智能通道系统专用的电机控制系统及控制方法与流程

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种智能通道系统专用的电机控制系统及控制方法。

背景技术：

传统的闸机通常采用交流电机或直流有刷电机，交流电机供电电源一般是220V强电，对闸机而言有安全隐患，并且响应速度较慢；直流有刷电机的碳刷是易损件，使用寿命有限，不适合于通行非常频繁的场合。直流无刷电机可以有效地规避上述问题，但是针对闸机特有的应用，需要开发闸机专用的电机控制系统。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种智能通道系统专用的电机控制系统，其通过对电机位置、速度和电流进行监测，搭载高分辨率编码器的闭环反馈技术，通过优化速度设置和加速度曲线，启动速度快，停止平稳，降低机械噪声，可适用于通行非常频繁的场合。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种智能通道系统专用的电机控制系统，其包括：

主控制电路，所述主控制电路包括DSP处理器和FPGA处理器；

电机驱动电路，所述电机驱动电路包括驱动模块、半桥电路，所述驱动模块的输入端通过第一I/O隔离模块连接至DSP处理器的第一输出端，所述驱动模块的输出端通过半桥电路连接至电机；

外围设备，所述外围设备通过第三I/O隔离模块与FPGA处理器相连，所述外围设备包括红外传感模块、门禁模块和离合器模块，所述门禁模块用于将其采集的开门或关门信号通过FPGA处理器发送给DSP处理器，所述DSP处理器根据所述开门或关门信号控制电机的动作；所述红外传感模块用于采集上锁信号并将所述上锁信号通过FPGA处理器发送给DSP处理器，所述DSP处理器根据所述上锁信号通过FPGA处理器控制离合器模块上锁；

检测模块，所述检测模块包括对半桥电路温度进行监测的温度传感器、对电机电流进行监测的电流检测模块，对电机位置进行监测的位置检测模块；所述电流检测模块电性连接于半桥电路和电机之间，所述温度传感器安装于半桥电路处，所述位置检测模块安装于电机处，且所述温度传感器和位置检测模块的输出端均通过第二I/O隔离模块连接至DSP处理器的第二输出端；所述电流检测模块的反馈端连接至DSP处理器的第三输出端。

优选地，所述电机控制系统进一步包括第一可调隔离直流电源和第二可调隔离直流电源，所述第一可调隔离直流电源和第二可调隔离直流电源分别为主控制电路和电机驱动电路供电。

优选地，所述主控制电路进一步包括第一隔离电源和第二隔离电源，第一隔离电源和第二隔离电源分别为外围设备和检测模块供电。

优选地，所述外围设备进一步包括LED模块和喇叭模块，所述DSP处理器根据所述开门或关门信号通过FPGA处理器控制LED模块和喇叭模块做出相应的动作。

优选地，所述位置检测模块为数字编码器或/和霍尔传感器。

优选地，所述半桥电路为MOS管半桥电路或IGBT管半桥电路。

优选地，所述检测模块进一步包括CAN模块、RS485模块和RS232模块的一种或多种，所述电机控制系统进一步包括一输入模块，所述输入模块的输出端通过CAN模块、RS485模块或RS232模块经由第二I/O隔离模块连接至DSP处理器的输入端。

优选地，所述主控制电路进一步包括静态随机存储器，所述静态随机存储器与DSP处理器其中一I/O口连接。

本发明的目的之二在于提供一种通过上述电机控制系统实现电机控制的方法，其通过对电机位置、速度和电流进行监测，搭载高分辨率编码器的闭环反馈技术，通过优化速度设置和加速度曲线，启动速度快，停止平稳，降低机械噪声，可适用于通行非常频繁的场合，该方法包括以下步骤：

步骤1、位置调节：根据跟定的位置信号Ua和电机处反馈的电机位置信号Ub之间的偏差通过PID调节得到电机转速的参考值Vg，所述电机位置信号Ub通过位置检测模块采集获取；

步骤2、速度调节：根据所述电机转速的参考值Vg和电机处反馈的电机转速的实际值Ws通过第一PI调节得到电机电流的给定电压参考值Ulg，所述电机转速的实际值Ws通过数字编码器采集获取；

