CN210111886U - 一种无刷直流电动机控制驱动电路和闭环伺服控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型适用于伺服控制领域，提供了一种无刷直流电动机控制驱动电路、闭环伺服控制系统、无人机、无人驾驶交通工具和雷达自动跟踪控制系统。无刷直流电动机控制驱动电路包括组合逻辑电路、处理电路和电子开关电路。闭环伺服控制系统包括控制电路、无刷直流电动机控制驱动电路、功率放大电路、无刷直流电动机、减速齿轮组和位置反馈电位计。本实用新型采用主动处理无刷直流电动机的反电动势电路，将无刷直流电动机运转时产生的交流反电动势转化为直流电压，使电路的适应性强，调试简单。无刷直流电动机控制驱动电路用于闭环伺服控制系统的超调量的控制，使闭环伺服控制系统在需要准确、快速定位的应用中，稳定可靠，简化调整，生产效率提高。

Description

一种无刷直流电动机控制驱动电路和闭环伺服控制系统

技术领域

本实用新型属于伺服控制领域，尤其涉及一种无刷直流电动机控制驱动电路、闭环伺服控制系统、无人机、无人驾驶交通工具和雷达自动跟踪控制系统。

背景技术

无刷直流电动机是随着半导体电子技术发展而出现的新型机电一体化电机，它是现代电子技术(包括电力电子、微电子技术)、控制理论和电机技术相结合的产物。无刷直流电动机由于具有多方面的优点，尤其是可靠性较高，在越来越多的领域得到了逐渐广泛的应用。

在无刷直流电动机诸多的应用中，大多是开环应用，而在一些特殊的应用领域，如闭环伺服控制系统(如无人机的姿态控制)中，需要将电机正、反转的反电动势反馈给伺服控制芯片处理，进行制动超调量的调节。但在无刷直流电动机运转时，实际加在电机线圈上的电压是交流电压，这就需要复杂的电路将电机转动时产生的交流反电动势转化为直流电压，以便供伺服控制系统使用。

在无刷直流电动机应用系统中，闭环伺服控制应用是一个重要的领域。如图1所示，是位置闭环伺服控制系统的基本原理框图，包括依次电连接的控制电路、无刷直流电动机、减速齿轮组和位置反馈电位计，位置反馈电位计的输出端还与控制电路的反馈输入端电连接。此系统可以用于雷达自动跟踪控制系统的执行机构、无人机的机翼(或螺旋桨)姿态控制的执行机构，以及无人驾驶交通工具(例如无人驾驶车辆、船)的方向舵控制机构等。这些执行机构都要能够根据控制信号的要求，迅速准确的到达指定位置。这就要求系统有很好的超调量的控制，超调量大，将使系统振荡，超调量小，将使系统过阻尼，系统响应速度慢。

目前大多数闭环伺服控制系统都是采用PID(由比例单元P、积分单元I和微分单元D)软件算法，依托单片机来实现。

比例控制是一种最简单的控制方式，其控制器的输出与输入误差信号成比例关系，当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。

在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入积分项。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化超前，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入比例项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是微分项，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分(PD)的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

在现有的软件PID控制方案中，都是在被动的处理被控对象(即电机)在高速转动时带动整个系统运转时产生的惯量。这就需要在系统调试过程中做大量的试验，以及调整很多参数，来使整个系统稳定，对于不同的控制对象，需要有不同的参数调整。因此现有技术的闭环伺服控制系统调整过程复杂，系统稳定性低。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种无刷直流电动机控制驱动电路、闭环伺服控制系统、无人机、无人驾驶交通工具和雷达自动跟踪控制系统，旨在解决现有技术的闭环伺服控制系统调整过程复杂，系统稳定性低的问题。

第一方面，本实用新型提供了一种无刷直流电动机控制驱动电路，包括组合逻辑电路、处理电路和电子开关电路，其中，

组合逻辑电路用于实现

和

其中，A、B和C分别是无刷直流电动机的第一传感器、第二传感器和第三传感器的输出信号，A、B和C作为组合逻辑电路的输入信号，X、Y、Z、E、F和G分别是组合逻辑电路的输出信号，并作为处理电路的输入信号，X、Y和Z还作为功率放大电路的输入信号，功率放大电路的输出端与无刷直流电动机的第一电机线圈U、第二电机线圈V、第三电机线圈W电连接；

