CN102751926B - 一种车用直流无刷电机的控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种车用直流无刷电机的控制器，包括供电单元、三相半桥驱动单元和三相半桥逆变单元，供电单元通过EMI滤波器与三相半桥逆变单元相连接，还与三相半桥驱动单元相连接；三相半桥驱动单元的PWM驱动信号输入端做为控制器的控制输入端，与外部的PWM驱动信号端相连接；三相半桥驱动单元的PWM驱动信号输出端与三相半桥逆变单元的控制信号输入端相连接，三相半桥逆变单元的输出端做为控制器的输出端，与外部的车用直流无刷电机相的三相相接。本发明提供的一种车用直流无刷电机的控制器，简化了电路设计，减少了器件用量，还增加了适用范围，降低了生产成本，有利于其的广泛推广，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种电机驱动装置，特别是涉及一种适用于车辆中空调鼓风机、发动机冷却风扇、油泵/水泵控制电机的车用直流无刷电机的控制器。
背景技术
对于车辆中各控制系统所用的执行电机，多采用直流电机，能够保证控制系统具有良好的启动、制动性能，并实现大范围内平滑调速，相比直流有刷电机，直流无刷电机无需电刷来换向，而是使用电子控制实现换向的，具有较高的转速-转矩特性、较宽的转速范围、较快的动态响应快、高效节能、使用寿命长、噪音小等特点，而现阶段，直流无刷电机的控制器，电路设计复杂、成本较高，相比直流无刷电机的控制器，直流有刷电机的控制器，设计简单、成本低廉、易于实现，所以，众多的成熟汽车中还多采用有刷直流电机控制器，直流无刷控制器的使用率还非常少，无法得到广泛的推广应用。
由此可见，上述现有的直流无刷电机的控制器在结构与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决直流无刷电机的控制器存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般产品又没有适切的结构能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。
有鉴于上述现有的直流无刷电机的控制器存在的缺陷，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构的车用直流无刷电机的控制器，能够改进一般现有的直流无刷电机的控制器，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。
发明内容
本发明的主要目的在于，克服现有的直流无刷电机的控制器存在的缺陷，而提供一种新型结构的车用直流无刷电机的控制器，所要解决的技术问题是使其简化了电路设计，减少了器件用量，增加了适用范围，有效的降低其的生产成本，具有良好的应用前景，有利于车用直流无刷控制器的广泛推广。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种针对12V或34V以内低压的车用直流无刷电机的控制器，其特征在于：该控制器包括供电单元、三相半桥驱动单元和三相半桥逆变单元，所述供电单元的输出端通过EMI滤波器与所述三相半桥逆变单元的供电输入端相连接，还与三相半桥驱动单元的供电输入端相连接；所述三相半桥驱动单元的PWM驱动信号输入端做为控制器的控制输入端，与外部的PWM驱动信号端相连接；所述三相半桥驱动单元的PWM驱动信号输出端与所述三相半桥逆变单元的控制信号输入端相连接，所述三相半桥逆变单元的输出端做为控制器的输出端，与外部的车用直流无刷电机相连接。
前述的一种车用直流无刷电机的控制器，其特征在于：所述供电单元包括第一电容C1和防反二极管D1，所述供电单元的输入端通过第一电容C1接地，还与防反二极管D1的正极相连接，所述防反二极管D1的负极做为所述供电单元的输出端，所述第一电容C1为安规电容。
前述的一种车用直流无刷电机的控制器，其特征在于：所述EMI滤波器包括差模电感L1、第一支撑电容C2和第二支撑电容C3，所述差模电感L1的一端做为EMI滤波器的输入端与供电单元的输出端口相连接，所述差模电感L1的另一端并联有第一支撑电容C2和第二支撑电容C3，并做为EMI滤波器的输入端与所述三相半桥逆变单元的供电输入端相连接。
