的控制系统，具有更高的调节精度和稳定性，增强了控制的实时性。

三.系统中无需采用电流传感器和电压传感器

现有的控制系统往往采用电流传感器和电压传感器以检测电流值和电压值，而传感器的使用均存在安装维护困难、易损坏、可靠性和稳定性随着使用时间而降低等问题，本实用新型中利用CAN总线部分II实时传送DSP控制部分III中通过电流检测电路和电压检测电路检测的值，无需电流传感器和电压传感器仍可实现实时检测电流值和电压值，使用方便。

四.结构简单实用、成本低

本实用新型中采用DSP控制部分、CAN总线部分、液晶显示部分和工控机四个部分来

实现对无刷直流电动机的智能控制，无需采用电流传感器和电压传感器，更不需要额外增加其他设备即可实现控制系统的网络化，结构简单实用；同时，本实用新型采用了TMS320F2812芯片实现对整个系统的调控、利用CAN总线部分实现远程数据传输，成本低、易于大范围推广应用。

下面，结合附图和实施例对本实用新型之网络化的无刷直流电动机无传感器智能控制系统的技术特征作进一步的说明。

【附图说明】

图1：本实用新型之网络化的无刷直流电动机无传感器智能控制系统的系统结构框图；

图2：本实用新型之网络化的无刷直流电动机无传感器智能控制系统的电路连接原理图；

图3：本实用新型之网络化的无刷直流电动机无传感器智能控制系统的功率电路及检测电路原理图；

图4：本实用新型之网络化的无刷直流电动机无传感器智能控制系统的网络连接结构图；

图5：本实用新型之网络化的无刷直流电动机无传感器智能控制系统的CAN接口电路的电路组成原理图；

图6：本实用新型之网络化的无刷直流电动机无传感器智能控制系统的控制流程图。

图中：

II-CAN总线部分，III-DSP控制部分，IV-液晶显示部分；

1-工控机(工业控制机)，2-CAN接口卡，3-CAN总线(双绞线)，4-数字信号处理器，41-CAN控制器，42-PWM模块，43-AD转换模块，5-CAN总线接口电路，6-电压检测电路，7-电流检测电路，8-PWM驱动电路，9-功率电路，10-驱动保护电路，11-电动机工作电源，12-小键盘，13-液晶显示器，14-液晶显示控制驱动电路，15-无刷直流电动机(DM)，16-CAN收发器芯片TJA1040，17、18-快速光电隔离器芯片。

【具体实施方式】

实施例一：

一种网络化的无刷直流电动机无传感器智能控制系统，包括工控机1、CAN总线部分II、DSP控制部分III和液晶显示部分IV，参见图1~图5，DSP控制部分III是整个系统的核心，实现对电动机的监测、控制和调节转速的功能，DSP控制部分III包括作为数字信号处理器4的TMS320F2812芯片、电压检测电路6、电流检测电路7、PWM驱动电路8、功率电路9、驱动保护电路10和小键盘12，其中，TMS320F2812芯片是DSP控制部分III的控制核心，它是一款高性能、高集成度的新型电机控制用的数字信号处理器，内部包含有16通道的12位A/D转换模块43、PWM电路模块42、CAN控制器41等，3组电压检测电路6分别与TMS320F2812芯片内部的A/D转换模块43的通道0、1、2连接，用于检测电动机三相端电压；电流检测电路7则与A/D转换模块43的通道3连接，用于检测电动机的相电流，功率电路9为三相全控逆变桥，功率管采用美国国际整流器公司的场效应管IRF620，PWM驱动电路8采用IR2130芯片，IR2130芯片是一种高电压、高速度的功率MOSFET和IGBT驱动器，工作电压为10V-20V，分别有3个独立的高端和低端输出通道，可输出的最大正向峰值驱动电流为250mA，而反向峰值驱动电流为500mA，并且内部设计有过流、过压及欠压保护、封锁，可方便的用来保护被驱动的MOS门功率管，IR2130芯片的2至7号引脚分别经快速光电隔离器芯片17与TMS320F2812芯片中的PWM电路模块42的6个PWM引脚连接，驱动保护电路10的作用主要是避免功率电路9出现过电流或欠电压的现象，TMS320F2812芯片通过PWM驱动电路8与功率电路9连接，驱动保护电路9分别与PWM驱动电路8和功率电路9连接，小键盘12则由12个键构成，用于在本地输入电动机额定转速和设置电动机给定转速，小键盘12与TMS320F2812芯片连接；电压监测电路6和电流监测电路7均分别与数字信号处理器4和功率电路9连接，功率电路9还分别与电动机工作电源11和无刷直流电动机15连接；CAN总线部分II实现工控机与数字信号处理器的网络通信与数据传输，包括CAN接口卡2、CAN总线3、CAN总线接口电路5和CAN控制器41，CAN接口卡2选用智能型的PCI5121卡，可直接插入工控机1的插槽中，CAN总线3分别与CAN接口卡2和CAN接口电路5连接，作为工控机1与CAN总线通讯的接口电路，CAN总线接口电路5与DSP控制部分III的主要部件：数字信号处理器4、电压监测电路6、电流监测电路7、PWM驱动电路8制于同一块印刷电路板上；CAN总线接口电路5作为DSP控制部分III与CAN总线通讯的接口电路，包括互相连接的CAN收发器芯片TJA1040和快速光电隔离器芯片17；工控机1是管理机，完成远程控制命令发送、远程数据接收、各电机运行状态显示、报表显示和打印等功能；液晶显示部分IV用于显示给定转速、电动机当前转速、电流和电压值，其包括互相连接的液晶显示器13和液晶显示控制驱动电路14；DSP控制部分III与液晶显示部分IV连接，工控机1通过CAN总线部分II与DSP控制部分III连接。参见图4，本实用新型采用成本低的远程通讯网络CAN总线，数据传输距离可达10km，总线上可以挂接多个CAN节点，且各个CAN节点的接入或拆除不影响其它节点的工作，这样不仅可以将多个电动机控制系统构成一个网络，而且其它的生产设备均可挂接进来，实现工厂设备的网络化管理和控制。

