無刷直流電機的驅動電路的製作方法

2023-04-23 11:10:56 1

專利名稱：無刷直流電機的驅動電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種無刷直流電機的驅動電路。
背景技術：
三相直流無刷電機的驅動器包括電源部及控制部，電源部提供三相電源給電機， 控制部則依需求轉換輸入電源頻率。 電源部的直流電壓由換流器轉成3相電壓來驅動電機。換流器一般由6個功率晶 體管(Ql Q6)分為上臂(Ql、Q3、Q5)/下臂(Q2、Q4、Q6)連接電機作為控制流經電機線圈 的開關。控制部則提供P麗(脈衝寬度調製)決定功率電晶體開關頻度及換流器換相的時 機。直流無刷電機在使用過程中，當負載變動時速度可以穩定於設定值，電機內部裝有能感 應磁場的霍爾傳感器，做為速度之閉迴路控制，同時也做為相序控制的依據。
當電機轉子轉動到霍爾傳感器感應出另一組信號的位置時，控制部又再開啟下一 組功率電晶體，如此循環電機就可以同一方向繼續轉動，直到控制部決定要電機轉子停止， 則關閉功率電晶體(或只開下臂功率電晶體)；要電機轉子反向，則功率電晶體開啟順序相 反。當電機轉動起來，控制部會再根據驅動器設定的速度控制命令與霍爾傳感器信號變化 的速度加以比對(或由軟體運算)再來決定由下一組開關導通，以及導通時間長短。速度 不夠則開長，速度過頭則減短，此部份工作就由P麗來完成。 上述現有技術的不足之處在於所述功率電晶體即VM0S開關管的通斷直接由控 制器輸出的P麗矩形波控制，從而使VM0S開關管在開啟或關閉時的開啟電壓或關閉電壓往 往較高，導致開關損耗並使開關管發熱嚴重，不僅浪費了電能，且能影響其開關特性和使用 壽命，進而影響了整個驅動電路的使用壽命。

發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種能有效降低開關管的開關損耗、使用壽命較 長的無刷直流電機的驅動電路。 為解決上述技術問題，本發明的無刷直流電機的驅動電路包括單片機IC4和三 組用於分別與無刷直流電機中的三組電機線圈的兩端相連的電源電路；各電源電路包括 由直流電源1，開關管VM0S和變壓器T構成的脈衝變壓電路2，由變壓器T的初級線圈及 與其並聯的諧振電容C3構成的LC諧振迴路，用於在LC諧振迴路的諧振時控制所述開關 管VM0S同頻率開閉的同步控制電路5，設於所述變壓器T次級的整流電路、直流取樣和分 壓取樣迴路3，以及設於所述變壓器T次級的波形整流濾波電路4 ;所述整流電路的輸出端 即為電源電路的用於連接電機線圈的輸出端；同步控制電路5包括P麗信號產生電路和與 門電路IC5 ;所述單片機IC4具有用於三個分別與無刷直流電機中的三個霍爾傳感器相連 的霍爾信號輸入端、三個分別與三組電源電路中的所述直流取樣和分壓取樣迴路3的取樣 電壓輸出端相連的取樣電壓檢測端A/D0、A/D1和A/D2、以及三個分別與所述三組電源電路 中的P麗信號產生電路的P麗脈寬控制輸入端相連的P麗脈寬控制輸出端端D/A0、D/A1和D/A2 ;P麗信號產生電路的P麗信號輸出端與所述與門電路IC5的第一輸入端相連，單片機 IC4還具有分別與三組電源電路中的所述與門電路IC5的第二輸入端相連的三個與門控制 輸出端PI. 0、P1. 1和Pl. 2，與門電路IC5的輸出端與開關管VM0S的柵極相連；P麗信號產 生電路與所述LC諧振迴路並聯，以產生與LC諧振迴路的振蕩頻率相同的P麗信號；該P麗 信號控制開關管VM0S反覆在所述LC諧振迴路的振蕩波形中的正弦波的正半波上升沿的零 電壓時刻開啟，並在該正半波下降沿的零電壓時刻關閉。 單片機IC4根據各電源電路中的所述直流取樣和分壓取樣迴路3測得的直流取樣 信號和電壓分壓取樣信號控制各電源電路中的所述P麗信號產生電路輸出的P麗信號的佔 空比，以調整各電源電路中的變壓器Tl、 T2和T3次級迴路中的電流和電壓；同時，單片機 IC4根據來自所述各霍爾傳感器的霍爾信號分別控制所述三個與門控制輸出端P1.0、P1. 