一种瞬时大拖动力矩无刷电机控制系统

技术领域

本发明涉及无刷电机控制技术领域，具体涉及一种瞬时大拖动力矩无刷电机控制系统。

背景技术

随着电力电子技术与微电子技术的蓬勃发展，人们对电机小型化、薄型化、低噪声的呼声愈来愈高；近几年来，无刷电机成为在模型领域里快速发展的一种动力，由于产量和价格的原因，过去几年无刷电机多使用在中高档航空模型中，现在由于机械加工技术的快速发展，无刷电机的生产成本下降许多，目前它正进入模型领域的各个层面，从电动遥控车到电动遥控船再到电动模型飞机，无处不在，但由于电机系统负载的变化会产生扰动，进而导致无刷直流电机的输出扭矩发生变化。

现有技术中，对于无刷直流电机控制模块主要采用经典PID控制，然而PID控制器的性能受控制器恒增益参数的影响，同时也受到控制器恒参数调节不当的影响，就会存在不能保证系统的稳定性或对系统的最优控制的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种瞬时大拖动力矩无刷电机控制系统，以解决现有技术中，对于无刷直流电机控制模块主要采用经典PID控制，然而PID控制器的性能受控制器恒增益参数的影响，同时也受到控制器恒参数调节不当的影响，不能保证系统的稳定性或对系统的最优控制的问题。

本发明提供一种瞬时大拖动力矩无刷电机控制系统，包括：无刷电机监测控制设备、主控设备及计算机；

所述无刷电机监测控制设备与所述主控设备之间通信连接，所述计算机通过以太网连接到所述主控设备，所述无刷电机监测控制设备与所述主控设备之间采用CAN总线，采用双线串行通信方式，主控设备控制模块及无刷电机监测控制设备主控模块通过CAN控制器挂到CAN总线上，形成多主机局部网络；

无刷电机监测控制设备通过CAN总线接收主控设备发来的控制命令，通过4-20mA接口控制电动无刷电机执行动作，并通过4-20mA接口接收无刷电机开度指示信号；

传感器，包括：温度传感器、气压传感器或气体流速传感器，所述传感器放置在无刷电机的内部，所述传感器放置在距离所述无刷电机检测控制设备近的一侧，所述传感器内部设计信号调理电路，嵌入式编程实现信号处理；

无刷电机监测控制设备通过嵌入式编程，实现PID控制，使用传感器信息构成控制闭环。

进一步的，所述主控设备具有CAN总线通信功能，下传控制命令到无刷电机监测控制设备，并监测无刷电机监测控制设备采集到的传感器信息和无刷电机阀位指示信息；通过以太网连接计算机系统，完成数据协议的转换和控制，主控设备留有带触摸屏LCD接口，所述带触摸屏LCD接口连接触摸屏，可以直接在触摸屏上面进行人机操作；

所述无刷电机监测控制设备具有与主控设备通信功能、控制无刷电机开启、关闭、调速功能、接收无刷电机传感器信息处理功能；

所述计算机包括：人机界面模块、数据信息的数据库存储模块、数据信息查询模块、统计模块、控制无刷电机模块及异常告警模块，其中所述人机界面模块，用于人机交互，所述数据信息的数据库存储模块，用于数据信息的数据库存储，所述数据信息查询模块，用于数据查询，所述统计模块，用于数据的统计，所述控制无刷电机模块，用于控制无刷电机，所述异常告警模块，用于在异常时，发出警报。

进一步的，通信协议的设计为基于CAN总线进行通信协议设计，设计CAN总线ISO模型的上5层，通过选取不同厂家的硬件芯片，进行实际电路实验，通过对比选择性能优的器件进行电路设计，对上5层通信协议设计，对其设计性能的保障要先通过基于OPNET网络分析设备进行仿真分析，通过仿真结果，对通信协议细节进行调整、优化，最终确定通信协议。

进一步的，主控设备控制模块采用ARM和FPGA联合控制，所述主控设备控制模块的力矩、速度和位置的给定值来自上位机，电机状态的反馈值根据电机内的三相霍尔传感器的反馈值计算得出，ARM与上位机相连，接收上位机发送的给定值并根据上位机的指令进行力矩控制、速度控制或位置控制；CPLD接收三相霍尔器的反馈信号，进行位置和速度的计算，将计算值传递到ARM，ARM结合计算值和给定值进行控制运算，并发送控制字符，FPGA接收ARM的控制字并解析为控制指令，通过电机的驱动电路控制电机运转。

