一种通用电机驱动系统及其参数调试方法

1.本发明属于电机控制领域，尤其涉及一种通用电机驱动及其参数调试方法。


背景技术：

2.直流电机是指能将直流电能转换成机械能的旋转电机，其具有调速性能好的优点，可实现均匀、平滑的无级调速，通常直流电机的使用方式为调整机械构件的转速。衡量电机效率的一个因素是起动力矩，大力矩的电极可以均匀而经济地实现转速调节。直流电机的应用广泛，在航空航天、机床、印刷设备、包装设备、纺织设备、激光加工设备、机器人、自动化生产线等领域都会涉及。在一些特别的对工艺精度、加工效率和工作可靠性等要求相对较高的场景下，电机的性能的要求也相对较高。在此背景下，电机驱动器的控制会直接影响到电机的性能。
3.当前电机驱动器一般为定制产品，功能单一、接口简单、适应范围小，最突出的一个限制是一种电机驱动器通常只能控制一种类型电机，在应用上具有局限性。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明第一方面提供了一种通用电机驱动系统，其中，所述系统与直流电机、角度传感器和上位机连接，包括：数字处理模块，用于接收电机的传感信号、电流信号和电压信号，并基于用户配置信息计算并输出驱动所述直流电机的驱动信号；驱动模块，与所述数字处理模块连接，用于接收所述驱动信号并输出所述驱动信号至所述直流电机；信息交互模块，与所述上位机和所述数字处理模块连接，用于发送和/或接收所述用户配置信息；以及电源整流滤波模块，为所述通用电机驱动系统中的各模块提供若干种恒定大小的电源电压。
5.优选地，所述数字处理模块包括pwm驱动单元、模数转换单元、信号传输单元和传感信号单元。
6.优选地，所述传感信号单元具有至少一种类型的接口，所述接口可以从qep接口、usart接口、spi接口和ssi接口范围中选择。
7.优选地，所述信息传输单元的接口具有多种类型，可以是usart单元，也可以是i2ci单元。
8.优选地，所述驱动模块包括预驱动单元和h桥电路单元。
9.优选地，所述电源整流滤波模块包括通用滤波电路和若干个以一恒定电压导通的整流滤波电路。
10.优选地，所述系统还包括：转角与转速检测模块，与所述数字处理模块，用于发送和/或接收所述电机传感信号。
11.优选地，所述系统还包括：相电流检测模块，用于为所述数字处理模块提供直流电机的模拟电流信号。
12.优选地，所述系统还包括：电压检测模块，用于为所述数字处理模块提供直流电机
的模拟电压信号。
13.另外，本发明第二方面提供了一种通用电机驱动参数调试方法，包括：电机参数初始化；根据初始化的电机参数控制电机进入工作模式；对电机参数进行调试，并根据调试后的电机参数对电机进行控制；将调试后的电机参数保存。
14.有益效果：能够对多种接口类型的直流电机基于多参数控制，并具有过流保护的功能，对电机在运行时还能通过自动或手动地调试参数进行超速保护和位置限制保护。
附图说明
15.图1是示出了本发明涉及的一种通用电机驱动系统的应用场景示意图；图2是示出了本发明涉及的一种通用电机驱动系统的结构示意图；图3是示出了本发明涉及的通用电机驱动系统中电源整流滤波模块与周围模块连接的示意图；图4是示出了本发明涉及的通用电机驱动参数调试方法；图5是示出了本发明涉及的一种通用电机驱动参数调试方法中细化的参数调试流程示意图。
具体实施方式
16.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
17.下面结合附图和实施例对本公开做进一步的详细描述。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明作限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
18.需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。
