直流电机控制系统

1.直流电机控制系统，包括顺序连接的电机控制单元（1）、驱动电路（2）和执行电机（3），其特征是：
所述执行电机（3）为三相无刷直流电机，所述驱动电路（2）设置有三组换相电路，其
3个输出端分别与直流电机的三个相线（U、V、W）连接；直流电机设置有转子位置检测装置（6），其输出的反映电机转子的3个位置信息（H1、H2、H3）分别接入电机控制单元（1），电机控制单元（1）根据转子的位置信息，控制驱动电路（2）输出电流的换相；
所述换相电路设置有上半桥开关管和下半桥开关管，所述电机控制单元（1）输出的6路（UH、UL、VH、VL、WH、WL）脉宽调制信号，分别用于控制所述驱动电路（2）的6个上、下半桥开关管的导通与断开；
系统还包括与位置检测装置（6）连接的速度检测单元（7），其根据电机转子的位置信号的间隔，计算出无刷直流电机的转速，输入电机控制单元（1），通过动态调节脉宽调制信号的占空比，实现三相无刷直流电机转速的稳速控制功能；
当负载拉动电机时，在指定运转速度下，所述电机控制单元（1），在脉宽调制信号的周期内，输出控制驱动电路（2）的同相上半桥开关管和下半桥开关管分别导通的叠加信号，用于稳定直流电机的运转速度。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述叠加信号设置有防止同相上半桥开关管和下半桥开关管同时导通的“死区”。
3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述电机控制单元（1）包含顺序连接的延时管理单元（1A）、用于产生电机控制信号的脉宽调制信号发生单元（1B）、脉宽调制管理单元（1C）、用于电机控制信号通道管理的通道管理单元（1D）；脉宽调制管理单元（1C）的内部，包含有顺序连接的比较电路、控制开关K和模式选择器。
4.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述换相电路之前设置有电平转换电路，用于提高电机控制单元（1）输出信号的电压。
5.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：系统还包括连接驱动电路（2）的电流设置单元（4），用于采集直流电机的工作电流，转换为电压信号，同用户动态设置的一个信号比较后，接入电机控制单元（1）的控制端，限制驱动电路（2）的工作电流，用于设置直流电机的最大输出扭矩。
6.根据权利要求1所述的控制系统，其特征是：所述电机控制单元（1）与电源电路之间设置有掉电保持单元（8），包括采集供电掉电的分压电阻，单向供电限制的二极管D1；连接二极管的储能电容C1；供电中断后，电机控制单元（1）通过驱动电路（2）控制电机反向发电提供电能，控制系统进入发电、制动流程。
7.根据权利要求6所述的控制系统，其特征在于：所述电源电路为顺序连接的为直流电机供电的220VAC-48VDC电源、为驱动电路（2）供电的48-15VDC电源和为电机控制单元（1）供电的15-5VDC电源。

直流电机控制系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及自动控制技术领域，尤其是涉及工业过程控制的电动执行器。\n背景技术\n[0002] 随着社会科技水平的不断发展，工业过程控制智能化水平不断提高。同时，作为提高工业加工生产效益的要求，智能化控制也逐步成为主要的保证手段。而智能化控制的实现不仅需要具备集成控制的操作平台，同时也需要每个过程控制部件的智能化。而电动执行器作为主要的过程控制用执行器，对它的智能化更新显得特别重要。\n[0003] 传统的电动执行器领域，基本上都采用交流电机控制系统。对于交流电机而言，其存在如下缺陷与不足，为电动执行器的智能化更新带来了诸多困难：\n[0004] A.因采用交流电机，启动特性不佳；\n[0005] B.