进一步的，无刷电机监测控制设备主控模块采用PID控制，先进行仿真操作，通过硬件实验调整仿真的一些参数，并最终通过系统调试，以保证无刷电机监测控制设备的PID控制的性能，同时可实现电机位置、速度的准确控制，与IO模块配合，实现控制核心，采集系统采用采集卡，可达到8路100kHz的同步采集，采用可控负载，可控负载提供标准Modbus协议，可由PLC进行实时控制。

进一步的，对敏感电路和时钟信号源加屏蔽壳，保证电磁干扰和抗干扰能力，采用专业EMI测试系统对系统在现场工作的电磁信号进行测试，根据测试结果，对电路进行优化设计，对系统加电磁防护，包括：屏蔽壳、屏蔽线。

本发明的有益效果如下：本发明提供的一种瞬时大拖动力矩无刷电机控制系统，无刷电机监测控制设备通过嵌入式编程，实现PID控制，使用传感器信息构成控制闭环，实现快速无刷电机的快速控制，采用专业EMI测试系统对系统在现场工作的电磁信号进行测试，对电路进行优化设计，系统采用ARM和FPGA联合控制，不需用速度和位置传感器，简化了系统结构，保证了系统稳定性的同时，也可实现转矩、转速和位置的高精度控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种瞬时大拖动力矩无刷电机控制系统的结构图；

图2为本发明提供的一种瞬时大拖动力矩无刷电机控制系统的计算机功能图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。

请参阅图1至图2，本发明实施例提供一种瞬时大拖动力矩无刷电机控制系统，包括：无刷电机监测控制设备、主控设备及计算机；

所述无刷电机监测控制设备与所述主控设备之间通信连接，所述计算机通过以太网连接到所述主控设备，所述无刷电机监测控制设备与所述主控设备之间采用CAN总线，具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强；采用双线串行通信方式，检错能力强，可在高噪声干扰环境中工作；具有优先权和仲裁功能，主控设备控制模块及无刷电机监测控制设备主控模块通过CAN控制器挂到CAN总线上，形成多主机局部网络；可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文；可靠的错误处理和检错机制；发送的信息遭到破坏后，可自动重发；节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能；报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息等优点；

无刷电机监测控制设备通过CAN总线接收主控设备发来的控制命令，通过4-20mA接口控制电动无刷电机执行动作，并通过4-20mA接口接收无刷电机开度指示信号；

传感器可以根据需要配置温度、气压或气体流速等类型，无刷电机监测控制设备与传感器距离较近，内部设计信号调理电路，嵌入式编程实现信号处理。

无刷电机监测控制设备通过嵌入式编程，实现PID控制算法，使用传感器信息构成控制闭环，实现快速无刷电机的快速控制。

具体的，所述主控设备具有CAN总线通信功能，下传控制命令到无刷电机监测控制设备，并监测无刷电机监测控制设备采集到的传感器信息和无刷电机阀位指示信息。通过以太网连接计算机系统，完成数据协议的转换和控制，主控设备留有带触摸屏的LCD接口，可以直接在其上面进行人机操作；

所述无刷电机监测控制设备具有与主控设备通信功能、控制无刷电机开启、关闭、调速功能、接收无刷电机传感器信息处理功能；

所述计算机通过以太网连接主控设备，计算机包括：人机界面模块、数据信息的数据库存储模块、数据信息查询模块、统计模块、控制无刷电机模块及异常告警模块，其中所述人机界面模块，用于人机交互，所述数据信息的数据库存储模块，用于数据信息的数据库存储，所述数据信息查询模块，用于数据查询，所述统计模块，用于数据的统计，所述控制无刷电机模块，用于控制无刷电机，所述异常告警模块，用于在异常时，发出警报。