下面结合图6说明本实用新型之一种无刷直流电动机智能控制系统的工作过程：

在系统的工作过程中，DSP控制部分III是整个系统的核心，它以TMS320F2812芯片的数字信号处理器4为控制中心，TMS320F2812芯片接收经电压检测电路6、电流检测电路7检测和滤波后的电动机端电压、定子电流信号，经其内部的A/D转换模块进行模数转换后，进行数字信号处理；并将检测到的三相端电压通过程序计算获得反电动势值，当该值为零时即表明检测到反电动势过零点，从而检测到转子的位置信号，一方面以此作为逆变桥功率器件的触发信号轮流触发导通，实现电机的正确换相，另一方面，用于计算电动机实时转速，作为反馈量送智能控制算法，获得相应的控制字，改变PWM脉冲信号的占空比来实现对电机转速调节，检测的电流作为电流调节环的反馈量；具体步骤如下：

步骤1：初始化；系统上电后，在DSP控制部分III中通过小键盘12设置无刷直流电动机15的额定转速和给定转速；或通过工控机1设置，并经过CAN总线部分II传送到DSP控制部分III；

步骤2：起动阶段；电动机15的工作电源投入后，通过电压检测电路6检测电动机端电压，计算电动机的转速，判断电机是否起动完毕；

步骤3：调速阶段；由电压检测电路6和电流检测电路7不断地进行实时检测电压和电流，进行计算，获得电压、电流以及转子位置、转速，作为反馈量送智能控制算法程序计算，获得相应的控制字，送出PWM脉冲信号，通过PWM驱动电路8控制功率电路9，调节电机的转速；

步骤4：实时显示；由液晶显示器13实时地显示电动机的转速、电流、电压和效率，同时通过CAN总线部分II将状态数据传送到工控机1中，进行实时显示以及定时形成报表；

本实施例是本实用新型的最佳实施方式之一，作为本实用新型实施例的变换：

1.也可以不在DSP控制部分III中设置小键盘12，同样可以实现本实用新型的目的，与设置了小键盘12的控制系统相比，现场可操作性略差。

2.也可以采用其它DSP芯片作为数字信号处理器4，同样可以实现本实用新型的目的，与采用TMS320F2812芯片作为数字信号处理器4相比，处理速度和效果略差。

3.其他不违背本实用新型技术目的的基于技术方案上的变换也属于本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种网络化的无刷直流电动机无传感器智能控制系统，其特征在于：该控制系统包括工控机(1)、CAN总线部分II、DSP控制部分III和液晶显示部分IV，

所述DSP控制部分III是整个系统的核心，实现对电动机的监测、控制和调节转速的功能，其包括数字信号处理器(4)、电压监测电路(6)、电流监测电路(7)、PWM驱动电路(8)、功率电路(9)、驱动保护电路(10)、小键盘(12)和快速光电隔离器芯片(18)，所述数字信号处理器(4)是DSP控制部分III的控制核心，其通过快速光电隔离器芯片(18)与PWM驱动电路(8)连接，所述PWM驱动电路(8)与功率电路(9)连接，驱动保护电路(10)分别与PWM驱动电路(8)和功率电路(9)连接，电压监测电路(6)和电流监测电路(7)均分别与数字信号处理器(4)和功率电路(9)连接，所述小键盘(12)与数字信号处理器(4)连接，所述功率电路(9)还分别与电动机工作电源(11)和无刷直流电动机(15)连接；

所述CAN总线部分II实现工控机(1)与数字信号处理器(4)的网络通信与数据传输，其包括CAN接口卡(2)、CAN总线(3)、CAN总线接口电路(5)和CAN控制器(41)，CAN接口卡(2)插在工控机(1)里，CAN总线(3)分别与CAN接口卡(2)和CAN接口电路(5)连接，CAN总线接口电路(5)与DSP控制部分III的数字信号处理器(4)、电压监测电路(6)、电流监测电路(7)和PWM驱动电路(8)位于同一印刷电路板上，组成一个CAN节点；

所述工控机(1)是管理机，完成远程控制命令发送和接收、电机运行状态显示、报表显示和打印功能；

所述液晶显示部分IV用于显示转速、电流和电压值，其包括互相连接的液晶显示器(13)和液晶显示控制驱动电路(14)；

所述工控机(1)通过CAN总线部分II与DSP控制部分III连接，所述DSP控制部分III与液晶显示部分IV连接。

2.如权利要求1所述的网络化的无刷直流电动机无传感器智能控制系统，其特征在于：所述的数字信号处理器(4)是TMS320F2812芯片，所述CAN控制器(41)是TMS320F2812芯片内自带的控制器。

3.如权利要求1或2所述的网络化的无刷直流电动机无传感器智能控制系统，其特征在于：所述的CAN总线接口电路(5)包括互相连接的CAN收发器芯片TJA1040(16)和快速光电隔离器芯片(17)。

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