19.直流电机指将直流电能转换成机械能的旋转电机，通过向直流电机输入直流电，直流电机输出对机械部件的控制。直流电机的种类多样，例如直流无刷电机、永磁同步电机、直流力矩电机、伺服电机等。而不同的直流电机的连接接口类型也不是唯一通用的接口。为了让直流电机工作，必须提供相应的驱动系统，而驱动系统在设计的时候，往往是针对性的，即，针对直流电机的技术情况特别是接口类型进行设计。
20.本发明提出的驱动系统，可以兼容多种接口的直流电机，具有通用性，极大地提升了驱动系统在实际场景下的实用性。
21.图1是示出了本发明涉及的一种通用电机驱动系统的应用场景示意图。
22.在本实施方式中，见图1，通用电机驱动系统1分别与角度传感器2、直流电机3和上位机4电连接。角度传感器2向通用电机驱动系统1输入传感数据。传感数据包括转角和转速，是通过实时地从直流电机3上获得的，反映了直流电机上的机械构件的运动或状态情况。直流电机3接收通用电机驱动系统1的驱动信号，并控制电机上的机械构件在运动或状态上的变化。
23.上位机4为向使用者提供交互操作界面的计算机。上位机4上具有用户输出接口，向使用者展示直流电机相关控制参数。其中，控制参数包括电流环、速度环和位置环控制参数，经过通用电机驱动系统1的处理后向直流电机3输出驱动信号，实现对直流电机3的控制。上位机4还向使用者提供用户输入接口，具体为上位机的交互操作界面上展示有交互框并接收使用者输入的信息。
24.图2是示出了本发明涉及的一种通用电机驱动系统的结构示意图。
25.在本实施方式中，见图2，通用电机驱动系统1包括数字处理模块11、驱动模块12、相电流检测模块13、电压检测模块14、电源整流滤波模块15和信息交互模块16。
26.数字处理模块11包括传感信号单元111、pwm驱动单元112、模数转换单元113和信息传输单元114。数字处理模块11是一片整个包含主控芯片以及外围设计电路的单片微型计算机。
27.在优选的实施方案中，传感信号单元111接收来自转角与转速检测模块10的传感信号，该传感信号是由角度传感器2产生并输入转角与转速检测模块10的，反映了直流电机3的运动或状态情况。传感信号单元111将传感信号在数字处理模块11中经过计算处理，生成向pwm驱动单元112输入的控制信号。pwm驱动单元112在接收控制信号后，向驱动模块12输出pwm信号。驱动模块12的作用是，转换pwm信号为驱动直流电机3运动的驱动信号。
28.在优选的实施方案中，传感信号单元111为具有多种可切换的接口的模块，这些接口可以从qep接口、usart接口、spi接口和ssi接口范围中选择。这样设计通用电机驱动系统1的好处是，兼容不同接口类型的直流电机3，提高了驱动系统的适应电机范围，由此可以被称作是通用型的电机驱动系统。
29.例如，当传感信号单元111配置的接口为qep接口时，此时直流电机3的接口为qep接口。qep、usart、spi和ssi通信协议的接口。
30.在优选的实施方案中，模数转换单元113是将输入进数字处理模块11的模拟信号转化为数字信号的adc单元，通常具有数字计算功能的单片微型计算机都需要这样的转换单元，由此才能够处理数字信号而非对采样的模拟信号处理。
31.在优选的实施方案中，信息传输单元114与数字处理模块11外的信息交互模块16连接，用于接收和/或发送与直流电机3的控制参数相关的信息。可选地，与传感信号单元111类似地，信息传输单元114的接口具有多种类型，各类型接口形成的信息传输单元114可以是usart单元，也可以是i2ci单元。
32.基于上述模数转换单元113的功能，通用电机驱动系统1中的相电流检测模块13和电压检测模块14分别与模数转换单元113连接。相电流检测模块13包括采样电阻、电流放大器和电流检测滤波电路。电压检测模块14包括分压电阻、钳位二极管和电压检测滤波电路。其中相电流检测模块13提供直流电机3运行时的电流信息，该信息为模拟信号，电压检测模块14提供直流电机3运行时的电压信息，该信息同样为模拟信号。由此，模块13和模块14向模数转换单元113提供用于转化为数字信号的模拟信号，提供了关于直流电机3的电流和/或电压信息。
