一种适用于无刷直流电机的无人双桨船推进控制器的制作方法

本发明涉及一种无人船推进控制器，尤其涉及一种适用于无刷直流电机的无人双桨船推进控制器。

背景技术：

现有船舶双电机控制器技术大多以两个控制芯片分别带动两个驱动器从而控制两个电机，再用一个控制芯片做总控，其控制芯片之间通过can总线实现两电机转速、控制信号等数据的通讯。控制芯片大多以单片机为主控芯片，这样会使电机控制芯片利用率低，且电机效率变低。而多个芯片还会造成数据传输延迟，导致无人船转向反应慢，成本升高，故障率高。

随着舰船推进技术的进步，尤其是控制理论的发展，电机控制需要更好的控制方法以满足日益复杂功能和性能提高的要求，即可靠性高、实时性好、大功率推进等。

现在市场上船用控制电机的控制芯片大多采用单片机来控制，比如8096系列产品，但是对于无刷直流电机而言，矢量变换控制需要处理大量的数据，单片机最终控制的效果往往实时性和精确度不理想。

技术实现要素：

发明目的：本发明提出一种可靠性高、抗干扰能力强的适用于无刷直流电机的无人双桨船推进控制器。

技术方案：本发明所述的适用于无刷直流电机的无人双桨船推进控制器，包括以dsp为核心的控制模块、光耦隔离模块、驱动模块、三相全桥逆变模块、检测模块、通信模块、电源模块；其中：

所述以dsp为核心的控制模块，与所述光耦隔离模块、检测模块和通信模块相连接，用于计算和数据分析，产生pwm信号，进行通信控制与处理；

所述光耦隔离模块，用于隔离所述以dsp为核心的控制模块和驱动模块间的控制信号；

所述驱动模块，与所述光耦隔离模块相连接，对pwm信号进行功率放大，再连接到所述三相全桥逆变模块，用以控制三相全桥逆变模块的功率管；

所述三相全桥逆变模块，与所述驱动模块相连接，接收所述驱动模块的驱动信号，其输出用于对无刷直流电机进行控制；

所述检测模块，与电机组件相连接，其输出连接所述以dsp为核心的控制模块，用于位置检测、转速检测，对母线电流和电机相电流检测；

所述通信模块，与所述以dsp为核心的控制模块相连接，用于与无人船控制器进行信息交互；

所述电源模块，用于为其他各模块提供电源供应。

进一步地，该控制器还包括控制界面，所述控制界面有5个控制按钮，分别为：前进加速按钮、后退减速按钮、左转按钮、右转按钮和停止按钮；当触发前进加速按钮时，无人双桨船的两个电机同速加速正转；当触发前进加速按钮时，再次触发后退减速按钮，则两电机减速；当触发后退减速按钮直至两电机转速为0时，再次触发后退减速按钮则两电机同步加速反转；当触发左转按钮时，左电机减速；当触发右转按钮时，右电机减速；当触发左转按钮时再次触发右转按钮时，左电机转速先还原到与右电机同速状态，再进行右电机减速；当触发右转按钮再次触发左转按钮时，右电机转速先还原到与左电机同速状态，再进行左电机减速；当触发停止按钮时，两电机转速归零。

进一步地，所述控制器采用电流、转速双闭环的控制方法：当所述以dsp为核心的控制模块(111)中的dsp得到转速差时，发出某个电机的速度指令，给定值v与速度反馈值v1进行比较，得到单个电机速度差值，经过速度调节器进行pi调节，从而输出电机改变转速所需的电流，对于电流调节器来说得到给定电流a，再与电流反馈值进行比较得到电流差值，经过电流调节器进行校正，调节后在换成相应的pwm波，在所述dsp中综合霍尔位置传感器检测得到的转子位置信息最终确定并输出所需的pwm波，送至所述驱动模块(113)，所述三相全桥逆变模块(114)的电路控制其功率开关器件占空比，从而改变电机速度。

进一步地，所述以dsp为核心的控制模块(111)包括tms320f28335为控制芯片及其外围电路。

优选地，所述驱动模块(113)采用ir2136为核心的驱动芯片。

优选地，所述光耦隔离模块(112)采用hcpl-2630芯片。

优选地，所述电源模块(117)采用锂离子动力电池。

有益效果：本发明提供的适用于无刷直流电机的无人双桨船推进控制器，以dsp为内核，配以最新的集成电路以及电机控制的专用集成电路，使船用电机控制器的价格大大降低、体积缩小、结构紧凑、使用便捷、可靠性提高，实时性能好。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的控制器各模块连接关系示意图；

图2为本发明具体实施方式的电机控制器电路结构框图；

图3为本发明具体实施方式的三相电机驱动框图；

图4为本发明具体实施方式的五按键示意图。

图5为本发明具体实施方式的控制方法原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

请参见图1，其示出了本发明所述的适用于无刷直流电机的无人双桨船推进控制器的各模块连接关系示意图。所述推进控制器包括以dsp为核心的控制模块111、光耦隔离模块112、驱动模块113、三相全桥逆变模块114、检测模块115、通信模块116、电源模块117。

所述以dsp为核心的控制模块111，与所述光耦隔离模块112、检测模块115和通信模块116相连接，用于计算和数据分析，产生pwm信号，对外部的无人船控制器进行通信控制与处理；

