一種新型高功率密度直流無刷電機驅動器電路的製作方法
2023-09-18 16:08:40
一種新型高功率密度直流無刷電機驅動器電路的製作方法
【專利摘要】本發明屬於電路設計【技術領域】，具體涉及一種新型高功率密度直流無刷電機驅動器電路。本發明的電路包括基於DSP的智能控制及處理單元、數據採集單元、信號調理單元、智能控制輸出單元、智能驅動單元、數據存儲單元、功率保護單元、電源管理單元及網絡總線通訊單元。本發明的電路能夠實時精確驅動直流無刷電機，結合系統信息實現電機最優控制，並可採用網絡總線通信技術實現與主控制計算機通信或多驅動器協同網絡通信。
【專利說明】一種新型高功率密度直流無刷電機驅動器電路
【技術領域】
[0001]本發明屬於電路設計【技術領域】，具體涉及一種新型高功率密度直流無刷電機驅動器電路。
【背景技術】
[0002]直流伺服系統發展歷史悠久，一直以來以其能在大範圍內實現精密的速度和位置控制以及高質高效的平滑運轉特性在傳動領域佔有重要的地位。而直流伺服驅動器作為整個直流伺服系統的核心部分，也隨著新型半導體技術和數字控制器的發展而飛速發展。
[0003]有刷電機成本低，結構簡單，啟動轉矩大，調速範圍寬，但需要經常維護(換碳刷)，對環境有嚴格要求，而直流無刷電機既具有傳統直流電機的優點，好的機械和調節特性，起動轉矩大、過載能力強、調節方便、動態特性好等，又具有交流電機結構簡單、運行可靠、維護方便等一系列優點，因此，在許多高科技領域得到了廣泛的應用。隨著低成本、高磁能積的永磁材料的出現，微處理器技術、新型電力電子器件、新型控制理論的發展將進一步推動直流無刷電機的發展和應用，同時人們對其電氣系統及控制性能要求也不斷提高。因此，對直流無刷電機的驅動控制進行系統、深入的研究有著十分重要意義。
【發明內容】
[0004]本發明需要解決的技術問題為:提供一種新型高功率密度直流無刷電機驅動器電路，其能夠實時精確驅動直流無刷電機，結合系統信息實現電機最優控制，並可採用網絡總線通信技術實現與主控制計算機通信或多驅動器協同網絡通信。
[0005]本發明的技術方案如下所述:
[0006]一種新型高功率密度直流無刷電機驅動器電路，包括基於DSP的智能控制及處理單元、數據採集單元、信號調理單元、智能控制輸出單元、智能驅動單元、數據存儲單元、功率保護單元、電源管理單元及網絡總線通訊單元:基於DSP的智能控制及處理單元控制數據採集單元採集經過信號調理單元調理後的數據，並將數據處理後存入數據存儲單元；存儲完畢後，基於DSP的智能控制及處理單元調用數據存儲單元的數據採用先進算法進行數據處理及智能推理，並將智能推理結果輸出至智能控制輸出單元及智能驅動單元；同時，網絡總線通訊單元通過收發數據和命令實現基於DSP的智能控制及處理單元與外部網絡總線通訊；功率保護單元為整個電路各單元提供電壓、電流、溫度等信息，並實現智能保護；電源管理單元整個電路各單元提供電源。
[0007]作為優選方案:所述基於DSP的智能控制及處理單元由DSP晶片、電源轉換電路、無源晶振電路、通信電路、仿真調試電路構成:電源轉換電路提供DSP晶片所需電壓；無源晶振電路提供DSP晶片所需工作頻率；仿真調試電路提供DSP程序軟體下載和仿真接口 ；DSP晶片與數據存儲單元以數據總線和地址總線方式實現數據傳輸；通信電路實現與外部總線網絡通信。
[0008]作為優選方案:所述基於DSP的智能控制及處理單元採用TMS320F28335晶片。[0009]作為優選方案:所述數據採集單元包括模擬量數據採集單元和數字量數據採集單元兩部分:
[0010]模擬量數據採集單元由模數轉換器及電源基準電路組成:電源基準電路提供模數轉換器需要的基準電壓，模數轉換器採用地址總線和數據總線實現與DSP晶片的數據和命令通信；
