CN101330268A

CN101330268A - 一种六相直流无刷电机控制器

Info

Publication number: CN101330268A
Application number: CNA2008100276622A
Authority: CN
Inventors: 陈黎明; 冷明全
Original assignee: GUANGZHOU HUANAN ZHIXIN MICROSYSTEM CO Ltd
Current assignee: GUANGZHOU HUANAN ZHIXIN MICROSYSTEM CO Ltd
Priority date: 2008-04-25
Filing date: 2008-04-25
Publication date: 2008-12-24

Abstract

本发明公开了一种六相直流无刷电机控制器，包括三相全桥开关回路I、三相全桥开关回路II、驱动回路I、驱动回路II、速度输入检测回路、电压检测回路、过流检测回路、霍尔信号检测回路I、霍尔信号检测回路II和单片机；所述速度输入检测回路将速度输入信号传送到单片机处理后，传送到驱动回路I和驱动回路II，驱动回路I和驱动回路II对三相全桥开关回路I和三相全桥开关回路II进行控制，驱动六相直流无刷电机中的绕组，使电机运转。与现有的三相直流无刷电机控制器相比，本发明的六相直流无刷电机控制器可以使电机的转矩脉动降低50％，噪音大大降低。同时，在输出同样功率的情况下，每相绕组的电流减少了一半，产品的可靠性得到进一步提高。

Description

一种六相直流无刷电机控制器

技术领域

本发明涉及一种六相直流无刷电机控制器。

背景技术

直流无刷电机因其可靠性高的特点，被广泛应用在电动自行车、电动三轮车、电动四轮车等电动车上。但现有三相直流无刷电机在换相时会产生高达50％额定转矩的脉动转矩，用户的骑行感觉是振动和噪音都比较大。在不改变电机的情况下，采用重叠换相的方法解决换相引起的转矩脉动，虽然可以一定程度上进行改善，用户仍然感觉较大，特别是在低速启动的过程中仍然比较严重，这是三相直流无刷电机自身的技术方案确定的，因此，进一步改进的效果有限。另外，随着电机功率的提高，每相绕组的电流也大大提高，提高了电缆和功率器件发热的要求。目前的解决方法是加粗电缆和并联MOS管的方法，一方面成本上升，另一方面发热还是比较严重。

采用六相直流无刷电机是解决上述问题的方法之一。所谓六相直流无刷电机是指在现有三相直流无刷电机的基础上，增加一套三相绕组，两套绕组在空间上的电角度相差30°，增加3个霍尔确定绕组的位置。六相直流无刷电机在运行过程中，每30°换相一次，一个运行周期(360°电角度)换相次数是12次，比3相直流无刷电机的六次多了一倍。当一套绕组换相时，另外一套绕组正常运行，因此换相时的最大转矩脉动减少为额定转矩的25％，减少了电机的震动和噪音。同时，由于采用两套绕组，在产生同样力矩的情况下，每套绕组电流减少了一半，减小的开关器件的负荷，提高了控制器的可靠性。要实现对六相直流无刷电机的控制，三相直流无刷电机控制器已不能满足要求，因此，必须根据六相直流无刷电机的运行要求开发相应的控制器。

发明内容

本发明针对现有直流无刷电机控制器不能满足六相直流无刷电机的控制要求等问题，提供一种六相直流无刷电机控制器。

本发明可以通过以下技术方案予以实现：一种六相直流无刷电机控制器包括三相全桥开关回路I、三相全桥开关回路II、驱动回路I、驱动回路II、速度输入检测回路、电压检测回路、过流检测回路、霍尔信号检测回路I、霍尔信号检测回路II和单片机；所述速度输入检测回路将速度输入信号传送到单片机处理后传送到驱动回路I和驱动回路II，驱动回路I和驱动回路II对三相全桥开关回路I和三相全桥开关回路II进行控制，驱动六相直流无刷电机中的绕组，使电机运转；霍尔信号检测回路I和霍尔信号检测回路II分别将检测到六相直流无刷电机中两套绕组的位置信号反馈回单片机；过流检测回路和电压检测回路分别将检测到六相直流无刷电机的过流信号和电压信号反馈到单片机。

