基于手机APP蓝牙的宽禁带半导体器件的BLDC远程控制系统转让专利
申请号 : CN202010593434.2
文献号 : CN111935352B
文献日 : 2021-10-08
发明人 : 建照阳 , 赵朝会 , 丁帆 , 段利聪
申请人 : 上海电机学院
摘要 :
权利要求 :
1.一种基于手机APP蓝牙的宽禁带半导体器件的BLDC远程控制系统,其特征在于,该系统包括手机APP、硬件控制器、电机本体和信息实时反馈模块,其中:所述的硬件控制器包括碳化硅功率集成模块以及与其配套的驱动板、基于GD32系列芯片+CPLD芯片的电机控制板、用于通信的蓝牙模块和用于测量所述BLDC电机本体在运行过程中的温度、噪声、振动及电流的信息采集模块;
所述手机APP,与所述硬件控制器蓝牙连接,用于通过所述硬件控制器向所述BLDC电机本体发布控制命令,并根据所述BLDC电机本体的实时运行情况,向用户显示所述BLDC电机本体的各项运行参数;
所述硬件控制器,与所述手机APP蓝牙连接,用于作为控制器控制所述BLDC电机本体工作;
所述BLDC电机本体,与所述硬件控制器相连接,用于作为驱动控制的对象;
所述信息实时反馈模块,用于检测所述BLDC电机本体的相关运行参数信息并实时反馈至所述手机APP;
所述的手机APP的对应操作界面包括电机控制界面、实时参数界面和更多调试参数界面;
所述的电机控制界面的界面内容包括电机的开关按钮、转向按钮、电流的开闭环按钮、速度的开闭环按钮、电机的加速度输入项、给定相电流输入项、给定速度输入项、最大电流输入项、最大转速输入项和给定占空比输入项;所述的实时参数界面的界面内容包括显示电机三相PWM调制的占空比、显示电机三相相电流、显示转速、显示电路板温度、显示电机温度、显示电机的振动和显示电机的噪声;所述的更多调试参数界面的界面内容包括电流的比例参数输入项、电流的积分参数输入项、电流的补偿参数输入项、速度的比例参数输入项、速度的积分参数输入项、速度的补偿参数输入项、电机的参考频率项和电机的最高频率项;
所述的电机控制界面和更多调试参数界面在对应输入项下方显示发送成功的输入值。
2.根据权利要求1所述的一种基于手机APP蓝牙的宽禁带半导体器件的BLDC远程控制系统,其特征在于,所述的碳化硅功率集成模块采用型号为CCS020M12CM2的碳化硅功率集成模块,所述的驱动板采用型号为CGD15FB45P1的驱动板。
3.根据权利要求1所述的一种基于手机APP蓝牙的宽禁带半导体器件的BLDC远程控制系统,其特征在于,所述的蓝牙模块采用型号为HC‑05的嵌入式蓝牙串口通讯模块,通过串口与所述GD32系列芯片相连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于手机APP蓝牙的宽禁带半导体器件的BLDC远程控制系统,其特征在于,所述的信息采集模块包括连接于所述GD32系列芯片与所述BLDC电机本体之间的温度传感器、噪声传感器、振动传感器和电流互感器。
5.根据权利要求4所述的一种基于手机APP蓝牙的宽禁带半导体器件的BLDC远程控制系统,其特征在于,所述的温度传感器采用型号为PT100的温度传感器,所述的噪声传感器采用型号为BYZ‑08的噪音检测传感器,所述的振动传感器采用型号为ZMT‑CL10的一体化振动传感器,所述的电流互感器采用型号为LEM HO 6‑P的霍尔电流传感器。
6.根据权利要求4所述的一种基于手机APP蓝牙的宽禁带半导体器件的BLDC远程控制系统,其特征在于,所述的GD32系列芯片的具体型号为GD32F303,所述CPLD芯片的具体型号为EPM570。
