無刷直流電機控制裝置的製作方法
2023-10-20 15:29:57 3
本實用新型涉及一種控制裝置，具體涉及一種無刷直流電機（英文簡稱BLDC，Brushless DC Motor）控制裝置。本實用新型屬於電機設計領域。
背景技術：
無刷直流電機控制現有技術方案通常有以下兩種。
第一種：採用帶霍爾位置傳感器的直流無刷電機，控制器讀取霍爾位置信號實現換相和電機調速控制。
這種方案中，霍爾傳感器內置在電機內部，使得電機的內部結構複雜，成本增加，對電機生產要求比較高，同時由於電機長期工作內部溫度比較高時會造成霍爾傳感器不穩定，可靠性下降，影響電機控制。而且這種方案增加了導線和連接器同傳感器相連。
第二種：採用不帶霍爾位置傳感器的直流無刷電機，控制器軟體算法實現換相和電機調速控制。
這種方案中，雖然電機結構簡單成本降低，但是利用控制器軟體算法進行換相控制難度大、啟動過程複雜實現困難，而且會降低電機的調速範圍和動態響應性能。此外，增加了控制器軟體的成本，目前許多諸如起動和換相控制算法也並純熟，用在汽車電子上安全性和可靠性無法保障。
技術實現要素：
為解決現有技術的不足，本實用新型的目的在於提供一種無刷直流電機控制裝置，以解決現有技術難以可靠性低、電機內部結構或者軟體的成本高等技術問題。
為了實現上述目標，本實用新型採用如下的技術方案：
無刷直流電機控制裝置，其特徵在於，包括：ECU控制器、直流無刷電機，所述ECU控制器連接直流無刷電機。
前述的無刷直流電機控制裝置，其特徵在於，還包括直流穩壓電源，直流穩壓電源分別連接ECU控制器、直流無刷電機。
前述的無刷直流電機控制裝置，其特徵在於，所述ECU控制器包括直流母線、三相驅動橋、功率管驅動模塊、位置與電流反饋電路模塊、微處理器，微處理器分別連接功率管驅動模塊、位置與電流反饋電路模塊，功率管驅動模塊連接，直流穩壓電源連接直流母線，直流母線連接三相驅動橋，三相驅動橋連接直流無刷電機。
前述的無刷直流電機控制裝置，其特徵在於，所述ECU控制器包括支撐電容，支撐電容並聯在直流母線上。
前述的無刷直流電機控制裝置，其特徵在於，所述三相驅動橋由三對相同的高頻功率開關管組成，輸入為直流母線直流電壓，輸出為UVW三相，直接接入直流無刷電機的三相線圈。
前述的無刷直流電機控制裝置，其特徵在於，ECU控制器設置在ECU控制器PCB板上，三相驅動橋同直流母線、功率驅動模塊、直流無刷電機均直接在電路板上實現連接。
前述的無刷直流電機控制裝置，其特徵在於，微處理器和功率驅動模塊之間在ECU電路板上實現連接，微處理器和位置與電流反饋電路模塊之間在ECU電路板上實現連接。
本實用新型的有益之處在於：本實用新型通過將無刷直流電機位置傳感器從傳統的內置在電機內部的霍爾傳感器去掉，在控制器ECU電路板上適當位置固定安裝位置採樣檢測電路以實現BLDC電機的位置信號採集。大大降低了直流無刷電機的成本並提高了可靠性和穩定性，也十分便於BLDC無刷直流電機同控制器的整體集成。
附圖說明
圖1是本實用新型無刷直流電機控制裝置的結構示意圖；
圖2是本實用新型無刷直流電機控制裝置中ECU控制器PCB板示意圖；
圖3是本實用新型無刷直流電機控制裝置運行狀態示意圖；
圖4是本實用新型無刷直流電機控制裝置換相流程圖。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施例對本實用新型作具體的介紹。
參照圖1所示，本實用新型提供了一種電機位置採樣檢測電路直接固定在無刷直流電機ECU控制器電路板上，通過控制器同電機位置的適當安裝，可以實現電機控制換相位置信號的採樣和檢測，其效果同帶霍爾傳感器的無刷直流電機一樣。同時電機同ECU控制器整體集成，實現了無刷直流電機總成的整體結構簡化、無需連接導線和接插件，有利於實現安裝空間緊湊和較高的安全可靠性能的應用。
如圖2是本實用新型的ECU控制器電路板與無刷直流電機的集成安裝位置示意圖，圖中控制器電路板預留U、W、W焊接孔，是無刷直流電機三相電源端子焊接位置，無刷直流電機的三相接線直接焊接在電路板上，這樣電機同控制器就固定成一個整體—電機總成，無需額外通過導線和接插件連接。而圖中A位置區域是位置信號採樣電流的區域，此區域用於固定位置與電流反饋電路模塊（又稱位置採樣電路模塊），通過電機位置校準後實現對電機轉子位置信號的輸出，由於轉子位置信號採樣電路是直接焊接的電路板上的如圖2中A區域，因此採樣的位置信號可以直接傳輸到電路板上的微處理器中，減少了內置霍爾傳感器的導線和接插件，同時由於位置採樣檢測電路的外置，電子元器件散熱效果也強於內置電機內部的結構。
