CN101577516A - 无刷直流电机恒流斩波驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无刷直流电机恒流斩波驱动器，包括控制电路，直流供电电路，功率驱动电路，其特征在于控制电路中具有单片机，信号比较电路，所述功率驱动电路中具有电流取样电阻，该取样电阻上产生的电流取样信号与所述信号比较电路的输入端相连接，所述单片机控制基准电压的升高或降低，所述信号比较电路输出连接到所述单片机，所述单片机输出电机转动信号，该转动信号与所述功率驱动电路连接，该驱动器应用在电动车辆上，该驱动电路具有一个数据通讯口，该通讯口将该控制器实时工作的数据发送到仪表显示。该驱动器的工作将大大减少了其自身的发热量，使驱动器工作更稳定，采取电子刹车使电动车的能源反复再利用。

Description

无刷直流电机恒流斩波驱动器

技术领域

本发明涉及无刷直流电机驱动的领域，特别涉及到采用恒流斩波驱动直流无刷电机，还涉及到配置上述电机驱动器的车辆。

背景技术

现有无刷直流电机驱动器，采用PWM调制输出驱动电流，根据PWM占空比的大小，控制其输出电流的大小，在电流开始上升一直受PWM信号的调制，使电流上升速度变慢，转矩小尤其在高速运转时转矩更小，在电机运转时不能改变驱动电流的限流值，在大电流的驱动方式下，驱动管的开关产生很大的功率消耗，使功率管温升高，在电动车上配置了该控制器，起步加速度不大，最高的骑行速度慢等。

现有技术PWM调制输出电流波形，其波形的上升沿中功率管处于开关状态，其上升到预定的电流需要的时间较长，在预定电流区间，其电机的负荷大小直接影响其驱动电流的大小，容易产生峰值电流超过了功率管的最大电流，严重威胁功率管的安全，功率管的开关较频繁，产生的热量较大，电池的利用率不高。

由于上述温升高、电池能量消耗大等缺陷的存在使目前车辆上安装的电机驱动器行驶里程不会很远，而且加速时电机发出的震动与车辆发生共震还会产生极大的噪音，影响驾车环境。

发明内容

鉴于背景技术存在的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种采用恒流斩波方式的驱动器，其电流上升快，高速运转时输出的转矩大，电池使用率高的电机驱动器。本发明所要解决的技术问题还包括提供一种配置上述驱动器的车辆。

为此，本发明是采取如下技术方案来解决上述技术问题的：一种无刷直流电机恒流斩波驱动器，包括控制电路，直流供电电路，功率驱动电路，其特征在于控制电路中具有单片机，信号比较电路，所述功率驱动电路中具有电流取样电阻，该取样电阻上产生的电流取样信号与所述信号比较电路的输入端相连接，所述信号比较电路另一输入端连接基准电压，所述单片机控制基准电压的升高或降低，所述信号比较电路输出连接到所述单片机，所述单片机输出电机转动信号，该转动信号与所述功率驱动电路连接；所述电流取样电阻的一端经过运算放大器连接到所述信号比较电路；所述单片机产生PWM信号或D/A信号控制所述基准电压的升高或降低，该基准电压在电机运转过程中可以改变；所述单片机输出PWM信号经滤波电路产生锯齿波，该锯齿波与模拟信号连接同一比较器的两输入端，该比较器的输出连接至所述单片机；所述模拟信号之一是调速信号、电源电压信号、电流取样信号、温度传感器信号、制动信号；还具有模拟信号输入口，该输入口输入的信号是调速信号或制动信号，或者是该输入口输入的信号既可以作为调速信号又可以作为制动信号，所述调速信号改变驱动电机的转速，所述制动信号改变驱动电机制动的强弱；所述信号比较电路输出信号跳变时，所述单片机控制所述功率驱动电路的开通或关闭；电流取样信号与另一基准电压连接到一个比较器的输入端，该比较器的输出端连接所述单片机的复位引脚；

本发明还将该驱动器应用在电动车辆上；该驱动电路具有一个数据通讯口，该通讯口将该控制器实时工作的数据发送到仪表显示；该电动车为电动自行车，所述调速信号或制动信号的传感器安装在车把上，该传感器的信号线连接所述的模拟信号输入口。