处理电路用于实现

和其中，K是控制电路输出的无刷电机驱动控制信号，H、I和J分别是处理电路的输出信号；

电子开关电路包括第一电子开关、第二电子开关和第三电子开关，无刷直流电动机的第一电机线圈U、第二电机线圈V、第三电机线圈W上的交流信号分别作为第一电子开关、第二电子开关和第三电子开关的一路输入信号，H、I和J分别作为第一电子开关、第二电子开关和第三电子开关的另一路输入信号，第一电子开关、第二电子开关和第三电子开关的输出信号分别是无刷直流电动机的第一电机线圈U、第二电机线圈V、第三电机线圈W上的交流信号中的直流信号；第一电子开关、第二电子开关和第三电子开关的输出信号作为无刷直流电动机控制驱动电路的反馈端的输出信号。

进一步地，所述无刷直流电动机控制驱动电路采用集成电路的形式实现。

第二方面，本实用新型提供了一种闭环伺服控制系统，所述闭环伺服控制系统包括依次电连接的控制电路、如第一方面所述的无刷直流电动机控制驱动电路、功率放大电路、无刷直流电动机、减速齿轮组和位置反馈电位计，无刷直流电动机控制驱动电路的反馈端与控制电路的第一比较电压输入端电连接，无刷直流电动机的第一传感器、第二传感器和第三传感器的输出端还与无刷直流电动机控制驱动电路的第一输入端电连接，无刷直流电动机的第一电机线圈U、第二电机线圈V和第三电机线圈W的输出端还与无刷直流电动机控制驱动电路的第二输入端电连接，位置反馈电位计的输出端与控制电路的第二比较电压输入端电连接。

第三方面，本实用新型提供了一种包括第二方面所述的闭环伺服控制系统的无人机。

第四方面，本实用新型提供了一种包括第二方面所述的闭环伺服控制系统的无人驾驶交通工具。

第五方面，本实用新型提供了一种包括第二方面所述的闭环伺服控制系统的雷达自动跟踪控制系统。

在本实用新型中，由于无刷直流电动机控制驱动电路包括组合逻辑电路、处理电路和电子开关电路，采用主动处理无刷直流电动机的反电动势电路，将无刷直流电动机运转时产生的交流反电动势转化为直流电压，使电路的适应性强，调试简单。

又由于闭环伺服控制系统采用无刷直流电动机作为动力，用包括组合逻辑电路、处理电路和电子开关电路的无刷直流电动机控制驱动电路，采用主动处理无刷直流电动机的反电动势电路，将无刷直流电动机运转时产生的交流反电动势转化为直流电压，供闭环伺服控制系统的控制电路用于超调量的控制，使整个闭环伺服控制系统在需要准确、快速定位的应用中，稳定可靠，调整大为简化，生产效率提高。

又由于无刷直流电动机控制驱动电路采用集成电路的形式实现，因此使应用更加简单、可靠。

附图说明

图1是现有技术的位置闭环伺服控制系统的基本原理框图。

图2是本实用新型实施例提供的闭环伺服控制系统的基本原理框图。

图3是本实用新型实施例提供的无刷直流电动机控制驱动电路的原理图。

图4是第一电机线圈U、第二电机线圈V、第三电机线圈W上的交流信号示意图。

图5是本实用新型实施例提供的无刷直流电动机控制驱动电路的输出直流信号示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

为了说明本实用新型所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

请参阅图2，本实用新型实施例提供的闭环伺服控制系统包括依次电连接的控制电路11、无刷直流电动机控制驱动电路12、功率放大电路13、无刷直流电动机14、减速齿轮组15和位置反馈电位计16，无刷直流电动机控制驱动电路12的反馈端与控制电路11的第一比较电压输入端电连接，无刷直流电动机14的第一传感器、第二传感器和第三传感器(例如霍尔传感器等)的输出端还与无刷直流电动机控制驱动电路12的第一输入端电连接，无刷直流电动机14的第一电机线圈U、第二电机线圈V和第三电机线圈W的输出端还与无刷直流电动机控制驱动电路12的第二输入端电连接，位置反馈电位计16的输出端与控制电路11的第二比较电压输入端电连接。

