專利名稱：一種可控可監測的無刷力矩電機調寬伺服系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種電路，一種可控可監測的無刷力矩電機調寬伺服系統，用于小功率三相無刷力矩電機的控制系統，可實現總線控制與1 總線監測。
背景技術：
三相無刷力矩電機具有高可靠性，廣泛應用于儀表測試、轉臺測試等控制領域。隨著現代電子技術的發展，系統采取不同的控制策略追求低功耗、小型化、高可靠性等優點， 但在方案的具體實施中會遇到不同的困難。《小型內燃機與摩托車》，第37卷第5期《發動機用霍爾傳感器電磁干擾機理與實驗研究》中介紹了霍爾開關在電磁使用環境中會受到干擾出現故障，但卻沒有針對具體系統提出該干擾故障的具體解決措施。使用專用電機控制集成電路L6235可以大大提高電機控制器的可靠性和抗干擾能力，縮短新產品的開發周期，但該芯片普遍應用在調速控制系統中，如碩士論文《基于 LabVIEff的無刷直流電機模糊自適應PID控制研究》。對于L6235驅動低速堵轉狀態力矩電機的應用很少介紹。傳統的伺服系統不具有與總線接口的能力，測試過程過分依賴測試人員，自動化程度低。
發明內容
本發明解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種可控可監測的無刷力矩電機調寬伺服系統。本發明進一步解決的技術問題是采用專用電機驅動器L6235驅動三相無刷力矩電機工作在低速堵轉狀態，通過提高工作頻率和增加匹配電感等措施改善霍爾開關使用的電磁環境，消除霍爾開關的干擾故障，具有低功耗、小型化的優點。本發明的技術解決方案是一種無刷力矩電機調寬伺服系統，包括信號處理電路、 比較器與光耦隔離電路、三角波電路、電機驅動電路、霍爾開關、總線控制接口電路、1 監測接口電路、微動同步器、無刷力矩電機；微動同步器輸出與角度成正比的交流信號，該交流信號經信號處理電路交流放大、相敏解調、低通濾波、直流放大后輸出直流信號給比較器與光耦隔離電路；三角波電路將信號源輸出的正弦波處理成三角波并輸入至比較器與光耦隔離電路；比較器與光耦隔離電路將輸入的直流信號與三角波進行比較、隔離，輸出脈沖寬度與直流信號成正比的調寬信號即脈沖寬度控制信號，并將該脈沖寬度控制信號輸入至電機驅動電路；總線控制接口電路根據總線發出的控制信號，經光耦隔離輸出驅動器使能控制信號至電機驅動電路；三個霍爾開關內嵌于電機本體，敏感磁場強度，輸出相應電壓輸入至電機驅動電路；當驅動器使能控制信號為高電平有效時，根據三個霍爾開關確定的電機繞組導通位置信號，電機驅動電路輸出脈沖寬度信號至無刷力矩電機，驅動電機輸出相應力矩，克服負載力矩和摩擦力矩，力矩電機為低速堵轉工作狀態；電機驅動電路的驅動器使
3能控制信號經光耦隔離后輸出至1 監測接口電路，1 監測接口電路輸出8位二進制數字至1 監測總線，當驅動器使能控制信號為低電平時，電機無輸出。三相無刷力矩電機包括定子、轉子和霍爾開關三部分，轉子為永磁體，定子包括定子鐵芯、定子骨架和電機繞組。在圓周360度定子骨架均布36個槽，電機繞組、定子鐵芯、霍爾開關都安裝在定子骨架上。為了保證電機正確換向，在結構設計上固定3個霍爾開關的安裝位置。電機3相定子繞組相隔120度電角度均布在定子上，3個霍爾開關也相隔120度電角度安裝在定子上，霍爾開關位置與定子繞組起始槽固定電角度，通常為60度或者120 度。霍爾開關敏感電機轉子磁場輸出相應的高低電平，輸出到電機驅動器，經過邏輯處理， 給電機定子上相應兩相繞組通電，產生定子磁勢，轉子磁場與定子磁勢相互作用，產生電磁力矩使電機轉子旋轉。