欢迎您访问,深圳市丰日科技有限公司网站!
全国咨询热线:0755-27368891

新闻动态

企业新闻

无刷电机控制器设计


作者:丰日科技 时间:2020-07-16 浏览:123


无刷直流电机控制器硬件实时性设计方法
 
        无刷直流电动机具有效率高、功率密度大、功率因数高、体积小、控制精度高等明显优点,已广泛应用于数控机床、电动汽车等各种需要调速的场合。在航空领域,由于其低故障率,无刷直流电机已逐步取代传统液压作动部件。电机控制由于应用场合的要求其具有强实时性,电机控制的核心部件是电机控制器,因此需要在电机控制器的架构中充分考虑控制的实时性设计。
 
一、无刷直流电机
 
        三相无刷直流电动机的主电路目前多采用三相六拍桥式逆变电路,三相无刷直流电动机在任意时刻只有两相绕组处于通电状态。无刷直流电机的转速调节是通过脉宽调制(PWM)技术来实现的。
 
二、电机控制器总体架构
 
        根据图1可以看出,电机控制器由如下几部分构成。主控模块中,主处理器(处理器1)主要负责进行控制器实时应用软件的运行,整个控制器的计算、监控及指令输出全部由该部分完成,是电机控制器的核心运算部件;次处理器(处理器2)主要负责电机控制器各个资源数据的采集和输出功能,处理器1和处理器2通过存储共享交互数据;处理器2管理着系统总线、离散量输入输出和模拟量输入输出接口资源;斩波模块、功率驱动模块将输入的模拟信号转换为功率PWM(高电压大电流)波送给无刷电机进行电机转动控制。直流电机将转速和电机电流通过物理线路反馈给控制器的模拟量采集部分,以进行系统反馈闭环控制。该控制器架构资源划分统一,所有对外资源都由处理器2管理,处理器1仅通过存储共享与处理器2交互。
 
 
2.1主控模块
 
        主控模块中的处理器1负责电机控制计算处理,处理器2负责系统总线及接口管理。主控模块通过模拟量输出和离散量输出控制V/F模块(PWM)模块。离散量输出作为PWM转换模块的指令输入,是控制PWM波转换的使能和启动信号。PWM模块接收到离散信号有效后,开始PWM转换和输出给驱动模块。模拟量输出作为PWM转换的量化输入,其输出的电压值代表了PWM变换的占空比和频率。控制软件根据实际情况,通过调整模拟量输出的电压值控制电机转速。
 
图2给出了电机启动和停止的流程图,可以看出离散量输出和模拟量输出对电机控制的作用。
 
 
2.2PWM模块
 
PWM变换模块将主控模块发出的离散量作为其变换的指令,通过V/F变换算法将主控模块给出的模拟量电压值变换成占空比和频率相应变换的PWM波,该模块将PWM信号给驱动模块。
 
2.3功率驱动模块
 
斩波转换模块输出的PWM波电流电压不足以驱动电机,因此通过功率驱动模块将PWM信号波中的占空比和频率信息保留,将其电压和电流驱动能力增强带动电机。同时,功率驱动模块需设计必要的保护电路,保证在大电流大电压的瞬态变化时对电路的保护。
 
2.4双闭环PI调节器控制
 
电机的转速和电流反馈通过硬件电路经过处理反馈给主控模块,控制软件通过采集这两个反馈量进行电机的闭环控制。电机控制采用双闭环PI调节控制,控制原理如图3所示。利用电机的两个反馈信号即电流反馈和转速反馈,设计控制率算法,进行电机的闭环控制。
 
 
三、电机控制的实时性设计
 
控制系统中的实时性,是对于下达的指令要在规定的时间内进行响应,系统的响应速度越快,实时性越高。实时性的要求在于如果不在规定的时间中完成所需的工作,则系统运行失败,下面分析硬件架构设计对控制实时性的影响。
 
在控制系统中,处理器1和处理器2分别有自己的任务控制周期,处理器1的任务周期是整个控制系统的任务周期,而处理器2的任务周期则负责控制器中的总线及接口的数据管理。
 
处理器1的主要工作在于计算及故障处理计算;而处理器2的工作就是所有实时数据的收集。数据的收集工作是一项耗时而繁琐的工作,因此,为了让控制器的主处理器不因处理数据收集而占用大量处理器时间,处理器1和处理器2进行了分工。
 
