专利名称：一种直流电机驱动器及驱动方法
技术领域：
本发明涉及自动化领域，特别涉及一种直流电机驱动器及驱动方法。
背景技术：
直流电机必须通过驱动器的驱动才能实现各种工作模式，比如速度环控制模式、电流环 控制模式、位置环控制模式。现有技术中要实现直流电机的速度闭环控制，都必须利用一个 独立于驱动器的外加部件即速度传感器，如光电编码器(也称为光电码盘)、磁编码器、旋转 变压器等作为速度反馈元件，根据速度反馈元件的输出感知电机实际转速，再通过一定的控 制方法来驱动直流电机，实现速度闭环控制，其驱动器没有直接测速的动能。
光电码盘测速的原理是光源发出恒定的光，光调制器根据被测转速将光源发出的光调制 成光脉冲或光码信号，光电转换部件将光信号变成电信号，经信号处理器对信号进行运算和 加工，变换成被测转速的相应输出值。磁编码器是根据磁路磁阻的变化引起磁通的变化，从 而在线圈内产生感应电动势，形成一个个电脉冲，经转换得到被测转速。还有用霍尔元件来 进行测速的，其原理是霍尔芯片紧贴齿轮，磁铁放在芯片后面。齿轮转动可以改变通过霍尔 芯片的磁通量，霍尔芯片可以输出类似正弦的波形。用运放放大波形后接一级比较器，把正 弦波转换为方波。方波的频率和齿轮的转速正比，因而得到电机转速。
尽管光电码盘、霍尔元件等速度传感器作为电机驱动器的速度反馈元件，是目前广泛应 用的手段，但其外接在直流电机或者负载机构上，结构复杂、体积较大、成本较高，并且接 线相对复杂，因此在对成本比较敏感、速度闭环控制精度要求不高的场合，以及在微小型机 器人等安装空间有限，要求驱动器控制结构尽量简单、接线尽量简化的场合，探索一种直接 测速并对直流电机进行驱动的驱动器及驱动方法就有十分重要的意义。
发明内容
为了解决现有技术中对直流电机的驱动采用独立于驱动器的外加速度传感器作为速度反 馈元件带来的不利因素，本发明提出了一种直流电机驱动器及驱动方法。所述技术方案如下
一种直流电机驱动器，所述驱动器包括测量模块、转速计算模块、指令电压输入模块、 误差计算及驱动模块；
所述测量模块与直流电机相连，用于测量直流电机的电枢电流和电枢端电压，并将所述 电枢电流和电枢电压输入到转速计算模块；
所述转速计算模块，用于根据所述测量模块输出的直流电机的电枢电流和端电压，计算 直流电机实际转速，并将所述直流电机实际转速输入到误差计算及驱动模块；
所述指令电压输入模块，用于获取用户输入的指令电压，并根据所述指令电压得到期望 目标转速，并将所述期望目标转速输入到误差计算及驱动模块；
所述误差计算及驱动模块，用于根据所述直流电机实际转速和所述期望目标转速，计算 所述直流电机实际转速和所述期望目标转速之间的误差，并根据所述误差生成控制信号，并 用所述控制信号驱动直流电机。
其中，所述转速计算模块具体包括
电机反电动势求解电路，用于根据所述直流电机的电枢电流和端电压，按照如下公式计 算电机反电动势；
设五。为直流电机反电动势，r。为电机电枢两端的端电压，/。为电机电枢电流，^:￡为反
电动势常数，7 。是电机电枢电阻； ￡。 =Ka-J 。/。；
电机转速求解电路，用于根据所述电机反电动势求解电路求解出的电机反电动势，按照 如下公式计算直流电机实际转速； 设"为电机转速，"=五。/《￡。 一种直流电机驱动方法，所述方法包括 测量直流电机的电枢电流和电枢端电压； 根据所述电枢电流和电枢端电压计算直流电机实际转速； 获取用户输入的指令电压，根据所述指令电压得到期望目标转速；
计算所述期望目标转速和所述直流电机实际转速之间的误差，根据所述误差生成控制信 号，用所述控制信号驱动所述直流电机。
其中，根据所述电枢电流和电枢端电压计算直流电机实际转速，具体包括 根据所述电枢电流和电枢端电压，按照如下公式计算电机反电动势；
设五。为直流电机反电动势，^为电机电枢两端的端电压，/。为电机电枢电流，《￡为反电动势常数，i 。是电机电枢电阻；
& = W。；
根据所述电机反电动势，按照如下公式计算直流电机实际转速； 设"为电机转速，n = ￡。//CE。
本发明的有益效果在于通过驱动器内部的电路直接实现了直流电机实际转速的测量并
对电机进行驱动，不需要外加码盘等速度反馈元件，大大简化了直流电机驱动器的结构，降
低了成本；另外，通过本发明所述方法设计实现的直流电机驱动器，其体积及重量比现有驱 动器显著减小。