所述的電機驅動電路包括電機驅動器L6235、電阻Rl R13、電阻RX1、電容Cl C8、電感Ll L3、二極管V1、V2 ；電阻Rl，R2，R3，R4 —端短路接邏輯電源正極VD5，電阻R1， R2，R3的另一端分別接霍爾開關，電阻R4的另一端接L6235的BRAKE管腳；電阻R5 —端接驅動器使能控制，另一端接L6235的ENA管腳；電容C5 —端接L6235的ENA管腳，另一端接邏輯電源負極SGND ；L6235的DIAG管腳與ENA管腳短接；L6235的F/R管腳接脈沖寬度控制信號；L6235的TACKO管腳與RCP管腳短接；電阻R6 —端接L6235的TACKO管腳，另一端接SGND ；電阻R7與電容Cl并聯后一端接L6235的RCOFF管腳，另一端接SGND ；電阻R8 — 端接L6235的VCP管腳，另一端串聯電容C4 ；電容C4的另一端接二極管V2的陰極；二極管 V2與Vl陰陽極串聯后與電容C3并聯，二極管V2的陽極端接L6235的VS2管腳，L6235的 VSl管腳與VS2管腳短接后接入功率電源的正極VD^ ；二極管Vl的陰極端接L6235的BOOT 管腳；電容C2 —端接L6235的VS2管腳，另一端接SGND ；L6235的四個G管腳短接后接入 SGND,電阻R9與電阻RlO串聯后，電阻R9的一端接L6235的其中一個G管腳，電阻RlO的一端接VD5，L6235的REF管腳接入電阻R9與RlO之間；L6235的ISEm管腳與ISEN2管腳短接后串聯電阻RX1，電阻RXl的另一端接功率地PG，L6235的0UT1，0UT2, 0UT3管腳分別連接電感Li，L2，L3，電感Li，L2，L3的另一端分別分為兩路，Ll的一路連接力矩電機的A 相，另一路串聯電容C6、電阻Rll后接入PG ；L2的一路連接力矩電機的B相，另一路串聯電容C7、電阻R12后接入PG ；L3的一路連接力矩電機的C相，另一路串聯電容C8、電阻R13后接入PG。當驅動器使能控制信號為高電平時，任意時刻，電機驅動器的0UT1，0UT2，0UT3中一路為高電平，一路為低電平，一路為高阻，驅動力矩電機輸出力矩；當驅動器使能控制信號為低電平時，任意時刻，電機驅動器的0UT1，0UT2, 0UT3均為高阻，力矩電機無力矩輸出。本發明與現有技術相比優點在于(1)本發明使用內嵌霍爾開關力矩電機，著重解決霍爾開關在使用中的電磁干擾故障。霍爾開關是磁敏感元件，當敏感N極磁場時，輸出高電平，敏感S極磁場時，輸出低電平。當電路采用調寬控制方式時，電樞繞組中的脈動電流會產生交流磁場，當交流磁場強度大于霍爾開關的磁敏感閾值時，霍爾開關的輸出就會受到干擾，影響電機正常換向。本發明提出了一種電機中霍爾開關換向干擾的解決措施，通過提高提調寬頻率，增加匹配電感，減小電樞繞組的交流磁場，使交流磁場強度小于霍爾開關的磁敏感閾值，保證霍爾開關不受到電磁干擾，力矩電機正常換向。(2)本發明提供了一種采用L6235驅動低速堵轉狀態力矩電機的應用實例，L6235是專用電機驅動器，設計了專用的速度反饋環，因此設計人員多將L6235用于調速系統。本發明利用L6235的高度集成小型化、設計簡單等優點，通過對個別參數的特殊設計，使其應用于低速堵轉力矩電機的控制。(3)本發明提供了解決小功率電機伺服系統電機發熱與功率器件發熱之間矛盾的辦法。通常小電流輸入時，采用線性模擬控制方式，功率器件壓降大，發熱功率大；調寬控制方式，電源電壓都加在電機繞組上，小功率電機電氣時間常數小(小于0. 1ms)，交流阻抗小，電機本體發熱大，降低了電源的效率。本發明通過采用專用電機驅動器，利用其導通電阻小(0.3歐姆)的優點，減小了電機驅動器的發熱；在不改變電機本體結構的前提下增大電機電氣時間常數，提高調寬頻率，增大電機的交流阻抗，可減小力矩電機的發熱。