速度调节复杂，成本高，一般都是按固定转速运行；\n[0006] C.电机过载保护需要靠机械设计完成，增加机构复杂性，一些小型电动执行器因为没有安装机械保护装置，常会导致电机烧毁；\n[0007] D.交流电机尺寸偏大，不利于小型化设计；\n[0008] E.扭矩保护点只能设置一个，无法进行在线的配置，不利于电动执行器与不同负载配合使用。\n发明内容\n[0009] 本发明要解决的技术问题在于，将直流电机控制技术引入电动执行器领域，解决传统电动执行器采用交流电机的启动力矩不足、速度控制困难等多种缺陷。\n[0010] 本发明为解决所述技术问题而采用的技术方案是：直流电机控制系统，包括顺序连接的电机控制单元、驱动电路和执行电机，所述执行电机为三相无刷直流电机。驱动电路设置有三组换相电路，其3个输出端分别与直流电机的三个相线(U、V、W)连接。直流电机设置有转子位置检测装置，其输出的反映电机转子的3个位置信息(H1、H2、H3)分别接入电机控制单元，电机控制单元根据转子的位置信息，控制驱动电路电流输出的换相。所述换相电路设置有并联的上半桥开关管和下半桥开关管，所述电机控制单元1输出的6路(UH、UL、VH、VL、WH、WL)脉宽调制信号，分别用于控制驱动电路的6个上、下半桥开关管的导通与断开。\n[0011] 与现有技术相比较，针对电动执行器的特性，采用三相直流电机控制系统，克服了现有技术中由于交流电机启动特性不佳的缺陷；三相无刷直流电机的体积小，便于电动执行器的小型化设计。\n[0012] 本发明的一种改进是，系统增加了与位置检测装置连接的速度检测单元，其根据电机转子的位置信号的间隔，计算出无刷直流电机的转速，输入控制单元，通过动态调节脉宽调制信号的占空比，实现三相无刷直流电机转速的稳速控制功能。\n[0013] 当负载拉动电机时，在指定运转速度下，所述电机控制单元，在脉宽调制信号的周期内，输出控制驱动电路的同相上半桥开关管和下半桥开关管分别导通的叠加信号，用于稳定直流电机的运转速度。所述叠加信号设置有防止同相上半桥开关管和下半桥开关管同时导通的“死区”。\n[0014] 通过在电机驱动桥上、下半桥叠加不同脉宽调制信号的方法，控制直流电机在不同外部负载状态下保持稳定速度工作。\n[0015] 本发明的另一种改进是，系统增加了连接驱动电路的电流设置单元，用于采集直流电机的工作电流，转换为电压信号，同用户动态设置的一个信号电压比较后，接入电机控制单元的控制端，限制驱动电路的工作电流，用于设置直流电机的最大输出扭矩。\n[0016] 动态调整最大输出扭矩，过载保护点可以设置多个，与电动执行器的不同负载配套使用。\n[0017] 本发明的还有一种改进是，系统增加了判断供电中断的掉电保持单元，检测到掉电情况后通知电机控制单元，控制驱动电路和直流电机进入发电、制动流程，利用电机反向发电的能量供电机控制单元工作并制动电机。\n[0018] 通过检测供电电源，及利用执行器惯性发电的方法，控制在设备掉电时能够正常的保持在当前位置状态。电子方式实现掉电保持功能，可简化执行器的相关机构。\n[0019] 通过使用这些技术，使得在电动执行器上引入无刷直流电机控制，显得性能更加优越。\n附图说明\n[0020] 本发明的附图说明如下：\n[0021] 图1为本发明直流电机控制系统的逻辑方框图；\n[0022] 图2为本发明直流电机控制系统，电机控制单元1的逻辑方框图；\n[0023] 图3为本发明直流电机控制系统，单片机的引脚电路图；\n[0024] 图4为本发明直流电机控制系统，驱动电路2的电路原理图；\n[0025] 图5为本发明直流电机控制系统，电流设置单元4的电路原理图；\n[0026] 图6为本发明直流电机控制系统，掉电保持电路的原理简图；\n[0027] 图7为本发明直流电机控制系统，电源电路的逻辑方框图；\n[0028] 