7.根据权利要求1所述的一种基于手机APP蓝牙的宽禁带半导体器件的BLDC远程控制系统,其特征在于,所述的BLDC电机本体采用带位置传感器的无刷直流电机。
说明书 :
基于手机APP蓝牙的宽禁带半导体器件的BLDC远程控制系统
技术领域
背景技术
服了有刷直流电机的先天性缺陷,以电子换相取代了传统的机械换相,既具有交流电机的
结构简单、运行可靠、维护方便等优点,又具有直流电机优良的调速性能。
Internet/Intranet,对远端进行监视和控制,完成对分散控制网络的状态监控及设备的诊
断维护等功能。如今,远程控制无刷直流电机以成为研究热点。西北工业大学有学者研究了
一种嵌入式无刷直流电机网络控制系统和一种基于Internet的无刷直流电机控制系统,解
决了电机远程闭环控制的实时性问题和电机接入网络引起网络波动的问题;中南大学有学
者针对无刷直流电机的远程控制问题,研究了一种基于以太网的无刷直流电机网络控制系
统;江苏大学有学者研究了一种基于GPRS的无刷直流电机的远程监控系统,解决了无刷直
流电机的远程在线监控的问题。
Motive公司开发出来蓝牙手机APP控制的一体化电机,能够控制电机正反转、调速和显示一
些实时参数;ABB公司也开发出了界面友好的蓝牙APP来控制电机且具备报警功能。在国内,
桂林电器科学研究院有限公司研发了一款基于蓝牙和互联网技术的BLDC电机远程控制系
统,使用这个系统用户可以方便的远程访问现场的BLDC控制系统,对它进行实时控制和检
测。浙江永发机电有限公司开发了一种具有云大数据平台的智能电机系统,能够实时诊断
电机的运行状况,并向电机输出优化控制指令。
来功率半导体器件发展的必然趋势。目前GTO和SCR功率器件的频率仅能达到几百赫兹,在
高速电机的控制中存在着较大的损耗、转矩脉动和谐波,无法满足对高速永磁无刷直流电
机控制的需求。而以碳化硅为代表的宽禁带半导体功率器件拥有较高的开关频率,因此宽
禁带半导体功率器件在未来的高速电机驱动系统中将会成为必不可少的一部分。
集成了诊断、保护、控制、通讯等功能,可实现电机系统的自我诊断、自我保护、自我调速和
远程控制等。
发明内容
化的发展方向,智能化的装备已经出现在各个制造业领域,电机的智能化也得到了巨大发
展。为了更加方便快捷的控制电机、检测电机的运行状态以及实现电机的高速运行,并且使
电机更加的智能化和更好的为人们服务。
电机本体的各项运行参数;
机本体在运行过程中的温度、噪声、振动及电流的信息采集模块。
动传感器,所述的电流互感器采用型号为LEM HO 6‑P的霍尔电流传感器。
入项、最大电流输入项、最大转速输入项和给定占空比输入项;所述的实时参数界面的界面
内容包括显示电机三相PWM调制的占空比、显示电机三相相电流、显示转速、显示电路板温
度、显示电机温度、显示电机的振动和显示电机的噪声;所述的更多调试参数界面的界面内
容包括电流的比例参数输入项、电流的积分参数输入项、电流的补偿参数输入项、速度的比
例参数输入项、速度的积分参数输入项、速度的补偿参数输入项、电机的参考频率项和电机
的最高频率项。
可以随时随地的了解电机的运行状态,提高了监测电机运行状态的效率;能够在线调试电
机参数,使电机随时保持较好的运行状态,还能够充分发挥碳化硅功率半导体器件在高速
电机运行时的最佳性能。
较高的开关频率,能极大的满足永磁无刷直流电机对高速控制的需求。
是电机的重要参数,是电机运行状态的标志,对这些参数进行实时监测,能够有效了解电机
的运行状态,为分析电机运行质量提供必不可少的数据。
附图说明
具体实施方式