1 和Pl. 2輸出相應的電平，以分別控制各電源電路中的所述LC諧振迴路的振蕩狀態，從而使 三組電源電路生成適於驅動三相直流無刷電機的三相電源。 進一步，第一比較器IC1的兩輸入端的電平隨所述LC諧振迴路的振蕩而同頻率變 化，並不停地開關所述開關管VM0S (開關頻率與LC諧振迴路的振蕩頻率相同)，以使調整變 壓器T的次級迴路產生正常的驅動電壓。 本發明具有積極的效果(1)本發明的同步控制電路，將LC諧振迴路的諧振電壓 波形的正半波取出，以分別在正半波上升沿和下降沿的零電壓時刻開閉開關管，從而使開 關管工作在接近零電壓開啟或關閉狀態，大大減少了開關管的開關損耗和發熱，節約了電 能，且確保了其開關特性和使用壽命；(2)本發明的P麗信號產生電路包括鋸齒波產生電 路，與P麗脈寬控制端D/A輸出的模擬量比較後產生P麗波形，該波形經過與門電路驅動 VMOS開關管給LC諧振迴路提供能量；(3)本發明的直流取樣和分壓取樣迴路的分壓值經過 單片機採樣後作為編程控制P麗脈寬控制端輸出模擬量、改變第二比較器輸出P麗佔空比 的依據；同時直流取樣和分壓取樣迴路通過第一電阻取樣電流大小，經過運放放大後供單 片機的模數轉換埠採集，以編程控制P麗脈寬控制端的輸出模擬量，並通過改變第二比 較器輸出的P麗信號的佔空比來改變電流大小。


圖1為實施例中的無刷直流電機的驅動電路的結構框圖； 圖2為實施例中的無刷直流電機的驅動電路中單片機和一組電源電路的電路結 構原理圖； 圖3為實施例中的無刷直流電機的驅動電路的局部電路結構原理圖；
圖4為實施例中的無刷直流電機的三組電機線圈的結構示意圖；
圖5為實施例中的單片機工作時的程序框圖； 圖6為實施例中的單片機的與門控制輸出端P1.0輸出的電壓波形、相應電源電路 中的P麗信號產生電路輸出的P麗信號的電壓波形和開關管柵極的電壓波形的關係圖；
圖7為實施例中的同一電源電路中開關管柵極的電壓波形和開關管漏極的電壓 波形的關係圖。
具體實施例方式
見圖l-7，本發明的無刷直流電機的驅動電路包括單片機IC4和三組用於分別與 無刷直流電機中的三組電機線圈(包括第一組電機線圈X1-X2，第二組電機線圈X3-X4、第 三組電機線圈X5-X6，見圖4)的兩端相連的電源電路。 各電源電路包括由直流電源1，開關管VM0S和變壓器T構成的脈衝變壓電路2，
由變壓器T的初級線圈及與其並聯的諧振電容C3構成的LC諧振迴路，用於在LC諧振迴路
的諧振時控制所述開關管VMOS同頻率開閉的同步控制電路5，設於所述變壓器T次級的整
流電路、直流取樣和分壓取樣迴路3，以及設於所述變壓器T次級的波形整流濾波電路4 ;所
述整流電路的輸出端即為電源電路的用於連接電機線圈的輸出端。所述整流電路為二極體
Dl構成的半波整流電路，也可採用全波整流電路。 同步控制電路5包括P麗信號產生電路和與門電路IC5。 所述單片機IC4具有用於三個分別與無刷直流電機中的三個霍爾傳感器相連的 霍爾信號輸入端，三個分別與三組電源電路中的所述直流取樣和分壓取樣迴路3的取樣電 壓輸出端相連的取樣電壓檢測端A/D0、A/D1和A/D2，用於獲取各電源電路中的所述直流取 樣和分壓取樣迴路3測得的直流取樣信號的直流取樣信號輸入端D/A3、D/A4和D/A5，以及 三個分別與所述三組電源電路中的P麗信號產生電路的P麗脈寬控制輸入端相連的P麗脈 寬控制輸出端端D/AO、 D/A1和D/A2。 P麗信號產生電路的P麗信號輸出端與所述與門電路IC5的第一輸入端相連，單片 機IC4還具有分別與三組電源電路中的所述與門電路IC5的第二輸入端相連的三個與門控 制輸出端Pl. 0、 Pl. 1和Pl. 2，與門電路IC5的輸出端與開關管VMOS的柵極相連。
P麗信號產生電路與所述LC諧振迴路並聯，以產生與LC諧振迴路的振蕩頻率相同 的P麗信號；該P麗信號控制開關管VMOS反覆在所述LC諧振迴路的振蕩波形中的正弦波 的正半波上升沿的零電壓時刻開啟，並在該正半波下降沿的零電壓時刻關閉。
