专利名称：电机控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及电机的连接与控制。
背景技术：
直流电机体积小，成本低，效率高，普遍用于开环控制环境之中。另一方面，步进电机易于控制，但是成本太高。如果想要进行速度和/或位置的精确控制，就要使用更为昂贵的闭环伺服控制系统，典型的需要有位置传感器和控制电路。通常使用光学或磁性编码器来为电机控制电路提供运动和速度信息。
为了降低成本，美国专利号5,869,939讲述了一种直流电机，该电机带有不平衡绕组和通过每个检测旋转的绕组来检测电流差的控制系统。这个检测信号用于控制电机的运动和位置。美国专利号6,054,787也讲述了一种减少了线圈绕组之一的绕组数的电机。
这些伺服系统中的每一个分别接到主控制器，需要共享系统开销。如果一个伺服系统占据了X个到主控制器，典型是一个ASIC，的输入，那么添加一个第二伺服通常会需要X个到ASIC的额外输入。
不平衡绕组电机和控制系统提供了低成本运动控制设计的可能，但是它没有解决给定应用中连接和控制多台电机的设计问题和成本。
发明描述本发明涉及电机的连接和控制。它允许系统设计者在与添加系统开销不成比例的情况下，以低成本和逻辑的方法添加运动或位置控制。这种连接方法对任何电机控制系统都有用，例如直流或步进电机；但是由于成本低，其优点可能对于不平衡绕组直流电机来说更为显著。
传统的设计需要为每个伺服信道提供一个唯一的连接(专用连接端口)，以及检测电机运动进程的系统带宽。本发明使多台电机能够以并联或级联的方式与主机连接。每台电机有一个唯一的标识(ID)或地址，可以解释和执行发给电机的命令字。每台电机也可以报告其状态及命令的完成。这极大的减少了系统开销。
附图简述通过详细讲述在附图中举例说明的本发明的典型实施方案，将会使本发明的这些和其它的特性和优点变得更为明显，其中
图1A是根据本发明一个方面的电机控制器的示意方框图。图1B是图1A电机控制器控制逻辑的H功能方框图。图1C是包含图1A电机控制器的典型信号调节电路的示意方框图。图1D是一个显示典型电压波形并说明图1C电路如何提供电机标志脉冲的曲线图。图1E-1F说明了在图1A系统中使用的三种总线实施方案。
图2说明了一个根据本发明一个方面的带有多个以并联拓扑结构排列的电机的电机系统。
图3是一个级联的、菊花链结构的电机系统的示意图。
图4说明了一个典型的从主机控制器通过总线传输到电机控制器的控制字。
图5说明了一个典型的从电机控制器通过总线传输到主机控制器的状态字。
图6显示了根据本发明一个方面的电机控制系统的另一种实施方案。
图7是电机控制器另一种实施方案的示意图，包括一个通用输入/输出(I/O)端口。
图8A是一个实现了本发明一个方面的集成电机/电机控制器的立体图。图8B是集成电机/电机控制器的侧视图。图8C是集成电机/电机控制器的端视图。
优选实施形式在图1A的示意方框图中举例说明了本发明的一个典型实施方案。主机控制器10发出电机命令，并通过电机控制器50从电机20接收状态数据。控制器包括控制逻辑60、电机驱动70和信号调节电路80。控制逻辑60从主机控制器接收电机命令，并将其转换成电机驱动信号来控制电机驱动70。
本发明的一个优选实施方案是将控制逻辑60、电机驱动70和信号调节电路80集成到一个集成电路芯片中，例如使用双CMOS技术，或作为一个混合电路，例如一个CMOS电路用于实现逻辑和处理器功能，一个双极电路实现电机驱动功能。在典型实施方案中，控制逻辑的实现包括一些形式的微处理器。
在优选实施方案中，电机20是一个带有不平衡绕组的直流电机。适用于这种应用的典型电机包括那些在U.S.5,869,939和U.S.6,054,787中讲述的电机。
