CN204334391U - 一种通用无刷电机电流闭环控制系统 - Google Patents

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胡卫鹏
周勇军
张翔
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Abstract

本实用新型涉及一种通用无刷电机电流闭环控制系统，针对中小功率无刷直流电机控制系统，采用CPLD EPM570和直流电机控制芯片UC3637，设计了一种新的无刷直流电机的电流环控制接口电路，实现了电机四象限的运行控制，同时该电路还具备外部并行通信控制功能和完善的失控保护策略。国外MSK公司有ir4361模块，即可实现无刷直流电机的电流环四象限的运行控制。本产品可以完全替代MSK公司的ir4361。提供了无刷电机电流闭环控制的通用硬件平台，作为硬件接口电路模块，外加速度环和位置环，就可以直接完成无刷电机的三闭环伺服系统控制，使用灵活方便；可完全替代MSK公司的ir4361，不但成本低，而且对于军品器件的国产化很有意义。

Description

一种通用无刷电机电流闭环控制系统
技术领域
本发明属于伺服控制领域，具体涉及一种通用无刷电机电流闭环控制系统。
背景技术
永磁无刷直流电机是近年来随着电力电子技术、控制技术和新型永磁材料的发展而迅速发展起来的一种新型机电一体化电机。它既具有交流电动机结构简单、运行可靠、维修方便等优点,又有直流电机优良的调速性能。目前在调速和伺服系统中,得到了广泛的应用。
MSK公司的ir4361模块是一个通用的无刷直流电机控制模块，特点是接口简单，使用方便，保护功能完善，在很多伺服系统工程(特别是国防领域)中得到了广泛的应用。如果能设计出相似的产品，不仅可以使的工程设计更加自主灵活，还可以节省成本。
驱动无刷电机和驱动直流电机相比较，直流电机的控制相对简单，而无刷电机由于其控制方式相对复杂。
在伺服系统控制设计中，内环的性能决定着外环的精度，也就是说在三环控制系统中，电流环的性能是极其重要的。如果能设计出一个通用性的无刷电机电流闭环模块，而外环则根据不同的的机械特性来独立设计，这样既可以满足不同系统的通用性，又可以简化了无刷电机的伺服系统设计，提高设计周期。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种通用无刷电机电流闭环控制系统。
技术方案
一种通用无刷电机电流闭环控制系统，包括连接于无刷电机母线的母线电流过流保护电路、母线电压过压保护电路、位于无刷电机三相的三个霍尔传感器；其特征在于还包括模拟PI调节环节电路、UC3637模块电路、CPLD信号解算模块电路、IR2132电路和六个功率MOS电路；电流误差比较器的输入连接无刷电机母线，将采样的母线电流与给定电流信号比较做差输入模拟PI调节环节电路，模拟PI调节环节电路输出与UC3637模块电路连接，UC3637根据电流误差输出一对占空比可调的差分PWM信号；UC3637模块电路的输出与CPLD信号解算模块电路连接，CPLD信号解算模块电路的输入端还与三个霍尔传感器、母线电流过流保护电路、母线电压过压保护电路和温度传感器的输出相连接；上述各信号经过CPLD信号解算模块电路的解算，解算结果通过连接的IR2132电路控制六个功率MOS电路的关断，六个功率MOS电路的关断控制无刷电机电流。
有益效果
本发明提出的一种通用无刷电机电流闭环控制系统，针对中小功率无刷直流电机控制系统，采用CPLD EPM570和直流电机控制芯片UC3637，设计了一种新的无刷直流电机的电流环控制接口电路，实现了电机四象限的运行控制，同时该电路还具备外部并行通信控制功能和完善的失控保护策略。国外MSK公司有ir4361模块，即可实现无刷直流电机的电流环四象限的运行控制。本产品可以完全替代MSK公司的ir4361。
有益效果：提供了无刷电机电流闭环控制的通用硬件平台，作为硬件接口电路模块，外加速度环和位置环，就可以直接完成无刷电机的三闭环伺服系统控制，使用灵活方便；可完全替代MSK公司的ir4361，不但成本低，而且对于军品器件的国产化很有意义。