前述的一种车用直流无刷电机的控制器，其特征在于：所述三相半桥驱动单元设有六路PWM驱动信号输入端，还包括三路上桥臂驱动电路和三路下桥臂驱动电路，其中三路PWM驱动信号输入端分别通过三路上桥臂驱动电路输出三路上桥臂驱动电路的PWM驱动信号，另三路PWM驱动信号输入端分别通过三路下桥臂驱动电路输出三路下桥臂驱动电路的PWM驱动信号。
前述的一种车用直流无刷电机的控制器，其特征在于：所述三路上桥臂驱动电路为集电极开路门电路，均包括一个上拉电阻、一个第一驱动电阻和一个第一NPN型三极管，所述第一NPN型三极管的基极做为一路PWM驱动信号输入端，所述第一NPN型三极管的集电极通过上拉电阻与所述供电单元的输出端相连接，所述第一NPN型三极管的集电极还通过第一驱动电阻做为上桥臂驱动电路的PWM驱动信号输出端，所述第一NPN型三极管的发射极接地。
前述的一种车用直流无刷电机的控制器，其特征在于：所述三路下桥臂驱动电路为推挽电路，均包括第二驱动电阻和第一PNP型三极管和第二NPN型三极管，所述第一PNP型三极管和第二NPN型三极管基极相连接，做为一路PWM驱动信号输入端；所述第二NPN型三极管的集电极与第一PNP型三极管的集电极相连接，并通过第二驱动电阻做为下桥臂驱动电路的PWM驱动信号输出端，所述第一PNP型三极管的发射极与所述供电单元的输出端相连接，所述第二NPN型三极管的发射极接地。
前述的一种车用直流无刷电机的控制器，其特征在于：所述三相半桥逆变单元与所述三相半桥驱动单元对应，设有六路控制信号输入端，包括三路上桥臂控制电路和三路下桥臂控制电路，其中三路控制信号输入端为三路上桥臂控制电路的输入端与所述三路上桥臂驱动电路的PWM驱动信号输出端相连接，另三路控制信号输入端为三路下桥臂控制电路的输入端与所述三路下桥臂驱动电路的PWM驱动信号输出端相连接，所述三相半桥逆变单元还设有三路输出端与外部的车用直流无刷电机相连接。
前述的一种车用直流无刷电机的控制器，其特征在于：所述三路上桥臂控制电路均包括一个P型功率晶体管，所述P型功率晶体管的栅极与所述三路上桥臂驱动电路的PWM驱动信号输出端相连接，所述P型功率晶体管的漏极与所述供电单元的输出端相连接；所述三路下桥臂控制电路均包括一个N型功率晶体管，所述N型功率晶体管的栅极与所述三路下桥臂驱动电路的PWM驱动信号输出端相连接，所述N型功率晶体管的漏极和栅极之间还设有偏置电阻，所述N型功率晶体管的源极和所述P型功率晶体管的源极共同连接，做为所述三相半桥逆变单元的输出端做为控制器的输出端与外部的车用直流无刷电机相连接。
针对34V以上的高压车用直流无刷电机，电路与12V或34V以内的低压车用直流无刷电机通用，需要增加高速光耦及降压隔离供电来对其进行隔离，
前述的一种车用直流无刷电机的控制器，其特征在于：该控制器还包括供电隔离单元和隔离光耦器，所述供电隔离单元设置在供电单元与EMI滤波器的输入端和三相半桥驱动单元的供电输入端相连接处，所述隔离光耦器设置在三相半桥驱动单元的PWM驱动信号输出端与所述三相半桥逆变单元的控制信号输入端相连接处。
EMI滤波器EMI滤波器EMI滤波器借由上述技术方案，本发明车用直流无刷电机的控制器至少具有下列优点：
1）本发明的供电单元设有防反二极管设计，简化了对控制供电的防反控制，使电路设计简单，还有效的降低了生产成本；
2）本发明的三相半桥逆变单元的上桥臂控制电路采用PNP型功率晶体管或P沟道MOS管，下桥臂控制电路采用NPN型功率晶体管或N沟道MOS管，产生外部的车用直流无刷电机用的控制信号，且上、下桥臂驱动电路全部供地，上桥臂驱动电路采用OC门电路来驱动；下桥臂驱动电路采用推挽电路来驱动，并能够根据驱动电阻阻值的选取原则根据功率管或者MOS管的具体型号及实际功率管的开关频率进行电路设计，满足不同的直流无刷电机的开通或关断速度要求；
3）本发明不仅满足12V或34V以内的低压车用直流无刷电机的驱动控制应用，还提供了针对34V以上更高的高压直流无刷电机的驱动控制应用，适用范围大，具有良好的应用前景。
