大工作能力有限转角直流力矩电机位置驱动模块的制作方法

专利名称：大工作能力有限转角直流力矩电机位置驱动模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种有限转角直流力矩电机位置驱动模块，特别是涉及一种输出工作能力超过15牛顿.米力有限转角直流力矩电机位置驱动模块，属于自动控制 系统领域。(二) 背景技术采用电子调速技术是提高柴油机(或天然气机、双燃料发动机等)调速性能 指标的主要途径，执行机构又是柴油机电子调速系统中的关键部件。它将系统的 电能转换为机械能，驱动该系统的控制对象，从而达到控制的目的。因此，执行 机构的性能和特性直接影响整个柴油机电子调速系统的性能。为满足柴油机各工 况的动稳态调速性能，调速执行机构应具有动态响应快、稳态精度高、环境适应 性强等特点。调速用执行机构按工作原理可分为电磁式、电液式、电机式等几种 形式。电磁执行器的优点是结构简单、控制方便、响应速度快，但它的最大推力 受到线圈匝数和最大工作电流的限制，因而适用于中小功率的柴油机上；在要求 大驱动能力的情况下，通常采用电机或液压执行机构。由于液压执行机构对零件 加工精度要求高、并需要外加液压驱动源、调速精度较低等因素，限制了其应用。有限转角直流力矩电机由于其力矩惯量比高、输出能力大、动态反应快、可 控线性度好、结构紧凑，且可双向控制、稳态功耗低等优点，特别适用于大功率 柴油机调速用执行机构。但有限转角直流力矩电机位置驱动系统非线性严重、参 数变化较大，用传统的串联校正、角速度反馈、转角位置环及电流环双闭环控制 等方法，都很难达到理想的控制效果。从目前的检索情况分析，下述公开文献中涉及到与本发明申请相关的技术(1) 硕士学位论文作者田荣军,单位西北工业大学，文章题目《数字 化有限转角直流无刷力矩电机伺服控制系统》，2003年3月；(2) 学术论文作者马瑞卿，刘卫国，单位西北工业大学，文章题目 《全数字有限转角无刷力矩电机的位置控制》，刊物名称《伺服技术》，2001年第34巻第6期；(3)学术论文作者刘卫国，马瑞卿，单位西北工业大学，文章题目 《有限转角无刷力矩电动机位置伺服系统的电流控制》，刊物名称《电工技术杂 志》，2002年第2期。通过对上述3篇资料进行分析发现现有对有限转角直流力矩电机驱动模块的研究只有西北工业大学有所开展， 而且仅局限于小工作能力的力矩电机。资料(1)、 (2)、 (3)中的有限转角直流无刷力矩电机主要用作导弹舵机，其特点是电机驱动能力小，最大仅为0.6Nm。 资料(l)、 (2)控制系统采用基于单片机的位置环、电流环双闭环控制，资料.G) 采用模拟电路的电流环控制。无论是数字式还是模拟式，上述文献所述系统的控 制规律简单、动态特性和抗干扰能力差。采用单一的位置环或电流环的单闭环或 位置环和电流环双闭环电机控制都不能满足柴油机调速控制要求。对柴油机而 言，数字控制实现复杂的控制规律实时性难以保证。
发明内容本发明的目的在于提供一种可以克服有限转角直流力矩电机位置驱动系统 非线性严重、参数变化较大，传统方法难于控制问题；能够对有限转角直流力矩 电机输出转角位置的偏移以及扰动进行自动调节；可以有效地抑制负载的干扰， 提高有限转角直流力矩电机的静态精度和动态跟踪性能，提高大功率柴油机调速 性能的大工作能力有限转角直流力矩电机位置驱动模块。本发明的目的是这样实现的它由转角位置给定及传感器失效保护电路1、转角位置检测及调理电路2、 转角位置PID控制器电路3、角速度PI控制器电路4、角加速度PI控制器电路 5、电流PI控制器电路6、 PWM变换电路7、三角波发生器电路8、逻辑H桥功 率驱动电路9、电流检测电路10和有限转角直流力矩电机11组成；转角位置检 测及调理电路2采集和检测有限转角直流力矩电机11位置信号，经过信号调理 后输入至转角位置给定及传感器失效保护电路1、转角位置PID控制器电路3、 角速度PI控制器电路4、角加速度PI控制器电路5;转角位置给定及传感器失 效保护电路1将位置给定电压信号及转角位置检测及调理电路2输入的信号调 理、运算后输入到转角位置PID控制器电路3;转角位置PID控制器电路3信号 经过PI控制器运算电路运算后将其信号分两路信号输出， 一路输入到电流PI控制器电路6; —路输入到角加速度PI控制器电路5;角加速度PI控制器电路5 信号经过PI控制器运算电路运算后将其信号输入到电流PI控制器电路6;电流 检测电路IO将检测到的有限转角直流力矩电机11线圈电流信号，经调理、运算 后输入到电流PI控制器电路6;电流PI控制器电路6信号经过PI控制器运算电 路运算后输入到PWM变换电路7;三角波发生器电路8将其产生的固定频率和幅值的三角波输入至PWM变换电路7中；PWM变换电路7将其调理和整形后 的PWM信号输入至逻辑H桥功率驱动电路9。