CN111740648B - 一种采用无刷直流电机的智能执行器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用无刷直流电机的智能执行器及其控制方法，智能执行器包括驱动控制板，无刷直流电机，机械传动机构，特征为：驱动控制板安装在无刷直流电机上，中央处理电路具有信号输入端口接收以PWM形式发送的输入信号，设有处理模块，获取PWM信号，提取其频率和占空比信息并据此确定对电机的控制信息。上位机向中央处理电路发送PWM信号，中央处理电路获取PWM信号的频率和占空比，转换为电机的控制信息；中央处理电路将电机的位置信号转换成PWM信号，上位机据此获取电机位置，作为电机控制参数。本发明既简化了控制板上的电路布置，又减小了控制板的体积，使得控制板能方便地与电机安装到一起，可以方便地实现电机的控制。

Description

一种采用无刷直流电机的智能执行器及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种电动执行器，具体涉及一种采用无刷直流电机的智能执行器。
背景技术
执行器是自动控制***中执行机构和调节机构的组合体。电动执行器以电能为动力，通常包括电机，通过接收标准信号，由电机及传动机构转换成相对应的直线位移、转动角等来自动改变操作变量，达到对参数的控制。随着技术的发展，带有微处理器的智能执行器已经成为目前电动执行器的主流产品。
由于交流电机的启动性和调速性能较差，无刷直流电机成为智能执行器的首选。例如，中国实用新型专利CN206377327U公开了一种采用直流无刷电机控制的带有通讯功能的智能型执行器，通过设置无刷直流驱动电路、信号采集电路、信号输出电路、中央处理电路和拨码电路实现电机控制；无刷直流电机与无刷直流电机驱动电路连接，机械传动机构与无刷直流电机相连接构成执行器装置；与中央处理电路相连接，设有NFC近场通讯模块、RS485接口电路、蓝牙模块，进行通讯。上述结构能够实现智能型执行器的控制和执行操作，但是，其中通过设置NFC近场通讯模块、RS485接口电路、蓝牙模块等模块进行通讯，一方面增加了结构复杂度和产品体积，另一方面，这些通讯模块对工作环境有一定要求，在工业化环境中工作时容易受到干扰。即使将通讯模块更换为LIN或CAN总线通信模块，存在着需要设置接口模块，不同厂商的智能执行器之间通信协议存在差异，尤其是其中的具体参数定义不同等问题。因此，当需要应用于使用多个智能执行器的工作场合，或者需要更换不同厂商的智能执行器时，上位控制***需要进行较大的改变，这就增大了研发工作量。
如果可以在不需要外加通讯接口的前提下实现智能执行器的控制，对于减小智能执行器的体积，简化应用设计过程有着重要意义。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种采用无刷直流电机的智能执行器，在不使用外加通信接口的前提下，实现智能执行器的控制；本发明的另一发明目的是提供一种采用无刷直流电机的智能执行器的控制方法。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种采用无刷直流电机的智能执行器，包括由供电电路、无刷直流驱动电路、信号采集电路、信号输出电路和中央处理电路构成的驱动控制板，无刷直流电机，机械传动机构，所述无刷直流驱动电路连接所述无刷直流电机，所述无刷直流电机连接所述机械传动机构，所述驱动控制板安装在所述无刷直流电机上，所述中央处理电路具有信号输入端口，所述信号输入端口接收以PWM形式发送的输入信号，所述中央处理电路中设有处理模块，所述处理模块获取所述PWM信号，提取其频率和占空比信息并据此确定对电机的控制信息。
上文中，采用了PWM信号进行信息的交互，PWM即脉冲宽度调制，现有技术中是作为一种模拟控制方式，即利用采样控制理论，冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，因此通过调整占空比实现惯性环节的控制。通常认为，PWM不适合用于无刷直流电机的控制。本发明中，创造性地将PWM从模拟控制方式变为信号控制，对PWM信号的频率和占空比加以利用，分别代表不同的信号，用于表达电机的控制指令和位置反馈信息。由于PWM信号不需要使用专门的通信接口，因此，采用本发明方案的智能执行器，不需要增加通信接口，简化了结构及空间占用，可以方便地将控制板和电机安装在一起。
上述技术方案中，所述中央处理电路具有信号输出端口，所述信号输出端口以PWM形式发送输出信号，所述PWM形式的信号由频率和/或占空比信息表示无刷直流电机的位置反馈信息。
优选的技术方案，由PWM信号的不同占空比分别表示电机正转、反转、停止信号及电机的不同位置反馈信息。
优选的技术方案，由PWM信号的不同频率表示无刷直流电机的速度控制信息。
为实现本发明的另一发明目的，本发明同时提供了一种对智能执行器进行控制的方法，将智能执行器的中央处理电路的信号输入端口和信号输出端口连接至上位机，上位机通过PWM通信端口向智能执行器的中央处理电路的信号输入端口发送PWM信号，中央处理电路接收信号并解析获取PWM信号的频率和占空比，根据预先设定的频率和占空比的转换规则将其转换为电机的控制信息并用于智能执行器电机的控制；中央处理电路将电机的位置信号转换成特定占空比的PWM信号，并通过信号输出端口发送至上位机，上位机获取该PWM信号并转换成电机位置信号，作为电机控制参数。
上述技术方案中，上位机发送的PWM信号中，由PWM信号的不同占空比分别表示电机正转、反转、停止指令，由PWM信号的不同频率表示无刷直流电机的速度控制指令。
上述技术方案中，中央处理电路发送的PWM信号中，由PWM信号的不同占空比分别是表示电机的不同位置反馈信息。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1、本发明创造性地提出了将PWM作为控制信号使用，使其应用到无刷直流电机的控制，由此，不需要设置专门的接口模块，既简化了控制板上的电路布置，又减小了控制板的体积，使得控制板能方便地与电机安装到一起。
2、本发明将本来作为模拟控制的PWM转换成信号传输，可以方便地规定电机的正转、反转、停止指令和速度控制，不存在采用现有通信接口时存在的不同厂家对协议中的参数定义不同导致的控制困难，易于实现。
附图说明
图1是本发明实施例中的***模块图；
图2是实施例中电机控制指令的PWM信号示意图；
图3是实施例中电机位置反馈信号的PWM信号示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：参见图1所示，一种采用无刷直流电机的智能执行器，包括驱动控制板、无刷直流电机、机械传动机构，其中，驱动控制板中设有供电电路、无刷直流驱动电路、信号采集电路、信号输出电路和中央处理电路。无刷直流驱动电路连接无刷直流电机，无刷直流电机连接机械传动机构，构成执行装置。中央处理电路上设有接收和发送PWM信号的信号输入端口和信号输出端口，在具体实现中，信号输入端口和信号输出端口可以独立设置，也可以复用。
PWM信号是一种波形信号，例如可以是方波信号，参见附图2，由上至下分别为电机反转、正转、停止的波形图。根据需要，也可以采用其它设置方式来指代相应的指令。而电机的转速则可以通过PWM信号的频率来确定。
无刷直流电机的位置，既可以通过霍尔传感器取得，也可以通过反感应电动势计算获取，例如，采用FOC算法获取。中央处理电路获取电机的位置信息后，可以将其表达成不同占空比的PWM信号输出给上位机。参见附图3，为不同电机位置时采用不同占空比表示的PWM信号示意图。
由此，本发明在不需要使用通信接口的前提下，将PWM转换成信号使用，实现了无刷直流电机的控制和反馈。一方面简化了电机控制板的结构，使其可以方便地集成到电机上，另一方面实现了智能执行器的控制协议的统一。

