一種無刷直流電機的控制裝置的製作方法

2023-07-22 03:57:51

專利名稱：一種無刷直流電機的控制裝置的製作方法
技術領域：
一種無刷直流電機的控制裝置技術領域[0001 ] 本發明涉及一種無刷直流電機的控制裝置。
背景技術：
[0002]無刷直流電機系統由電動機本體、驅動控制器和霍爾位置傳感器三部分組成。無刷直流電動機本體主要由定子和轉子兩大部分組成，與普通直流電機不同的是，繞組在定子上，而轉子是永磁體，用來產生氣隙磁場。驅動控制器用來實現對無刷直流電機的換向控制，使定子繞組中流過電流，產生定子磁場，並與轉子磁場相互作用，驅動轉子旋轉，實現對電機電壓電流轉速的控制。霍爾位置傳感器用來檢測轉子磁鋼的位置，使無刷直流電動機能根據轉子的位置實現自控式換向。[0003]大部分的無刷直流電機包括電機本體和霍爾位置傳感器，但無刷電機及驅動控制器多採用分離式結構設計，電機多採用圓柱體結構，驅動控制器多採用長方體結構，中間採用8根線連接，包括5根霍爾3根電源線。驅動控制器通過電源線給電機供電，通過霍爾線得到電機轉子位置信號。[0004]無刷直流電機控制方法多採用速度閉環PID 控制。PID控制包含比例、積分和微分3種控制規律，是一種線性控制器，其作用是按給定電機轉速和實測電機轉速的偏差的比例加積分加微分形成控制量，去控制電機的電壓，從而控制電機的轉速，使電機轉速趨於給定。[0005]採用分離式結構的電機及控制器在實際應用中存在不足之處，具體表現在以下幾佔-^ \\\ ·[0006](I)電機和驅動器之間的導線裸露在外界環境中，易受到惡劣環境的侵蝕，容易斷裂，損壞，影響系統的可靠性；[0007](2)影響系統的密封性，難以實現動密封，尤其系統處在水、油等液體中，密封性差將導致電機及控制器失效；[0008](3)圓柱體電機和長方體控制器搭配佔用較大體積，殼體增加了系統重量，難以滿足現在先進設備，如飛機，飛彈等對微型化的要求。[0009](4)小功率電機本體佔用體積小，而控制器考慮元器件分布及散熱等問題佔用很大體積，導致系統整體功率密度低。[0010]並且在無刷直流電動機全電壓起動時，如果沒有限流措施，會產生很大的衝擊電流。另外，有時電動機可能會遇到堵轉的情況，例如由於故障、機械軸被卡住或電機運行時負載過大等等。由於閉環系統的靜特性很硬，若無限流環節繼續運行下去，電流將遠遠超過允許值。如果只依靠過流繼電器或熔斷器保護，一過載就跳閘，也會給正常工作帶來不便。發明內容[0011]要解決的技術問題[0012]為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種無刷直流電機控制方法及其裝置。[0013]技術方案[0014]一種無刷直流電機的控制裝置，其特徵在於包括電源變換電路、主控電路、驅動電 路、通信電路、電壓電流檢測電路和霍爾位置檢測電路；連接關係為通信電路通過串口與 上位機的輸出端相連，並與主控電路連接；主控電路的輸出連接驅動電路，驅動電路與電機 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的輸出端相連，並與主控電路連接；將通信內容 通過RS232通信協議與主控電路進行通信；所述通信內容包括電機的啟停、調速、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，在主控電路內部進行控制算法的執行，對電壓電流檢測電路的信號進行處理得 到真實的母線電壓電流，對霍爾位置檢測電路的信號進行處理得到電機速度反饋值，並進 行轉速閉環產生對應佔空比的PWM斬波信號，通過電流截止負反饋對母線電流進行限制， 使得系統起動時獲得最大的允許電流，主控電路輸出的PWM斬波信號給驅動電路；[0017]所述驅動電路接收主控電路的PWM斬波信號的佔空比來控制逆變電路功率橋六 個功率管的開通和關斷，輸出三相電壓，與電機直接相連；電機得到三相電壓，電壓的大小 決定了電機的轉速；[0018]所述霍爾位置檢測電路將電機的轉子位置信號的電平轉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，並轉換為主控電路可接收的低於 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，實現電平轉換功能，輸出信號分別和其他幾 個電路連接。所述控制器與電機為一體化結構，電機的後端蓋作為控制器的前端蓋，電機的 霍爾線和電源線從電機後端蓋的接插件引入控制器；所述控制器包括控制板和驅動板，驅 動板在前端，控制板載後端，兩層板間採用銅柱連接，控制器內部灌裝密封，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；所述驅動板上設有驅動電路。