一种双绕组直流无刷电机冗余控制系统及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及伺服控制系统技术领域，尤其是一种双绕组直流无刷电机冗余控制系统及其控制方法。
【背景技术】
[0002]双绕组直流无刷电机具有质量体积小，可靠性高的优点，并具有半功率和全功率两种工作模式，当一组绕组损坏时，电机仍然可以继续运行，它的这种优良特性越来越受到重视，并被运用于线控转向系统、自动化立体仓库穿梭车等领域，取得了良好效果。
[0003]现代复杂条件下的运动控制系统中，提高系统的可靠性，即保证系统在故障情况下仍然可以同步切换、维持工作以减少系统停止的工作时间是一个很重要的问题。控制系统的冗余设计是解决该问题的一个行之有效的方法。目前国内对双绕组直流无刷电机冗余控制系统的研究甚少，将双绕组电机与冗余控制系统结合，可以很大程度上提高系统可靠性，减少系统故障后的停机时间，在工业、军事等方面具有重要应用前景。
【发明内容】
[0004]本发明的首要目的在于提供一种实现双绕组直流无刷电机控制系统之间多种通信和故障检测功能，并且能够在故障状态下实现主/从系统的同步切换，确保系统的正常运行的双绕组直流无刷电机冗余控制系统。
[0005]为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案:一种双绕组直流无刷电机冗余控制系统，包括主份控制系统、备份控制系统和仲裁器，所述主份控制系统的输入端与第一转子位置检测电路的输出端相连，主份控制系统的输出端与第一电机绕组相连，主份控制系统输出同步信号至备份控制系统，主份控制系统发送其内第一主控芯片的状态信息、第一驱动芯片的状态信息至仲裁器；所述备份控制系统的输入端与第二转子位置检测电路的输出端相连，备份控制系统的输出端与第二电机绕组相连，备份控制系统输出其内第二主控芯片的状态信息、第二驱动芯片的状态信息至仲裁器。
[0006]所述主份控制系统由第一主控芯片、第一信号锁存器、第一驱动芯片、第一三相桥式驱动电路、第一相电流检测电路、第一 PWM输出检测电路和第一转子位置检测电路组成，第一主控芯片采用ARM微控制器STM32F103，所述第一主控芯片的PffM I?6脚输出PffM信号至第一信号锁存器，第一主控芯片的10_0脚输出第一主控芯片的状态信息至仲裁器的MCUl端，第一主控芯片的10_1脚输出第一驱动芯片的状态信息至仲裁器的Driverl端，第一主控芯片的串口 USART_TX发送同步信号至第二主控芯片的串口 USART_RX，第一信号锁存器的输出端与第一驱动芯片的输入端相连，第一驱动芯片分两路输出，一路与第一三相桥式驱动电路的输入端相连，另一路通过第一 PWM输出检测电路与第一主控芯片的第一输入端相连，第一三相桥式驱动电路分两路输出，一路与第一电机绕组相连，另一路通过第一相电流检测电路与第一主控芯片的第二输入端相连，第一主控芯片的第三输入端与用于检测电机转子位置的第一转子位置检测电路的输出端相连。
[0007]所述备份控制系统由第二主控芯片、第二信号锁存器、第二驱动芯片、第二三相桥式驱动电路、第二相电流检测电路、第二 PWM输出检测电路和第二转子位置检测电路组成，第二主控芯片采用ARM微控制器STM32F103，所述第二主控芯片的PffM I?6脚输出PffM信号至第二信号锁存器，第二主控芯片的10_0脚输出第二主控芯片的状态信息至仲裁器的MCU2端，第二主控芯片的10_1脚输出第二驱动芯片的状态信息至仲裁器的Driver2端，第二信号锁存器的输出端与第二驱动芯片的输入端相连，第二驱动芯片分两路输出，一路与第二三相桥式驱动电路的输入端相连，另一路通过第二 PffM输出检测电路与第二主控芯片的第一输入端相连，第二三相桥式驱动电路分两路输出，一路与第二电机绕组相连，另一路通过第二相电流检测电路与第二主控芯片的第二输入端相连，第二主控芯片的第三输入端与用于检测电机转子位置的第二转子位置检测电路的输出端相连。
[0008]所述仲裁器由第一与门、第二与门和非门组成，第一与门的输入端接收第一主控芯片发送的第一主控芯片的状态信息、第一驱动芯片的状态信息，第二与门的第一输入端接收第二主控芯片发送的第二主控芯片的状态信息、第二驱动芯片的状态信息，第一与门分两路输出，一路输出用于控制第一信号锁存器通断的控制信号Latchl，另一路与非门的输入端相连，非门的输出端与第二与门的第二输入端相连，第二与门的输出端输出用于控制第二信号锁存器通断的控制信号Latch2。
