專利名稱：直流電動機的全數字化智能控制模塊的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種電動機控制電路，特別是涉及一種直流電動機的全數字化智能控制模塊。
背景技術：
在對電動機進行控制的功能實現上，采用以模擬元器件為主的方法設計脈沖寬度調制(PWM)電路。這是一種應用多年的經典電路，在相關教科書、應用文集等技術資料中都有詳細的介紹。其硬件構成是用運算放大器、電阻、電容、穩壓二極管組成的三角波發生器，它決定PWM的周期，其頻率、幅值為定值；用放大器、基準電壓源以及電阻組成的基準電壓電路，產生死區上、下限電壓，其幅值也為定值；用D/A轉換器、放大器、電阻組成的數字/電壓電路，產生PWM的控制信號，其大小受微處理器控制；用兩組比較器、電阻組成的三角波-方波變換電路，同時產生正向和反向電流PWM信號，其占空比受微處理器及死區上、下限電壓控制。
在PWM的頻率和兩個死區電壓值都已設定的條件下，通過微處理器運行程序，設置D/A轉換器的電壓，產生所需要的PWM波形，實現對電動機進行方向、轉速及制動控制的目的。
但是用這種方式設計的PWM電路中存在的一些技術和工藝方面的問題，主要是1、電路結構復雜，分立元件的一致性不易控制。
2、不能在線改變PWM的周期和死區的占空比。
3、PWM的控制精度受制于分立元件的精度，一般只可達到1％左右。
4、調試難度大，元器件成本高，可能出現的故障點多，不易維修。
5、不能保證產品在規模生產時的一致性和高品質。
其中，死區的占空比不能在線編程修改，對脈沖寬度調制(PWM)電路的總體性能具有至關重要的影響。因為，這種經典的設計方案，使得電動機在低速以至停轉時與高速轉消耗同樣大小的電流。結果是，要求系統提供的電池具有較高的安培小時數。從應用角度說就是，需要更大的電池空間和更高的儲能費用。
怎樣在保證電動機正常工作的前提下，盡量降低功耗已是業界許多工程師期盼已久、卻仍未圓滿解決的難題之一。
相對于線性控制電路，脈寬調制器提供了一種控制電動機的節能方法，它大大降低了驅動電路在驅動電動機工作時自身的功率消耗，并通過改變施加在各自定子繞組上的平均電壓以控制電動機的方向和轉速。
在一個PWM周期中，包括正向電流脈沖寬度，反向電流脈沖寬度和死區時間三部分。死區時間又分為兩部分死區1和死區2。其時序如圖6所示。
在圖6中，P0為PWM的周期時鐘信號，其周期等于2ms。P1為正向電流的控制脈沖信號。P2為反向電流的控制脈沖信號。P3為死區時間的控制脈沖信號。
從圖6可以看到PWM周期＝正向電流脈沖寬度+死區1+反向電流脈沖寬度+死區2通常，死區1的時間等于死區2的時間。
在大多數電動機控制電路中，PWM周期和死區均為定值，二者之差，即為正向電流脈沖寬度與反向電流脈沖寬度之和PWM周期-死區時間＝正向電流脈沖寬度+反向電流脈沖寬度以PWM方式控制的直流電動機，其運動方向和轉速取決于正向電流脈沖寬度與反向電流脈沖寬度之差。而其功率消耗取決于正向電流脈沖寬度與反向電流脈沖寬度之和。
所以，不管正向電流和反向電流怎么變，即不管電動機怎么運動(高速、低速還是停轉)，直流電動機消耗的功率基本不變。
這樣，我們容易得出一個結論脈寬調制器控制的直流電動機的功耗受控于死區時間在PWM周期中的占空比。
當需要電動機保持停轉狀態時，就要設置正向電流脈沖寬度等于反向電流脈沖寬度。顯然，即使電動機停轉，也一點不能減少功率消耗。
隨著死區時間的逐漸減小，電動機的功耗逐漸增大，而與電動機的轉動方向和轉速無關。
一般情況下，為了得到盡量快的電動機運行轉速，將死區時間設置得盡量小。然而，很小的死區時間使得電動機在轉速很慢以至停轉時，仍然要消耗與高速旋轉同樣大小的電流。
發明內容
為彌補上述缺陷，本發明提供一種采用微處理器為核心的直流電動機的全數字化智能控制模塊。
