本发明涉及电路设计领域，特别是一种飞轮数字控制电路。
背景技术：
传统的飞轮控制电路大部分为模拟电路，采用大量分离器件，控制回路环节多且功能单一，电路生产进度慢，安装调试困难，电路体积大、重量重、功耗大，控制方案灵活性差，生产完成后一般不可更改，对外接口多，易用性差。
传统的飞轮数字控制电路均采用进口芯片，由于高等级芯片因为禁运极难获得，一般会采用低等级芯片替代，因此现有的飞轮数字控制电路可靠性差，产品质量无法保证。另外，低等级器件也有禁运风险，芯片禁运会造成产品设计更改，进而造成产品生产周期延长，产品试验验证不充分，可靠性下降等一系列问题，而且工业用飞轮控制电路具有体积大、功耗大的特点，进一步降低了飞轮控制电路的可靠性。
技术实现要素：
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种采用飞轮数字控制电路，实现了电机的数字控制，可作为电机、机床等机械设备中旋转部件的驱动电路，相比于以往的控制电路，具有精度高、可靠性高、功能全、使用方便等优点，同时大大缩小了控制电路的体积和重量。
本发明的技术解决方案是：一种飞轮数字控制电路，包括控制器最小系统、第一霍尔信号处理电路、第二霍尔信号处理电路、第三霍尔信号处理电路、转速脉冲信号处理电路、电流采样电路、PWM控制信号电路、换相管控制信号电路，其中
第一霍尔信号处理电路，从外部无刷直流电机获取电机霍尔信号后进行整形得到第一霍尔信号，将第一霍尔信号送至转速脉冲信号处理电路、控制器最小系统；所述的电机霍尔信号为无刷直流电机的转子位置信号；
第二霍尔信号处理电路，从外部无刷直流电机获取电机霍尔信号后进行整形得到第二霍尔信号，将第二霍尔信号送至转速脉冲信号处理电路、控制器最小系统；
第三霍尔信号处理电路，从外部无刷直流电机获取电机霍尔信号后进行整形得到第三霍尔信号，将第三霍尔信号送至转速脉冲信号处理电路、控制器最小系统；
转速脉冲信号处理电路，接收第一霍尔信号、第二霍尔信号、第三霍尔信号后进行两两异或得到转速脉冲信号，将转速脉冲信号送至控制器最小系统；
电流采样电路，采集外部无刷电机电流产生电机电流遥测信号并送至控制器最小系统；
控制器最小系统，接收电机电流遥测信号后，对电机电流遥测信号进行PID计算得到PID控制输出信号，当捕获得到转速脉冲信号处理电路发送的转速脉冲信号时，接收第一霍尔信号、第二霍尔信号、第三霍尔信号并判断变化规律，进而得到外部无刷电机的转动方向、加速状态或者制动状态，产生并输出第一PWM信号至PWM控制信号电路，产生并输出换相逻辑信号至换相管控制信号电路，如果外部无刷电机为加速状态，则产生并输出高电平的换相管控制信号至PWM控制信号电路，如果外部无刷电机为制动状态，则产生并输出处于高电平与低电平之间的换相管控制信号至换相管控制信号电路，其中，换相逻辑信号为高电平或者低电平的信号；当变化规律为状态1’〉状态2’〉状态3’〉状态4’〉状态5’〉状态6’〉状态1’时，外部无刷电机正向转动，当变化规律为状态1’〉状态6’〉状态5’〉状态4’〉状态3’〉状态2’〉状态1’时，外部无刷电机反向转动，所述的状态1’为：第一霍尔信号为低电平、第二霍尔信号为高电平、第三霍尔信号为高电平；所述的状态2’为：第一霍尔信号为低电平、第二霍尔信号为高电平、第三霍尔信号为低电平；所述的状态3’为：第一霍尔信号为高电平、第二霍尔信号为高电平、第三霍尔信号为低电平；所述的状态4’为：第一霍尔信号为高电平、第二霍尔信号为低电平、第三霍尔信号为低电平；所述的状态5’为：第一霍尔信号为高电平、第二霍尔信号为低电平、第三霍尔信号为高电平；所述的状态6’为：第一霍尔信号为低电平、第二霍尔信号为低电平、第三霍尔信号为高电平；当PID控制输出信号为正且转动方向为正向转动时，外部无刷电机的为正向加速状态，当PID控制输出信号为正且转动方向为反向转动时，外部无刷电机的为反向制动状态，当PID控制输出信号为负且转动方向为正向转动时，外部无刷电机的为正向制动状态，当PID控制输出信号为负且转动方向为反向转动时，外部无刷电机的为反向加速状态；
