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CN117559846A - 多电机控制模块及电机驱动系统 - Google Patents

多电机控制模块及电机驱动系统 Download PDF

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CN117559846A
CN117559846A CN202210939593.2A CN202210939593A CN117559846A CN 117559846 A CN117559846 A CN 117559846A CN 202210939593 A CN202210939593 A CN 202210939593A CN 117559846 A CN117559846 A CN 117559846A
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郁丽
赵旭东
谢兴华
王桑
陈文超
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Abstract

本发明提供一种多电机控制模块及电机驱动系统，包括：至少两个电机引擎控制单元，为对应电机提供控制信号；采样单元，对各电机的相电流进行采样；处理器，依次读取采样数据；第一坐标变换单元，依次将各电机的三相电流采样信号从三相静止坐标系变换至两相静止坐标系和两相旋转坐标系；电机角度估算单元，估算电机角度；第二坐标变换单元，基于当前电机的电机角度将第一坐标变换单元的输出信号从两相旋转坐标系变换至两相静止坐标系；电机控制信号产生单元，产生对应电机的空间矢量脉宽调制信号。本发明降低了芯片设计开发和制造的成本；降低了方案开发的难度、缩短了开发周期；控制算法硬件化，提高了运算速率，优化了系统控制。

Description

多电机控制模块及电机驱动系统
技术领域
本发明涉及电机控制领域，特别是涉及一种多电机控制模块及电机驱动系统。
背景技术
在第一代无感电机驱动系统中，无感电机控制算法部分功能是由模拟和数字器件的组合电路实现的。现有技术大部分已采用高速DSP或高速处理器在单个器件上实现无感双电机控制相关算法，通过软件实现控制算法虽然带来了设计灵活和硬件简单的优点，但对MCU内核和主频要求高。芯片设计和制造工艺要求的提升，带来了芯片设计制造成本的大幅提升，同时也给驱动系统开发人员带来了繁重的软件开发任务。生成控制算法的软件代码需要许多步骤：第一步，系统工程师将控制原理图变换成微分方程组；第二步，软件工程师将这些微分方程组通过C代码描述出来。由于软件开发任务重、难度大、易出错，导致方案开发周期长，并且代码的复杂性也带来了软件维护成本的提升。
因此，如何减小电机控制芯片开发设计和制造的成本，避免软件开发周期长、维护成本高等问题，已成为本领域技术人员亟待解决的技术问题之一。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种多电机控制模块及电机驱动系统，用于解决现有技术中电机控制成本高、软件开发周期长、维护成本高等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种多电机控制模块，所述多电机控制模块至少包括：
至少两个电机引擎控制单元，分别为对应电机提供控制信号；
采样单元，与各电机引擎控制单元连接，用于对各电机的相电流进行采样；
处理器，连接于所述采样单元的输出端，依次读取所述采样单元采样到的数据；
第一坐标变换单元，连接于所述处理器的输出端，依次将各电机的三相电流采样信号从三相静止坐标系变换至两相静止坐标系和两相旋转坐标系；
电机角度估算单元，连接于所述第一坐标变换单元的输出端，基于所述第一坐标变换单元的输出信号估算电机角度；
第二坐标变换单元，连接于所述第一坐标变换单元及所述电机角度估算单元的输出端，基于当前电机的所述电机角度将所述第一坐标变换单元的输出信号从两相旋转坐标系变换至两相静止坐标系，并提供对应电机号；
电机控制信号产生单元，连接于所述第二坐标变换单元的输出端，基于所述第二坐标变换单元的输出信号产生对应电机的空间矢量脉宽调制信号，并分别提供给各电机引擎控制单元。