信号调节电路80响应连接在电机一端和地之间的电流检测电阻24，并滤除不想要的电机噪声。对该滤波后的信号进行处理，产生一个标志脉冲，用于每次电机转子或转动轴的旋转。图1C举例说明了一个执行电路80功能的典型电路。如该图所示，电路80包括一个连接节点22的滤波电容80A，用于测量连接在节点22和地之间的电流检测电阻24上的电压。电容80A将节点22处的信号交流耦合到读出放大器电路80B。放大器80B的输出与比较器80C的一个输入连接，比较器80C将放大的电压与控制逻辑60提供的参考电压进行比较。比较器的输出是一个脉冲串，其中各个脉冲是由承载不平衡电机绕组通过电机电流转换器的转子所产生的。不平衡绕组使比较器80C产生信号80C1。节点22处电压的交流部分也与非门80D连接，产生了一个脉冲串，为各个转子提供了一个标志脉冲80C2。脉冲80C2可以用来增加标志脉冲80C1指示的电机转动轴位置的精度。
图1D是一个说明不平衡电机20产生的节点22处的典型电压波形的曲线图。在这种情况下电机有三个转子，每个转子承载一个电机绕组，其中一个绕组的匝数少于其它绕组。波形22A是电机电流检测电阻24上的电压；在此波形中不平衡绕组的影响很明显。参考电压VREF设置在由具有相同匝数的绕组产生的脉冲幅度之上。比较器将参考电压与电容80A上的电压进行比较，然后产生一个脉冲串80C1，表明存在幅度高于VREF的电压。
控制逻辑60执行很多功能，主要在图1B功能方框图中给出了。这些功能包括一个电机标识存储器，对于受控电机可以是一个唯一电机地址的形式。这个存储器可以采用开关或熔线组60A1的形式，其设置或状态确定了一个代表电机地址的二进制码，与设置远程控制的车库电动门编码的方式一样。另一种做法是，电机地址存储器60A可使用永久性存储器。
控制逻辑60还包括根据由总线90收到的命令识别电机地址的逻辑。控制逻辑60包括一些串并转换逻辑，将串行总线90接收的串行数据转换成控制逻辑60使用的并行数据格式。控制逻辑60可以使用随机逻辑电路、嵌入式微处理器或其它已知技术来实现。完成该项任务的电路和处理函数在技术中是已知的。
控制逻辑60还包括一个为受控电机将从主机接收到的电机命令转换成电机驱动命令信号的转换函数。在典型实施方案中，电机驱动命令信号是一个脉宽调制信号，控制电机上的驱动装置。完成该项任务的电路和处理函数在技术也是已知的。电机驱动命令信号被传递给电机驱动70，产生驱动电机20的电机驱动信号。
控制逻辑60还包括一个状态数据发生器，用于产生关于电机20状态的状态信号指示。该函数在图1B中以状态发生函数60E表示。该函数响应接收信号调节电路80输出的闭环电机控制函数60F，从而使用由信号调节电路输出得到的标志脉冲80C1、80C2可以检测电机的速度和位置信息。闭环电机控制函数60F响应由总线90接收到的控制命令和从信号调节电路80接收到的脉冲，根据电机命令控制电机20。在这里参考引用了U.S.5,869,939的整个内容，它讲述了一种带有反馈控制的典型闭环控制系统，可以用于这个目的。来自信号调节电路80的信号可以用作电机转动轴的位置指示信号。闭环电机控制函数60F包括一个反馈电路，在典型应用中配置此电路以产生一个代表直流电机20转动轴实际位置的真实位置信号，这是从信号调节电路信号得到的。还可以配置函数60F以产生表述电机命令的位置和实际位置信号之间的所有差距的电机位置错误信号。电机驱动70将一直流电压耦合到电机20。电机位置错误信号用来控制电机驱动70，从而旋转电机转动轴来纠正所有电机转动轴想要位置中的错误。
本典型实施方案中的主机控制器10以串行形式通过串行总线90发送一个命令字给电机控制器50。命令字可以包括，举例来说，标识命令字发往的特定电机的电机地址、旋转速度、旋转圈数或角度、旋转方向、加速度和脉宽调制(PWM)值。主机控制器10也可以通过同样的串行总线90，通过读取状态数据发生电路60E产生的状态数据字来读回电机的状态(例如，等待、忙、结束或错误)。
