專利名稱：一種無刷直流電機(jī)的控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種無刷直流電機(jī)的控制裝置技術(shù)領(lǐng)域[0001 ] 本發(fā)明涉及一種無刷直流電機(jī)的控制裝置。
背景技術(shù)：
[0002]無刷直流電機(jī)系統(tǒng)由電動機(jī)本體、驅(qū)動控制器和霍爾位置傳感器三部分組成。無刷直流電動機(jī)本體主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成，與普通直流電機(jī)不同的是，繞組在定子上，而轉(zhuǎn)子是永磁體，用來產(chǎn)生氣隙磁場。驅(qū)動控制器用來實(shí)現(xiàn)對無刷直流電機(jī)的換向控制，使定子繞組中流過電流，產(chǎn)生定子磁場，并與轉(zhuǎn)子磁場相互作用，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)電壓電流轉(zhuǎn)速的控制。霍爾位置傳感器用來檢測轉(zhuǎn)子磁鋼的位置，使無刷直流電動機(jī)能根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置實(shí)現(xiàn)自控式換向。[0003]大部分的無刷直流電機(jī)包括電機(jī)本體和霍爾位置傳感器，但無刷電機(jī)及驅(qū)動控制器多采用分離式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，電機(jī)多采用圓柱體結(jié)構(gòu)，驅(qū)動控制器多采用長方體結(jié)構(gòu)，中間采用8根線連接，包括5根霍爾3根電源線。驅(qū)動控制器通過電源線給電機(jī)供電，通過霍爾線得到電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號。[0004]無刷直流電機(jī)控制方法多采用速度閉環(huán)PID 控制。PID控制包含比例、積分和微分3種控制規(guī)律，是一種線性控制器，其作用是按給定電機(jī)轉(zhuǎn)速和實(shí)測電機(jī)轉(zhuǎn)速的偏差的比例加積分加微分形成控制量，去控制電機(jī)的電壓，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使電機(jī)轉(zhuǎn)速趨于給定。[0005]采用分離式結(jié)構(gòu)的電機(jī)及控制器在實(shí)際應(yīng)用中存在不足之處，具體表現(xiàn)在以下幾占-^ \\\ ·[0006](I)電機(jī)和驅(qū)動器之間的導(dǎo)線裸露在外界環(huán)境中，易受到惡劣環(huán)境的侵蝕，容易斷裂，損壞，影響系統(tǒng)的可靠性；[0007](2)影響系統(tǒng)的密封性，難以實(shí)現(xiàn)動密封，尤其系統(tǒng)處在水、油等液體中，密封性差將導(dǎo)致電機(jī)及控制器失效；[0008](3)圓柱體電機(jī)和長方體控制器搭配占用較大體積，殼體增加了系統(tǒng)重量，難以滿足現(xiàn)在先進(jìn)設(shè)備，如飛機(jī)，導(dǎo)彈等對微型化的要求。[0009](4)小功率電機(jī)本體占用體積小，而控制器考慮元器件分布及散熱等問題占用很大體積，導(dǎo)致系統(tǒng)整體功率密度低。[0010]并且在無刷直流電動機(jī)全電壓起動時(shí)，如果沒有限流措施，會產(chǎn)生很大的沖擊電流。另外，有時(shí)電動機(jī)可能會遇到堵轉(zhuǎn)的情況，例如由于故障、機(jī)械軸被卡住或電機(jī)運(yùn)行時(shí)負(fù)載過大等等。由于閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性很硬，若無限流環(huán)節(jié)繼續(xù)運(yùn)行下去，電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值。如果只依靠過流繼電器或熔斷器保護(hù)，一過載就跳閘，也會給正常工作帶來不便。