通過這兩項措施，有效提高了電源的效率，降低了電機和驅動器無用發熱，降低了系統的功耗。(4)本發明使用三相無刷力矩電機，內嵌3個霍爾開關，具有體積小、可靠性高的優點。3個霍爾開關在結構設計上保證電機正確換向，霍爾開關集成度高，設計和使用簡單， 可靠性高。傳統電機有的使用兩相有刷電機，其電機換向使用的金屬導電電刷，在長時間使用過程中，電刷由于打火、老化等原因出現接觸不良的現象，影響電機的正常換向，電機的可靠性降低；現有的三相無刷力矩電機，有采用變磁阻傳感器和光柵傳感器作為換向傳感器，它們在電機本體外，體積大、使用調試困難，且需要設計專門的方向識別電路才能保證電機正確換向，系統設計和調試復雜，不利于系統的小型化和高可靠性。(5)本發明包括總線接口電路和1 監測接口電路，具備與總線通信的功能。通過該接口電路，計算機總線可以實時控制并監測回路工作狀態，當系統出現故障時，監測系統發出請求，總線控制系統可根據監測情況作出相應判斷，控制系統工作或斷開，實現自動化控制，實現系統的遠程控制與遠程監測。避免系統測試過分依賴操作人員，反映速度慢，自動化程度低等缺點。
圖1為本發明系統方框圖；圖2為本發明信號處理電路圖；圖3為本發明三角波電路圖；圖4為本發明比較器與光耦隔離電路圖；圖5為本發明電機驅動電路圖；圖6為本發明總線控制接口電路圖；圖7為本發明1 監測接口電路圖。
具體實施例方式該系統電源包括士 12V(代號為士EC)信號電源；+5V(代號為VM)為邏輯電源， +28V(代號為VD28)功率電源；+5V(代號為VCC)總線控制電源；+5V(代號為觀幻1 監測電源。各電源之間相互隔離。下面結合
系統具體實施方式
。圖1為一種可控可監測的無刷力矩電機調寬伺服系統方框圖，包括信號處理電路1、比較器與光耦隔離電路2、三角波電路3、電機驅動電路4、霍爾開關5、總線控制接口電路6、fC監測接口電路7、微動同步器8、無刷力矩電機9。微動同步器輸出與角度成正比的交流信號，經信號處理電路、三角波電路、比較器與光耦隔離電路、電機驅動電路，驅動電機輸出相應力矩，克服負載力矩與摩擦力矩。同時通過計算機總線控制系統通斷，通過1 總線監測系統通斷狀態，實現系統總線控制與總線監測，也可用于實現系統的遠程控制與監測。圖2為信號處理電路圖，輸入微動同步器8kHz激磁和輸出，經過交流放大、相敏解調、低通濾波、直流放大電路輸出為直流信號。由5部分功能電路組成，R0, CO為微動同步器的匹配負載，要根據傳感器調試情況確定具體值；U1A，Rl, R2，R3為同相輸入交流放大電路，放大倍數約為10倍，輸出為8kHz交流信號，UlA為LF412A雙運算放大器，Rl = IOkQ, R2 = 91kQ,R3 = IOkQ ；U2，R10，C10，CB1，CB2為全波相敏解調電路，放大倍數為0. 9，U2 為全波相敏解調器LZX2，解調后為16kHz交流信號，RIO, ClO為移相電路，移相后，同步器激磁與同步器輸出同相，CBl = CB2 = IOOnF為電源濾波電容；U1B，R4，R5，R6，R7，C2，C3 為二階低通濾波器，轉折頻率為530Hz，將前級16kHz交流信號濾波為直流信號，該級放大倍數為 2，UlB 為 LF412A 雙運算放大器，R4 = R5 = 30k Ω，R6 = R7 = 120k Ω，C2 = C3 = IOnF ；U2A, R8，R9，RlO為同相輸入直流放大器，放大倍數為2，U2A為LF158雙運算放大器， R8 = IOkQ, R9 = RlO = 20kQ。