图1是本发明实施例1提供的一种直流电机驱动器结构图2是本发明实施例2提供的一种直流电机驱动器结构图3是本发明实施例2提供的H桥驱动电路和电枢电流检测电路的电路图4是本发明实施例2提供的电枢端电压检测电路图5是本发明实施例2提供的电机反电动势求解电路和电机转速求解电路图； 图6是本发明实施例2提供的指令电压输入电路图7是本发明实施例2提供的转速误差求解电路和控制信号生成电路图8是本发明实施例3提供的一种直流电机驱动方法流程图。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进 一步地详细描述。 实施例1
参见图l，本发明实施例l提供了一种直流电机驱动器l，该驱动器1包括测量模块2、 转速计算模块3、指令电压输入模块4、误差计算及驱动模块5;
其中，该驱动器1的测量模块2与直流电机相连，用于测量直流电机的电枢电流和电枢 端电压，并将该电枢电流和电枢电压输入到转速计算模块3;
其中，转速计算模块3根据测量模块2输出的直流电机的电枢电流和端电压，计算直流 电机实际转速，并将该直流电机实际转速输入到误差计算及驱动模块5;
6其中，指令电压输入模块4用于获取用户输入的指令电压，并根据该指令电压得到期望 目标转速，并将该期望目标转速输入到误差计算及驱动模块5;
其中，误差计算及驱动模块5根据该直流电机实际转速和期望目标转速，计算直流电机 实际转速和期望目标转速之间的误差，并根据该误差生成控制信号，用该控制信号来驱动直 流电机。
其中，转速计算模块3具体包括
a，电机反电动势求解电路，用于根据直流电机的电枢电流和端电压计算反电动势； 设i 。为直流电机反电动势，为电机电枢两端的端电压，/。为电机电枢电流，《￡为反 电动势常数，i 。是电机电枢电阻；
b，电机转速求解电路，用于根据电机反电动势求解电路求解出来的电机反电动势计算直 流电机实际转速；
设w为电机转速，"=(F。—i 。厶)/i^。
本发明实施例提供的直流电机驱动器，通过计算直流电机的实际转速，并计算实际转速 和期望转速之间误差，根据该误差生成控制信号，用该控制信号来驱动直流电机。该驱动器 结构简单、体积小巧、接线容易、成本较低。在对成本比较敏感、速度闭环控制精度要求又 不很高的场合，以及在微小型机器人等安装空间有限，要求驱动器控制结构尽量简单、接线 尽量简化的应用场合，该驱动器具有十分重要的意义。
实施例2
参见图2，本发明实施例2提供了一种直流电机驱动器200,所述驱动器200包括稳压电 路202、 //桥驱动电路204、电枢电流检测电路205、电枢端电压检测电路206、电机反电动势 求解电路207、电机转速求解电路208、指令电压输入电路209、转速误差求解电路210、控制 信号生成电路211。
该驱动器200的稳压电路202与电源201相连，由电源201为稳压电路202供电，然后稳压电 路202为该驱动器200中所有电路提供控制电源；同时，电源201通过/Z桥型驱动电路204与直 流电机203相连，为直流电机203提供动力电源。
其中，电枢电流检测电路205与H桥驱动电路204相连，测量流过/f桥驱动电路204的 电流，即直流电机电枢电流/。，然后将该直流电机电枢电流/。输入到电机反电动势求解电路 207。电枢端电压检测电路206与直流电机203的两端相连，用于测量直流电机电枢端电压^ ， 然后将该直流电机电枢两端的端电压F。输入到电机反电动势求解电路207 。
电机反电动势求解电路207收到电枢电流检测电路205输入的直流电机电枢电流/ 和电 枢端电压检测电路206输入的直流电机电枢两端的端电压F。后，根据该直流电机电枢电流/。 和直流电机电枢两端的端电压^计算反电动势五。，并将计算出的反电动势￡。输入到电机转速 求解电路208;
由直流电机控制方程
K = ￡。+ W。/。可得到五。=F" - &/。
电机转速求解电路208收到电机反电动势求解电路207输入的反电动势五。后，计算直流电 机实际转速w ，然后将计算出的直流电机实际转速"输入到转速误差求解电路210。 即由￡。 二^"得到"五。/^ ，进而得到"=(7。—7 。/。)/《￡ 其中，^是反电动势常数，W。是电机电枢电阻。