本发明所述驱动回路由三个单相驱动回路组成，每个单相驱动回路包括三极管Q0-Q5，电阻R0-R9，电容C0-C3，二极管D0-D1，所述三极管Q1的基极通过电阻R1与单片机相连接，其集电极与三极管Q0的基极相连接，其发射极通过电阻R2接于GND；三极管Q0的基极通过电阻R0与其发射极相联后通过二极管D0接于电源，其集电极接于二极管D1并通过电阻R4接于上桥MOSFET的栅极；二极管D0的阳极通过电容C0接于GND，其阴极接于电容C后接于电机相线；三极管Q2的基极接于二极管D1的阳极，其发射极接于上桥MOSFET的栅极，其集电极接于电机相线；电阻R3接于三极管Q2的基极与集电极之间，电容C2接于Q2的发射极与集电极之间；三极管Q4的基极接于+5V电源，其集电极接于三极管Q3的基极，其发射极通过电阻R7接于单片机；三极管Q3的基极通过电阻R6与其发射极共接于+15V电源，其集电极通过电阻R9接于下桥MOSFET栅极；三极管Q5的基极通过电阻R8接于单片机，其集电极接于下桥MOSFET栅极，其发射极接于GND；电阻R5接于电机相线和电流检测电阻之间；电容C3接于下桥MOSFET栅极和电流检测电阻之间。

本发明所述的霍尔信号检测回路包括霍尔接口，电阻R53-R58，电容C31-C32，所述霍尔接口与电机霍尔接口相连，并通过电阻R53-R54接于单片机；电阻R56-R58的一端接于+5V电源，另一端接于霍尔接口与电阻R53-R55之间；电容C33、C31、C32的一端接于GND，另一端接于电阻R53-R55与单片机之间。

本发明所述的速度输入检测回路包括PA4接口，电容C5、C8，电阻R8、R9，二极管D4，所述PA4接口中的一个接口分别通过电容C5和二极管D4接于GND和+5V电源，另一接口通过电阻R8和R9接于单片机和GND，其第三端口接于GND，电容C8并接于电阻R8和R9两端。

本发明所述的过流检测回路包括放大器U3A、放大器U3B、电阻R40-R46，电容C18、C19，所述放大器U3A的输出端接于单片机，其正输入端通过R41、R42接于+5V和GND；电容C19接于+5V和GND之间，电容C18并接于放大器U3A的正、反输入端，电阻R43一端连接到U3A反相输入端，另一端连接到过流检测电阻；放大器U3B的输出端接于单片机，其正输入端分别通过电阻R45、R44接于+5V电源和过流检测电阻，其负输出端分别通过电阻R40和R46接于单片机和GND。

本发明所述的电压检测回路包括电阻R11、R12和电容C9，所述电阻R11和电阻R12串联接于VCC和GND之间，电阻R11和电阻R12的接点共接到单片机，电容C9并联接于电阻R12。

与现有技术相比较，本发明具有以下优点：本发明的六相直流无刷电机控制器可以使电机的转矩脉动降低50％，噪音大大降低，改善了用户骑行的舒适感。同时，在输出同样功率的情况下，每相绕组的电流减少了一半，降低了对功率器件的要求，产品的可靠性得到进一步提高。

附图说明

图1是本发明的六相直流无刷电机控制器的线路连接图。

图2是本发明的六相直流无刷电机控制器的开关回路的线路图。

图3是本发明的六相直流无刷电机控制器的驱动回路的单相电路图。

图4是本发明的六相直流无刷电机控制器的霍尔信号检测回路的电路图。

图5是本发明的六相直流无刷电机控制器的速度输入检测回路的电路图。

图6是本发明的六相直流无刷电机控制器的过流检测回路的电路图。

图7是本发明的六相直流无刷电机控制器的电压检测回路的电路图。

图8是本发明的六相直流无刷电机控制器的时序图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的六相直流无刷电机控制器包括三相全桥开关回路I、三相全桥开关回路II、驱动回路I、驱动回路II、速度输入检测回路、电压检测回路、过流检测回路、霍尔信号检测回路I、霍尔信号检测回路II和单片机；所述速度输入检测回路将速度输入信号传送到单片机处理后，按一定规则输出PWM信号到驱动回路I和驱动回路II，驱动回路I和驱动回路II采用PWM方式对三相全桥开关回路I和三相全桥开关回路II进行控制，驱动六相直流无刷电机中的绕组，使电机运转；霍尔信号检测回路I和霍尔信号检测回路II分别将检测到六相直流无刷电机中两套绕组的位置信号反馈回单片机；过流检测回路和电压检测回路分别将检测到六相直流无刷电机的过流信号和电压信号反馈到单片机。