综上所述，本发明特殊结构的车用直流无刷电机的控制器，简化了电路设计，减少了器件用量，增加了适用范围，有效的降低其的生产成本。其具有上述诸多的优点及实用价值，并在同类产品中未见有类似的结构设计公开发表或使用而确属创新，其不论在结构上或功能上皆有较大的改进，在技术上有较大的进步，并产生了好用及实用的效果，且较现有的直流无刷电机的控制器具有增进的多项功效，从而更加适于实用，而具有产业的广泛利用价值，诚为一新颖、进步、实用的新设计。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
图1是本发明的适用于低压车用直流无刷电机的控制器的系统框图。
图2是本发明的适用于低压车用直流无刷电机的控制器的电路图。
图3是本发明的适用于高压车用直流无刷电机的控制器的系统框图。
图4是本发明的适用于高压车用直流无刷电机的控制器的电路图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的车用直流无刷电机的控制器其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
如图1所示，针对12V或34V以内的低压车用直流无刷电机的控制器，包括供电单元、三相半桥驱动单元和三相半桥逆变单元，供电单元用于给该控制器的其它单元提供工作供电，三相半桥驱动单元用于外接控制车用直流无刷电机的PWM驱动信号，并将PWM驱动信号传送给三相半桥逆变单元，三相半桥逆变单元用于输出控制信号来控制车用直流无刷电机的转动，供电单元的输出端通过EMI滤波器与三相半桥逆变单元的供电输入端相连接，还与三相半桥驱动单元的供电输入端相连接，EMI滤波器用于滤除输入供电的各种干扰信号，保证给三相半桥逆变单元输入供电的稳定性；三相半桥驱动单元的PWM驱动信号输入端做为控制器的控制输入端，与外部的PWM驱动信号端相连接；所述三相半桥驱动单元的PWM驱动信号输出端与所述三相半桥逆变单元的控制信号输入端相连接，所述三相半桥逆变单元的输出端做为控制器的输出端，与外部的车用直流无刷电机相连接，这里的车用直流无刷电机的控制器控制12V或34V以内的直流无刷电机，采用三相半桥逆变单元和三相半桥驱动单元共地，无需增加隔离电路设计，简化了电路设计，降低产品成本，产品体积小，满足车用直流无刷电机控制器对体积的要求。
如图2所示，所述供电单元包括第一电容C1和防反二极管D1，所述供电单元的输入端通过第一电容C1接地，还与防反二极管D1的正极相连接，防反二极管D1的负极做为所述供电单元的输出端，防反二极管D1用于用来当供电供电Vbat正负接反时，保护其它电路不受到损坏，其中第一电容C1为X型的安规电容。
所述EMI滤波器包括差模电感L1、第一支撑电容C2和第二支撑电容C3，所述差模电感L1的一端做为EMI滤波器的输入端与供电单元的输出端口相连接，所述差模电感L1的另一端并联有第一支撑电容C2和第二支撑电容C3，并做为EMI滤波器的输入端与所述三相半桥逆变单元的供电输入端相连接。
所述三相半桥驱动单元设有六路PWM驱动信号输入端，由于车用直流无刷电机为三相控制，因此设置有六路PWM驱动信号输入端、三路上桥臂驱动电路和三路下桥臂驱动电路，其中三路PWM驱动信号输入端分别通过三路上桥臂驱动电路输出三路上桥臂驱动电路的PWM驱动信号，另三路PWM驱动信号输入端分别通过三路下桥臂驱动电路输出三路下桥臂驱动电路的PWM驱动信号，采用三路上桥臂驱动电路和三路下桥臂驱动电路进行路PWM驱动信号的驱动，驱动电路设计简单，容易实现，且安全可靠性高。
所述三路上桥臂驱动电路为集电极开路门电路，三路上桥臂驱动电路的电路设计均相同，这里以一路上桥臂驱动电路为例，包括一个上拉电阻R5、一个第一驱动电阻R11和一个第一NPN型三极管Q4，第一NPN型三极管Q4的基极一路上桥臂驱动电路的PWM驱动信号输入端PWMAT，第一NPN型三极管Q4的集电极通过上拉电阻R5与供电单元的输出端相连接，第一NPN型三极管Q4的集电极还通过第一驱动电阻R11做为上桥臂驱动电路的PWM驱动信号输出端AT，第一NPN型三极管Q4的发射极接地，其中，第一驱动电阻R11的阻值决定了设置在三相半桥逆变单元中的对应路MOS管的开通速度，阻值越小，开通速度越快，上拉电阻R5与第一驱动电阻R11共同决定了设置在三相半桥逆变单元中的对应路MOS管的关断速度，阻值总和越小，关断速度越快，这里的电阻阻值的选取原则根据选择的MOS管的具体型号及实际功率管的开关频率来设计选取，设计简单，容易实现，其它的两路上桥臂驱动电路的设计相同，这里就不做重复复述。