可选地，所述第一坐标变换单元包括clark变换子单元及连接于所述clark变换子单元输出端的park变换子单元；所述clark变换子单元将三相电流采样信号从三相静止坐标系变换至两相静止坐标系；所述park变换子单元将所述clark变换子单元的输出信号从两相静止坐标系变换至两相旋转坐标系。
可选地，所述第二坐标变换单元包括反park变换子单元；所述反park变换子单元将所述第一坐标变换单元的输出信号从两相旋转坐标系变换至两相静止坐标系。
可选地，所述第一坐标变换单元与所述电机角度估算单元处理一组数据的时长之和大于等于所述第二坐标变换单元与所述电机控制信号产生单元处理一组数据的时长之和。
更可选地，所述第一坐标变换单元与所述电机角度估算单元处理一组数据的时长之和为1us，所述第二坐标变换单元与所述电机控制信号产生单元处理一组数据的时长之和为1us。
更可选地，任意一电机的控制处理时间小于等于5us。
更可选地，所述第一坐标变换单元、所述电机角度估算单元、所述第二坐标变换单元及所述电机控制信号产生单元中至少一个设置有寄存器，所述寄存器用于存储对应单元的预设输出信号。
更可选地，所述处理器与所述寄存器通讯，对所述预设输出信号进行配置。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种电机驱动系统，所述电机驱动系统至少包括：
至少两个电机、与各电机一一对应的电机驱动模块及上述多电机控制模块；
所述多电机控制模块基于各电机的相电流产生各电机的控制信号，其中，所述电机引擎控制单元与各电机一一对应；
各电机驱动模块连接于所述多电机控制模块的输出端，基于各电机的控制信号分别产生对应电机的驱动信号，进而驱动对应电机运转。
可选地，所述电机驱动模块包括PFC单元及逆变单元；所述PFC单元将交流输入电压转换为直流母线；所述逆变单元连接于所述PFC单元的输出端，基于对应电机的控制信号驱动电机运转。
如上所述，本发明的多电机控制模块及电机驱动系统，具有以下有益效果：
1、本发明的多电机控制模块及电机驱动系统中将控制电路模块化，通过对各单元分时复用完成多电机控制。
2、本发明的多电机控制模块及电机驱动系统将复杂的算法通过硬件电路实现，降低了软件开发的难度、缩短了开发周期，同时降低了对MCU性能和主频的要求，极大了缩减了芯片设计开发和制造成本。
3、本发明的多电机控制模块及电机驱动系统在单元内部定义相关数据控制寄存器，处理器可以通过APB接口访问介入整个无感电机控制流程，增强了系统控制的灵活性、通过软件介入修复系统控制中可能出现的异常现象使系统运行更加稳定可靠，解决传统模块化硬件算法使系统控制不灵活的问题。
附图说明
图1显示为本发明的多电机控制模块的结构示意图。
图2显示为本发明的第一坐标变换单元的结构示意图。
图3显示为本发明的第二坐标变换单元的结构示意图。
图4显示为本发明的电机驱动系统的结构示意图。
元件标号说明
1 多电机控制模块
11 电机引擎控制单元
12 采样单元
13 处理器
14 第一坐标变换单元
141 clark变换子单元
142 park变换子单元
15 电机角度估算单元
16 第二坐标变换单元
161 反park变换子单元
17 电机控制信号产生单元
2 电机
3 电机驱动模块
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1～图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
如图1所示，本实施例提供一种多电机控制模块1，所述多电机控制模块1包括：
至少两个电机引擎控制单元11、采样单元12、处理器13、第一坐标变换单元14、电机角度估算单元15、第二坐标变换单元16及电机控制信号产生单元17。
如图1所示，各电机引擎控制单元11分别为对应电机提供控制信号。
具体地，在本实施例中，所述控制信号为PWM信号，在实际使用中可根据需要设定所述控制信号的类型，不以本实施例为限；所述电机引擎控制单元11接收所述电机控制信号产生单元17输出的SVPWM信号，并通过运算完成正弦/余弦波到PWM波的转换，最后通过重映射模块转换控制完成三相六路PWM信号的输出，以此控制电机工作。
如图1所示，所述采样单元12与各电机引擎控制单元11连接，用于对各电机的相电流进行采样。
