一種雙繞組直流無刷電機冗余控制系統(tǒng)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及伺服控制系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種雙繞組直流無刷電機冗余控制系統(tǒng)及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]雙繞組直流無刷電機具有質(zhì)量體積小，可靠性高的優(yōu)點，并具有半功率和全功率兩種工作模式，當(dāng)一組繞組損壞時，電機仍然可以繼續(xù)運行，它的這種優(yōu)良特性越來越受到重視，并被運用于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、自動化立體倉庫穿梭車等領(lǐng)域，取得了良好效果。
[0003]現(xiàn)代復(fù)雜條件下的運動控制系統(tǒng)中，提高系統(tǒng)的可靠性，即保證系統(tǒng)在故障情況下仍然可以同步切換、維持工作以減少系統(tǒng)停止的工作時間是一個很重要的問題。控制系統(tǒng)的冗余設(shè)計是解決該問題的一個行之有效的方法。目前國內(nèi)對雙繞組直流無刷電機冗余控制系統(tǒng)的研究甚少，將雙繞組電機與冗余控制系統(tǒng)結(jié)合，可以很大程度上提高系統(tǒng)可靠性，減少系統(tǒng)故障后的停機時間，在工業(yè)、軍事等方面具有重要應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的首要目的在于提供一種實現(xiàn)雙繞組直流無刷電機控制系統(tǒng)之間多種通信和故障檢測功能，并且能夠在故障狀態(tài)下實現(xiàn)主/從系統(tǒng)的同步切換，確保系統(tǒng)的正常運行的雙繞組直流無刷電機冗余控制系統(tǒng)。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案:一種雙繞組直流無刷電機冗余控制系統(tǒng)，包括主份控制系統(tǒng)、備份控制系統(tǒng)和仲裁器，所述主份控制系統(tǒng)的輸入端與第一轉(zhuǎn)子位置檢測電路的輸出端相連，主份控制系統(tǒng)的輸出端與第一電機繞組相連，主份控制系統(tǒng)輸出同步信號至備份控制系統(tǒng)，主份控制系統(tǒng)發(fā)送其內(nèi)第一主控芯片的狀態(tài)信息、第一驅(qū)動芯片的狀態(tài)信息至仲裁器；所述備份控制系統(tǒng)的輸入端與第二轉(zhuǎn)子位置檢測電路的輸出端相連，備份控制系統(tǒng)的輸出端與第二電機繞組相連，備份控制系統(tǒng)輸出其內(nèi)第二主控芯片的狀態(tài)信息、第二驅(qū)動芯片的狀態(tài)信息至仲裁器。
[0006]所述主份控制系統(tǒng)由第一主控芯片、第一信號鎖存器、第一驅(qū)動芯片、第一三相橋式驅(qū)動電路、第一相電流檢測電路、第一 PWM輸出檢測電路和第一轉(zhuǎn)子位置檢測電路組成，第一主控芯片采用ARM微控制器STM32F103，所述第一主控芯片的PffM I?6腳輸出PffM信號至第一信號鎖存器，第一主控芯片的10_0腳輸出第一主控芯片的狀態(tài)信息至仲裁器的MCUl端，第一主控芯片的10_1腳輸出第一驅(qū)動芯片的狀態(tài)信息至仲裁器的Driverl端，第一主控芯片的串口 USART_TX發(fā)送同步信號至第二主控芯片的串口 USART_RX，第一信號鎖存器的輸出端與第一驅(qū)動芯片的輸入端相連，第一驅(qū)動芯片分兩路輸出，一路與第一三相橋式驅(qū)動電路的輸入端相連，另一路通過第一 PWM輸出檢測電路與第一主控芯片的第一輸入端相連，第一三相橋式驅(qū)動電路分兩路輸出，一路與第一電機繞組相連，另一路通過第一相電流檢測電路與第一主控芯片的第二輸入端相連，第一主控芯片的第三輸入端與用于檢測電機轉(zhuǎn)子位置的第一轉(zhuǎn)子位置檢測電路的輸出端相連。
[0007]所述備份控制系統(tǒng)由第二主控芯片、第二信號鎖存器、第二驅(qū)動芯片、第二三相橋式驅(qū)動電路、第二相電流檢測電路、第二 PWM輸出檢測電路和第二轉(zhuǎn)子位置檢測電路組成，第二主控芯片采用ARM微控制器STM32F103，所述第二主控芯片的PffM I?6腳輸出PffM信號至第二信號鎖存器，第二主控芯片的10_0腳輸出第二主控芯片的狀態(tài)信息至仲裁器的MCU2端，第二主控芯片的10_1腳輸出第二驅(qū)動芯片的狀態(tài)信息至仲裁器的Driver2端，第二信號鎖存器的輸出端與第二驅(qū)動芯片的輸入端相連，第二驅(qū)動芯片分兩路輸出，一路與第二三相橋式驅(qū)動電路的輸入端相連，另一路通過第二 PffM輸出檢測電路與第二主控芯片的第一輸入端相連，第二三相橋式驅(qū)動電路分兩路輸出，一路與第二電機繞組相連，另一路通過第二相電流檢測電路與第二主控芯片的第二輸入端相連，第二主控芯片的第三輸入端與用于檢測電機轉(zhuǎn)子位置的第二轉(zhuǎn)子位置檢測電路的輸出端相連。