[0011]數字量數據採集單元由信號隔離晶片及信號驅動晶片組成，數字量數據採集單元直接與DSP晶片I/O引腳相連。
[0012]作為優選方案:所述模數轉換器採用AD7891晶片。
[0013]作為優選方案:所述信號調理單元包括濾波電路、差分電路、光電隔離電路和運放電路:模擬量傳感器信息經過濾波電路降低信號噪聲汙染後，輸入至運放電路，將模擬量傳感器輸出的信號縮放到數據採集單元中模數轉換器要求的輸入範圍；數字量傳感器信息經過濾波電路降低信號的噪聲汙染後，輸入到差分電路實現信號耦合，後採用光電隔離電路實現信號隔離及電平轉換，最後輸入到數據採集單元；數字開關量經過濾波電路降低信號的噪聲汙染後，輸入到光電隔離電路實現信號隔離及電平轉換，後輸入到數據採集單元。
[0014]作為優選方案:所述數據存儲單元由SDRAM同步動態隨機存取存儲器和FLASH快閃記憶體兩種存儲器組成:兩片SDRAM晶片和一片FLASH晶片通過地址總線和數據總線與外部存儲器接口連接，基於DSP的智能控制及處理單元通過外部存儲器接口實現與數據存儲單元數據的讀寫。
[0015]作為優選方案:所述功率保護單元是由電流傳感器、溫度傳感器及加法比較電路組成的過壓、過流、欠壓、溫度保護電路:電流傳感器採集三相直流無刷電機電流信號，並將量化的信號經過精密電阻進行電壓轉換，後送到信號調理電路，採用軟體形式實現過流保護；溫度傳感器採集驅動器內溫度信號，並將量化的信號輸出到信號調理電路，採用軟體形式實現功率保護；由電阻、光藕、運放電路組成的加法比較電路實現驅動器過壓、欠壓保護。
[0016]作為優選方案:所述智能控制輸出單元由PWM智能輸出和I/O信號輸出兩部分組成:
[0017]PWM智能輸出由PWM信號輸出接口、光電隔離電路、電壓轉換電路組成；1/0信號輸出由光電隔離電路、數據驅動晶片組成；
[0018]PWM信號由DSP處理器輸出，該數位訊號經光電隔離電路進行信號隔離，電壓轉換電路進行信號電壓轉換實現與功率驅動單元電平匹配；DSP的I/O埠輸出信號經過數據驅動晶片驅動後再經過光電隔離電路進行信號隔離，之後對外設備輸出I/O信號。
[0019]作為優選方案:所述智能驅動單元是一種數字式隔離型大功率三相無刷直流電動機功率驅動單元。
[0020]作為優選方案:所述智能驅動單元在殼體表面附加散熱片。
[0021]作為優選方案:所述電源管理單元由多種電源轉換模塊組成，將系統輸入電壓轉換為DSP處理器及其傳感器電路所需要的電壓。
[0022]作為優選方案:所述網絡總線通訊單元包括CAN總線、RS485總線、RS232總線三種網絡總線，網絡總線通訊單元負責DSP控制器數據的發送和接收，包括多驅動器之間的協同通信以及主機與驅動器之間的網絡通訊，三種通信對應驅動器三個輸出埠。
[0023]作為優選方案:CAN總線對應MCP2551收發器；RS485總線對應MAX1487總線收發器；RS232總線對應MAX3232總線收發器。
[0024]本發明的有益效果為:
[0025](1)本發明的一種新型高功率密度直流無刷電機驅動器電路，採用先進處理器及先進集成技術進行驅動器電路設計，採用驅動控制一體化設計技術，實現對直流無刷電機的精確可靠運行；
[0026](2)本發明的一種新型高功率密度直流無刷電機驅動器電路，採用智能高功率驅動模塊，驅動負載能力強，功率密度高，散熱快，體積小，實時性好，響應快；
[0027](3)本發明的一種新型高功率密度直流無刷電機驅動器電路，控制方式及通信方式靈活；
