一种多路电机一体化分时控制系统与控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种多路电机一体化分时控制系统，包括：电源模块、电机模块和控制模块，电源模块和电机模块之间串接一个多路选择开关；电机模块包括n路有独立电机参数和控制参数的有刷电机；控制模块包括n路电压采样电路、1路功率管、1路电流采样电路和1路控制芯片，n路电压采样电路分别对应n路电机的正端电压采样，控制芯片存储有n路电机的控制参数，电流采样电路采集功率管的电流，控制芯片通过识别电压采样和电流采样结果，驱动功率管来实现电机的识别、运行、故障判断、过流/过压保护等功能。本发明专利技术的创新点涉及硬件拓扑结构和软件控制算法，通过1路功率管和1路控制芯片实现多路电机的分时控制，大大降低了控制系统的成本和体积。

An integrated time-sharing control system and control method for multi motor

【技术实现步骤摘要】
一种多路电机一体化分时控制系统与控制方法
本专利技术涉及电机数字控制和电力电子
，特别是涉及一种用于多路有刷电机的一体化分时控制系统和控制方法，具有体积小、成本低、功耗低等优点。
技术介绍
在多路电机控制领域中，每一路电机的驱动控制电路通常都是独立结构的，例如，如果有n路电机，就需要n路独立的驱动电路和功率管(或功率模块)，以及n路存有相应电机控制参数的控制芯片。这样，如果电机的数量越多，整个控制电路的体积就越大，成本也就越高。在另外一些应用场合，例如电池供电的控制系统中，还必须考虑到电路的功耗问题，现有的低功耗控制方案一般可以分为以下三类：第一类是电路中的元器件选型均采用支持低功耗的型号，包括控制芯片、电源芯片等，这类电路对芯片选型要求较高，会增加硬件成本；第二类是通过电子电路来实现电源回路的开通或关断，例如在电源回路上串联功率管等，这类电路会增加部分硬件电路成本，并且需要额外一路外部开关信号用于触发串联在电源回路上的功率管；第三类是通过将电机的启动开关串接在电源回路上，通过断开开关来实现低功耗(零功耗)模式，这类方式对开关的类型有一定的耐压和电流等级要求。
技术实现思路
本专利技术的第一个目的是提出一种多路电机一体化分时控制系统，解决了现有技术中多路电机分时控制系统接线复杂、成本高、体积大等问题；本专利技术的另一个目的是提供一种应用于上述控制系统的多路电机分时控制方法；本专利技术的创新性涉及到硬件拓扑结构与软件控制算法的结合。针对第一个目的，本专利技术采用的一个技术方案是：一种多路电机一体化分时控制系统，包括：电源模块、电机模块、开关模块和控制模块。进一步的，所述电源模块为直流电源或电池。进一步的，所述电机模块包含n路有刷电机，每路有刷电机均有独立的电机参数和控制参数；所述n路有刷电机的正端分别连接到所述开关模块；所述n路有刷电机的负端则共联在一起。进一步的，所述开关模块包括一个多路选择开关，其一端连接所述电源模块，另一端包括一个0触点和n个控制触点；所述n个控制触点分别连接n路有刷电机的正端；当触点拨至0时表示电源模块与电机模块之间的电路关断，当触点拨至第i个控制触点时，所述电源模块与第i路有刷电机正端之间的电路连通；其中，i为1到n之间的数值。进一步的，所述电机模块的n路有刷电机，每路有刷电机的两端均并联一个续流二极管用于反向续流。进一步的，所述控制模块包含n路电压采样电路，1路驱动电路和功率管，1路电流采样电路，1路控制芯片，1路线性电源和1路通讯接口；所述电压采样电路分为独立的n组，分别对应所述电机模块中n路有刷电机的正端电压采样；所述电流采样电路包括串接在所述电源模块和所述功率管之间的采样电阻，所述电流采样电路通过采集所述采样电阻两端的电压再发送给所述控制芯片进行转换实现电流采样，所述采样电阻的一端连接到所述功率管的源极(S极)，另一端连到所述电源模块的负极；所述功率管的漏极(D极)与所述电机模块的公共负端相连，功率管的源极(S极)与所述采样电阻的一端相连，功率管的控制端(G极)连接到所述驱动电路的输出端，而所述驱动电路的输入端连接到所述控制芯片的输出引脚。进一步的，所述控制芯片为可编程单片机MCU，其内部设有多个ADC通道，并且存储有n路有刷电机的控制参数和运行程序.进一步的，所述控制芯片的多个ADC通道，分别连接所述n路电压采样电路的输出和所述电流采样电路的输出。进一步的，所述线性电源的输入通过二极管从n路有刷电机的正端引入，用于为整个控制模块供电。