本发明固定在柴油机电子调速系统的控制盒中，系统由转速控制模块、驱动 模块、电源模块、人机对话模块、超级电容模块等组成，各模块通过母板进行电 信号连接。使用本发明的有益效果是1. 该位置驱动装置使有限转角直流力矩电机作为大功率柴油机调速执行机 构进入实用阶段，实现了大功率柴油机的全电控制。2. 通过对驱动装置比例电位器、加速度环微分电位器及转角位置信号过零调 整电位器的调节，可优化驱动装置的性能，增强驱动装置对不同类型有限转角力 矩电机和控制对象的适应性和通用性。3. 由模拟电路组成的四闭环控制器的驱动装置功率消耗低，响应速度快， 抗干扰能力强，使调节过程具有良好的稳定性和动态性能。4. 具有快速作用的负荷抑制调节装置。负荷改变后通过四闭环控制器调节 运算，使电机转角位置快速保持在给定值状态，提高系统抗负载干扰能力，抑制 转角位置波动及角速度波动。5. 本位置驱动装置具有完善的安全保护功能。能够自动监测关键环节(传 感器、电机线圈电流)的运行状态，并根据运行状态实施保护，确保系统在故障 时防止事故的发生。本发明的主要特点是针对大工作能力有限转角力矩电机作为柴油机调速执 行机构的控制难点，采用四闭环(外环为位置环，内环为角加速度环、角速度环 及电流环)模拟电路的力矩电机驱动控制模块设计，在四闭环控制电路中，转角 位置环的主要是保证系统的静态精度和动态跟踪性能；角加速度环与角速度环并 行，角速度环的作用是提高系统抗负载干扰能力，抑制转角位置波动；角加速度环的作用是增加系统抗负载干扰能力，抑制角速度的波动；电流环的作用是提高 系统的快速性，抑制电流环内部干扰，限制最大电流保障系统安全运行。采用这 种控制策略的电路响应速度快、实时性高、抗干扰能力强、鲁棒特性好，能够兼 顾动稳态性能。(四)


图1是位置驱动模块总体结构图；图2是转角位置给定及传感器失效保护电路图；图3是转角位置检测电路图；图4是转角位置PID控制器电路图；图5是角速度PI控制器电路图；图6是角加速度PI控制器电路图；图7是电流PI控制器电路图；图8是PWM变换电路图；图9是三角波发生器电路图；图IO是逻辑H桥功率驱动电路图；图ll是电流检测电路图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述结合图1，本发明的大工作能力有限转角直流力矩电机位置驱动模块结构包 括转角位置给定及传感器失效保护电路1、转角位置检测及调理电路2、转角位置PID控制器电路3、角速度PI控制器电路4、角加速度PI控制器电路5、 电流PI控制器电路6、 PWM变换电路7、三角波发生器电路8、逻辑H桥功率 驱动电路9、电流检测电路IO、有限转角直流力矩电机ll组成。转角位置检测 及调理电路2采集和检测有限转角直流力矩电机11位置信号，经过信号调理后 输入至转角位置给定及传感器失效保护电路l、转角位置PID控制器电路3、角 速度PI控制器电路4、角加速度PI控制器电路5;转角位置给定及传感器失效 保护电路1将位置给定电压信号及转角位置检测及调理电路2输入的信号调理、 运算后输入到转角位置PID控制器电路3;转角位置PID控制器电路3信号经过 PI控制器运算电路运算后将其信号分两路信号输出， 一路输入到电流PI控制器电路6; —路输入到角加速度PI控制器电路5。角加速度PI控制器电路5信号 经过PI控制器运算电路运算后将其信号输入到电流PI控制器电路6。电流检测 电路10将检测到的有限转角直流力矩电机11线圈电流信号，经调理、运算后输 入到电流PI控制器电路6。电流PI控制器电路6信号经过PI控制器运算电路运 算后输入到PWM变换电路7;三角波发生器电路8将其产生的固定频率和幅值 的三角波输入至PWM变换电路7中。PWM变换电路7将其调理和整形后的 PWM信号输入至逻辑H桥功率驱动电路9。逻辑H桥功率驱动电路9驱动有限 转角直流力矩电机11能在一定角度范围内跟踪输入指令信号，并且使力矩、快 速性和精度等达到预期的指标要求，能够满足作为柴油机电子调速执行机构的要 求。结合图2，转角位置给定及传感器失效保护电路1分为电源电路和工作电路。 电源电路提供两路信号， 一路连接至工作电路电源+12V, —路连接至工作电路 电源-12V端。工作电路由电阻R19 R26、电容C11 C13、集成运算放大器U3D、 U7A组成；位置给定输入信号12分两路信号输入，其中一路经电阻R22接至集 成运算放大器U7A的反相输入端；另外一路经电容C12接至数字地AGND。位 置反馈输入信号13 (由位置检测及调理电路的16输入，见图3)经电阻R19后 分两路信号， 一路至集成运算放大器U3D的反相输入端， 一路经电容C11接至 数字地AGND。