专利名称：一种可控可监测的无刷力矩电机调宽伺服系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电路，一种可控可监测的无刷力矩电机调宽伺服系统，用于小功率三相无刷力矩电机的控制系统，可实现总线控制与1 总线监测。
背景技术：
三相无刷力矩电机具有高可靠性，广泛应用于仪表测试、转台测试等控制领域。随着现代电子技术的发展，系统采取不同的控制策略追求低功耗、小型化、高可靠性等优点， 但在方案的具体实施中会遇到不同的困难。《小型内燃机与摩托车》，第37卷第5期《发动机用霍尔传感器电磁干扰机理与实验研究》中介绍了霍尔开关在电磁使用环境中会受到干扰出现故障，但却没有针对具体系统提出该干扰故障的具体解决措施。使用专用电机控制集成电路L6235可以大大提高电机控制器的可靠性和抗干扰能力，缩短新产品的开发周期，但该芯片普遍应用在调速控制系统中，如硕士论文《基于 LabVIEff的无刷直流电机模糊自适应PID控制研究》。对于L6235驱动低速堵转状态力矩电机的应用很少介绍。传统的伺服系统不具有与总线接口的能力，测试过程过分依赖测试人员，自动化程度低。
发明内容
本发明解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种可控可监测的无刷力矩电机调宽伺服系统。本发明进一步解决的技术问题是采用专用电机驱动器L6235驱动三相无刷力矩电机工作在低速堵转状态，通过提高工作频率和增加匹配电感等措施改善霍尔开关使用的电磁环境，消除霍尔开关的干扰故障，具有低功耗、小型化的优点。本发明的技术解决方案是一种无刷力矩电机调宽伺服系统，包括信号处理电路、 比较器与光耦隔离电路、三角波电路、电机驱动电路、霍尔开关、总线控制接口电路、1 监测接口电路、微动同步器、无刷力矩电机；微动同步器输出与角度成正比的交流信号，该交流信号经信号处理电路交流放大、相敏解调、低通滤波、直流放大后输出直流信号给比较器与光耦隔离电路；三角波电路将信号源输出的正弦波处理成三角波并输入至比较器与光耦隔离电路；比较器与光耦隔离电路将输入的直流信号与三角波进行比较、隔离，输出脉冲宽度与直流信号成正比的调宽信号即脉冲宽度控制信号，并将该脉冲宽度控制信号输入至电机驱动电路；总线控制接口电路根据总线发出的控制信号，经光耦隔离输出驱动器使能控制信号至电机驱动电路；三个霍尔开关内嵌于电机本体，敏感磁场强度，输出相应电压输入至电机驱动电路；当驱动器使能控制信号为高电平有效时，根据三个霍尔开关确定的电机绕组导通位置信号，电机驱动电路输出脉冲宽度信号至无刷力矩电机，驱动电机输出相应力矩，克服负载力矩和摩擦力矩，力矩电机为低速堵转工作状态；电机驱动电路的驱动器使
3能控制信号经光耦隔离后输出至1 监测接口电路，1 监测接口电路输出8位二进制数字至1 监测总线，当驱动器使能控制信号为低电平时，电机无输出。三相无刷力矩电机包括定子、转子和霍尔开关三部分，转子为永磁体，定子包括定子铁芯、定子骨架和电机绕组。在圆周360度定子骨架均布36个槽，电机绕组、定子铁芯、霍尔开关都安装在定子骨架上。为了保证电机正确换向，在结构设计上固定3个霍尔开关的安装位置。电机3相定子绕组相隔120度电角度均布在定子上，3个霍尔开关也相隔120度电角度安装在定子上，霍尔开关位置与定子绕组起始槽固定电角度，通常为60度或者120 度。霍尔开关敏感电机转子磁场输出相应的高低电平，输出到电机驱动器，经过逻辑处理， 给电机定子上相应两相绕组通电，产生定子磁势，转子磁场与定子磁势相互作用，产生电磁力矩使电机转子旋转。