[0009]所述第一信号锁存器采用芯片74LS273，其引脚I为锁存使能端，高电平有效，连接仲裁器的Latchl端；其引脚3、引脚4、引脚7、引脚8、引脚13、引脚14为输入端，分别与第一主控芯片的输出引脚PE9、引脚PE8、引脚PE11、引脚PE10、引脚PE13、引脚PE12连接;其引脚2、引脚5、引脚6、引脚9、引脚12、引脚15为输出端，分别与第一驱动芯片的输入引脚5、引脚4、引脚2、引脚3、引脚12、引脚11连接；其引脚10接地；其引脚11为时钟触发输入引脚，与第一主控芯片的输出引脚PE14连接；其引脚16、引脚17、引脚18、引脚19悬空，引脚20接+5V。
[0010]所述第一驱动芯片采用HIP4086芯片，其引脚20与电压+12V相连，引脚6接地；其引脚16、引脚I和引脚13为高边自举电源引脚；其引脚18、引脚23和引脚15为高边源极连接引脚；其引脚16通过自举二极管D19与电压+12V相连，再通过自举电容C27与引脚18相连，最后经二极管D17接地；引脚I通过自举二极管D20与电压+12V相连，再通过自举电容C28与引脚23相连，最后经二极管D16接地；引脚13通过自举二极管D18与电压+12V相连，再通过自举电容C26与引脚15相连，最后经二极管D15接地；引脚5、引脚2和引脚12为高端逻辑电平输入引脚，引脚4、引脚3和引脚11为低端逻辑电平输入引脚，这六个引脚均与第一信号锁存器的输出端相连；引脚7为死区时间设定引脚，通过电阻R20与电压+12V相连，引脚8为欠压设定引脚，悬空；引脚9为刷新脉冲设定引脚，通过电容C25接地，引脚10为禁用输入引脚，通过电阻R18与+3.3V相连；引脚17、引脚24、引脚14为高边输出引脚，与第一三相桥式驱动电路的对应相位的高端功率MOS管的栅极相连，引脚24同时串联分压电阻R24、分压电阻R25后接地，第一主控芯片的输入引脚PB15接在电阻R24、电阻R25之间；引脚21、引脚22和引脚19为低端输出引脚，与第一三相桥式驱动电路的对应相的低端功率MOS管的栅极相连。
[0011 ] 所述第一相电流检测电路包括U相电流检测电路和V相电流检测电路，所述U相电流检测电路采用第一芯片ACS709，其引脚1、2、3、4、5、6与第一三相桥式驱动电路的U相输出端AHS相连;其引脚7、8、9、10、11、12经二极管Dl接地，同时引出接插头Jl ;其引脚15接地；其引脚16为电压参考输出引脚，与第一主控芯片的引脚15相连，同时该引脚经电容C6接地；其引脚17为过滤引脚，通过电容C5接地；其引脚18为信号输出引脚，与第一主控芯片的引脚16相连；其引脚19为过流检测引脚；其引脚21为过流输入引脚；其引脚20与电压+3.3V相连，其引脚22为过流检测使能引脚，接地；其引脚13、14、23、24悬空；第一主控芯片通过引脚15、引脚16读取第一电机绕组电流信息；所述V相电流检测电路采用第二芯片ACS709，其引脚1、2、3、4、5、6与第一三相桥式驱动电路的V相输出端BHS相连；其引脚7、8、9、10、11、12经二极管D2接地，同时引出接插头J4 ;其引脚15接地；其引脚16为电压参考输出引脚，与第一主控芯片的引脚18相连，同时该引脚经电容C12接地；其引脚17为过滤引脚，通过电容Cll接地；其引脚18为信号输出引脚，与第一主控芯片的引脚17相连；其引脚19为过流检测引脚；其引脚21为过流输入引脚；其引脚20与电压+3.3V相连，其引脚22为过流检测使能引脚，接地；其引脚13、14、23、24悬空；第一主控芯片通过引脚15、引脚16读取第一电机绕组电流信息。
[0012]所述第一转子位置检测电路包括用于与霍尔传感器端子连接的接插头J7，霍尔传感器安装在直流无刷电机转子上，接插头J7的引脚I与电压+5V相连，引脚2接地；引脚3、
4、5分别与霍尔信号线HALLJJ、HALL_V、HALL_W相连；引脚3经电阻R20与电压+3.3V相连，经电阻R21与芯片74LCX541的引脚2相连；引脚4经电阻R22与电压+3.3V相连，经电阻R23与芯片74LCX541的引脚3相连；引脚5经电阻R28与电压+3.3V相连，经电阻R19与芯片74LCX541的引脚4相连;芯