所述三路下桥臂驱动电路为推免电路，三路下桥臂驱动电路的电路设计均相同，这里以一路下桥臂驱动电路为例，包括第二驱动电阻R8和第一PNP型三极管Q1和第二NPN型三极管Q7，第一PNP型三极管Q1和第二NPN型三极管Q7基极相连接，做为此路下桥臂驱动电路的PWM驱动信号输入端PWMAB，第二NPN型三极管Q7的集电极与第一PNP型三极管Q1的集电极相连接，并通过第二驱动电阻R8做为此路下桥臂驱动电路的PWM驱动信号输出端AB，第一PNP型三极管Q1的发射极与供电单元的输出端相连接，第二NPN型三极管Q7的发射极接地，其中第二驱动电阻R8作用与第一驱动电阻R8一样，阻值决定了设置在三相半桥逆变单元中的对应路MOS管的开通速度，阻值越小，开通速度越快，其它的两路下桥臂驱动电路的设计相同，这里就不做重复复述。
所述三相半桥逆变单元与所述三相半桥驱动单元对应，设有六路控制信号输入端，包括三路上桥臂控制电路和三路下桥臂控制电路，其中三路控制信号输入端为三路上桥臂控制电路的输入端与所述三路上桥臂驱动电路的PWM驱动信号输出端相连接，另三路控制信号输入端为三路下桥臂控制电路的输入端与所述三路下桥臂驱动电路的PWM驱动信号输出端相连接，所述三相半桥逆变单元还设有三路输出端与外部的车用直流无刷电机相连接。
所述三路上桥臂控制电路的电路设计均相同，这里以一路上桥臂控制电路为例，包括一个P型功率晶体管T1（这里也可选P沟道MOS管或者P沟道结型管），P型功率晶体管T1的栅极与对应的上桥臂驱动电路的PWM驱动信号输出端AT相连接，P型功率晶体管T1的漏极与供电单元的输出端相连接，三路下桥臂控制电路设计均相同，这里以一路下桥臂控制电路为例，包括一个N型功率晶体管T4（这里也可选N沟道MOS管或者N沟道结型管），N型功率晶体管T4的栅极与对应的下桥臂驱动电路的PWM驱动信号输出端AB相连接，N型功率晶体管T4的漏极和栅极之间还设有偏置电阻R1，N型功率晶体管T4的源极和P型功率晶体管T1的源极共同连接，做为所述三相半桥逆变单元的控制信号输出端做为控制器的一路控制输出端与外部的车用直流无刷电机相连接的A相控制端相连接，其它的B、C两相外部的车用直流无刷电机的两路控制输出端，与上述的A相控制端的电路设计相同，这里就不做重复复述。
如图3所示，为了解决上述技术问题，针对34V以上的高压车用直流无刷电机，电路与12V或34V以内的低压车用直流无刷电机通用，需要增加高速光耦及降压隔离供电来对其进行隔离，解决方案如下： 该控制器还包括供电隔离单元和隔离光耦器，所述供电隔离单元设置在供电单元与EMI滤波器的输入端和三相半桥驱动单元的供电输入端相连接处，所述隔离光耦器设置在三相半桥驱动单元的PWM驱动信号输出端与所述三相半桥逆变单元的控制信号输入端相连接处。
如图4所示，仅附有三相半桥驱动单元中的三路上桥臂驱动电路，三路下桥臂驱动电路电路设计相类似设计，所述供电隔离单元为隔离供电，位于EMI滤波器的前端，隔离光耦器为高速隔离光耦器，以一路驱动电路为例，高速隔离光耦器U1A设置三相半桥驱动单元的PWM驱动信号输出端与三相半桥逆变单元的控制信号输入端之间，能够使PWM驱动信号端PWMAT与控制信号输出端AT两端隔离，减少两组信号间的干扰，保证34V以上的高压车用直流无刷电机的运作的可靠性。
上述如此结构构成的本发明车用直流无刷电机的控制器的技术创新，对于现今同行业的技术人员来说均具有许多可取之处，而确实具有技术进步性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (6)