本无刷直流电机恒流斩波驱动器发明中，其控制电路采用单片机，信号比较电路使驱动电流趋于恒定；所述单片机控制基准电压的升高或降低，单片机可以随时控制驱动电流值，使负载和转速发生变化来调整不同的工作电流，有效降低了驱动器及发热情况；所述信号比较电路输出连接到所述单片机，单片机能迅速作出反应，决定功率输出电路的开与关；所述单片机输出电机转动信号，该转动信号与所述功率驱动电路连接，该电路能直接与所述功率驱动电路的前置放大电路连接，简化了电路；所述电流取样电阻的一端经过运算放大器连接到所述信号比较电路，使恒流斩波峰、谷电流值差更小；所述单片机产生PWM信号或D/A信号控制所述基准电压的升高或降低，使电路更优化，控制更方便；该基准电压在电机运转过程中可以改变，随时调整电流的变化；所述单片机输出PWM信号经滤波电路产生锯齿波，该锯齿波与模拟信号连接同一比较器的两输入端，该比较器的输出连接至所述单片机，该电路可以测量模拟信号的电平值，所述模拟信号可以是调速信号、电源电压信号、电流取样信号、温度传感器信号、制动信号，可以分别测量电平值；还具有模拟信号输入口，该输入口输入的信号是调速信号或制动信号，或者是该输入口输入的信号既可以作为调速信号又可以作为制动信号，所述调速信号改变驱动电机的转速，所述制动信号改变驱动电机制动的强弱，制动时将机械动能转化成电能向蓄电池充电，将模拟的速度信号或制动信号变成电平信号，有利于单片机的控制，使不带A/D电路的单片机能测量电平值；所述信号比较电路输出信号跳变时，所述单片机控制所述功率驱动电路的开通或关闭，使单片机对驱动电流的反应更敏捷；电流取样信号与另一基准电压连接到一个比较器的输入端，该比较器的输出端连接所述单片机的复位引脚，使一旦电流失控外部电流过大，使单片机进入复位状态，关闭功率驱动电路的输出，从而保证过大电流时，准确及时关闭功率输出。

将该驱动器应用在电动车辆上，使电动车的加速度更大，骑行的路程更远；该电动车为电动自行车，所述调速信号或制动信号的传感器安装在车把上，该传感器的信号线连接所述的模拟信号输入口，使自行车手把上的转把即能当作加速控制，又能当作制动控制，使电子刹车系统更完美，舒心骑车，一举两得。

附图说明

下面再结合附图进一步描述本发明的有关细节。

图1为本发明驱动器电路原理示意图；

图2为现有技术PWM调制输出电流波形示意图；

图3为本发明驱动器输出电流波形示意图；

具体实施方式

一种无刷直流电机恒流斩波驱动器，包括控制电路，直流供电电路，功率驱动电路，其特征在于控制电路中具有单片机，信号比较电路，所述功率驱动电路中具有电流取样电阻，该取样电阻上产生的电流取样信号与所述信号比较电路的输入端相连接，所述信号比较电路另一输入端连接基准电压，所述单片机控制基准电压的升高或降低，所述信号比较电路输出连接到所述单片机，所述单片机输出电机转动信号，该转动信号与所述功率驱动电路连接；所述电流取样电阻的一端经过运算放大器连接到所述信号比较电路；所述单片机产生PWM信号或D/A信号控制所述基准电压的升高或降低，该基准电压在电机运转过程中可以改变；所述单片机输出PWM信号经过滤波电路产生锯齿波，该锯齿波与模拟信号连接同一比较器的两输入端，该比较器的输出连接至所述单片机；所述模拟信号之一是调速信号、电源电压信号、电流取样信号、温度传感器信号、制动信号；还具有模拟信号输入口，该输入口输入的信号是调速信号或制动信号，或者是该输入口输入的信号既可以作为调速信号又可以作为制动信号，所述调速信号改变驱动电机的转速，所述制动信号改变驱动电机制动的强弱；所述信号比较电路输出信号跳变时，所述单片机控制所述功率驱动电路的开通或关闭；电流取样信号与另一基准电压连接到一个比较器的输入端，该比较器的输出端连接所述单片机的复位引脚；

本发明还将该驱动器应用在电动车辆上；该驱动电路具有一个数据通讯口，该通讯口将该控制器实时工作的数据发送到仪表显示；该电动车为电动自行车，所述调速信号或制动信号的传感器安装在车把上，该传感器的信号线连接所述的模拟信号输入口。

图1示意三相直流无刷电机驱动器电路原理图，图中的V1至V6为功率驱动电路的N沟道场效应管，IC2为单片机微控制器，IC1A、IC1B、IC1C、IC1D、L2B、L2C、L2D为比较器，也可以采用运放器替代，L2A为运算放大器，也可以采取其他电路进行放大，P1为模拟信号输入口，输入的信号幅度为0.8至4.2伏之间，用于连接车把上的传感器，R31为PTC热敏电阻，与R27组成了分压，用于温度对分压的影响，P17为单片机编程的接口，也用于与外界的数据通讯口，PW11、PW12为电源供电电路，R5与C2组成了滤波电路，P2为复位信号输出管，R58为电流取样电阻，PWM0为基准电压，PWM1为锯齿波形电压，该波形至地的谷电位为0V，峰电位为5V，V1、V2相对应，V3、V4相对应，V5、V6相对应，V1至V6构成了六个桥臂，在场效应管中已经包含了反向二极管，单片机输出信号脚与前置电路相连接，ATIN、BTIN、CTIN、为单片机输出电机转动信号，分别连接功率驱动电路的上桥，即与AT、BT、CT相连接，ABIN、BBIN、CBIN、为单片机输出电机转动信号，分别连接功率驱动电路的下桥，即与AB、BB、CB相连接，ATIN、BTIN、CTIN、ABIN、BBIN、CBIN为功率驱动电路的前置电路输入端，AT、BT、CT、AB、BB、CB为对应前置电路的输出端，A、B、C连接无刷直流电机的三相绕组，实施例中配合上述电机上的霍尔传感器工作。