所述的电机驱动电路包括电机驱动器L6235、电阻Rl R13、电阻RX1、电容Cl C8、电感Ll L3、二极管V1、V2 ；电阻Rl，R2，R3，R4 —端短路接逻辑电源正极VD5，电阻R1， R2，R3的另一端分别接霍尔开关，电阻R4的另一端接L6235的BRAKE管脚；电阻R5 —端接驱动器使能控制，另一端接L6235的ENA管脚；电容C5 —端接L6235的ENA管脚，另一端接逻辑电源负极SGND ；L6235的DIAG管脚与ENA管脚短接；L6235的F/R管脚接脉冲宽度控制信号；L6235的TACKO管脚与RCP管脚短接；电阻R6 —端接L6235的TACKO管脚，另一端接SGND ；电阻R7与电容Cl并联后一端接L6235的RCOFF管脚，另一端接SGND ；电阻R8 — 端接L6235的VCP管脚，另一端串联电容C4 ；电容C4的另一端接二极管V2的阴极；二极管 V2与Vl阴阳极串联后与电容C3并联，二极管V2的阳极端接L6235的VS2管脚，L6235的 VSl管脚与VS2管脚短接后接入功率电源的正极VD^ ；二极管Vl的阴极端接L6235的BOOT 管脚；电容C2 —端接L6235的VS2管脚，另一端接SGND ；L6235的四个G管脚短接后接入 SGND,电阻R9与电阻RlO串联后，电阻R9的一端接L6235的其中一个G管脚，电阻RlO的一端接VD5，L6235的REF管脚接入电阻R9与RlO之间；L6235的ISEm管脚与ISEN2管脚短接后串联电阻RX1，电阻RXl的另一端接功率地PG，L6235的0UT1，0UT2, 0UT3管脚分别连接电感Li，L2，L3，电感Li，L2，L3的另一端分别分为两路，Ll的一路连接力矩电机的A 相，另一路串联电容C6、电阻Rll后接入PG ；L2的一路连接力矩电机的B相，另一路串联电容C7、电阻R12后接入PG ；L3的一路连接力矩电机的C相，另一路串联电容C8、电阻R13后接入PG。当驱动器使能控制信号为高电平时，任意时刻，电机驱动器的0UT1，0UT2，0UT3中一路为高电平，一路为低电平，一路为高阻，驱动力矩电机输出力矩；当驱动器使能控制信号为低电平时，任意时刻，电机驱动器的0UT1，0UT2, 0UT3均为高阻，力矩电机无力矩输出。本发明与现有技术相比优点在于(1)本发明使用内嵌霍尔开关力矩电机，着重解决霍尔开关在使用中的电磁干扰故障。霍尔开关是磁敏感元件，当敏感N极磁场时，输出高电平，敏感S极磁场时，输出低电平。当电路采用调宽控制方式时，电枢绕组中的脉动电流会产生交流磁场，当交流磁场强度大于霍尔开关的磁敏感阈值时，霍尔开关的输出就会受到干扰，影响电机正常换向。本发明提出了一种电机中霍尔开关换向干扰的解决措施，通过提高提调宽频率，增加匹配电感，减小电枢绕组的交流磁场，使交流磁场强度小于霍尔开关的磁敏感阈值，保证霍尔开关不受到电磁干扰，力矩电机正常换向。(2)本发明提供了一种采用L6235驱动低速堵转状态力矩电机的应用实例，L6235是专用电机驱动器，设计了专用的速度反馈环，因此设计人员多将L6235用于调速系统。本发明利用L6235的高度集成小型化、设计简单等优点，通过对个别参数的特殊设计，使其应用于低速堵转力矩电机的控制。(3)本发明提供了解决小功率电机伺服系统电机发热与功率器件发热之间矛盾的办法。通常小电流输入时，采用线性模拟控制方式，功率器件压降大，发热功率大；调宽控制方式，电源电压都加在电机绕组上，小功率电机电气时间常数小(小于0. 1ms)，交流阻抗小，电机本体发热大，降低了电源的效率。本发明通过采用专用电机驱动器，利用其导通电阻小(0.3欧姆)的优点，减小了电机驱动器的发热；在不改变电机本体结构的前提下增大电机电气时间常数，提高调宽频率，增大电机的交流阻抗，可减小力矩电机的发热。