指令电压输入电路209用于获取用户输入的指令电压，并根据该指令电压得到期望目标转 速，并将得到的期望目标转速输入到转速误差求解电路210;
转速误差求解电路210收到电机转速求解电路208输入的直流电机实际转速w和指令电压 输入电路209输入的期望目标转速后，计算期望目标转速与直流电机实际转速之间的误差，然 后将该误差输入到控制信号生成电路211;
控制信号生成电路21 l收到转速误差求解电路209输入的转速误差后，通过PID控制算法生 成控制信号，用该控制信号来驱动/Z桥驱动电路204，进而驱动直流电机203，实现直流电机 转速闭环控制。
图3是/7桥驱动电路204和电枢电流检测电路205的电路图。其中，四个场效应管^、込、 込、04组成//桥驱动电路204，及31、们2、 i 33、 i 34为场效应管的栅极电阻，爿/ZO 、爿厶<9 、 B/fO、 aLO为控制信号生成电路ll的四个输出信号，M +接直流电机的正极，M-接直流 电机的负极，FD接驱动电源的正极，Or接驱动电源的负极。电阻i 47和i 48用于把电机电 枢电流信号转化成电压信号，该电压信号被由运算放大器U2C以及W25 i 28组成的电路进
一歩放大输出W。信号，F/。的大小与电机电枢电流之间存在着线性比例关系。其比例关系为
W =(h腾一、鼎"25 a i 28 腿
其中，^为流过i 48的电流，即对应从电机电枢M+流过M-端的电流；^为流过/J47的电流， 即对应从电机电枢M-流过M+端的电流。电机电枢电流/。为厶和^的平均值。图4是电枢端电压检测电路206的电路图。其中，M +接直流电机的正极，M-接直流电 机的负极，电枢端电压经过由运算放大器t/LD以及/ 18 及21、 Cll、 C14组成的差分放大电 路放大后输出F^， FK"的大小与电机电枢端电压之间存在线性比例关系。其比例关系为
FK。 =(^-i)*i 18 a i 21 及19
其中，VM+、 f/^为电机电枢端电压。
图5是电机反电动势求解电路207和电机转速求解电路208的电路图。其中，F7。是电枢电 流检测电路205的输出，FF。是电枢端电压检测电路206的输出，运算放大器f/2^与、 、 ra组成反相比例运算电路，实现-i 。/。运算，如下式
Wf / 24 。
其中，图5中已得出r/。与/。的比例关系。
运算放大器"25与i 15、及16、及17、 C10组成反相比例运算电路，其(^-凡/。 )/《￡运 算，其结果即与转速n成线性比例关系。如下式
T, ,及15^n 奶H,、
Fn =—(——* Wi +——* F") 及17 雄
图6是指令电压输入电路209的电路图。其中，F&是用户输入的指令电压信号，范围为 Or 10K， 5K为输入零点，S卩5F以上正转，5F以下反转。"i:S为经过这个指令电压输入 电路后的输出，该输出将输入到转速误差求解电路210。
图7是转速误差求解电路210和控制信号生成电路211的电路图。其中Di S是指令电压输 入电路209的输出，W是电机转速求解电路208的输出，两者经过由运算放大器f/lS、 i 7、 C3 组成的转速误差求解电路210运算之后输出最后的控制结果，这个控制结果经过由H/尸4082为 核心的控制信号生成电路211转化为^ffO、 ^Z0、万HO、 S丄O控制信号，直接输出给//桥 驱动电路204。
一般在电路中，电流、转速等的信息都是通过电爪来表达的，所以在用符号表示时都有 电压符号，例如，电流/。表示为F/。。
本发明实施例提供的直流电机驱动器，通过一系列组合模拟电路，通过测量直流电机的 电枢电流和电枢端电压来计算直流电机的反电动势，通过反电动势计算直流电机的实际转速， 然后通过根据用户输入的指令电压得到期望目标转速，并计算直流电机的实际转速和期望转 速之间误差，再根据该误差生成控制信号，用该控制信号驱动直流电机。该驱动器结构简单、 体积小巧、接线容易、成本较低。在对成本比较敏感、速度闭环控制精度要求又不很高的场
9合，以及在微小型机器人等安装空间有限，要求驱动器结构尽量简单、接线尽量简化的应用 场合，该驱动器具有十分重要的意义。
实施例3
参见图8，本发明实施例3提供了一种直流电机驱动方法，该方法具体包括 步骤101:测量直流电机的电枢电流和电枢端电压。
