CN112398374B - 一种三相无刷直流电机的控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种三相无刷直流电机的控制系统及其控制方法，控制系统包括处理芯片，处理芯片包括处理系统和可编程逻辑，处理系统与可编程逻辑之间通过高速通讯接口连接；信号采集芯片采集三相无刷直流电机的设定电信号；可编程逻辑产生第一中断并根据第一中断将设定电信号传输至处理系统，以及产生第二中断；处理系统根据第二中断对设定电信号进行设定算法以生成脉冲宽度调制信号至可编程逻辑；可编程逻辑解析脉冲宽度调制信号；驱动芯片根据解析后的脉冲宽度调制信号控制三相无刷直流电机。通过本公开的技术方案，有利于实现控制系统的功能扩展和多种功能的集成，使得三相无刷直流电机的控制系统具有更好的兼容性和更高的集成度。

Description

一种三相无刷直流电机的控制系统及其控制方法

技术领域

本公开涉及电机技术领域，尤其涉及一种三相无刷直流电机的控制系统及其控制方法。

背景技术

针对三相无刷直流(BLDC，Brushless Direct Current)电机具有的控制要求实时性高且可靠性强等特点，对三相无刷直流电机的控制过程对主处理器的性能，例如中断性能要求极为严格。在现有的三相无刷直流电机的控制方案中，一般采用意法半导体开发的STM32嵌入式单片机或者DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)芯片作为主处理器，以裸跑的方式控制三相无刷直流电机工作。

但是，STM32嵌入式单片机或者DSP芯片的外设功能接口有限，在对三相无刷直流电机的控制过程中，无法对其它高性能要求的功能进行集成控制，且当控制系统对主处理器的性能，例如中断性能要求极为严格时，STM32嵌入式单片机或者DSP芯片根本无法满足要求。

发明内容

为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开提供了一种三相无刷直流电机的控制系统及其控制方法，有利于实现三相无刷直流电机的控制系统的功能扩展和多种功能的集成，使得三相无刷直流电机的控制系统具有更好的兼容性和更高的集成度。

第一方面，本公开提供了一种三相无刷直流电机的控制系统，包括:

处理芯片，所述处理芯片包括处理系统和可编程逻辑，所述处理系统与所述可编程逻辑之间通过高速通讯接口连接；

信号采集芯片，与所述可编程逻辑连接，用于采集所述三相无刷直流电机的设定电信号至所述可编程逻辑；

所述可编程逻辑用于产生第一中断并根据所述第一中断将所述设定电信号传输至所述处理系统，以及用于产生第二中断并传输至所述处理系统；

所述处理系统用于根据所述第二中断对所述设定电信号进行设定算法以生成脉冲宽度调制信号至所述可编程逻辑；

所述可编程逻辑用于解析所述脉冲宽度调制信号；

驱动芯片，与所述可编程逻辑连接，用于根据解析后的所述脉冲宽度调制信号控制所述三相无刷直流电机。

可选地，所述信号采集芯片用于通过SPI方式采集所述三相无刷直流电机的设定电信号至所述可编程逻辑。

可选地，所述处理芯片包括ZYNQ芯片。

可选地，所述信号采集芯片包括AD7490型号的芯片。

可选地，所述驱动芯片包括DRV8313型号的芯片或者L6230型号的芯片。

第二方面，本公开提供了一种三相无刷直流电机的控制方法，包括：

信号采集芯片采集所述三相无刷直流电机的设定电信号；

可编程逻辑产生第一中断并根据所述第一中断将所述设定电信号传输至处理系统，以及产生第二中断；

所述处理系统根据所述第二中断对所述设定电信号进行设定算法以生成脉冲宽度调制信号；

所述可编程逻辑解析所述脉冲宽度调制信号；

驱动芯片根据解析后的所述脉冲宽度调制信号控制所述三相无刷直流电机；

其中，所述处理系统与所述可编程逻辑之间通过高速通讯接口连接。

可选地，所述第一中断包括定时器更新中断，所述定时器更新中断用于切换所述设定电信号的采集通道。

可选地，所述第二中断包括定时器中断和采集完成中断，所述定时器中断用于控制所述处理系统切换所述三相无刷直流电机的状态，所述采集完成中断用于控制所述处理系统完成所述设定电信号的采集和所述设定算法以及输出所述脉冲宽度调制信号。