[0028](4)本發明的一種新型高功率密度直流無刷電機驅動器電路，系統接線簡單，具有高可靠、長壽命、強抗電磁幹擾能力。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]圖1為本發明硬體結構方框示意圖；
[0030]圖2為基於DSP的智能控制及處理單元結構圖；
[0031]圖3為信號調理單元結構圖；
[0032]圖4為數據存儲單元結構圖；
[0033]圖5為網絡通信單元結構圖。
【具體實施方式】
[0034]下面結合附圖和實施例對本發明的一種新型高功率密度直流無刷電機驅動器電路進行詳細說明。
[0035]本發明的一種新型高功率密度直流無刷電機驅動器電路，具有數據採集、信號濾波、數據處理及傳輸、網絡數據通信等功能。
[0036]如圖1所示，本發明的一種新型高功率密度直流無刷電機驅動器電路，包括基於DSP的智能控制及處理單元、數據採集單元、信號調理單元、智能控制輸出單元、智能驅動單元、數據存儲單元、功率保護單元、電源管理單元及網絡總線通訊單元:基於DSP的智能控制及處理單元控制數據採集單元採集經過信號調理單元調理後的數據，並將數據處理後存入數據存儲單元；存儲完畢後，基於DSP的智能控制及處理單元調用數據存儲單元的數據採用先進算法進行數據處理及智能推理，並將智能推理結果輸出至智能控制輸出單元及智能驅動單元；同時，網絡總線通訊單元通過收發數據和命令實現基於DSP的智能控制及處理單元與外部網絡總線通訊；功率保護單元為整個電路各單元提供電壓、電流、溫度等信息，並實現智能保護；電源管理單元整個電路各單元提供電源。
[0037]1、基於DSP的智能控制及處理單元
[0038]所述基於DSP的智能控制及處理單元是驅動器硬體電路的核心，DSP處理器採用TI公司高性能TMS320F28335晶片，該晶片工作頻率可達150MHz，具有功耗低、功能強、穩定性高、抗幹擾性強、運算速度快的優點，是一款浮點運算的電機控制專用晶片。
[0039]基於DSP的智能控制及處理單元控制數據採集單元採集經過信號調理電路調理後的電氣狀態信息及傳感器信息，並將採集的數據存入數據存儲單元；然後，基於DSP的智能控制及處理單元調用數據存儲單元中的數據採用先進控制算法完成電氣狀態參數計算，並結合系統信息採用智能邏輯推理方法實現電機驅動控制功能。
[0040]如圖2所示，基於DSP的智能控制及處理單元由DSP晶片、電源轉換電路、無源晶振電路、通信電路、仿真調試電路構成:電源轉換電路提供DSP晶片所需要的標準3.3V和1.9V電壓；無源晶振電路提供DSP晶片所需要的工作頻率30MHz ;仿真調試電路提供DSP程序軟體下載和仿真接口 ；DSP晶片與數據存儲單元以數據總線和地址總線方式實現數據傳輸；通信電路實現與外部總線網絡通信。
[0041]電源轉換電路由電源轉換晶片、高精度電阻、電容組成；通信電路由通信晶片、電阻、電容組成。
[0042]基於DSP的智能控制及處理單元負責整個系統驅動控制及數據處理，並能通過網絡總線通信單元實現驅動器與外部總線網絡實現通信。
[0043]2、數據採集單元
[0044]所述數據採集單元包括模擬量數據採集單元和數字量數據採集單元兩部分。
[0045]模擬量數據採集單元由模數轉換器及電源基準電路組成:電源基準電路提供模數轉換器需要的基準2.5V電壓，模數轉換器採用地址總線和數據總線實現與DSP晶片的數據和命令通信。模數轉換器採用AD7891晶片，其為一款高精度高速8通道12位模數轉換器，輸入電壓範圍為±10V，滿足要求。電源基準電路由高精度電壓轉換晶片AD580和電容組成。
[0046]數字量數據採集單元由信號隔離晶片及信號驅動晶片組成，數字量數據採集單元直接與DSP晶片I/O (通用輸入/輸出接口)引腳相連。
[0047]3、信號調理單元
