CN202906827U - 基于ARM-cotexm3架构的电机控制驱动系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及基于ARM-cotexm3架构的电机控制驱动系统，包括与三相交流电机输入端连接的驱动模块和与三相交流输出端连接的控制模块，所述控制模块包括控制电源模块、中央控制模块、通讯模块、PWM输出模块、AD采集模块及位置信号采集模块，所述驱动模块包括驱动电源模块、信号隔离模块、功率放大模块、电流传感模块及错误保护模块；本实用新型控制模块采用基于ARM-CotexM3架构的处理器，性能强大，性价比很高；驱动模块采用分立元件搭建三相全桥电路，降低了整体价格和维护成本；整个控制驱动模块可驱动包括感应电机、无刷直流电机及永磁同步电机在内的多种三相交流电机，具备较强的通用性。
Description
技术领域
本实用新型属于电机控制驱动技术领域，涉及一种基于ARM-cotexm3架构的三相交流电机的控制驱动系统。
背景技术
传统的电机控制驱动系统，其控制核心芯片多为单片机或DSP。其中，基于DSP的控制模块运算能力强劲，但是成本较高，适用于要求较高的高端应用领域，中低端的电机控制模块多以单片机作为控制处理器。
传统的单片机技术发展已经非常成熟，在成本和性能方面也逐渐遇到瓶颈，但是随着ARM技术的发展，各种ARM芯片的应用越来越广泛，逐渐形成了多个适用于不同应用方向的系列，如ARM7、ARM9、ARM11及cotexM3等。新一代的ARM-CotexM3由于其丰富的外围接口、强大的功能及较高的性价比，正逐渐取代传统的单片机，在各个领域内具备越来越多的应用。
三相交流电机包括异步电机和同步电机，异步电机主要是指感应电机，而同步电机主要包括无刷直流电机和永磁同步电机。这几种电机从结构上来说可能存在较大区别，控制方法也大不相同。但是它们也存在共通点，即都是给电机定子绕组输入三相交流电压来驱动电机旋转；一般来说都需要通过各种位置传感器反馈转子位置信息。因此，这几种电机就控制驱动硬件来说是可以是通用的。
从电机驱动模块来说，大部分现有的电机驱动模块较多的采用了IPM模块来实现三相全桥的功能，该方法的优点是集成度高、电路结构简单，缺点是IPM价格较高，并且一旦损坏必须替换整个IPM模块，维修成本也高昂。
发明内容
本实用新型的目的是设计一种新型的基于ARM-cotexM3的电机控制驱动系统，将ARM-cotexM3芯片引入电机控制技术领域以取代传统的单片机，其中控制模块以ARM-cotexm3芯片为核心，驱动模块则采用基于MOSFET的分立元件搭建三相全桥电路，既提升了性能，又整体上降低了成本。
本实用新型的技术方案为：
基于ARM-cotexm3架构的电机控制驱动系统，其特征在于：包括与三相交流电机输入端连接的驱动模块和与三相交流输出端连接的控制模块，所述控制模块包括控制电源模块、中央控制模块、通讯模块、PWM输出模块、AD采集模块及位置信号采集模块，所述驱动模块包括驱动电源模块、信号隔离模块、功率放大模块、电流传感模块及错误保护模块；
所述控制电源模块连接至中央控制模块、通讯模块、PWM输出模块、AD采集模块、位置信号采集模块和信号隔离模块、电流传感模块，所述控制电源模块接收输入的12V直流电压，并将其转换成控制模块工作所需要的5V和3.3V电源，给控制模块内的其它模块供电，同时给驱动模块内的信号隔离模块及电流传感模块供电；所述中央控制模块与通讯模块双向连接，AD采集模块和位置信号采集模块分别连接至中央控制器不同的输入接口，PWM输出模块连接中央控制模块的六路PWM信号输出接口；所述驱动电源模块的输入接口连接母线，驱动电源模块的输出接口连接至信号隔离模块的输入接口、功率放大模块的输入接口和错误保护模块的输入接口，所述功率放大模块的输入接口还连接信号隔离模块的输出接口，功率放大模块的输出接口还连接至错误保护模块，错误保护模块的输出接口连接至信号隔离模块的输入接口，并且功率放大模块的两相电压输出接口连接至电流传感模块的输出接口；所述三相交流电机的输入接口连接功率放大模块，三相交流电机的输出接口连接位置信号采集模块。