明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实
施例,都应属于本发明保护的范围。
互连接,给电机发布控制命令,并根据电机的实时运行情况,向用户显示电机的各项运行参
数;硬件控制器,由SiC宽禁带半导体功率器件、SiC宽禁带半导体功率器件驱动电路和基于
“中国芯”GD32F303+CPLD为结构的电机控制板组成,用于构成控制器,控制电机工作;BLDC
电机本体一台,作为驱动控制的对象;信息实时反馈模块,检测电机的温度、振动、噪声、电
机电流、速度信息,并将信息实时反馈到APP。本发明利用自主研发的手机APP控制电机,不
仅响应速度快,而且能够监测电机的运行状态。
及蓝牙的连接与断开,界面二为实时反馈数据,界面三为一些预留控制功能。
动板、基于GD32+CPLD的电机控制板、蓝牙模块,用于采集电机的位置信息,控制电机转动;
信息采集模块,包括温度传感器、噪声传感器、振动传感器和电流互感器,用于测量电机在
运行过程中的温度、噪声、振动及电流。
钮、速度的开闭环按钮、电机的加速度输入项、给定相电流输入项、给定速度输入项、最大电
流输入项、最大转速输入项、给定占空比输入项;所述的实时参数界面,其界面的内容有显
示电机三相PWM调制的占空比、显示电机三相相电流、显示转速、显示电路板温度、显示电机
温度、显示电机的振动、显示电机的噪声;所述更多参数的界面,其界面的内容有电流的比
例参数输入项、电流的积分参数输入项、电流的补偿参数输入项、速度的比例参数输入项、
速度的积分参数输入项、速度的补偿参数输入项、电机的参考频率项、电机的最高频率项。
模块组成的。
蓝牙模块通过串口通信相互连接,基于该系统所开发的手机APP再连接蓝牙信号,完成上、
下位机的控制。CPLD则是负责位置信号的处理以及BLDC换相导通逻辑的控制。
定功率1.2KW、额定转速24000rpm、额定转矩0.5Nm、噪声60dB、绝缘等级F级、防护等级IP44、
振动0.8mm/s。
该传感器输出为4‑20mA,测量范围为35‑100dB,分辨率为0.1dB,精度为1.5dB,频率范围为
20Hz‑12.5kHz,供电电压为直流24V;信息采集模块包括PT100温度传感器,它的阻值会随着
温度的变化而改变。PT100它在0℃时阻值为100欧姆,在100℃时它的阻值约为138.5欧姆;
信息采集模块包括霍尔电流传感器LEM HO 6‑P,该电流传感器灵敏度高、频带宽、抗干扰能
力强,其工作电压是3.3V,电流有效测量范围为‑20~20A,灵敏度为76.67mV/A。
硬件控制器,由SiC宽禁带半导体功率器件、SiC宽禁带半导体功率器件驱动电路和基于“中
国芯”GD32F303+CPLD为结构的电机控制板组成,用于构成控制器,控制电机工作;BLDC电机
本体一台,作为驱动控制的对象;信息实时反馈模块,检测电机的温度、振动、噪声、电机电
流、速度信息,并将信息实时反馈到APP。本发明利用自主研发的手机APP控制电机,不仅响
应速度快,而且能够监测电机的运行状态。
调制产生6路PWM波,将其送入功率驱动单元,功率驱动单元将母线电压逆变为三相交流电
压来控制无刷直流电机。整个设计采用GD32+CPLD的结构。GD32F303主要负责转速闭环、电
流闭环、控制算法、输出固定频率的PWM、将采样电流进行模数转换、采集电机的温度信号、
采集电机的噪声信号以及采集电机的振动信号。另外,GD32F303与蓝牙模块通过串口通信
相互连接,用于电机控制的手机APP再连接蓝牙信号,完成上、下位机的控制。CPLD则是负责
