一种基于三维叠层立体组装的智能电机控制电路及方法

技术领域

本发明属于智能控制技术领域，涉及一种基于三维叠层立体组装的智能电机控制电路及方法。

背景技术

近年来随着集成电路和微机电系统技术的发展，体积小型化、重量轻量化、质量高可靠、智能化、通用化成为目前电机伺服系统的重要发展方向。小型低压智能伺服驱动器由于小型化、集成度高、功率密度高等特点，可以智能匹配有刷直流电机、无刷直流电机、交流同步电机、步进电机等不同负载电机，实现各种高性能控制算法，包括位置转速电流三闭环控制、无位置传感器控制等，应用方便。在军用飞机、无人机、导弹、机载雷达等航空、兵器等军用伺服控制系统中得到广泛应用。但是，目前伺服驱动器多为板级产品，存在尺寸体积较大、通用性不强，效率不高的问题，因此需要改进。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中驱动器难以实现小型化、通用化且性能低的问题，提供一种基于三维叠层立体组装的智能电机控制电路及方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明提出的一种基于三维叠层立体组装的智能电机控制电路，包括位置解码、电流互感器、数字信号处理器和光耦隔离；

所述位置解码的一端连接有位置采集装置，另一端与数字信号处理器连接；所述电流互感器的一端连接电机，另一端与数字信号处理器相连；数字信号处理器的输出端口与光耦隔离相连，光耦隔离的输出端连接有功率驱动，功率驱动与电机相连。

优选地，所述数字信号处理器、所述光耦隔离及所述功率驱动均采用三路电源供电。

优选地，所述三路电源的输入端口连接有16V～48V母线，三路电源的第一输出端口与功率驱动连接，三路电源的第二输出端口与数字信号处理器相连，三路电源的第三输出端口与光耦隔离相连。

优选地，在数字信号处理器上还连接有CAN通讯收发器，采用CAN通讯收发器与上位机CAN通信。

优选地，在所述数字信号处理器的输入端口还连接有温度采样。

优选地，所述位置采集装置为电机位置传感器。

优选地，所述光耦隔离采用TLP2345高速光耦完成六路PWM输出信号的隔离。

优选地，所述位置解码采用AD2S1210芯片、MAX3485芯片、AM26LV32芯或NSi8230三通道数字隔离器。

优选地，所述功率驱动采用IR2103驱动芯片。

本发明提出的一种基于三维叠层立体组装的智能电机控制方法，包括如下步骤：

位置解码接收电机位置信号并进行解码，电流互感器接收电机的相电流信号，将解码信号及相电流信号传输给数字信号处理器；

数字信号处理器接收电机的转子位置及相电流信号，经数字信号处理器处理后输出6路PWM驱动信号；

6路PWM驱动信号经光耦隔离后输出至功率驱动中，通过功率驱动来驱动电机稳速运行，实现对电机的控制。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提出的一种基于三维叠层立体组装的智能电机控制电路，通过采集电机的位置信息进行解码，通过电流互感器采集电机的相电流信号，将输入信号经数字信号处理器解算后输出6路驱动信号，经光耦隔离后输出三相功率驱动信号驱动电机稳速运行，运行效率相比现有技术有所提升。该电路集成电源转换、通信、信号采集及功率驱动等功能，能够实现对无刷直流电机、有刷直流电机、永磁同步电机、异步电机、步进电机的位置转速电流三闭环控制及无位置传感器控制，降低了同级别的伺服驱动整机系统的体积及重量，解决了现有电机驱动系统小型化、轻量化问题。本发明提出的电路在航空、兵器等军用伺服控制系统中具有广阔的应用前景。

进一步地，在数字信号处理器的输入端口还连接有温度采样，实时测量功率驱动部分的温度值，实现过温保护功能。

进一步地，位置解码采用AD2S1210芯片进行旋转变压器位置信息解码，采用MAX3485芯片进行绝对式编码器的位置信息解码，采用AM26LV32芯片进行增量式编码器的位置信息解码，采用NSi8230三通道数字隔离器进行霍尔位置传感器的位置信息解码。

进一步地，功率驱动采用IR2103驱动芯片实现三相桥驱动。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明的基于三维叠层立体组装的智能电机控制电路电原理框图。