具体地，所述采样单元12采样各电机的相电流，作为示例，为了缩短采样时间，所述采样单元12对各电机的任意两相电流进行采样，该电机的第三相电流可基于已知两相电流计算得到。所述采样单元12也可对各电机的三相电流进行采样，不以本实施例为限。
如图1所示，所述处理器13连接于所述采样单元12的输出端，依次读取所述采样单元12采样到的数据。
具体地，在本实施例中，所述处理器13采用CPU(Central Processing Unit，中央处理器)实现，在实际使用中，任意能实现对数据处理的模块均适用于本发明，包括但不限于MPU(Micro Processor Unit，微处理器)。
具体地，所述处理器13发出读取指令，控制所述采样单元12依次输出各电机的采样数据。在本实施例中，所述处理器13还基于电机的任意两相电流计算第三相电流；在实际使用中，可基于所述第一坐标变换单元14实现对第三相电流的计算，不以本实施例为限。需要说明的是，所述处理器13的功能包括但不限于本实施例中所涉及的信号处理，任意能由处理器实现的功能均包含在本发明中，可根据实际需要设定所述处理器的用途，在此不一一赘述。
如图1所示，所述第一坐标变换单元14连接于所述处理器13的输出端，依次将各电机的三相电流采样信号从三相静止坐标系变换至两相静止坐标系和两相旋转坐标系。
具体地，如图2所示，在本实施例中，所述第一坐标变换单元14包括clark变换子单元141及连接于所述clark变换子单元141输出端的park变换子单元142。所述clark变换子单元141将三相电流采样信号(ia、ib及ic)从三相静止坐标系变换至两相静止坐标系，得到两相静止坐标系中的两相电流信号iα、iβ。所述park变换子单元142将所述clark变换子单元141的输出信号(两相电流信号iα、iβ)从两相静止坐标系变换至两相旋转坐标系，得到两相旋转坐标系中的两相电压信号ud、uq。
需要说明的是，在实际使用中，可直接从三相静止坐标系变换至两相旋转坐标系，能得到两相旋转坐标系中的相应信号即可，不以本实施例为限。通过数学上的坐标变换，可使数学模型的维数降低、参变量之间的耦合因子减少，进而简化系统数学模型。其中，坐标变换基于磁动势守恒原则实现，具体方法在此不一一赘述。
如图1所示，所述电机角度估算单元15连接于所述第一坐标变换单元14的输出端，基于所述第一坐标变换单元14的输出信号估算电机角度
具体地，所述电机角度估算单元15从所述第一坐标变换单元14获取两相静止坐标系中的两相电流信号iα、iβ，并据此估算电机角度获取电机转子位置；任意能基于相电流估算电机角度的方法均适用于本发明。在本实施例中，所述电机角度估算单元15还获取当前电机上一采样周期内的两相电压信号，基于当前采样周期的两相电流信号和上一采样周期的两相电压信号估算当前电机角度。在本实施例中，所述电机角度估算单元15还对当前电机的角速度/>进行计算，任意能计算得到角速度/>的方法均适用于本发明，所述角速度/>用于电机外环控制。
如图1所示，所述第二坐标变换单元16连接于所述第一坐标变换单元14及所述电机角度估算单元15的输出端，基于当前电机的所述电机角度将所述第一坐标变换单元的输出信号从两相旋转坐标系变换至两相静止坐标系，并提供对应电机号。
具体地，如图3所示，在本实施例中，所述第二坐标变换单元16包括反park变换子单元161。所述反park变换子单元161基于所述电机角度将所述第一坐标变换单元14输出的两相旋转坐标系中的两相电压信号ud、uq从两相旋转坐标系变换至两相静止坐标系，得到两相静止坐标系中的两相电压信号uα、uβ。所述第二坐标变换单元16向输出两相静止坐标系中的两相电压信号uα、uβ及对应电机号，以便于后续电机控制。
需要说明的是，反park变换的原理与park变换的原理类似，在此不一一赘述。
如图1所示，所述电机控制信号产生单元17连接于所述第二坐标变换单元16的输出端，基于所述第二坐标变换单元16的输出信号产生对应电机的空间矢量脉宽调制信号SVPWM，并分别提供给各电机引擎控制单元11。
具体地，所述电机控制信号产生单元17基于电压空间矢量进行调制，得到所述空间矢量脉宽调制信号SVPWM，以此实现对电机的控制。