[0008]所述仲裁器由第一與門、第二與門和非門組成，第一與門的輸入端接收第一主控芯片發(fā)送的第一主控芯片的狀態(tài)信息、第一驅(qū)動芯片的狀態(tài)信息，第二與門的第一輸入端接收第二主控芯片發(fā)送的第二主控芯片的狀態(tài)信息、第二驅(qū)動芯片的狀態(tài)信息，第一與門分兩路輸出，一路輸出用于控制第一信號鎖存器通斷的控制信號Latchl，另一路與非門的輸入端相連，非門的輸出端與第二與門的第二輸入端相連，第二與門的輸出端輸出用于控制第二信號鎖存器通斷的控制信號Latch2。
[0009]所述第一信號鎖存器采用芯片74LS273，其引腳I為鎖存使能端，高電平有效，連接仲裁器的Latchl端；其引腳3、引腳4、引腳7、引腳8、引腳13、引腳14為輸入端，分別與第一主控芯片的輸出引腳PE9、引腳PE8、引腳PE11、引腳PE10、引腳PE13、引腳PE12連接;其引腳2、引腳5、引腳6、引腳9、引腳12、引腳15為輸出端，分別與第一驅(qū)動芯片的輸入引腳5、引腳4、引腳2、引腳3、引腳12、引腳11連接；其引腳10接地；其引腳11為時鐘觸發(fā)輸入引腳，與第一主控芯片的輸出引腳PE14連接；其引腳16、引腳17、引腳18、引腳19懸空，引腳20接+5V。
[0010]所述第一驅(qū)動芯片采用HIP4086芯片，其引腳20與電壓+12V相連，引腳6接地；其引腳16、引腳I和引腳13為高邊自舉電源引腳；其引腳18、引腳23和引腳15為高邊源極連接引腳；其引腳16通過自舉二極管D19與電壓+12V相連，再通過自舉電容C27與引腳18相連，最后經(jīng)二極管D17接地；引腳I通過自舉二極管D20與電壓+12V相連，再通過自舉電容C28與引腳23相連，最后經(jīng)二極管D16接地；引腳13通過自舉二極管D18與電壓+12V相連，再通過自舉電容C26與引腳15相連，最后經(jīng)二極管D15接地；引腳5、引腳2和引腳12為高端邏輯電平輸入引腳，引腳4、引腳3和引腳11為低端邏輯電平輸入引腳，這六個引腳均與第一信號鎖存器的輸出端相連；引腳7為死區(qū)時間設(shè)定引腳，通過電阻R20與電壓+12V相連，引腳8為欠壓設(shè)定引腳，懸空；引腳9為刷新脈沖設(shè)定引腳，通過電容C25接地，引腳10為禁用輸入引腳，通過電阻R18與+3.3V相連；引腳17、引腳24、引腳14為高邊輸出引腳，與第一三相橋式驅(qū)動電路的對應(yīng)相位的高端功率MOS管的柵極相連，引腳24同時串聯(lián)分壓電阻R24、分壓電阻R25后接地，第一主控芯片的輸入引腳PB15接在電阻R24、電阻R25之間；引腳21、引腳22和引腳19為低端輸出引腳，與第一三相橋式驅(qū)動電路的對應(yīng)相的低端功率MOS管的柵極相連。
[0011 ] 所述第一相電流檢測電路包括U相電流檢測電路和V相電流檢測電路，所述U相電流檢測電路采用第一芯片ACS709，其引腳1、2、3、4、5、6與第一三相橋式驅(qū)動電路的U相輸出端AHS相連;其引腳7、8、9、10、11、12經(jīng)二極管Dl接地，同時引出接插頭Jl ;其引腳15接地；其引腳16為電壓參考輸出引腳，與第一主控芯片的引腳15相連，同時該引腳經(jīng)電容C6接地；其引腳17為過濾引腳，通過電容C5接地；其引腳18為信號輸出引腳，與第一主控芯片的引腳16相連；其引腳19為過流檢測引腳；其引腳21為過流輸入引腳；其引腳20與電壓+3.3V相連，其引腳22為過流檢測使能引腳，接地；其引腳13、14、23、24懸空；第一主控芯片通過引腳15、引腳16讀取第一電機繞組電流信息；所述V相電流檢測電路采用第二芯片ACS709，其引腳1、2、3、4、5、6與第一三相橋式驅(qū)動電路的V相輸出端BHS相連；其引腳7、8、9、10、11、12經(jīng)二極管D2接地，同時引出接插頭J4 ;其引腳15接地；其引腳16為電壓參考輸出引腳，與第一主控芯片的引腳18相連，同時該引腳經(jīng)電容C12接地；其引腳17為過濾引腳，通過電容Cll接地；其引腳18為信號輸出引腳，與第一主控芯片的引腳17相連；其引腳19為過流檢測引腳；其引腳21為過流輸入引腳；其引腳20與電壓+3.3V相連，其引腳22為過流檢測使能引腳，接地；其引腳13、14、23、24懸空；第一主控芯片通過引腳15、引腳16讀取第一電機繞組電流信息。
[0012]所述第一轉(zhuǎn)子位置檢測電路包括用于與霍爾傳感器端子連接的接插頭J7，霍爾傳感器安裝在直流無刷電機轉(zhuǎn)子上，接插頭J7的引腳I與電壓+5V相連，引腳2接地；引腳3、
4、5分別與霍爾信號線HALLJJ、HALL_V、HALL_W相連；引腳3經(jīng)電阻R20與電壓+3.3V相連，經(jīng)電阻R21與芯片74LCX541的引腳2相連；引腳4經(jīng)電阻R22與電壓+3.3V相連，經(jīng)電阻R23與芯片74LCX541的引腳3相連；引腳5經(jīng)電阻R28與電壓+3.3V相連，經(jīng)電阻R19與芯片74LCX541的引腳4相連;芯