步骤3、电流调节：根据所述电机电流的给定电压参考值Ulg和电机处反馈的电机电流的实际电压值Uif通过第二PI调节得到电流输出调节占空比，所述电机电流的实际电压值Uif通过电流检测模块采集后进行A/D转换获取；

步骤4、电机控制：将所述电流输出调节占空比经由PWM控制器、驱动模块后对半桥电路的通断进行控制，进而实现对电机输出转速、电流或转矩的控制。

优选地，所述位置调节、速度调节和电流调节均在DSP处理器中进行。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

1、本发明采用TI公司的DSP和Actel公司的FPGA/CPLD的双核架构，集成了闸机所需的全部功能。相对于其他需要二块PCB板的系统，具有体积小，成本低的明显优势，并且响应速度快。

、阈值动态可调的电流检测技术，反应时间小于50ms，可以非常灵敏地检测到闸门是否夹到行人；

3、搭载高分辨率编码器的闭环反馈技术，并通过优化速度设置和加速度曲线，启动速度快，停止平稳，降低机械噪声；

4、采用电流正弦波控制，低速平稳，效率更高，并且可以降低电磁噪声，减少对外电磁辐射干扰；

5、端口的信号采用光电隔离技术，电源采用变压器隔离技术（2000V），具有极强的抗干扰能力，极强的可靠性；

6.本发明具备宽压电源输入能力和抗电源干扰能力强的优点，适用于在恶劣的工作环境中。

本发明具备多种电机驱动能力，既可以驱动直流无刷电机，也可以驱动直流有刷电机。

本发明集成温度传感器模块，可以防止MOS/IGBT驱动模块过热烧毁。

本发明具备冗余电流检测能力。当1个电流检测模块出现故障，不会影响整个系统的工作性能。

本发明集成多种电机传感器接口，既可以连接增量式编码器，也可以连接绝对式编码器，还可以连接霍尔传感器。

附图说明

图1为本发明智能通道系统专用的电机控制系统的结构框图；

图2为本发明电机控制方法的原理图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

请参照图1所示，一种智能通道系统专用的电机控制系统，其包括主控制电路、电机驱动电路、外围设备和检测模块。其中，主控制电路包括DSP处理器（DSP数字信号处理器模块）和FPGA处理器（FPGA/CPLD可编程模块）；电机驱动电路包括驱动模块、半桥电路，驱动模块的输入端通过第一I/O隔离模块连接至DSP处理器的第一输出端，驱动模块的输出端通过半桥电路连接至电机，半桥电路为MOS管半桥电路或IGBT管半桥电路，对应地，驱动模块采用高压MOS管驱动电路或高压IGBT管驱动电路；外围设备通过第三I/O隔离模块与FPGA处理器相连，外围设备包括红外传感模块、门禁模块和离合器模块，门禁模块用于将其采集的开门或关门信号通过FPGA处理器发送给DSP处理器，DSP处理器根据开门或关门信号控制电机的动作；红外传感模块用于采集上锁信号并将上锁信号通过FPGA处理器发送给DSP处理器，DSP处理器根据上锁信号通过FPGA处理器控制离合器模块上锁；检测模块包括对半桥电路（同时也是驱动模块温度监测）温度进行监测的温度传感器、对电机电流进行监测的电流检测模块，对电机位置进行监测的位置检测模块；电流检测模块电性连接于半桥电路和电机之间，温度传感器安装于半桥电路处，位置检测模块安装于电机处，且温度传感器和位置检测模块的输出端均通过第二I/O隔离模块连接至DSP处理器的第二输出端；电流检测模块的反馈端连接至DSP处理器的第三输出端。主控制电路还包括静态随机存储器（SRAM），静态随机存储器与DSP处理器其中一I/O口连接电流检测模块为多个冗余结构，从而避免一个损坏而影响电流检测。

