一種六相直流無刷電機控制器的製作方法
2023-07-03 05:28:36 1
專利名稱：：一種六相直流無刷電機控制器的製作方法
技術領域：
：本發明涉及一種六相直流無刷電機控制器。技術背景直流無刷電機因其可靠性高的特點，被廣泛應用在電動自行車、電動三輪車、電動四輪車等電動車上。但現有三相直流無刷電機在換相時會產生高達50%額定轉矩的脈動轉矩，用戶的騎行感覺是振動和噪音都比較大。在不改變電機的情況下，採用重疊換相的方法解決換相引起的轉矩脈動，雖然可以一定程度上進行改善，用戶仍然感覺較大，特別是在低速啟動的過程中仍然比較嚴重，這是三相直流無刷電機自身的技術方案確定的，因此，進一步改進的效果有限。另外，隨著電機功率的提高，每相繞組的電流也大大提高，提高了電纜和功率器件發熱的要求。目前的解決方法是加粗電纜和並聯MOS管的方法，一方面成本上升，另一方面發熱還是比較嚴重。採用六相直流無刷電機是解決上述問題的方法之一。所謂六相直流無刷電機是指在現有三相直流無刷電機的基礎上，增加一套三相繞組，兩套繞組在空間上的電角度相差30°，增加3個霍爾確定繞組的位置。六相直流無刷電機在運行過程中，每30°換相一次，一個運行周期(360°電角度)換相次數是12次，比3相直流無刷電機的六次多了一倍。當一套繞組換相時，另外一套繞組正常運行，因此換相時的最大轉矩脈動減少為額定轉矩的25%，減少了電機的震動和噪音。同時，由於採用兩套繞組，在產生同樣力矩的情況下，每套繞組電流減少了一半，減小的開關器件的負荷，提高了控制器的可靠性。要實現對六相直流無刷電機的控制，三相直流無刷電機控制器已不能滿足要求，因此，必須根據六相直流無刷電機的運行要求開發相應的控制器。
發明內容本發明針對現有直流無刷電機控制器不能滿足六相直流無刷電機的控制要求等問題，提供一種六相直流無刷電機控制器。本發明可以通過以下技術方案予以實現一種六相直流無刷電機控制器包括三相全橋開關迴路i、三相全橋開關迴路n、驅動迴路i、驅動迴路n、速度輸入檢測迴路、電壓檢測迴路、過流檢測迴路、霍爾信號檢測迴路I、霍爾信號檢測迴路n和單片機；所述速度輸入檢測迴路將速度輸入信號傳送到單片機處理後傳送到驅動迴路i和驅動迴路n，驅動迴路i和驅動迴路n對三相全橋開關迴路i和三相全橋開關迴路n進行控制，驅動六相直流無刷電機中的繞組，使電機運轉；霍爾信號檢測迴路i和霍爾信號檢測迴路n分別將檢測到六相直流無刷電機中兩套繞組的位置信號反饋回單片機；過流檢測迴路和電壓檢測迴路分別將檢測到六相直流無刷電機的過流信號和電壓信號反饋到單片機。本發明所述驅動迴路由三個單相驅動迴路組成，每個單相驅動迴路包括三極體Q0-Q5，電阻R0-R9，電容C0-C3，二極體D0-D1，所述三極體Ql的基極通過電阻R1與單片機相連接，其集電極與三極體Q0的基極相連接，其發射極通過電阻R2接於GND;三極體QO的基極通過電阻R0與其發射極相聯後通過二極體DO接於電源，其集電極接於二極體Dl並通過電阻R4接於上橋MOSFET的柵極；二極體DO的陽極通過電容CO接於GND,其陰極接於電容C後接於電機相線；三極體Q2的基極接於二極體D1的陽極，其發射極接於上橋MOSFET的柵極，其集電極接於電機相線；電阻R3接於三極體Q2的基極與集電極之間，電容C2接於Q2的發射極與集電極之間；三極體Q4的基極接於+5V電源，其集電極接於三極體Q3的基極，其發射極通過電阻R7接於單片機；三極體Q3的基極通過電阻R6與其發射極共接於+15V電源，其集電極通過電阻R9接於下橋MOSFET柵極；三極體Q5的基極通過電阻R8接於單片機，其集電極接於下橋MOSFET柵極，其發射極接於GND;電阻R5接於電機相線和電流檢測電阻之間；電容C3接於下橋MOSFET柵極和電流檢測電阻之間。