进一步的，所述通讯接口用于实现所述控制模块和外部上位机的通讯，所述上位机可以通过所述通讯接口监测所述电机模块的运行状态。针对第二个目的，本专利技术采用的一个技术方案是：一种多路电机一体化分时控制方法，所述控制方法基于上述多路电机一体化分时控制系统，所述方法包括：电压采样：电压采样电路采集n路有刷电机的正端电压信号，并传送给所述控制芯片；电流采样：电流采样电路采集流过所述功率管的电流信号，并传送给所述控制芯片；电机识别：控制芯片接收电压采样信号和电流采样信号，并通过分析采样结果来判断是哪一路有刷电机被所述开关模块导通，并调用相应一路有刷电机的控制参数和运行程序，对相应的一路有刷电机进行运行控制和保护；电机缺相识别：控制芯片结合电压采样信号和电流采样信号的大小，判断相应一路有刷电机是否缺相故障。进一步的，所述控制芯片通过PWM脉冲调制方式控制所述功率管的开通和关断，通过调节PWM的脉冲宽度，即占空比来实现所述电机模块的调速控制。进一步的，所述电流采样和电压采样均需在所述功率管导通时间内进行，而功率管在导通瞬间，由于受du/dt的影响，电流波动较大，因此电流采样必须在所述功率管导通后延时TRing时间才能进行，以保证电流采样信号的稳定性和准确性，其中TRing为所述功率管导通的振铃时长，与功率管的参数相关；所述电压采样发生在电流采样以及ADC结果转换完成后。进一步的，所述电压采样通过分时控制实现，即：在所述功率管的每次导通时序内，所述电流采样电路进行一次电流信号采样，所述电压采样电路只进行一路有刷电机的电压信号采样。进一步的，将所述控制芯片的ADC采样加结果转换时间记为TADC，则通过所述电压分时采样的方法，功率管的最小导通脉冲宽度时间为：TRing+2*TADC；相应的，如果不采用电压分时采样方法，则功率管的最小导通脉冲宽度时间为：TRing+(n+1)*TADC；可以看出，采用本专利技术提出的电压分时采样方法，可以获得最小的PWM占空比，因此电机的启动电流可以更小，而且在电机识别阶段，通过最小PWM占空比来完成电机的导通识别，可以降低电机的冲击电流和转矩脉动。进一步的，所述控制芯片上电初始化后，就开始执行分时电压采样和电流采样，不仅仅是在电机识别阶段，也在电机的启动和运行阶段；当发生故障或过流保护或过压保护时，所述控制芯片将关断功率管(此时不发生电压采样和电流采样)，并将故障事件通过所述通讯接口上报给外部的上位机，直到外部的上位机通过通讯接口清除故障事件标志位后，所述控制芯片才重新开始执行分时电压采样和电流采样。一种多路有刷电机一体化分时控制方法，包括：(1)所述控制器发出第i＝i+1次测试脉冲信号；(2)所述电流采样电路在所述功率管导通后延时TRing进行一次电流信号采样，第i路电压采样电路采集第i路有刷电机的正端电压信号，电压采样时刻发生在电流采样完成结果转换后，电流采样信号和电压采样信号均通过ADC通道输入所述控制芯片；(3)判断是否完成n个测试脉冲输出，若否，回到步骤(1)；(4)若已完成n个测试脉冲输出，判断n次电流采样信号是否全为0，若是，再判断n次电压采样信号是否全为0，若n次电压采样信号也全为0，则判断为电压采样模块故障，输出报警信号；若n次电压采样信号全为VDD(假设VDD为所述直流电源的正端电压值)，则判断为驱动电流或功率管故障，输出报警信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多路电机一体化分时控制系统，包括：电源模块、开关模块、电机模块和控制模块，其特征在于：/n所述电机模块包括n路有独立电机参数和控制参数的有刷电机，所述n路有刷电机的正端通过所述开关模块连接所述电源模块的正极，所述n路有刷电机的负端共联；/n所述开关模块包括多路选择开关，所述多路选择开关的一端连接所述电源模块的正极，另一端可连接到任意一路所述的有刷电机的正端；/n所述控制模块包括：n路电压采样电路、1路功率管、1路电流采样电路、1路驱动电路和1路控制芯片，所述n路电压采样电路分别对应n路有刷电机的正端电压采样，所述功率管的漏极连接所述电机模块的公共负端；所述电流采样电路采集所述功率管的电流信号，所述控制芯片中存储了n路有刷电机的控制参数和运行程序；所述驱动电路连接所述控制芯片和所述功率管的控制端，所述多路电机一体化分时控制系统通过所述驱动电路和所述功率管来分时控制n路有刷电机实现导通识别、软启动、运行、制动、故障判断、过流保护、过压保护的功能。/n