通过这两项措施，有效提高了电源的效率，降低了电机和驱动器无用发热，降低了系统的功耗。(4)本发明使用三相无刷力矩电机，内嵌3个霍尔开关，具有体积小、可靠性高的优点。3个霍尔开关在结构设计上保证电机正确换向，霍尔开关集成度高，设计和使用简单， 可靠性高。传统电机有的使用两相有刷电机，其电机换向使用的金属导电电刷，在长时间使用过程中，电刷由于打火、老化等原因出现接触不良的现象，影响电机的正常换向，电机的可靠性降低；现有的三相无刷力矩电机，有采用变磁阻传感器和光栅传感器作为换向传感器，它们在电机本体外，体积大、使用调试困难，且需要设计专门的方向识别电路才能保证电机正确换向，系统设计和调试复杂，不利于系统的小型化和高可靠性。(5)本发明包括总线接口电路和1 监测接口电路，具备与总线通信的功能。通过该接口电路，计算机总线可以实时控制并监测回路工作状态，当系统出现故障时，监测系统发出请求，总线控制系统可根据监测情况作出相应判断，控制系统工作或断开，实现自动化控制，实现系统的远程控制与远程监测。避免系统测试过分依赖操作人员，反映速度慢，自动化程度低等缺点。
图1为本发明系统方框图；图2为本发明信号处理电路图；图3为本发明三角波电路图；图4为本发明比较器与光耦隔离电路图；图5为本发明电机驱动电路图；图6为本发明总线控制接口电路图；图7为本发明1 监测接口电路图。
具体实施例方式该系统电源包括士 12V(代号为士EC)信号电源；+5V(代号为VM)为逻辑电源， +28V(代号为VD28)功率电源；+5V(代号为VCC)总线控制电源；+5V(代号为觀幻1 监测电源。各电源之间相互隔离。下面结合
系统具体实施方式
。图1为一种可控可监测的无刷力矩电机调宽伺服系统方框图，包括信号处理电路1、比较器与光耦隔离电路2、三角波电路3、电机驱动电路4、霍尔开关5、总线控制接口电路6、fC监测接口电路7、微动同步器8、无刷力矩电机9。微动同步器输出与角度成正比的交流信号，经信号处理电路、三角波电路、比较器与光耦隔离电路、电机驱动电路，驱动电机输出相应力矩，克服负载力矩与摩擦力矩。同时通过计算机总线控制系统通断，通过1 总线监测系统通断状态，实现系统总线控制与总线监测，也可用于实现系统的远程控制与监测。图2为信号处理电路图，输入微动同步器8kHz激磁和输出，经过交流放大、相敏解调、低通滤波、直流放大电路输出为直流信号。由5部分功能电路组成，R0, CO为微动同步器的匹配负载，要根据传感器调试情况确定具体值；U1A，Rl, R2，R3为同相输入交流放大电路，放大倍数约为10倍，输出为8kHz交流信号，UlA为LF412A双运算放大器，Rl = IOkQ, R2 = 91kQ,R3 = IOkQ ；U2，R10，C10，CB1，CB2为全波相敏解调电路，放大倍数为0. 9，U2 为全波相敏解调器LZX2，解调后为16kHz交流信号，RIO, ClO为移相电路，移相后，同步器激磁与同步器输出同相，CBl = CB2 = IOOnF为电源滤波电容；U1B，R4，R5，R6，R7，C2，C3 为二阶低通滤波器，转折频率为530Hz，将前级16kHz交流信号滤波为直流信号，该级放大倍数为 2，UlB 为 LF412A 双运算放大器，R4 = R5 = 30k Ω，R6 = R7 = 120k Ω，C2 = C3 = IOnF ；U2A, R8，R9，RlO为同相输入直流放大器，放大倍数为2，U2A为LF158双运算放大器， R8 = IOkQ, R9 = RlO = 20kQ。