PWM控制信号电路，接收第一PWM信号后进行放大，得到第二PWM信号，将第二PWM信号送至外部半桥驱动电路或全桥驱动电路；
换相管控制信号电路，接收换相管控制信号、换相逻辑信号，当换相逻辑信号为高电平时，产生电平跟换相管控制信号一致的换相管驱动信号，当换相逻辑信号为低电平时，产生低电平的换相管驱动信号，将换相管驱动信号送至外部半桥驱动电路或全桥驱动电路。
所述的控制器最小系统包括AD采样、软件模块、PID控制器、控制量输出处理单元、PWM模块、DA模块，其中
AD采样，接收外部发送的电机电流遥测信号后进行AD采样，得到电机电流当前值并送至软件模块；
软件模块，从外部获取电机电流设定值，接收电机电流当前值后进行减法运算得到电机电流误差，将电机电流误差送至PID控制器；
PID控制器，接收电机电流误差后进行PID运算得到控制器输出值并作为PID控制输出信号，将PID控制输出信号送至控制量输出处理单元；
控制量输出处理单元，当捕获到转速脉冲信号处理电路发送的转速脉冲信号时，控制PWM模块产生并输出第一PWM信号至PWM控制信号电路，接收第一霍尔信号、第二霍尔信号、第三霍尔信号后判断变化规律，如果变化规律为状态1’〉状态2’〉状态3’〉状态4’〉状态5’〉状态6’〉状态1’时，外部无刷电机正向转动，如果变化规律为状态1’〉状态6’〉状态5’〉状态4’〉状态3’〉状态2’〉状态1’时，外部无刷电机反向转动，然后接收PID控制输出信号并判断，如果PID控制输出信号为正且转动方向为正向转动，则外部无刷电机的为正向加速状态，如果PID控制输出信号为正且转动方向为反向转动，则外部无刷电机的为反向制动状态，如果PID控制输出信号为负且转动方向为正向转动，则外部无刷电机的为正向制动状态，如果PID控制输出信号为负且转动方向为反向转动，则外部无刷电机的为反向加速状态，当外部无刷电机为加速状态时，产生高电平的控制管控制信号并送至DA模块，当外部无刷电机为制动状态时，产生处于高电平与低电平之间的控制管控制信号并送至DA模块，如果第二霍尔信号取反后与第一霍尔信号相与为高电平，则产生高电平的第一换相逻辑信号至换相管控制信号电路，若第二霍尔信号取反后与第一霍尔信号相与为低电平，则产生低电平的第一换相逻辑信号至换相管控制信号电路，如果第三霍尔信号取反后与第二霍尔信号相与为高电平，则产生高电平的第二换相逻辑信号至换相管控制信号电路，如果第三霍尔信号取反后与第二霍尔信号相与为低电平，则产生低电平的第二换相逻辑信号至换相管控制信号电路，如果第一霍尔信号取反后与第三霍尔信号相与为高电平，则产生高电平的第三换相逻辑信号至换相管控制信号电路，如果第一霍尔信号取反后与第三霍尔信号相与为低电平，则产生低电平的第三换相逻辑信号至换相管控制信号电路，其中，第一换相逻辑信号、第二换相逻辑信号、第三换相逻辑信号的叠加为换相逻辑信号；所述的状态1’为：第一霍尔信号为低电平、第二霍尔信号为高电平、第三霍尔信号为高电平；所述的状态2’为：第一霍尔信号为低电平、第二霍尔信号为高电平、第三霍尔信号为低电平；所述的状态3’为：第一霍尔信号为高电平、第二霍尔信号为高电平、第三霍尔信号为低电平；所述的状态4’为：第一霍尔信号为高电平、第二霍尔信号为低电平、第三霍尔信号为低电平；所述的状态5’为：第一霍尔信号为高电平、第二霍尔信号为低电平、第三霍尔信号为高电平；所述的状态6’为：第一霍尔信号为低电平、第二霍尔信号为低电平、第三霍尔信号为高电平；