33.基于上述转角与转速检测模块10、相电流检测模块13和电压检测模块14的功能，可以确定直流电机3的机械构件运动或状态情况、运行时电流和电压信息。
34.数字处理模块11具有接收信息并输出控制信号的功能。下面将论述输出控制信号
的示例。
35.驱动模块12包括预驱动单元121和h桥电路单元122。具体地，预驱动单元121设计为半桥驱动电路，预驱动单元121的作用是增强输入进的pwm信号的强度，进而提升输出的驱动信号驱动直流电机3的能力。预驱动单元121的具体型号可以是ir2103型。另外，预驱动单元121会控制h桥电路单元122上mos管的导通或关断状态。具体地，h桥电路单元122是6个n沟道场效应管（mos管）形成的3路h桥电路，用于输出驱动直流电机3的驱动信号。在可选的实施方式中，mos管根据直流电机3所标出的额定电流大小选择合适的型号。
36.信息交互模块16与数字处理模块11中的信息传输单元114和上位机4连接。在一种示例中，信息交互模块16接收来自上位机4输入的控制直流电机3相关的参数，并输出至信息传输单元114。应当注意的是，控制直流电机3相关的参数在本发明中既可以通过上位机4提供的用户界面确定，也可以通过系统自身的计算调整并往回显示在上位机4的用户界面上。在另一种示例中，数字处理模块11通过信息传输单元114向信息交互模块16输出控制直流电机3相关的参数，信息交互模块16再向上位机4输出参数并显示在用户界面上。
37.电源整流滤波模块15设计的作用是为通用电机驱动系统1中各模块提供不同程度的电压电源。下面将论述电源整流滤波模块15的设计。
38.图3是示出了本发明涉及的通用电机驱动系统中电源整流滤波模块与周围模块连接的示意图。
39.在本实施方式中，见图3，外部电源输入至电源整流滤波模块15，模块15再向通用电机驱动系统1中其他模块进行通信。
40.电源整流滤波模块15具体包括通用滤波电路151和若干个以一恒定电压导通的整流滤波电路，导通电压的电压值根据滤波电路输出的模块对象的各有不同。优选地，导通电压的电压值分别为12v、5v、3.3v。其中，12v整流滤波电路1521用于向驱动模块12提供电压，5v整流滤波电路1522用于向转角与转速检测模块10和信息交互模块16提供电压，3.3v整流滤波电路1523用于向数字处理模块11提供电压。
41.理想的情况下，外部电源的输入电压为12v至36v，经过电源滤波整流模块15的处理后，可以对通用电机驱动系统1的各模块输入调整后的电源电压。
42.电源整流滤波模块15由多片芯片组合形成，芯片的数量为n。优选地，n的个数是3。电源整流滤波模块15的设计所带来的好处是，为通用电机驱动系统1的各模块运行提供过流保护的功能：输入电压通常较高，而且模块和模块之间对于运行电压都有不同程度的差异，如果将电源不加区分地输入，可能造成过载等情况。优选地，电源整流滤波模块15的芯片型号选自sgm61410。
43.图4是示出了本发明涉及的通用电机驱动参数调试方法。
44.在本实施方式中，见图4，通用电机驱动参数调试方法400包括：步骤s401：电机参数初始化；步骤s402：根据初始化的电机参数控制电机进入工作模式；步骤s403：对电机参数进行调试，并根据调试后的电机参数对电机进行控制；步骤s404：将调试后的电机参数保存。
45.在本实施方式中，上位机4执行上述方法步骤，实现使用者通过用户界面对直流电机2的控制以及获取直流电机2的工作状态信息。
46.在步骤s401中，上位机4上存储有上一次配置的电机参数。此时在新的一轮参数配
置中，先读取存储在上位机4上的电机参数，并显示在用户界面上。