作为本发明的另一种实现方式，如图1所示，所述第一坐标变换单元14与所述电机角度估算单元15处理一组数据的时长之和大于等于所述第二坐标变换单元16与所述电机控制信号产生单元17处理一组数据的时长之和；以保证数据正常交互，由此实现所述第一坐标变换单元14、所述电机角度估算单元15、所述第二坐标变换单元16及所述电机控制信号产生单元17的分时复用，进而实现多电机控制。作为示例，所述第一坐标变换单元14与所述电机角度估算单元15处理一组数据的时长之和为1us，所述第二坐标变换单元16与所述电机控制信号产生单元17处理一组数据的时长之和为1us。进一步地，在50M主频下任意一电机的控制处理时间(从采样到输出PWM信号)小于等于5us，以较小电路规模和较低的控制时钟频率实现高速的多电机控制。在实际使用中可根据需要设定数据处理时长，不以本实施例为限。
作为本发明的另一种实现方式，所述第一坐标变换单元14、所述电机角度估算单元15、所述第二坐标变换单元16及所述电机控制信号产生单元17中至少一个设置有寄存器，所述寄存器用于存储对应单元的预设输出信号。其中，预设输出信号为给定的输出信号而非通过上级单元计算、变换得到的输出信号。在本实施例中，所述第一坐标变换单元14、所述电机角度估算单元15、所述第二坐标变换单元16及所述电机控制信号产生单元17中均设置有寄存器，各寄存器与所述处理器13通讯，以对各预设输出信号进行配置。在本示例中，所述处理器13通过APB(Advanced Peripheral Bus)接口访问各寄存器，并介入整个电机控制流程，在软件端检测到任意单元输出的数据异常时，可以直接通过所述处理器13改写该值并送给下一个单元计算，排除掉异常点，同时也增强了系统控制的灵活性。在实际使用中，可根据需要选择对应单元设置寄存器，不以本实施例为限。
本发明的多电机控制模块依次采集各电机的相电流，并将当前电机的相电流采样信号送入第一坐标变换单元14进行坐标变换，再由电机角度估算单元15根据变换得到的信号估算电机角度；第一坐标变换单元14及电机角度估算单元15处理完信号后输出到第二坐标变换单元16(下一级单元)进行坐标变换，电机控制信号产生单元17再根据第二坐标变换单元16的输出信号产生当前电机的脉宽调制信号，再通过对应电机控制信号产生单元17产生当前电机的控制信号，实现对当前电机的控制。在第二坐标变换单元16及电机控制信号产生单元17处理当前电机信号时，第一坐标变换单元14及电机角度估算单元15对下一电机的相电流进行处理，通过硬件控制时序约束满足多电机同步控制的要求，大大缩减了整个控制系统电路的面积。
实施例二
如图4所示，本实施例提供一种电机驱动系统，所述电机驱动系统包括：
多电机控制模块1、至少两个电机2及与各电机一一对应的电机驱动模块3。
如图4所示，所述多电机控制模块1基于各电机2的相电流产生各电机的控制信号PWM，其中，所述电机引擎控制单元与各电机一一对应。
具体地，所述多电机控制模块1的结构及原理参见实施例一，在此不一一赘述。
如图4所示，各电机驱动模块3连接于所述多电机控制模块1的输出端，基于各电机的控制信号分别产生对应电机的驱动信号，进而驱动对应电机2运转。
具体地，为了便于图示，图4中以PWM表示各个电机的控制信号。在本实施例中，所述电机驱动模块3包括PFC(Power Factor Correction，功率因数校正)单元及逆变单元；所述PFC单元将交流输入电压转换为直流母线；所述逆变单元连接于所述PFC单元的输出端，基于对应电机的控制信号PWM产生三相交流输出电压以驱动电机2运转。在实际使用中，任意能基于电机的控制信号PWM驱动电机运转的电路结构均适用于本发明，不以本实施例为限。
需要说明的是，在本实施例中，各电机2为无感电机；在实际使用中各电机2也可为有感电机。电机的数量可根据需要设定，所述多电机控制模块1内电机引擎控制单元的数量也相应调整。
综上所述，本发明提供一种多电机控制模块及电机驱动系统，包括：至少两个电机引擎控制单元，分别为对应电机提供控制信号；采样单元，与各电机引擎控制单元连接，用于对各电机的相电流进行采样；处理器，连接于所述采样单元的输出端，依次读取所述采样单元采样到的数据；第一坐标变换单元，连接于所述处理器的输出端，依次将各电机的三相电流采样信号从三相静止坐标系变换至两相静止坐标系和两相旋转坐标系；电机角度估算单元，连接于所述第一坐标变换单元的输出端，基于所述第一坐标变换单元的输出信号估算电机角度；第二坐标变换单元，连接于所述第一坐标变换单元及所述电机角度估算单元的输出端，基于当前电机的所述电机角度将所述第一坐标变换单元的输出信号从两相旋转坐标系变换至两相静止坐标系，并提供对应电机号；电机控制信号产生单元，连接于所述第二坐标变换单元的输出端，基于所述第二坐标变换单元的输出信号产生对应电机的空间矢量脉宽调制信号，并分别提供给各电机引擎控制单元。