具体的，通信协议设计；

控制器局域网CAN(Controller Area Network)属于现场总线的范畴，是一种有效支持分布式控制模块的串行通信网络，由于其高性能、高可靠性以及独特的设计而越来越受到人们的重视，被广泛应用于诸多领域。而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到10km时，CAN仍可提供高达50kbit/s的数据传输速率。由于CAN总线具有很高的实时性能和应用范围，从位速率最高可达1Mbps的高速网络到低成本多线路的50Kbps网络都可以任意搭配；基于CAN总线进行通信协议设计，主要内容是设计CAN总线ISO模型的上5层，因为CAN总线标准未对上5层标准化。对于CAN总线标准低2层，保障高效可靠的设计方法是，通过选取不同厂家的硬件芯片，进行实际电路实验，通过对比选择性能优的器件进行电路设计。对上5层协议设计，对其设计性能的保障要先通过基于OPNET网络分析设备进行仿真分析，通过仿真结果，对协议细节进行调整、优化，最终确定项目协议，高效可靠快捷的通信协议设计是系统高效工作的保障。

具体的，无刷电机监测控制设备和主控设备稳定运行的设计；

无刷电机监测控制设备和主控设备电路设计要确保稳定可靠，才能保证每个无刷电机的控制监测功正常工作，为保障无刷电机监测控制设备和主控设备稳定可靠，具体研究方法就是，对每个功能电路通过选取不同厂家的硬件芯片，进行实际电路实验，通过对比选择性能优的器件进行电路设计，对无刷电机监测控制设备和主控设备整体电路采用NIMultisim软件进行电路仿真，通过对仿真结果分析，对电路进行优化设计，最终确定电路方案。

控制系统采用ARM和FPGA联合控制，ARM的CPU功能上增加DSP指令集提供增强的16位和32位算术运算能力，提高了性能和灵活性。ARM处理器的三大特点是体积小、低功耗、低成本、高性能；支持Thumb(16位)/ARM(32位)双指令集，能很好兼容8位/16位器件；大量使用寄存器，指令执行速度更快；大多数数据操作都在寄存器中完成；寻址方式灵活简单，执行效率高；指令长度固定；

FPGA(Field－Programmable Gate Array)，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点；FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式；加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只需用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能；

所述主控设备控制模块的力矩、速度和位置的给定值来自上位机，电机状态的反馈值根据电机内的三相霍尔传感器的反馈值计算得出。ARM与上位机相连，接收上位机发送的给定值并根据上位机的指令进行力矩控制、速度控制或位置控制；CPLD接收三相霍尔器的反馈信号，进行位置和速度的计算，将计算值传递到ARM，ARM结合计算值和给定值进行控制运算，并发送控制字符。FPGA接收ARM的控制字并解析为控制指令，通过电机的驱动电路控制电机运转。该系统不需用速度和位置传感器，简化了系统结构，可实现转矩、转速和位置的高精度控制。

具体的，保障电机产生的瞬时大拖动力矩时控制可靠高效的设计；

针对电机产生的瞬时大拖动力矩，无刷电机监测控制设备的PID控制算法是保障控制可靠高效执行的核心，为保证无刷电机监测控制设备的PID控制算法的性能，需要先对算法进行软件仿真，通过硬件实验调整软件仿真的一些参数，并最终通过系统调试，确定PID控制算法。可实现电机位置、速度的准确控制，与I、O模块配合，实现控制核心，采集系统采用采集卡，可达到8路100kHz的同步采集，采用可控负载，可控负载提供标准Modbus协议，Modbus是一种串行通信协议，Modbus已经成为工业领域通信协议的业界标准(De fact)o，并且现在是工业电子设备之间常用的连接方式。Modbus比其他通信协议使用的更广泛的主要原因有：公开发表并且无版权要求；易于部署和维护；对供应商来说，修改移动本地的比特或字节没有很多限制，Modbus允许多个设备连接在同一个网络上进行通信，举个例子，一个由测量温度和湿度的装置，并且将结果发送给计算机。在数据采集与监视控制模块(SCADA)中，Modbus通常用来连接监控计算机和远程终端控制模块(RTU)，可由PLC进行实时控制。

具体的，确保系统能满足复杂电磁环境下的工作需求的设计；

复杂电磁环境下的电磁防护技术，确保系统能满足复杂电磁环境下的工作需求的设计。在各个功能模块电路设计的时候，要考虑电磁防护问题，对敏感电路和时钟信号源加屏蔽壳，保证电磁干扰(EMI)和抗干扰能力(EMS)。采用专业EMI测试系统对系统在现场工作的电磁信号进行测试，根据测试结果，对电路进行优化设计，对系统加电磁防护，包括：屏蔽壳、屏蔽线等。

本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例中的技术可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

以上所述的本发明实施方式并不构成对本发明保护范围的限定。