發(fā)明內(nèi)容[0011]要解決的技術(shù)問題[0012]為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種無刷直流電機(jī)控制方法及其裝置。[0013]技術(shù)方案[0014]一種無刷直流電機(jī)的控制裝置，其特征在于包括電源變換電路、主控電路、驅(qū)動電 路、通信電路、電壓電流檢測電路和霍爾位置檢測電路；連接關(guān)系為通信電路通過串口與 上位機(jī)的輸出端相連，并與主控電路連接；主控電路的輸出連接驅(qū)動電路，驅(qū)動電路與電機(jī) 和電壓電流檢測電路相連；電壓電流連接主控電路，霍爾位置檢測電路連接主控電路；[0015]所述通信電路通過串口與上位機(jī)的輸出端相連，并與主控電路連接；將通信內(nèi)容 通過RS232通信協(xié)議與主控電路進(jìn)行通信；所述通信內(nèi)容包括電機(jī)的啟停、調(diào)速、母線電 壓、母線電流；[0016]所述主控電路接收電壓電流檢測電路和霍爾位置檢測電路的信號，及通信電路的 控制信號，在主控電路內(nèi)部進(jìn)行控制算法的執(zhí)行，對電壓電流檢測電路的信號進(jìn)行處理得 到真實(shí)的母線電壓電流，對霍爾位置檢測電路的信號進(jìn)行處理得到電機(jī)速度反饋值，并進(jìn) 行轉(zhuǎn)速閉環(huán)產(chǎn)生對應(yīng)占空比的PWM斬波信號，通過電流截止負(fù)反饋對母線電流進(jìn)行限制， 使得系統(tǒng)起動時(shí)獲得最大的允許電流，主控電路輸出的PWM斬波信號給驅(qū)動電路；[0017]所述驅(qū)動電路接收主控電路的PWM斬波信號的占空比來控制逆變電路功率橋六 個(gè)功率管的開通和關(guān)斷，輸出三相電壓，與電機(jī)直接相連；電機(jī)得到三相電壓，電壓的大小 決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)速；[0018]所述霍爾位置檢測電路將電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信號的電平轉(zhuǎn)換為主控電路可接收的 3. 3V電壓，連接到主控電路；[0019]所述電壓電流檢測電路檢測母線電壓電流信號，并轉(zhuǎn)換為主控電路可接收的低于 5V以下的電壓，連接至主控電路；[0020]所述電源變換電路連接直流電壓源，實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換功能，輸出信號分別和其他幾 個(gè)電路連接。所述控制器與電機(jī)為一體化結(jié)構(gòu)，電機(jī)的后端蓋作為控制器的前端蓋，電機(jī)的 霍爾線和電源線從電機(jī)后端蓋的接插件引入控制器；所述控制器包括控制板和驅(qū)動板，驅(qū) 動板在前端，控制板載后端，兩層板間采用銅柱連接，控制器內(nèi)部灌裝密封，通過接插件引 出通信線和電源線；所述控制板上設(shè)有電源變換電路、主控電路、通信電路、電壓電流檢測 電路、霍爾位置檢測電路；所述驅(qū)動板上設(shè)有驅(qū)動電路。[0021]有益效果[0022]本發(fā)明提出的一種無刷直流電機(jī)的控制裝置，對小功率無刷直流電機(jī)一體化控制 器進(jìn)行了原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于采用一體化結(jié)構(gòu)的無刷直流控制器，可以隔離外接環(huán)境對 導(dǎo)線的干擾，易實(shí)現(xiàn)動密封，減小了系統(tǒng)的體積，減輕了系統(tǒng)的重量；采用粗布線方法省去 了隔離模塊，選取高集成化，高效率器件，并采用灌裝技術(shù)，提高了驅(qū)動控制器的散熱性能， 實(shí)現(xiàn)良好的密封性。結(jié)合速度負(fù)反饋和電流截止負(fù)反饋控制的控制方法，提高了系統(tǒng)控制 精度，減小穩(wěn)態(tài)誤差，解決了系統(tǒng)在起動和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過大問題，保護(hù)了功率器件，且僅需 采樣母線電流，節(jié)省了元器件。無刷直流電機(jī)和控制器的一體化設(shè)計(jì)，保護(hù)了電機(jī)和控制器 連接導(dǎo)線不夠外界惡劣環(huán)境的的干擾，提高了系統(tǒng)的可靠性，保證了系統(tǒng)的密封性。系統(tǒng)整 體設(shè)計(jì)為圓柱形，取代了一方一圓的分離式結(jié)構(gòu)，減小了系統(tǒng)體積。