電路具體布局如下R0，CO并聯后一端接信號地，一端接同步器輸出；R3 —端接同步器輸出，一端接Ul的管腳3 ；Rl 一端接信號地，一端接Ul的管腳2 ；R2 一端接Ul的管腳2，一端接Ul的管腳1 ；Ul管腳1接U2管腳7 ；Ul管腳4接-EC， 管腳8接+EC ；CBl 一端接U2管腳2，一端接U2管腳8 ；CB2 一端接U2管腳5，一端接U2管腳4 ；U2管腳5接+EC，管腳2接-EC，管腳4和8接信號地；RlO —端接同步器激磁，一端接 U2的管腳3 ；ClO 一端接信號地，一端接U2的管腳3 ；R4 一端接U2管腳6，一端接R5 ；R5 一端接Ul管腳5，一端接R4 ；C2 一端接信號地，一端接Ul管腳5 ；C3 一端R5，一端接Ul管腳 7 ；R6 一端信號地，一端接Ul管腳6 ；R7 一端Ul管腳7，一端接Ul管腳6 ；R8 一端Ul管腳 7，一端接U2管腳3 ；R9 一端接信號地，一端接U2管腳2 ；RlO 一端U2管腳1，一端接U2管腳2 ；U2管腳4接-EC，管腳8接+EC ；U2管腳1接直流輸出。圖3為三角波電路圖，輸入為16kHz，峰峰值為4V的正弦波，經過三角波電路，輸出為峰峰值19V，頻率為16kHz的三角波。U1A，Rl, R2，R3為比較器電路，將輸入的正弦波轉換成方波，UlA 為 LM193 比較器，Rl = R2 = R3 = IOk Ω , Cl = IOOnF 為隔直電容；U2A，R4， R5，R6，C2為微分電路，將前級輸入的方波微分為三角波，U2A為LF412A雙運算放大器，R4 =R5 = 39k Ω , R6 = IM Ω , C2 = 470pF ；C3，R7 起到隔離直流電壓的作用，C3 = IOnF, R7 = IOkQ。電路具體布局如下R1 —端接信號源16kHz正弦輸入，一端接Ul的管腳3 ；R2 一端接信號地，一端接Ul的管腳2 ；R3 一端接+EC，一端接Ul的管腳1 ；Ul的管腳4接-EC，管腳 8接+EC ；Cl 一端接Ul的管腳1，一端接R5 ；R4 一端接信號地，一端接U2管腳3 ；R5 一端接 Cl，一端接U2管腳2 ；C2和R6并聯，一端接U2管腳2，一端接U2管腳1 ；U2管腳4接-EC， 管腳8接+EC ；C3 一端接Ul的管腳1，一端接16kHz三角波輸出；R7 —端接16kHz三角波輸出，一端接信號地。圖4為比較器與光耦隔離電路圖，電路作用是將直流輸入與16kHz三角波輸入比較，隔離，輸出脈沖寬度與直流輸入成正比的調寬信號，供電機驅動器使用。U1A，R1為比較器電路，UlA為LM193雙比較器，Rl = IOkQ ;U2，R2，R3，C1為光耦隔離電路，光耦隔離前電壓為0 -12V，隔離后電壓為0 +5V。U2為高速光電耦合器GH1205Z，為OC輸出，上拉電
6阻R3 = 360Ω，R2 = IkQ，C1為U2電源濾波電容，Cl = IOOnF0電路具體布局如下R1 — 端接直流輸入，一端接Ul的管腳3 ；Ul的管腳2接16kHz三角波輸入，管腳4接-EC，管腳8 接+EC，管腳1接R2 ；R2 一端接Ul的管腳1，一端接U2的管腳3 ；U2的管腳2接信號地，管腳5接邏輯地SGND，管腳7與管腳8短路接到VD5 ；R3 一端接U2的管腳7，一端接U2的管腳6 ；U2的管腳6接脈沖寬度控制信號；Cl 一端接U2的管腳7，一端接邏輯地SGND。圖5為電機驅動電路圖，輸入為脈沖寬度控制信號、驅動器使能控制、霍爾開關A、 B、C，輸出為力矩電機A、B、C。