电源+12V经电阻R20后分两路信号， 一路经并联的电阻R21、 电容C13后接至数字地AGND，一路输入至集成运算放大器U3D的同相输入端。 集成运算放大器U3D的输出信号经电阻R24后分两路输出， 一路经电阻R23接 至数字地AGND， 一路至集成运算放大器U7A的同相输入端。电阻R25连接集 成运算放大器U7A的反相输入端和集成运算放大器U7A的输出端。集成运算放 大器U7A的输出信号经电阻R26输出至位置PID控制器电路位置给定输入18 端，见图4。结合图3，转角位置检测及调理电路2分为电源电路和工作电路。电源电路 提供两路信号， 一路连接至工作电路电源+12V端， 一路连接至工作电路数字地 AGND端。工作电路由电阻R14 R18、电容C8 C10、电位器W1、集成运算 放大器U3B、 U3C。由传感器信号输入15端信号分两路信号输出， 一路经电阻 R15输入至集成运算放大器U3B的同相输入端， 一路经并联后的电阻R14、电容C8接至数字地AGND。集成运算放大器U3B的反相输入端与输出端通过导 线相连接。集成运算放大器U3B的输出信号分两路输出， 一路输出至转角位置 给定及传感器失效保护电路，见图2的12端； 一路经电阻R16输出至集成运算 放大器U3C的同相输入端。工作电源-12V经电位器Wl接至数字地AGND。电 位器W1的中间抽头信号分两路信号输出，一路经电容C9输出至数字地AGND， 一路经电阻R17输入到集成运算放大器U3C的同相输入端。电位器W2和电容 C10并联后， 一端输入至集成运算放大器U3C的输出端；另一端分两路信号出 入， 一路输入至集成运算放大器U3C的反相输入端， 一路经电阻R18输入至数 字地AGND。集成运算放大器U3C的输出端17 (位置调理信号输出)输出分两 路信号输出， 一路输出至位置PID控制器电路中的19端，见图4;另一路输出 至角加速度PI控制器电路中的21端，见图6。结合图4，转角位置PID控制器电路3由工作电路组成。工作电路由电阻 R42、 R43、 R59、电容C22、电位器W4、集成运算放大器U10A组成。电容C22 与电阻R59串联后与电阻R42并联，并联后的电路一端接至集成运算放大器 U10A的反相输入端，另一端接至19端位置调理信号输入。由图2转角位置给 定及传感器失效保护电路中的输出端14输入的信号18端输入至集成运算放大器 U10A的反相输入端。电位器W4的一端接至集成运算放大器U10A的输出端20， 一端接至集成运算放大器U10A的反相输入端。电阻R43的一端连至集成运算放 大器U10A的同相输入端， 一端连接至数字地AGND。集成运算放大器U10A分 两路信号输出， 一路输入至图6角加速度PI控制器电路中的22端， 一路输入至 图5角速度PI控制器中的24端。结合图5，角速度PI控制器电路4分为电源电路和工作电路。电源电路提 供两路信号， 一路连接至工作电路电源+12V端， 一路连接至工作电路电源-12V 端。工作电路由电阻R33、 R34、 R37、 R52、电容C16、集成运算放大器U7B 组成。由图4转角位置PID控制器运算后的信号24端经电阻R33连接至集成运 算放大器U7B的反相输入端。集成运算放大器U7B的反相输入端经电容C16、 电阻R34连接至集成运算放大器U7B的输出端。电阻R52 —端连接数字地 AGND，另一端连接集成运算放大器U7B的同相输入端。集成运算放大器U7B 的输出信号经R37输出至电流PI控制器电路中的26端，见图7。结合图6，角加速度PI控制器电路5分为电源电路和工作电路。电源电路 提供两路信号， 一路连接至工作电路电源+12V端， 一路连接至工作电路电源 -12V。工作电路由电阻R35 R36、 R38 R41、电容C17 C21、电位器W3、 集成运算放大器U8A、 U8B组成。由图3转角位置检测及调理电路中的17端输 入的信号至21端，经电容C17、 C18并联后与电阻R36串联接至集成运算放大 器U8A的反相输入端。电容C20与电位器W3并联后， 一端连接至集成运算放 大器U8A的反相输入端， 一段连接至集成运算放大器U8A的输入端。电阻R35 一端连接数字地AGND， 一端连接集成运算放大器U8A的同相输入端。集成运 算放大器U8A的输出端信号经并联后的电容C19、电阻R39连接至集成运算放 大器U8B的反相输入端。由图4转角位置PID控制器电路中20端输出的信号至 22端经电阻R38连接至集成运算放大器U8B的反相输入端。电阻R40 —端连接 数字地AGND，另一端连接集成运算放大器U8B的同相输入端。电阻R41与电 容C21并联后， 一端连接至集成运算放大器的反相输入端，另一端连接至集成 运算放大器U8B的输出端23。结合图7，电流PI控制器电路6分为电源电路和工作电路。