图8为本发明直流电机控制系统，48-15VDC电源电路图；\n[0029] 图9为本发明直流电机控制系统，15-5VDC电源电路图；\n[0030] 图10为本发明直流电机控制系统，指示灯电路；\n[0031] 图11为本发明直流电机控制系统，功能处理电路的逻辑方框图；\n[0032] 图12为本发明直流电机控制系统，闭环控制中的PWM控制流程图；\n[0033] 图13为本发明直流电机控制系统，闭环控制中的比例与积分算法流程图；\n[0034] 图14为本发明直流电机控制系统，驱动电路2的简化电路；\n[0035] 图15为本发明直流电机控制系统，三相无刷直流电机的控制状态表；\n[0036] 图16为本发明直流电机控制系统，三相无刷直流电机控制时序示意图；\n[0037] 图17为本发明直流电机控制系统，电机控制时序局部放大图；\n[0038] 图18为本发明直流电机控制系统，设置电机最大工作电流的原理图；\n[0039] 图19为本发明直流电机控制系统，掉电保持控制流程图。\n具体实施方式\n[0040] 下面结合附图来进一步说明本发明的实施例。\n[0041] 本发明直流电机控制系统的逻辑方框图，如图1所示，包括顺序连接的电机控制单元1、驱动电路2和执行电机3。执行电机3设置有位置检测装置6，连接位置检测装置6的有速度检测单元7，均将信号反馈到控制单元1。连接驱动电路2的电流设置单元4，双向连接电机控制单元1。与电机控制单元1双向连接的还有掉电保持单元8。系统还包括与电机控制单元1双向连接的通讯接口单元9，以及单向连接的状态指示电路10。\n[0042] 如图2所示，电机控制单元1包含顺序连接的延时管理单元1A、用于产生电机控制信号的脉宽调制信号发生单元1B、脉宽调制管理单元1C、用于电机控制信号通道管理的通道管理单元1D，其主要功能是根据位置检测装置6，速度检测单元7，控制选择输出给驱动电路2的脉宽调制信号。脉宽调制管理单元1C的内部，包含有顺序连接的比较电路、控制开关K和模式选择器。\n[0043] 本发明的实施例选用ST7MC单片机，实现电机控制单元1功能。并通过ST7MC单片机内部的部分功能模块及其部分外围电路，实现相关单元的功能。实施例中单片机是本控制系统的核心，单片机接收用户信息，对电机的转子位置、工作电流检测，实现对直流电机的控制。稳速控制技术、扭矩设置功能和掉电保护功能，都是单片机利用电机工况的信息，通过自身运算完成的。\n[0044] ST7MC单片机的引脚电路如图3所示。\n[0045] 单片机的第3、2、1、44、43、42号引脚，输出驱动电路2的控制信号，分别命名为UH、UL、VH、VL、WH、WL。第一个字母表示相，这里分U，V，W三相。后一个字母表示该信号是控制该相的上半桥(H)，还是下半桥(L)。所输出的信号为一组具有上、下半桥脉宽调制(PWM)信号叠加控制的信号，用于控制驱动电路2的开关管的通、断。\n[0046] 第5、6号引脚接时钟电路；第7、26、25号引脚接地。\n[0047] 第8、27、24号引脚接5V直流电源，并通过电容C302和C301将可能发生的脉冲接地，防止脉涌电压对单片机造成损害。\n[0048] 第9号引脚命名为M_TEMP，接电机温度传感器，用于测量电机温度；第31号引脚命名为E_TEMP，用于测量环境温度，这两个端口具有模/数转换(ADC)功能。\n[0049] 第10号引脚命名为Vbus，用于测量电机的工作电压；第23号引脚命名为Current用于测量当前电机的工作电流；第32号引脚命名为Vin，用于测量供电输入电压，均为ADC功能端口。\n[0050] 第12、13、14号引脚，用于测量电机转子的位置信号，一般需要接上拉电阻，其信号代号分别为H1、H2、H3。\n[0051] 第19、20、21、22号引脚，在应用中被配置为放大器和比较器功能模块，用于检测和设置电机的工作电流。