DA模块，接收换相管控制信号后进行数模转换并送至换相管控制信号电路。
所述的换相管控制信号电路包括第一电阻、第一运算放大器、第二电路、第一电容、模拟开关，换相管控制信号接第一运算放大器的正端输入，第一电阻的一端接第一运算放大器的负端输入，另一端接地，第二电阻的一端接第一运算放大器的负端输入，另一端接第一运算放大器的输出，第一电容与第二电阻并联，第一运算放大器的输出接模拟开关的输入，换相逻辑信号接第一模拟开关的控制端，第一模拟开关的输出端输出换相管驱动信号。
所述的PWM控制信号电路包括第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、比较器，第一PWM信号接第三电阻一端，第三电阻另一端接比较器的负端输入，第四电阻一端、第五电阻一端分别接比较器的正端输入，第五电阻的另一端接地，第四电阻的另一端接信号正电源，比较器的输出接NPN三极管的B极、第六电阻一端，第六电阻另一端接信号正电源，三极管的E极接第七电阻一端，第七电阻另一端接功率地，三极管的C极输出第二PWM信号。
所述的电流采样电路包括第八电阻、第九电阻、第十电阻、第二电容、第十一电阻、第十二电阻、第三电容、第二运算放大器，第八电阻一端接外部无刷电机电流，第九电阻一端接外部无刷电机电流，另一端接第二运算放大器的正端输入、第十电阻的一端，第十电阻的另一端接地，第二电容、第十电阻并联，第八电阻的另一端接第十一电阻一端，第十一电阻的另一端接第二运算放大器的负端输入、第十二电阻的一端，第十二电阻的另一端接第二运算放大器的输出，第三电容、第十二电阻并联，运算放大器的输出端输出电机电流遥测信号。
所述的第一异或门、第二异或门、第十三电阻、第四电容、第三异或门，第一霍尔信号、第二霍尔信号接第一异或门的输入端，第三霍尔信号、第一异或门的输出端接第二异或门的输入，第二异或门的输出端接第三异或门一个输入端、电阻的一端，电阻的另一端接第四电容的一端、异或门的另一个输入端，第四电容的另一端接地，异或门的输出端为转速脉冲信号。
所述的第一霍尔信号处理电路包括二极管、第十四电阻、二极管、第五电容、施密特触发器，二极管阴极接第一电机霍尔信号，阳极接施密特触发器的输入、第十四电阻一端、第五电容一端，第十四电阻另一端接信号正电源，第五电容另一端接信号地，施密特触发器的输出为第一霍尔信号。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明控制电路通过采用数字控制器实现了飞轮的数字控制电路，与现有技术相比简化了电路结构，具有器件少、功耗低，易于生产安装调试的优点，同时构成控制电路的器件均可以实现国产化，在保证控制电路质量可靠性的同时，避免了禁运的风险；
(2)本发明控制电路与现有技术相比，通过将霍尔信号处理电路(2)和转速脉冲信号处理电路(3)在硬件上分开，克服信号处理复杂、易干扰的难题，具有简单可靠，易于实现的优点；
(3)本发明控制电路与现有技术相比，通过门电路和RC电路实现转速脉冲信号处理电路(3)，转速精度提高一倍，同时通过单路单向捕获口即可实现转速采集，解决了转速脉冲信号采样精度低、需要双沿捕获的难题，具有结构简单，易于实现的优点；
(4)本发明控制电路与现有技术相比，通过运算放大器电路和模拟开关电路实现换相管控制信号电路(6)，通过换相逻辑信号实现换相管的导通、关断控制，通过换相管控制信号实现换相管的驱动信号高低控制，解决了换相管导通、关断和线性工作切换复杂的难题，具有结构简单，易于实现的优点。
附图说明
图1为本发明一种飞轮数字控制电路结构示意图；