可选地，所述设定电信号至少包括所述三相无刷直流电机的三相电流和所述三相无刷直流电机的供电电压，所述设定算法包括磁场定向控制算法。

可选地，所述可编程逻辑解析所述脉冲宽度调制信号，包括：

所述可编程逻辑将并行的脉冲宽度调制信号转换为串行的脉冲宽度调制信号。

本公开实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：

本公开实施例提供的三相无刷直流电机的控制系统及控制方法，设置三相无刷直流电机的控制系统包括处理芯片、信号采集芯片和驱动芯片，处理芯片包括处理系统和可编程逻辑，处理系统与可编程逻辑之间通过高速通讯接口连接，信号采集芯片用于采集三相无刷直流电机的设定电信号至可编程逻辑，可编程逻辑用于产生第一中断并根据第一中断将设定电信号传输至处理系统，以及用于产生第二中断并传输至处理系统，处理系统用于根据第二中断对设定电信号进行设定算法以生成脉冲宽度调制信号至可编程逻辑，可编程逻辑用于解析脉冲宽度调制信号，驱动芯片用于根据解析后的脉冲宽度调制信号控制三相无刷直流电机。由此，三相无刷直流电机的控制系统在实现了采集三相无刷直流电机的设定电信号以通过设定算法生成脉冲宽度调制信号，进而实现了对三相无刷直流电机的控制的同时，利用通过高速通讯接口连接的处理系统和可编程逻辑构成的中断性能更优化且实时性和可靠性更优化的处理芯片，有利于实现三相无刷直流电机的控制系统的功能扩展和多种功能的集成，使得三相无刷直流电机的控制系统具有更好的兼容性和更高的集成度。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开实施例提供的一种三相无刷直流电机的控制系统的结构示意图；

图2为本公开实施例提供的一种三相无刷直流电机的拓扑结构示意图；

图3为本公开实施例提供的一种三相无刷直流电机的控制系统的分层结构示意图；

图4为本公开实施例提供的一种三相无刷直流电机的控制方法的流程示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面将对本公开的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，但本公开还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。

图1为本公开实施例提供的一种三相无刷直流电机的控制系统的结构示意图。如图1所示，三相无刷直流电机的控制系统包括处理芯片1、信号采集芯片2和驱动芯片3，处理芯片1包括处理系统PS和可编程逻辑PL，处理系统PS与可编程逻辑PL之间通过高速通讯接口连接，可编程逻辑PL分别与信号采集芯片和驱动芯片3连接。

信号采集芯片2用于采集三相无刷直流电机M的设定电信号至可编程逻辑PL，可编程逻辑PL用于产生第一中断并根据第一中断将设定电信号传输至处理系统PS，以及用于产生第二中断并传输至处理系统PS，处理系统PS用于根据第二中断对设定电信号进行设定算法以生成脉冲宽度调制信号至可编程逻辑PL，可编程逻辑PL用于解析脉冲宽度调制信号，驱动芯片3用于根据解析后的脉冲宽度调制信号控制三相无刷直流电机M。

具体地，如图1所示，信号采集芯片2用于采集三相无刷直流电机M的设定电信号至可编程逻辑PL。示例性地，三相无刷直流电机M的设定电信号至少可以包括三相无刷直流电机M的三相电流和三相无刷直流电机M的供电电压。图2为本公开实施例提供的一种三相无刷直流电机的拓扑结构示意图。如图2所示，ia、ib和ic分别为三相无刷直流电机M的三相电流，Uin为三相无刷直流电机M的供电电压，采集三相无刷直流电机M的设定电信号，即采集三相无刷直流电机M对应的ia、ib和ic三相电流以及供电电压Uin。示例性地，信号采集芯片2例如可以包括AD7490型号的芯片。示例性地，信号采集芯片2可以通过SPI(SerialPeripheral Interface，串行外设接口)方式采集三相无刷直流电机M的设定电信号至可编程逻辑PL。

如图1所示，可编程逻辑PL用于产生第一中断并根据第一中断将设定电信号传输至处理系统PS。示例性地，第一中断例如可以包括定时器更新中断，定时器更新中断用于切换设定电信号的采集通道。