本发明的多电机控制模块及电机驱动系统中将控制电路模块化，通过对各单元分时复用完成多电机控制；将复杂的算法通过硬件电路实现，降低了软件开发的难度、缩短了开发周期，同时降低了对MCU性能和主频的要求，极大了缩减了芯片设计开发和制造成本；在单元内部定义相关数据控制寄存器，CPU可以通过APB接口访问介入整个无感电机控制流程，增强了系统控制的灵活性、通过软件介入修复系统控制中可能出现的异常现象使系统运行更加稳定可靠，解决传统模块化硬件算法使系统控制不灵活的问题。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种多电机控制模块，其特征在于，所述多电机控制模块包括：
至少两个电机引擎控制单元，分别为对应电机提供控制信号；
采样单元，与各电机引擎控制单元连接，用于对各电机的相电流进行采样；
处理器，连接于所述采样单元的输出端，依次读取所述采样单元采样到的数据；
第一坐标变换单元，连接于所述处理器的输出端，依次将各电机的三相电流采样信号从三相静止坐标系变换至两相静止坐标系和两相旋转坐标系；
电机角度估算单元，连接于所述第一坐标变换单元的输出端，基于所述第一坐标变换单元的输出信号估算电机角度；
第二坐标变换单元，连接于所述第一坐标变换单元及所述电机角度估算单元的输出端，基于当前电机的所述电机角度将所述第一坐标变换单元的输出信号从两相旋转坐标系变换至两相静止坐标系，并提供对应电机号；
电机控制信号产生单元，连接于所述第二坐标变换单元的输出端，基于所述第二坐标变换单元的输出信号产生对应电机的空间矢量脉宽调制信号，并分别提供给各电机引擎控制单元。
2.根据权利要求1所述的多电机控制模块，其特征在于：所述第一坐标变换单元包括clark变换子单元及连接于所述clark变换子单元输出端的park变换子单元；所述clark变换子单元将三相电流采样信号从三相静止坐标系变换至两相静止坐标系；所述park变换子单元将所述clark变换子单元的输出信号从两相静止坐标系变换至两相旋转坐标系。
3.根据权利要求1所述的多电机控制模块，其特征在于：所述第二坐标变换单元包括反park变换子单元；所述反park变换子单元将所述第一坐标变换单元的输出信号从两相旋转坐标系变换至两相静止坐标系。
4.根据权利要求1所述的多电机控制模块，其特征在于：所述第一坐标变换单元与所述电机角度估算单元处理一组数据的时长之和大于等于所述第二坐标变换单元与所述电机控制信号产生单元处理一组数据的时长之和。
5.根据权利要求4所述的多电机控制模块，其特征在于：所述第一坐标变换单元与所述电机角度估算单元处理一组数据的时长之和为1us，所述第二坐标变换单元与所述电机控制信号产生单元处理一组数据的时长之和为1us。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的多电机控制模块，其特征在于：任意一电机的控制处理时间小于等于5us。
7.根据权利要求1-5任意一项所述的多电机控制模块，其特征在于：所述第一坐标变换单元、所述电机角度估算单元、所述第二坐标变换单元及所述电机控制信号产生单元中至少一个设置有寄存器，所述寄存器用于存储对应单元的预设输出信号。
8.根据权利要求7所述的多电机控制模块，其特征在于：所述处理器与所述寄存器通讯，对所述预设输出信号进行配置。
9.一种电机驱动系统，其特征在于，所述电机驱动系统至少包括：
至少两个电机、与各电机一一对应的电机驱动模块及如权利要求1-8任意一项所述的多电机控制模块；
所述多电机控制模块基于各电机的相电流产生各电机的控制信号，其中，所述电机引擎控制单元与各电机一一对应；
各电机驱动模块连接于所述多电机控制模块的输出端，基于各电机的控制信号分别产生对应电机的驱动信号，进而驱动对应电机运转。
10.根据权利要求9所述的电机控制系统，其特征在于：所述电机驱动模块包括PFC单元及逆变单元；所述PFC单元将交流输入电压转换为直流母线；所述逆变单元连接于所述PFC单元的输出端，基于对应电机的控制信号驱动电机运转。
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