本發明直流電動機的全數字化智能控制模塊是利用微處理器的強大數據處理能力，接受和解釋從串口發來的上位機的命令和參數，并分別設置正向脈沖寬度計數器、反向脈沖寬度計數器和死區寬度計數器，再由控制邏輯電路產生PWM信號輸出去控制直流電動機。
本發明直流電動機的全數字化智能控制模塊，包括微處理器、連接上位機的串行接口、連接外部設備的并行接口，所述微處理器的數據、地址線和讀寫線連接到控制邏輯電路和若干個計數器，所述控制邏輯電路有一組控制線連接計數器，還有一組控制線連接到并行接口，所述控制邏輯電路輸出PWM信號到外部的電動機驅動電路，通過電動機驅動電路驅動直流電動機，所述微處理器的工作過程如下(1)開機后初始化智能接口和控制邏輯電路；(2)等待上位機從串口發來的命令和參數；(3)命令容錯；(4)判斷命令是否正確？錯誤返回步驟(2)，正確繼續；(5)參數容錯；(6)判斷參數是否正確？錯誤返回步驟(2)，正確繼續；(7)解釋命令和參數；(8)設置正向脈沖寬度計數器；(9)設置反向脈沖寬度計數器；(10)設置死區寬度計數器；(11)回步驟(2)。
本發明直流電動機的全數字化智能控制模塊，所述控制邏輯電路輸出的PWM信號經過光電耦合器輸出。
本發明直流電動機的全數字化智能控制模塊，所述控制邏輯電路和所述計數器用一片可編程邏輯器件實現，所述PWM信號從所述可編程邏輯器件輸出。
本發明直流電動機的全數字化智能控制模塊可以更合理地設置正向脈沖寬度計數器、反向脈沖計數器和死區寬度計數器，徹底解決了PWM控制電路在電動機不轉時的高耗電狀態，從而減少了電源功耗，延長了用該電路控制的電動機在有限供電量下的工作時間，有著極其重大的意義。
圖1是本發明直流電動機的全數字化智能控制模塊的實施例一的電路框圖；圖2是本發明直流電動機的全數字化智能控制模塊的實施例二的電路框圖；圖3是本發明直流電動機的全數字化智能控制模塊的實施例三的電路框圖；圖4是本發明直流電動機的全數字化智能控制模塊的實施例四的電路框圖；圖5是本發明直流電動機的全數字化智能控制模塊的微處理器程序流程圖；圖6是本發明直流電動機的全數字化智能控制模塊的PWM周期、正向脈沖、反向脈沖及死區時間的時序圖；圖7是本發明直流電動機的全數字化智能控制模塊中控制邏輯電路和計數器的實施例參考圖。
具體實施例方式
為進一步闡述本發明，下面結合實施例做更詳盡的說明。
圖1是本發明直流電動機的全數字化智能控制模塊的實施例一，也是基本電路。在本實施例中。微處理器設有兩個對外部的輸入輸出口，一個是串行接口，用來和上位機通信，就是說，本發明直流電動機的全數字化智能控制模塊只是一塊中間電路，必須有上下設備才能完整工作。另一個是雙向并行接口，用于邏輯信號的輸入輸出。
微處理器有數據、地址線和讀寫線，同時連接控制電路中的控制邏輯電路和計數器，計數器包含正向脈沖寬度計數器、反向脈沖寬度計數器和死區寬度計數器(具體線路可參見圖7，這是一個實施例的實際電路圖，這里不再累述)，這些計數器由微處理器來設定，而這些計數器到預置時間時會發出適當的控制信號給控制邏輯電路中的相應單元，在微處理器和計數器的共同控制下，控制邏輯電路產生出PWM信號，輸出給電動機驅動電路，控制直流電動機工作。
對于處在核心的微處理器，需要處理大量的數據，其軟件流程圖可見圖5，具體工作過程為(1)開機初始化智能化接口和控制邏輯電路。
(2)等待串口來的上位機命令和參數。
(3)接收到命令和參數后，進行命令容錯檢查。
(4)命令容錯檢查錯誤，返回等待串口的新的命令和參數，命令容錯檢查正確繼續。
(5)進行參數容錯檢查。
(6)參數容錯檢查錯誤，返回等待串口新的命令和參數，參數容錯檢查正確繼續。
(7)解釋命令和參數。
(8、9、10)設置電動機控制參數。
微處理器將解釋后的命令參數輸出到相對應的電動機控制信號正向脈沖寬度計數器、反向脈沖寬度計數器、死區寬度計數器中，配合外圍的控制邏輯電路，產生控制電動機的正向脈沖和反向脈沖。
(11)返回等待串口新的命令和參數。