所述中央控制模块由一块32位的ARM-cotexM3芯片及其外围接口组成。
所述通讯模块包括CAN总线接口和RS232串行接口，中央控制模块通过通讯模块可与其它具备相同接口的设备进行通讯。
所述AD采集模块接收从驱动模块返回的两相电流模拟信号，经过阻容滤波后传回中央控制模块，另外AD采集模块还提供两路接口，用户可用通过电位器调节模拟电压，向中央控制模块输入包括转速在内的一些参数。
所述位置信号采集模块包括霍尔位置信号采集接口和正交编码信号采集接口，分别支持霍尔位置传感器和ABR编码器两种位置传感器，并将位置信号发送回中央控制模块进行进一步运算处理。
所述驱动电源模块输入额定50V的直流电源，并将其转换为驱动板所需的15V和5V直流电源，供给信号隔离模块和功率放大模块使用。所述驱动电源模块可支持最低15V，最高60V的宽范围电压输入，该电压输入同时也作为驱动模块的直流母线电压。
所述信号隔离模块采用光耦，将控制模块电路的信号地与驱动模块电路的信号地进行隔离，信号隔离模块的输入是控制模块发出的PWM信号，输出是经过隔离并反相的PWM信号，此外，信号隔离模块还对错误保护模块传回的错误信号进行电气隔离，并将其发送回控制模块。
所述功率放大模块由一个MOSFET三相全桥组成，包括三个全桥驱动芯片，功率放大模块接收从信号隔离模块输出的PWM信号，并将其放大成具有50V母线电压幅度的三相PWM电压，输出到被控电机三相定子绕组中带动电机旋转，另外，功率放大模块提供过温、过压及过流的传感器信息给错误保护模块进行进一步处理。
所述功率放大模块的功率MOSFET场效应管采用IR公司的IRFB4410，工作母线电压最大为100V，可通过96A的电流，最大输出功率为250W。与其搭配的全桥驱动芯片采用IR公司的IR2110S芯片，该款芯片最高能耐受500V的母线电压，通过外围简单的自举电路能够实现上下桥臂MOSFET轮流导通。
所述电流传感模块使用两个霍尔电流感应式传感器串联在功率放大模块的两相电压输出接口，电流传感器自带隔离功能，并将隔离后的模拟电流信号发送回控制模块的AD采集模块。
所述错误保护模块检测过压、过流、过温信息，并以数字信号的形式发送到信号隔离模块进行电气隔离。
本实用新型由于采用以上技术方案，具备以下特点：
1、控制模块的主控制芯片采用基于ARM-CotexM3架构的处理器（LM3S5749），主频最高达50MHz，性能强大，并且具有较低的成本，与现有技术的单片机相比，性价比非常高。
2、现有的部分驱动模块采用IPM集成模块，而本实用新型的驱动模块采用分立元件搭建三相全桥电路，既控制了整体价格，也降低了维护成本。
3、本实用新型控制模块的接口丰富，如位置反馈可以同时接收霍尔位置传感器和ABR位置编码器的信号。驱动模块可以同时接收3.3V或者5V的PWM控制信号，支持15V-50V的直流母线电压。整个控制驱动模块可驱动包括感应电机、无刷直流电机及永磁同步电机在内的多种三相交流电机，具备较强的通用性。
附图说明
图1是本实用新型系统整体框架示意图