电路具体布局如下R0，CO并联后一端接信号地，一端接同步器输出；R3 —端接同步器输出，一端接Ul的管脚3 ；Rl 一端接信号地，一端接Ul的管脚2 ；R2 一端接Ul的管脚2，一端接Ul的管脚1 ；Ul管脚1接U2管脚7 ；Ul管脚4接-EC， 管脚8接+EC ；CBl 一端接U2管脚2，一端接U2管脚8 ；CB2 一端接U2管脚5，一端接U2管脚4 ；U2管脚5接+EC，管脚2接-EC，管脚4和8接信号地；RlO —端接同步器激磁，一端接 U2的管脚3 ；ClO 一端接信号地，一端接U2的管脚3 ；R4 一端接U2管脚6，一端接R5 ；R5 一端接Ul管脚5，一端接R4 ；C2 一端接信号地，一端接Ul管脚5 ；C3 一端R5，一端接Ul管脚 7 ；R6 一端信号地，一端接Ul管脚6 ；R7 一端Ul管脚7，一端接Ul管脚6 ；R8 一端Ul管脚 7，一端接U2管脚3 ；R9 一端接信号地，一端接U2管脚2 ；RlO 一端U2管脚1，一端接U2管脚2 ；U2管脚4接-EC，管脚8接+EC ；U2管脚1接直流输出。图3为三角波电路图，输入为16kHz，峰峰值为4V的正弦波，经过三角波电路，输出为峰峰值19V，频率为16kHz的三角波。U1A，Rl, R2，R3为比较器电路，将输入的正弦波转换成方波，UlA 为 LM193 比较器，Rl = R2 = R3 = IOk Ω , Cl = IOOnF 为隔直电容；U2A，R4， R5，R6，C2为微分电路，将前级输入的方波微分为三角波，U2A为LF412A双运算放大器，R4 =R5 = 39k Ω , R6 = IM Ω , C2 = 470pF ；C3，R7 起到隔离直流电压的作用，C3 = IOnF, R7 = IOkQ。电路具体布局如下R1 —端接信号源16kHz正弦输入，一端接Ul的管脚3 ；R2 一端接信号地，一端接Ul的管脚2 ；R3 一端接+EC，一端接Ul的管脚1 ；Ul的管脚4接-EC，管脚 8接+EC ；Cl 一端接Ul的管脚1，一端接R5 ；R4 一端接信号地，一端接U2管脚3 ；R5 一端接 Cl，一端接U2管脚2 ；C2和R6并联，一端接U2管脚2，一端接U2管脚1 ；U2管脚4接-EC， 管脚8接+EC ；C3 一端接Ul的管脚1，一端接16kHz三角波输出；R7 —端接16kHz三角波输出，一端接信号地。图4为比较器与光耦隔离电路图，电路作用是将直流输入与16kHz三角波输入比较，隔离，输出脉冲宽度与直流输入成正比的调宽信号，供电机驱动器使用。U1A，R1为比较器电路，UlA为LM193双比较器，Rl = IOkQ ;U2，R2，R3，C1为光耦隔离电路，光耦隔离前电压为0 -12V，隔离后电压为0 +5V。U2为高速光电耦合器GH1205Z，为OC输出，上拉电
6阻R3 = 360Ω，R2 = IkQ，C1为U2电源滤波电容，Cl = IOOnF0电路具体布局如下R1 — 端接直流输入，一端接Ul的管脚3 ；Ul的管脚2接16kHz三角波输入，管脚4接-EC，管脚8 接+EC，管脚1接R2 ；R2 一端接Ul的管脚1，一端接U2的管脚3 ；U2的管脚2接信号地，管脚5接逻辑地SGND，管脚7与管脚8短路接到VD5 ；R3 一端接U2的管脚7，一端接U2的管脚6 ；U2的管脚6接脉冲宽度控制信号；Cl 一端接U2的管脚7，一端接逻辑地SGND。图5为电机驱动电路图，输入为脉冲宽度控制信号、驱动器使能控制、霍尔开关A、 B、C，输出为力矩电机A、B、C。