附图说明
图1：UC3637内部结构图
图2：系统硬件结构框图
图3：主电路驱动回路
图4：PI调节环路
图5：CPLD软件结构图
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
系统设计参数：最高供电电压Udc＝80V，连续输出电流30A，可进行直流无刷电机四象限运转的电流闭环系统。
UC3637是一种专用的电机PWM控制芯片,用于直流电机驱动的PWM控制器。其外围只需增加少许的元器件就可产生PWM波形。内部电路图如图所示：从图中可以看出，芯片内部有两个受到触发器控制的开关，分别连接着两个受控电流源。当我们在1脚和3脚上加上不同的电压，在18脚上接上电阻到某个电平，在2脚上接上电容到另一个电平时，就可以在2脚上得到线性度良好的三角波。三角波的频率取决于1脚和2脚之间的电压差。将2脚上的三角波接到8脚和10脚，在两个比较器COMP1，COMP2的另一个引脚PIN9和PIN11上接上不同的电压信号，就可以在输出引脚PIN4和PIN7上得当PWM方波信号。方波的占空比取决于所加的电压大小。
驱动芯片采用了(IR)公司出品的IR2132。IR2132具有高电压(600V)、高速度的特点。外围电路中的电流检测提供全桥电路电流的模拟反馈值。如果超出设定或调整参考电流值，IR2132驱动器的内部电流保护电路就启动，关断输出通道，实现过流保护。设定值可以作为软件保护电路的参考值，使电路能适用于不同功率的电机控制。同时，同一桥臂上下两个IGBT的驱动信号内置一个0.8μs的互锁延时。在应用中，IR2132的周边电路设计一定要注意Vcc与Vss之间的电容和输出端自举电容的容量匹配和布线的问题。设计中，前者的容量至少应为后者的10倍,并且前者布线应尽量靠近芯片。
CPLD采用ALTERA EPM570T100I5，内部有570个逻辑单元(Logic Element)，相当于440个宏单元(Macrocell)，电源供电简单，核心电压和引脚电压都为3.3 V。引脚延时为5.4ns，满足系统的设计要求。
功率MOS管选用IRF3710，它的通态电阻Rds＝0.025Ω，漏极电压Uds＝100V，漏极直流电流Id＝57A。可满足一般的驱动控制要求。
系统硬件电路框图如图2所示。
电机电流与外部电流给定的差值Uc经过UC3637，UC3637会产生两路互补的PWM信号送入CPLD，CPLD根据两路PWM信号和电机霍尔信号(电机位置信息)解算输出三相无刷电机的PWM信号。
其中驱动回路如图3，其中R406是母线电流/电压采样电阻，R400、D400和Q7组成了制动回路。
图4为电流环的PI调节环节。调节R301，R302和C300的大小就对电流环的PI参数进行设定。若电流环不需要积分环节，可以合上开关S300短路C300来实现。

Claims (1)

1.一种通用无刷电机电流闭环控制系统，包括连接于无刷电机母线的母线电流过流保护电路、母线电压过压保护电路、位于无刷电机三相的三个霍尔传感器；其特征在于还包括模拟PI调节环节电路、UC3637模块电路、CPLD信号解算模块电路、IR2132电路和六个功率MOS电路；电流误差比较器的输入连接无刷电机母线，将采样的母线电流与给定电流信号比较做差输入模拟PI调节环节电路，模拟PI调节环节电路输出与UC3637模块电路连接，UC3637根据电流误差输出一对占空比可调的差分PWM信号；UC3637模块电路的输出与CPLD信号解算模块电路连接，CPLD信号解算模块电路的输入端还与三个霍尔传感器、母线电流过流保护电路、母线电压过压保护电路和温度传感器的输出相连接；上述各信号经过CPLD信号解算模块电路的解算，解算结果通过连接的IR2132电路控制六个功率MOS电路的关断，六个功率MOS电路的关断控制无刷电机电流。
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