一种无刷直流电机电流环控制系统及控制方法与流程

本发明涉及直流电机驱动闭环控制技术领域，特别涉及一种无刷直流电机电流环控制系统及控制方法。

背景技术：

在伺服系统领域中，无刷直流电机相比普通电机具有运行效率高、损耗低、调速性能好等优点。带闭环控制的驱动器件是直流电机驱动系统中的核心执行单元，其中电流闭环驱动由于具有恒定力矩输出的特点，在无刷电机驱动中被广泛的应用，其作用是对系统的反馈信号进行处理，通过输出喜好去控制脉宽调制单元，实现系统输出电流的稳定性控制，已被广泛应用于各类航空、航天、兵器、船舶、电子等高可靠邻域。但是，目前的电流闭环控制系统的电路布置较为复杂，可扩展性较低。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种无刷直流电机电流环控制系统及控制方法，以提高电流闭环控制系统的可扩展性。

为实现以上目的，第一方面，本发明提供一种无刷直流电机电流环控制系统，包括：三相驱动电路、电流调理电路以及闭环控制电路；

三相驱动电机的驱动输出端与无刷直流电机连接、电流输出端与电流调理电路的输入端连接，闭环控制电路的输入端与电流调理电路的输出端连接、输出端与三相驱动电路的输入端连接。

其中，所述的电流调理电路包括电机负载、取样电阻、滤波电路以及运算放大电路；

所述三相驱动电机的输出端与电机负载连接，电机负载的输出端与取样电阻连接，取样电阻的一端接地、另一输出端与滤波电路输入端连接，滤波电路的输出端与运算放大电路的输入端连接，运算放大电路的输出端与所述闭环控制电路输入端连接。

其中，所述的闭环控制电路包括单片机、pcf8591以及mc33035；

单片机的输入端与所述运算放大电路的输出端连接、输出端与pcf8591的输入端连接，mc33035的输入端与pcf8591的输出端连接、输出端与所述三相驱动电路的输入端连接。

第二方面，本发明提供一种无刷直流电机电流环控制系统的控制方法，包括如下步骤：

s1、所述电流调理电路将三相驱动电路输出的电流信号转换为电压信号；

s2、所述闭环控制电路对所述电压信号进行采样，并将采样得到的可调节电压与锯齿波进行比较产生pwm方波信号；

s3、所述闭环控制电路输出pwm方波信号至所述三相驱动电路以控制所述三相驱动电路的通/断。

其中，所述的步骤s1，具体包括：

所述三相驱动电路输出的电压信号经取样电阻得到取样电阻的电压；

所述取样电阻电压依次经所述滤波电路、所述运算放大电路处理后，得到待输出的电压信号。

其中，所述的步骤s2，具体包括：

所述单片机对所述运算放大电路输出的电压信号进行模数转换并采样，得到采样电压；

所述pcf8591对所述采样电压进行数模转换，输出模拟电压信号至所述mc33035；

所述mc33035将所述模拟电压信号与锯齿波信号进行比较，产生相应占空比的pwm方波信号。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：本发明通过采用闭环控制电路，闭环控制电流中采用单片机为主控芯片，采集电流调理电路的电流信号转换成模拟电压信号，并与闭环控制电路内部的锯齿波进行比较产生占空比可调的pwm方波信号，并调制到三个低端输出信号中，实现对霍尔信号占空比的包络调制，从而控制相应mos管开通/关断的时间。该系统电路结构简单，具有极高的可扩展性。

附图说明

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述：

图1是本发明中一种无刷直流电机电流环控制系统的结构示意图；

图2是本发明中三相驱动电路的结构示意图；

图3是本发明中电流调理电路的机构示意图；

图4是本发明中闭环控制电路的结构示意图；

图5是本发明中单片机da接口电路示意图；

图6是本发明中mc33035接口电路示意图；

图7是本发明中一种无刷直流电机电流环控制系统的控制方法的流程示意图；

图8是本发明中闭环控制电路的工作流程示意图；

图9是本发明中抗干扰处理的流程示意图。

具体实施方式

为了更进一步说明本发明的特征，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图。所附图仅供参考与说明之用，并非用来对本发明的保护范围加以限制。

如图1所示，本实施例公开了一种无刷直流电机电流环控制系统，包括：三相驱动电路10、电流调理电路20以及闭环控制电路30；

三相驱动电机的驱动输出端与无刷直流电机连接、电流输出端与电流调理电路20的输入端连接，闭环控制电路30的输入端与电流调理电路20的输出端连接、输出端与三相驱动电路10的输入端连接。其中，三相驱动电路10结构示意图如图2所示，通过控制三个低端输出信号控制相应mos管的通/断，实现输出电流恒定以对无刷直流电机的控制。