控制电路11具体是运算放大电路。

本实用新型实施例提供的闭环伺服控制系统的工作原理如下：

输入至控制电路11的位置控制信号，经控制电路11处理后，输出无刷电机驱动控制信号给无刷直流电动机控制驱动电路12，并经功率放大电路13放大后，带动无刷直流电动机14旋转，通过无刷直流电动机14旋转带动减速齿轮组15转动，减速齿轮组15的最后一极齿轮是最终动力输出极，同时它也带动位置反馈电位计16转动，位置反馈电位计16转动时产生不同的电压，反馈输入到控制电路11的第二比较电压输入端，与输入的位置控制信号进行比较处理，当两个信号一致时，控制电路11停止输出无刷电机驱动控制信号，使无刷直流电动机14停转。但由于无刷直流电动机14和减速齿轮组15转动产生的惯性，整个转动系统(包括无刷直流电动机14和减速齿轮组15)不能立即停止，会在停止位附近做衰减振荡(即过冲)。为了在停止位置使转动系统立即停转，需要加入超调量控制(即抑制过冲)，无刷直流电动机控制驱动电路12就是采用从无刷直流电动机14转动时产生的交流反电动势中，取出第一电机线圈U、第二电机线圈V和第三电机线圈W上的直流成分，反馈给控制电路11的第一比较电压输入端，与位置反馈电位计16反馈输入到控制电路11的第二比较电压输入端的电压进行比较，当无刷直流电动机控制驱动电路12的反馈端输出的电压高(说明过阻尼)，控制电路11的输出电压就低，反之，当无刷直流电动机控制驱动电路12的反馈端输出的电压低(说明欠阻尼)，控制电路11的输出电压就高，从而控制无刷直流电动机控制驱动电路12的输出能力(即提前减速)，以达到控制整个闭环系统的超调量。

请参阅图3，本实用新型实施例提供的无刷直流电动机控制驱动电路12包括组合逻辑电路121、处理电路122和电子开关电路123，组合逻辑电路121用于实现

和其中，A、B和C分别是无刷直流电动机14的第一传感器、第二传感器和第三传感器(例如霍尔传感器等)的输出信号，A、B和C作为组合逻辑电路121的输入信号，X、Y、Z、E、F和G分别是组合逻辑电路121的输出信号，并作为处理电路122的输入信号，X、Y和Z还作为功率放大电路13的输入信号，功率放大电路13的输出端与无刷直流电动机14的第一电机线圈U、第二电机线圈V、第三电机线圈W电连接；处理电路122用于实现

和

其中，K是控制电路11输出的无刷电机驱动控制信号，H、I和J分别是处理电路122的输出信号；电子开关电路123包括第一电子开关1231、第二电子开关1232和第三电子开关1233，无刷直流电动机14的第一电机线圈U、第二电机线圈V、第三电机线圈W上的交流信号(如图4所示)分别作为第一电子开关1231、第二电子开关1232和第三电子开关1233的一路输入信号，H、I和J分别作为第一电子开关1231、第二电子开关1232和第三电子开关1233的另一路输入信号，第一电子开关1231、第二电子开关1232和第三电子开关1233的输出信号OUT分别是无刷直流电动机14的第一电机线圈U、第二电机线圈V、第三电机线圈W上的交流信号中的直流信号(如图5所示)；第一电子开关1231、第二电子开关1232和第三电子开关1233的输出信号OUT作为无刷直流电动机控制驱动电路12的反馈端的输出信号，反馈端的输出信号反映了无刷直流电动机14的三个电机的转动状态。

在本实用新型实施例中，组合逻辑电路121具体包括第一非门1211、第二非门1212、第三非门1213、第一与非门1214、第二与非门1215、第三与非门1216、第四非门1217、第五非门1218和第六非门1219。无刷直流电动机14的第一传感器的输出信号A作为第一非门1211的输入信号和第一与非门1214的一路输入信号，无刷直流电动机14的第二传感器的输出信号B作为第二非门1212的输入信号和第二与非门1215的一路输入信号，无刷直流电动机14的第三传感器的输出信号C作为第三非门1213的输入信号和第三与非门1216的一路输入信号，第三非门1213的输出信号作为第一与非门1214的另一路输入信号，第一非门1211的输出信号作为第二与非门1215的另一路输入信号，第二非门1212的输出信号作为第三与非门1216的另一路输入信号；第一与非门1214的输出信号作为第四非门1217的输入信号，第二与非门1215的输出信号作为第五非门1218的输入信号，第三与非门1216的输出信号作为第六非门1219的输入信号；组合逻辑电路121的输出信号X、Y和Z分别是第四非门1217、第五非门1218和第六非门1219的输出信号，组合逻辑电路121的输出信号E、F和G分别是第一与非门1214、第二与非门1215和第三与非门1216的输出信号。