电路具体布局如下R1，R2，R3，R4—端短路接VD5，Rl另一端接霍尔开关C，R2另一端接霍尔开关B，R3另一端接霍尔开关A，R4另一端接Ul管脚14 ； R5 一端接驱动器使能控制，一端接Ul管脚12 ；C5 一端接Ul管脚12，一端接SGND ；Ul管脚 2与管脚12短接；Ul管脚11接脉冲宽度控制信号；Ul管脚8与管脚9短接；R6 —端接Ul 管脚8，一端接SGND ；R7与Cl并联，一端接Ul管脚4，一端接SGND ；R8 一端接Ul管脚22， 一端接C4 ；C4, VI，V2 一端短接，C4另一端接R8，V2另一端接Ul管脚17，Vl另一端接Ul 管脚15 ；C3 一端接Ul管脚17，一端接Ul管脚15 ；C2 一端接Ul管脚17，一端接SGND ；Ul管脚17和管脚20短接，接VD28 ；Ul管脚6，7，18，19短接，接SGND ；R9 一端接Ul管脚19，一端接Ul管脚13 ；RlO 一端接Ul管脚13，一端接VD5 ；RXl 一端接功率地PG，一端接Ul管脚 10 ；Ul管脚10与管脚3短接；Ll 一端接Ul的管脚5，一端接力矩电机A相；C6 —端接力矩电机A相，一端接Rll ；Rll 一端接C6，一端接PG ；L2 一端接Ul的管脚21，一端接力矩电机 B相；C7 —端接力矩电机B相，一端接R12 ；R12 一端接C7，一端接PG ；L3 一端接Ul的管脚 16，一端接力矩电机C相；C8 —端接力矩电机C相，一端接R13 ；R13 一端接C8，一端接PG。 Ul为三相电机驱动器L6235，包含驱动器使能控制端(管脚1 ，控制力矩电机A，B，C输出。 驱动器使能控制高电平有效。脉冲宽度控制信号为正向占空比为0 100%方波。占空比大于50%时，电机输出正向力矩，占空比小于50%时，输出负向力矩。占空比为100%时，输出正向最大平均力矩；占空比为50%时，力矩输出0平均力矩；占空比为0%时，力矩输出负向最大平均力矩， 因此脉冲宽度控制信号控制电机力矩输出大小与方向。Ul包含逻辑控制电路与DMOS功率驱动电路两部分，霍尔开关为120度电角度工作方式，Ul逻辑控制与功率驱动关系见表1，表2。Ul的DMOS功率管导通电阻小于0. 3欧姆，输出电流大于2. 8A，最大工作频率100kHz，具有逻辑控制简单，功耗低，工作频率高等优点。表1电机正方向输出力矩时逻辑控制与DMOS功率驱动关系
状态1状态2状态3状态4状态5状态6霍尔开关AHHLLLH霍尔开关BLHHHLL霍尔开关CLLLHHH力矩电机AVD28HIGHPGPGHIGHVD28
权利要求
1.一种可控可监测的无刷力矩电机调宽伺服系统，其特征在于包括信号处理电路(1)、比较器与光耦隔离电路O)、三角波电路(3)、电机驱动电路0)、霍尔开关(5)、总线控制接口电路(6)、fC监测接口电路(7)、微动同步器(8)、无刷力矩电机(9)；微动同步器(8) 输出与角度成正比的交流信号，该交流信号经信号处理电路(1)交流放大、相敏解调、低通滤波、直流放大后输出直流信号给比较器与光耦隔离电路O)；三角波电路C3)将信号源输出的正弦波处理成三角波并输入至比较器与光耦隔离电路⑵；比较器与光耦隔离电路(2)将输入的直流信号与三角波进行比较、隔离，输出脉冲宽度与直流信号成正比的调宽信号即脉冲宽度控制信号，并将该脉冲宽度控制信号输入至电机驱动电路；总线控制接口电路(6)根据总线发出的控制信号，经光耦隔离输出驱动器使能控制信号至电机驱动电路；三个霍尔开关(5)内嵌于电机本体，敏感磁场强度，输出相应电压输入至电机驱动电路⑷；当驱动器使能控制信号为高电平有效时，根据三个霍尔开关(5)确定的电机绕组导通位置信号，电机驱动电路⑷输出脉冲宽度信号至无刷力矩电机(9)，驱动电机输出相应力矩，克服负载力矩和摩擦力矩，力矩电机为低速堵转工作状态；电机驱动电路(4)的驱动器使能控制信号经光耦隔离后输出至1 监测接口电路(7)，1 监测接口电路(7)输出 8位二进制数字至1 监测总线，当驱动器使能控制信号为低电平时，电机无输出。