上述主控制电路中，DSP处理器是主要的控制单元，负责所有外围设备、检测模块和电机驱动电路的控制。静态随机存储器负责为DSP处理器提供程序及数据存储空间。FPGA处理器负责扩展IO，这样解决了DSP处理器IO口数量不足的问题，降低了系统的成本，也提高了系统的灵活性。

整个电机控制系统的电源由第一可调隔离直流电源和第二可调隔离直流电源提供，其中，第一可调隔离直流电源和第二可调隔离直流电源分别为主控制电路和电机驱动电路供电。主控制电路中包括有第一隔离电源和第二隔离电源，第一隔离电源和第二隔离电源均为第一可调隔离直流电源经过对应的变压后形成，第一隔离电源和第二隔离电源分别为外围设备和检测模块供电。

另外，外围设备还包括LED模块和喇叭模块，DSP处理器根据开门或关门信号通过FPGA处理器控制LED模块和喇叭模块做出相应的动作，例如，在开门或关门过程中，可以均使LED模块闪烁，喇叭模块播放一定的音乐信号等方式。

位置检测模块为编码器、霍尔传感器中的一种，本发明集成多种电机传感器接口，既可以连接增量式编码器，也可以连接绝对式编码器，还可以连接霍尔传感器。其中，编码器可以采集位置和速度信息（将编码器采集数据发送给DSP处理器中的QEP模块即可），霍尔传感器采集位置信息。

在工作过程中，DSP处理器根据开门或关门指令驱动电机时，由DSP处理器先启动电机，再根据数字式编码器或者霍尔传感器信号对电机控制信号进行换相，如此循环往复就可以驱动电机不停地旋转了。在此驱动电机的过程中，DSP处理器实时采样电流检测模块，温度传感器的信号。一旦电流检测模块的信号超过设定值，DSP处理器就会立刻清零电机驱动信号。这样就可以实现电机堵转或者力矩检测了。一旦温度传感器的信号超过设定值，DSP处理器也会立刻清零电机驱动信号，以防止MOS/IGBT半桥过热烧毁。

检测模块还包括CAN模块、RS485模块和RS232模块的一种或多种，电机控制系统进一步包括一输入模块，用户通过输入模块输入信息，然后通过CAN模块、RS485模块或RS232模块经由第二I/O隔离模块连接至DSP处理器的输入端。

请参照图2所示，采用上述电机控制系统实现电机控制的方法，其通过三闭环（即位置环，速度环，电流环）结构实现电机的伺服控制。具体的，电机控制方法包括以下步骤：

步骤1、位置调节（位置环）：当电机处于运行状态时，根据跟定的位置信号Ua和电机处反馈的电机位置信号Ub之间的偏差通过PID调节得到电机转速的参考值Vg，电机位置信号Ub通过位置检测模块采集获取；

步骤2、速度调节（速度环）：根据电机转速的参考值Vg和电机处反馈的电机转速的实际值Ws通过第一PI调节得到电机电流的给定电压参考值Ulg，电机转速的实际值Ws通过数字编码器采集获取；

步骤3、电流调节（电流环）：根据电机电流的给定电压参考值Ulg和电机处反馈的电机电流的实际电压值Uif通过第二PI调节得到电流输出调节占空比，电机电流的实际电压值Uif通过电流检测模块采集后进行A/D转换获取；

步骤4、电机控制：将电流输出调节占空比经由PWM控制器、驱动模块后对半桥电路的通断进行控制，进而实现对电机输出转速、电流或转矩的控制。

该方法中，电流环、速度环和位置环均在DSP处理器中进行。电流环和速度环均为内环，位置环为外环。电流环的作用是提供电机控制的快速性，抑制电流环内部干扰，限制最大电流以保障系统（即指电机控制系统）安全运行。速度环的作用是增加系统抗负载扰动的能力，抑制速度波动。位置环的作用是保证系统静态精度和动态跟踪的性能。在开始跟踪被控量时，先取消积分作用，使比例项迅速跟踪偏差的变化。当被控量接近新的设定值时，再将积分作用加上。这样既可以避免超调又可缩短达到稳态的时间，起到了积分校正的作用。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。