一种水下机器人用无刷电机控制器

1.本实用新型涉及一种水下机器人用无刷电机控制器，属于潜水器动力统领域。


背景技术：

2.近年来，随着对海洋领域的不断探索，水下机器人作为探索海洋的重要工具，潜水器需要实时调整姿态，目前在水下机器人领域多用于无刷直流电机作为推进系统，直流无刷直流电机的输出转矩大，转动脉动小，与传统直流电机相比，电机本身没有励磁损耗和碳刷损耗，增加了系统可靠性，与异步电机相比较，具有较高的电机效率，对于水下机器人来说，高效率的推进系统能够节约水下机器人的电能，尤其是无缆水下机器人，能源高效利用是远航程的前提。
3.现有潜水器无刷直流电机驱动器多采用数字信号处理系统，系统复杂，抗干扰能力差，尤其在潜水器内部空间受限的情况下，内部空间高度集成各种传感器、控制器所带来的各种干扰，系统可靠性大大降低。而水下推进器要求运行稳定、性能可靠，每次潜水器海试所需的费用是庞大的，因此高可靠的推进器是保证任务圆满完成的重压前提，急需一种抗干扰能力强，成本低，性能可靠，控制方便的电机控制器。


技术实现要素：

4.本实用新型目的是提供一种水下机器人用无刷电机控制器。该系统能实现对无刷直流电机的控制。驱动器采用正负模拟量信号作为无刷直流电机速度给定和正反转控制信号；采用直流母线电流检测方式，节省电流传感器数量；稳压模块、三相全桥功率模块、无刷直流电机依次连接；电流检测、绝对值处理模块、cpu控制模块依次连接；速度给定模块、正反转控制模块、绝对值处理模块、cpu控制模块依次连接；本控制器结构简单，模拟量输入控制，无需手动换向，并能够进行过流保护，系统简单，可靠性高，成本低。
5.本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是：一种水下机器人用无刷电机控制器，包括稳压模块、三相全桥功率模块、母线电流检测模块、第一绝对值处理模块、正反转控制模块、第二绝对值处理模块、死区控制模块、转子位置检测模块和cpu控制模块；
6.所述稳压模块、三相全桥功率模块与无刷直流电机依次连接；所述稳压模块与三相全桥功率模块之间依次通过母线电流检测模块、第一绝对值处理模块与cpu控制模块连接；正反转控制模块与cup控制模块连接，第二绝对值处理模块经死区控制模块与cpu控制模块连接；所述cpu控制模块与转子位置检测模块连接，还通过驱动电路与三相全桥功率模块连接。
7.母线电流检测模块包括电阻r14和电阻r12，电阻14一端接入经稳压模块输出的母线电压负极，另一端与三相全桥功率模块的nu、nv、nw端口连接，还经过r12与三相全桥功率模块的trip端口连接，另一端还与第一绝对值处理模块输入端连接。
8.所述正反转控制模块包括电阻r34、电阻r35、电阻r36、电阻r37、电容c25、电压跟随器u9a、二极管d3、晶体管q1；
9.电阻r34一端接入模拟量速度给定信号，另一端接电压跟随器u9a的正向输入端口，电压跟随器u9a的正向输入端口通过电容c25接地；电阻r36一端接地，另一端与电压跟随器u9a的反向输入端口连接，电压跟随器u9a的输出端与二极管d3的负极连接，d3的正极通过电阻r35与晶体管q1的基极连接，还通过电阻r37接地；晶体管q1的发射极接地，晶体管q1的集电极作为正反转控制模块的输出，与cpu控制模块连接。
10.所述死区控制模块包括电阻r38、电阻r39、电阻r40、电阻r41、电压跟随器u9b、二极管d4、二极管d5、晶体管q2；
11.电压跟随器u9b的正向输入端通过电阻38与电源连接、还通过电阻r41接地，所述电压跟随器u9b的反向输入端接入接经过第二绝对值处理模块处理后的速度给定，电压跟随器u9b的输出端与二极管d5的负极连接，二极管d5的正极通过电阻r40与晶体管q2的基极连接，所述基极通过电阻r39与电源连接,晶体管q2的发射极接地，晶体管q2的集电极与二极管d4的负极连接，二极管d4的正极作为死区控制模块的输出，与cpu控制模块连接。
12.第一绝对值处理模块或第二绝对值处理模块包括电阻r27、电阻r31、电阻r33、电阻r20、电阻r28、电阻r23、电阻r26、二极管d1、二极管d2、电压跟随器u6a、电压跟随器u6b；