電路具體布局如下R1，R2，R3，R4—端短路接VD5，Rl另一端接霍爾開關C，R2另一端接霍爾開關B，R3另一端接霍爾開關A，R4另一端接Ul管腳14 ； R5 一端接驅動器使能控制，一端接Ul管腳12 ；C5 一端接Ul管腳12，一端接SGND ；Ul管腳 2與管腳12短接；Ul管腳11接脈沖寬度控制信號；Ul管腳8與管腳9短接；R6 —端接Ul 管腳8，一端接SGND ；R7與Cl并聯，一端接Ul管腳4，一端接SGND ；R8 一端接Ul管腳22， 一端接C4 ；C4, VI，V2 一端短接，C4另一端接R8，V2另一端接Ul管腳17，Vl另一端接Ul 管腳15 ；C3 一端接Ul管腳17，一端接Ul管腳15 ；C2 一端接Ul管腳17，一端接SGND ；Ul管腳17和管腳20短接，接VD28 ；Ul管腳6，7，18，19短接，接SGND ；R9 一端接Ul管腳19，一端接Ul管腳13 ；RlO 一端接Ul管腳13，一端接VD5 ；RXl 一端接功率地PG，一端接Ul管腳 10 ；Ul管腳10與管腳3短接；Ll 一端接Ul的管腳5，一端接力矩電機A相；C6 —端接力矩電機A相，一端接Rll ；Rll 一端接C6，一端接PG ；L2 一端接Ul的管腳21，一端接力矩電機 B相；C7 —端接力矩電機B相，一端接R12 ；R12 一端接C7，一端接PG ；L3 一端接Ul的管腳 16，一端接力矩電機C相；C8 —端接力矩電機C相，一端接R13 ；R13 一端接C8，一端接PG。 Ul為三相電機驅動器L6235，包含驅動器使能控制端(管腳1 ，控制力矩電機A，B，C輸出。 驅動器使能控制高電平有效。脈沖寬度控制信號為正向占空比為0 100%方波。占空比大于50%時，電機輸出正向力矩，占空比小于50%時，輸出負向力矩。占空比為100%時，輸出正向最大平均力矩；占空比為50%時，力矩輸出0平均力矩；占空比為0%時，力矩輸出負向最大平均力矩， 因此脈沖寬度控制信號控制電機力矩輸出大小與方向。Ul包含邏輯控制電路與DMOS功率驅動電路兩部分，霍爾開關為120度電角度工作方式，Ul邏輯控制與功率驅動關系見表1，表2。Ul的DMOS功率管導通電阻小于0. 3歐姆，輸出電流大于2. 8A，最大工作頻率100kHz，具有邏輯控制簡單，功耗低，工作頻率高等優點。表1電機正方向輸出力矩時邏輯控制與DMOS功率驅動關系
狀態1狀態2狀態3狀態4狀態5狀態6霍爾開關AHHLLLH霍爾開關BLHHHLL霍爾開關CLLLHHH力矩電機AVD28HIGHPGPGHIGHVD28
權利要求
1.一種可控可監測的無刷力矩電機調寬伺服系統，其特征在于包括信號處理電路(1)、比較器與光耦隔離電路O)、三角波電路(3)、電機驅動電路0)、霍爾開關(5)、總線控制接口電路(6)、fC監測接口電路(7)、微動同步器(8)、無刷力矩電機(9)；微動同步器(8) 輸出與角度成正比的交流信號，該交流信號經信號處理電路(1)交流放大、相敏解調、低通濾波、直流放大后輸出直流信號給比較器與光耦隔離電路O)；三角波電路C3)將信號源輸出的正弦波處理成三角波并輸入至比較器與光耦隔離電路⑵；比較器與光耦隔離電路(2)將輸入的直流信號與三角波進行比較、隔離，輸出脈沖寬度與直流信號成正比的調寬信號即脈沖寬度控制信號，并將該脈沖寬度控制信號輸入至電機驅動電路；總線控制接口電路(6)根據總線發出的控制信號，經光耦隔離輸出驅動器使能控制信號至電機驅動電路；三個霍爾開關(5)內嵌于電機本體，敏感磁場強度，輸出相應電壓輸入至電機驅動電路⑷；當驅動器使能控制信號為高電平有效時，根據三個霍爾開關(5)確定的電機繞組導通位置信號，電機驅動電路⑷輸出脈沖寬度信號至無刷力矩電機(9)，驅動電機輸出相應力矩，克服負載力矩和摩擦力矩，力矩電機為低速堵轉工作狀態；電機驅動電路(4)的驅動器使能控制信號經光耦隔離后輸出至1 監測接口電路(7)，1 監測接口電路(7)輸出 8位二進制數字至1 監測總線，當驅動器使能控制信號為低電平時，電機無輸出。
