基于can总线和arm的三相伺服电的制造方法
【专利摘要】基于CAN总线和ARM的三相伺服电机，用于对电机运转状态进行实时监测，该系统包括电源模块、控制模块、驱动模块、保护模块、传感模块、CAN通讯模块及上位机；所述ARM芯片通过CAN通讯模块与上位机信号连接,上位机发出指令使ARM芯片产生PWM波控制电机的转速，改变PWM波的占空比即可实现电机无级调速；所述增量式光电旋转编码器将电机旋转的角度和速度转变为脉冲信号，反馈回ARM芯片的正交编码脉冲单元，ARM芯片收集反馈回的脉冲信号并与给定的位置和速度的期望值相比较，以实现位置、转速双闭环控制；通过电机驱动模块采集电机堵转电流，转化为电压信号，并通过电压比较器反馈回电机驱动模块以实现过流保护；本实用新型具有结构简单、运算速度快、通讯效率高等优点。
【专利说明】基于CAN总线和ARM的三相伺服电机
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及电机运转状态的实时监测与故障诊断【技术领域】，设计了一种基于ARM的控制系统，并研究了控制器的CAN总线通信和智能化控制技术。
【背景技术】
[0002]三相直流无刷电机是随着电力电子器件及新型材料发展而迅速成熟起来的一种机电一体化电机，他既具有交流电机的结构简单，维护方便等优点，又具备直流电机那样良好的调速特性而无由于机械式换向器带来的问题，还具备运行状态稳定、效率高、相对成本低等优点，因此被广泛应用于各种调速驱动场合。以往的无刷直流电机多由单片机附加多种接口设备构成，不仅复杂，而且速度也受到限制，难以实现从位置环、速度环、电流环、电压环的控制，也不方便扩展。而用ARM芯片就可以替代单片机和各种接口，扩展方便，可实现速度、位置、电压和电流环的全数字化控制。
[0003]CAN总线作为一种有效支持分步控制的串行通信总线，具有通信距离远、结构简单、支持多组工作方式等优点。另外CAN标准只定义了物理层及数据链线路，而对应用层未做规范，用户可根据电机控制需要灵活设计控制层协议。CAN总线采用短帧结构，每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，数据出错率极低，有很高的通信可靠性。CAN总线的通讯速率为lMbps/40m和5Kbps/10km，节点数达110个，传输介质为双胶线、同轴电缆和光纤。采用统一的标准与规范，使各设备之间具有较好的互操作性、互换性和通用性。
[0004]控制器通过CAN总线实现与上位机的高速通信，可实现接受控制指令，实现对多种机构在多种运行模式下的高精度控制。并将测得的速度、位置、电压、电流等数据传递给上位机。控制器具有处理霍尔信号和旋变信号的能力。实验表明该控制器设计合理，完成了与上位机的高速通信和对电机的智能控制，达到设计效果。
实用新型内容
[0005]为了克服现有技术的上述缺点，本实用新型的目的是提供一种结构简单、运算速度快、通讯效率高的基于CAN总线和ARM的三相直流无刷电机控制系统。
[0006]本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:基于CAN总线和ARM的三相伺服电机，用于对电机运转状态进行实时监测，该系统包括电源模块、控制模块、驱动模块、保护模块、传感模块、CAN通讯模块及上位机；其中:
[0007]所述的电源模块有电源转换单元，电源转换单元与直流电源接口连接，用于将外界电压转换成上述各模块的对应工作电压；所述传感模块采用了增量式光电旋转编码器；所述控制模块含有ARM芯片，所述ARM芯片通过CAN通讯模块与上位机信号连接，上位机发出指令使ARM芯片产生PWM波控制电机的转速，改变PWM波的占空比即可实现电机无级调速；所述增量式光电旋转编码器将电机旋转的角度和速度转变为脉冲信号，反馈回ARM芯片的正交编码脉冲单元，ARM芯片收集反馈回的脉冲信号并与给定的位置和速度的期望值相比较，以实现位置、转速双闭环控制；通过电机驱动模块采集电机堵转电流，转化为电压信号，并通过电压比较器反馈回电机驱动模块以实现过流保护；所述的保护模块由过温保护模块及过流保护模块组成。