处理器1和处理器2之间交互的关键在于处理器1和处理器2之间命令和数据的交互。如图4所示,处理器1和处理器2通过存储共享交互数据。
 
 
         图中处理器1和2异步运行各自的任务周期。由于处理器1是整个控制器的主处理器,其通过共享存储空间中的指令启动处理器2的相应任务,因此处理器1较处理器2处于主导地位。由于两个处理器异步运行,处理器1在每次执行周期任务时,需要处理器2保证共享存储空间中的采集数据较上个周期已经被更新,因此处理器2的周期应当快于处理器1,保证处理器1的指令被立即执行以及处理器1每次采集的数据都是最新的。一般而言,处理器1的周期时间在控制上应当是处理器2的2的指数倍。
 
处理器1和处理器2各自的周期任务是异步的,通过存储共享来交互数据。数据的共享导致资源访问的冲突,因此特定的机制防止访问的冲突。
 
四、主处理器和次处理器任务与资源分配
 
        图1所示为电机控制的功能,从图中可以看出,处理器1和处理器2之间唯一的数据交互通道就是存储的共享,因此处理器1执行实时任务时,现将数据写入共享存储,处理器2读取数据,执行自己的周期任务时将处理器1下达的任务也予以执行。由于处理器1和处理器2是异步的,处理器1执行任务到处理器2最终执行,是有延迟的。如图5所示。
 
 
        图5中,当主处理器执行任务X时,先通过共享存储器告知处理器2,处理器2在执行自己的任务周期,这里处理器2的任务X的执行存在时间的不确定性,可能当处理器1刚完成任务X的通知,处理器2刚好执行到任务X,则任务X立即被执行;也可能此时任务X的时间窗口已经过去,则任务X要等到下一次的执行。可见由于两个处理器之间的异步性,导致主处理器的任务实时性降低。
 
五、任务与资源分配优化
 
        有必要重新分析电机控制器的主要任务和资源,提高任务的实时性。既然两个处理器之间是异步的,那么是否将所有的资源管理都交给处理器1,这样主处理器的所有任务都由自己完成,这样不存在时间不确定性,所有的任务都立即执行。这还要从整个控制系统分析,主处理器的任务是计算处理,而数据收集这种耗时耗力的事情,如果主处理器事必躬亲,其任务周期时间将会很长,整个控制器的实时性就会降低;有些任务,如模拟输出,以及离散输出,既不占用时间,主处理器也不会在每个最小任务周期都执行这些任务,因此这些任务可以直接由主处理器执行,从而提高实时性。
 
       将电机控制的输出量直接由主CPU控制,增强控制实时性同时,主CPU在完成DOUT与AOUT时其操作等同于操作寄存器,因此时间开销很小,可以认为没有带给主CPU的任务载荷,同时大大增强了控制的实时性。优化后的系统功能框图如图6所示。
 
 
总结
 
本文简单介绍了直流无刷电机的使用,描述了电机控制器的设计及架构,重点描述了控制器的实时性设计,并通过分析讨论了硬件架构对于控制器的实时性设计影响,还给出了一种架构优化方法,通过相关的试验数据说明了控制器的架构优化提高了任务执行的实时性。
 
虽然本文描述的是直流无刷电机控制器的实时性设计,但重点描述的是电机控制器中两个处理器之间的实时交互以及资源分配方法,涉及到的架构可以应用在实时性高的控制系统设计中。

        以上就是我们深圳市丰日科技有限公司为您介绍的无刷直流电机控制器硬件实时性设计方法。如果您有智能电子产品的软硬件功能开发需求,可以联系咨询给我们,我们有丰富的电子产品定制开发经验,可以尽快评估开发周期与IC价格,也可以核算PCBA报价。我们的拥有硬件设计与软件开发能力。涵盖了电路设计、PCB设计、单片机开发、软件定制开发、APP定制开发等。还可以承接智能电子产品研发、家用电器方案设计、美容仪器开发、物联网应用开发、智能家居方案设计、儿童玩具方案开发、电子教育产品研发。