CN215956298U - 一种电机控制器控制模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电机控制器控制模块，包括辅助电源模块、永磁电机和上位机；所述辅助电源模块的输出端电性连接有控制模块，其永磁电机上安装有旋转变压器、散热风机和霍尔传感器；所述控制模块包括CPU控制器、以及与CPU控制器连接的FPGA控制器。本实用新型控制功能多样，能够兼容无刷直流电机与永磁同步电机的控制，兼容有位置传感器控制与无位置传感器控制，实现无刷直流电机和永磁同步电机的控制逻辑，有利于该通用电机控制模块的推广使用。

Description

一种电机控制器控制模块

技术领域

本实用新型涉及永磁电机通用控制模块领域，尤其涉及一种适应于永磁电机控制器的通用控制模块，具体为一种电机控制器控制模块。

背景技术

随着全球经济及信息技术的高速发展，现在国家已进入工业自动化、办公自动化、农业现代化及军事武器装备现代化的技术阶段和普及阶段。

永磁电机作为这些技术和系统中的基础元件，需求量不断增加，市场空间逐年扩大，发展势头良好；目前市场应用的永磁电机分为无刷直流电机及永磁同步电机，永磁电机的控制方式多种多样，现有的控制方式大多都是一对一控制的，功能较为单一，使用难度较大，不利于控制模块的推广使用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种电机控制器控制模块，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种电机控制器控制模块，包括辅助电源模块、永磁电机和上位机；所述辅助电源模块的输出端电性连接有控制模块，该控制模块的输出端通过功率驱动模块与永磁电机电性连接于一体，其控制模块用于接收永磁电机的电机温度信号与位置反馈信号并向功率驱动模块输出控制信号及PWM驱动信号以控制永磁电机正常运行；其永磁电机上安装有旋转变压器、散热风机和霍尔传感器；

所述控制模块包括CPU控制器、以及与CPU控制器连接的FPGA控制器，该CPU控制器的一输入端连接有分压限幅电路，分压限幅电路的输入端通过模拟量处理电路与永磁电机连接，且FPGA控制器的一输入端双向连接有旋变解码电路，其旋变解码电路与永磁电机双向连接；所述CPU控制器与FPGA控制器的输出端皆连接有驱动器，且驱动器与永磁电机连接，其CPU控制器、FPGA控制器、分压限幅电路、模拟量处理电路、旋变解码电路、驱动器和永磁电机采用并联方式连接于一体。

优选地，所述控制模块还包括复位逻辑电路、存储器电路、开关量输入电路、通讯电路、过流比较电路、电机转子位置传感器激励及信号处理电路、DAC调试电路和基准源电路。

优选地，所述通讯电路用于将上位机与CPU控制器、将上位机与FPGA控制器进行无线通信连接，其通讯电路包括ARINC429通讯模块及RS422通讯模块。

优选地，所述控制模块与上位机通过串口通信并提供故障下载信号。

优选地，所述控制模块接收功率驱动模块所发出的信号，其功率驱动模块发出的信号包括电机故障信号、功率管温度、母线电流采集信号、母线电压采集信号和相电流采集信号。

优选地，所述上位机的输出端通过开入电路与CPU控制器电性连接，该CPU控制器的输出端连接有开出电路，其开出电路发出预充电信号与泄放控制信号以驱使电机正常运行。

优选地，所述散热风机内置有风机控制电路，且风机控制电路包括光耦隔离电路、滤波电路、斯密特触发器、驱动LRM和驱动MOS管，其风机转速信号经过光耦隔离电路后进入控制模块并通过滤波电路与斯密特触发器整形处理传送至FPGA控制器，FPGA控制器输出一路控制信号至驱动LRM上驱动MOS管开通/关断以控制风机运转。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型控制功能多样，能够兼容无刷直流电机与永磁同步电机的控制，兼容有位置传感器控制与无位置传感器控制，实现无刷直流电机和永磁同步电机的控制逻辑，有利于该通用电机控制模块的推广使用。

附图说明

图1为本实用新型使用状态下的结构框图；

图2为本实用新型的通用电机控制模块电路框图；

图3为本实用新型图2的A处结构放大示意图；

图4为本实用新型图2的B处结构放大示意图。

图中：1辅助电源模块、2永磁电机、3控制模块、4功率驱动模块。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-4，本实用新型提供一种技术方案：一种电机控制器控制模块，包括辅助电源模块1、永磁电机2和上位机；辅助电源模块1的输出端电性连接有控制模块3，该控制模块3的输出端通过功率驱动模块4与永磁电机2电性连接于一体，其控制模块3用于接收永磁电机2的电机温度信号与位置反馈信号并向功率驱动模块4输出控制信号及PWM驱动信号以控制永磁电机2正常运行；其永磁电机2上安装有旋转变压器、散热风机和霍尔传感器；控制模块3包括CPU控制器、以及与CPU控制器连接的FPGA控制器，该CPU控制器的一输入端连接有分压限幅电路，分压限幅电路的输入端通过模拟量处理电路与永磁电机2连接，且FPGA控制器的一输入端双向连接有旋变解码电路，其旋变解码电路与永磁电机2双向连接；CPU控制器与FPGA控制器的输出端皆连接有驱动器，且驱动器与永磁电机2连接，其CPU控制器、FPGA控制器、分压限幅电路、模拟量处理电路、旋变解码电路、驱动器和永磁电机2采用并联方式连接于一体。