具体地，设定电信号至少可以包括三相无刷直流电机M的三相电流和三相无刷直流电机M的供电电压，在对三相无刷直流电机M的三相电流进行采集时，每次仅采集两项电流信号，下一时刻，切换三相电流的采集通道，采集另外不同的两项电流信号，定时器更新中断即可用于切换设定电信号的采集通道，即用于切换三相电流的采集通道。可编程逻辑PL进而可以根据第一中断将设定电信号传输至处理系统PS，即可编程逻辑PL利用产生的第一中断实现三相电流的采集通道的切换，进而实现将三相无刷直流电机M的设定电信号采集至处理系统PS以供运算。示例性地，第一中断，例如定时器更新中断可以为20KHz的高频中断。

如图1所示，可编程逻辑PL还可用于产生第二中断并传输至处理系统PS，处理系统PS用于根据第二中断对设定电信号进行设定算法以生成脉冲宽度调制信号至可编程逻辑PL。示例性地，设定算法例如可以包括磁场定向控制算法，即FOC(Field OrientedControl)算法。

磁场定向控制算法为磁场导向控制算法，又称为矢量控制算法，是一种利用变频器控制电机的技术，通过调节变频器的输出频率、输出电压的大小以及角度来控制三相无刷直流电机的输出，其特性是可以个别地控制电机的磁场及转矩，类似他激式直流电机的特性。由于磁场定向控制在处理时会将三相无刷直流电机的三相电流和三相无刷直流电机的供电电压以矢量来表示，因此也称为矢量控制算法。需要说明的是，对设定电信号，即三相无刷直流电机的三相电流和三相无刷直流电机的供电电压进行磁场定向控制算法以生成脉冲宽度调制信号的过程为本领域技术人员熟知的内容，这里不再赘述。

可选地，第二中断可以包括定时器中断，定时器中断用于控制处理系统PS切换三相无刷直流电机M的状态。示例性地，定时器中断可以是500μs的中频中断，定时器中断主要用于实现三相无刷直流电机M运行状态的切换，三相无刷直流电机M的状态例如可以包括三相无刷直流电机M的启动、停止、准备停止等状态。根据定时器中断，随着三相无刷直流电机M状态的切换，处理系统PS对设定电信号进行设定算法以生成脉冲宽度调制信号至可编程逻辑PL。

可选地，第二中断还可以包括采集完成中断，采集完成中断用于控制处理系统PS完成设定电信号的采集和设定算法以及输出脉冲宽度调制信号。示例性地，采集完成中断例如可以是20KHz的高频中断，采集完成中断用于控制处理系统PS完成设定电信号的采集和设定算法以及输出脉冲宽度调制信号，即依赖采集完成中断，处理系统PS才能完成设定信号的采集，完成设定算法，例如磁场定向控制算法，并生成脉冲宽度调制信号的过程，采集完成中断可以由定时器产生。

处理系统PS根据第二中断对设定电信号进行设定算法以生成脉冲宽度调制信号至可编程逻辑PL。可编程逻辑PL用于解析脉冲宽度调制信号。示例性地，可编程逻辑PL解析脉冲宽度调制信号，可以是可编程逻辑PL将并行的脉冲宽度调制信号转换为串行的脉冲宽度调制信号。

具体地，处理系统PS生成的脉冲宽度调制信号为并行的脉冲宽度调制信号，而三相无刷直流电机M工作需要串行的脉冲宽度调制信号，因此在对三相无刷直流电机M进行控制之前，可编程逻辑PL可以利用编码模块将并行的脉冲宽度调制信号转换为串行的脉冲宽度调制信号以匹配三相无刷直流电机M的工作需求，串行的脉冲宽度调制信号可以为三路互补的脉冲宽度调制信号。

驱动芯片3与可编程逻辑PL连接，驱动芯片3用于根据解析后的脉冲宽度调制信号控制三相无刷直流电机M，即驱动芯片3用于根据转换后的串行的脉冲宽度调制信号控制三相无刷直流电机M。示例性地，驱动芯片3可以包括DRV8313型号的芯片或者L6230型号的芯片。