\n[0052] 第18号引脚命名为Direction，用于控制两个指示当前电机工作状态的LED指示灯；第40号引脚命名为ALM，用于控制两个指示当前驱动与控制电路故障信息的LED指示灯，均为普通I/O口功能端口。\n[0053] 第30号引脚命名为PSet，为脉宽调制(PWM)信号输出口。\n[0054] 本发明的执行电机3，采用带有检测转子位置的三个霍尔开关的三相无刷直流电机。\n[0055] 图4为驱动电路2的电路原理图。包括以Q400、Q401、Q402、Q403、Q404和Q405等6个N型的电子开关管为核心的三组换相电路，每组有两个开关管串联。命名为U、V、W的3个端口，为驱动电路2的输出端口，分别接三相无刷直流电机的三个相线，用于驱动直流电机的运转。\n[0056] 三组换相电路之前，设置有以U400、U401和U402芯片为核心的三组具有自举功能的电平转换电路，用于提高电机控制单元1输出信号的电压。电平转换电路的输入端，分别命名为UH、UL、VH、VL、WH、WL，接ST7MC单片机同名的输出口，接受电机控制单元1输出的脉宽调制(PWM)信号，分别控制驱动电路2的6个开关管的导通与断开。\n[0057] 驱动电路2还有一个Rsensor输出端，接电流检测电路的输入端，所传送的信号为电机当前的工作电流实际值。\n[0058] 位置检测装置6包括安装在三相无刷直流电机上的三个霍尔开关，其输出的反映电机转子的3个位置信息(H1、H2、H3)，传送给单片机的电机控制单元1，根据转子的位置信息，控制驱动电路2输出电流的相状态切换。\n[0059] 速度检测单元7实际为ST7MC单片机内部相关硬件及中断程序，通过对接收到的位置检测装置6的信号的间隔，计算出三相无刷直流电机的转速，用于电机的闭环控制。\n[0060] 对转子位置信号的变化时间捕获，速度检测单元7通过记录连续多次的信号，获取每次状态变化的时间，在指定次数的状态切换后，取平均值计算，能快速准确的得到电机的实际转速。由于对直流电机连续次数的霍尔开关信号变化都进行了记录，因此能计算出更接近实际转速的值。\n[0061] 图5为电流设置单元4的电路原理图，该单元包括电机工作电流检测电路，信号放大电路，信号比较电路及一些滤波电路组成。图中的19、20、21、22分别对应于ST7MC单片机的引脚，所用运算放大器和比较器为ST7MC单片机内部集成的功能模块。\n[0062] 电流检测电路，采用一个低电阻率的高精度采样电阻进行采样，得到的电压值与一个预设的基准电压进行比较，比较结果送给单片机的电机控制单元1，用于控制驱动电路\n2进入保护状态。\n[0063] 电流设置单元4的Rsensor输入端，接驱动电路2的电机电流信息输出口，接收的信号为电机的实际工作电流值。电流设置单元4的PSet输入端，接ST7MC单片机第30号引脚的同名输出口，用于设置电流设置单元4的电流保护点，也就是设置电机的最高工作电流值。电流设置单元4的Current输出端，接ST7MC单片机第23号引脚的同名输入口，所传输的信号为电机工作电流经电流/电压(I-V)转换，并放大和滤波后的值。\n[0064] 电流设置单元4采集电机的电流信号转换为电压信号，同时接收电机控制单元1设置的基准比较电压信号，根据比较结果，电机控制单元1送出指定的PWM信号，限制驱动电路2的最大工作电流值，实际上等效于设置电机的最大输出扭矩。\n[0065] 掉电保持单元8，由ST7MC单片机内部的相关模块及处理程序和一些外围电路共同完成掉电保护功能。图6为电路原理简图，包括分压电阻R1、R2组成的供电采集电路，一端接电源，另一端接地，分压端接单片机的检测输入端Vin；用于单向供电限制的二极管D1；一端连接二极管D1，另一端接地用于电能存储的电容C1；给单片机供电的降压电路；单片机；驱动电路2及直流电机。\n[0066] 掉电保持单元8，通过供电采集电路检测供电电压的变化情况，判断是否发生掉电情况，检测到掉电情况后通知单片机执行相关的处理流程，包括设置电机的发电模式，之后制动电机。