13.电压跟随器u6a的反向输入端通过电阻r31后作为第一绝对值处理模块或第二绝对值处理模块的输入端，与母线电流检测输出端连接或者接入模拟量速度给定信号；
14.电压跟随器u6a的正向输入端通过电阻27与电源连接，电压跟随器u6a的输出端与二极管d2的正极连接，二极管d2负极与电压跟随器u6a的反向输入端连接；电压跟随器u6a的输出端与二极管d1的负极连接，d1正极通过电阻r33与电压跟随器u6a的反向输入端连接，还通过电阻r28与电压跟随器u6b的反向输入端连接，电压跟随器u6b的正向输入端通过电阻r23接地，输出端通过电阻r26后作为第一绝对值处理模块或第二绝对值处理模块的输出端，与cpu控制模块或者死区控制模块连接；电压跟随器u6b的反向输入端依次通过电阻r20、电阻r31与电压跟随器u6a的反向输入端连接，还通过电阻r21与电压跟随器u6b的输出端连接。
15.本实用新型具有以下有益效果及优点：
16.1.本实用新型提出的一种水下机器人用无刷电机控制器，采用专用控制芯片，抗干扰能力强，外围电路少，不需要编写程序。
17.2.电流检测采用母线电流检测模块，不需要额外的电流传感器，并且采用单电阻采样，电路简单，方法可靠。
18.3.采用死区控制模块用于控制电机的正反转，实现了在速度给定量正负变化过度期间系统的不确定性。
19.4.采用正反转控制模块，通过速度给定量的正负控制电机正反转，实现了电机的自动换向功能。
20.5.采用绝对值处理模块，保证了芯片中速度给定信号的绝对正信号。
附图说明
21.图1控制器总体结构示意图；
22.图2母线电流检测模块电路原理图；
23.图3正反转控制模块原理图；
24.图4死区控制模块原理图；
25.图5绝对值处理模块原理图。
具体实施方式
26.下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步的详细说明。
27.本实用新型是一种水下机器人用无刷电机控制器，包括600v直流电，稳压模块，三相全桥功率模块，母线电流检测模块，绝对值处理模块，正反转控制模块、死区控制模块、转子位置检测模块和cpu控制模块。
28.所述稳压模块、三相全桥功率模块、无刷直流电机依次连接；电流检测、绝对值处理模块、cpu控制模块依次连接；速度给定模块、正反转控制模块、绝对值处理模块、cpu控制模块依次连接；所述cpu控制模块还通过驱动电路与三相全桥功率模块连接。
29.母线电流检测模块采用单电阻采样法检测，包括精密采样电阻r14和电阻r12，电阻一端接入母线电压负极，另一端接入功率模块的nu、nv、nw端口，同时该信号经过r12接入功率模块的trip端口；
30.正反转控制模块包括电阻r34、电阻r35、电阻r36、电阻r37、电容c25、电压跟随器u9a、二极管d3、晶体管q1,电阻r34一端接模拟量速度给定，另一端接电压跟随器u9a的3输入端口，电阻r36一端接地，一端接电压跟随器u9a的2输入端口，电容c25一端接地，另一端接电压跟随器u9a的3输入端口,电压跟随器u9a的4引脚接-12v，8引脚接+12v，电压跟随器u9a的1引脚接二极管d3的负极，经地柜d3的正极接到电阻r35的一端，电阻r35另一端分别通过电阻r37接地和接入晶体管q1的2引脚，晶体管q1的3引脚接地，晶体管q1的1引脚接入控制芯片mc1的3脚；
31.死区控制模块包括电阻r38、电阻r39、电阻r40、电阻r41、电压跟随器u9b、二极管d4、二极管d5、晶体管q2，电阻r38一端接+12v，一端接r41和电压跟随器u9b的5脚，电阻r41另一端接地，电压跟随器u9b的6脚接经过绝对值处理模块处理后的速度给定，电压跟随器u9b的7脚接二极管d5的负极，二极管d5的正极接电阻r40，电阻r40的另一端接电阻r39和晶体管q2的2脚，电阻r39的另一端接+12v,晶体管q2的3引脚接地，晶体管q2的1引脚接二极管d4的负极，二极管d4的正极接控制芯片mc1的7脚；