电源电路提供 两路信号， 一路连接至工作电路电源+12V端， 一路连接至工作电路电源-12V。 工作电路由电阻R48 R51、 R53 R58、电容C27、稳压管DW1、 DW2、集成 运算放大器U9A、 U9B组成。由图6角加速度PI控制器电路中23端输出的信 号至27端，经电阻R48输入至集成运算放大器U9A的反相输入端；由图5角速 度PI控制器电路中的25端输出的信号至26端后输入至集成运算放大器U9A的 反相输入端。电阻R50连接集成运算放大电路的反相输入端和输出端。电阻R49 的一端连接数字地AGND，另一端连接至集成运算放大器的同相输入端。由集 成运算放大器U9A输出的信号经R51后分两路输出， 一路经电阻R53后输入至 数字地AGND， 一路经电阻R54后输入至集成运算放大电路U9B的反相输入端。 电阻R57与电容C27串联后， 一端连接集成运算放大器U9B的反相输入端，一 端连接集成运算放大器U9B的输出端。电阻R58与串联后的电阻R57、电容C27 并联；串联后的稳压管DW1、 DW2与电阻R58并联。由图11电流检测电路中 的35端输出的信号至28端后经电阻R55连接至集成运算放大器U9B的反相输 入端。电阻R56—端连接数字地AGND，另一端连接集成运算放大器U9B的同相输入端。集成运算放大器U9B的输出端信号29输入至图8的PWM变换电路 的32端。结合图9，三角波发生器电路8。工作电路由电位器W5、电阻R27 R32、 电容C14 C15、集成运算放大器U4A、 U4B组成。电位器W4的两端分别接至 电源电压+12V、 -12V,中间抽头经电阻R27接至集成运算放大器U4A的反相输 入端。集成运算放大器U4A的同相输入端信号分两路输出， 一路经电阻R30输 入至集成运算放大器U4B的输出端33; —路经电阻R29、 R31输入到集成运算 放大器U4B的反相输入端。集成运算放大器U4A的输出端信号经电阻R28、R31 输入至集成运算放大器U4B的反相输入端。电容C14与C15并联后， 一端连接 至集成运算放大器U4B的反相输入端；另一端连接至集成运算放大器U4B的输 出端33。输出端33信号输入至PWM变换电路中的31端，见图8。结合图8， PWM变换电路7分为电源电路和工作电路。电源电路提供两路 信号， 一路连接至工作电路电源+12V端， 一路连接至工作电路电源-12V。工作 电路由大器U3A、 U1光藕H11L1、电阻R1、 R4、 R6 R9、三极管T1、快速恢 复二极管D2组成。由图9三角波发生器电路中的33端输出的信号输入至31端， 经电阻R8至集成运算放大器U3A的反相输入端。由图7电流PI控制器电路中 的29端输出的信号输入至32端，经电阻R7后至集成运算放大器U3A的同相输 入端。电阻R9的一端连接至数字地AGND，另一端连接至集成运算放大器U3A 的同相输入端。集成运算放大器U3A的输出端信号经电阻R6输入至三极管Tl 的基极。三极管T1的发射极分两路信号输出， 一路输入至U1的2端， 一路经 二极管连接至三极管T1的基极。三极管T1的集电极分两路信号， 一路接至U1 的1端， 一路经电阻R4接至电源电压+12V。 Ul的2端接数字地AGND。 Ul 的4端接输出端30; Ul的5端接模拟地MGND; Ul的6端接外部电源+12V， 同时经电阻R1连接至输出端30。输出端30信号输入至逻辑H桥功率驱动电路 的34端。结合图IO，逻辑H桥功率驱动电路9分为电源电路和工作电路。电源电路 提供两路信号， 一路外部电源+12V连接至U11、 U12中的VC、 VD端； 一路外 部电源模拟地MGND连接至Ull、 U12中的VS端。工作电路由电阻R44 R47、 采样电阻Ral、 MOSEFT管T2 T5、电容C23 C25、快速恢复二极管D3、 D4、功率驱动芯片Ull、 U12、反相器U13A、 U13B、电解电容C31、 C32组成。由 图8 PWM变换电路中的30端输出信号输入至34端后经反相器U13B后，分两 路信号输出， 一路输入至Ull的LIN端及U12的HIN端； 一路经反相器U13A 后输入至Ull的HIN端及U12的LIN端。电容C25连接Ull的VS端和VC端； 电容C26连接U12的VS端和VC端。Ul的SD端与CO端连接后，同时接模 拟地MGND; U2的SD端与CO端连接后，同时接模拟地MGND。快速恢复二 极管D4的正极连接Ull的VC端；负极连接Ull的Vb端；快速恢复二极管 D3的正极连接U12的VC端；负极连接U12的Vb端。U11的HO端经电阻R47 连至MOSEFT管T4的基极；Ull的LO端经电阻R46连至MOSEFT管T5的 基极。U12的HO端经电阻R44连至MOSEFT管T2的基极；U12的LO端经 电阻R45连至MOSEFT管T3的基极。