一种智能三相电机BLDC/PMSM伺服控制器的制作方法

本发明涉及一种电机控制方式，具体涉及一种智能三相电机控制器。

背景技术：

现如今工业4.0(第四次工业革命)已经悄悄来临，而随之带来的挑战也逐渐显露，三相无刷电机无论是在生活应用上还是工业用途中，都会显现愈来愈重要的地位。因此三相无刷电机控制器作为未来的一个高频率使用器件，如何进行智能控制三相电机、以及保证安全性和提升可靠性是未来工业发展面临的最大问题。目前市面上已经成功研制的三相电机控制器大致分为两种：纯驱动控制器、集成mcu带速度反馈的驱动控制器。纯驱动控制器是内置了六个开关管实现基本的驱动功能，其缺陷是引出外接的接口数目较多、操作员易于混淆，以及其效率低而导致的发热大。集成mcu带速度反馈的驱动控制器是一种较为理想的控制器，也是目前普遍使用的控制器，该控制器集成了mcu，能够读取霍尔传感器反馈回来的速度值并加以处理，达到闭环控制三相电机的效果，其缺陷是控制效果并不够理想，对于不同的三相电机仍需要进行单独的调试，因此存在交互能力弱、可靠性不能得以保证的缺点。此外，市面上也存在有一些集成算法、自整定参数的智能电机控制器，比如elmo控制器，但由于其价格过于昂贵、使用不方便等原因，使用率也比较低。

目前已有的技术方案，使用采样电阻和较低的采样率采集三相电机的电流数值，并不能有效保证高可靠性和高稳定性。比如在不同温度的条件下使用或长时间连续使用，采样电阻将会有较大的温漂；在负载条件恶劣多变的情况下，控制器也可能会因为电流采样率不足而导致的反馈信号不及时，驱动效果变差。在人机交互接口方面，目前支持rs232、485接口协议，其缺陷是通讯速度较慢，使用不灵活，并不适用于多组控制器的并联控制。在精确检测电机转速方面，目前使用的是霍尔编码器或光电编码器，其不足是检速分辨率较低，导致电机控制效果较差。在自动调节电机控制参数方面，目前还没有解决方案。

技术实现要素：

本发明-智能三相电机bldc/pmsm伺服控制器将装载mos开关管、soc片上集成系统、stm32f4单片机、电流采样芯片、滤波大电容。在人机交互接口方面，本发明采用can(con-trollerareanetwork)接口协议，来代替传统rs232、485，提高传输效率和总线利用率，使得多组控制器的并联控制更为灵活。在精确检测电机转速方面，本发明采用霍尔编码器加光电编码器，实现对电机的精准定位和测速，保证了三相电机的精准控制。在控制器工作稳定性方面，本发明提出同时考虑环境温度以及工作时长导致温升的解决方案，即使用更低阻值、低温漂的检流电阻外加温度传感器，以实现温度补偿，同时使用更高采样率的电流检测芯片，保证控制器能在负载条件恶劣多变的情况下稳定运行。在自动调节电机控制参数方面，采用极点配置自适应pid算法，并集成于stm32f4单片机上，通过控制soc片上集成系统来达到控制电机的目的效果。

本发明技术方案为一种智能电机控制器，该控制器包括：数据采集系统，数据处理系统，人机交互接口系统，驱动控制系统。所述数据处理系统负责数据采集系统和人机交互系统的数据处理和传递。

所述数据采集系统包括：外置霍尔编码器、外置光电编码器、板载温度传感器。所述外置霍尔编码器放置与三相电机的内部，所述外置光电编码器放置三相电机外部并与之同轴，所述板载温度传感器放置底层电路板中间。

所述数据处理系统包括：soc片上系统——tmcc160、stm32f4。tmcc160内部分为mcu微处理器部分和栅极驱动部分。mcu部分对反馈数据进行处理运算，再将信号传输至栅极驱动部分。stm32f4则用于与tmcc160进行通讯，使用集成于f4的算法代码从而控制tmcc160。