[0021]有益效果[0022]本發明提出的一種無刷直流電機的控制裝置，對小功率無刷直流電機一體化控制 器進行了原理及結構設計。由於採用一體化結構的無刷直流控制器，可以隔離外接環境對 導線的幹擾，易實現動密封，減小了系統的體積，減輕了系統的重量；採用粗布線方法省去 了隔離模塊，選取高集成化，高效率器件，並採用灌裝技術，提高了驅動控制器的散熱性能， 實現良好的密封性。結合速度負反饋和電流截止負反饋控制的控制方法，提高了系統控制 精度，減小穩態誤差，解決了系統在起動和堵轉時電流過大問題，保護了功率器件，且僅需 採樣母線電流，節省了元器件。無刷直流電機和控制器的一體化設計，保護了電機和控制器 連接導線不夠外界惡劣環境的的幹擾，提高了系統的可靠性，保證了系統的密封性。系統整 體設計為圓柱形，取代了一方一圓的分離式結構，減小了系統體積。


[0023]圖1 :小功率無刷直流電機一體化控制器原理圖；[0024]圖2 :系統電源電路框圖；[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 :無刷電機及控制器一體化設計外形圖。
具體實施方式
[0033]現結合實施例、附圖對本發明作進一步描述[0034]本發明為小功率無刷電機一體化控制器，主要包括電源變換電路，主控電路，驅動 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]技術方案為[0036]上位機軟體通過串口與通信電路相連，通過RS232通信協議與主控電路進行通 信，通信內容包括電機的啟停、調速、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，在主控電路內部進行控制算法的執行，對電壓電流檢測電路的信號進行處理得到真 實的母線電壓電流，對霍爾位置檢測電路的信號進行處理得到電機速度反饋值，並進行轉 速閉環產生對應佔空比的PWM斬波信號，通過電流截止負反饋對母線電流進行限制，使得 系統起動時獲得最大的允許電流，主控電路輸出的PWM斬波信號給驅動電路；[0038]驅動電路通過PWM斬波信號的佔空比來控制逆變電路功率橋六個功率管的開通 和關斷，輸出三相電壓，與電機直接相連；[0039]電機得到三相電壓，電壓的大小決定了電機的轉速，電機通過霍爾位置檢測器將 轉子位置輸出給轉子位置檢測電路；[0040]霍爾位置檢測電路將轉子位置信號的電平轉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，並轉換為主控電路可接收的低於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，實現電平轉換功能，輸出信號分別和其他幾個電 路連接。[0043]控制器與電機進行一體化設計，電機的後端蓋作為控制器的前端蓋，電機的霍爾 線和電源線從電機後端蓋的接插件引入控制器。控制器包括控制板和驅動板，驅動板在前 端，控制板載後端，兩層板間採用銅柱連接，控制器內部灌裝密封，通過接插件引出通信線 和電源線。[0044]控制方法採用速度負反饋和電流截止負反饋控制相結合的方法。內環為電流截止負反饋，外環為速度負反饋。電壓電流檢測電路信號輸出給主控電路，經信號處理後得到母線電流i。當母線電流i小於等於參考電流Γ時，電流負反饋電路不通，電流截止負反饋不起作用；當母線電流i大於參考電流Γ時，形成電流反饋值ei = i*-10霍爾位置檢測器將轉子位置輸出給主控電路，信號處理後得到電機速度反饋值，將速度反饋值和速度參考值的偏差進行PI調節得到速度負反饋，速度負反饋與電電流截止負反饋差值與周期序列信號的幅值做差產生一系列佔空比變化的PWM脈衝信號，通過調節佔空比調節電機相電壓， 實現對BLDCM轉速的控制。[0045]本實施例具體結構如下[0046]現設計一功率為30W無刷電機一體化控制器，主要包括電源變換電路，主控電路， 驅動電路，通信電路，電壓電流檢測電路，霍爾位置檢測電路6部分，其聯接關係原理參見圖1。[0047]參見圖2，系統各電路的的供電電壓，電源變換電路將28V母線電壓轉化為12V，又將12V直流轉化為3. 3V直流電壓。參見圖3，電源變換電路採用晶片MAX5035。[0048]參見圖4，控制晶片採用TMS320F28035，其集成度高，體積小，採用單電源供電。由該DSP晶片的IO輸出PWM斬波控制驅動電路開關管的開通關斷來調節電機電壓，AD讀取電機電壓電流值，SCI通過通信晶片與上位機進行RS232通信，捕獲單元捕獲電機轉子位置信號，晶片內部同時進行數據處理和算法執行。