圖1是本實用新型的硬體原理框圖，由直流穩壓電源、直流母線、直流母線上的直流母線支撐電容、三相驅動橋、直流無刷電機本體、微處理器、功率驅動模塊和位置與電流反饋電路模塊組成。其中直流穩壓電源給直流母線供電，提供穩定的直流電源，同時給ECU控制器電子元器件供電。而直流母線及支撐電容、三相驅動橋、功率管驅動模塊、位置與電流反饋電路模塊和微處理器屬於ECU控制器，實現對電機的轉動、換相、故障保護處理等控制功能。直流無刷電機BLDC是電機本體，不帶內置霍爾傳感器，直接通過UVW三相接線端子焊接到控制器電路板上，無需連接線和接插件連接。
直流母線支撐電容主要作用是對直流母線進行濾波，保證直流母線電壓的穩定，吸收三相驅動橋和電機的脈動電流，同時防止電壓過衝對功率管的影響。支撐電容並聯在直流母線上。三相驅動橋由三對相同的高頻功率開關管組成，輸入為直流母線直流電壓，輸出為UVW三相，直接接入直流無刷電機三相線圈。三相驅動橋同直流母線、功率驅動模塊和電機本體均無導線連接，直接在電路板上實現連接，其工作原理是通過三對6個功率管的不同開關狀態使得直流母線電流到UVW三相線圈的電流方向和大小不斷變化以實現對電機的換相和轉動速度控制。微處理器是ECU控制器的核心，控制直流無刷電機。微處理器同功率驅動模塊，特別是位置與電流反饋電路模塊均無需導線或接插件連接，其信號連接直接在ECU電路板上實現；功率驅動模塊將微處理器的控制邏輯放大驅動三相驅動橋功率管開關，位置與電流反饋電路模塊檢測直流無刷電機的轉子位置信號和電流控制反饋。一個無刷直流電機閉環控制過程為位置與電流反饋電路模塊檢測電機本體當前的轉子位置和電流大小，並將數據送至微處理器，微處理器根據位置數據查表得到當前的換相邏輯數值並發送到功率驅動模塊，功率驅動模塊驅動三相驅動橋按照換相邏輯控制改變電機UVW三相電流，這樣就實現了一次換相控制；同時微處理器計算電流的偏差得到當前電流值，通過改變PWM佔空比實現三相功率管的開關時間控制，這樣完成一次電機電流控制閉環。微處理器同功率驅動模塊之間信號雙向通道，微處理器將換相控制和PWM調節信號輸出至功率驅動模塊，功率驅動模塊也不斷檢測三相驅動橋的開關狀態和電壓情況，同時輸入到微處理器，微處理器結合電流反饋信號判斷是否出現故障，一旦某個參數出現異常故障，微處理器將及時關閉功率驅動模塊，保護功率管和電機本體。
根據上述的設置，即可以實現對本實用新型無刷直流電機控制裝置的運行。
本實用新型ECU控制器的核心是由初始態、就緒態、運行態和故障態4個狀態組成的有限狀態機結構，如圖3所示。當完成各種初始化工作後進入主循環控制入口，即進入有限狀態機的輪詢調度，這是一個無限循環，只有在斷電的情況下才能強迫退出此循環。其中初始態進行電機控制的相關變量、參數的初始化，有限狀態機全程變量傳遞的原始值賦值等工作；就緒態進行電機控制進入任務就緒階段，電流、轉速PI控制器的參數、邊界條件賦值，運行狀態前的故障確認；運行態完成電機的正常運行控制功能，同時監控電機運行的各項邊界條件判斷是否發生故障並及時處理故障；故障態將進行關閉系統功率電源、通過CAN總線向通信網絡發布故障信息，同時根據不同的故障等級進行相應的處理。以上四個狀態的轉換關係如圖3所示，初始態完成即進入就緒態，就緒態正常即進入運行態，出現非正常情況就跳過運行態直接進入故障態，運行態出現故障即終止正常工作進入故障態，運行態可以返回初始態接收新的數據信息，同時故障態得到修復後也可返回初始態重新開始以進入運行態回歸正常工作流程。
無刷直流電機BLDC控制需要獲取電機轉子的位置信號，通過轉子當前位置來決定UVW三相線圈的供電邏輯關係，所以轉子位置信號是無刷直流電機BLDC控制的關鍵。本實用新型無刷直流電機的轉子位置信號採樣檢測不是通過電機內置的霍爾傳感器模塊來獲得的，如圖1所示，轉子位置信號採樣電路直接焊接在ECU電路板上。因此微處理可以直接讀取獲得轉子位置信號。如圖4所示，採用微處理器GPIO（通用輸入/輸出接口）的捕獲功能，實時監測位置信號的電平變化，當電機轉子每轉過一個60度機械角度時，位置信號即發生一次變化，當電機轉子轉動一周時位置信號發生6次改變，對應位置信號輸出的6個邏輯數值。因此當微處理GPIO捕獲到一次上升沿或者下降沿的變化時觸發一次換相中斷。由於換相是無刷直流電機BLDC控制的關鍵，因此通過微處理的中斷任務處理來進行位置檢測和換相控制。進入中斷處理程序後，首先讀取GPIO口的位置信號邏輯數據，每個邏輯數值對應了UVW三相功率管驅動電路開關編碼邏輯，通過查表得到當前三相驅動橋功率管的開關控制狀態，然後將功率管開關邏輯數值送至驅動電路控制三相橋的電流方向來實現電機的換相控制。
以上顯示和描述了本實用新型的基本原理、主要特徵和優點。本行業的技術人員應該了解，上述實施例不以任何形式限制本實用新型，凡採用等同替換或等效變換的方式所獲得的技術方案，均落在本實用新型的保護範圍內。