2.根据权利要求1所述的一种可控可监测的无刷力矩电机调宽伺服系统，其特征在于所述的三个霍尔开关( 相隔120度电角度安装在三相无刷力矩电机定子上，电机三相定子绕组相隔120度电角度均布在定子上，霍尔开关位置与定子绕组起始槽固定电角度。
3.根据权利要求1所述的一种可控可监测的无刷力矩电机调宽伺服系统，其特征在于所述的电机驱动电路包括电机驱动器L6235、电阻Rl R13、电阻RX1、电容Cl C8、电感Ll L3、二极管VI、V2 ；电阻Rl，R2，R3，R4 一端短路接逻辑电源正极VD5，电阻Rl，R2， R3的另一端分别接霍尔开关，电阻R4的另一端接L6235的BRAKE管脚；电阻R5 —端接驱动器使能控制，另一端接L6235的ENA管脚；电容C5 —端接L6235的ENA管脚，另一端接逻辑电源负极SGND ；L6235的DIAG管脚与ENA管脚短接；L6235的F/R管脚接脉冲宽度控制信号；L6235的TACKO管脚与RCP管脚短接；电阻R6 —端接L6235的TACKO管脚，另一端接SGND ；电阻R7与电容Cl并联后一端接L6235的RCOFF管脚，另一端接SGND ；电阻R8 — 端接L6235的VCP管脚，另一端串联电容C4 ；电容C4的另一端接二极管V2的阴极；二极管 V2与Vl阴阳极串联后与电容C3并联，二极管V2的阳极端接L6235的VS2管脚，L6235的 VSl管脚与VS2管脚短接后接入功率电源的正极VD^ ；二极管Vl的阴极端接L6235的BOOT 管脚；电容C2 —端接L6235的VS2管脚，另一端接SGND ；L6235的四个G管脚短接后接入 SGND,电阻R9与电阻RlO串联后，电阻R9的一端接L6235的其中一个G管脚，电阻RlO的一端接VD5，L6235的REF管脚接入电阻R9与RlO之间；L6235的ISEm管脚与ISEN2管脚短接后串联电阻RX1，电阻RXl的另一端接功率地PG，L6235的0UT1，0UT2, 0UT3管脚分别连接电感Li，L2，L3，电感Li，L2，L3的另一端分别分为两路，Ll的一路连接力矩电机的A 相，另一路串联电容C6、电阻Rll后接入PG ；L2的一路连接力矩电机的B相，另一路串联电容C7、电阻R12后接入PG ；L3的一路连接力矩电机的C相，另一路串联电容C8、电阻R13后接入PG。
全文摘要
一种可控可监测的无刷力矩电机调宽伺服系统，用于加速度计、转台的位置控制。由信号处理电路、比较器与光耦隔离电路、三角波电路、电机驱动电路、霍尔开关、总线控制接口电路、I2C监测接口电路、微动同步器、无刷力矩电机组成。微动同步器输出与角度成正比的交流信号，经信号处理电路、三角波电路、比较器与光耦隔离电路、电机驱动电路，驱动电机输出相应力矩，克服负载力矩与摩擦力矩。该系统有总线接口电路和I2C监测接口电路，可以通过计算机总线控制和监测系统通断，实现总线控制与监测的功能，也可用于实现系统的远程控制与监测。系统设计使用了专用电机驱动器，具有设计简单、工作可靠、体积小的优点。系统采用三相无刷力矩电机，霍尔开关内嵌于电机本体，具有体积小、工作可靠的优点。
文档编号H02P6/08GK102158156SQ20111006935
公开日2011年8月17日 申请日期2011年3月22日 优先权日2011年3月22日
发明者严小军, 孙璐, 岳辉, 徐长智, 李庆溥, 王小辉, 赵晓萍 申请人:北京航天控制仪器研究所