[发明专利]双芯片无刷直流电机驱动控制系统及控制方法

说明书

技术领域

本发明属于伺服控制技术领域，涉及一种无刷电机驱动控制系统及控制方法。

背景技术

无刷直流电机由永磁材料制造的转子、带有线圈绕组的定子和位置传感器组成。它具备直流电机优越的调速性能的同时，又取消了碳刷、滑环结构所带来的各类问题。还具有结构简单、效率高、运行可靠等优点。

无刷直流电机的调速方式通常通过开环PWM调制来实现，通过外部给定占空比来实现转速的变化，但这种调速方式适用于对调速要求不高的场合，无法满足较高的调速性能要求，也无法实现对转矩转速的高精度控制。同时，传统的单片机控制系统、专用电机控制系统和DSP控制系统，在实现故障保护时，实现的故障保护电路，响应延时长，降低了系统的安全性。

传统的无刷直流电机的闭环速度控制和闭环位置控制系统，需要利用编码器作为传感器对电机的速度和位置进行检测，在使用时提高了系统的生产成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可实现快速、精准调速的无刷直流电机驱动控制系统。

本发明的技术方案是：双芯片无刷直流电机驱动控制系统，包括上位机、驱动电路、电压电流检测与比较电路和控制系统，无刷直流电机内置三相霍尔传感器，驱动电路为三相全桥电路，控制系统包括相互连接的逻辑处理器、微处理器，以及与逻辑处理器相连的驱动电路；

逻辑处理器包括计算单元、保护单元、驱动控制单元和通信单元，其中，计算单元接收三相霍尔传感器的反馈信号，并进行位置运算和速度运算；通信单元用于与微处理器的通信；

上位机与微处理器相连，上位机传递控制给定值信号到微处理器，并控制微处理器的控制模式在速度控制、位置控制和力矩控制之间切换；

微处理器接收来自逻辑处理器的位置和速度计算值，结合上位机的给定值，采用PID算法计算出速度、位置和力矩的控制值，并将控制值反馈到逻辑处理器的驱动控制单元，控制单元将其解析为控制信号，逻辑处理器通过驱动电路与电机驱动电路相连，驱动电路接收驱动控制单元给定的控制信号，通过驱动电路控制无刷直流电机工作；电压电流检测与比较电路包括电压检测与比较电路和电流检测与比较电路，分别采集电压值和电流值并反馈到微处理器的ADC采集端，同时将电压比较值和电流比较值传递到逻辑处理器，保护单元进行过压与过流的判断；若发生过压、过流等故障，逻辑处理器会先于微处理器做出响应，控制电机快速刹车，微处理器紧随其后再次控制电机做出刹车动作。经过双重刹车控制，确保电机的快速故障保护。

优选的是：逻辑处理器采用CPLD芯片，微处理器采用ARM芯片，二者通过SPI总线通信。

无刷直流电机控制系统的控制方法，通过上位机发送控制模式指令到微处理器，控制模式指令分为速度控制、位置控制和力矩控制，电机驱动电路采用上桥PWM，下桥ON的控制模式：

当上位机发送力矩控制指令时，将力矩值给定值传递到微处理器，控制方法如下：

L1、微处理器接收电流检测电路检测的电流值，将电流值乘以电机力矩系数进行力矩计算，得到当前电机力矩计算值；

L2、微处理器根据力矩给定值和当前电机力矩计算值，得到两者偏差，结合PID算法，经过限幅后计算出力矩控制值，并转化为力矩控制字，传递到逻辑处理器；

L3、逻辑处理器读取霍尔传感器反馈信号，根据逻辑处理器内部设计的换向控制逻辑，调整三相全桥电路的导通情况，实现电机绕组的换相控制；逻辑处理器根据接收的力矩控制字，通过线性换算生成具有对应占空比的PWM信号，作为上桥PWM控制信号，进而调整电机绕组上的电压；通过换相和调压，实现电机力矩控制；

当上位机发送速度控制指令时，将速度给定值传递到微处理器，控制方法如下：

S1、逻辑处理器将三相霍尔传感器信号异或处理，得到方波信号；

S2、统计方波信号两个相邻上升沿之间20KHz时钟脉冲的个数，得到速度计数值MOTOR_SPEED；

S3、将速度计数值传递到微处理器，微处理器进行速度计算，计算公式如下：

其中，MOTER_SPEED为步骤S2中计算得到的速度计数值，P为三相无刷电机极对数，Roter_Speed为计算出的当前电机转速，单位是rpm；