專利名稱：基于can總線和arm的三相伺服電機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電機運轉(zhuǎn)狀態(tài)的實時監(jiān)測與故障診斷技術領域，設計了一種基于ARM的控制系統(tǒng)，并研究了控制器的CAN總線通信和智能化控制技術。
背景技術：
三相直流無刷電機是隨著電力電子器件及新型材料發(fā)展而迅速成熟起來的一種機電一體化電機，他既具有交流電機的結構簡單，維護方便等優(yōu)點，又具備直流電機那樣良好的調(diào)速特性而無由于機械式換向器帶來的問題，還具備運行狀態(tài)穩(wěn)定、效率高、相對成本低等優(yōu)點，因此被廣泛應用于各種調(diào)速驅(qū)動場合。以往的無刷直流電機多由單片機附加多種接口設備構成，不僅復雜，而且速度也受到限制，難以實現(xiàn)從位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)、電壓環(huán)的控制，也不方便擴展。而用ARM芯片就可以替代單片機和各種接口，擴展方便，可實現(xiàn)速度、位置、電壓和電流環(huán)的全數(shù)字化控制。CAN總線作為一種有效支持分步控制的串行通信總線，具有通信距離遠、結構簡單、支持多組工作方式等優(yōu)點。另外CAN標準只定義了物理層及數(shù)據(jù)鏈線路，而對應用層未做規(guī)范，用戶可根據(jù)電機控制需要靈活設計控制層協(xié)議。CAN總線采用短幀結構，每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施，數(shù)據(jù)出錯率極低，有很高的通信可靠性。CAN總線的通訊速率為lMbps/40m和5Kbps/10km，節(jié)點數(shù)達110個，傳輸介質(zhì)為雙膠線、同軸電纜和光纖。采用統(tǒng)一的標準與規(guī)范，使各設備之間具有較好的互操作性、互換性和通用性?？刂破魍ㄟ^CAN總線實現(xiàn)與上位機的高速通信，可實現(xiàn)接受控制指令，實現(xiàn)對多種機構在多種運行模式下的高精度控制。并將測得的速度、位置、電壓、電流等數(shù)據(jù)傳遞給上位機。控制器具有處理霍爾信號和旋變信號的能力。實驗表明該控制器設計合理，完成了與上位機的高速通信和對電機的智能控制，達到設計效果。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術的上述缺點，本發(fā)明的目的是提供一種結構簡單、運算速度快、通訊效率高的基于CAN總線和ARM的三相直流無刷電機控制系統(tǒng)。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是:基于CAN總線和ARM的三相直流無刷電機控制系統(tǒng)，用于對電機運轉(zhuǎn)狀態(tài)進行實時監(jiān)測，該系統(tǒng)包括電源模塊、控制模塊、驅(qū)動模塊、保護模塊、傳感模塊、CAN通訊模塊及上位機；其中:
所述的電源模塊有電源轉(zhuǎn)換單元，電源轉(zhuǎn)換單元與直流電源接口連接，用于將外界電壓轉(zhuǎn)換成上述各模塊的對應工作電壓；所述傳感模塊采用了增量式光電旋轉(zhuǎn)編碼器；所述控制模塊含有ARM芯片，所述ARM芯片通過CAN通訊模塊與上位機信號連接，上位機發(fā)出指令使ARM芯片產(chǎn)生PWM波控制電機的轉(zhuǎn)速，改變PWM波的占空比即可實現(xiàn)電機無級調(diào)速；所述增量式光電旋轉(zhuǎn)編碼器將電機旋轉(zhuǎn)的角度和速度轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號，反饋回ARM芯片的正交編碼脈沖單元，ARM芯片 收集反饋回的脈沖信號并與給定的位置和速度的期望值相比較，以實現(xiàn)位置、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制；通過電機驅(qū)動模塊采集電機堵轉(zhuǎn)電流，轉(zhuǎn)化為電壓信號，并通過電壓比較器反饋回電機驅(qū)動模塊以實現(xiàn)過流保護；所述的保護模塊由過溫保護模塊及過流保護模塊組成。作為本發(fā)明的進一步改進:所述驅(qū)動模塊為電機驅(qū)動電路；所述電機驅(qū)動電路由用三個IR2101半橋電路和六個MOSFET組成。