一种数字化晶闸管直流电动机调速装置与方法
【专利摘要】本发明实施例公开了一种数字化晶闸管直流电动机调速装置与方法，涉及电机控制技术领域，实现了对实际情况下的算法进行快速验证，灵活性高且节省时间和人员的工作量。本发明包括：计算机设备(1)、逻辑保护电路(2)、电机驱动控制器(3)、可控整流模块(4)和数据采集模块(5)；其中，计算机设备(1)通过可控整流模块(4)与电机驱动控制器(3)串联连接，数据采集模块(5)、计算机设备(1)、逻辑保护电路(2)、电机驱动控制器(3)、直流电机(17)依次串联连接，直流电机(17)与数据采集模块(5)连接。本发明适用于直流电机的数字化控制。
【专利说明】
一种数字化晶闸管直流电动机调速装置与方法
技术领域
[0001] 本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种数字化晶闸管直流电动机调速控制 装置及控制方法。
【背景技术】
[0002] 直流电机是机电一体化领域中发展出的重要产品，各大科研机构和技术公司都针 对直流电机控制方案进行了大量的研究，其研究方式不外乎两种：
[0003] -是在专用的仿真软件环境下下构建直流电机的本体模型和控制模型，在该模型 中进行控制算法的实现、参数寻优等理论模拟仿真。但通过仿真软件仅能够从理论算法上 验证控制方案的可行性，且通常都是理想情况下的模拟仿真，无法将处理结果实时的应用 到真实的直流电机的控制中去。
[0004] 二是利用专门的电机控制芯片设计相应的控制器，从而实现对直流电机的控制。 这种方法是基于专用芯片的控制系统，能够一定程度上满足真实环境的实验需求，但是在 实验中针对算法及算法参数的修改和负载的调整需要耗费研究人员巨大的时间和精力，且 成本较高，灵活性差且难以对实际情况下的算法进行快速验证。
【发明内容】
[0005] 本发明的实施例提供一种数字化晶闸管直流电动机调速控制装置及控制方法，实 现了对实际情况下的算法进行快速验证，灵活性高且节省时间和人员的工作量。
[0006] 为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
[0007] -种数字化晶闸管直流电动机调速控制装置，包括:计算机设备（1)、逻辑保护电 路(2)、电机驱动控制器(3)、可控整流模块(4)和数据采集模块(5);其中，计算机设备（1)通 过可控整流模块(4)与电机驱动控制器(3)串联连接，数据采集模块(5)、计算机设备（1)、逻 辑保护电路(2)、电机驱动控制器(3)、直流电机(17)依次串联连接，直流电机(17)与数据采 集模块(5)连接；
[0008] 逻辑保护电路（2)由逻辑芯片和连接所述逻辑芯片的外围电路组成，用于在向后 续IPM模块发送的控制信号时，触发同一桥臂的上下桥臂中的其中一个导通；
[0009] 电机驱动控制器(3)由光电隔离模块(7 )、功率芯片供电模块(8 )、功率驱动模块
[9] 、保护电路模块(13)组成;其中，光电隔离模块(7)、功率芯片供电模块(8)和保护电路模 块(13)均与功率驱动模块(9)相连，功率驱动模块(9)与直流电机(17)相连，计算机设备（1) 通过逻辑保护模块(2)连接光电隔离模块(7);
[0010] 可控整流模块(4)由高压供电模块(6 )、单相桥式半控整流电路（14)和触发电路 (15)组成；
[0011] 数据采集模块(5)包括编码器模块(10)、电流测量模块(11)、电压测量模块(12)和 同步信号采集模块（16)，其中，编码器模块(10)、电流测量模块(11)和电压测量模块（12)均 分别连接试验用直流电机（17)和计算机设备（1)，同步信号采集模块（16)同时连接高压供 电模块(6)和计算机设备(1)。
[0012] -种基于上述数字化晶闸管直流电动机调速控制装置的控制方法，所述方法包 括:通过数据采集模块(5)采集高压供电模块(6)的同步信号U、直流电机转子的实测速度w 和直流电机霍尔信号dl、d2、d3;并根据同步信号U进行过零检测，并得到正/负过零信号；同 时计算得到误差e = wrrf-W，其中Wre5f为直流电机转子的参考速度，并进行速度环PI运算，得 至個定的移相控制量0= ~fH_心
[0013] 通过计算机设备（1)根据所述正/负过零信号和所述固定的移相控制量0发出向可 控整流模块(4)发送触发信号，并由可控整流模块(4)得到直流电机(17)的直流供电电压；
[0014] 再根据所述霍尔信号dl、d2、d3获取直流电机（17)的位置信息，并根据所述位置信 息得到直流电机（17)的换向信号，再将所述换向信号经逻辑保护模块(2)向电机驱动控制 器(3)发送。