Claims (5)

1.一种采用无刷直流电机的智能执行器，包括由供电电路、无刷直流驱动电路、信号采集电路、信号输出电路和中央处理电路构成的驱动控制板，无刷直流电机，机械传动机构，所述无刷直流驱动电路连接所述无刷直流电机，所述无刷直流电机连接所述机械传动机构，其特征在于：所述驱动控制板安装在所述无刷直流电机上，所述中央处理电路具有信号输入端口，所述信号输入端口接收PWM形式的控制信息信号，所述中央处理电路中设有处理模块，所述处理模块获取所述PWM形式的控制信息信号，提取其频率和占空比信息并据此确定对电机的控制信息；所述中央处理电路具有信号输出端口，所述信号输出端口输出PWM形式的反馈信息信号，所述PWM形式的反馈信息信号由频率和/或占空比信息表示无刷直流电机的位置反馈信息；由PWM形式的控制信息信号的不同占空比分别表示电机正转、反转、停止信号；智能执行器的中央处理电路的信号输入端口和信号输出端口连接至上位机。
2.根据权利要求1所述的采用无刷直流电机的智能执行器，其特征在于：由PWM形式的控制信息信号的不同频率表示无刷直流电机的速度控制信息。
3.一种对权利要求1-2中任一智能执行器进行控制的方法，将智能执行器的中央处理电路的信号输入端口和信号输出端口连接至上位机，其特征在于：上位机通过PWM通信端口向智能执行器的中央处理电路的信号输入端口发送PWM形式的控制信息信号，中央处理电路接收信号并解析获取PWM形式的控制信息信号的频率和占空比，根据预先设定的频率和占空比的转换规则将其转换为电机的控制信息并用于智能执行器电机的控制；中央处理电路将电机的位置信号转换成特定占空比的PWM形式的反馈信息信号，并通过信号输出端口发送至上位机，上位机获取该PWM形式的反馈信息信号并转换成电机位置信号，作为电机控制参数。
4.根据权利要求3所述的控制的方法，其特征在于：上位机发送的PWM形式的控制信息信号中，由PWM形式的控制信息信号的不同占空比分别表示电机正转、反转、停止指令，由PWM形式的控制信息信号的不同频率表示无刷直流电机的速度控制指令。
5.根据权利要求3所述的控制的方法，其特征在于：中央处理电路发送的PWM形式的反馈信息信号中，由PWM形式的反馈信息信号的不同占空比分别是表示电机的不同位置反馈信息。
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