2.根據權利要求1所述的一種可控可監測的無刷力矩電機調寬伺服系統，其特征在于所述的三個霍爾開關( 相隔120度電角度安裝在三相無刷力矩電機定子上，電機三相定子繞組相隔120度電角度均布在定子上，霍爾開關位置與定子繞組起始槽固定電角度。
3.根據權利要求1所述的一種可控可監測的無刷力矩電機調寬伺服系統，其特征在于所述的電機驅動電路包括電機驅動器L6235、電阻Rl R13、電阻RX1、電容Cl C8、電感Ll L3、二極管VI、V2 ；電阻Rl，R2，R3，R4 一端短路接邏輯電源正極VD5，電阻Rl，R2， R3的另一端分別接霍爾開關，電阻R4的另一端接L6235的BRAKE管腳；電阻R5 —端接驅動器使能控制，另一端接L6235的ENA管腳；電容C5 —端接L6235的ENA管腳，另一端接邏輯電源負極SGND ；L6235的DIAG管腳與ENA管腳短接；L6235的F/R管腳接脈沖寬度控制信號；L6235的TACKO管腳與RCP管腳短接；電阻R6 —端接L6235的TACKO管腳，另一端接SGND ；電阻R7與電容Cl并聯后一端接L6235的RCOFF管腳，另一端接SGND ；電阻R8 — 端接L6235的VCP管腳，另一端串聯電容C4 ；電容C4的另一端接二極管V2的陰極；二極管 V2與Vl陰陽極串聯后與電容C3并聯，二極管V2的陽極端接L6235的VS2管腳，L6235的 VSl管腳與VS2管腳短接后接入功率電源的正極VD^ ；二極管Vl的陰極端接L6235的BOOT 管腳；電容C2 —端接L6235的VS2管腳，另一端接SGND ；L6235的四個G管腳短接后接入 SGND,電阻R9與電阻RlO串聯后，電阻R9的一端接L6235的其中一個G管腳，電阻RlO的一端接VD5，L6235的REF管腳接入電阻R9與RlO之間；L6235的ISEm管腳與ISEN2管腳短接后串聯電阻RX1，電阻RXl的另一端接功率地PG，L6235的0UT1，0UT2, 0UT3管腳分別連接電感Li，L2，L3，電感Li，L2，L3的另一端分別分為兩路，Ll的一路連接力矩電機的A 相，另一路串聯電容C6、電阻Rll后接入PG ；L2的一路連接力矩電機的B相，另一路串聯電容C7、電阻R12后接入PG ；L3的一路連接力矩電機的C相，另一路串聯電容C8、電阻R13后接入PG。
全文摘要
一種可控可監測的無刷力矩電機調寬伺服系統，用于加速度計、轉臺的位置控制。由信號處理電路、比較器與光耦隔離電路、三角波電路、電機驅動電路、霍爾開關、總線控制接口電路、I2C監測接口電路、微動同步器、無刷力矩電機組成。微動同步器輸出與角度成正比的交流信號，經信號處理電路、三角波電路、比較器與光耦隔離電路、電機驅動電路，驅動電機輸出相應力矩，克服負載力矩與摩擦力矩。該系統有總線接口電路和I2C監測接口電路，可以通過計算機總線控制和監測系統通斷，實現總線控制與監測的功能，也可用于實現系統的遠程控制與監測。系統設計使用了專用電機驅動器，具有設計簡單、工作可靠、體積小的優點。系統采用三相無刷力矩電機，霍爾開關內嵌于電機本體，具有體積小、工作可靠的優點。
文檔編號H02P6/08GK102158156SQ20111006935
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月22日 優先權日2011年3月22日
發明者嚴小軍, 孫璐, 岳輝, 徐長智, 李慶溥, 王小輝, 趙曉萍 申請人:北京航天控制儀器研究所