[0008]作为本实用新型的进一步改进:所述驱动模块为电机驱动电路；所述电机驱动电路由用三个IR2101半桥电路和六个MOSFET组成。
[0009]作为本实用新型的进一步改进:所述的CAN通讯模块采用CAN总线通讯接口模式；所述的CAN总线上的CAN信号通过PCA82C250T的CAN收发器转换成ARM芯片能够识别的TTL信号，从MSCAN_TX和MSCAN_RX端输出ARM的CAN控制器部分信号连接到MSCAN_TX和MSCAN_RX 端。
[0010]作为本实用新型的进一步改进:所述的ARM芯片采用STM32F103，所述STM32F103包括数模转换器、同步串行外设接口、异步串口通信接口、PWM控制的管理器，其PWM波形生产单元包括可编程死区控制，可输出非对称PWM波形、对称PWM波形和空间矢量SVP-VM波形；STM32F103也提供通过外围接口进行操作的输入输出端口 ；STM32F103使用了一个外围设备CAN通讯模块以支持对大量外设的可选性，外围设备CAN总线用数据总线寻址，并通过一个特殊的模块与数据总线连接，可以对所有的外围设备寄存器进行操作；在三相伺服电机中有三路斩波器的PWM信号，利用STM32F103的一个定时器Tl和三个安全比较单元来产生三路占空比可调的PWM波形，频率为20kHz。通过改变PWM波形的占空比，控制斩波输出电压，实现电动机调速控制。
[0011]基于CAN总线和ARM的三相直流无刷电机控制系统的方法,其中:所述系统采用事件管理器产生3路高精度PWM波形，分别控制U、V、W绕组的斩波电路；ARM芯片输出的有关功率管换向的数据经逻辑转换为三路换向触发信号，经驱动电路分别驱动3组M0SFET，实现对直流电动机的控制；电动机给定转速，系统启动相应的事件管理器产生一定的PWM波形输出，通过调节PWM波形的占空比，从而控制斩波电路功率管的开通与关断，进行电压调节，实现对无刷直流电动机转速和转矩的控制。
[0012]与现有技术相比，本实用新型的有益效果是:
[0013]1、本实用新型的核心处理器采用高速的ARM数字芯片，它继承了微控制器的特点，无论在运算速度和数据的处理能力上都可以满足运动控制的高实时性要求，为完成复杂的实时运动控制算法提供了可靠的平台。
[0014]2、本实用新型装置与上位机通讯部分采用CAN总线方式，CAN总线通讯具有多主机方式、传输距离远、传输速度快、抗干扰能力强、应用灵活等诸多优点，解决了传统控制器点对点数据传输方式中传输效率低、接口电路复杂等问题。
[0015]3、本实用新型还设有自我保护功能，实时检测电机运行时的工作电流，将其转换为电压信号后与预设电压比对，一旦检测值高于预设电压则停止动作，实现装置的自我保护。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本实用新型装置的控制电路结构图；
[0017]图2-a、2-b、2_c是电源转换示意图；
[0018]图3是温度报警原理流程图；
[0019]图4是温度报警原理流程图；[0020]图5_a是驱动控制流程图；
[0021]图5_b是控制驱动单元的结构示意图；
[0〇22]图6是编码米集原理不意图；
[0023]图7是CAN总线通讯原理示意图；
[0024]图8是滤波电路原理图。
【具体实施方式】
[0025]参考图1至图8，本实用新型主要由以下几个模块构成:电源模块、控制模块、驱动模块、保护模块、传感模块、CAN通讯模块。电源转换单元与直流电源接口连接，用于将外界电压转换成上述各部分的工作电压，ARM芯片通过CAN通讯模块与上位机信号连接，上位机发出指令使ARM芯片产生PWM波控制电机的转速，改变PWM波的占空比即可实现电机无级调速。增量式光电旋转编码器将电机旋转的角度和速度转变为脉冲信号，反馈回ARM芯片的正交编码脉冲单元，ARM芯片收集反馈回的脉冲信号并与给定的位置和速度的期望值相比较，以实现位置、转速双闭环控制。通过电机驱动芯片采集电机堵转电流，转化为电压信号，并通过电压比较器反馈回电机驱动芯片以实现过流保护。