其中，附图标记为：1控制模块，1-1控制电源模块，1-2中央控制模块，1-3通讯模块，1-4 AD采集模块，1-5位置信号采集模块，1-6PWM输出模块，2驱动模块，2-1驱动电源模块、2-3信号隔离模块、2-4功率放大模块、2-2电流传感模块，2-5错误保护模块。
具体实施方式
如图1所示，基于ARM-cotexm3架构的电机控制驱动系统包括基于ARM Cotex-M3架构的控制模块1、基于MOSFET分立元件的驱动模块2及作为被控对象的三相交流电机3三个部分。控制模块1主要负责程序的运算、PWM信号的生成以及各种反馈信息的获取，是整套系统的控制核心；驱动模块2主要负责PWM信号的功率放大，使其能驱动电机旋转，该模块还将电机运行过程中电流、错误信号等参数传回控制模块1。
控制模块1按功能可划分为控制电源模块1-1、中央控制模块1-2、通讯模块1-3、AD采集模块1-4、位置信号采集模块1-5及PWM输出模块1-6。控制电源模块1-1接收输入的12V直流电压，并将其转换成控制模块1工作所需要的5V和3.3V电源，给控制模块1内的其它所有模块供电，同时给驱动模块2内的电流传感模块2-2及信号隔离模块2-3供电。
中央控制模块1-2由一块32位的ARM-cotexM3芯片及其外围接口组成，是中央处理核心，连接通讯模块1-3、AD采集模块1-4、位置信号采集模块1-5 及PWM输出模块1-6，并进行数据交互；所述中央控制模块的处理器可以采用TI的32位LM3S5749单片机，最高主频为50MHz，管脚数目为100个，所述处理器的外设和接口包括FLASH闪存、RAM随机存储单元、UART通用串行接口、CAN总线接口、及多个通用数字IO口，具备丰富的接口可扩展性。
通讯模块1-3包括CAN总线接口和RS232串行接口，中央控制模块1-2通过通讯模块1-3可与其它具备相同接口的设备进行通讯。
AD采集模块1-4接收从驱动模块2上的电流传感模块2-2返回的两相电流模拟信号，经过阻容滤波后传回中央控制模块1-2，另外AD采集模块1-4还提供两路接口，用户可用通过电位器调节模拟电压，向中央控制模块输入包括转速在内的一些参数。
位置信号采集模块1-5包括霍尔位置信号采集接口和正交编码信号采集接口，分别支持霍尔位置传感器和ABR编码器两种位置传感器，并将位置信号发送回中央控制模块1-2进行进一步运算处理。
PWM输出模块1-6将中央控制模块1-2输出的六路PWM信号进行初步处理，然后通过PWM输出接口发送给驱动模块2上的信号隔离模块2-3。
驱动模块2按功能可以划分为驱动电源模块2-1、信号隔离模块2-3、功率放大模块2-4、电流传感模块2-2及错误保护模块2-5。
驱动电源模块2-1输入额定50V的直流电源，并将其转换为驱动板所需的15V和5V直流电源，供给信号隔离模块2-3和功率放大模块2-4使用。
电流传感模块2-2使用两个霍尔电流感应式传感器串联在功率放大模块2-4的两相电压输出接口，电流传感器自带隔离功能，并将隔离后的模拟电流信号发送回控制模块1的AD采集模块1-4。
信号隔离模块2-3采用光耦，将控制模块1电路的信号地与驱动模块2电路的信号地进行隔离，信号隔离模块2-3的输入是从控制模块1的PWM输出模块1-6发出的PWM信号，输出是经过隔离并反相的PWM信号，此外，信号隔离模块2-3还对错误保护模块2-5传回的错误信号进行电气隔离，并将其发送回控制模块1的中央处理器模块1-2。
功率放大模块2-4由一个MOSFET三相全桥组成，包括三个全桥驱动芯片，功率放大模块2-4接收从信号隔离模块2-3输出的PWM信号，并将其放大成具有50V母线电压幅度的三相PWM电压，输出到被控的三相交流电机3三相定子绕组中带动电机旋转。另外，功率放大模块2-4提供过温、过压及过流的传感器信息给错误保护模块2-5进行进一步处理。