\n[0067] 直流电机控制系统还设置有电源电路，其逻辑方框图如图7所示，包括顺序连接的220VAC-48VDC电源、48-15VDC电源和15-5VDC电源。\n[0068] 48V之前先通过一个二极管D1以防止直流供电接反烧毁电路，并接一个用于储能兼滤波的电容C1。这些又构成掉电保持单元8的组成部分。\n[0069] A.220VAC-48VDC电源，其输入接176～265VAC 50Hz/60Hz市电，输出为48V直流电源，一路为驱动电路2供电，另一路接48-15VDC电源的输入端。\n[0070] B.48-15VDC电源，电路如图8所示，输入接48V(该部分电路实际可接受的输入电压范围在24V-70V范围以上，是一个宽电压工作电路)直流电源，输出15VDC直流电源。一路为驱动电路2供电，另一路接15V-5V DC电源的输入端。\n[0071] 电路主要由开关电源管理芯片U200，以电压基准芯片U203为核心的稳压电路、以光电耦合器U202为核心的反馈电路及其它器件组成。本电路采用开关电源工作方式，大大提高了电源电压转换的效率。电路输入端连接的Z200除了可用于防止输入电压瞬时过高对电路造成损坏，还可防止无刷直流电机发电工作模式时产生过高的发电电压对电路造成损害。48-15VDC电源电路设计保证输出电流不小于0.2A。\n[0072] C.15-5VDC电源，电路如图9所示，输入接15VDC(该部分电路实际可接受的输入电压范围在8V-27V范围以上，是一个宽电压工作电路)直流电源，输出5VDC电源，为ST7MC单片机、无刷直流电机的位置检测装置4及周边电路供电。\n[0073] 电路以开关电源管理芯片U201为核心及其它器件组成，电路设计保证输出电流大于0.2A。\n[0074] 图10为状态指示电路10原理图，由4个指示灯及相关电阻器件组成。其中两个方向指示灯用于指示电机的转向信息，另外两个报警灯指示灯用于指示电路的故障信息。\n[0075] 状态指示电路10的Direction和ALM输入口，接ST7MC单片机的同名管脚。采用单片机一个I/O口控制两个指示灯，同时两个指示灯除闪烁显示方式外，还可以单个灯亮(如LED300亮LED301灭，或相反)，也可两个灯同时灭(将控制I/O口设置成高组态输入即可实现)，在闪烁频率设置够快时可视作两个灯同时亮。\n[0076] 系统所包含的通讯接口单元9为一种通用异步收发器(UART)方式的接口电路，该接口电路通过接收其他设备或模块发送过来的相关控制信息后传给电机控制单元1，根据相关信息执行相关的操作。可以方便地实现人机操作。\n[0077] 直流电机控制系统设置有电机温度检测电路，温度传感器(采用热敏电阻)与三相无刷直流电机相连，电路输出端与ST7MC单片机相连。通过采集电机的温度，与设定的热保护温度对比，当电机温度到达预设的值时停止电机，可以实现电机过热保护功能。还设置有环境温度检测电路，温度传感器(采用热敏电阻)设置在PCB上，电路输出端与ST7MC单片机相连。\n[0078] 该系统的单片机，根据位置检测装置6得出的位置信息是否在控制状态表(图15)内，可以判断是否有霍尔信号错误，从而保护驱动电路2。\n[0079] 直流电机控制系统还设置有功能处理电路，用于人机界面操作和外部信号处理，通过通讯接口单元9与电机控制单元1交换信息。其逻辑方框图如图11所示。主要功能包括：LCD显示系统的状态信息(工作电流、工作电压、实际运转速度，电机温度、环境温度和执行器行程位置)；按键输入操作处理(动态设置给定转速与电机保护扭矩)；输入控制信号处理；对外界通信处理；输出反馈信号，用于反映当前电动执行器的位置信息；对电机控制单元1发出工作命令，指示动作。