[发明专利]双芯片无刷直流电机驱动控制系统及控制方法

摘要

本发明涉及一种采用双芯片联合对无刷电机进行控制的驱动控制系统。该系统采用ARM和CPLD联合控制，本控制系统的力矩、速度和位置的给定值来自上位机，电机状态的反馈值根据电机内的三相霍尔传感器的反馈值计算得出。ARM与上位机相连，接收上位机发送的给定值并根据上位机的指令进行力矩控制、速度控制或位置控制；CPLD接收三相霍尔器的反馈信号，进行位置和速度的计算，将计算值传递到ARM，ARM结合计算值和给定值进行控制运算，并发送控制字。CPLD接收ARM的控制字并解析为控制指令，通过电机的驱动电路控制电机运转。该系统不需用速度和位置传感器，简化了系统结构，可实现转矩、转速和位置的高精度控制。

主权项

双芯片无刷直流电机驱动控制系统的控制方法，其特征在于：所述驱动控制系统包括上位机、电机驱动电路、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，电机驱动电路为三相全桥电路，其特征在于：所述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，进行速度、位置和力矩的控制值的计算，并将控制值反馈到逻辑处理器的驱动控制单元，驱动控制单元将控制值解析为控制信号，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；所述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，二者分别将采集的电流值和电压值反馈到微处理器的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；所述控制方法为：通过上位机发送控制模式指令到微处理器，所述控制模式指令分为速度控制、位置控制和力矩控制，所述电机驱动电路采用上桥PWM，下桥ON的控制模式，工作时，电压检测与比较电路、电流检测与比较电路将采集的电流值和电压值反馈到微处理器的ADC采集端，同时将电流比较值和电压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；若发生过载、过压、短路故障，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；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与比较电路检测的电流值，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、逻辑处理器读取三相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：Roter_Speed=1[(MOTER_SPEED+2)/20000]·3·P·60]]>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；S4：微处理器根据速度给定值和S3步骤中计算出的当前电机转速，得到两者的偏差，再通过PID算法，并经过限幅后计算出控制值，这个控制值就作为力矩给定值；通过重复步骤L1‑L2，计算电机当前力矩，再跟之前得到的力矩给定值做比较，得到两者偏差，通过PID算法，并经过限幅后，计算出力矩控制值，并转化为对应的力矩控制字，传递到逻辑处理器；逻辑处理器解析控制字；S5：重复L3中步骤，通过换相和调压，实现对电机速度控制；当上位机发送位置控制指令时，将位置给定值传递到微处理器，控制方法如下：W1、逻辑处理器的计算单元对三相霍尔传感器的反馈信号进行处理，使电机正转时，计算单元输出高电平，位置计数加一，电机反转时，计算单元输出低电平，位置计数减一，这里的位置计数就代表了电机的当前位置；W2、逻辑处理器将位置计数传递到微处理器，与位置给定值比较得到偏差，然后通过PID算法，并经过限幅后计算出控制值，这个控制值就作为速度给定值，重复S1‑S4；W3、重复L3中步骤，通过换相和调压，实现对电机位置控制。