[0048]所述信號調理單元主要對模擬量傳感器信息、數字量傳感器信息及數字開關量信息進行信號調理。
[0049]如圖3所示，信號調理單元包括濾波電路、差分電路、光電隔離電路和運放電路。
[0050]濾波電路由電阻和電容組成的二階濾波電路；光電隔離電路由快速光藕HCPL5631、電阻、電容組成；運放電路由0P727晶片、電阻、電容組成的電壓跟隨器及運算放大器組成。
[0051]它們之間的關係是:模擬量傳感器信息經過濾波電路降低信號噪聲汙染後，輸入至運放電路，將模擬量傳感器輸出的信號縮放到數據採集單元中模數轉換器要求的輸入範圍；數字量傳感器信息經過濾波電路降低信號的噪聲汙染後，輸入到差分電路實現信號耦合，後採用光電隔離電路實現信號隔離及電平轉換，最後輸入到數據採集單元；數字開關量經過濾波電路降低信號的噪聲汙染後，輸入到光電隔離電路實現信號隔離及電平轉換，後輸入到數據採集單元。
[0052]模擬量信息主要指電位計信息、溫度信息、電流信息、電壓信息等；數字量傳感器信息主要指編碼器信息，該驅動器可接增量式編碼器和單極性編碼器兩種形式的編碼器；數字開關量信息主要指剎車信息、報警信息、外部控制I/o輸入信息、指示燈信息、撥碼開關/[目息等。
[0053]4、數據存儲單元
[0054]如圖4所示，所述數據存儲單元由SDRAM同步動態隨機存取存儲器和FLASH快閃記憶體兩種存儲器組成:兩片SDRAM晶片和一片FLASH晶片通過地址總線和數據總線與外部存儲器接口連接，基於DSP的智能控制及處理單元通過外部存儲器接口實現與數據存儲單元數據的讀寫。
[0055]SDRAM採用2片SDRAM晶片，存儲容量達64兆位，用來存儲數據和實現上電後的應用程式加載。FLASH採用用來固化引導程序和應用程式，存儲容量達8兆位。
[0056]5、功率保護單元
[0057]所述功率保護單元實現驅動器電路及電機的保護，它是由電流傳感器、溫度傳感器及加法比較電路組成的過壓、過流、欠壓、溫度保護電路:電流傳感器採集三相直流無刷電機電流信號，並將量化的信號經過精密電阻進行電壓轉換，後送到信號調理電路，採用軟體形式實現過流保護；溫度傳感器採集驅動器內溫度信號，並將量化的信號輸出到信號調理電路，採用軟體形式實現功率保護；由電阻、光藕、運放電路組成的加法比較電路實現驅動器過壓、欠壓保護。
[0058]電流傳感器採用NT-15霍爾電流傳感器，滿足要求。溫度傳感器採用高精度數字DS18B20傳感器，滿足設計需求。
[0059]6、智能控制輸出單元
[0060]所述智能控制輸出單元是基於DSP的智能控制及處理單元執行邏輯推理的輸出結果，它由PWM智能輸出和I/O信號輸出兩部分組成。
[0061]PWM智能輸出由PWM信號輸出接口、光電隔離電路、電壓轉換電路組成；1/0信號輸出由光電隔離電路、數據驅動晶片組成。
[0062]所述智能控制輸出單元的連接關係為:PWM信號由DSP處理器輸出，該數位訊號經光電隔離電路進行信號隔離，電壓轉換電路進行信號電壓轉換實現與功率驅動單元電平匹配，避免了電機驅動時產生的幹擾對系統的影響，從而提高系統穩定運行的可靠性；DSP的I/O埠輸出信號經過數據驅動晶片驅動後再經過光電隔離電路進行信號隔離，之後對外設備輸出I/O信號，便於系統功能擴展。
[0063]7、智能驅動單元
[0064]所述智能驅動單元是一種數字式隔離型大功率三相無刷直流電動機功率驅動單
J Li ο
[0065]智能驅動單元採用ΚΚ330，其使用單電源供電，信號控制端與功率驅動單元供電迴路隔離，具有良好的抗幹擾能力，該電路模塊採用TTL電平控制正反轉，具有體積小、輸出功率大、效率高、響應快、高可靠等特點，且具有過流保護功能，非常適用於高功率密度直流無刷驅動裝置。