作為本發(fā)明的進一步改進:所述的CAN通訊模塊采用CAN總線通訊接口模式；所述的CAN總線上的CAN信號通過PCA82C250T的CAN收發(fā)器轉(zhuǎn)換成ARM芯片能夠識別的TTL信號，從MSCAN_TX和MSCAN_RX端輸出ARM的CAN控制器部分信號連接到MSCAN_TX和MSCAN_RX 端。作為本發(fā)明的進一步改進:所述的ARM芯片采用STM32F103，所述STM32F103包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器、同步串行外設接口、異步串口通信接口、PWM控制的管理器，其PWM波形生產(chǎn)單元包括可編程死區(qū)控制，可輸出非對稱PWM波形、對稱PWM波形和空間矢量SVP-VM波形；STM32F103也提供通過外圍接口進行操作的輸入輸出端口 ；STM32F103使用了一個外圍設備CAN通訊模塊以支持對大量外設的可選性，外圍設備CAN總線用數(shù)據(jù)總線尋址，并通過一個特殊的模塊與數(shù)據(jù)總線連接，可以對所有的外圍設備寄存器進行操作；在本系統(tǒng)中有三路斬波器的PWM信號，利用STM32F103的一個定時器Tl和三個安全比較單元來產(chǎn)生三路占空比可調(diào)的PWM波形，頻率為20kHz。通過改變PWM波形的占空比，控制斬波輸出電壓，實現(xiàn)電動機調(diào)速控制?；贑AN總線和ARM的三相直流無刷電機控制系統(tǒng)的方法,其中:所述系統(tǒng)采用事件管理器產(chǎn)生3路高精度PWM波形，分別控制U、V、W繞組的斬波電路；ARM芯片輸出的有關功率管換向的數(shù)據(jù)經(jīng)邏輯轉(zhuǎn)換為三路換向觸發(fā)信號，經(jīng)驅(qū)動電路分別驅(qū)動3組M0SFET，實現(xiàn)對直流電動機的控制；電動機給定轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)啟動相應的事件管理器產(chǎn)生一定的PWM波形輸出，通過調(diào)節(jié)PWM波形的占空比，從而控制斬波電路功率管的開通與關斷，進行電壓調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對無刷直流電動機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的控制。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是:
1、本發(fā)明的核心處理器采用高速的ARM數(shù)字芯片，它繼承了微控制器的特點，無論在運算速度和數(shù)據(jù)的處理能力上都可以滿足運動控制的高實時性要求，為完成復雜的實時運動控制算法提供了可靠的平臺。2、本發(fā)明裝置與上位機通訊部分采用CAN總線方式，CAN總線通訊具有多主機方式、傳輸距離遠、傳輸速度快、抗干擾能力強、應用靈活等諸多優(yōu)點，解決了傳統(tǒng)控制器點對點數(shù)據(jù)傳輸方式中傳輸效率低、接口電路復雜等問題。3、本發(fā)明還設有自我保護功能，實時檢測電機運行時的工作電流，將其轉(zhuǎn)換為電壓信號后與預設電壓比對，一旦檢測值高于預設電壓則停止動作，實現(xiàn)裝置的自我保護。


圖1是本發(fā)明裝置的控制電路結構 圖2_a、2-b、2_c是電源轉(zhuǎn)換不意 圖3是溫度報警原理流程 圖4是溫度報警原理流程圖；圖5_a是驅(qū)動控制流程 圖5-b是控制驅(qū)動單元的結構示意 圖6是編碼米集原理意 圖7是CAN總線通訊原理示意 圖8是濾波電路原理圖。
具體實施例方式根據(jù)圖1至圖8，本發(fā)明主要由以下幾個模塊構成:電源模塊、控制模塊、驅(qū)動模塊、保護模塊、傳感模塊、CAN通訊模塊。電源轉(zhuǎn)換單元與直流電源接口連接，用于將外界電壓轉(zhuǎn)換成上述各部分的工作電壓，ARM芯片通過CAN通訊模塊與上位機信號連接，上位機發(fā)出指令使ARM芯片產(chǎn)生PWM波控制電機的轉(zhuǎn)速，改變PWM波的占空比即可實現(xiàn)電機無級調(diào)速。增量式光電旋轉(zhuǎn)編 碼器將電機旋轉(zhuǎn)的角度和速度轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號，反饋回ARM芯片的正交編碼脈沖單元，ARM芯片收集反饋回的脈沖信號并與給定的位置和速度的期望值相比較，以實現(xiàn)位置、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制。通過電機驅(qū)動芯片采集電機堵轉(zhuǎn)電流，轉(zhuǎn)化為電壓信號，并通過電壓比較器反饋回電機驅(qū)動芯片以實現(xiàn)過流保護。電路設計:
基于STM32F103的ARM芯片的無刷直流電動機驅(qū)動控制系統(tǒng)的硬件主要包括電源模塊、功率驅(qū)動模塊、傳感電路、保護電路、換向電路及通信電路等。該系統(tǒng)采用事件管理器產(chǎn)生3路高精度PWM波形，分別控制U、V、W繞組的斬波電路；ARM輸出的有關功率管換向的數(shù)據(jù)經(jīng)邏輯轉(zhuǎn)換為三路換向觸發(fā)信號，經(jīng)驅(qū)動電路分別驅(qū)動3組M0SFET，實現(xiàn)對直流伺服電動機的控制。電動機給定轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)啟動相應的事件管理器產(chǎn)生一定的PWM波形輸出，通過調(diào)節(jié)PWM波形的占空比，從而控制斬波電路功率管的開通與關斷，進行電壓調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對無刷直流電動機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的控制。電源模塊工作原理如下:
供電電源的穩(wěn)定性直接影響到整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以輸出低紋波、高性能的供電系統(tǒng)是非常有必要的。本系統(tǒng)中需要多個供電電源，如核心的ARM芯片供電電壓為3.3V,驅(qū)動芯片供電電壓為12V，CAN通訊模塊和比較器模塊供電電壓需要5V，控制MOSFET的電壓需要24V，然而整個電路中只有一個24V供電接口，這就需要進行電壓轉(zhuǎn)換，本電路將24V直流電源通過一系列的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化成+12V、+5V、+3.3V直流穩(wěn)壓電源。過溫保護模塊工作原理如下:
在溫度過高的環(huán)境下工作，它會導致一些芯片的壽命降低，會使內(nèi)部集成的原件燒毀，甚至發(fā)生短路現(xiàn)象。并且對電機的絕緣材料影響很大，溫度過高會使絕緣層老化，甚至導致絕緣層破壞。因此我們要對整個電路的溫度做一定的限制。電路正常工作時，ARM芯片的第20管腳輸出高電平，Dl不發(fā)光。當溫度過高時，ARM芯片的第20管腳就會輸出低電平，Dl發(fā)光。并通過光耦把信息傳遞出去，此電路實現(xiàn)簡單，并且能實時監(jiān)測到電路溫度的變化。在整個電路中起到了很重要的作用。過流保護模塊工作原理如下:
雖然驅(qū)動電路使用了控制性能良好的電機驅(qū)動芯片，但是當電機被堵轉(zhuǎn)的時候，會產(chǎn)生持續(xù)大電流。在這種情況下，電機如果仍然在零轉(zhuǎn)速下提供最大的轉(zhuǎn)矩，必然導致系統(tǒng)崩潰，因此必須設置過流保護環(huán)節(jié)來保護電機和相關開關器件。正常運轉(zhuǎn)時，ARM芯片的第21管腳輸出高電平，D2不發(fā)光，短路時，電路中瞬間通過較大電流，ARM的第21管腳就會輸出低電平，D2發(fā)光報警，并通過光耦提示有短路發(fā)生。同時降低主電壓，使功率橋電路斷開，保護功率橋電路。過流保護電流具有檢測、處理的作用，在檢測保護電機的同時也通過主芯片用軟件控制電動機的啟動和停止。電機驅(qū)動電路設計:
本節(jié)中主要介紹以ARM芯片為核心的處理器控制電機轉(zhuǎn)向和速度。直流電機采用脈寬調(diào)制信號來控制轉(zhuǎn)速，脈寬調(diào)制信號由ARM芯片來發(fā)生，由于處理器和執(zhí)行電機的工作電壓不同，ARM芯片所發(fā)生的脈寬調(diào)制信號并不能直接用來驅(qū)動執(zhí)行電機，必須在兩者中間加上電機驅(qū)動電路。我們選用三個IR2101半橋電路和六個MOSFET來驅(qū)動直流無刷電機，取代了傳統(tǒng)的集成芯片。它的好處是可以承受很大的電流，并且電路容易控制。電路可通過外部的使能信號、正反轉(zhuǎn)信號、調(diào)轉(zhuǎn)速信號方便地控制電機的運轉(zhuǎn)。本電路穩(wěn)定性好，驅(qū)動功率大、安全可靠、實現(xiàn)方便。傳感模塊電路設計:
在電機運轉(zhuǎn)過程中，主要采用了增量式光電旋轉(zhuǎn)編碼器。增量式編碼器是光學中最簡單的一種，有一個中心有軸的光電碼盤制成，碼盤上有環(huán)形通/暗的刻線，其碼盤的刻線間距均一，對應每一分辨率區(qū)間可輸出一個增量脈沖，計數(shù)器相對于基準位置(零點)相對應的輸出脈沖進行累計計數(shù)，正轉(zhuǎn)則加計數(shù)，反轉(zhuǎn)則減計數(shù)。增量式編碼器的優(yōu)點是易于實現(xiàn)小型化，響應迅速，結構簡單；其缺 點是掉電后容易造成數(shù)據(jù)損失。增量式編碼器的信號輸出有正弦波、方波等多種形式，其工作方式主要為三相脈沖輸出，即A組、B組和Z組脈沖，分別定義為A、B、和Z相，A組和B組脈沖相位差為90度。盤上還有一個狹縫，旋轉(zhuǎn)一周，只產(chǎn)生一個單獨的脈沖，這組脈沖即為Z組脈沖。A組脈沖和B組脈沖用來確定被測對象的正、反轉(zhuǎn)并計算角度，Z組脈沖用于基點定位。它的優(yōu)點在于原理簡單，機械壽命可在幾萬小時以上，抗干擾能力強，可靠性高。總線單元設計:
為了實現(xiàn)人機一體化，在硬件設計時，應該將當前運動的信息傳遞給上位機，我們需要擴展它的通訊模塊，這里選用的是CAN總線通訊接口模式?？偩€上的CAN信號通過PCA82C250T的CAN收發(fā)器轉(zhuǎn)換成ARM芯片能夠識別的TTL信號，從MSCAN_TX和MSCAN_RX端輸出ARM的CAN控制器部分信號連接到MSCAN_TX和MSCAN_RX 端?？垢蓴_設計:
干擾可以沿各種途徑混入ARM芯片系統(tǒng)，也可以以場的形式從空間侵入ARM芯片系統(tǒng)。干擾疊加在輸入信號上，使數(shù)據(jù)采集誤差增大，特別在前向通道的傳感器接口是小電壓信號輸入時，此現(xiàn)象會更加嚴重。如果疊加在輸出系統(tǒng)，使各輸出信號混亂，不能正常反應ARM芯片真實輸出量，導致一系列嚴重后果。如果干擾混入ARM芯片系統(tǒng)的內(nèi)核，就會使三總線上的數(shù)字信號錯亂，程序運行失常，內(nèi)部程序指針錯亂，控制狀態(tài)失靈，RAM中數(shù)據(jù)被修改；更嚴重的會導致死機，使系統(tǒng)完全崩潰。所以設計了抗干擾電路，使得該系統(tǒng)在堅持及監(jiān)控中能減少外部干擾，從而使監(jiān)測結果更精確。綜上所述，本領域的普通技術人員閱讀本發(fā)明文件后，根據(jù)
本發(fā)明的技術方案和技術構思無需創(chuàng)造性腦力勞動而作出其他各種相應的變換方案，均屬于本發(fā)明所保護的范 圍。
權利要求
1.基于CAN總線和ARM的三相伺服電機，用于對電機運轉(zhuǎn)狀態(tài)進行實時監(jiān)測，該系統(tǒng)包括電源模塊、控制模塊、驅(qū)動模塊、保護模塊、傳感模塊、CAN通訊模塊及上位機；其特征在于: 所述的電源模塊有電源轉(zhuǎn)換單元，電源轉(zhuǎn)換單元與直流電源接口連接，用于將外界電壓轉(zhuǎn)換成上述各模塊的對應工作電壓；所述傳感模塊采用了增量式光電旋轉(zhuǎn)編碼器；所述控制模塊含有ARM芯片，所述ARM芯片通過CAN通訊模塊與上位機信號連接，上位機發(fā)出指令使ARM芯片產(chǎn)生PWM波控制電機的轉(zhuǎn)速，改變PWM波的占空比即可實現(xiàn)電機無級調(diào)速；所述增量式光電旋轉(zhuǎn)編碼器將電機旋轉(zhuǎn)的角度和速度轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號，反饋回ARM芯片的正交編碼脈沖單元，ARM芯片收集反饋回的脈沖信號并與給定的位置和速度的期望值相比較，以實現(xiàn)位置、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制；通過電機驅(qū)動模塊采集電機堵轉(zhuǎn)電流，轉(zhuǎn)化為電壓信號，并通過電壓比較器反饋回電機驅(qū)動模塊以實現(xiàn)過流保護；所述的保護模塊由過溫保護模塊及過流保護模塊組成。