1.一种车用直流无刷电机的控制器，该控制器包括供电单元、三相半桥驱动单元和三相半桥逆变单元，所述供电单元的输出端通过EMI滤波器与所述三相半桥逆变单元的供电输入端相连接，还与三相半桥驱动单元的供电输入端相连接；其特征在于：所述三相半桥驱动单元的PWM驱动信号输入端做为控制器的控制输入端，与外部的PWM驱动信号端相连接；所述三相半桥驱动单元的PWM驱动信号输出端与所述三相半桥逆变单元的控制信号输入端相连接，所述三相半桥逆变单元的输出端做为控制器的输出端，与外部的车用直流无刷电机的三相相连接；
所述供电单元包括第一电容C1和防反二极管D1，所述供电单元的输入端通过第一电容C1接地，还与防反二极管D1的正极相连接，所述防反二极管D1的负极做为所述供电单元的输出端，所述第一电容C1为安规电容；
所述EMI滤波器包括差模电感L1、第一支撑电容C2和第二支撑电容C3，所述差模电感L1的一端做为EMI滤波器的输入端与供电单元的输出端口相连接，所述差模电感L1的另一端并联有第一支撑电容C2和第二支撑电容C3，并做为EMI滤波器的输入端与所述三相半桥逆变单元的供电输入端相连接；
所述三相半桥驱动单元设有六路PWM驱动信号输入端，还包括三路上桥臂驱动电路和三路下桥臂驱动电路，其中三路PWM驱动信号输入端分别通过三路上桥臂驱动电路输出三路上桥臂驱动电路的PWM驱动信号，另三路PWM驱动信号输入端分别通过三路下桥臂驱动电路输出三路下桥臂驱动电路的PWM驱动信号。
2.根据权利要求1所述的一种车用直流无刷电机的控制器，其特征在于：所述三路上桥臂驱动电路为集电极开路门电路，均包括一个上拉电阻、一个第一驱动电阻和一个第一NPN型三极管，所述第一NPN型三极管的基极做为一路PWM驱动信号输入端，所述第一NPN型三极管的集电极通过上拉电阻与所述供电单元的输出端相连接，所述第一NPN型三极管的集电极还通过第一驱动电阻做为上桥臂驱动电路的PWM驱动信号输出端，所述第一NPN型三极管的发射极接地。
3.根据权利要求1所述的一种车用直流无刷电机的控制器，其特征在于：所述三路下桥臂驱动电路为推挽电路，均包括第二驱动电阻和第一PNP型三极管和第二NPN型三极管，所述第一PNP型三极管和第二NPN型三极管基极相连接，做为一路PWM驱动信号输入端；所述第二NPN型三极管的集电极与第一PNP型三极管的集电极相连接，并通过第二驱动电阻做为下桥臂驱动电路的PWM驱动信号输出端，所述第一PNP型三极管的发射极与所述供电单元的输出端相连接，所述第二NPN型三极管的发射极接地。
4.根据权利要求1所述的一种车用直流无刷电机的控制器，其特征在于：所述三相半桥逆变单元与所述三相半桥驱动单元对应，设有六路控制信号输入端，包括三路上桥臂控制电路和三路下桥臂控制电路，其中三路控制信号输入端为三路上桥臂控制电路的输入端与所述三路上桥臂驱动电路的PWM驱动信号输出端相连接，另三路控制信号输入端为三路下桥臂控制电路的输入端与所述三路下桥臂驱动电路的PWM驱动信号输出端相连接，所述三相半桥逆变单元还设有三路输出端与外部的车用直流无刷电机的三相相连接。
5.根据权利要求4所述的一种车用直流无刷电机的控制器，其特征在于：所述三路上桥臂控制电路均包括一个P型功率晶体管，所述P型功率晶体管的栅极与所述三路上桥臂驱动电路的PWM驱动信号输出端相连接，所述P型功率晶体管的漏极与所述供电单元的输出端相连接；所述三路下桥臂控制电路均包括一个N型功率晶体管，所述N型功率晶体管的栅极与所述三路下桥臂驱动电路的PWM驱动信号输出端相连接，所述N型功率晶体管的漏极和栅极之间还设有偏置电阻，所述N型功率晶体管的源极和所述P型功率晶体管的源极共同连接，所述三相半桥逆变单元的输出端做为控制器的输出端与外部的车用直流无刷电机相连接。
6.根据权利要求1所述的一种车用直流无刷电机的控制器，其特征在于：该控制器还包括供电隔离单元和EMI滤波器隔离光耦器，所述供电隔离单元设置在供电单元与EMI滤波器的输入端和三相半桥驱动单元的供电输入端相连接处，EMI滤波器所述隔离光耦器设置在三相半桥驱动单元的PWM驱动信号输出端与所述三相半桥逆变单元的控制信号输入端相连接处。
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