处理电路122具体包括：第七非门1221、第一或非门1222、第二或非门1223、第三或非门1224、第四或非门1225、第五或非门1226、第六或非门1227、第四与非门1228、第五与非门1229和第六与非门1230。控制电路11输出的位置控制信号分别作为第七非门1221的输入信号、第二或非门1223的一路输入信号、第四或非门1225的一路输入信号和第六或非门1227的一路输入信号，第七非门1221的输出信号分别作为第一或非门1222的一路输入信号、第三或非门1224的一路输入信号和第五或非门1226的一路输入信号；组合逻辑电路121的输出信号E、F、G、X、Y和Z分别作为第二或非门1223的另一路输入信号、第四或非门1225的另一路输入信号、第六或非门1227的另一路输入信号、第一或非门1222的另一路输入信号、第三或非门1224的另一路输入信号和第五或非门1226的另一路输入信号；第一或非门1222和第二或非门1223的输出信号分别作为第四与非门1228的输入信号，H为第四与非门1228的输出信号，第三或非门1224和第四或非门1225的输出信号分别作为第五与非门1229的输入信号，I为第五与非门1229的输出信号，第五或非门1226和第六或非门1227的输出信号分别作为第六与非门1230的输入信号，J为第六与非门1230的输出信号。

本实用新型实施例提供的无刷直流电动机控制驱动电路12将驱动无刷直流电动机14的第一电机线圈U、第二电机线圈V、第三电机线圈W上的交流信号(包括交流反电动势)转换为分别反映电机正转、反转的两路直流信号，提供给控制电路11，可以供后级闭环伺服控制系统进行系统超调量的控制。具体为：当无刷直流电动机14的第一电机线圈U是高电平时，第三电子开关1233打开，当无刷直流电动机14的第二电机线圈V是高电平时，第二电子开关1232打开，当无刷直流电动机14的第三电机线圈W是高电平时，第一电子开关1231打开；任何时间，只有一路直流信号输出，正转输出一路直流信号，反转输出另一路直流信号。

本实用新型实施例提供的无刷直流电动机控制驱动电路采用集成电路的形式实现，使应用更加简单和可靠。

本实用新型实施例还提供了一种包括本实用新型实施例提供的闭环伺服控制系统的无人机。

本实用新型实施例还提供了一种包括本实用新型实施例提供的闭环伺服控制系统的无人驾驶交通工具。

本实用新型实施例还提供了一种包括本实用新型实施例提供的闭环伺服控制系统的雷达自动跟踪控制系统。

在本实用新型中，由于无刷直流电动机控制驱动电路包括组合逻辑电路、处理电路和电子开关电路，采用主动处理无刷直流电动机的反电动势电路，将无刷直流电动机运转时产生的交流反电动势转化为直流电压，使电路的适应性强，调试简单。

又由于闭环伺服控制系统采用无刷直流电动机作为动力，用包括组合逻辑电路、处理电路和电子开关电路的无刷直流电动机控制驱动电路，采用主动处理无刷直流电动机的反电动势电路，将无刷直流电动机运转时产生的交流反电动势转化为直流电压，供闭环伺服控制系统的控制电路用于超调量的控制，使整个闭环伺服控制系统在需要准确、快速定位的应用中，稳定可靠，调整大为简化，生产效率提高。

又由于无刷直流电动机控制驱动电路采用集成电路的形式实现，因此使应用更加简单、可靠。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无刷直流电动机控制驱动电路，其特征在于，包括组合逻辑电路、处理电路和电子开关电路，其中，

组合逻辑电路用于实现

和

其中，A、B和C分别是无刷直流电动机的第一传感器、第二传感器和第三传感器的输出信号，A、B和C作为组合逻辑电路的输入信号，X、Y、Z、E、F和G分别是组合逻辑电路的输出信号，并作为处理电路的输入信号，X、Y和Z还作为功率放大电路的输入信号，功率放大电路的输出端与无刷直流电动机的第一电机线圈U、第二电机线圈V、第三电机线圈W电连接；