总线90可以以各种方式实现。例如，图1E举例说明了一种用于同步通信的三线总线90A，其中线90A1传送时钟信号，线90A2传送用于状态/命令函数的数据，而线90A3是地线。图1F举例说明了一种用于同步通信的四线总线90B，其中线90B1传送时钟信号，线90B2传送状态数据，线90B3传送命令数据，而线90B4是地。图1G显示了一种异步形式的数据总线，其中线90C1是方向控制/握手线，线90C2是传送命令或状态信息的双向数据线，而线90C3是地线。
根据本发明的有多台电机的系统可以使用并联拓扑结构，每台电机有一个预先分配的电机地址；即每台电机可以为不同的电机地址接线或编程。总线90的布线很简单。图2举例说明了一个根据本发明一个方面的带有多个按并联拓扑结构排列的电机20A-20N的电机系统100。主机控制器10连接在串行总线90上，同时与电机50A-50N关联的各个电机控制器50A-50N并联在与总线上。总线90可以是同步或异步总线，如可以是3线或4线总线。进来的命令钟脉冲输入到所有的电机控制器中，但只有地址匹配的控制器才会解码并执行命令。主机还可以发出一个READ STATUS命令，但只有准确寻址的控制器才会传送其状态。典型的状态数据可以包括命令完成、电机准备好和失败。下面将结合图6讲述另一种获取状态数据的方法，其中每个电机控制器上的状态针是OR，只有正确寻址的控制器才会驱动此状态针达到合适的电压电平。
另一种做法是，多电机系统中的电机可以以菊花链或级联的方式连接。图3显示了一种级联的多电机系统120。在这个典型的级联拓扑结构中，每台电机有BUS_IN和BUS_OUT端口或接头。链中的第一电机50A’在电机系统加电时分配给电机地址1。第一电机将其地址为1的信息通知级联链中的下一台电机50B’。该下一台电机(50B’)会自动为自己分配地址为电机地址2，同时按顺序将这一点通知下一台电机。结果通过50N’的级联链中的每一台电机将自行分配其地址号或标识。
当带有地址标识的命令通过BUS90通信时，它被电机控制器50A’接收。如果第一电机控制器50A’确定输入命令是给它的，那么该第一电机会存储命令并执行该命令。另一方面，如果第一电机控制器50A’确定输入命令是给下面链中另一台电机的，那么它会通过其BUS_OUT接头将命令传送给级联链中的下一个电机控制器50B’，等等。状态数据可以通过STATUS_IN和STATUS_OUT接头通过总线90通信。
图4举例说明了一个通过总线90传输的典型控制字12，它可用于两个实施方案，即用于并联拓扑结构和级联拓扑结构。该控制字包括定义目的电机控制器地址号的头集合——位12A，和控制电机运行方位，例如指令的旋转方向、读取状态(例如，如果该位设置为1，就指示电机将其状态发送回控制器)、电机速度或圈数，的数据位，如位12B-12D。在并联拓扑结构中，连在总线上的各个电机控制器接收每一个命令，读取头以确定命令是否是传递给该电机控制器。只有电机地址在命令头中标识的控制器才会执行该命令。在级联拓扑结构中，命令字沿着链向下传递，直到到达头中标识的电机控制器，然后该控制器执行该命令。
图5举例说明了一个通过总线从电机控制器50传递给主机控制器10的状态字12的典型形式。状态字包括一个通用状态的集合位14A和用于电机停止、伺服错误等等此类状态数据的位14B、14C，……。典型的，因为状态字是对发给特定电机的命令的响应，所以状态字不需要包括标识发送状态字的电机的电机地址。但是如果状态字是响应控制器的全局请求而发送的，例如查询是否有电机停止，那么状态字可以包括电机地址。
图6显示了根据本发明一个方面的电机控制系统150的另一种实施方案。系统150与图2和图3中的系统相比有一些简化。与系统100相似，电机控制器并联到控制总线90上。该实施方案不是使用状态总线将每个电机控制电路的状态传送回主机控制器10，而是使用状态线92，状态线92在节点92A处通过上拉电阻92B连接到VCC。主机控制器10有一个读取状态线状态的READY状态端口10A。每个电机控制电路，例如电路50A”和50B”，包括一个READY接头52A、52B。READY接头分别与FET开关晶体管54A、54B的栅极相连。晶体管的源极分别连接到状态线92，漏极连接到地。当然晶体管可以是双极器件或在ASIC中实现。在完成命令的任务之后通过给电路50A”或50B”的各个READY接头加上合适的控制信号，可以降低状态线上的电压，表明完成了命令的任务。