如图2所示，本发明所述的开关回路I由六只MOS管组成，包括U1上、U1下、V1上、V1下、W1上、W1下，U1上源极(S)的与U1下的漏极(D)相连，并连接到绕组I的A1相绕组，V1上源极(S)的与V1下的漏极(D)相连，并连接到绕组I的B1绕组，W1上源极(S)的与W1下的漏极(D)相连，并连接到绕组I的C1绕组，MOS管U1上、V1上、W1上的漏极(D)连接在一起后与VCC相连，MOS管U1下、V1下、W1下的源极(S)连接在一起后与过流保护电流检测电阻R0一端相连，R0的另一端与电源地相连，六只MOS管的栅极(G)与驱动回路I相连。开关回路II的组成及与绕组II的连接同开关回路I的组成及与绕组I的连接。

如图3所示，本发明所述驱动回路由三个单相驱动回路组成，每个单相驱动回路包括三极管Q0-Q5，电阻R0-R9，电容C0-C3，二极管D0-D1，所述三极管Q1的基极通过电阻R1与单片机相连接，其集电极与三极管Q0的基极相连接，其发射极通过电阻R2接于GND；三极管Q0的基极通过电阻R0与其发射极相联后通过二极管D0接于电源，其集电极接于二极管D1并通过电阻R4接于上桥MOSFET的栅极；二极管D0的阳极通过电容C0接于GND，其阴极接于电容C后接于电机相线；三极管Q2的基极接于二极管D1的阳极，其发射极接于上桥MOSFET的栅极，其集电极接于电机相线；电阻R3接于三极管Q2的基极与集电极之间，电容C2接于Q2的发射极与集电极之间；三极管Q4的基极接于+5V电源，其集电极接于三极管Q3的基极，其发射极通过电阻R7接于单片机；三极管Q3的基极通过电阻R6与其发射极共接于+15V电源，其集电极通过电阻R9接于下桥MOSFET栅极；三极管Q5的基极通过电阻R8接于单片机，其集电极接于下桥MOSFET栅极，其发射极接于GND；电阻R5接于电机相线和电流检测电阻之间；电容C3接于下桥MOSFET栅极和电流检测电阻之间。

如图4所示，本发明所述的霍尔信号检测回路包括霍尔接口，电阻R53-R58，电容C31-C32，所述霍尔接口与电机霍尔接口相连，并通过电阻R53-R54接于单片机；电阻R56-R58的一端接于+5V电源，另一端接于霍尔接口与电阻R53-R55之间；电容C33、C31、C32的一端接于GND，另一端接于电阻R53-R55与单片机之间。

如图5所示，本发明所述的速度输入检测回路包括PA4接口，电容C5、C8，电阻R8、R9，二极管D4，所述PA4接口中的一个接口分别通过电容C5和二极管D4接于GND和+5V电源，另一接口通过电阻R8和R9接于单片机和GND，其第三端口接于GND，电容C8并接于电阻R8和R9两端。

如图6所示，本发明所述的过流检测回路包括放大器U3A、放大器U3B、电阻R40-R46，电容C18、C19，所述放大器U3A的输出端接于单片机，其正输入端通过R41、R42接于+5V和GND；电容C19接于+5V和GND之间，电容C18并接于放大器U3A的正、反输入端，电阻R43一端连接到U3A反相输入端，另一端连接到过流检测电阻；放大器U3B的输出端接于单片机，其正输入端分别通过电阻R45、R44接于+5V电源和过流检测电阻，其负输出端分别通过电阻R40和R46接于单片机和GND。

如图6所示，本发明所述的电压检测回路包括电阻R11、R12和电容C9，所述电阻R11和电阻R12串联接于VCC和GND之间，电阻R11和电阻R12的接点共接到单片机，电容C9并联接于电阻R12。