所述光耦隔离模块112，用于隔离所述以dsp为核心的控制模块111和驱动模块113间的控制信号；

所述驱动模块113，与所述光耦隔离模块112相连接，对pwm信号进行功率放大，再连接到所述三相全桥逆变模块114，用以控制三相全桥逆变模块114的功率管；

所述三相全桥逆变模块114，与所述驱动模块113相连接，接收所述驱动模块113的驱动信号，其输出用于对无刷直流电机进行控制；

所述检测模块115，与电机组件相连接，其输出连接所述以dsp为核心的控制模块111，用于位置检测、转速检测，对母线电流和电机相电流检测；

所述通信模块116，与所述以dsp为核心的控制模块111相连接，用于与无人船控制器进行信息交互；

所述电源模块117，用于为其他各模块提供电源供应。

如图2所示，整船控制器发出控制信号，dsp接收到控制信号，控制对应的引脚输出2个6路的3.3v的pwm波。

这6路3.3vpwm波通过光耦隔离电路，因为dsp是低电压，而驱动电路是高电压，所以光耦隔离电路不仅要有隔离电信号的功能，又因为ir2136接收5v的pwm信号，所以光耦隔离电路还应把pwm信号提高至5v。

ir2136芯片的作用是将pwm信号进行功率放大，该芯片只需一路直流电源即可驱动三相全桥逆变电路中的6个功率管，简化了驱动电路的设计。tr2136芯片外接15v直流电源，接收光耦隔离电路输送过来的6路5v的pwm信号，转换成15v的pwm信号以驱动逆变电路的6个mosfet管。

因为考虑电机功率，成本等问题，本发明选择了mosfet功率管作为逆变电路的功率管。mosfet功率管所需驱动电压小，栅极输入阻抗高，所以过载能力强和抗干扰能力高。

tr2136的ho1，ho2，ho3，lo1，lo2，lo3引脚分别接无感电阻后与三相全桥电路的上桥臂和下桥臂的六个mosfet栅极相连。

v1到v6分别代表6个mosfet功率管，每个功率管并联的续流二极管可以使电机电流连续。

逆变电路外接24v直流电源，通过6路15v的pwm信号控制mosfet功率管的开断(包括导通顺序和导通时间)从而控制电机转动。优选地采用两两导通的方式驱动无刷直流电机运行，如图3所示，引出的三条线分别连接到无刷直流电机的三相绕组。

电机选择两个自带霍尔传感器的无刷直流电机，电机转动时，霍尔传感器输出三相霍尔脉冲信号经过位置检测电路进行处理整形转换成dsp的能接收的电信号，输入给dsp。

每次霍尔信号进入捕获中断时，通过计时器获取两次霍尔信号变化的时间间隔t，电机的角速度v可通过公式计算得出，则转子旋转的周期程序中计数器两次的差值为x，定时器的周期为k，所以单位为秒。电角度为电机的机械角速度乘以极对数p。电机转速计算公式为：带入可得

两个霍尔电流传感器选择csm060npt。用于检测无刷直流电机的相电流和母线电流，将电流导线穿过传感器孔芯即可在输出端测得对应电压值，电压经过分压电阻和rc滤波电路，接入到dsp的ad口。输入电流与输出电压关系为v＝2.5+5/48×i，其中i表示。

霍尔电压传感器选择vsm025a来检测相电压，经过电压检测电路将电压信号处理送入dsp的ad引脚。

两电机的转速在dsp中利用算法算出结果后，得出速度差，再和控制信号输入的转速差相比较得出差值，再去调整相应的pwm信号，改变占空比控制对应的电机转速。

由于采用电流、转速双闭环的控制方法，如图5所示，当dsp得到转速差时，发出某个电机的速度指令，给定值v与速度反馈值v1进行比较，得到单个电机速度差值，经过速度调节器进行pi调节，从而输出电机改变转速所需的电流，对于电流调节器来说得到给定电流a，再与电流反馈值进行比较得到电流差值，经过电流调节器进行校正，调节后在换成相应的pwm波，在dsp中综合霍尔位置传感器检测得到的转子位置信息最终确定并输出所需的pwm波，送至驱动电路，逆变电路控制其功率开关器件占空比，从而改变电机速度。可以电动机在电压，负载变化，外界干扰情况下，使控制系统自己进行调整，可以使转速能重复跟踪速度指令。从而使无人船在受到外接干扰时很快的恢复到受干扰前的状态，并且能很好地保持无人船速度和转向的稳定性。

无人船转向可根据两电机的转速差而实现。如图4所示，外界控制器有5个按钮，首先当触发前进加速按钮时，两个电机同速加速正转。当触发前进加速按钮时，再次触发后退减速按钮，则两电机减速，当触发后退减速直至两电机转速为0时，再次触发后退减速按钮则两电机同步加速反转。反之，当触发左转按钮时，左电机减速。当触发右转按钮时，右电机减速。当触发左转按钮时再次触发右转按钮时，左电机转速先还原到与右电机同速状态，再进行右电机减速。当触发右转按钮再次触发左转按钮时，右电机转速先还原到与左电机同速状态，在进行左电机减速。当触发停止按钮时，两电机转速归零。

使电机1(左)的速度减去电机2(右)的速度为转速差。在dsp中以转速差为输入，当转速差为0时，无人船直行或停止或倒退，这取决于给两电机设定的转速。当无人船直行时，转速差输入为正数时，使电机1的速度不变，将转速差经控制器反馈至电机2，使得电机2的转速下降到指定转速，因为不同转速产生的推力不一样，所以就可实现无人船向右转，转速差为负数时，使电机2的速度不变而电机1的速度降至指定转速，这样无人船就会向左转，当角度转到需要角度时，再次使转速差为0，低转速的电机恢复改变前的转速。倒退同理。