本發明所述的霍爾信號檢測迴路包括霍爾接口，電阻R53-R58，電容C31-C32，所述霍爾接口與電機霍爾接口相連，並通過電阻R53-R54接於單片機；電阻R56-R58的一端接於+5V電源，另一端接於霍爾接口與電阻R53-R55之間；電容C33、C31、C32的一端接於GND，另一端接於電阻R53-R55與單片機之間。本發明所述的速度輸入檢測迴路包括PA4接口，電容C5、C8，電阻R8、R9，二極體D4，所述PA4接口中的一個接口分別通過電容C5和二極體D4接於GND和+5V電源，另一接口通過電阻R8和R9接於單片機和GND，其第三埠接於GND，電容C8並接於電阻R8和R9兩端。本發明所述的過流檢測迴路包括放大器U3A、放大器U3B、電阻R40-R46，電容C18、C19，所述放大器U3A的輸出端接於單片機，其正輸入端通過R41、R42接於+5V和GND;電容C19接於+5V和GND之間，電容C18並接於放大器U3A的正、反輸入端，電阻R43—端連接到U3A反相輸入端，另一端連接到過流檢測電阻；放大器U3B的輸出端接於單片機，其正輸入端分別通過電阻R45、R44接於+5V電源和過流檢測電阻，其負輸出端分別通過電阻R40和R46接於單片機和GND。本發明所述的電壓檢測迴路包括電阻Rll、R12和電容C9，所述電阻Rll和電阻R12串聯接於VCC和GND之間，電阻Rll和電阻R12的接點共接到單片機，電容C9並聯接於電阻R12。與現有技術相比較，本發明具有以下優點本發明的六相直流無刷電機控制器可以使電機的轉矩脈動降低50%，噪音大大降低，改善了用戶騎行的舒適感。同時，在輸出同樣功率的情況下，每相繞組的電流減少了一半，降低了對功率器件的要求，產品的可靠性得到進一步提高。圖1是本發明的六相直流無刷電機控制器的線路連接圖。圖2是本發明的六相直流無刷電機控制器的開關迴路的線路圖。圖3是本發明的六相直流無刷電機控制器的驅動迴路的單相電路圖。圖4是本發明的六相直流無刷電機控制器的霍爾信號檢測迴路的電路圖。圖5是本發明的六相直流無刷電機控制器的速度輸入檢測迴路的電路圖。圖6是本發明的六相直流無刷電機控制器的過流檢測迴路的電路圖。圖7是本發明的六相直流無刷電機控制器的電壓檢測迴路的電路圖。圖8是本發明的六相直流無刷電機控制器的時序圖。具體實施方式如圖1所示，本發明的六相直流無刷電機控制器包括三相全橋開關迴路I、三相全橋開關迴路II、驅動迴路I、驅動迴路II、速度輸入檢測迴路、電壓檢測迴路、過流檢測迴路、霍爾信號檢測迴路i、霍爾信號檢測迴路n和單片機；所述速度輸入檢測迴路將速度輸入信號傳送到單片機處理後，按一定規則輸出PWM信號到驅動迴路i和驅動迴路ii，驅動迴路i和驅動迴路ii採用PWM方式對三相全橋開關迴路I和三相全橋開關迴路II進行控制，驅動六相直流無刷電機中的繞組，使電機運轉；霍爾信號檢測迴路I和霍爾信號檢測迴路II分別將檢測到六相直流無刷電機中兩套繞組的位置信號反饋回單片機；過流檢測迴路和電壓檢測迴路分別將檢測到六相直流無刷電機的過流信號和電壓信號反饋到單片機。如圖2所示，本發明所述的開關迴路I由六隻MOS管組成，包括Ul上、Ul下、VI上、VI下、Wl上、Wl下，Ul上源極(S)的與Ul下的漏極(D)相連，並連接到繞組I的Al相繞組，Vl上源極(S)的與V1下的漏極(D)相連，並連接到繞組I的B1繞組，Wl上源極(S)的與Wl下的漏極(D)相連，並連接到繞組I的CI繞組，MOS管Ul上、VI上、Wl上的漏極(D)連接在一起後與VCC相連，MOS管Ul下、VI下、Wl下的源極(S)連接在一起後與過流保護電流檢測電阻RO—端相連，R0的另一端與電源地相連，六隻MOS管的柵極(g)與驅動迴路i相連。