所述人机交互接口系统包括：xt60、mr30主电路接口，ph2.0编码器、烧录口和can通讯接口。

所述驱动控制系统包括：soc片上系统——tmcc160、mos开关管。

在本发明中，数据处理系统和驱动控制系统的数据处理和实现方案如下：在数据处理系统中，tmcc160采集来自霍尔编码器、光电编码器和温度传感器的信号，并通过can通信协议传输至stm32f4，同时f4内集成了自适应pid算法，用户可以使用can通信协议与f4进行通信，从而控制tmcc160进行驱动。

在驱动控制系统中，tmcc160对六个mos开关管进行控制，从而产生三相交流电，驱动对应三相电机。同时也对三相交流电进行检流，实现闭环控制。tmcc160也对mos开关管进行温度监测，实现温度补偿和过热保护功能。

本发明的智能电机控制器主要由soc片上系统——tmcc160、stm32f4、mos开关管、电流检测芯片、温度传感器组成，利用foc(field-orientedcontrol)磁场定向控制算法、极点配置自适应pid算法等关键技术提供优异的驱动能力。

在本发明中，tmcc160与f4主控间可以交互运行，具有低功耗、高集成度的优点。在电流检测方面，本发明将检流电阻和温度传感器配合使用，可保证在环境温度、工作时长不一致的情况下正常工作。在电机测速方面，本发明使用霍尔编码器和光电编码器配合使用，提高测速的准确度，为用户提供更加安全可靠的保障。

附图说明

图1、2为所述整个智能电机控制器的结构示意图。

图3为stm32f4的相关电路图，为顶层电路图。

图4为tmcc160的相关电路图，为中间1层电路图。

图5为主电源滤波电路图，为中间2层电路图。

图6为驱动模块电路图，为底层电路图。

图1中，①为24v电源输入接口--xt60。②为stm32f4的can1通信接口ph2.0_2pin，同时也连接着tmcc160。③为stm32f4的can2通信接口--ph2.0_2pin。④为外接光电编码器abz接口--ph2.0_5pin⑤为外界霍尔编码器hall接口--ph2.0_5pin。

图2中，⑥为tmcc160的swd(serialwiredebug)烧录接口--ph2.0_4pin。⑦为三相电输出接口—mr30。⑧为stm32f4的swd烧录接口—ph2.0_4pin。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明做进一步的介绍，将分为驱动模块、数据处理系统模块、外设模块。

驱动模块具体功能：(1)接收来自数据处理系统模块的驱动信号，对六个mos开关管进行驱动，产生三相交流电，输出功率高达1000w，并分别监测三相电u、v、w的电流，再次反馈回数据处理系统模块。(2)对输入、输出电源进行滤波，保证得到良好的电源质量。对输入、输出电压进行监测，若出现因为电机反转、急停等原因产生了较大的反向电动势，驱动模块将会启动一个brake模块，将过多的反冲能量释放出去，保证驱动模块、外设输入电源以及三相电机的设备安全。

数据处理系统模块具体功能：(1)tmcc160接收霍尔编码器、光电编码器、电流传感器、温度传感器等反馈值，并通过内置mcu(微处理器)处理，发送驱动信号到内置的栅极驱动单元，再发送到驱动模块。同时监视电源电压，电压过低将会自动关断电源，防止发生驱动效果不佳的情况。(2)stm32f4主要集成foc(field-orientedcontrol)磁场定向控制算法、极点配置自适应pid算法等使用can1通信协议对tmcc160进行通信控制，同时使用can2与外界通信。尽管can1也能作为与外界的通信接口，但can1更多的是用于单独调试tmcc160。

各个外设模块的功能信息：(1)lmr14206：dc-dc，为部分芯片提供合理稳定的电压。(2)at25128b：eeprom，存储一部分必要的传感器数据。(3)brake模块：也称急停、刹车处理模块，采用一个mos开关管和一个功率电阻组成，作用是将因刹车等原因造成的反冲能量在功率电阻上释放掉，保证驱动模块、外设输入电源以及三相电机的设备安全。