位置信号的处理以及BLDC换相导通逻辑的控制。本项目中功率变换器为集成后的碳化硅模
块及其驱动板组成。碳化硅集成模块损耗小,开关频率高,能够支持紧凑和轻量级系统,运
行高效,降低过电压保护。实验中的电机最大电流为8A,因此选择20A的碳化硅集成模块。与
之配套的驱动板有6个输出通道,可隔离电源,有短路保护、过温保护和欠压保护。
指令,蓝牙串口接收指令,再传送给下位机,进而控制电机的运行;电机运行的实时参数通
过蓝牙传送给手机APP并实现实时数据显示。当蓝牙连接以后,4个绿色按钮将处于启用状
态,分别控制电机的开关、转向、电流环、速度环。其中,电流环指的是电流反馈系统,一般指
的是将输出电流采用正反馈或负反馈的方式接入处理环节的方法,主要为了通过提高电流
的稳定性能来提高系统的性能。速度环则指的是速度反馈系统。它们主要的作用是使误差
越来越少,使控制精度更高更准确更迅速并实现自动控制。本页面可实现对电机加速度、给
定相电流、给定转速、最大电流、最大转速、给定占空比进行设置,若设置的值被下位机正确
接收则在对应的输入值下方反馈回接收到的值,能有效了解是否有发生发送无效值的情
况。其中,电机加速度可理解为电机实现给定转速的快慢。给定相电流是指三相电源中流过
每相负载的电流。给定转速为电机稳定运行时的转速。最大电流为允许通过的最大相电流,
若运行过程中超过最大电流输入值,电机将启动保护措施,停止运转。另外,给定相电流的
输入值应小于最大电流的输入值,否则电机处于保护状态,将不能启动。最大转速为允许电
机转到的最大的转速值,若电机实时转速超过最大转速输入值,电机将自动降速并停止运
转,是采取的一种保护措施,防止跑飞的现象。另外,给定转速输入值应小于最大转速输入
值,否则,电机处于保护状态,将不能启动。给定占空比只在电流开环、速度开环的时候输
入。
各项数据。各项数据随着电机的状态变化而实时更新,确保数据的真实有效性。其中A、B、C
相PWM占空比中的PWM就是Pulse‑Width Modulation(脉冲宽度调制),这里面的脉冲宽度即
在一个周期内输出高电平的时间,占空比为一个周期内输出高电平的比例,尤其是在对电
机的转速控制方面,该技术可大大节省能量。PWM具有很强的抗噪性,且有节约空间、比较经
济等特点。各相相电流、转速、电路板温度、电机温度、电机振动、电机噪声也是我们了解电
机的运行状态的重要数据。
VKI、VKC,参考频率,以及最高频率。此处的输入值若发送成功,下位机接收后将把接收到的
数据反馈回来,手机APP接收并实时显示在输入值下方浅色横线处,表示输入值设定成功,
确保电机输入值设定成功。电流闭环参数、速度闭环参数、参考频率、最高频率的设定,可实
现对电机更加精确的调试控制。若在此处不输入给定值进行调试,则电机按程序内设置的
默认值给定各项参数。
APP在线调整,使电机保持良好的运行状态。
率逆变器,使逆变器的开关频率达到80k,实现了电机的高速运转。使用中国芯片GD32F303
作为控制核心,解决了芯片“卡脖子”问题。
便快捷。本发明能够方便灵活的控制电机、监测电机和调试电机,能够减轻电机维护人员的
工作量,解决了传统上需要就近检测电机的麻烦,一定程度上保护了维护人员的安全。在工
业和过程控制领域中,电机是主要执行单元设备,PWM占空比、相电流、转速、温度、振动、噪
声是电机的重要参数,是电机运行状态的标志,对这些参数进行实时监测,能够有效了解电
机的运行状态,为分析电机运行质量提供必不可少的数据。
换,这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以权利
要求的保护范围为准。