開關迴路n的組成及與繞組n的連接同開關迴路i的組成及與繞組i的連接。如圖3所示，本發明所述驅動迴路由三個單相驅動迴路組成，每個單相驅動迴路包括三極體Q0-Q5，電阻R0-R9，電容C0-C3，二極體D0-D1，所述三極體Ql的基極通過電阻Rl與單片機相連接，其集電極與三極體QO的基極相連接，其發射極通過電阻R2接於GND;三極體QO的基極通過電阻RO與其發射極相聯後通過二極體DO接於電源，其集電極接於二極體Dl並通過電阻R4接於上橋MOSFET的柵極；二極體DO的陽極通過電容CO接於GND，其陰極接於電容C後接於電機相線;三極體Q2的基極接於二極體Dl的陽極，其發射極接於上橋MOSFET的柵極，其集電極接於電機相線；電阻R3接於三極體Q2的基極與集電極之間，電容C2接於Q2的發射極與集電極之間；三極體Q4的基極接於+5V電源，其集電極接於三極體Q3的基極，其發射極通過電阻R7接於單片機；三極體Q3的基極通過電阻R6與其發射極共接於十15V電源，其集電極通過電阻R9接於下橋MOSEET柵極；三極體Q5的基極通過電阻R8接於單片機，其集電極接於下橋MOSFET柵極，其發射極接於GND;電阻R5接於電機相線和電流檢測電阻之間；電容C3接於下橋MOSFET柵極和電流檢測電阻之間。如圖4所示，本發明所述的霍爾信號檢測迴路包括霍爾接口，電阻R53-R58，電容C31-C32，所述霍爾接口與電機霍爾接口相連，並通過電阻R53-R54接於單片機；電阻R56-R58的一端接於+5V電源，另一端接於霍爾接口與電阻R53-R55之間；電容C33、C31、C32的一端接於GND，另一端接於電阻R53-R55與單片機之間。如圖5所示，本發明所述的速度輸入檢測迴路包括PA4接口，電容C5、C8，電阻R8、R9，二極體D4，所述PA4接口中的一個接口分別通過電容C5和二極體D4接於GND和+5V電源，另一接口通過電阻R8和R9接於單片機和GND，其第三埠接於GND，電容C8並接於電阻R8和R9兩端。如圖6所示，本發明所述的過流檢測迴路包括放大器U3A、放大器U3B、電阻R40-R46，電容C18、C19，所述放大器U3A的輸出端接於單片機，其正輸入端通過R41、R42接於+5V和GND;電容C19接於+5V和GND之間，電容C18並接於放大器U3A的正、反輸入端，電阻R43—端連接到U3A反相輸入端，另一端連接到過流檢測電阻；放大器U3B的輸出端接於單片機，其正輸入端分別通過電阻R45、R44接於+5V電源和過流檢測電阻，其負輸出端分別通過電阻R40和R46接於單片機和GND。如圖6所示，本發明所述的電壓檢測迴路包括電阻Rll、R12和電容C9，所述電阻Rll和電阻R12串聯接於VCC和GND之間，電阻Rll和電阻R12的接點共接到單片機，電容C9並聯接於電阻R12。本發明的工作原是如下當速度輸入信號有輸入時，通過速度輸入檢測檢測迴路輸入到單片機，同時，霍爾信號檢測迴路分別檢測到第一套繞組和第二套繞組的位置信號，單片機根據檢測到的位置信號，對應邏輯圖2中的霍爾信號真值表輸出控制信號到驅動迴路I和驅動迴路II，使三相全橋開關迴路I和三相全橋開關迴路II中對應的M0S管開通，電壓加到相應的繞組上，電機轉動。