在該系統中，本發明直流電動機的全數字化智能控制模塊和上位機的通信設有自定義通信協議。通過串行接口(如RS232/422/485)接收命令，按協議進行解釋，執行指定的操作。實現以PWM方式控制電動機。實現電動機的復雜控制，如直接數字合成調制。具有命令容錯和正、反向脈沖互鎖保護功能。對收到的不合理的命令，不予執行。在任何情況下，保證不發出導致驅動電路短路的控制信號。控制參數簡單，編程容易。工程人員可以不關心模塊內部的硬件電路和軟件編程，直接用正、反向電流的脈沖占空比作為控制參數傳給模塊，就能得到對應的脈沖序列，實現對電動機的方向、轉速等物理量進行精確控制，通過設定死區時間的占空比控制電動機的功率消耗，節省能源。
在有的系統中，電動機驅動電路不能和本發明直流電動機的全數字化智能控制模塊中的控制邏輯電路共地，此時就需要在控制邏輯電路后面加裝光電隔離電路，這就是圖2展示的實施例二。在實施例二中，需要對光電隔離電路的兩端分別供電，所以直流電源也應在原來的一路輸出(可稱為數字電源)之外，還要有一路不共地的直流輸出(模擬電源)。
在上述兩個實施例中，控制邏輯電路和計數器是用小規模集成電路搭建的，作為產品是可以使用的，但是元件越多，成本越高、故障率也越高，為提高產品集成度，降低成本，可以采用可編程邏輯器件實現控制邏輯電路和計數器的功能，這就是圖3所示的實施例三和圖4所示的實施例四，兩者不同的就在于有無光電隔離電路。
本發明直流電動機的全數字化智能控制模塊把全數字電路與靈活的軟件結合為一體，采用微處理器(MPU或DSP)及CPLD為核心芯片，可以更合理地設置正向脈沖寬度計數器、反向脈沖寬度計數器和死區寬度計數器，徹底解決了PWM控制電路在電動機不轉時的高耗電狀態，從而減少了電源功耗，延長了用該電路控制的電動機在有限供電量下的工作時間，有著極其重大的意義。加裝光電隔離，主要是保護控制邏輯一側電路的安全，同時更容易適應多種電動機驅動電路的應用需求。
權利要求
1.一種直流電動機的全數字化智能控制模塊，包括微處理器、串行接口、并行接口，其特征在于所述微處理器的數據地址線和讀寫線連接到控制邏輯電路和若干個計數器，所述控制邏輯電路有一組控制線連接計數器，還有一組控制線連接到并行接口，所述控制邏輯電路輸出PWM信號到外部的電動機驅動電路，通過電動機驅動電路驅動直流電動機，所述微處理器的工作過程如下(1)開機后初始化智能接口和控制邏輯電路；(2)等待上位機從串口發來的命令和參數；(3)命令容錯；(4)判斷命令是否正確？錯誤返回步驟(2)，正確繼續；(5)參數容錯；(6)判斷參數是否正確？錯誤返回步驟(2)，正確繼續；(7)解釋命令和參數；(8)設置正向脈沖寬度計數器；(9)設置反向脈沖寬度計數器；(10)設置死區寬度計數器；(11)返回步驟(2)。
2.根據權利要求1的直流電動機的全數字化智能控制模塊，其特征在于所述控制邏輯電路輸出的PWM信號經過光電耦合器輸出。
3.權利要求1或2的直流電動機的全數字化智能控制模塊，其特征在于所述控制邏輯電路和所述計數器的功能用一片可編程邏輯器件實現，所述PWM信號從所述可編程邏輯器件輸出。
全文摘要
本發明直流電動機的全數字化智能控制模塊是利用微處理器的強大數據處理能力，接收和解釋從串口發來的上位機的命令和參數，并分別設置正向脈沖寬度計數器、反向脈沖寬度計數器和死區寬度計數器，再由控制邏輯電路產生PWM信號輸出通過電動機驅動電路去控制直流電動機，還可以設置光電隔離電路輸出PWM信號。本發明直流電動機的全數字化智能控制模塊可以更合理地設置正向脈沖寬度計數器、反向脈沖寬度計數器和死區寬度計數器，徹底解決了PWM控制電路在電動機不轉時的高耗電狀態，從而減少了電源功耗，延長了用該電路控制的電動機在有限供電量下的工作時間，有著極其重大的意義，并適應多種直流電動機的需求。
文檔編號H02P1/22GK101075799SQ20061008699
公開日2007年11月21日 申請日期2006年6月23日 優先權日2006年6月23日
發明者魏曉龍 申請人:魏曉龍