[0023]圖1 :小功率無刷直流電機(jī)一體化控制器原理圖；[0024]圖2 :系統(tǒng)電源電路框圖；[0025]圖3:電源變換電路；[0026]圖4 :主控電路圖；[0027]圖5 :通信電路圖；[0028]圖6:驅(qū)動電路圖；[0029]圖7 電壓電流檢測電路圖；[0030]圖8 :霍爾位置檢測電路圖；[0031]圖9 :控制方法原理圖；[0032]圖10 :無刷電機(jī)及控制器一體化設(shè)計(jì)外形圖。
具體實(shí)施方式
[0033]現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述[0034]本發(fā)明為小功率無刷電機(jī)一體化控制器，主要包括電源變換電路，主控電路，驅(qū)動 電路，通信電路，電壓電流檢測電路，霍爾位置檢測電路6部分。[0035]技術(shù)方案為[0036]上位機(jī)軟件通過串口與通信電路相連，通過RS232通信協(xié)議與主控電路進(jìn)行通 信，通信內(nèi)容包括電機(jī)的啟停、調(diào)速、母線電壓、母線電流，通信電路的輸入輸出信號連接主 控電路；[0037]主控電路接收電壓電流檢測電路和霍爾位置檢測電路的信號，及通信電路的控制 信號，在主控電路內(nèi)部進(jìn)行控制算法的執(zhí)行，對電壓電流檢測電路的信號進(jìn)行處理得到真 實(shí)的母線電壓電流，對霍爾位置檢測電路的信號進(jìn)行處理得到電機(jī)速度反饋值，并進(jìn)行轉(zhuǎn) 速閉環(huán)產(chǎn)生對應(yīng)占空比的PWM斬波信號，通過電流截止負(fù)反饋對母線電流進(jìn)行限制，使得 系統(tǒng)起動時(shí)獲得最大的允許電流，主控電路輸出的PWM斬波信號給驅(qū)動電路；[0038]驅(qū)動電路通過PWM斬波信號的占空比來控制逆變電路功率橋六個(gè)功率管的開通 和關(guān)斷，輸出三相電壓，與電機(jī)直接相連；[0039]電機(jī)得到三相電壓，電壓的大小決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)速，電機(jī)通過霍爾位置檢測器將 轉(zhuǎn)子位置輸出給轉(zhuǎn)子位置檢測電路；[0040]霍爾位置檢測電路將轉(zhuǎn)子位置信號的電平轉(zhuǎn)換為主控電路可接收的3. 3V電壓， 連接到主控電路；[0041]電壓電流檢測電路檢測母線電壓電流信號，并轉(zhuǎn)換為主控電路可接收的低于5V 以下的電壓，連接至主控電路；[0042]電源變換電路連接直流電壓源，實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換功能，輸出信號分別和其他幾個(gè)電 路連接。[0043]控制器與電機(jī)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，電機(jī)的后端蓋作為控制器的前端蓋，電機(jī)的霍爾 線和電源線從電機(jī)后端蓋的接插件引入控制器。控制器包括控制板和驅(qū)動板，驅(qū)動板在前 端，控制板載后端，兩層板間采用銅柱連接，控制器內(nèi)部灌裝密封，通過接插件引出通信線 和電源線。[0044]控制方法采用速度負(fù)反饋和電流截止負(fù)反饋控制相結(jié)合的方法。內(nèi)環(huán)為電流截止負(fù)反饋，外環(huán)為速度負(fù)反饋。電壓電流檢測電路信號輸出給主控電路，經(jīng)信號處理后得到母線電流i。