\n[0080] 本实施例中，采用LM162AFC-2字符点阵式液晶模块，用于显示当前给定信号，反馈信号，速度，力矩；带一路4-20mA模拟输入信号，一路反馈电位器输入信号，一路4-20mA模拟输出信号；带RS-485通讯和蓝牙通讯；与电机控制单元1通过通用异步收发器(UART)方式通讯。\n[0081] 采用无刷直流电机控制技术，可以实现稳速控制功能、掉电保护功能、最大输出扭矩可设等功能。分别介绍如下：\n[0082] 一.稳速控制功能\n[0083] 对于电动执行器来说，稳速控制技术分为，电机在拉动负载状态下按给定转速运行，电机在被负载拉动状态下稳速运行两种情况。\n[0084] A.电机在拉动负载状态下按给定转速运行：\n[0085] 在这种情况下电机控制主要是处理速度反馈与速度调节之间的关系，而速度调节是脉宽调制信号占空比的调节。对电机转速的控制实际上是通过对相关的脉宽调制(PWM)信号进行控制，脉宽调制过程采用如图12所示的流程结构。\n[0086] 电机转速控制，主要包括实际电机速度测量，和控制驱动电路2开关管的脉宽调制信号占空比的调节，图示的流程为整个速度调节的一部分。在单片机程序中为了实时对电机速度控制，需要设置一个固定周期的触发机制，这使得以上处理流程能够周期性的执行。\n[0087] 流程图中的“给定电机速度”是本控制系统通过通信方式获得的用户信息。“实际电机速度”是ST7MC单片机内部的的速度检测单元7，通过对无刷直流电机的位置检测装置\n6的信号进行处理后得到的。\n[0088] 处理的过程包括两个步骤：第一步是速度检测单元7的硬件时间捕获，这个时间的捕获是在单片机的电机控制单元1控制电机工作过程中，速度检测单元7检测到位置检测装置6的反映无刷直流电机转子位置的霍尔开关信号发生状态变化时记录下来的，中断程序中记录一个连续的6状态发生时间为转速计算提供数据(本实施例中采用的三相无刷直流电机是两极对的电机，电机每转动一周将发生6次6状态变化)。第二步是通过软件方式将记录起来的6状态发生时间转换成电机的工作转速，从而得到电机的实际运作速度。\n[0089] 电机转速的调节是通过对脉宽调制(PWM)信号的调节来实现的，本控制系统，脉宽调制(PWM)信号的调节，及无刷直流电机的工作转速的处理，是参考ST公司针对ST7MC单片机所提供的比例与积分(PI)算法程序进行的。在程序中，比例与积分(PI)算法按以下公式进行处理：\n[0090] PWMDutr＝f(freq) (1)\n[0091] \n[0092] 等式2是一种经典的比例与积分(PI)算法公式，在这里它的意思包括：\n[0093] PWMstart是脉宽调制(PWM)占空比计算式的初始值，它是一个常量，该值相当于设置了电机初始启动电流；\n[0094] Kp为比较系数；\n[0095] Ki为积分系数。\n[0096] 在设计中，以上相关参数都需要根据所使用的无刷直流电机进行调整。\n[0097] 程序中采用比例与积分(PI)算法，根据用户设置的速度和电机的实际速度计算出一组脉宽调制(PWM)信号，并用这组脉宽调制信号叠加在驱动电路2的控制信号上，从而实现对电机工作平均电压的控制，并反映到对电机转速的控制。使转速的调节能够快速的稳定到需要的状态且不出现震荡情况。采用软件PI算法调节速度及工作电流的变化，可防止输出冲击过大造成机构损伤。\n[0098] 处理流程如图13所示，比例与积分(PI)运算最小输出值为0，在该值下，脉宽调制(PWM)信号占空比值最小为0，电机处于不驱动状态。\n[0099] B.电机在被负载拉动状态下稳速运行：\n[0100] 本控制系统除了在正常负载情况下能够保持稳定的转速，在电机被负载拉动状态下也能保持稳定运转。方法是对用于控制驱动电路2的脉宽调制信号的波形进行一些改进。采用换相开关管辅助控制方式，实现电机在被一定范围内的负载拉动运转时能稳定在需要的转速状态。这种辅助控制的方法，使得本控制系统能够最大的利用无刷直流电机体积小效率高的优势。