错误保护模块2-5检测过压、过流、过温信息，并转换成数字信号发送到信号隔离模块2-3进行电气隔离。
Claims (8)
1.基于ARM-cotexm3架构的电机控制驱动系统，其特征在于：包括与三相交流电机输入端连接的驱动模块（2）和与三相交流输出端连接的控制模块（1），所述控制模块（1）包括控制电源模块（1-1）、中央控制模块（1-2）、通讯模块（1-3）、PWM输出模块（1-6）、AD采集模块（1-4）及位置信号采集模块（1-5），所述驱动模块（2）包括驱动电源模块（2-1）、信号隔离模块（2-3）、功率放大模块（2-4）、电流传感模块（2-2）及错误保护模块（2-5）；
所述控制电源模块（1-1）连接至中央控制模块（1-2）、通讯模块（1-3）、PWM输出模块（1-6）、AD采集模块（1-4）、位置信号采集模块（1-5）和信号隔离模块（2-3）、电流传感模块（2-2），同时给驱动模块（2）内的信号隔离模块（2-3）及电流传感模块（2-2）供电；所述中央控制模块（1-2）与通讯模块（1-3）双向连接，AD采集模块（1-4）和位置信号采集模块（1-5）分别连接至中央控制器不同的输入接口，PWM输出模块（1-6）连接中央控制模块（1-2）的六路PWM信号输出接口；所述驱动电源模块（2-1）的输入接口连接母线，驱动电源模块（2-1）的输出接口连接至信号隔离模块（2-3）的输入接口、功率放大模块（2-4）的输入接口和错误保护模块（2-5）的输入接口，所述功率放大模块（2-4）的输入接口还连接信号隔离模块（2-3）的输出接口，功率放大模块（2-4）的输出接口还连接至错误保护模块（2-5），错误保护模块（2-5）的输出接口连接至信号隔离模块（2-3）的输入接口，并且功率放大模块（2-4）的两相电压输出接口连接至电流传感模块（2-2）的输出接口；所述三相交流电机的输入接口连接功率放大模块（2-4），三相交流电机的输出接口连接位置信号采集模块（1-5）。
2.根据权利要求1所述的电机控制驱动系统，其特征在于：所述中央控制模块（1-2）由一块32位的ARM-cotexM3芯片及外围接口组成。
3.根据权利要求1所述的电机控制驱动系统，其特征在于：所述通讯模块（1-3）包括CAN总线接口和RS232串行接口。
4.根据权利要求1所述的电机控制驱动系统，其特征在于：所述位置信号采集模块（1-5）包括霍尔位置信号采集接口和正交编码信号采集接口。
5.根据权利要求1所述的电机控制驱动系统，其特征在于：所述驱动电源模块（2-1）的宽范围电压输入为：最低15V，最高60V；所述宽范围电压输入同时作为驱动模块的直流母线电压。
6.根据权利要求1所述的电机控制驱动系统，其特征在于：所述信号隔离模块（2-3）采用光耦。
7.根据权利要求1所述的电机控制驱动系统，其特征在于：所述功率放大模块（2-4）由一个MOSFET三相全桥组成，包括三个全桥驱动芯片。
8.根据权利要求1所述的电机控制驱动系统，其特征在于：所述电流传感模块（2-2）使用两个霍尔电流感应式传感器串联在功率放大模块（2-4）的两相电压输出接口。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109217738A (zh) * | 2018-09-27 | 2019-01-15 | 西安航天精密机电研究所 | 一种四轴集成的伺服驱动器及伺服驱动控制方法 |
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2012
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