电解电容C31与C32并联后，正极接外 部电源+24V，另一端接外部电源模拟地MGND。 MOSEFT管T2、 T4的集电极 接外部电源+24V; MOSEFT管T3、 T5的集电极接外部电源模拟地MGND。电 容C23连接U11的Vb端与Vs端；电容C24连接Ul2的Vb端与Vs端。MOSEFT 管T2的发射极连接MOSEFT管T3的集电极；MOSEFT管T4的发射极连接 MOSEFT管T5的集电极。电机线圈MOT-与MOSEFT管T3的集电极相连后接 至U12的Vs端；电机线圈MOT+经采样电阻Ral后，分两路信号输出， 一路与 MOSEFT管T5的集电极相连后接至图11电流检测电路的Iref端；另一路接至 Ull的Vs端。Ull及U12中的NC脚均为空脚。电流检测电路10分为电源电路和工作电路。电源电路提供两路信号， 一路 电源+5V连接至U5中的Vcc2端， 一路数字地AGND连接至U5中的GND2。 工作电路由U2电源芯片7805、 U5线性光藕7840、集成运算放大器U6A、电容 C1 C7、电解电容C28 C30、电阻R2、 R3、 R5、 R10 R13、快速恢复二极管 Dl组成。电容C1与电解电容C28并联后， 一端接至外部电源+12V;另一端接 至外部电源模拟地MGND。外部电源+12V经快速恢复二极管Dl、电阻R2后连 接至U2的IN端。电容C2与电解电容C29并联后， 一端连接至U2的GND端， 另一端连接至U2的IN端。电容C3与电容C4、电解电容C30并联后， 一端连 接至U2的OUT端和U5的Vccl端，另一端连接至U2的GND端和电机线圈 MOT+端。电机线圈电流Iref信号经电阻R3、 R5后连接至U5的Vin+端。U5的Vin-端与U5中的GND1端相连后接至电机线圈M0T+端。U5中的Vout+端信 号经电阻Rll后输入至集成运算放大器U6A的同相输入端。电阻R10与电容 C6并联后一端接至数字地AGND，另一端接至集成运算放大器U6A的同相输入 端。U5中的Vout2-端信号经电阻R12后输入至集成运算放大器U6A的反相输入 端。电阻R13与电容C7并联后， 一端接至集成运算放大器U6A的反相输入端， 另一端接至集成运算放大器U6A的输出端35。集成运算放大器U6A的输出端 35输入信号至图7电流PI控制器电路中的28端。本专利利用两级电流保护方法，使电机过电流保护更加安全，使电机更安全 可靠的运行。同时将如附图7所示的电流检测信号电路的电流检测信号接到柴油 机转速控制模块上，当转速控制模块检测到的电流值大于电流安全设定值的时间 超过设定的时间时，转速控制器板通过驱动模块，使电机的摆角位置处于降额使 用状态；若转速控制模块检测的电流值仍持续超出电流安全设定时，则转速控制 模块使电机执行器停止运行，防止电机长时间在大电流的情况下工作而烧毁电 机。本发明的优点在于位置驱动模块全部采用模拟式电路实现，具有实时性高、 抗干扰能力强、安全性与可靠性高等；四闭环力矩电机驱动控制模块具有良好的 控制性能和控制品质；当电机线圈过电流时，本专利实施了两级过电流保护策略， 使电机电流保护更加安全、电机更可靠的运行。
权利要求
1. 一种大工作能力有限转角直流力矩电机位置驱动模块，它由转角位置给定及传感器失效保护电路(1)、转角位置检测及调理电路(2)、转角位置PID控制器电路(3)、角速度PI控制器电路(4)、角加速度PI控制器电路(5)、电流PI控制器电路(6)、PWM变换电路(7)、三角波发生器电路(8)、逻辑H桥功率驱动电路(9)、电流检测电路(10)和有限转角直流力矩电机(11)组成；其特征是转角位置检测及调理电路(2)采集和检测有限转角直流力矩电机(11)位置信号，经过信号调理后输入至转角位置给定及传感器失效保护电路(1)、转角位置PID控制器电路(3)、角速度PI控制器电路(4)、角加速度PI控制器电路(5)；转角位置给定及传感器失效保护电路(1)将位置给定电压信号及转角位置检测及调理电路(2)输入的信号调理、运算后输入到转角位置PID控制器电路(3)；转角位置PID控制器电路(3)信号经过PI控制器运算电路运算后将其信号分两路信号输出，一路输入到电流PI控制器电路(6)；一路输入到角加速度PI控制器电路(5)；角加速度PI控制器电路(5)信号经过PI控制器运算电路运算后将其信号输入到电流PI控制器电路(6)；电流检测电路(10)将检测到的有限转角直流力矩电机(11)线圈电流信号，经调理、运算后输入到电流PI控制器电路(6)；电流PI控制器电路(6)信号经过PI控制器运算电路运算后输入到PWM变换电路(7)；三角波发生器电路(8)将其产生的固定频率和幅值的三角波输入至PWM变换电路(7)中；PWM变换电路(7)将其调理和整形后的PWM信号输入至逻辑H桥功率驱动电路(9)。