\n[0101] 图14为驱动电路2的简化电路图。图中K1、K3、K5为U、V、W三个相驱动桥的上半桥开关管，K2、K4、K6为U、V、W三个相驱动桥的下半桥开关管。命名为U、V、W的三个端口用于连接三相无刷直流电机的三个相线。\n[0102] 图15是于三相无刷直流电机的控制状态表，采用同相上、下半桥在脉宽调制信号的周期内，叠加上、下半桥开关管分别导通的脉宽调制信号的控制方法，实现对电机的转速调节控制功能。表中P表示作用于上半桥的脉宽调制信号(信号高时表示开关管打开，为低时表示开关管关闭)；1表示对应相的开关管打开；NP表示作用于下半桥的对应上半桥脉宽调制信号的对应信号(该信号设计中保留的一定的死区设计)。\n[0103] 图16为三相无刷直流电机控制时序示意图，图中给出了电机控制单元1，根据霍尔开关输入信号H1、H2、H3，对应输出给驱动电路2的信号UH、VH、WH、UL、VL、WL之间的关系，图中说明了输出给驱动电路2的同相上、下开关信号，具有死区特性。\n[0104] 控制状态表中P与NP波形，如图17控制时序的局部放大图所示。以U相叠加脉宽调制(PWM)信号时的情形为例，用于控制单个相上、下半桥的脉宽调制信号的波形图。UH为高电平表示上半桥开关管打开，为低电平表示关闭；UL为高电平表示下半桥开关管打开，为低电平表示关闭。电机控制单元1传给驱动电路2的脉宽调制信号，具有同侧上、下半桥信号交替开、关操作。图中标识的“死区”的设计，避免造成在脉宽调制信号高低电平切换时，上、下半桥同时导通而损害电路的问题。\n[0105] 图中标识“PWM信号周期”是程序设计时设置的固定值，而脉宽调制(PWM)信号占空比(脉宽调制(PWM)信号高电平占脉宽调制(PWM)周期的比例)则是根据电机的工作情况而改变的。\n[0106] 二.最大输出扭矩调节功能：\n[0107] 本发明解决了电动执行器传统的交流电机控制系统只能固定一个最大输出扭矩的限制，可以适应控制不同扭矩设备的应用需求。\n[0108] 利用单片机的一组脉宽调制信号，经过滤波电路转换成直流信号之后作为电机工作电流的比较参考值，比较后的信号用于单片机判断是否该限制输出电流的依据。由于设计中规定电机的工作电压是稳定的，因此对电机最大输出扭矩的限制就可以转换为对电机工作电流的限制。\n[0109] 本控制系统的过载保护功能由电流设置单元4来实现，采用动态设置最大输出扭矩技术。\n[0110] 为了设置一个能够被无刷直流电机接受的最大工作电流值，需要对电流采样电阻R413及放大电路的放大倍数进行调整，调整的原则是当用于设置最大工作电流的Pset信号为最大值5V时，直流电机还处于安全工作状态。这个安排用于避免当单片机发生异常故障时，导致直流电机处于具有破坏性的动作。\n[0111] 为了准确的设置最大工作电流，程序需要根据电路进行初始的标定操作，标定操作是确认Pset信号与电机实际的最大工作电流之间的关系。\n[0112] 图18为设置电机最大工作电流的原理图，ST7MC单片机的12位脉宽调制信号发生单元1B的PSet引脚(MCPWMV)，产生一组脉宽调制信号，这组PWM信号经过滤波后形成一个电平信号，电平信号被用作比较电路的基准参考电压，并通过ST7MC单片机的第22号引脚(MCCREF)脚输入。ST7MC单片机的第19号引脚(OAP)，用于接收经过Rf电阻转换后的电机工作电流信号。\n[0113] 其工作方式是，OAP接收电机工作电流的信号，然后经过运算放大器放大运算后，同基准参考电压信号进行比较。比较后信号进入脉宽调制管理单元1C内部，作用于控制开关K，如果电机工作电流大于预设的基准参考电压信号，则断开脉宽调制信号发生单元1B与模式选择器之间的信号通路。\n[0114] 最大输出扭矩调节功能是针对直流电机在与不同的负载设备配置而提出的，该功能可以使控制系统适应多种负载的设备，也减少用户选型的麻烦。\n[0115] 三.