本发明的工作原是如下：当速度输入信号有输入时，通过速度输入检测检测回路输入到单片机，同时，霍尔信号检测回路分别检测到第一套绕组和第二套绕组的位置信号，单片机根据检测到的位置信号，对应逻辑图2中的霍尔信号真值表输出控制信号到驱动回路I和驱动回路II，使三相全桥开关回路I和三相全桥开关回路II中对应的MOS管开通，电压加到相应的绕组上，电机转动。假设检测到的位置信号的真值是101101，对应与三相全桥开关回路I的U1上桥MOS管和W1下桥MOS管开通，第一套绕组的U1和W1绕组通电，对应与三相全桥开关回路II的U2上桥MOS管和W2下桥MOS管开通，第二套绕组的U2和W2绕组通电，电机转动；当检测到的位置信号的真值是101100时，对应与三相全桥开关回路I的U1上桥MOS管和W1下桥MOS管开通，第一套绕组的U1和W1绕组通电，对应与三相全桥开关回路II的U2上桥MOS管和V2下桥MOS管开通，第二套绕组的U2和V2绕组通电，电机继续旋转；以此类推，六相直流无刷电机按照开关时序如图7和控制逻辑如表1的顺序，按U1上W1下U2上W2下→U1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下的顺序，每30°换一次相，每一个周期换相12次，电机就可以周期性地旋转。

表1

霍尔信号	电机控制1	电机控制2
霍尔信号	电机控制1	电机控制2	1 2	1	2
101 101	U1上→W1下	U2上→W2下	1 2	1	2
101 101	U1上→W1下	U2上→W2下	101 100	U1上→W1下	U2上→V2下
100 100	U1上→V1下	U2上→V2下	101 100	U1上→W1下	U2上→V2下
100 100	U1上→V1下	U2上→V2下	100 110	U1上→V1下	W2上→V2下
110 110	W1上→V1下	W2上→V2下	100 110	U1上→V1下	W2上→V2下
110 110	W1上→V1下	W2上→V2下	110 010	W1上→V1下	W2上→U2下
010 010	W1上→U1下	W2上→U2下	110 010	W1上→V1下	W2上→U2下
010 010	W1上→U1下	W2上→U2下	010 011	W1上→U1下	V2上→U2下
011 011	V1上→U1下	V2上→U2下	010 011	W1上→U1下	V2上→U2下
011 011	V1上→U1下	V2上→U2下	011 001	V1上→U1下	V2上→W2下
001 001	V1上→W1下	V2上→W2下	011 001	V1上→U1下	V2上→W2下
001 001	V1上→W1下	V2上→W2下	001 101	V1上→W1下	U2上→W2下

电机的调速是通过以下方式实现的，当速度调节输入检测回路检测到速度输入信号减少时，单片机通过驱动回路、三相全桥开关回路以及绕组，对三相全桥开关回路I和三相全桥开关回路II的MOS管实行脉宽调制(PWM)，减小加到绕组上的电压脉冲宽度来降低绕组上的平均电压，来降低电机的转速，反之，增加加到绕组上的电压脉冲宽度来提高绕组上的平均电压，从而提高电机的转速。

电机的过流保护和限流保护是通过以下方式实现的，电机的过流信号通过电阻R43、R44分别输入到U3A负相输入端和U3B正相输入端，如果过流信号电压超过U3A正相输入端电压，U3A输出由正变为0并输入到单片机，单片机通过驱动回路，关闭开关回路MOS管，电机停止运转，此时，过流保护起作用；过流信号电压接入U3B正相输入端，如果过流信号电压上升，U3B输出电压增大并输入到单片机，与设定值相比较，如果超过了设定值，单片机减少PWM信号导通时间，减少输出电压，绕组电流下降，反之，如果过流信号电压下降，U3B输出电压降低并输入到单片机，与设定值相比较，如果低于设定值，单片机增加PWM信号导通时间，增加输出电压，绕组电流上升，使电机能够在限制的电流范围内，以最大的输出力矩方式运转，此时限流保护起作用。

电机的欠压保护是通过以下方式实现的，当电源电压通过电压检测回路输出到单片机，与系统设定的保护值对比，如果超过了欠压保护的设定值，通过单片机通过驱动回路、关闭三相全桥开关回路I和三相全桥开关回路II的MOS管，停止电机运转。