[0066]作為優選方案，智能驅動單元在殼體表面附加散熱片。
[0067]8、電源管理單元
[0068]所述電源管理單元由多種電源轉換模塊組成，主要將系統輸入電壓轉換為DSP處理器及其傳感器電路所需要的電壓，處理器與傳感器的電壓等級主要分為+24V、+15V、-15V、+5V、+3.3V、+1.9V 六種類型。
[0069]9、網絡總線通訊單元
[0070]所述網絡總線通訊單元包括CAN總線、RS485總線、RS232總線三種網絡總線，網絡總線通訊單元負責DSP控制器數據的發送和接收，包括多驅動器之間的協同通信以及主機與驅動器之間的網絡通訊，三種通信對應驅動器三個輸出埠。
[0071]CAN總線對應MCP2551收發器；RS485總線對應MAX1487總線收發器；RS232總線對應MAX3232總線收發器。
[0072]本發明的新型高功率密度直流無刷電機驅動器電路安裝連接方式如下所述:
[0073](1)驅動器U\V\W三相動力輸出埠分別對應三相直流無刷電機U\V\W輸入端Π ；
[0074](2)驅動器三相霍爾信號輸入埠分別對應三相直流無刷電機U\V\W霍爾輸出信號線；
[0075](3)驅動器編碼器信號輸入埠依次對應和電機同軸旋轉的編碼器信號輸出線；
[0076](4)驅動器模擬電壓輸入端對應外接電位計信號輸出線；
[0077](5)驅動器各外部控制輸入埠依次對應所需的控制信號線；
[0078](6)驅動器各網絡通訊埠依次對應其外設網絡通信接口 ；
[0079](7)驅動器控制電源外接直流24?36 V電壓，動力電源外接直流22?55 V電壓。
【權利要求】
1.一種新型高功率密度直流無刷電機驅動器電路，包括基於DSP的智能控制及處理單元、數據採集單元、信號調理單元、智能控制輸出單元、智能驅動單元、數據存儲單元、功率保護單元、電源管理單元及網絡總線通訊單元；其特徵在於:基於DSP的智能控制及處理單元控制數據採集單元採集經過信號調理單元調理後的數據，並將數據處理後存入數據存儲單元；存儲完畢後，基於DSP的智能控制及處理單元調用數據存儲單元的數據採用先進算法進行數據處理及智能推理，並將智能推理結果輸出至智能控制輸出單元及智能驅動單元；同時，網絡總線通訊單元通過收發數據和命令實現基於DSP的智能控制及處理單元與外部網絡總線通訊；功率保護單元為整個電路各單元提供電壓、電流、溫度等信息，並實現智能保護；電源管理單元整個電路各單元提供電源。
2.根據權利要求1所述的一種新型高功率密度直流無刷電機驅動器電路，其特徵在於:所述基於DSP的智能控制及處理單元由DSP晶片、電源轉換電路、無源晶振電路、通信電路、仿真調試電路構成:電源轉換電路提供DSP晶片所需電壓；無源晶振電路提供DSP晶片所需工作頻率；仿真調試電路提供DSP程序軟體下載和仿真接口 ；DSP晶片與數據存儲單元以數據總線和地址總線方式實現數據傳輸；通信電路實現與外部總線網絡通信。
3.根據權利要求2所述的一種新型高功率密度直流無刷電機驅動器電路，其特徵在於:所述基於DSP的智能控制及處理單元採用TMS320F28335晶片。
4.根據權利要求2所述的一種新型高功率密度直流無刷電機驅動器電路，其特徵在於:所述數據採集單元包括模擬量數據採集單元和數字量數據採集單元兩部分:模擬量數據採集單元由模數轉換器及電源基準電路組成:電源基準電路提供模數轉換器需要的基準電壓，模數轉換器採用地址總線和數據總線實現與DSP晶片的數據和命令通?目;數字量數據採集單元由信 號隔離晶片及信號驅動晶片組成，數字量數據採集單元直接與DSP晶片I/O引腳相連。
5.根據權利要求4所述的一種新型高功率密度直流無刷電機驅動器電路，其特徵在於:所述模數轉換器採用AD7891晶片。