假設檢測到的位置信號的真值是101101，對應與三相全橋開關迴路I的Ul上橋M0S管和W1下橋M0S管開通，第一套繞組的m和wi繞組通電，對應與三相全橋開關迴路II的U2上橋M0S管和W2下橋M0S管開通，第二套繞組的U2和W2繞組通電，電機轉動；當檢測到的位置信號的真值是101100時，對應與三相全橋開關迴路I的Ul上橋M0S管和Wl下橋MOS管開通，第一套繞組的Ul和Wl繞組通電，對應與三相全橋開關迴路II的U2上橋M0S管和V2下橋M0S管開通，第二套繞組的U2和V2繞組通電，電機繼續旋轉；以此類推，六相直流無刷電機按照開關時序如圖7和控制邏輯如表1的順序，按Ul上Wl下U2上W2下~~KJ1上W1下U2上V2下~"U1上V1下U2上V2下~~……V1上W1下V2上W2下~~^V1上W1下U2上W2下的順序，每30°換一次相，每一個周期換相12次，電機就可以周期性地旋轉。表ltableseeoriginaldocumentpage11電機的調速是通過以下方式實現的，當速度調節輸入檢測迴路檢測到速度輸入信號減少時，單片機通過驅動迴路、三相全橋開關迴路以及繞組，對三相全橋開關迴路I和三相全橋開關迴路II的MOS管實行脈寬調製(PWM)，減小加到繞組上的電壓脈衝寬度來降低繞組上的平均電壓，來降低電機的轉速，反之，增加加到繞組上的電壓脈衝寬度來提高繞組上的平均電壓，從而提高電機的轉速。電機的過流保護和限流保護是通過以下方式實現的，電機的過流信號通過電阻R43、R44分別輸入到U3A負相輸入端和U3B正相輸入端，如果過流信號電壓超過U3A正相輸入端電壓，U3A輸出由正變為0並輸入到單片機，單片機通過驅動迴路，關閉開關迴路MOS管，電機停止運轉，此時，過流保護起作用；過流信號電壓接入U3B正相輸入端，如果過流信號電壓上升，U3B輸出電壓增大並輸入到單片機，與設定值相比較，如果超過了設定值，單片機減少P麗信號導通時間，減少輸出電壓，繞組電流下降，反之，如果過流信號電壓下降，U3B輸出電壓降低並輸入到單片機，與設定值相比較，如果低於設定值，單片機增加PWM信號導通時間，增加輸出電壓，繞組電流上升，使電機能夠在限制的電流範圍內，以最大的輸出力矩方式運轉，此時限流保護起作用。電機的欠壓保護是通過以下方式實現的，當電源電壓通過電壓檢測迴路輸出到單片機，與系統設定的保護值對比，如果超過了欠壓保護的設定值，通過單片機通過驅動迴路、關閉三相全橋開關迴路i和三相全橋開關迴路n的Mos管，停止電機運轉。本發明與現在市場流行的三相直流無刷電機控制器比，六相直流無刷電機控制器可以使電機的轉矩脈動降低50%，噪音大大降低，改善了用戶騎行的舒適感。同時，在輸出同樣功率的情況下，每相繞組的電流減少了一半，降低了對功率器件的要求，產品的可靠性得到進一步提高。權利要求1、一種六相直流無刷電機控制器，其特徵在於包括三相全橋開關迴路I、三相全橋開關迴路II、驅動迴路I、驅動迴路II、速度輸入檢測迴路、電壓檢測迴路、過流檢測迴路、霍爾信號檢測迴路I、霍爾信號檢測迴路II和單片機；所述速度輸入檢測迴路將速度輸入信號傳送到單片機處理後傳送到驅動迴路I和驅動迴路II，驅動迴路I和驅動迴路II對三相全橋開關迴路I和三相全橋開關迴路II進行控制，驅動六相直流無刷電機中的繞組，使電機運轉；霍爾信號檢測迴路I和霍爾信號檢測迴路II分別將檢測到六相直流無刷電機中兩套繞組的位置信號反饋回單片機；過流檢測迴路和電壓檢測迴路分別將檢測到六相直流無刷電機的過流信號和電源電壓信號反饋到單片機。