请参阅图2、图3和图4所示，控制模块3还包括复位逻辑电路、存储器电路、开关量输入电路、通讯电路、过流比较电路、电机转子位置传感器激励及信号处理电路、DAC调试电路和基准源电路；通讯电路用于将上位机与CPU控制器、将上位机与FPGA控制器进行无线通信连接；控制模块3与上位机通过串口通信并提供故障下载信号；控制模块3接收功率驱动模块4所发出的信号，其功率驱动模块4发出的信号包括电机故障信号、功率管温度、母线电流采集信号、母线电压采集信号和相电流采集信号。

请参阅图3和图4所示，上位机的输出端通过开入电路与CPU控制器电性连接，该CPU控制器的输出端连接有开出电路，其开出电路发出预充电信号与泄放控制信号以驱使永磁电机2正常运行；散热风机内置有风机控制电路，且风机控制电路包括光耦隔离电路、滤波电路、斯密特触发器、驱动LRM和驱动MOS管。

通用电机控制模块的主要工作：控制任务开始后，辅助电源模块1对永磁电机2进行供电，CPU控制器首先进入预充电状态，母线电容充电至设计电压后，CPU控制器发出指令退出预充电状态，输出预充电闭合继电器或者MOS管的闭合信号，控制器进入正常工作状态；在预充电的同时，CPU控制器会完成控制器的上电自检测并反馈给上位机；进入正常工作状态后，CPU控制器接收上位机控制指令，根据位置位置传感器或者无位置控制算法获取永磁电机2实时位置信息，采用转速外环+电流内环的双闭环控制策略，输出PWM驱动信号经过驱动板处理后，控制永磁电机2正常运行。

在永磁电机2控制任务启动时，CPU控制器拥有完善的上电自检测功能，包括电源检测、驱动板状态检测、转子位置传感器自检、测温电路自检、电压电流测量电路自检、ADC功能自检，可以最大限度的抑制非正常启动，防患于未然；在永磁电机2控制过程中，CPU控制器拥有强实时性的异常检测功能，包括电源监控、驱动板状态监控、转子位置传感器状态监控、温度监控和电压电流监控，可以及时准确的发现系统异常并给出对应策略，大大提高了电机控制的安全性；同时还可以通过增加高级功能，比如冗余监控功能、故障降级功能、回路重构功能，实现提前预测故障并进一步提高可靠性、安全性。

通用电机控制模块余度模式：对于单余度的电机控制器，为保障系统的任务可靠性，设计控制器具有正常工作模式和降级工作模式；通过CPU控制器与FPGA控制器不同协作模式，实现不同状态下的永磁电机2控制；控制系统的关键采集信号通过硬线分到CPU与FPGA同时采集，包括但不限于相电流信号、电机线电压信号、驱动板输入的短路和驱动欠压信号；系统的关键输出信号同时由CPU控制器与FPGA控制器驱动输出，通过硬件逻辑选择,主要包括PWM及预充电信号。

CPU控制器具有高于FPGA控制器的主控权力，CPU控制器可以选择切断FPGA控制器输出，而FPGA控制器不能切断CPU控制器输出，复位电路可以切断CPU控制器输出从而允许FPGA控制器降级控制；CPU控制器与FPGA控制器的协作关系如下：CPU控制器故障时，FPGA控制器可以定状态运行；FPGA控制器故障时，CPU控制器可以独立控制永磁电机2运行；CPU控制器与FPGA控制器均完好时，通过CPU控制器与FPGA控制器协作可发挥最高控制性能。

通用电机控制模块设计：独立内部辅助电源模块1的设计：电源LRM提供+5V、±15V电源给通用电机控制模块3供电；通用电机控制模块3内部的CPU电源系统、FPGA电源系统、模拟+5V采用分立的DCDC或者LDO供电，最大限度的实现电源故障隔离；PWM驱动信号输出电路设计：CPU控制器、FPGA控制器均可以输出PWM驱动信号，CPU控制器可以控制PWM驱动输出的切换逻辑/互斥，同时采用电源监控电路实现电源异常时的PWM驱动输出关断。

通讯电路设计：通用电机控制模块3的通讯电路包括ARINC429通讯模块及RS422通讯模块；电源LRM上通过DC/DC电源模块产生+15V和+5V给RS422驱动和数字隔离芯片供电，然后上位机信号通过ARINC429芯片后，进入数字隔离芯片，再进入FPGA控制器处理后，通过FPGA控制器进入DSP实现ARINC429通讯功能；控制模块3上的5V通过DC/DC电源模块产生+5V-ISO给RS422驱动和数字隔离芯片供电，然后DSP 通过数字隔离芯片驱动RS422驱动芯片实现RS422通讯功能。