47.在步骤s402中，初始化的电机参数包括电流参数、转速参数、位置参数和转角参数。此时电机参数已在步骤s401中配置完毕，还未对参数进行调试，但直流电机2已经启动并根据配置好的参数运行。
48.在本发明提供的通用电机驱动参数调试方法400中，电机进入的工作模式大致可以分为三类：电流模式、转速模式以及位置/转角模式。这样是基于控制电机运行的参数的类别进行区分的。例如，当电机工作在电流模式下，控制电机的运行情况的参数为配置参数中的电流参数。此时，通用电机驱动系统1处于电流闭环模式，数字处理模块11接收配置参数中的电流参数作为输出，即驱动信号。由此系统1从控制电机电流大小的方式控制电机的运动或状态情况。
49.与上述类似，当电机工作在转速模式下，通用电机驱动系统1处于电流和转速双闭环模式，数字处理模块11接收配置参数中的电流参数和转速参数作为输出，即驱动信号。由此系统1从控制电机的机械构件的电流大小和转速大小的方式控制电机。
50.与上述类似，当电机工作在位置/转角模式下，通用电机驱动系统1处于电流、转速和位置三闭环模式，从电流、转速和位置三个方面对电机进行控制。
51.在步骤s403中，对电机参数进行调试，并根据调试后的电机参数对电机进行控制。此时，用户可以向上位机4输入调试指令并使得通用电机驱动系统1进入调试模式。调试模式分为三种：电流环调试模式、速度环调试模式和位置环调试模式，其中三种调试模式以顺序执行，每种调试模式在获取参数后进入自动调试模式，再根据调试结果确定是否进一步手动调试。具体地，以电流环调试为例，系统1获取电机相关参数，并进入自动调试，自动调试结束后，调试结果信息通过信息交互模块16输出，当调试结果满足要求的时候，进入下一类调试模式，当调试结果不满足要求的时候，进行手动调试对参数进行修正。
52.在步骤s404中，将调试后的电机参数保存。
53.在此，信息交互模块16发送和/或接收调试后的电机参数。上位机4上具有能够保存电机参数的存储器。
54.图5是示出了本发明涉及的一种通用电机驱动参数调试方法中细化的参数调试流程示意图。
55.在本实施方案中，见图5，步骤s403还包括：步骤s4031：进入电流环调试模式；步骤s4032：进入速度环调试模式；步骤s4033：进入位置环调试模式。
56.在步骤s4031中，为了让输出的控制信号更加精确，在电流环调试模式下，获取直流电机具体的类型，例如电机是否为有刷电机、无刷电机还是伺服电机。电机相关的控制参数包括但不限于：电机的整体电阻值、电感值、堵转电流峰值、连续堵转电流值、额定工作电压和额定工作转速。若电机的类型为无刷电机，参数还可以包括输入电机的极对数。
57.除了上述使用者向上位机4输入调试指令调试控制电机的方式，系统1还具有自动调试功能。使用者在上位机4上输入自动调试指令，通用电机驱动系统1进入自动调试模式，调试完成后通用电机驱动系统1将调试结果信息通过信息交互模块16输出，信息交互模块16进一步将调试结果信息发送至上位机4，上位机4通过用户界面显示调试结果信息。
58.进一步地，使用者根据调试结果信息作对电机的进一步控制，具体为是否以电流环方式调试。如果使用者对通用电机驱动系统1的性能有更高的要求，此时使用者通过用户
界面选择手动模式。
59.在步骤s4032中，在对电流环调试完成后，进入速度环调试模式，用户界面显示输入对电机的最大速度和最大加速度的提示。
60.在步骤s4033中，在对速度环调试完成后，进入位置环调试模式。用户界面显示输入对电机的运动范围、最大速度、最大加速度的限制要求条件。
61.本发明提供一种通用电机驱动系统，所述系统与直流电机、角度传感器和上位机连接，包括：数字处理模块，用于接收电机的传感信号、电流信号和电压信号，并基于用户配置信息计算并输出驱动所述直流电机的驱动信号；驱动模块，与所述数字处理模块连接，用于接收所述驱动信号并输出所述驱动信号至所述直流电机；信息交互模块，与所述上位机和所述数字处理模块连接，用于发送和/或接收所述用户配置信息；以及电源整流滤波模块，为所述通用电机驱动系统中的各模块提供若干种恒定大小的电源电压。