[0015]还包括:通过数据采集模块(5)采集高压供电模块(6)的同步信号U、直流电机转子 的实测速度w和直流电机霍尔信号dl、d2、d3;并根据同步信号U进行过零检测，并得到正/负 过零信号；同时计算得到误差e = Wrrf-W，其中Wrrf为直流电机转子的参考速度，并进行速度 环PI运算，得到控制量输出t.f以 (J *
[0016] 通过计算机设备（1)根据直流电机（17)的换向信号和所述控制输出量u得到PWM控 制信号;并将所述PWM控制信号经逻辑保护模块(2)向电机驱动控制器(3)发送。
[0017] 本发明实施例提供的数字化晶闸管直流电动机调速控制装置及控制方法，实现了 直流电机快速接入，并建立闭环仿真模型，能够将实时运行参数反馈到实时控制单元，实现 实际的硬件在环实验，相对于专用DSP芯片的控制系统要简单且节省时间和人员的工作量。 并可以实时控制修改算法参数，为参数寻优、各种算法的性能比较，实现了对实际情况下的 算法进行快速验证，以及控制算法的参数调节提供了方便。且可以通过调压来调速也可通 过调节PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)来实现调速，灵活性高。
【附图说明】
[0018] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的 附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它的附 图。
[0019] 图1为是本发明实施例提供的装置的结构示意图；
[0020] 图2为是本发明实施例提供的装置的细化结构示意图；
[0021] 图3为是本发明实施例提供的直流电机的调压调速控制流程示意图；
[0022] 图4为是本发明实施例提供的直流电机的PWM调速控制流程示意图。
【具体实施方式】
[0023] 为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方 式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示 例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类 似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能 解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形 式"一"、"一个"、"所述"和"该"也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书 中使用的措辞"包括"是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除 存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解， 当我们称元件被"连接"或"耦接"到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者 也可以存在中间元件。此外，这里使用的"连接"或"耦接"可以包括无线连接或耦接。这里使 用的措辞"和/或"包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术领域 技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有 与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用 字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且 除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0024] 本发明实施例提供一种数字化晶闸管直流电动机调速控制装置，如图1所示，包 括:计算机设备（1)、逻辑保护电路(2)、电机驱动控制器(3)、可控整流模块(4)和数据采集 模块(5)。其中，计算机设备（1)通过可控整流模块(4)与电机驱动控制器(3)串联连接，数据 采集模块(5)、计算机设备（1)、逻辑保护电路(2)、电机驱动控制器(3)、直流电机（17)依次 串联连接，直流电机(17)与数据采集模块(5)连接。