模拟量采集电路设计：需要采集处理的模拟量包括母线电压采集、母线电流采集、相电流采集、旋变采集处理、HALL信号采集处理、电机温度、逆变器温度以及两路预留模拟量采集处理；离散量采集处理电路设计：离散量首先经过光耦隔离后输出一个电平信号，再进行滤波分压处理后，通过斯密特触发器进行整形后进入DSP处理。

故障存储及控制参数装订设计：CPU控制器通过外扩NVRAM和EEPRAM实现该功能；通过外扩NVRAM非易失性存储芯片可完成记录和存储掉电时刻的故障数据，在检测到掉电时，将该时刻的故障数据存储到NVRAM中，以便重新上电后能从中读取掉电时刻的数据，同时系统工作时间也放在该芯片内；对于其他数据比如电机参数（零位置、惯量、电感电阻等参数）存放在EERROM中，然后通过相应程序可读取存放于EEPROM中的数据。

风机控制信号处理电路设计：外部的风机转速信号经过光耦隔离电路后进入通用电机控制模块，通过滤波电路处理后，进入斯密特触发器整形处理进入FPGA控制器，FPGA控制器输出一路控制信号至驱动LRM上驱动MOS管开通/关断，从而控制散热风机的运转。

再生能量及预充电控制电路设计：通过DSP产生分别产生再生能量控制、预充电控制两路PWM波，然后经过数字驱动芯片处理后，送至功率驱动板，完成再生能量泄放控制和预充电控制功能；BIT检测设计：BIT功能采用软件、硬件结合方式实现，主要包括电源电路BIT、电压电流故障BIT、CPU电路的BIT功能、外部存储器BIT、通信接口BIT等。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。其中，可拆卸安装的方式有多种，例如，可以通过插接与卡扣相配合的方式，又例如，通过螺栓连接的方式等。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种电机控制器控制模块，包括辅助电源模块、永磁电机和上位机；其特征在于：所述辅助电源模块的输出端电性连接有控制模块，该控制模块的输出端通过功率驱动模块与永磁电机电性连接于一体，其控制模块用于接收永磁电机的电机温度信号与位置反馈信号并向功率驱动模块输出控制信号及PWM驱动信号以控制永磁电机正常运行；其永磁电机上安装有旋转变压器、散热风机和霍尔传感器；

所述控制模块包括CPU控制器、以及与CPU控制器连接的FPGA控制器，该CPU控制器的一输入端连接有分压限幅电路，分压限幅电路的输入端通过模拟量处理电路与永磁电机连接，且FPGA控制器的一输入端双向连接有旋变解码电路，其旋变解码电路与永磁电机双向连接；所述CPU控制器与FPGA控制器的输出端皆连接有驱动器，且驱动器与永磁电机连接，其CPU控制器、FPGA控制器、分压限幅电路、模拟量处理电路、旋变解码电路、驱动器和永磁电机采用并联方式连接于一体。

2.根据权利要求1所述的一种电机控制器控制模块，其特征在于：所述控制模块还包括复位逻辑电路、存储器电路、开关量输入电路、通讯电路、过流比较电路、电机转子位置传感器激励及信号处理电路、DAC调试电路和基准源电路。

3.根据权利要求2所述的一种电机控制器控制模块，其特征在于：所述通讯电路用于将上位机与CPU控制器、将上位机与FPGA控制器进行无线通信连接，其通讯电路包括ARINC429通讯模块及RS422通讯模块。

4.根据权利要求1所述的一种电机控制器控制模块，其特征在于：所述控制模块与上位机通过串口通信并提供故障下载信号。

5.根据权利要求1所述的一种电机控制器控制模块，其特征在于：所述控制模块接收功率驱动模块所发出的信号，其功率驱动模块发出的信号包括电机故障信号、功率管温度、母线电流采集信号、母线电压采集信号和相电流采集信号。

6.根据权利要求1所述的一种电机控制器控制模块，其特征在于：所述上位机的输出端通过开入电路与CPU控制器电性连接，该CPU控制器的输出端连接有开出电路，其开出电路发出预充电信号与泄放控制信号以驱使电机正常运行。

7.根据权利要求1所述的一种电机控制器控制模块，其特征在于：所述散热风机内置有风机控制电路，且风机控制电路包括光耦隔离电路、滤波电路、斯密特触发器、驱动LRM和驱动MOS管，其风机转速信号经过光耦隔离电路后进入控制模块并通过滤波电路与斯密特触发器整形处理传送至FPGA控制器，FPGA控制器输出一路控制信号至驱动LRM上驱动MOS管开通/关断以控制风机运转。

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