2、 根据权利要求l所述的大工作能力有限转角直流力矩电机位置驱动模 块，其特征是所述的转角位置给定及传感器失效保护电路(1)分为电源电路和工作电路；电源电路提供两路信号， 一路连接至工作电路电源+12V， 一路连接至工作电路电源-12V端；工作电路由电阻R19 R26、电容C11 C13、集成 运算放大器U3D、 U7A组成；位置给定输入信号12分两路信号输入，其中一 路经电阻R22接至集成运算放大器U7A的反相输入端；另外一路经电容C12 接至数字地AGND;位置反馈输入信号13经电阻R19后分两路信号， 一路至 集成运算放大器U3D的反相输入端， 一路经电容Cll接至数字地AGND;电源+12V经电阻R20后分两路信号， 一路经并联的电阻R21、电容C13后接至 数字地AGND， 一路输入至集成运算放大器U3D的同相输入端；集成运算放大 器U3D的输出信号经电阻R24后分两路输出， 一路经电阻R23接至数字地 AGND， 一路至集成运算放大器U7A的同相输入端；电阻R25连接集成运算放 大器U7A的反输入端和集成运算放大器U7A的输出端;集成运算放大器U7A 的输出信号经电阻R26输出至位置PID控制器电路位置给定输入18端。
3、 根据权利要求2所述的大工作能力有限转角直流力矩电机位置驱动模 块，其特征是转角位置检测及调理电路(2)分为电源电路和工作电路；电源 电路提供两路信号， 一路连接至工作电路电源+12V端， 一路连接至工作电路数 字地AGND端；工作电路由电阻R14 R18、电容C8 C10、电位器W1、集 成运算放大器U3B、 U3C;由传感器信号输入15端信号分两路信号输出， 一路 经电阻R15输入至集成运算放大器U3B的同相输入端， 一路经并联后的电阻 R14、电容C8接至数字地AGND;集成运算放大器U3B的反相输入端与输出 端通过导线相连接；集成运算放大器U3B的输出信号分两路输出， 一路输出至 转角位置给定及传感器失效保护电路的12端； 一路经电阻R16输出至集成运 算放大器U3C的同相输入端；工作电源-12V经电位器Wl接至数字地AGND; 电位器Wl的中间抽头信号分两路信号输出， 一路经电容C9输出至数字地 AGND， 一路经电阻R17输入到集成运算放大器U3C的同相输入端；电位器 W2和电容C10并联后， 一端输入至集成运算放大器U3C的输出端；另一端分 两路信号出入， 一路输入至集成运算放大器U3C的反相输入端， 一路经电阻 R18输入至数字地AGND;集成运算放大器U3C的输出端17输出分两路信号 输出， 一路输出至位置PID控制器电路中的19端；另一路输出至角加速度PI 控制器电路中的21端。
4、 根据权利要求3所述的大工作能力有限转角直流力矩电机位置驱动模 块，其特征是转角位置PID控制器电路(3)由工作电路组成；工作电路由电 阻R42、 R43、 R59、电容C22、电位器W4、集成运算放大器U10A组成；电 容C22与电阻R59串联后与电阻R42并联，并联后的电路一端接至集成运算放 大器U10A的反相输入端，另一端接至19端位置调理信号输入；由转角位置给 定及传感器失效保护电路中的输出端14输入的信号18端输入至集成运算放大器U10A的反相输入端；电位器W4的一端接至集成运算放大器U10A的输出 端20， 一端接至集成运算放大器U10A的反相输入端；电阻R43的一端连至集 成运算放大器U10A的同相输入端， 一端连接至数字地AGND;集成运算放大 器U10A分两路信号输出， 一路输入至角加速度PI控制器电路中的22端，一 路输入至角速度PI控制器中的24端。
5、 根据权利要求4所述的大工作能力有限转角直流力矩电机位置驱动模 块，其特征是角速度PI控制器电路(4)分为电源电路和工作电路；电源电 路提供两路信号， 一路连接至工作电路电源+12V端， 一路连接至工作电路电源 -12V端；工作电路由电阻R33、 R34、 R37、 R52、电容C16、集成运算放大器 U7B组成；由转角位置PID控制器运算后的信号24端经电阻R33连接至集成 运算放大器U7B的反相输入端;集成运算放大器U7B的反相输入端经电容C16、 电阻R34连接至集成运算放大器U7B的输出端；电阻R52 —端连接数字地 AGND，另一端连接集成运算放大器U7B的同相输入端；集成运算放大器U7B 的输出信号经R37输出至电流PI控制器电路中的26端。