图2为现有技术PWM调制输出电流波形示意图，其波形的上升沿功率管处于开关状态，其上升到预定值电流11需要的时间较长。

图3为本发明驱动器输出电流波形示意图，其波形的上升沿是直线上升，到达预定电流值I2，所需要的时间非常短，电机负荷的大小不会影响其驱动电流的大小。峰值电流的大小是由PWM0点的电位决定的，改变PWM0点的电位，就可以该变其驱动输出的电流并保持恒定。

结合附图分析工作原理：把座上的转把转动时会使SP点的电位发生变化，设定PWM为8位工作，从00H-0FFH变化使输出PWM1的电位从0-5V变化，SP点的电位与PWM1的电位输入到IC1A比较器，一旦P0.5点产生了低电平，单片机记录该PWM的值，根据该PWM的值，来设定输出PWM0的电位，该PWM的值越大，输出PWM1点的电位越高。PWM0点的电位由IC2的第47脚输出PWM波形的占空比来决定输出电位。单片机还可以根据电机转动的速度，调节PWM0点的电位，堵转时电流马上减半，也可以以更小的电流维持堵转，一旦堵转解除，马上恢复到正常的电流。

还可以将SP的电位变化分成两段，一段是电流大小设定区域，一段是刹车强度大小区域，单片机根据两个区域的电位情况输出驱动电流或将电机转动的能量变成电能向电瓶充电，充电电流的大小变化就是刹车强度的变化。

关于电源电压信号、电流取样信号、温度传感器等信号跟上述SP的工作原理相同，电源电压信号可以防止工作在过压和欠压中，电流取样信号值可以提供给仪表显示，温度传感器防止整个电路工作过热的环境中，将上述的电源电压值、电流取样值、温度值和当前速度值通过通讯口送到仪表进行显示。

恒流斩波驱动工作原理，功率驱动电流输出的电流在电阻R58上产生电位，该电位的经L2A运算放大器放大后，输入到比较器IC1B的负输入端，IC1B的正输入端连接PWM0点电位，电机绕组刚通电时，IC1B正输入端电平高于负输入端电平，IC1B输出为高电平，电机绕组通电后，电流很快上升，使IC1B负输入端电平高于正输入端电平，IC1B输出为低电平，单片机迅速关闭功率驱动电路的上桥，绕组的电流逐渐变小，经过适当的延时时间，再开启功率驱动电路的上桥，周而复始，其所产生附图3所示的电流波形。

本发明所产生的电流波形见附图3，与附图2相比，电流I1、I2相同时，具有T2的时间比T1短了很多，有效发挥了电机的潜在功率。

采用上述的电机驱动器安装在电动自行车上，明显发现驱动力矩大，电机噪声小，行驶路程明显变远。

Claims (11)

1、一种无刷直流电机恒流斩波驱动器，包括控制电路，直流供电电路，功率驱动电路，其特征在于控制电路中具有单片机，信号比较电路，所述功率驱动电路中具有电流取样电阻，该取样电阻上产生的电流取样信号与所述信号比较电路的输入端相连接，所述信号比较电路另一输入端连接基准电压，所述单片机控制所述基准电压的升高或降低，所述信号比较电路输出连接到所述单片机，所述单片机输出电机转动信号，该转动信号与所述功率驱动电路连接。

2、根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于所述电流取样电阻的一端经过运算放大器连接到所述信号比较电路。

3、根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于所述单片机产生PWM信号或D/A信号控制所述基准电压的升高或降低，该基准电压在电机运转过程中可以改变。

4、根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于所述单片机输出PWM信号经滤波电路产生锯齿波，该锯齿波与模拟信号连接同一比较器的两输入端，该比较器的输出连接至所述单片机。

5、根据权利要求4所述的驱动电路，其特征在于所述模拟信号之一是调速信号、电源电压信号、电流取样信号、温度传感器信号、制动信号。

6、根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于具有模拟信号输入口，该输入口输入的信号是调速信号或制动信号，或者是该输入口输入的信号既可以作为调速信号又可以作为制动信号，所述调速信号改变驱动电机的转速，所述制动信号改变驱动电机制动的强弱。

7、根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于所述信号比较电路输出信号跳变时，所述单片机控制所述功率驱动电路的开通或关闭。

8、根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于所述电流取样信号与另一基准电压连接到一个比较器的输入端，该比较器的输出端连接所述单片机的复位引脚。

9、一种具有权利要求1-8其中之一的电动车，其特征在于该驱动器应用在电动车辆上。

10、根据权利要求9所述的电动车，其特征在于该驱动电路具有一个数据通讯口，该通讯口将该控制器实时工作的数据发送到仪表显示。

11、根据权利要求9所述的电动车，其特征在于该电动车为电动自行车，所述调速信号或制动信号的传感器安装在车把上，该传感器的信号线连接所述的模拟信号输入口。

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