图2为本发明一种飞轮数字控制电路中霍尔信号处理电路结构示意图；
图3为本发明一种飞轮数字控制电路中转速脉冲信号处理电路结构示意图；
图4为本发明一种飞轮数字控制电路中电流采样电路结构示意图；
图5为本发明一种飞轮数字控制电路中PWM控制信号电路结构示意图；
图6为本发明一种飞轮数字控制电路中换相管控制信号电路结构示意图；
图7为本发明一种飞轮数字控制电路中控制器最小系统的结构示意图。
具体实施方式
本发明提出一种飞轮数字控制电路，实现了电机的数字控制，可作为电机、机床等机械设备中旋转部件的驱动电路，具有精度高、可靠性高、功能全、使用方便的优点，同时大大缩小了电路的体积和重量。下面结合附图和具体实施例对本发明电路作进一步详细的描述：
如图1所示为本发明一种飞轮数字控制电路结构示意图，由图可知飞轮数字控制电路包括控制器最小系统1、霍尔信号处理电路2、转速脉冲信号处理电路3、电流采样电路4、PWM控制信号电路5、换相管控制信号电路6，霍尔信号处理电路2(包括三路结构功能均相同的电路，分别为第一、第二、第霍尔信号处理电路)分别从外部无刷直流电机获取电机霍尔信号(无刷直流电机的转子位置信号)，然后进行整形处理得到三路霍尔信号，将三路霍尔信号送至转速脉冲信号处理电路3、控制器最小系统1，转速脉冲信号电路3接收霍尔信号后，对三路霍尔信号进行两两异或，并在异或结果的上升沿或者下降沿提取异或结果，进而得到转速脉冲信号，将转速脉冲信号送至控制器最小系统1，电流采样电路4根据外部电机电流产生并输出电机电流遥测信号至控制器最小系统1，控制器最小系统1根据对电机电流信号进行PID运算，得到PID控制输出信号，当捕获得到转速脉冲信号处理电路3发送的转速脉冲信号时，产生并输出第一PWM信号并送至PWM控制信号电路5、换相逻辑信号并送至换相管控制信号电路6，同时控制器最小系统1采集三路霍尔信号状态并判断其变化规律，三路霍尔信号状态为6种(0表示低电平，1表示高电平)，分别为状态1’(011)、状态2’(010)、状态3’(110)、状态4’(100)、状态5’(101)、状态6’(001)，霍尔信号状态变化规律为状态1’〉状态2’〉状态3’〉状态4’〉状态5’〉状态6’〉状态1’表示电机正向转动，霍尔信号状态变化规律为状态1’〉状态6’〉状态5’〉状态4’〉状态3’〉状态2’〉状态1’表示电机反向转动，当PID控制输出信号为正且转动方向为正向转动时，为正向加速状态，当PID控制输出信号为正且转动方向为反向转动时，为反向制动状态，当PID控制输出信号为负且转动方向为正向转动时，为正向制动状态，当PID控制输出信号为负且转动方向为反向转动时，为反向加速状态，若为加速状态则随机产生并输出高电平的换相管控制信号至换相管控制信号电路6，若为制动状态则产生并输出处于高电平、低电平之间的换相管控制信号至换相管控制信号电路6，PWM控制信号电路5接收第一PWM信号后进行经比较器放大后得到第二PWM信号，此信号为集电极开路信号，换相管控制信号电路6接收换相管控制信号、换相逻辑信号，换相管控制信号经同向放大后，再经过换相逻辑信号开关控制得到换相管驱动信号。
如图2所示为本发明的霍尔信号处理电路2结构示意图(共三路，电路结构功能完全相同，图示为其中一路的电路结构示意图)，二极管20阴极接外部第一(二或三)电机霍尔信号，二极管20阳极接施密特触发器23的输入、电阻21一端，电容22一端，电阻21另一端接信号正电源，电容22另一端接信号地，施密特触发器23的输出为霍尔信号处理电路2的输出，当第一(二或三)电机霍尔信输出为高时，二极管20截止，电容22通过电阻21充电，电容22上端电压经带施密特触发器的整形后输出第一(二或三)霍尔信号；当第一(二或三)电机霍尔信号输出为低时，二极管20导通，电容22通过二极管20放电，电容22上端电压经带施密特触发器的门电路整形后输出第一(二或三)霍尔信号。