6.根據權利要求4所述的一種新型高功率密度直流無刷電機驅動器電路，其特徵在於:所述信號調理單元包括濾波電路、差分電路、光電隔離電路和運放電路:模擬量傳感器信息經過濾波電路降低信號噪聲汙染後，輸入至運放電路，將模擬量傳感器輸出的信號縮放到數據採集單元中模數轉換器要求的輸入範圍；數字量傳感器信息經過濾波電路降低信號的噪聲汙染後，輸入到差分電路實現信號耦合，後採用光電隔離電路實現信號隔離及電平轉換，最後輸入到數據採集單元；數字開關量經過濾波電路降低信號的噪聲汙染後，輸入到光電隔離電路實現信號隔離及電平轉換，後輸入到數據採集單元。
7.根據權利要求6所述的一種新型高功率密度直流無刷電機驅動器電路，其特徵在於:所述數據存儲單元由SDRAM同步動態隨機存取存儲器和FLASH快閃記憶體兩種存儲器組成:兩片SDRAM晶片和一片FLASH晶片通過地址總線和數據總線與外部存儲器接口連接，基於DSP的智能控制及處理單元通過外部存儲器接口實現與數據存儲單元數據的讀寫。
8.根據權利要求7所述的一種新型高功率密度直流無刷電機驅動器電路，其特徵在於:所述功率保護單元是由電流傳感器、溫度傳感器及加法比較電路組成的過壓、過流、欠壓、溫度保護電路:電流傳感器採集三相直流無刷電機電流信號，並將量化的信號經過精密電阻進行電壓轉換，後送到信號調理電路，採用軟體形式實現過流保護；溫度傳感器採集驅動器內溫度信號，並將量化的信號輸出到信號調理電路，採用軟體形式實現功率保護；由電阻、光藕、運放電路組成的加法比較電路實現驅動器過壓、欠壓保護。
9.根據權利要求8所述的一種新型高功率密度直流無刷電機驅動器電路，其特徵在於:所述智能控制輸出單元由PWM智能輸出和I/O信號輸出兩部分組成:PWM智能輸出由PWM信號輸出接口、光電隔離電路、電壓轉換電路組成；1/0信號輸出由光電隔離電路、數據驅動晶片組成；PWM信號由DSP處理器輸出，該數位訊號經光電隔離電路進行信號隔離，電壓轉換電路進行信號電壓轉換實現與功率驅動單元電平匹配；DSP的I/O埠輸出信號經過數據驅動晶片驅動後再經過光電隔離電路進行信號隔離，之後對外設備輸出I/O信號。
10.根據權利要求9所述的一種新型高功率密度直流無刷電機驅動器電路，其特徵在於:所述智能驅動單元是一種數字式隔離型大功率三相無刷直流電動機功率驅動單元。
11.根據權利要求10所述的一種新型高功率密度直流無刷電機驅動器電路，其特徵在於:所述智能驅動單元在殼體表面附加散熱片。
12.根據權利要求10所述的一種新型高功率密度直流無刷電機驅動器電路，其特徵在於:所述電源管理單元由多種電源轉換模塊組成，將系統輸入電壓轉換為DSP處理器及其傳感器電路所需要的電壓。
13.根據權利要求12所述的一種新型高功率密度直流無刷電機驅動器電路，其特徵在於:所述網絡總線通訊單元包括CAN總線、RS485總線、RS232總線三種網絡總線，網絡總線通訊單元負責DSP控制器數據的發送和接收，包括多驅動器之間的協同通信以及主機與驅動器之間的網絡通訊，三種通信對應驅動器三個輸出埠。
14.根據權利要求13所述的一種新型高功率密度直流無刷電機驅動器電路，其特徵在於:CAN總線對應MCP2551收發器；RS485總線對應MAX1487總線收發器；RS232總線對應MAX3232總線收發器。
【文檔編號】H02P6/00GK103701369SQ201310690231
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月16日 優先權日:2013年12月16日
【發明者】黃建, 張新華, 王曉林, 揭軍, 王順偉 申請人:北京自動化控制設備研究所