[0025] 具体的，计算机设备（1)产生2路触发控制信号通过触发电路（15)接到单相桥式半 控整流电路(14)从而控制给直流电机供电的直流电，完成通过调压来调速。
[0026] 进一步的，计算机设备（1)产生6路PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制） 信号通过6路接口接逻辑保护电路(2)后送到电机驱动控制器(3)，电机驱动控制器(3)和直 流电机(17)通过三相电源线、霍尔信号线相连，控制电机的运行，编码器模块（10)获得试验 用直流电机(17)的位置和速度信息反馈到计算机设备（1);计算机设备（1)和数据采集模块 (5)以及逻辑保护电路(2)之间通过实时控制软件的硬件相连，将计算机设备（1)上设置的 各控制参数传输给电机驱动控制器，数据采集模块(5)同时将采集到的试验用直流电机的 实时数据传送给实时控制单元，形成闭环控制。逻辑保护电路(2)由逻辑芯片和连接所述逻 辑芯片的外围电路组成，用于在向后续IPM模块（Intelligent Power Module，智能功率模 块)发送的控制信号时，触发同一桥臂的上下桥臂中的其中一个导通。
[0027] 本实施例中，计算机设备（1)由运行Mat lab/Simul ink或Labview软件环境的PC机 和(>)113118 61'或1'11平台组成。例如：安装(>)113118 61'公司出品的(>)1131^实时软件和1^11：1313软件， Matlab与QuaRC软件包括电机控制算法的实现、参数设置部分和动态性能参数显示部分；电 机控制算法的实现与参数设置部分用于调制控制信号PWM波形，并通过实时控制软件输送 到电机驱动控制器中；动态性能参数显示部分用于显示数据采集模块(5)传送过来的电机 运行动态数据，用于观察整个系统的运行状况。
[0028] 具体的，如图2所示的，电机驱动控制器(3)由光电隔离模块(7)、功率芯片供电模 块(8 )、功率驱动模块(9 )、保护电路模块（13)组成。其中，光电隔离模块(7 )、功率芯片供电 模块(8)和保护电路模块（13)均与功率驱动模块（9)相连，功率驱动模块（9)与直流电机 (17)相连，计算机设备(1)通过逻辑保护模块(2)连接光电隔离模块(7)。
[0029] 数据采集模块(5)包括编码器模块(10)、电流测量模块(11)、电压测量模块(12)和 同步信号采集模块（16)，其中，编码器模块(10)、电流测量模块(11)和电压测量模块（12)均 分别连接试验用直流电机（17)和计算机设备（1)，同步信号采集模块（16)同时连接高压供 电模块(6)和计算机设备(1)。
[0030] 具体的，如图3所示的，可控整流模块(4)由高压供电模块(6)、单相桥式半控整流 电路（14)和触发电路（15)组成。
[0031] 本发明实施例提供的用于一种数字化晶闸管直流电动机调速控制装置，实现了直 流电机快速接入，并建立闭环仿真模型，能够将实时运行参数反馈到实时控制单元，实现实 际的硬件在环实验，相对于专用DSP芯片的控制系统要简单且节省时间和人员的工作量。并 可以实时控制修改算法参数，为参数寻优、各种算法的性能比较，实现了对实际情况下的算 法进行快速验证，以及控制算法的参数调节提供了方便。且可以通过调压来调速也可通过 调节PWM来实现调速，灵活性高。
[0032] 在本实施例中，还提供一种数字化晶闸管直流电动机调速控制方法，该方法具体 用于上述控制装置，该方法包括：
[0033]通过数据采集模块(5)采集高压供电模块(6)的同步信号U、直流电机转子的实测 速度w和直流电机霍尔信号(11、(12、(13。并根据同步信号1]进行过零检测，并得到正/负过零信 号。同时计算得到误差e=w rrf-W，其中为直流电机转子的参考速度，并进行速度环PI运 t 算屬到固定的移相控制量^&^+^^^其中&为比例系数而为积分系数 0 〇
[0034]通过计算机设备（1)根据所述正/负过零信号和所述固定的移相控制量0发出向可 控整流模块(4)发送触发信号，并由可控整流模块(4)得到直流电机(17)的直流供电电压。 [0035]再根据所述霍尔信号dl、d2、d3获取直流电机（17)的位置信息，并根据所述位置信 息得到直流电机（17)的换向信号，再将所述换向信号经逻辑保护模块(2)向电机驱动控制 器(3)发送。