如图3所示为本发明转速脉冲信号处理电路3结构示意图，霍尔信号处理电路2输出的第一霍尔信号和第二霍尔信号接异或门30的输入，霍尔信号3和异或门30的输出接异或门31的输入，异或门31的输出接异或门34的一个输入和电阻32的一端，电阻32的另一端接电容33的一端与异或门34的另一个输入，电容33的另一端接地，异或门34的输出为转速脉冲信号处理电路3的输出，霍尔信号处理电路2输出的3个霍尔信号经过异或门30和异或门31后得到3倍电机极对数的脉冲信号，该脉冲信号经过电阻32、电容33和异或门34后输出6倍电机极对数的转速脉冲信号，任一霍尔信号发生高低变化均可产生转速脉冲信号。
如图4所示为本发明电流采样电路4结构示意图，外部电机电流流经电阻40，电阻40的电机电流输入端接电阻41一端，电阻41的另一端接运算放大器47的正端输入和电阻42的一端，电阻42的另一端接地，电容43和电阻42并联连接，电阻40的另一端接电阻44一端，电阻44的另一端接运算放大器47的负端输入和电阻45的一端，电阻45的另一端接运算放大器47的输出，电容46和电阻45并联连接，运算放大器47的输出为电流采样电路4的输出(即电机电流遥测信号)，电机电流流经电阻40，经电阻41、电阻42、电容43、电阻44、电阻45、电容46和单极性运放47组成的同向对称放大滤波电路后，输出电机电流遥测信号。
如图5所示为本发明PWM控制信号电路5结构示意图，控制器最小系统1输出的控制器第一PWM信号接电阻50，电阻50的另一端接比较器53的负端输入，电阻51和电阻52一端分别接比较器53的正端输入，电阻52的另一端接地，电阻51的另一端接信号正电源，比较器53的输出接NPN三极管55的B极和电阻54一端，电阻54的另一端接信号正电源，三极管55的E极接电阻47一端，电阻47的另一端接功率地，三极管55的C极为PWM控制信号电路5输出的第二PWM信号，控制器输出第一PWM信号经电阻50后，与电阻51和电阻52构成的分压电路比较，经比较器53后输出高低电平信号，电阻54用于比较器输出高电平时提供上拉电平，比较器53输出信号经三极管55后输出第二PWM信号，电阻56用于限制三极管55发射极电流，使三极管55工作在放大状态，提高三极管55开关速度，输出的第二PWM信号用于驱动外部半桥或全桥驱动电路，完成电机的加速控制。
如图6所示为本发明换相管控制信号电路6结构示意图，控制器最小系统1输出的换相管控制信号接运算放大器61的正端输入，电阻60的一端接运算放大器61的负端输入，电阻60的另一端接地，电阻62的一端接运算放大器61的负端输入，电阻62的另一端接运算放大器61的输出，电容63与电阻62并联连接，运算放大器61的输出接模拟开关64的输入，控制器最小系统1输出的换相逻辑信号(第一换相逻辑信号、第二换相逻辑信号、第三换相逻辑信号的叠加作为该换相逻辑信号)接模拟开关64的控制端，模拟开关64的输出为换相管控制信号电路6的输出换相管驱动信号。控制器最小系统1输出的换相管控制信号经电阻60、电阻62、单极性运放61和电容63组成的放大滤波电路后，进入模拟开关64输入端。控制器最小系统1输出的换相逻辑信号，用于控制模拟开关64通断。换相逻辑信号为高时，模拟开关64通，输出换相管驱动信号，信号高低受换相管控制信号高低控制，换相逻辑信号为低时，模拟开关64断开，换相管驱动信号悬空，此时换相管驱动信号为低电平，输出的换相管驱动信号用于驱动外部半桥或全桥驱动电路，完成电机的换相控制和制动控制，当换相管驱动信号为高电平时，驱动外部半桥或全桥换相管饱和导通，当换相管驱动信号为低电平时，驱动外部半桥或全桥换相管处于关断状态，换相管驱动信号为低电平至高电平之间时，驱动外部半桥或全桥换相管处于线性工作区。