2、根據權利要求1所述的控制器，其特徵在於所述驅動迴路由三個單相驅動迴路組成，每個單相驅動迴路包括三極體QO-Q5，電阻R0-R9，電容C0-C3，二極體D0-D1，所述三極體Q1的基極通過電阻R1與單片機相連接，其集電極與三極體QO的基極相連接，其發射極通過電阻R2接於GND;三極體QO的基極通過電阻R0與其發射極相聯後通過二極體DO接於電源，其集電極接於二極體Dl並通過電阻R4接於上橋MOSFET的柵極；二極體DO的陽極通過電容CO接於GND，其陰極接於電容C後接於電機相線；三極體Q2的基極接於二極體D1的陽極，其發射極接於上橋MOSFET的柵極，其集電極接於電機相線；電阻R3接於三極體Q2的基極與集電極之間，電容C2接於Q2的發射極與集電極之間；三極體Q4的基極接於+5V電源，其集電極接於三極體Q3的基極，其發射極通過電阻R7接於單片機；三極體Q3的基極通過電阻R6與其發射極共接於+15V電源，其集電極通過電阻R9接於下橋MOSFET柵極；三極體Q5的基極通過電阻R8接於單片機，其集電極接於下橋MOSFET柵極，其發射極接於GND;電阻R5接於電機相線和電流檢測電阻之間；電容C3接於下橋MOSFET柵極和電流檢測電阻之間。3、根據權利要求2所述的控制器，其特徵在於所述霍爾信號檢測迴路包括霍爾接口，電阻R53-R58，電容C31-C32，所述霍爾接口與電機霍爾接口相連，並通過電阻R53-R54接於單片機；電阻R56-R58的一端接於+5V電源，另一端接於霍爾接口與電阻R53-R55之間；電容C33、C31、C32的一端接於GND，另一端接於電阻R53-R55與單片機之間。4、根據權利要求3所述的控制器，其特徵在於所述速度輸入檢測迴路包括PA4接口，電容C5、C8，電阻R8、R9，二極體D4，所述PA4與速度調節信號接口相連接，PA4中的一個埠分別通過電容C5和二極體D4接於GND和+5V電源，另一埠通過電阻R8和R9接於單片機和GND，其第三埠接於GND，電容C8並接於電阻R8和R9兩端。5、根據權利要求4所述的控制器，其特徵在於所述過流檢測迴路包括放大器U3A、放大器U3B、電阻R40-R46，電容C18、C19，所述放大器U3A的輸出端接於單片機，其正輸入端通過R41、R42接於+5V和GND;電容C19接於+5V和GND之間，電容C18並接於放大器U3A的正、反輸入端，電阻R43—端連接到U3A反相輸入端，另一端連接到過流檢測電阻；放大器U3B的輸出端接於單片機，其正輸入端分別通過電阻R45、R44接於+5V電源和過流檢測電阻，其負輸出端分別通過電阻R40和R46接於單片機和GND。6、根據權利要求5所述的控制器，其特徵在於所述電壓檢測迴路包括電阻Rll、R12和電容C9，所述電阻R11和電阻RI2串聯接於VCC和GND之間，電阻Rll和電阻R12的接點共接到單片機，電容C9並聯接於電阻R12。全文摘要本發明公開了一種六相直流無刷電機控制器，包括三相全橋開關迴路I、三相全橋開關迴路II、驅動迴路I、驅動迴路II、速度輸入檢測迴路、電壓檢測迴路、過流檢測迴路、霍爾信號檢測迴路I、霍爾信號檢測迴路II和單片機；所述速度輸入檢測迴路將速度輸入信號傳送到單片機處理後，傳送到驅動迴路I和驅動迴路II，驅動迴路I和驅動迴路II對三相全橋開關迴路I和三相全橋開關迴路II進行控制，驅動六相直流無刷電機中的繞組，使電機運轉。與現有的三相直流無刷電機控制器相比，本發明的六相直流無刷電機控制器可以使電機的轉矩脈動降低50％，噪音大大降低。同時，在輸出同樣功率的情況下，每相繞組的電流減少了一半，產品的可靠性得到進一步提高。文檔編號H02P6/08GK101330268SQ20081002766公開日2008年12月24日申請日期2008年4月25日優先權日2008年4月25日發明者冷明全,陳黎明申請人:廣州華南智信微系統有限公司