图2为本发明的基于三维叠层立体组装的智能电机控制电路组装结构图。

图3为本发明的基于三维叠层立体组装的智能电机控制电路控制方法流程图。

其中：1-上层控制板，2-中间互连板，3-底层驱动板，4-插针，5-金属底座。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1为本发明提出的一种基于三维叠层立体组装的智能电机控制电路的结构图，由电源部分、控制部分、信号调理部分和功率部分组成，包括位置解码、电流互感器、数字信号处理器和光耦隔离；

位置解码的一端连接有位置采集装置，位置解码的另一端与数字信号处理器连接；电流互感器的一端连接电机，电流互感器的另一端与数字信号处理器相连；数字信号处理器的输出端口与光耦隔离相连，光耦隔离的输出端连接有功率驱动，功率驱动与电机相连。数字信号处理器、光耦隔离及功率驱动均采用三路电源供电。

其中，三路电源的输入端口连接有16V～48V母线，三路电源的第一输出端口与功率驱动连接，三路电源的第二输出端口与数字信号处理器相连，三路电源的第三输出端口与光耦隔离相连。采用16V～48V母线单电源供电，通过三路电源电路将16V～48V转换为P12V为功率驱动供电；将16V～48V转换为D12V，再将D12V转换为D5V、D3.3V和D1.8V为数字信号处理器部分电路供电，将16V～48V母线转换为A5V为光耦隔离电路前级供电。在数字信号处理器上还连接有CAN通讯收发器，采用CAN通讯收发器与上位机进行CAN通信。在数字信号处理器的输入端口还连接有温度采样电路。数字信号处理器与程序调试口采用JTAG接口相连，该数字信号处理器与外界采用串口通信。

位置采集装置为电机位置传感器，本发明通过接收电机位置传感器输出的位置信号，经位置解码电路(即旋变/霍尔/编码器)解算出电机的转子位置；通过电流互感器采集电机的相电流信号，经数字信号处理器解算后输出6路PWM信号，经光耦隔离后输出三相功率驱动信号驱动电机稳速运行。

下面对该控制电路的器件进行详细的描述：

数字信号处理器选用高性能32位浮点数字处理器TMS320F28335。具有精度高、功耗小、性能高，数据以及程序储量大等优点，集成了针对电机控制领域的丰富外设资源。TMS320F28335完成电机的位置、速度、电流环路计算，通过CAN总线、RS-232实现通信；同时完成状态信息实时采集、串并行转换、逻辑综合及保护、系统矢量计算，实现位置、转速、电流三闭环控制及无位置传感器控制算法。

旋转变压器解码电路选用AD2S1210来提供电机轴位置/速度反馈信息。AD2S1210是一款应用广泛的成熟的10位至16位分辨率RDC，片内集成可编程正弦波振荡器，为旋变器提供激励。本发明AD2S1210芯片的引脚7外接频率为8.192MHz的晶振，将频率控制字写入激励频率寄存器，设置AD2S1210的激励频率为10kHz，实现12位以上的分辨率。位置信息通过并行数据接口引脚11-引脚28输入至数字信号处理器中进行处理。

增量式编码器解码电路选用高速四路差分线路驱动器AM26LV32，通过D3.3V供电，编码器输出的三路脉冲差分信号A+，A-，B+，B-，INDEX+，INDEX-输入AM26LV32，输出ENC_A，ENC_B，ENC_Z单端信号连接数字信号处理器的eQEP模块的ABZ引脚；DSP通过读取ABZ信号，检测转子位置所在区域。

绝对式编码器解码电路选用RS485收发芯片MAX3485，将两路差分信号CLOCK+，CLOCK-，DATA+，DATA-输入至MAX3485的引脚8、9，输出数字逻辑电平信号与数字信号处理器的SPI模块对应的引脚连接。

霍尔信号隔离电路选用NSi8230三通道数字隔离器，完成3路霍尔信号的隔离，将5V的霍尔信号HA，HB，HC转换为3.3V的数字信号输入至数字信号处理器的eCAP模块。

CAN通信收发器电路选用高速CAN总线收发器NAC1042实现CAN通信功能，引脚1与引脚4分别连接数字信号处理器的CANTX引脚与CANRX引脚；引脚2、5、8接地；引脚3接3.3V电源；引脚6与引脚7之间并联电阻，作为CAN总线的输出CANH、CANL。