本发明与现在市场流行的三相直流无刷电机控制器比，六相直流无刷电机控制器可以使电机的转矩脉动降低50％，噪音大大降低，改善了用户骑行的舒适感。同时，在输出同样功率的情况下，每相绕组的电流减少了一半，降低了对功率器件的要求，产品的可靠性得到进一步提高。

Claims

1、一种六相直流无刷电机控制器，其特征在于：包括三相全桥开关回路I、三相全桥开关回路II、驱动回路I、驱动回路II、速度输入检测回路、电压检测回路、过流检测回路、霍尔信号检测回路I、霍尔信号检测回路II和单片机；所述速度输入检测回路将速度输入信号传送到单片机处理后传送到驱动回路I和驱动回路II，驱动回路I和驱动回路II对三相全桥开关回路I和三相全桥开关回路II进行控制，驱动六相直流无刷电机中的绕组，使电机运转；霍尔信号检测回路I和霍尔信号检测回路II分别将检测到六相直流无刷电机中两套绕组的位置信号反馈回单片机；过流检测回路和电压检测回路分别将检测到六相直流无刷电机的过流信号和电源电压信号反馈到单片机。

2、根据权利要求1所述的控制器，其特征在于：所述驱动回路由三个单相驱动回路组成，每个单相驱动回路包括三极管Q0-Q5，电阻R0-R9，电容C0-C3，二极管D0-D1，所述三极管Q1的基极通过电阻R1与单片机相连接，其集电极与三极管Q0的基极相连接，其发射极通过电阻R2接于GND；三极管Q0的基极通过电阻R0与其发射极相联后通过二极管D0接于电源，其集电极接于二极管D1并通过电阻R4接于上桥MOSFET的栅极；二极管D0的阳极通过电容C0接于GND，其阴极接于电容C后接于电机相线；三极管Q2的基极接于二极管D1的阳极，其发射极接于上桥MOSFET的栅极，其集电极接于电机相线；电阻R3接于三极管Q2的基极与集电极之间，电容C2接于Q2的发射极与集电极之间；三极管Q4的基极接于+5V电源，其集电极接于三极管Q3的基极，其发射极通过电阻R7接于单片机；三极管Q3的基极通过电阻R6与其发射极共接于+15V电源，其集电极通过电阻R9接于下桥MOSFET栅极；三极管Q5的基极通过电阻R8接于单片机，其集电极接于下桥MOSFET栅极，其发射极接于GND；电阻R5接于电机相线和电流检测电阻之间；电容C3接于下桥MOSFET栅极和电流检测电阻之间。

3、根据权利要求2所述的控制器，其特征在于：所述霍尔信号检测回路包括霍尔接口，电阻R53-R58，电容C31-C32，所述霍尔接口与电机霍尔接口相连，并通过电阻R53-R54接于单片机；电阻R56-R58的一端接于+5V电源，另一端接于霍尔接口与电阻R53-R55之间；电容C33、C31、C32的一端接于GND，另一端接于电阻R53-R55与单片机之间。

4、根据权利要求3所述的控制器，其特征在于：所述速度输入检测回路包括PA4接口，电容C5、C8，电阻R8、R9，二极管D4，所述PA4与速度调节信号接口相连接，PA4中的一个端口分别通过电容C5和二极管D4接于GND和+5V电源，另一端口通过电阻R8和R9接于单片机和GND，其第三端口接于GND，电容C8并接于电阻R8和R9两端。

5、根据权利要求4所述的控制器，其特征在于：所述过流检测回路包括放大器U3A、放大器U3B、电阻R40-R46，电容C18、C19，所述放大器U3A的输出端接于单片机，其正输入端通过R41、R42接于+5V和GND；电容C19接于+5V和GND之间，电容C18并接于放大器U3A的正、反输入端，电阻R43一端连接到U3A反相输入端，另一端连接到过流检测电阻；放大器U3B的输出端接于单片机，其正输入端分别通过电阻R45、R44接于+5V电源和过流检测电阻，其负输出端分别通过电阻R40和R46接于单片机和GND。

6、根据权利要求5所述的控制器，其特征在于：所述电压检测回路包括电阻R11、R12和电容C9，所述电阻R11和电阻R12串联接于VCC和GND之间，电阻R11和电阻R12的接点共接到单片机，电容C9并联接于电阻R12。