6、 根据权利要求5所述的大工作能力有限转角直流力矩电机位置驱动模 块，其特征是角加速度PI控制器电路(5)分为电源电路和工作电路；电源 电路提供两路信号， 一路连接至工作电路电源+12V端， 一路连接至工作电路电 源-12V;工作电路由电阻R35 R36、 R38 R41、电容C17 C21、电位器W3、 集成运算放大器U8A、 U8B组成；由转角位置检测及调理电路中的17端输入 的信号至21端，经电容C17、 C18并联后与电阻R36串联接至集成运算放大器 U8A的反相输入端；电容C20与电位器W3并联后， 一端连接至集成运算放大 器U8A的反相输入端， 一段连接至集成运算放大器U8A的输入端；电阻R35 一端连接数字地AGND， 一端连接集成运算放大器U8A的同相输入端；集成运 算放大器U8A的输出端信号经并联后的电容C19、电阻R39连接至集成运算放 大器U8B的反相输入端；由转角位置PID控制器电路中20端输出的信号至22 端经电阻R38连接至集成运算放大器U8B的反相输入端；电阻R40 —端连接 数字地AGND，另一端连接集成运算放大器U8B的同相输入端；电阻R41与 电容C21并联后， 一端连接至集成运算放大器的反相输入端，另一端连接至集 成运算放大器U8B的输出端23。
7、 根据权利要求6所述的大工作能力有限转角直流力矩电机位置驱动模 块，其特征是电流PI控制器电路(6)分为电源电路和工作电路；电源电路 提供两路信号， 一路连接至工作电路电源+12V端， 一路连接至工作电路电源 -12V;工作电路由电阻R48 R51、 R53 R58、电容C27、稳压管DW1、 DW2、 集成运算放大器U9A、 U9B组成；由角加速度PI控制器电路中23端输出的信 号至27端，经电阻R48输入至集成运算放大器U9A的反相输入端；由角速度 PI控制器电路中的25端输出的信号至26端后输入至集成运算放大器U9A的反 相输入端；电阻R50连接集成运算放大电路的反相输入端和输出端；电阻R49 的一端连接数字地AGND，另一端连接至集成运算放大器的同相输入端；由集 成运算放大器U9A输出的信号经R51后分两路输出， 一路经电阻R53后输入 至数字地AGND， 一路经电阻R54后输入至集成运算放大电路U9B的反相输 入端；电阻R57与电容C27串联后， 一端连接集成运算放大器U9B的反相输 入端， 一端连接集成运算放大器U9B的输出端；电阻R58与串联后的电阻R57、 电容C27并联；串联后的稳压管DW1、 DW2与电阻R58并联；由电流检测电 路中的35端输出的信号至28端后经电阻R55连接至集成运算放大器U9B的反 相输入端；电阻R56—端连接数字地AGND，另一端连接集成运算放大器U9B 的同相输入端；集成运算放大器U9B的输出端信号29输入至PWM变换电路 的32端。
8、 根据权利要求7所述的大工作能力有限转角直流力矩电机位置驱动模 块，其特征是三角波发生器电路(8);工作电路由电位器W5、电阻R27 R32、电容C14 C15、集成运算放大器U4A、 U4B组成；电位器W4的两端分 别接至电源电压+12V、 -12V,中间抽头经电阻R27接至集成运算放大器U4A 的反相输入端；集成运算放大器U4A的同相输入端信号分两路输出， 一路经电 阻R30输入至集成运算放大器U4B的输出端33; —路经电阻R29、 R31输入 到集成运算放大器U4B的反相输入端；集成运算放大器U4A的输出端信号经 电阻R28、 R31输入至集成运算放大器U4B的反相输入端；电容C14与C15 并联后， 一端连接至集成运算放大器U4B的反相输入端；另一端连接至集成运 算放大器U4B的输出端33;输出端33信号输入至PWM变换电路中的31端。
9、 根据权利要求8所述的大工作能力有限转角直流力矩电机位置驱动模块，其特征是PWM变换电路(7)分为电源电路和工作电路；电源电路提供 两路信号， 一路连接至工作电路电源+12V端， 一路连接至工作电路电源-12V;工作电路由大器U3A、 U1光藕H11L1、电阻R1、 R4、 R6 R9、三极管T1、 快速恢复二极管D2组成；由三角波发生器电路中的33端输出的信号输入至31 端，经电阻R8至集成运算放大器U3A的反相输入端；由电流PI控制器电路中 的29端输出的信号输入至32端，经电阻R7后至集成运算放大器U3A的同相 输入端；电阻R9的一端连接至数字地AGND，另一端连接至集成运算放大器 U3A的同相输入端；集成运算放大器U3A的输出端信号经电阻R6输入至三极 管T1的基极；三极管T1的发射极分两路信号输出， 一路输入至U1的2端， 一路经二极管连接至三极管Tl的基极；三极管T1的集电极分两路信号， 一路 接至Ul的1端， 一路经电阻R4接至电源电压+12V; Ul的2端接数字地AGND; Ul的4端接输出端30; Ul的5端接模拟地MGND; Ul的6端接外部电源+12V， 同时经电阻Rl连接至输出端30;输出端30信号输入至逻辑H桥功率驱动电 路的34端。