步骤102:根据步骤101得到的电枢电流和电枢端电压计算直流电机实际转速。 歩骤103:获取用户输入的指令电压，并根据该指令电压得到期望目标转速。 步骤104:计算步骤103得到的期望目标转速和步骤102得到的直流电机实际转速之间 的误差，根据该误差生成控制信号，用所述控制信号驱动直流电机。
其中，根据电枢电流和电枢端电压计算直流电机实际转速，具体包括 根据直流电机电枢电流和电枢端电压计算电机反电动势￡。； 由直流电机控制方程
r。 = 凡/。可得到￡。 = ^ - &/。 根据该电机反电动势计算直流电机实际转速。 即由￡。=《￡"得到，进而得到"=(F。 — &/。 )/《￡
其中，《￡是反电动势常数，凡是电机电枢电阻。
本发明实施例提供的直流电机驱动方法，通过测量直流电机的电枢电流和电枢端电压来 计算直流电机的反电动势，进而根据反电动势计算直流电机的实际转速，通过根据用户输入 的指令电压得到期望目标转速，并计算直流电机的实际转速和期望转速之间误差，然后根据 该误差生成控制信号，用该控制信号驱动桥式电路，进而驱动直流电机，形成闭环控制。该 控制方法简单、成本较低。在对成本比较敏感、速度闭环控制精度要求又不很高的场合，以 及在微小型机器人中的应用，具有十分重要的意义。
权利要求
1. 一种直流电机驱动器，其特征在于，所述驱动器包括测量模块、转速计算模块、指令电压输入模块、误差计算及驱动模块；所述测量模块与直流电机相连，用于测量直流电机的电枢电流和电枢端电压，并将所述电枢电流和电枢电压输入到转速计算模块；所述转速计算模块，用于根据所述测量模块输出的直流电机的电枢电流和端电压，计算直流电机实际转速，并将所述直流电机实际转速输入到误差计算及驱动模块；所述指令电压输入模块，用于获取用户输入的指令电压，并根据所述指令电压得到期望目标转速，并将所述期望目标转速输入到误差计算及驱动模块；所述误差计算及驱动模块，用于根据所述直流电机实际转速和所述期望目标转速，计算所述直流电机实际转速和所述期望目标转速之间的误差，并根据所述误差生成控制信号，并用所述控制信号驱动所述直流电机。
2. 根据权利要求1所述的直流电机驱动器，其特征在于，所述转速计算模块具体包括 电机反电动势求解电路，用于根据所述直流电机的电枢电流和端电爪，按照如下公式计算电机反电动势；设五。为直流电机反电动势，F。为电机电枢两端的端电压，/。为电机电枢电流，《￡为反 电动势常数，/ 。是电机电枢电阻；￡。 = W。；电机转速求解电路，用于根据所述电机反电动势求解电路求解出的电机反电动势，按照如下公式计算直流电机实际转速； 设"为电机转速，"=￡。/《￡。
3. —种直流电机驱动方法，其特征在于，所述方法包括 测量直流电机的电枢电流和电枢端电压； 根据所述电枢电流和电枢端电压计算直流电机实际转速； 获取用户输入的指令电压，并根据所述指令电压得到期望目标转速；计算所述期望目标转速和所述直流电机实际转速之间的误差，根据所述误差生成控制信 号，用所述控制信号驱动所述直流电机。
4. 根据权利要求3所述的直流电机驱动方法，其特征在于，根据所述电枢电流和电枢端 电压计算直流电机实际转速，具体包括根据所述电枢电流和电枢端电压，按照如下公式计算电机反电动势；设五。为直流电机反电动势，F。为电机电枢两端的端电压，/。为电机电枢电流，《￡为反 电动势常数，凡是电机电枢电阻；根据所述电机反电动势，按照如下公式计算直流电机实际转速； 设"为电机转速，
全文摘要
本发明公开了一种直流电机驱动器及驱动方法，属于自动化领域。所述驱动器包括测量模块、转速计算模块、指令电压输入模块、误差计算及驱动模块。所述驱动方法包括根据测量得到的直流电机的电枢电流和电枢端电压来计算直流电机实际转速；获取用户输入的指令电压，根据所述指令电压得到期望目标转速；计算所述目标转速和所述实际转速之间的误差，用所述误差生成的控制信号来驱动直流电机。本发明提供的一种直流电机驱动器及驱动方法，直接实现了直流电机实际转速的测量并对电机进行驱动，不需要外加码盘等速度反馈元件，大大简化了直流电机驱动器的结构，降低了成本。
文档编号H02P6/00GK101478279SQ20081022457
公开日2009年7月8日 申请日期2008年10月21日 优先权日2008年10月21日
发明者李建玺, 李科杰, 段星光, 强 黄 申请人:北京华凯汇信息科技有限公司