32.绝对值处理模块包括接口j2、电阻r27、电阻r31、电阻r33、电阻r20、电阻r28、电阻r23、电阻r26、二极管d1、二极管d2、电压跟随器u6a、电压跟随器u6b，j2一端接入地，另一端接入模拟量速度给定信号，并将改该信号接入到电阻r31和电阻r20，电阻r31的另一端接入电压跟随器u6a的2引脚，同时接入二极管d2的正极和电阻r33的一端，二极管d2的另一端接入电压跟随器u6a的1引脚，电阻r33接入二极管d1的正极，电阻r27一端接地，一端接入电压跟随器u6a的3引脚，二极管d1的一端接电压跟随器u6a的1引脚，另一端接电阻r28，电阻r28的另一端接入电压跟随器u6b的6引脚，同时接入到电阻r20的一端和电阻r21的一端，电阻r21一端接电压跟随器u6b的7引脚，电阻r23一端接地，一端接电压跟随器u6b的5引脚，电压跟随器u6b的7引脚接电阻r26的一端，电阻r26的为绝对值处理模块的输出端口。
33.如图1所示，稳压模块由电容组成,连接于驱动器高压电源和功率模块之间，用于稳定母线电压和滤波作用,经过稳压模块调理后的直流电源加载到三相全桥功率模块的直流电压输入端p端口和n端口，三相全桥功率模块输出端uvw连接无刷直流电机的三相绕组
之间，完成对无刷直流电机的驱动；无刷直流电机的转子位置信号(霍尔信号)通过转子位置检测模块电平转换后接入到cpu控制模块的转子位置检测端口ha、hb、hc，通过ha、hb、hc的高低电平的不同组合，将转子位置划分6个扇区，cpu控制模块根据当前转子的位置产生对应的pwm驱动信号；母线电流检测模块通过单电阻采样方式采集直流母线电流值，并通过绝对值处理模块将信号转成全部的正信号接入到cpu控制模块，用于判断是否发生过流事件；速度给定信号是-5v～+5v的模拟量，通过正反转控制模块判断速度给定信号的正负，当为正信号时，电机正传，当为负信号时，电机反转；同时，速度给定信号还通过绝对值处理模块转换成全正的信号，经过死区控制模块将速度给定加入死区信息，死区控制主要是通过控制cpu控制模块的使能端口来实现，当速度给定信号小于死区阈值时，使能关闭，cpu控制模块停止工作；当速度给定信号大于死区阈值时，使能激活，cpu控制模块开始工作；cpu控制模块通过采集母线电流信号、正反转控制信号、速度给定信号、死区控制信号和转子位置信号后得出pwm驱动信号送入驱动电路，驱动电路驱动功率模块控制电机转动。
34.如图2所示为电流检测模块采用单电阻采样法检测，控制原理如下：母线电流经过精密电阻后接入到功率模块的nu、nv、nw端口构成低压端回路，通过精密电阻将电流信号转换成电压信号，该信号经过r12接入功率模块的trip端口，用于进行过流保护控制，当电流采样值高于功率模块内部比较阈值(典型阈值0.47v)时，功率模块认为产生错误的过电流事件，将关闭所有电源，关闭栅极驱动器输出，从而保护驱动器；
35.如图3所示为正反转控制模块，控制原理如下：速度给定量speed00与gnd通过运算放大器进行比较，当speed00大于gnd时，运算放大器u9a输出+12v，通过r35和r37进行分压处理后接入到晶体管q1的门极，q1导通，fwd-rev通过q1接地，fwd-rev输出低电平，该信号接入到mc33035的3引脚进行方向控制，电机实现正转控制；当speed00小于gnd时，运算放大器u9a输出-12v，通过r35和r37进行分压处理后接入到晶体管q1的门极，q1关闭，fwd-rev引脚悬空，通过mc330353引脚的内部上拉电阻将信号上拉到高电平，电机实现反转控制。
36.如图4所示为死区控制模块，控制原理如下：+12v经过电阻r38和电阻r41分压后产生死区设定值，该死区设定值接入到运算放大器的5引脚与速度给定量speed进行比较，当speed大于死区设定值时，运算放大器u9b输出-12v，经过r39和r40分压后给晶体管q2的门极，q2关闭，enable引脚悬空接入到mc33035的使能端引脚，mc33035内部25ua电流源使驱动输出电路正常工作；当speed小于死区设定值时，运算放大器u9b输出+12v，经过r39和r40分压后给晶体管q2的门极，q2导通，enable通过q2接地，mc33035的使能引脚接地，mc33035的上侧驱动输出高电平，下侧驱动输出低电平，系统停止工作，通过控制mc33035的使能信号来加入死区。
37.如图5所示为绝对值处理模块，作用是将正负信号全部处理得到全为正的信号，用于死区控制模块中速度给定和母线电流检测后的电流信号处理。