[0036] 例如:基于如图3所示的流程架构，数据采集模块(5)采集高压供电模块的同步信 号U、直流电机转子实测速度w，直流电机霍尔信号dl，d2，d3,其中，还可加入电机相电流等 信号，从而在控制环中可加入电流环形成双闭环控制;根据同步信号U进行软件过零检测， 发出正/负过零信号;计算误差e = wref-W;(Wref为直流电机转子参考速度）；进行速度环PI运 t 算，得到移相控制量输出9 心j" 计算机设备（i)根据正/负过零信号和移相控制 量9发出触发信号给可控整流模块得到直流电机的直流供电电压;计算机设备（1)根据霍尔 信号dl，d2，d3获得直流电机的位置信息，从而得到直流电机的换向信号;换向信号由计算 机设备(1)发出，经逻辑保护模块(2)送至电机驱动控制器(3)从而控制直流电机的运转。
[0037] 进一步的，本实施例中还提供一种PWM控制过程，具体包括：
[0038] 通过数据采集模块(5)采集高压供电模块(6)的同步信号U、直流电机转子的实测 速度w和直流电机霍尔信号(11、(12、(13。并根据同步信号1]进行过零检测，并得到正/负过零信 号。同时计算得到误差e=w rrf-W，其中为直流电机转子的参考速度，并进行速度环PI运 算，得到控制量输出《 = +再通过计算机设备（1)根据直流电机（17)的换向信 0： 号和所述控制输出量u得到PWM控制信号。并将所述PWM控制信号经逻辑保护模块(2)向电机 驱动控制器(3)发送。
[0039] 例如：如图4所示，数据采集模块(5)采集高压供电模块的同步信号U、直流电机转 子实测速度w，直流电机霍尔信号dl，d2，d3;根据同步信号U进行软件过零检测，发出正/负 过零信号;计算误差e=m;( Wrrf为直流电机转子参考速度）；进行速度环PI运算，得到控 制量输出《 人.H十算机设备（1)根据正/负过零信号和固定的移相控制量0发出 0 触发信号给可控整流模块得到固定的直流电机的直流供电电压;计算机设备（1)根据霍尔 信号dl，d2，d3获得直流电机的位置信息，从而得到直流电机的换向信号;计算机设备（1)根 据直流电机的换向信号和控制输出量u得到PWM控制信号;PWM控制信号经逻辑保护模块(2) 送至电机驱动控制器(3)从而控制直流电机的运转。
[0040] 进一步的，在计算机设备（1)运行过程中，向屏幕输出并显示直流电机(17)的状态 信息，所述状态信息至少包括:直流电机(17)的实测速度和电机相电流。由于PC机与实时控 制软件的操作界面都是可视化的，电机控制算法和电机动态参数都是以图像化显示，便于 观察和分析。
[0041] 本发明实施例提供的一种数字化晶闸管直流电动机调速控制方法，实现了直流电 机快速接入，并建立闭环仿真模型，能够将实时运行参数反馈到实时控制单元，实现实际的 硬件在环实验，相对于专用DSP芯片的控制系统要简单且节省时间和人员的工作量。并可以 实时控制修改算法参数，为参数寻优、各种算法的性能比较，实现了对实际情况下的算法进 行快速验证，以及控制算法的参数调节提供了方便。且可以通过调压来调速也可通过调节 PWM来实现调速，灵活性高。
[0042] 本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部 分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实 施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例 的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于 此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替 换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范 围为准。
【主权项】
1. 一种数字化晶闸管直流电动机调速装置，其特征在于，包括:计算机设备（1)、逻辑保 护电路(2)、电机驱动控制器(3)、可控整流模块(4)和数据采集模块(5);其中，计算机设备 (1)通过可控整流模块(4)与电机驱动控制器(3)串联连接，数据采集模块(5)、计算机设备 (1)、逻辑保护电路(2)、电机驱动控制器(3)、直流电机(17)依次串联连接，直流电机(17)与 数据采集模块(5)连接； 逻辑保护电路(2)由逻辑芯片和连接所述逻辑芯片的外围电路组成，用于在向后续的 智能功率模块(IPM)发送的控制信号时，触发同一桥臂的上下桥臂中的其中一个导通； 电机驱动控制器(3)由光电隔离模块(7 )、功率芯片供电模块(8)、功率驱动模块(9 )、保 护电路模块(13)组成;其中，光电隔离模块(7 )、功率芯片供电模块(8)和保护电路模块(13) 均与功率驱动模块(9)相连，功率驱动模块(9)与直流电机(17)相连，计算机设备（1)通过逻 辑保护模块(2)连接光电隔离模块(7); 可控整流模块(4)由高压供电模块(6 )、单相桥式半控整流电路（14)和触发电路（15)组 成； 数据采集模块(5)包括编码器模块(10)、电流测量模块(11)、电压测量模块（12)和同步 信号采集模块(16)，其中，编码器模块(10)、电流测量模块(11)和电压测量模块(12)均分别 连接试验用直流电机（17)和计算机设备（1)，同步信号采集模块（16)同时连接高压供电模 块(6)和计算机设备(1)。