处理电路用于实现

和

其中，K是控制电路输出的无刷电机驱动控制信号，H、I和J分别是处理电路的输出信号；

电子开关电路包括第一电子开关、第二电子开关和第三电子开关，无刷直流电动机的第一电机线圈U、第二电机线圈V、第三电机线圈W上的交流信号分别作为第一电子开关、第二电子开关和第三电子开关的一路输入信号，H、I和J分别作为第一电子开关、第二电子开关和第三电子开关的另一路输入信号，第一电子开关、第二电子开关和第三电子开关的输出信号分别是无刷直流电动机的第一电机线圈U、第二电机线圈V、第三电机线圈W上的交流信号中的直流信号；第一电子开关、第二电子开关和第三电子开关的输出信号作为无刷直流电动机控制驱动电路的反馈端的输出信号。

2.如权利要求1所述的无刷直流电动机控制驱动电路，其特征在于，所述组合逻辑电路具体包括第一非门、第二非门、第三非门、第一与非门、第二与非门、第三与非门、第四非门、第五非门和第六非门；

无刷直流电动机的第一传感器的输出信号A作为第一非门的输入信号和第一与非门的一路输入信号，无刷直流电动机的第二传感器的输出信号B作为第二非门的输入信号和第二与非门的一路输入信号，无刷直流电动机的第三传感器的输出信号C作为第三非门的输入信号和第三与非门的一路输入信号，第三非门的输出信号作为第一与非门的另一路输入信号，第一非门的输出信号作为第二与非门的另一路输入信号，第二非门的输出信号作为第三与非门的另一路输入信号；第一与非门的输出信号作为第四非门的输入信号，第二与非门的输出信号作为第五非门的输入信号，第三与非门的输出信号作为第六非门的输入信号；组合逻辑电路的输出信号X、Y和Z分别是第四非门、第五非门和第六非门的输出信号，组合逻辑电路的输出信号E、F和G分别是第一与非门、第二与非门和第三与非门的输出信号。

3.如权利要求2所述的无刷直流电动机控制驱动电路，其特征在于，所述处理电路具体包括：第七非门、第一或非门、第二或非门、第三或非门、第四或非门、第五或非门、第六或非门、第四与非门、第五与非门和第六与非门；

控制电路输出的位置控制信号分别作为第七非门的输入信号、第二或非门的一路输入信号、第四或非门的一路输入信号和第六或非门的一路输入信号，第七非门的输出信号分别作为第一或非门的一路输入信号、第三或非门的一路输入信号和第五或非门的一路输入信号；组合逻辑电路的输出信号E、F、G、X、Y和Z分别作为第二或非门的另一路输入信号、第四或非门的另一路输入信号、第六或非门的另一路输入信号、第一或非门的另一路输入信号、第三或非门的另一路输入信号和第五或非门的另一路输入信号；第一或非门和第二或非门的输出信号分别作为第四与非门的输入信号，H为第四与非门的输出信号，第三或非门和第四或非门的输出信号分别作为第五与非门的输入信号，I为第五与非门的输出信号，第五或非门和第六或非门的输出信号分别作为第六与非门的输入信号，J为第六与非门的输出信号。

4.如权利要求1所述的无刷直流电动机控制驱动电路，其特征在于，所述第一传感器、第二传感器和第三传感器是霍尔传感器。

5.如权利要求1所述的无刷直流电动机控制驱动电路，其特征在于，所述无刷直流电动机控制驱动电路采用集成电路的形式实现。

6.一种闭环伺服控制系统，其特征在于，所述闭环伺服控制系统包括依次电连接的控制电路、如权利要求1至5任一项所述的无刷直流电动机控制驱动电路、功率放大电路、无刷直流电动机、减速齿轮组和位置反馈电位计，无刷直流电动机控制驱动电路的反馈端与控制电路的第一比较电压输入端电连接，无刷直流电动机的第一传感器、第二传感器和第三传感器的输出端还与无刷直流电动机控制驱动电路的第一输入端电连接，无刷直流电动机的第一电机线圈U、第二电机线圈V和第三电机线圈W的输出端还与无刷直流电动机控制驱动电路的第二输入端电连接，位置反馈电位计的输出端与控制电路的第二比较电压输入端电连接。

7.如权利要求6所述的闭环伺服控制系统，其特征在于，所述控制电路是运算放大电路。

8.一种包括如权利要求6或7所述的闭环伺服控制系统的无人机。

9.一种包括如权利要求6或7所述的闭环伺服控制系统的无人驾驶交通工具。

10.一种包括如权利要求6或7所述的闭环伺服控制系统的雷达自动跟踪控制系统。

Images