[0026]电路设计:
[0027]基于STM32F103的ARM芯片的无刷直流电动机驱动控制系统的硬件主要包括电源模块、功率驱动模块、传感电路、保护电路、换向电路及通信电路等。该系统采用事件管理器产生3路高精度PWM波形，分别控制U、V、W绕组的斩波电路；ARM输出的有关功率管换向的数据经逻辑转换为三路换向触发信号，经驱动电路分别驱动3组M0SFET，实现对直流伺服电动机的控制。电动机给定转速`，系统启动相应的事件管理器产生一定的PWM波形输出，通过调节PWM波形的占空比，从而控制斩波电路功率管的开通与关断，进行电压调节，实现对无刷直流电动机转速和转矩的控制。
[0028]电源模块工作原理如下:
[0029]供电电源的稳定性直接影响到整个控制系统的稳定性，所以输出低纹波、高性能的供电系统是非常有必要的。本系统中需要多个供电电源，如核心的ARM芯片供电电压为
3.3V，驱动芯片供电电压为12V，CAN通讯模块和比较器模块供电电压需要5V，控制MOSFET的电压需要24V，然而整个电路中只有一个24V供电接口，这就需要进行电压转换，本电路将24V直流电源通过一系列的转换，转化成+12V、+5V、+3.3V直流稳压电源。
[0030]过温保护模块工作原理如下:
[0031]在温度过高的环境下工作，它会导致一些芯片的寿命降低，会使内部集成的原件烧毁，甚至发生短路现象。并且对电机的绝缘材料影响很大，温度过高会使绝缘层老化，甚至导致绝缘层破坏。因此我们要对整个电路的温度做一定的限制。
[0032]电路正常工作时，ARM芯片的第20管脚输出高电平，Dl不发光。当温度过高时，ARM芯片的第20管脚就会输出低电平，Dl发光。并通过光耦把信息传递出去，此电路实现简单，并且能实时监测到电路温度的变化。在整个电路中起到了很重要的作用。
[0033]过流保护模块工作原理如下:
[0034]虽然驱动电路使用了控制性能良好的电机驱动芯片，但是当电机被堵转的时候，会产生持续大电流。在这种情况下，电机如果仍然在零转速下提供最大的转矩，必然导致系统崩溃，因此必须设置过流保护环节来保护电机和相关开关器件。
[0035]正常运转时，ARM芯片的第21管脚输出高电平，D2不发光，短路时，电路中瞬间通过较大电流，ARM的第21管脚就会输出低电平，D2发光报警，并通过光耦提示有短路发生。同时降低主电压，使功率桥电路断开，保护功率桥电路。过流保护电流具有检测、处理的作用，在检测保护电机的同时也通过主芯片用软件控制电动机的启动和停止。
[0036]电机驱动电路设计:
[0037]本节中主要介绍以ARM芯片为核心的处理器控制电机转向和速度。
[0038]直流电机采用脉宽调制信号来控制转速，脉宽调制信号由ARM芯片来发生，由于处理器和执行电机的工作电压不同，ARM芯片所发生的脉宽调制信号并不能直接用来驱动执行电机，必须在两者中间加上电机驱动电路。我们选用三个IR2101半桥电路和六个MOSFET来驱动直流无刷电机，取代了传统的集成芯片。它的好处是可以承受很大的电流，并且电路容易控制。
[0039]电路可通过外部的使能信号、正反转信号、调转速信号方便地控制电机的运转。本电路稳定性好，驱动功率大、安全可靠、实现方便。
[0040]传感模块电路设计:
[0041]在电机运转过程中，主要采用了增量式光电旋转编码器。增量式编码器是光学中最简单的一种，有一个中心有轴的光电码盘制成，码盘上有环形通/暗的刻线，其码盘的刻线间距均一，对应每一分辨率区间可输出一个增量脉冲，计数器相对于基准位置(零点)相对应的输出脉冲进行累计计数，正转则加计数，反转则减计数。增量式编码器的优点是易于实现小型化，响应迅速，结构简单；其缺点是掉电后容易造成数据损失。