10、根据权利要求9所述的大工作能力有限转角直流力矩电机位置驱动模 块，其特征是逻辑H桥功率驱动电路(9)分为电源电路和工作电路；电源 电路提供两路信号， 一路外部电源+12V连接至U11、 U12中的VC、 VD端； 一路外部电源模拟地MGND连接至Ull、 U12中的VS端。工作电路由电阻 R44 R47、采样电阻Ral、 MOSEFT管T2 T5、电容C23 C25、快速恢复二 极管D3、 D4、功率驱动芯片Ull、 U12、反相器U13A、 U13B、电解电容C31、 C32组成；由PWM变换电路中的30端输出信号输入至34端后经反相器U13B 后，分两路信号输出， 一路输入至Ull的LIN端及U12的HIN端； 一路经反 相器U13A后输入至Ull的HIN端及U12的LIN端；电容C25连接Ull的VS 端和VC端；电容C26连接U12的VS端和VC端；Ul的SD端与CO端连接 后，同时接模拟地MGND; U2的SD端与CO端连接后，同时接模拟地MGND; 快速恢复二极管D4的正极连接Ull的VC端；负极连接Ull的Vb端；快速 恢复二极管D3的正极连接U12的VC端；负极连接U12的Vb端；Ull的HO 端经电阻R47连至MOSEFT管'T4的基极；Ull的LO端经电阻R46连至 MOSEFT管T5的基极；U12的HO端经电阻R44连至MOSEFT管T2的基极；U12的LO端经电阻R45连至MOSEFT管T3的基极；电解电容C31与C32并 联后，正极接外部电源+24V，另一端接外部电源模拟地MGND; MOSEFT管 T2、 T4的集电极接外部电源+24V; MOSEFT管T3、 T5的集电极接外部电源 模拟地MGND;电容C23连接Ull的Vb端与Vs端；电容C24连接U12的 Vb端与Vs端；MOSEFT管T2的发射极连接MOSEFT管T3的集电极；MOSEFT 管T4的发射极连接MOSEFT管T5的集电极；电机线圈MOT-与MOSEFT管 T3的集电极相连后接至U12的Vs端；电机线圈MOT+经采样电阻Ral后，分 两路信号输出， 一路与MOSEFT管T5的集电极相连后接至图11电流检测电路 的Iref端；另一路接至Ull的Vs端。U11及U12中的NC脚均为空脚；电流 检测电路(10)分为电源电路和工作电路；电源电路提供两路信号， 一路电源 +5V连接至U5中的Vcc2端， 一路数字地AGND连接至U5中的GND2;工作 电路由U2电源芯片7805、 U5线性光藕7840、集成运算放大器U6A、电容Cl ~ C7、电解电容C28 C30、电阻R2、 R3、 R5、 R10 R13、快速恢复二极管Dl 组成；电容C1与电解电容C28并联后， 一端接至外部电源+12V;另一端接至 外部电源模拟地MGND;外部电源+12V经快速恢复二极管Dl、电阻R2后连 接至U2的IN端；电容C2与电解电容C29并联后， 一端连接至U2的GND端， 另一端连接至U2的IN端；电容C3与电容C4、电解电容C30并联后， 一端连 接至U2的OUT端和U5的Vccl端，另一端连接至U2的GND端和电机线圈 MOT+端；电机线圈电流Iref信号经电阻R3、 R5后连接至U5的Vin+端；U5 的Vin-端与U5中的GND1端相连后接至电机线圈MOT+端；U5中的Vout+端 信号经电阻Rll后输入至集成运算放大器U6A的同相输入端；电阻R10与电 容C6并联后一端接至数字地AGND，另一端接至集成运算放大器U6A的同相 输入端；U5中的Vout2-端信号经电阻R12后输入至集成运算放大器U6A的反 相输入端；电阻R13与电容C7并联后， 一端接至集成运算放大器U6A的反相 输入端，另一端接至集成运算放大器U6A的输出端35;集成运算放大器U6A 的输出端35输入信号至电流PI控制器电路中的28端。
全文摘要
本发明提供的是一种大工作能力有限转角直流力矩电机位置驱动模块，它由转角位置给定及传感器失效保护电路(1)、转角位置检测及调理电路(2)、转角位置PID控制器电路(3)、角速度PI控制器电路(4)、角加速度PI控制器电路(5)、电流PI控制器电路(6)、PWM变换电路(7)、三角波发生器电路(8)、逻辑H桥功率驱动电路(9)、电流检测电路(10)和有限转角直流力矩电机(11)组成。本发明全部采用模拟式电路实现，具有实时性高、抗干扰能力强、安全性与可靠性高等；四闭环力矩电机驱动控制模块具有良好的控制性能和控制品质；当电机线圈过电流时，本发明实施了两级过电流保护策略，使电机电流保护更加安全、电机更可靠的运行。
文档编号F02D11/10GK101266461SQ20081006435
公开日2008年9月17日 申请日期2008年4月23日 优先权日2008年4月23日
发明者崇 姚, 军 孙, 宋恩哲, 宋百玲, 赵华伟 申请人:哈尔滨工程大学