【技术特征摘要】
1.一种多路电机一体化分时控制系统，包括：电源模块、开关模块、电机模块和控制模块，其特征在于：
所述电机模块包括n路有独立电机参数和控制参数的有刷电机，所述n路有刷电机的正端通过所述开关模块连接所述电源模块的正极，所述n路有刷电机的负端共联；
所述开关模块包括多路选择开关，所述多路选择开关的一端连接所述电源模块的正极，另一端可连接到任意一路所述的有刷电机的正端；
所述控制模块包括：n路电压采样电路、1路功率管、1路电流采样电路、1路驱动电路和1路控制芯片，所述n路电压采样电路分别对应n路有刷电机的正端电压采样，所述功率管的漏极连接所述电机模块的公共负端；所述电流采样电路采集所述功率管的电流信号，所述控制芯片中存储了n路有刷电机的控制参数和运行程序；所述驱动电路连接所述控制芯片和所述功率管的控制端，所述多路电机一体化分时控制系统通过所述驱动电路和所述功率管来分时控制n路有刷电机实现导通识别、软启动、运行、制动、故障判断、过流保护、过压保护的功能。


2.根据权利要求1所述的一种多路电机一体化分时控制系统，其特征在于：
所述电源模块包括：直流电源或电池；
所述电机模块包括：n路有刷电机，所述多路选择开关的一端连接所述电源模块的正极、另一端可连接到任意一路所述的有刷电机的正端，n路有刷电机的负端则共联在一起；
所述控制模块包括：n路电压采样电路，1路驱动电路，1路功率管，1路电流采样电路，1路控制芯片和1路线性电源；所述控制芯片包括可编程单片机MCU，所述可编程单片机MCU存储有n有刷电机的控制参数和运行程序并设有多个ADC通道；所述电流采样电路包括采样电阻；
n路电压采样电路分别对应n路有刷电机的正端电压采样，并将电压采样信号输入所述可编程单片机MCU的ADC通道中；
所述功率管的漏极与所述电机模块的公共负端相连、源极与所述采样电阻的一端相连，而采样电阻的另一端连接到所述电源模块的负极，所述功率管的控制端连接到所述驱动电路的输出端，而所述驱动电路的输入端连接到所述可编程单片机MCU的输出引脚；
所述电流采样电路通过采集所述采样电阻两端的电压，并将采样信号输入所述可编程单片机MCU的ADC通道中，单片机MCU再将采样信号进行转换来实现对所述功率管的电流采样；
所述线性电源通过二极管从所述电机模块的正端引入，用于给所述控制芯片提供所需的电源电压。


3.根据权利要求1或2所述的一种多路电机一体化分时控制系统，其特征在于，所述多路选择开关包括一个0触点和n个控制触点；所述n个控制触点分别连接n路有刷电机的正端；当触点拨至0时所述电源模块与电机模块之间的电路关断，将触点拨至i时，所述电源模块与第i路有刷电机之间的电路连通；所述i为1到n之间的数值。


4.一种多路电机一体化分时控制方法，所述控制方法基于上述权利要求1～3中任一项所述的多路电机一体化分时控制系统，其特征在于，所述方法包括：
电压采样：n路电压采样电路分别采集n路有刷电机的正端电压信号并将n路电压采样信号发送给控制模块；
电流采样：电流采样电路采集所述功率管的电流信号并将电流采样信号发送给控制模块；
电机识别：控制模块结合收到的n路电压采样信号和电流采样信号的大小，判断哪一路有刷电机被导通，并调用相应的控制参数与运行程序，对相应一路有刷电机进行运行控制及保护；
电机缺相识别：控制模块结合电压采样信号和电流采样信号的大小，判断相应一路有刷电机是否缺相故障。


5.根据权利要求4所述的一种多路电机一体化分时控制方法，其特征在于，所述电流采样和电压采样需要在所述功率管的导通期间完成，具体步骤包括：所述控制芯片通过所述驱动电路将功率管导通，然后触发所述电流采样电路进行电流采样，等电流采样信号转换完成后，接着触发电压采样电路进行电压采样，等电压采样信号结果转换完成后，控制芯片再通过所述驱动电路将功率管关闭。


6.根据权利要求5所述的一种多路电机一体化分时控制方法，其特征在于，所述控制芯片通过所述驱动电路将功率管导通...

【专利技术属性】
技术研发人员：周勇，林盛丰，高婷婷，韩聪，黄江帅，
申请(专利权)人：宁波依恒智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33