图3为本公开实施例提供的一种三相无刷直流电机的控制系统的分层结构示意图。结合图1和图3，将三相无刷直流电机M的三相电流ia、ib和ic和供电电压Uin作为控制系统的输入信号，经过磁场定向控制算法的处理输出脉冲宽度调制信号，例如输出三路互补的脉冲宽度调制信号PWM1、PWM2和PWM3，从而控制三相无刷直流电机M稳定运转。

其中，使用AD7490型号的芯片实现信号采集芯片2，使用DRV8313型号的芯片实现驱动芯片3，信号采集芯片2与驱动芯片3均属于硬件层A，三相无刷直流电机M，属于执行机构。从硬件层A输入到硬件层A输出，需要经过逻辑层B、软件驱动层C和软件应用层D。逻辑层B负责输入信号的采集和中断的产生，以及输出信号至硬件层解析的功能。软件驱动层C主要负责磁场定向控制算法的运算。软件应用层D主要实现与用户之间的交互功能。

从设计上分析，软件应用层D和软件驱动层C属于处理芯片1的处理系统PS，逻辑层B属于处理芯片1的可编程逻辑PL，结合图1和图3，可编程逻辑PL采集的信号传输至处理系统PS进行磁场定向控制运算处理后，处理系统PS又输出控制占空比等信号至可编程逻辑PL，可编程逻辑PL侧可以通过编码模块进行编码，即将并行的脉冲宽度调制信号转换为串行的脉冲宽度调制信号，实现脉冲宽度调制信号转串口后，送至驱动芯片3以控制三相无刷直流电机M稳定工作。

示例性地，处理芯片1可以包括ZYNQ芯片，即处理芯片1可以采用Xilinx(赛灵思)公司生成的ZYNQ芯片。具体地，极大规模的ZYNQ芯片内部集成了双核ARM CortexA53的处理器和Xilinx可编程逻辑极大规模架构。ZYNQ芯片具有多CPU(Central Processing Unit，中央处理器)和中断性能高的特点，且其处理系统PS与可编程逻辑PL之间设置有高速通讯接口，有利于功能的扩展和多种功能的集成，使得三相无刷直流电机M的控制系统具有更好的兼容性和高集成性。

本公开实施例，以ZYNQ UltraScaleMPSOC(System On Chip，片上系统)为主处理器，在petalinux系统下通过磁场定向控制算法实现了对三相无刷直流电机的控制，主要进行了可编程逻辑PL对三相无刷直流电机的三相电流和供电电压的采集以及脉冲宽度调制信号的输出，利用ZYNQ UltraScale MPSOC控制三相无刷直流电机M的实现了跨平台(linux系统)的控制，具有很强的兼容性和可集成性。

由此，本公开实施例中，三相无刷直流电机的控制系统在实现了采集三相无刷直流电机的设定电信号以通过设定算法生成脉冲宽度调制信号，进而实现了对三相无刷直流电机的控制的同时，利用通过高速通讯接口连接的处理系统和可编程逻辑构成的中断性能更优化且实时性和可靠性更优化的处理芯片，有利于实现三相无刷直流电机的控制系统的功能扩展和多种功能的集成，使得三相无刷直流电机的控制系统具有更好的兼容性和更高的集成度。

本公开实施例还提供了一种三相无刷直流电机的控制方法，图4为本公开实施例提供的一种三相无刷直流电机的控制方法的流程示意图。三相无刷直流电机的控制方法可以应用在需要三相无刷直流电机进行控制的应用场景，可以由本公开实施例提供的三相无刷直流电机的控制系统执行。如图4所示，三相无刷直流电机的控制方法包括：

S110、信号采集芯片采集三相无刷直流电机的设定电信号。

示例性地，设定电信号至少包括三相无刷直流电机的三相电流和三相无刷直流电机的供电电压，设定算法包括磁场定向控制算法。

S120、可编程逻辑产生第一中断并根据第一中断将设定电信号传输至处理系统，以及产生第二中断。

可选地，第一中断包括定时器更新中断，定时器更新中断用于切换设定电信号的采集通道。

可选地，第二中断包括定时器中断和采集完成中断，定时器中断用于控制处理系统切换三相无刷直流电机的状态，采集完成中断用于控制处理系统完成设定电信号的采集和设定算法以及输出脉冲宽度调制信号。