光耦隔离电路采用TLP2345高速光耦完成六路PWM输出信号的隔离，引脚1接数字3.3V电源，引脚6接模拟12V电源，引脚4接地；数字信号处理器输出六路PWM信号，通过510Ω的限流电阻输入至引脚3；经光耦隔离后，引脚5输出隔离后的PWM驱动信号至功率驱动器，实现对功率三相桥的控制。

功率驱动电路采用驱动芯片IR2103，该芯片通过自举电路，不仅能够驱动功率电路，而且输出稳定，具有欠压锁定功能，能够在故障时及时切断信号的输出。其中引脚2、引脚3、引脚4、引脚5、引脚6、引脚7分别连接六个光耦的输出引脚5，低侧输出引脚5接三相桥下管的栅极G，高侧输出引脚7接三相桥的上管的栅极G。栅极驱动采用反向二极管泄放的设计，增加一定的死区时间，防止在换向、展波期间出现桥臂共通的情况。VDMOS管选用耐压V

相电流采样采用霍尔电流互感器进行电流互感采样，感应电流最大50A，隔离度2000V，引脚8连接3.3V电源，引脚5接地；功率三相桥输出经由引脚1、2进入芯片，从引脚3、4输出实现电机电流信号的采集，转换为电压信号输出至引脚7，经过RC滤波送入数字信号处理器的引脚M2、M3进行数据计算。

母线电压采样电路是通过分压原理对母线电压进行采样，同时通过隔离运放NSI3190对信号进行隔离处理，避免母线电压的过冲、振铃等干扰信号互感到后级部分。引脚16连接12V模拟电源，引脚9、15接模拟地；引脚1连接3.3V电源，引脚2、5、8接数字地；引脚6通过电阻上拉至5V电源。母线电压经过电阻分压后，经限流电阻输入至引脚12，由引脚7输出电压信号送入数字信号处理器的引脚L3进行数据计算。当母线电压超过95V时送入数字信号处理器的信号为3V，此时关断输出信号，避免电源变换芯片过压烧毁时导致后级功率桥路出现烧毁现象。

温度采样电路通过热敏电阻来实现，将温度信号转化为电压信号，再将该信号送入数字信号处理器的引脚L2进行采样处理。分压电阻采用3.3V供电，保证送入数字信号处理器的AD端口的信号幅度低于3V。

如图2所示为电路组装结构图，电路整体尺寸为55mm×47mm×15mm，其中，金属底座5的尺寸为55mm×47mm，金属底座5至上层控制板1的高度为10mm，电路组装结构图采用5种插针4实现上层控制板1、中间互连板2、底层驱动板3共三层PCB基板的互连与支撑。上层控制板1与底层驱动板3之间的互连与支撑通过插针4来实现，底层驱动板3通过焊接的方式与金属底座5连接。组装时，先采用高温焊料焊接底层驱动板3的背面器件，再采用低温焊料将底层驱动板3的正面元器件焊接，同时将底层驱动板3与金属底座5焊接。上层控制板1与底层驱动板3均为双面贴装工艺，采用SMT组装技术，正反两面采用拥有温度差异的两种焊料进行元器件的焊接。外部通过高温塑料进行封装。

本发明提出的一种基于三维叠层立体组装的智能电机控制方法，如图3所示，包括如下步骤：

步骤1、位置解码接收位置电机位置信号并进行解码，电流互感器接收电机的相电流信号，将解码信号及相电流信号传输给数字信号处理器；

步骤2、数字信号处理器接收电机的转子位置及相电流信号，经数字信号处理器处理后输出6路PWM驱动信号；

步骤3、6路PWM驱动信号经光耦隔离后输出至功率驱动中，通过功率驱动来驱动电机稳速运行，实现对电机的控制。

本发明提出的一种基于三维叠层立体组装的智能电机控制电路，内部集成二次电源、通信、数字信号处理器、信号采集、功率驱动等功能电路，集成度高、通用性强、结构简单，设计合理。能够实现对无刷直流电机、有刷直流电机、永磁同步电机、异步电机、步进电机的位置转速电流三闭环控制及无位置传感器控制，将同级别的伺服驱动整机系统体积减少60％以上、重量降低70％以上，通过模块化设计提高了电机驱动控制系统的通用性，解决了现有电机驱动系统小型化、轻量化、智能化等问题。采用该方案设计的伺服驱动模块在军用飞机、无人机、导弹、机载雷达等航空、兵器等军用伺服控制系统中具有广阔的应用前景，具有重要的战略意义和社会效益。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。