掉电保护功能\n[0116] 在外界突然断电，而原先电机又处于被负载拉动运转情况下，使电机能够及时停住不转。(本功能实现的前提是电动执行器在原先停止情况下，不上电不会被负载拉动。也就是，所采用的无刷直流电机自身所具有的磁力，能够在机构原先静止的情况下保持住。)[0117] 一般情况下永磁无刷直流电机由于磁力的作用都具有一定的保持力。由于磁极的特性，无刷直流电机在被负载拉动情况下自身的磁力起到的阻力平均值较小，而在电机原先停止状态下磁力能充分发挥出阻碍的作用。在本系统对掉电情况的处理，可令无刷直流电机在掉电同时又被负载拉动的情况下，利用电路所存储的能量及时使电机停止，之后便可依靠电机本身磁力及机构阻力使电机保持静止。\n[0118] 1.掉电检测：\n[0119] 掉电保持单元8，包括两个用于分压的电阻，一个用于限制电流倒流的肖特基二极管，二极管后面设有电能储存电路。正常工作情况下，电流从供电电源通过肖特基二极管流入到相关工作电路及储能电路。当供电消失或减少时，肖特基二极管限制由储能电路的能量倒流回给供电线路，单片机也能及时检测出来。\n[0120] 2.停止控制：\n[0121] 在检测到供电电源断开或过低时，单片机的电机控制单元1在第一秒时间内开始按预设的脉宽调制(PWM)信号，按照掉电时刻的相状态控制电机工作电流，这种情况相当于增强电机自身的磁力，同时，如果电机还在运转的话可以将自身的机械能部分的转换为电能，返回给电能存储电路。\n[0122] 过了一秒后电机控制单元1按制动方式控制电机停止，本设计保证了电能存储电路的能力，足以维持单片机的短时工作，控制电机在允许的负载范围内停止转动。\n[0123] 如果原先电机处于电机拉着负载工作，且负载在电机掉电后不能克服阻力做功，驱动电路2会快速的消耗掉储能电路所储存的能量。\n[0124] 如果原先电机处于电机被负载拉动状况，储能的能量将足够相关电路工作一小段时间，以保证控制单元1能够及时停止电机运转，从而利用执行机构的静态摩擦力及电机的磁力进入保持状态。\n[0125] 本方法解决了电机带重载情况下(包括被重载拉动和拉动重载)电机克服运动状态下，保持力不足而无法让负载停止的问题。\n[0126] 在正常工作情况下，驱动电路2的供电由电源电路的220VAC-48VDC电源经过二极管D1后得到的VCC供电，单片机由VCC经过48-15VDC电源和15-5VDC电源降压后得到的\n5V电源供电，单片机的电机控制单元1通过驱动电路2实现对无刷直流电机的控制，同时掉电保持单元8对48VDC供电进行周期性的检测，以判断供电是否正常。当供电的48V突然消失或降到某个电平值时，由于电容C1的作用单片机还能正常工作一小段时间，此时，电机控制单元1就立刻控制电机停止。如果原先所带的负载不至于拉动直流电机转动，则能立刻停止转动；如果原先所带的负载能够拉动电机转动，则此时停止电机转动的方式，能使负载拉动电机转动反向发电产生电能，而电能存于电容C1后供单片机继续工作，这样单片机将有足够的能量来停止电机，以保证电动执行器能够准确的保持在当前位置。\n[0127] 以上掉电保持控制功能，实现的程序处理流程如图19所示。单片机控制电机停止经过了“控制电机以当前状态停止”和“制动电机”两个步骤。\n[0128] “控制电机以当前状态停止”是指，在三相无刷直流电机工作的6状态中，当单片机固定以掉电发生时，单片机所处的6状态之一进行控制电机，此时即使电机转子位置发生相变化也一样驱动。这种控制方式下可视作提高电机的磁力。控制电机以当前状态停止，单片机是以一个预先设定的脉宽调制占空比进行控制的。\n[0129] “制动电机”是指，将控制电机的驱动电路三个下半桥全部打开，而上半桥全部关闭。这种方法等效于将电机的三个相线短接在一起，电机处于自损耗状态。当电机处于大惯量运转情况下，不宜采用这种方式使电机停止。因此本设计运用了上述的“控制电机以当前状态停止”方法作为过渡处理方法。