[0042]增量式编码器的信号输出有正弦波、方波等多种形式，其工作方式主要为三相脉冲输出，即A组、B组和Z组脉冲，分别定义为A、B、和Z相，A组和B组脉冲相位差为90度。盘上还有一个狭缝，旋转一周，只产生一个单独的脉冲，这组脉冲即为Z组脉冲。A组脉冲和B组脉冲用来确定被测对象的正、反转并计算角度，Z组脉冲用于基点定位。它的优点在于原理简单，机械寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高。
[0043]总线单元设计:
[0044]为了实现人机一体化，在硬件设计时，应该将当前运动的信息传递给上位机，我们需要扩展它的通讯模块，这里选用的是CAN总线通讯接口模式。
[0045]总线上的CAN信号通过PCA82C250T的CAN收发器转换成ARM芯片能够识别的TTL信号，从MSCAN_TX和MSCAN_RX端输出ARM的CAN控制器部分信号连接到MSCAN_TX和MSCAN_RX 端。
[0046]抗干扰设计:
[0047]干扰可以沿各种途径混入ARM芯片系统，也可以以场的形式从空间侵入ARM芯片系统。干扰叠加在输入信号上，使数据采集误差增大，特别在前向通道的传感器接口是小电压信号输入时，此现象会更加严重。如果叠加在输出系统，使各输出信号混乱，不能正常反应ARM芯片真实输出量，导致一系列严重后果。如果干扰混入ARM芯片系统的内核，就会使三总线上的数字信号错乱，程序运行失常，内部程序指针错乱，控制状态失灵，RAM中数据被修改；更严重的会导致死机，使系统完全崩溃。所以设计了抗干扰电路，使得该系统在坚持及监控中能减少外部干扰，从而使监测结果更精确。[0048]综上所述，本领域的普通技术人员阅读本实用新型文件后，根据
[0049]本实用新型的技术方案和技术构思无需创造性脑力劳动而作出其他各种相应的变换方案，均属于本实用新型所保护的范围。
【权利要求】
1.基于CAN总线和ARM的三相伺服电机，用于对电机运转状态进行实时监测，该系统包括电源模块、控制模块、驱动模块、保护模块、传感模块、CAN通讯模块及上位机；其特征在于: 所述的电源模块有电源转换单元，电源转换单元与直流电源接口连接，用于将外界电压转换成上述各模块的对应工作电压；所述传感模块采用了增量式光电旋转编码器；所述控制模块含有ARM芯片，所述ARM芯片通过CAN通讯模块与上位机信号连接，上位机发出指令使ARM芯片产生PWM波控制电机的转速，改变PWM波的占空比即可实现电机无级调速；所述增量式光电旋转编码器将电机旋转的角度和速度转变为脉冲信号，反馈回ARM芯片的正交编码脉冲单元，ARM芯片收集反馈回的脉冲信号并与给定的位置和速度的期望值相比较，以实现位置、转速双闭环控制；通过电机驱动模块采集电机堵转电流，转化为电压信号，并通过电压比较器反馈回电机驱动模块以实现过流保护；所述的保护模块由过温保护模块及过流保护模块组成。
2.如权利要求1所述的基于CAN总线和ARM的三相伺服电机，其特征是:所述驱动模块为电机驱动电路；所述电机驱动电路由用三个IR2101半桥电路和六个MOSFET组成。
3.如权利要求1所述的基于CAN总线和ARM的三相伺服电机，其特征是:所述的CAN通讯模块采用CAN总线通讯接口模式；所述的CAN总线上的CAN信号通过PCA82C250T的CAN收发器转换成ARM芯片能够识别的TTL信号，从MSCAN_TX和MSCAN_RX端输出ARM的CAN控制器部分信号连接到MSCAN_TX和MSCAN_RX端。
4.如权利要求1或3所述的基于CAN总线和ARM的三相伺服电机，其特征是:所述的ARM芯片采用STM32F103，所述STM32F103包括数模转换器、同步串行外设接口、异步串口通信接口、PWM控制的管理器；STM32F103也提供通过外围接口进行操作的输入输出端口。
【文档编号】H02P6/08GK203466761SQ201320238089
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年5月6日 优先权日:2013年5月6日
【发明者】陈少雄, 严文 申请人:广州欧丰机电有限公司