S130、处理系统根据第二中断对设定电信号进行设定算法以生成脉冲宽度调制信号。

具体地，处理系统与可编程逻辑之间通过高速通讯接口连接。

S140、可编程逻辑解析脉冲宽度调制信号。

可选地，可编程逻辑解析脉冲宽度调制信号，可以设置可编程逻辑将并行的脉冲宽度调制信号转换为串行的脉冲宽度调制信号。

S150、驱动芯片根据解析后的脉冲宽度调制信号控制三相无刷直流电机。

本公开实施例中，三相无刷直流电机的控制系统在实现了采集三相无刷直流电机的设定电信号以通过设定算法生成脉冲宽度调制信号，进而实现了对三相无刷直流电机的控制的同时，利用通过高速通讯接口连接的处理系统和可编程逻辑构成的中断性能更优化且实时性和可靠性更优化的处理芯片，有利于实现三相无刷直流电机的控制系统的功能扩展和多种功能的集成，使得三相无刷直流电机的控制系统具有更好的兼容性和更高的集成度。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种三相无刷直流电机的控制系统，其特征在于，包括:

处理芯片，所述处理芯片包括处理系统和可编程逻辑，所述处理系统与所述可编程逻辑之间通过高速通讯接口连接；

信号采集芯片，与所述可编程逻辑连接，用于采集所述三相无刷直流电机的设定电信号至所述可编程逻辑；

所述可编程逻辑用于产生第一中断并根据所述第一中断将所述设定电信号传输至所述处理系统，以及用于产生第二中断并传输至所述处理系统；

所述处理系统用于根据所述第二中断对所述设定电信号进行设定算法以生成脉冲宽度调制信号至所述可编程逻辑；

所述可编程逻辑用于解析所述脉冲宽度调制信号；

驱动芯片，与所述可编程逻辑连接，用于根据解析后的所述脉冲宽度调制信号控制所述三相无刷直流电机。

2.根据权利要求1所述的三相无刷直流电机的控制系统，其特征在于，所述信号采集芯片用于通过SPI方式采集所述三相无刷直流电机的设定电信号至所述可编程逻辑。

3.根据权利要求1所述的三相无刷直流电机的控制系统，其特征在于，所述处理芯片包括ZYNQ芯片。

4.根据权利要求1所述的三相无刷直流电机的控制系统，其特征在于，所述信号采集芯片包括AD7490型号的芯片。

5.根据权利要求1所述的三相无刷直流电机的控制系统，其特征在于，所述驱动芯片包括DRV8313型号的芯片或者L6230型号的芯片。

6.一种三相无刷直流电机的控制方法，其特征在于，包括：

信号采集芯片采集所述三相无刷直流电机的设定电信号；

可编程逻辑产生第一中断并根据所述第一中断将所述设定电信号传输至处理系统，以及产生第二中断；

所述处理系统根据所述第二中断对所述设定电信号进行设定算法以生成脉冲宽度调制信号；

所述可编程逻辑解析所述脉冲宽度调制信号；

驱动芯片根据解析后的所述脉冲宽度调制信号控制所述三相无刷直流电机；

其中，所述处理系统与所述可编程逻辑之间通过高速通讯接口连接。

7.根据权利要求6所述的三相无刷直流电机的控制方法，其特征在于，所述第一中断包括定时器更新中断，所述定时器更新中断用于切换所述设定电信号的采集通道。

8.根据权利要求6所述的三相无刷直流电机的控制方法，其特征在于，所述第二中断包括定时器中断和采集完成中断，所述定时器中断用于控制所述处理系统切换所述三相无刷直流电机的状态，所述采集完成中断用于控制所述处理系统完成所述设定电信号的采集和所述设定算法以及输出所述脉冲宽度调制信号。

9.根据权利要求6所述的三相无刷直流电机的控制方法，其特征在于，所述设定电信号至少包括所述三相无刷直流电机的三相电流和所述三相无刷直流电机的供电电压，所述设定算法包括磁场定向控制算法。

10.根据权利要求6所述的三相无刷直流电机的控制方法，其特征在于，所述可编程逻辑解析所述脉冲宽度调制信号，包括：

所述可编程逻辑将并行的脉冲宽度调制信号转换为串行的脉冲宽度调制信号。

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