當(dāng)母線電流i小于等于參考電流Γ時(shí)，電流負(fù)反饋電路不通，電流截止負(fù)反饋不起作用；當(dāng)母線電流i大于參考電流Γ時(shí)，形成電流反饋值ei = i*-10霍爾位置檢測器將轉(zhuǎn)子位置輸出給主控電路，信號處理后得到電機(jī)速度反饋值，將速度反饋值和速度參考值的偏差進(jìn)行PI調(diào)節(jié)得到速度負(fù)反饋，速度負(fù)反饋與電電流截止負(fù)反饋差值與周期序列信號的幅值做差產(chǎn)生一系列占空比變化的PWM脈沖信號，通過調(diào)節(jié)占空比調(diào)節(jié)電機(jī)相電壓， 實(shí)現(xiàn)對BLDCM轉(zhuǎn)速的控制。[0045]本實(shí)施例具體結(jié)構(gòu)如下[0046]現(xiàn)設(shè)計(jì)一功率為30W無刷電機(jī)一體化控制器，主要包括電源變換電路，主控電路， 驅(qū)動電路，通信電路，電壓電流檢測電路，霍爾位置檢測電路6部分，其聯(lián)接關(guān)系原理參見圖1。[0047]參見圖2，系統(tǒng)各電路的的供電電壓，電源變換電路將28V母線電壓轉(zhuǎn)化為12V，又將12V直流轉(zhuǎn)化為3. 3V直流電壓。參見圖3，電源變換電路采用芯片MAX5035。[0048]參見圖4，控制芯片采用TMS320F28035，其集成度高，體積小，采用單電源供電。由該DSP芯片的IO輸出PWM斬波控制驅(qū)動電路開關(guān)管的開通關(guān)斷來調(diào)節(jié)電機(jī)電壓，AD讀取電機(jī)電壓電流值，SCI通過通信芯片與上位機(jī)進(jìn)行RS232通信，捕獲單元捕獲電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號，芯片內(nèi)部同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和算法執(zhí)行。[0049]參見圖5，通信電路采用RS232標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動芯片MAX3232，MAX3232確保在120kbps 數(shù)據(jù)速率，同時(shí)保持RS232輸出電平。上位機(jī)通過通信電路發(fā)送數(shù)據(jù)給DSP，DSP將反饋數(shù)據(jù)處理后經(jīng)通信電路傳輸給上位機(jī)。[0050]參見圖6，驅(qū)動電路采用TI公司的drv8312，效率97 %，工作電壓50V，連續(xù)相電流高達(dá)3. 5A (峰值6. 5A)，PWM工作頻率500kHz，具有欠壓，超溫，過載和短路保護(hù)特性以及可編程的逐個(gè)周期的限流保護(hù)。drv8312接收DSP信號，直接驅(qū)動電機(jī)工作。[0051]參見圖7，電壓檢測電路采集母線電壓經(jīng)運(yùn)放縮小電路給DSP的AD，在驅(qū)動芯片 drv8312母線主回路串聯(lián)一采樣電阻R，通過R電流即為電機(jī)相電流I，電流檢測電路通過采集采樣電阻R端電壓，經(jīng)放大電路給AD，再由DSP內(nèi)部運(yùn)算出母線電壓電流給上位機(jī)軟件。 運(yùn)放芯片采用OP291，是一種軌至軌的高性能雙運(yùn)放集成芯片。[0052]參見圖8，霍爾位置檢測電路采用ps2801，輸入端供電電壓為12V，輸出端供電電壓3. 3V，實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換和信號隔離功能。[0053]參見圖10，控制器與電機(jī)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，控制器和電機(jī)均為圓柱體，電機(jī)的后端蓋作為控制器的前端蓋，電機(jī)的霍爾線和電源線從電機(jī)后端蓋的接插件引入控制器。控制器包括控制板和驅(qū)動板，驅(qū)動板在前端，控制板在后端，兩層板間采用銅柱連接，控制器內(nèi)部灌裝密封，通過接插件弓I出通信線和電源線。