2. 根据权利要求1所述的数字化晶闸管直流电动机调速装置，其特征在于，计算机设备 (1)由运行Matlab/Simulink或Labview软件环境的PC机和Quanser或NI平台组成。3. -种数字化晶闸管直流电动机调速控制方法，其特征在于，所述方法用于一种控制 装置，所述控制装置包括:计算机设备（1)、逻辑保护电路(2)、电机驱动控制器(3)、可控整 流模块(4)和数据采集模块(5);其中，计算机设备（1)通过可控整流模块(4)与电机驱动控 制器(3)串联连接，数据采集模块(5)、计算机设备（1)、逻辑保护电路(2)、电机驱动控制器 (3 )、直流电机(17)依次串联连接，直流电机(17)与数据采集模块(5)连接； 所述方法包括： 通过数据采集模块(5)采集高压供电模块(6)的同步信号U、直流电机转子的实测速度w 和直流电机霍尔信号dl、d2、d3;并根据同步信号U进行过零检测，并得到正/负过零信号；同 时计算得到误差e = wrrf-w，其中Wre3f为直流电机转子的参考速度，并进行速度环PI运算，得 到固定的移相控制I其中ΚΡ为比例系数，K:为积分系数； 9 通过计算机设备（1)根据所述正/负过零信号和所述固定的移相控制量Θ发出向可控整 流模块(4)发送触发信号，并由可控整流模块(4)得到直流电机(17)的直流供电电压； 再根据所述霍尔信号dl、d2、d3获取直流电机（17)的位置信息，并根据所述位置信息得 到直流电机(17)的换向信号，再将所述换向信号经逻辑保护模块(2)向电机驱动控制器(3) 发送。4. 根据权利要求3所述的数字化晶闸管直流电动机调速控制方法，其特征在于： 计算机设备（1)由运行Matlab/Simulink或Labview软件环境的PC机和Quanser或NI平 台组成； 逻辑保护电路(2)由逻辑芯片和连接所述逻辑芯片的外围电路组成，用于在向后续智 能功率模块发送的控制信号时，触发同一桥臂的上下桥臂中的其中一个导通； 电机驱动控制器(3)由光电隔离模块(7 )、功率芯片供电模块(8)、功率驱动模块(9 )、保 护电路模块(13)组成，其中，光电隔离模块(7 )、功率芯片供电模块(8)和保护电路模块(13) 均与功率驱动模块(9)相连，功率驱动模块(9)与直流电机(17)相连，计算机设备（1)通过逻 辑保护模块(2)连接光电隔离模块(7); 可控整流模块(4)由高压供电模块(6 )、单相桥式半控整流电路（14)和触发电路（15)组 成； 数据采集模块(5)包括编码器模块(10)、电流测量模块(11)、电压测量模块（12)和同步 信号采集模块(16)，其中，编码器模块(10)、电流测量模块(11)和电压测量模块(12)均分别 连接试验用直流电机（17)和计算机设备（1)，同步信号采集模块（16)同时连接高压供电模 块(6)和计算机设备(1)。5. 根据权利要求4所述的数字化晶闸管直流电动机调速控制方法，其特征在于： 通过数据采集模块(5)采集高压供电模块(6)的同步信号U、直流电机转子的实测速度w 和直流电机霍尔信号dl、d2、d3;并根据同步信号U进行过零检测，并得到正/负过零信号；同 时计算得到误差e = wrrf-w，其中Wre3f为直流电机转子的参考速度，并进行速度环PI运算，得 到控制量输吐通过计算机设备（1)根据直流电机（17)的换向信号和所述控制输出量u得到脉冲宽度 调制(PWM)控制信号；并将所述HVM控制信号经逻辑保护模块(2)向电机驱动控制器(3)发 送。6. 根据权利要求3-5中任意一项所述的数字化晶闸管直流电动机调速控制方法，其特 征在于，在计算机设备（1)运行过程中，向屏幕输出并显示直流电机（17)的状态信息，所述 状态信息至少包括:直流电机(17)的实测速度和电机相电流。
【文档编号】H02P7/00GK105958878SQ201610474190
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月24日
【发明人】黄家才, 张玎橙, 李海彬, 刘宇
【申请人】南京工程学院