[0049]參見圖5，通信電路採用RS232標準的驅動晶片MAX3232，MAX3232確保在120kbps 數據速率，同時保持RS232輸出電平。上位機通過通信電路發送數據給DSP，DSP將反饋數據處理後經通信電路傳輸給上位機。[0050]參見圖6，驅動電路採用TI公司的drv8312，效率97 %，工作電壓50V，連續相電流高達3. 5A (峰值6. 5A)，PWM工作頻率500kHz，具有欠壓，超溫，過載和短路保護特性以及可編程的逐個周期的限流保護。drv8312接收DSP信號，直接驅動電機工作。[0051]參見圖7，電壓檢測電路採集母線電壓經運放縮小電路給DSP的AD，在驅動晶片 drv8312母線主迴路串聯一採樣電阻R，通過R電流即為電機相電流I，電流檢測電路通過採集採樣電阻R端電壓，經放大電路給AD，再由DSP內部運算出母線電壓電流給上位機軟體。 運放晶片採用OP291，是一種軌至軌的高性能雙運放集成晶片。[0052]參見圖8，霍爾位置檢測電路採用ps2801，輸入端供電電壓為12V，輸出端供電電壓3. 3V，實現電平轉換和信號隔離功能。[0053]參見圖10，控制器與電機進行一體化設計，控制器和電機均為圓柱體，電機的後端蓋作為控制器的前端蓋，電機的霍爾線和電源線從電機後端蓋的接插件引入控制器。控制器包括控制板和驅動板，驅動板在前端，控制板在後端，兩層板間採用銅柱連接，控制器內部灌裝密封，通過接插件弓I出通信線和電源線。
權利要求1.一種無刷直流電機的控制裝置，其特徵在於包括電源變換電路、主控電路、驅動電路、通信電路、電壓電流檢測電路和霍爾位置檢測電路；連接關係為通信電路通過串口與上位機的輸出端相連，並與主控電路連接；主控電路的輸出連接驅動電路，驅動電路與電機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的輸出端相連，並與主控電路連接；將通信內容通過RS232通信協議與主控電路進行通信；所述通信內容包括電機的啟停、調速、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，在主控電路內部進行控制算法的執行，對電壓電流檢測電路的信號進行處理得到真實的母線電壓電流，對霍爾位置檢測電路的信號進行處理得到電機速度反饋值，並進行轉速閉環產生對應佔空比的PWM斬波信號，通過電流截止負反饋對母線電流進行限制，使得系統起動時獲得最大的允許電流，主控電路輸出的PWM斬波信號給驅動電路； 所述驅動電路接收主控電路的PWM斬波信號的佔空比來控制逆變電路功率橋六個功率管的開通和關斷，輸出三相電壓，與電機直接相連；電機得到三相電壓，電壓的大小決定了電機的轉速； 所述霍爾位置檢測電路將電機的轉子位置信號的電平轉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，並轉換為主控電路可接收的低於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，實現電平轉換功能，輸出信號分別和其他幾個電路連接。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於所述控制器與電機為一體化結構，電機的後端蓋作為控制器的前端蓋，電機的霍爾線和電源線從電機後端蓋的接插件引入控制器；所述控制器包括控制板和驅動板，驅動板在前端，控制板載後端，兩層板間採用銅柱連接，控制器內部灌裝密封，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；所述驅動板上設有驅動電路。
專利摘要本實用新型涉及一種無刷直流電機控制裝置，其特徵在於根據電機速度反饋值和速度參考值的誤差的大小採用位置式PI算法計算出控制這些誤差收斂的速度負反饋輸出，再減去電流截止負反饋的輸出，得到的參考斬波幅值與周期序列信號相與產生PWM斬波信號，通過控制PWM斬波信號的佔空比來控制電機相電壓，從而控制電機轉速。本方法提高了系統控制精度，減小穩態誤差，解決了系統在起動和堵轉時電流過大問題，保護了功率器件，且該方法僅需採樣母線電流，節省了元器件。對控制方法進行設計，提高了系統控制精度，減小穩態誤差，解決了系統在起動和堵轉時電流過大問題，保護了功率器件，同時對電網電壓起抗幹擾能力。
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 優先權日2012年5月28日
發明者竇滿峰, 郝曉宇, 楊新龍, 張 浩 申請人:西北工業大學