2.如權利要求1所述的基于CAN總線和ARM的三相伺服電機，其特征是:所述驅(qū)動模塊為電機驅(qū)動電路；所述電機驅(qū)動電路由用三個IR2101半橋電路和六個MOSFET組成。
3.如權利要求1所述的基于CAN總線和ARM的三相伺服電機控制系統(tǒng)，其特征是:所述的CAN通訊模塊采用CAN總線通訊接口模式；所述的CAN總線上的CAN信號通過PCA82C250T的CAN收發(fā)器轉(zhuǎn)換成ARM芯片能夠識別的TTL信號，從MSCAN_TX和MSCAN_RX端輸出ARM的CAN控制器部分信號連接到MSCAN_TX和MSCAN_RX端。
4.如權利要求1所述的基于CAN總線和ARM的三相伺服電機控制系統(tǒng)，其特征是:所述的ARM芯片采用STM32F103，所述STM32F103包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器、同步串行外設接口、異步串口通信接口、PWM控制的管理器，其PWM波形生產(chǎn)單元包括可編程死區(qū)控制，可輸出非對稱PWM波形、對稱PWM波形和空間矢量SVP-VM波形；STM32F103也提供通過外圍接口進行操作的輸入輸出端口 ；STM32F103使用了一個外圍設備CAN通訊模塊以支持對大量外設的可選性，外圍設備CAN總線用 數(shù)據(jù)總線尋址，并通過一個特殊的模塊與數(shù)據(jù)總線連接，可以對所有的外圍設備寄存器進行操作；在本系統(tǒng)中有三路斬波器的PWM信號，利用STM32F103的一個定時器Tl和三個安全比較單元來產(chǎn)生三路占空比可調(diào)的PWM波形，頻率為20kHz;通過改變PWM波形的占空比，控制斬波輸出電壓，實現(xiàn)電動機調(diào)速控制。
5.基于CAN總線和ARM的三相直流無刷電機控制系統(tǒng)的方法，其特征是:所述系統(tǒng)采用事件管理器產(chǎn)生3路高精度PWM波形，分別控制U、V、W繞組的斬波電路;ARM芯片輸出的有關功率管換向的數(shù)據(jù)經(jīng)邏輯轉(zhuǎn)換為三路換向觸發(fā)信號，經(jīng)驅(qū)動電路分別驅(qū)動3組MOSFET,實現(xiàn)對直流電動機的控制；電動機給定轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)啟動相應的事件管理器產(chǎn)生一定的PWM波形輸出，通過調(diào)節(jié)PWM波形的占空比，從而控制斬波電路功率管的開通與關斷，進行電壓調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對無刷直流電動機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的控制。
全文摘要
基于CAN總線和ARM的三相直流無刷電機控制系統(tǒng)，用于對電機運轉(zhuǎn)狀態(tài)進行實時監(jiān)測，該系統(tǒng)包括電源模塊、控制模塊、驅(qū)動模塊、保護模塊、傳感模塊、CAN通訊模塊及上位機；所述ARM芯片通過CAN通訊模塊與上位機信號連接,上位機發(fā)出指令使ARM芯片產(chǎn)生PWM波控制電機的轉(zhuǎn)速，改變PWM波的占空比即可實現(xiàn)電機無級調(diào)速；所述增量式光電旋轉(zhuǎn)編碼器將電機旋轉(zhuǎn)的角度和速度轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號，反饋回ARM芯片的正交編碼脈沖單元，ARM芯片收集反饋回的脈沖信號并與給定的位置和速度的期望值相比較，以實現(xiàn)位置、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制；通過電機驅(qū)動模塊采集電機堵轉(zhuǎn)電流，轉(zhuǎn)化為電壓信號，并通過電壓比較器反饋回電機驅(qū)動模塊以實現(xiàn)過流保護；本發(fā)明具有結構簡單、運算速度快、通訊效率高等優(yōu)點。
文檔編號H02P6/08GK103227597SQ20131016196
公開日2013年7月31日 申請日期2013年5月6日 優(yōu)先權日2013年5月6日
發(fā)明者陳少雄, 嚴文 申請人:廣州歐豐機電有限公司