在大多数应用中会有传感器、限位开关或换能器与备台电机相连。在一些应用中可能还会有其它的可控器件与电机相连或放置在电机附近，例如镙线管、指示灯、声换能器或类似的器件。最好的情况是能够查询这些相连器件的状态，或者控制此类器件，即使它们没有直接连接到总线上。为进一步减少系统复杂度，通用输入/输出(I/O)端口可以包括在各个电机控制电路中。在图7中举例说明了这一点，它显示了一个电机控制器电路50，与图1的电路50一样包含有控制逻辑60、电机驱动电路70和信号调节电路80。电路50还包括一个耦合到控制逻辑60的通用I/O(GPIO)端口56。该GPIO端口可以用于与其它器件通信，例如传感器、开关、换能器或其它与电机20相连或放置在其附近的器件。端口56包括输入线56A和输出线56B，使数据可以从电机器件传送到控制逻辑60，或从控制逻辑60传送到电机器件。
根据本发明的另一个方面，控制器50可以直接安装在电机20上，以提供一个集成电机/电机控制器，形成一个可寻址电机，这样可降低成本，提高可靠性。图8A-8C举例说明了带有集成电机控制器50的可寻址电机200的典型实施方案。电机包括一个电机转动轴202和一个通过支座紧固件212安装在电机外壳204一端的控制器安装板210。板210承载电机控制器50和一个连接串行总线(例如图1中的总线90)的直接插板214。
可以理解，上面讲述的实施方案只是举例说明了可以表述本发明原理的可能的特定实施方案。对于本领域中的那些熟练技术人员来说，在不偏离本发明的范围和要旨的前提下，根据这些原理可以很容易的设计出其它仪器。
权利要求
1.一种电机控制器电路，用于控制电机以响应主机控制器发出的命令，电机命令的形式是包括很多数据位的串行数据字，控制器电路包括电机驱动电路，为电机提供电机驱动信号以响应电机驱动命令；响应主机控制器发出的命令字的控制逻辑电路，用于产生电机驱动控制信号，控制逻辑电路有一个关联电机标识，每个命令字有与此关联的电机标识部分和电机命令部分，控制逻辑包括有转换电路，如果该电机标识部分对应于电机标识，那么将电机命令部分转换成电机驱动控制信号。
2.权利要求1的控制器电路，还包括一个以串行方式接收命令字的串行数据端口。
3.权利要求2的控制器电路，其中控制逻辑还包括一个耦合到串行数据端口的状态数据通信电路，在串行数据端口提供电机状态数据。
4.权利要求1的控制器电路，还包括一个通用输入/输出电路，用于将其它设备接到该主机控制器。
5.权利要求1的控制器电路，还包括一个闭环电机控制电路，用于根据电机命令字控制电机。
6.权利要求5的控制器电路，其中电机是包括至少一个不平衡绕组的直流电机，闭环电机控制电路响应指示电机转动轴位置的电机位置指示信号。
7.权利要求5的控制器电路，其中闭环电机控制电路响应指示电机转动轴位置的电机位置指示信号。
8.一种电机控制系统，用于控制多台电机，包括以串行方式传送电机命令的串行数据总线；多个电机电路，各包括一台电机和一个电机控制器电路，每个电机控制器电路包括一个响应寻址到电机控制器的命令字以产生电机驱动控制信号的控制逻辑电路，控制逻辑电路有一个关联的电机标识，每个命令字有与此关联的电机标识部分和电机命令部分，控制逻辑包括转换电路，如果该电机标识部分对应于电机标识则将电机命令部分转换成电机驱动控制信号。
9.权利要求8的系统，其中多个电机控制器以并联结构连接到总线上。
10.权利要求8的系统，其中多个电机控制器以级联结构连接到总线上，每个控制器包括一个总线输入接头和一个总线输出接头。
11.权利要求8的系统，其中每个控制逻辑电路还包括一个根据电机命令字控制电机的闭环电机控制电路。
12.权利要求8的系统，其中闭环电机控制电路响应指示电机转动轴位置的电机位置指示信号。