62.本发明还提供一种通用电机驱动系统参数调试方法，包括：电机参数初始化；根据初始化的电机参数控制电机进入工作模式；对电机参数进行调试，并根据调试后的电机参数对电机进行控制；将调试后的电机参数保存。
63.根据本发明提供的通用电机驱动系统及其参数调试方法，能够对多种接口类型的直流电机基于多参数控制，并具有过流保护的功能，对电机在运行时还能通过自动或手动地调试参数进行超速保护和位置限制保护。
64.以上实施例不局限于该实施例自身的技术方案，实施例之间可以相互结合成新的实施例。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。

技术特征：
1.一种通用电机驱动系统，其特征在于，所述系统与直流电机、角度传感器和上位机连接，包括：数字处理模块，用于接收电机的传感信号、电流信号和电压信号，并基于用户配置信息计算并输出驱动所述直流电机的驱动信号；驱动模块，与所述数字处理模块连接，用于接收所述驱动信号并输出所述驱动信号至所述直流电机；信息交互模块，与所述上位机和所述数字处理模块连接，用于发送和/或接收所述用户配置信息；以及电源整流滤波模块，为所述通用电机驱动系统中的各模块提供若干种恒定大小的电源电压。2.根据权利要求1所述的通用电机驱动系统，其特征在于：所述数字处理模块包括pwm驱动单元、模数转换单元、信号传输单元和传感信号单元。3.根据权利要求2所述的通用电机驱动系统，其特征在于：所述传感信号单元具有至少一种类型的接口，所述接口可以从qep接口、usart接口、spi接口和ssi接口范围中选择。4.根据权利要求2所述的通用电机驱动系统，其特征在于：所述信息传输单元的接口具有多种类型，可以是usart单元，也可以是i2ci单元。5.根据权利要求1所述的通用电机驱动系统，其特征在于：所述驱动模块包括预驱动单元和h桥电路单元。6.根据权利要求1所述的通用电机驱动系统，其特征在于：所述电源整流滤波模块包括通用滤波电路和若干个以一恒定电压导通的整流滤波电路。7.根据权利要求1所述的通用电机驱动系统，其特征在于，所述系统还包括：转角与转速检测模块，与所述数字处理模块，用于发送和/或接收所述电机传感信号。8.根据权利要求1所述的通用电机驱动系统，其特征在于，所述系统还包括：相电流检测模块，用于为所述数字处理模块提供直流电机的模拟电流信号。9.根据权利要求1所述的通用电机驱动系统，其特征在于，所述系统还包括：电压检测模块，用于为所述数字处理模块提供直流电机的模拟电压信号。10.一种通用电机驱动参数调试方法，其特征在于，包括：电机参数初始化；根据初始化的电机参数控制电机进入工作模式；对电机参数进行调试，并根据调试后的电机参数对电机进行控制；将调试后的电机参数保存。

技术总结
本发明公开了一种通用电机驱动系统及其参数调试方法，所述系统与直流电机、角度传感器和上位机连接，所述系统包括：数字处理模块，用于接收电机的传感信号、电流信号和电压信号，并基于用户配置信息计算并输出驱动所述直流电机的驱动信号；驱动模块，与所述数字处理模块连接，用于接收所述驱动信号并输出所述驱动信号至所述直流电机；信息交互模块，与所述上位机和所述数字处理模块连接，用于发送和/或接收所述用户配置信息；以及电源整流滤波模块，为所述通用电机驱动系统中的各模块提供若干种恒定大小的电源电压。根据本公开，能够对多种接口类型的直流电机基于多参数控制，并具有过流保护、超速保护和位置限制保护的功能。超速保护和位置限制保护的功能。超速保护和位置限制保护的功能。


技术研发人员：毛大鹏 丁策 王伟兴
受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
技术研发日：2023.08.18
技术公布日：2023/9/16