單片機IC4根據各電源電路中的所述直流取樣和分壓取樣迴路3測得的直流取樣 信號和電壓分壓取樣信號控制各電源電路中的所述P麗信號產生電路輸出的P麗信號的佔 空比，以調整各電源電路中的變壓器Tl、 T2和T3次級迴路中的電流和電壓；同時，單片機 IC4根據來自所述各霍爾傳感器的霍爾信號分別控制所述三個與門控制輸出端Pl. 0、 Pl. 1 和Pl. 2輸出相應的電平，以分別控制各電源電路中的所述LC諧振迴路的振蕩狀態，從而使 三組電源電路生成適於驅動三相直流無刷電機的三相電源。 所述P麗信號產生電路包括由第二電容C2、第二二極體D2、第九電阻R9和第一 比較器IC1構成的鋸齒波發生電路、以及輸出端與所述與門電路IC5的第一輸入端相連的 第二比較器IC2 ;第一比較器IC1的兩個輸入端分別通過第一分壓電路和第二分壓電路並 聯於諧振電容C3兩端，第二二極體D2的陰極與直流電源VCC相連，第二二極體D2的陽極 接第二比較器IC2的反向輸入端，第一比較器IC1的輸出端串接第二電容C2後接第二比較 器IC2的反向輸入端，第九電阻R9與第二二極體D2並聯，第二比較器IC2的同向輸入端與 所述單片機IC4的P麗脈寬控制端D/A相連；第二比較器IC2的輸出端即為P麗信號產生 電路的P麗信號輸出端。 各電源電路還包括與所述單片機IC4的一個與門控制輸出端(以埠 Pl. 0為例) 相連的第十四電阻R14，第十四電阻R14的另一端接第三二極體D3的陰極，第三二極體D3的陽極與所述與門電路IC5的第二輸入端相連，且與門電路IC5的第二輸入端與所述直流 電源VCC相連；第三二極體D3的陰極經第六電容C6與第一比較器IC1的反向輸入端相連。
見圖2，當第一組電源電路上電時，所述單片機IC4的與該組電源電路相連的與門 控制輸出端Pl. 0產生一個電平由低到高的脈衝，經過第十四電阻R14和第六電容C6後產 生一個高電平脈衝，使得第一比較器IC1的反向輸入端的電位抬高，從而使第二比較器IC2 的反向輸入端的電位降低，並低於所述單片機IC4的與該組電源電路相連的P麗脈寬控制 端D/A0的電位，使第二比較器IC2輸出高電平，此時所述與門控制輸出端Pl. 0呈高電平， 使所述與門電路IC5驅動開關管VMOS打開，使LC諧振迴路開始振蕩。
第一比較器IC1的兩輸入端的電平隨所述LC諧振迴路的振蕩而同頻率變化，並不 停地開關所述開關管VM0S，以使調整變壓器T的次級迴路產生正常的驅動電壓。
其他實施方式中，所述開關管可使用IGBT等元件。
權利要求
1、一種無刷直流電機的驅動電路，其特徵在於包括單片機(IC4)和三組用於分別與無刷直流電機中的三組電機線圈的兩端相連的電源電路；各電源電路包括由直流電源(1)，開關管(VMOS)和變壓器(T)構成的脈衝變壓電路(2)，由變壓器(T)的初級線圈及與其並聯的諧振電容(C3)構成的LC諧振迴路，用於在LC諧振迴路的諧振時控制所述開關管(VMOS)同頻率開閉的同步控制電路(5)，設於所述變壓器(T)次級的整流電路、直流取樣和分壓取樣迴路(3)，以及設於所述變壓器(T)次級的波形整流濾波電路(4)；所述整流電路的輸出端即為電源電路的用於連接電機線圈的輸出端；同步控制電路(5)包括PWM信號產生電路和與門電路(IC5)；所述單片機(IC4)具有用於三個分別與無刷直流電機中的三個霍爾傳感器相連的霍爾信號輸入端、三個分別與三組電源電路中的所述直流取樣和分壓取樣迴路(3)的取樣電壓輸出端相連的取樣電壓檢測端(A/D0、A/D1和A/D2)、以及三個分別與所述三組電源電路中的PWM信號產生電路的PWM脈寬控制輸入端相連的PWM脈寬控制輸出端端(D/A0、D/A1和D/A2)；PWM信號產生電路的PWM信號輸出端與所述與門電路(IC5)的第一輸入端相連，單片機(IC4)還具有分別與三組電源電路中的所述與門電路(IC5)的第二輸入端相連的三個與門控制輸出端(P1.0、P1.1和P1.2)，與門電路(IC5)的輸出端與開關管(VMOS)的柵極相連；PWM信號產生電路與所述LC諧振迴路並聯，以產生與LC諧振迴路的振蕩頻率相同的PWM信號；該PWM信號控制開關管(VMOS)反覆在所述LC諧振迴路的振蕩波形中的正弦波的正半波上升沿的零電壓時刻開啟，並在該正半波下降沿的零電壓時刻關閉；單片機(IC4)根據各電源電路中的所述直流取樣和分壓取樣迴路(3)測得的直流取樣信號和電壓分壓取樣信號控制各電源電路中的所述PWM信號產生電路輸出的PWM信號的佔空比，以調整各電源電路中的變壓器(T1、T2和T3)次級迴路中的電流和電壓；同時，單片機(IC4)根據來自所述各霍爾傳感器的霍爾信號分別控制所述三個與門控制輸出端(P1.0、P1.1和P1.2)按序輸出相應的電平，以分別控制各電源電路中的所述LC諧振迴路的振蕩狀態，從而使三組電源電路生成適於驅動三相直流無刷電機的三相電源。
2、 根據權利要求1所述的無刷直流電機的驅動電路，其特徵在於所述P麗信號產生電 路包括由第二電容(C2)、第二二極體(D2)、第九電阻(R9)和第一比較器(IC1)構成的鋸 齒波發生電路、以及輸出端與所述與門電路(IC5)的第一輸入端相連的第二比較器(IC2); 第一比較器(IC1)的兩個輸入端分別通過第一分壓電路和第二分壓電路並聯於諧振電容 (C3)兩端，第二二極體(D2)的陰極與直流電源(VCC)相連，第二二極體(D2)的陽極接第二 比較器(IC2)的反向輸入端，第一比較器(IC1)的輸出端串接第二電容(C2)後接第二比較 器(IC2)的反向輸入端，第九電阻(R9)與第二二極體(D2)並聯，第二比較器(IC2)的同向 輸入端與所述單片機(IC4)的P麗脈寬控制端(D/A)相連；第二比較器(IC2)的輸出端即 為P麗信號產生電路的P麗信號輸出端。
3、 根據權利要求2所述的無刷直流電機的驅動電路，其特徵在於各電源電路還包括 與所述單片機(IC4)的一個與門控制輸出端(P1.0)相連的第十四電阻(R14)，第十四電阻 (R14)的另一端接第三二極體(D3)的陰極，第三二極體(D3)的陽極與所述與門電路(IC5) 的第二輸入端相連，且與門電路(IC5)的第二輸入端與所述直流電源(VCC)相連；第三二極體(D3)的陰極經第六電容(C6)與第一比較器(IC1)的反向輸入端相連。
4、 根據權利要求3所述的無刷直流電機的驅動電路，其特徵在於當一組電源電路上 電時，所述單片機(IC4)的與該組電源電路相連的與門控制輸出端(P1.0)產生一個電平由 低到高的脈衝，經過第十四電阻(R14)和第六電容(C6)後產生一個高電平脈衝，使得第一 比較器(IC1)的反向輸入端的電位抬高，從而使第二比較器(IC2)的反向輸入端的電位降 低，並低於所述單片機(IC4)的與該組電源電路相連的P麗脈寬控制端(D/A0)的電位，使 第二比較器(IC2)輸出高電平，此時所述與門控制輸出端(P1.0)呈高電平，使所述與門電 路(IC5)驅動開關管(VM0S)打開，使LC諧振迴路開始振蕩。
5、 根據權利要求l-4之一所述的無刷直流電機的驅動電路，其特徵在於第一比較器 (IC1)的兩輸入端的電平隨所述LC諧振迴路的振蕩而同頻率變化，並不停地開關所述開關 管(VM0S)，以使調整變壓器(T)的次級迴路產生正常的驅動電壓。
全文摘要
本發明涉及一種能有效降低開關管的開關損耗且使用壽命較長的無刷直流電機的驅動電路，其包括單片機和三組用於分別與無刷直流電機中的三組電機線圈的兩端相連的電源電路；單片機根據各電源電路中的直流取樣和分壓取樣迴路測得的直流取樣信號和電壓分壓取樣信號控制各電源電路中的所述PWM信號產生電路輸出的PWM信號的佔空比，以調整各電源電路中的變壓器次級迴路中的電流和電壓；同時，單片機根據來自所述各霍爾傳感器的霍爾信號分別控制所述三個與門控制輸出端輸出相應的電平，以分別控制各電源電路中的所述LC諧振迴路的振蕩狀態，從而使三組電源電路生成適於驅動三相直流無刷電機的三相電源。
文檔編號H02P6/08GK101714845SQ200910311780
公開日2010年5月26日 申請日期2009年12月18日 優先權日2009年12月18日
發明者楊龍興 申請人:江蘇技術師範學院