13.权利要求11的系统，其中各台电机是包括至少一个不平衡绕组的直流电机，闭环电机控制电路响应指示电机转动轴位置的电机位置指示信号。
14.一种控制电机网络的方法，每台电机有一个与其关联的对应电机控制器，包括将每台电机控制器连接到串行数据总线上；为每台电机分配一个唯一的电机标志；通过数据总线发送串行电机驱动命令，其中每个电机命令包括一个对应于要执行该命令的特定电机的电机标识；处理电机命令，确定电机命令发往的特定电机；以及根据电机驱动命令用电机驱动信号驱动特定电机。
15.权利要求14的方法，其中连接数据总线上的各台电机的步骤包括以并联结构连接总线上各个电机控制器，其中各个电机控制器接收每一个电机驱动命令。
16.权利要求14的方法，其中处理电机命令的步骤包括在各个电机控制器读取每个电机驱动命令，并确定电机驱动命令是否是发往每台电机的。
17.权利要求16的方法，其中确定电机驱动命令是否是发往每台电机的步骤包括将与电机驱动命令关联的电机标识与各台电机的电机标识进行比较，只有当命令标识对应于电机标识时才确定将驱动命令发往该电机。
18.权利要求14的方法，其中连接数据总线上的各台电机的步骤包括以串联、菊花链的结构连接总线上的各个电机控制器。
19.权利要求18的方法，其中电机命令字沿着电机控制器链从电机控制器到电机控制器向下传递，直到到达对应于与电机驱动命令关联的电机标识的电机控制器。
20.权利要求14的方法，还包括将一台或多台电机的状态报告给主机控制器。
21.权利要求20的方法，其中报告状态的步骤包括报告命令的完成。
22.权利要求20的方法，其中报告状态的步骤包括将一串行状态数据字通过串行状态总线发送给主机控制器。
23.权利要求20的方法，其中每个主机控制器包括一个状态接头，其中报告状态的步骤包括读取状态接头的状态。
24.一个可寻址电机系统，包括一台电机，包含一个电机外壳和一个电机转动轴，电机响应电机驱动信号以旋转驱动电机转动轴；一个电机控制器电路，用于控制电机以响应主机控制器发出的电机命令，串行数据字形式的电机命令包括多个数据位，电机控制器电路包括一个电机驱动电路，为电机提供电机驱动信号以响应电机驱动命令；以及一个控制逻辑电路，响应来自主机控制器的命令字，产生电机驱动控制信号，控制逻辑电路有一个关联的电机标识，每个命令字有与此关联的电机标识部分和电机命令部分，控制逻辑包括转换电路，如果该电机标识部分对应于电机标识则将电机命令部分转换成电机驱动控制信号。
26.权利要求25的系统，还包括与电机外壳相连的安装板，其中电机控制器电路安装到安装板之上。
27.权利要求25的系统，其中电机控制器电路还包括连接传输电机命令的串行数据总线的串行连接口。
28.权利要求24的系统，其中控制器电路还包括一个通用输入/输出电路，将其它设备接到主机控制器。
29.权利要求24的系统，其中控制器电路还包括一个闭环电机控制电路，用于根据电机命令字控制电机。
30.权利要求29的系统，其中电机是包括至少一个不平衡绕组的直流电机，闭环电机控制电路响应指示电机转动轴位置的电机位置指示信号。
31.权利要求30的控制器电路，其中闭环电机控制电路响应指示电机转动轴位置的电机位置指示信号。
全文摘要
一种响应来自主机控制器的电机命令而控制电机的电机控制器电路。控制器电路包括作为对电机驱动命令的响应而为电机提供电机驱动信号的电机驱动电路。控制逻辑电路响应主机控制器发出的命令字,产生电机驱动控制信号,控制器有一个关联的电机标识,每个命令字有与此关联的电机标识部分和电机命令部分。控制逻辑将命令字的电机标识部分与电机标识进行比较,如果该电机标识部分对应于电机标识,那么将电机命令部分转换成电机驱动控制信号。主机控制器可以以并联或级联的方式连接多台电机。每台电机有一个唯一的地址,可以解释命令字并执行发往电机的命令。每个可以还可以报告其状态及命令完成。
文档编号H02P7/00GK1365184SQ0210172
公开日2002年8月21日 申请日期2002年1月14日 优先权日2001年1月12日
发明者C·C·罗 申请人:惠普公司