權(quán)利要求1.一種無刷直流電機(jī)的控制裝置，其特征在于包括電源變換電路、主控電路、驅(qū)動電路、通信電路、電壓電流檢測電路和霍爾位置檢測電路；連接關(guān)系為通信電路通過串口與上位機(jī)的輸出端相連，并與主控電路連接；主控電路的輸出連接驅(qū)動電路，驅(qū)動電路與電機(jī)和電壓電流檢測電路相連；電壓電流連接主控電路，霍爾位置檢測電路連接主控電路； 所述通信電路通過串口與上位機(jī)的輸出端相連，并與主控電路連接；將通信內(nèi)容通過RS232通信協(xié)議與主控電路進(jìn)行通信；所述通信內(nèi)容包括電機(jī)的啟停、調(diào)速、母線電壓、母線電流； 所述主控電路接收電壓電流檢測電路和霍爾位置檢測電路的信號，及通信電路的控制信號，在主控電路內(nèi)部進(jìn)行控制算法的執(zhí)行，對電壓電流檢測電路的信號進(jìn)行處理得到真實(shí)的母線電壓電流，對霍爾位置檢測電路的信號進(jìn)行處理得到電機(jī)速度反饋值，并進(jìn)行轉(zhuǎn)速閉環(huán)產(chǎn)生對應(yīng)占空比的PWM斬波信號，通過電流截止負(fù)反饋對母線電流進(jìn)行限制，使得系統(tǒng)起動時(shí)獲得最大的允許電流，主控電路輸出的PWM斬波信號給驅(qū)動電路； 所述驅(qū)動電路接收主控電路的PWM斬波信號的占空比來控制逆變電路功率橋六個(gè)功率管的開通和關(guān)斷，輸出三相電壓，與電機(jī)直接相連；電機(jī)得到三相電壓，電壓的大小決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)速； 所述霍爾位置檢測電路將電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信號的電平轉(zhuǎn)換為主控電路可接收的3. 3V電壓，連接到主控電路； 所述電壓電流檢測電路檢測母線電壓電流信號，并轉(zhuǎn)換為主控電路可接收的低于5V以下的電壓，連接至主控電路； 所述電源變換電路連接直流電壓源，實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換功能，輸出信號分別和其他幾個(gè)電路連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述控制器與電機(jī)為一體化結(jié)構(gòu)，電機(jī)的后端蓋作為控制器的前端蓋，電機(jī)的霍爾線和電源線從電機(jī)后端蓋的接插件引入控制器；所述控制器包括控制板和驅(qū)動板，驅(qū)動板在前端，控制板載后端，兩層板間采用銅柱連接，控制器內(nèi)部灌裝密封，通過接插件引出通信線和電源線； 所述控制板上設(shè)有電源變換電路、主控電路、通信電路、電壓電流檢測電路、霍爾位置檢測電路；所述驅(qū)動板上設(shè)有驅(qū)動電路。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種無刷直流電機(jī)控制裝置，其特征在于根據(jù)電機(jī)速度反饋值和速度參考值的誤差的大小采用位置式PI算法計(jì)算出控制這些誤差收斂的速度負(fù)反饋輸出，再減去電流截止負(fù)反饋的輸出，得到的參考斬波幅值與周期序列信號相與產(chǎn)生PWM斬波信號，通過控制PWM斬波信號的占空比來控制電機(jī)相電壓，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。本方法提高了系統(tǒng)控制精度，減小穩(wěn)態(tài)誤差，解決了系統(tǒng)在起動和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過大問題，保護(hù)了功率器件，且該方法僅需采樣母線電流，節(jié)省了元器件。對控制方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)控制精度，減小穩(wěn)態(tài)誤差，解決了系統(tǒng)在起動和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過大問題，保護(hù)了功率器件，同時(shí)對電網(wǎng)電壓起抗干擾能力。
文檔編號H02P6/08GK202856672SQ20122024360
公開日2013年4月3日 申請日期2012年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月28日
發(fā)明者竇滿峰, 郝曉宇, 楊新龍, 張 浩 申請人:西北工業(yè)大學(xué)