进一步地，如图3所示，电流调理电路20包括电机负载、取样电阻、滤波电路以及运算放大电路；所述三相驱动电机的输出端与电机负载连接，电机负载的输出端与取样电阻连接，取样电阻的一端接地、另一输出端与滤波电路输入端连接，滤波电路的输出端与运算放大电路的输入端连接，运算放大电路的输出端与所述闭环控制电路30输入端连接。其中，需要说明的是由于三相驱动电路10输出的电流信号存在一定频率的震荡，故取样电阻电压经过滤波电路、运算放大电路处理，输出符合要求的电压信号，经闭环控制电路30进行数模转换。

需要说明的是，本实施例中的滤波电路包括但不限于rc滤波电路。

进一步地，如图4所示，闭环控制电路30包括单片机、pcf8591以及mc33035；单片机的输入端与所述运算放大电路的输出端连接、输出端与pcf8591的输入端连接，mc33035的输入端与pcf8591的输出端连接、输出端与所述三相驱动电路10的输入端连接。其中，单片机的型号为atmega16，闭环控制电路30中的ad转换模块采用atmega16内部10位的逐次逼近型adc，adc与一个8通道的模拟多路复用器连接，能对来自端口a的8路单端输入电压进行采样，单端电压输入以avcc(5v)为基准电压。本实施例中通过单片机pa2口进行模拟电压采样。转换结果为：

由于atmega16内部无da转换模块，本实施例中采用外接pcf8591转换芯片，其具有4个模拟输入、1个模拟输出和一个串行i2c总线接口，pcf8591的3个地址引脚a0、a1、a2和a3可用于硬件地址编程，在pcf8591器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向i2c总线以串行的方式进行传输。

如图5所示，atmega16内部集成了i2c总线接口(pc0、pc1端口)，在单片机和被控外设之间进行双向传输，单片机da模块采用i2c总线与pcf8591互连，通过数据线将相应的控制信息传送至pcf8591，同时监测其da转换状态，实现对输出模拟信号的控制，模拟电压输出范围为0-5v。

输出模拟电压经mc33035芯片进行包络调制，如图6所示。pcf8591输出接mc33035芯片11引脚，mc33035通过内部振荡器和外围rc振荡电路产生锯齿波信号，芯片11引脚和12引脚为内部缓冲器，pcf8591输出模拟电压通过缓冲器与振荡器产生的锯齿波进行比较，产生相应占空比的pwm信号，经过后端调理电路，调制到三个低端输出信号中，实现对霍尔信号占空比进行包络调制，从而控制相应mos管开通、关断时间。

如图7所示，本实施例公开了一种无刷直流电机电流环控制系统的控制方法，包括如下步骤s1至s3：

s1、所述电流调理电路20将三相驱动电路10输出的电流信号转换为电压信号；

s2、所述闭环控制电路30对所述电压信号进行采样，并将采样得到的可调节电压与锯齿波进行比较产生pwm方波信号；

s3、所述闭环控制电路30输出pwm方波信号至所述三相驱动电路10以控制所述三相驱动电路10的通/断。

进一步地，步骤s1，具体包括如下步骤：

所述三相驱动电路10输出的电压信号经取样电阻得到取样电阻的电压；

所述取样电阻电压依次经所述滤波电路、所述运算放大电路处理后，得到待输出的电压信号。

进一步地，步骤s2，具体包括如下步骤：

所述单片机对所述运算放大电路输出的电压信号进行模数转换并采样，得到采样电压；

所述pcf8591对所述采样电压进行数模转换，输出模拟电压信号至所述mc33035；

所述mc33035将所述模拟电压信号与锯齿波信号进行比较，产生相应占空比的pwm方波信号。

需要说明的是，如图8所示，本实施例中的单片机在上电后，首先进行软件初始化，然后使能ad采样模块进行模数转换，并对得到的8位ad转换结果进行判断，如果在预置的电流值范围内，则启动da转换输出相应模拟电平，如果比预置的电流值大，则相应减小da数据，否则增加da数据。最终将da数据按照i2c总线协议发送至pcf8591进行da转换，输出模拟电压，经mc33035信号调制，达到调整输出信号占空比的目的。同时循环进行ad采样判断当前输出电流状态，实时调整输出模拟电压(占空比)，最终实现输出电流值稳定在设定范围内。

需要说明的是，在实际应用中，由于ad采样过程中存在尖峰干扰，本实施例中进行相应的抗干扰处理，如图9所示，将每次采样结果均与前次结果进行比较，如果差值超过规定范围，则将该奇异值剔除，并开始下一轮ad转换，最终将求平均后的ad转换结果存储，实现对尖峰干扰的抑制。

需要说明的是，本实施例中采用单片机作为主控芯片，通过内置程序实现电流闭环控制逻辑的方法，大大简化了电路的复杂性、提升了系统的稳定性，同时易于进行功能扩展。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。