如图7为控制器最小系统1的结构示意图，控制器最小系统1包括控制器11(采用国产控制器LSMEU01)，JTAG接口12、电源电路13、晶振电路14和复位电路15，电机电流遥测信号经控制器AD采样111后变为数字量，进而得到电机电流当前值(It)，外部指令(包括电机电流设定值)通过控制器CAN114或UART115输入，再经软件模块输入指令处理121后得到电机电流设定值(Ir)，电机电流设定值(Ir)和电机电流当前值(It)经进行减法运算得到电机电流误差(Ie)，电机电流误差(Ie)经PID控制器123处理后输出控制器输出值(PIDOUT)，转速脉冲信号接控制器捕获口112，控制器捕获口112发生捕获时，转动方向判断119通过控制器IO输入113读取霍尔信号当前值(HallVal)并送至控制量输出处理单元，控制量输出处理单元124依据当前转速脉冲信号(DW)，控制器输出值(PIDOUT)和三路霍尔信号当前值(HallVal)判断飞轮当前工作状态，控制量输出处理单元124经PWM模块116输出控制器第一PWM信号至PWM控制信号电路5，控制量输出处理单元124经DA模块117输出换相管控制信号，加速时产生高电平的换相管控制信号，制动时产生低电平至高电平之间的换相管控制信号至换相管控制信号电路6，控制量输出处理单元124经IO输出118换相逻辑信号，当第二霍尔信号取反后与第一霍尔信号相与，若为高电平，则产生高电平的第一换相逻辑信号至换相管控制信号电路6，若为低电平，则产生低电平的第一换相逻辑信号至换相管控制信号电路6，当第三霍尔信号取反后与第二霍尔信号相与，若为高电平，则产生高电平的第二换相逻辑信号至换相管控制信号电路6，若为低电平，则产生低电平的第二换相逻辑信号至换相管控制信号电路6，当第一霍尔信号取反后与第三霍尔信号相与，若为高电平，则产生高电平的第三换相逻辑信号至换相管控制信号电路6，若为低电平，则产生低电平的第三换相逻辑信号至换相管控制信号电路6。
本发明飞轮数字控制电路可与电机半桥驱动电路搭配实现飞轮的数字控制，PWM控制信号电路5的输出第二PWM信号控制半桥驱动电路的buck电路的开关管，通过控制PWM的占空比调节buck电路的输出电压，实现电机输入电压控制，换相管控制信号电路6的输出换相管驱动信号控制半桥驱动电路的换相管，通过换相管的导通、关断实现驱动电路换相控制，通过换相管的控制电压实现换相管的开关电流控制，通过换相管开关电流控制实现电机的能耗制动控制，本发明飞轮数字控制电路结合电机半桥驱动电路可实现飞轮的三种工作模式：加速模式、能耗制动模式及主动制动模式。
当加速模式或主动制动模式时，电机电流的大小由电机输入电压决定，电机输入电压由第二PWM信号的PWM占空比决定，换相管控制信号为高电平，当换相逻辑信号为低电平时，换相管驱动信号输出悬空，当换相逻辑信号为高电平时，换相管驱动信号输出最大。
当能耗制动模式时，第二PWM信号的PWM占空比为0，加速电路关闭。换相管控制信号高低变化，当换相逻辑信号为低时，换相管驱动信号输出悬空，当换相逻辑信号为高时，换相管驱动信号高低受换相管控制信号控制。
与现有技术相比，本发明数字控制电路通过采集电机电流，并采取合适的PID控制率，可以实现电流闭环控制，通过转速脉冲信号采集计算电机转速和转速变化率，可实现转速闭环控制和力矩闭环控制。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。