CN103715952B - 基于六mos管功率模块开放式直流无刷电机控制器 - Google Patents

Abstract

革新过时的大功率MOS管单模块驱动的封闭式直流无刷电机控制器的设计理念，摒除直流无刷电机控制器负载的不完全对称性、PWM瞬间驱动状态和电路布局不合理性，利用带斩波功能的，由六个大功率MOS管组成的单模块为单元，可以根据实际需要灵活搭配，组成开放式的直流无刷电机控制器，实现驱动模块和控制模块的分离，模块与模块之间以开放式的结构与控制底板组合，构成大功率的直流无刷电机控制器。通过控制底板协调各个单模块与外围电路的工作模式，使直流无刷电机控制器的搭建更加灵活，既可以单个模块和底板配套使用，又可以多个模块与控制底板组合使用，既适用小功率的直流无刷电机的使用，比如电动自行车、电动三轮车直流无刷电机控制器，又适用大功率的直流无刷电机的使用，比如电动汽车直流无刷电机控制器。

Description

基于六MOS管功率模块开放式直流无刷电机控制器

所属技术领域

本技术发明是关于电动自行车、电动摩托车、电动三轮车和电动汽车带霍尔传感器双闭环直流无刷电机控制系统，尤其适合大力矩、大功率和大加速度的电动汽车动力驱动系统。

背景技术

在环境污染压力之下，绿色交通成为人们出行、旅行、运输等工具的主旋律，为了适应这种生活环境的变化，电动交通工具成为人们理想的选择。由于直流无刷电机驱动力矩大，可控性以及调速性能好，而且非常适合以动力电池作为电源来驱动，所以直流无刷电机成为电动交通工具的核心部件，直流无刷电机控制系统的稳定性、可靠性、实用性，关键在于直流无刷电机控制器如何对直流无刷电机进行控制，所以直流无刷电机控制器是直流无刷电机系统的心脏，现在的直流无刷电机控制器基本上是以驱动小功率电机的独立模块为主，特别在电动汽车直流无刷电机驱动器方面还不成熟，主要表现在所采用的技术老旧、结构简单、驱动功率小等特点。

在已经公布的专利文献中，所谓的大功率直流无刷电机控制器都没有谈到基于六MOS管功率模块开放式的结构，例如，2011年6月1日由中华人民共和国授权的专利号为201020599702.3名称为《电动自行车控制器的大功率MOS管驱动装置》仅仅是谈到采用怎样的电路来触发大功率MOS管，使大功率MOS管响应速度快、损耗小的问题，相对于数千瓦的大功率直流无刷电机来说，小小的几只大功率MOS管的驱动能力仅仅是螳臂当车，对大功率直流无刷电机的驱动能力是远远不够的。2012年1月18日由中华人民共和国授权的专利号为201120503846.9名称为《电动自行车控制器的驱动电路》谈到了怎样扩大控制器的功率模块，但是它采取的方式是采用专用的驱动芯片驱动多个MOS管，多个MOS管的驱动方式是单模块方式，那么在直流无刷电机控制器的功率模块中，上桥臂和下桥臂的MOS管分布的数量就不止一个，对MOS管的斩波驱动中，对每个MOS管的响应时间不对等，每个MOS管所承担的负载不对称，在负载分布不对称的功率模块中个别MOS管的损害大，造成整个直流无刷电机控制器性能不稳定。2012年7月11日由中华人民共和国授权的专利号为201120503846.9名称为《一种大功率电动汽车控制器》只是谈到将一个电动汽车控制器的功能模块化管理，仅仅是从功能上进行分块，方便对各个功能的智能化管理，没有在怎样扩大驱动功率上进行阐述，没有跳出整个直流无刷电机控制器单模块的控制模式，依旧采用六个大功率MOS管单模块进行驱动，驱动电流也就在20-30安培左右，这么小的电流驱动大功率直流无刷电机是很困难的。上述三个专利中，直流无刷电机控制器都是封闭的整体结构，没有形成模块化结构，驱动功率小，无功率扩展性。上述三个专利中，没有对直流无刷电机控制器负载的对称分布，PWM瞬间驱动状态和电路合理布局做深入的研究和探讨。由于MOS管的驱动功率是一定的，直流无刷电机对MOS管耐压要求也是确定的，那么MOS管的驱动电流就被限制在一定范围内，随着直流无刷电机对直流无刷电机控制器的要求越来越高，那么基于六MOS管功率模块的开放式直流无刷电机控制器一定是将来发展的必然趋势。

发明内容

本技术发明的目的是为了革新过时的大功率MOS管单模块驱动的封闭式直流无刷电机控制器的设计理念，摒除直流无刷电机控制器负载的不完全对称性、PWM瞬间驱动状态和电路布局不合理性，利用带斩波功能的，由六个大功率MOS管组成的单模块为单元，可以根据实际需要灵活搭配，组成开放式的直流无刷电机控制器，实现驱动模块和控制模块的分离，模块与模块之间以开放式的结构与控制底板组合，构成大功率的直流无刷电机控制器。通过控制底板协调各个单模块与外围电路的工作模式，使直流无刷电机控制器的搭建更加灵活，既可以单个模块和底板配套使用，又可以多个模块与控制底板组合使用，既适用小功率的直流无刷电机的使用，比如电动自行车、电动三轮车直流无刷电机控制器，又适用大功率的直流无刷电机的使用，比如电动汽车直流无刷电机控制器。采用将电源的正、负极布置在电路板同一层的错开位置，不能上下位置的对称布置，避免直流无刷电机控制器工作时，通过的大电流产生寄生电容和寄生电感，造成直流无刷电机工作电流大起大落，对动力电池和直流无刷电机造成伤害。

本技术发明的技术实现方案为：通过对直流无刷电机控制器整体功能进行分块，通过软、硬件的合理搭配，对直流无刷电机的大电流、大力矩、大功率的要求进行宏观计算，将数字电路和模拟电路进行严格的分离，控制电路和驱动电路进行严格的分离，所有带斩波功能的六管功率模块进行严格分离，各个六管驱动功率六MOS管功率模块的触发电路和主板控制模块之间进行严格分离，六管驱动功率六MOS管功率模块由六路大功率MOS管、六路MOS管的触发电路、一个斩波电路、一个带短路保护功能和电压取样的保险丝(FUSE)和两个滤波电解电容和两个高压贴片小电容组成，由于六个大功率MOS管和六个大功率MOS管的触发电路是模拟电路，斩波电路包括电流放大电路和电流限流电路组成，它们是数字电路，模拟电路和数字电路应该分区域集中布置，数字地(DGND)和模拟地(AGND)通过保险丝(FUSE)连接，由于保险丝(FUSE)由电阻率高、熔点低的银铜合金制成，既起到过流电压取样，又起到短路保护的作用。模拟部分和数字部分都要采用贴片工艺，减少寄生电容和寄生电感，数字地(DGND)和模拟地(AGND)集中在一个面上，起到增大导电面积的作用。模拟部分电源的正极布置在线路板的两个面上，起到增大导电电流，六个大功率MOS管和它们的触发电路的电路板都需要开天窗，开天窗部分需要加厚锡膏，起到加大导电电流的作用，这样大大简化了直流无刷电机控制器电路板的结构，增加了控制器的稳定性，降低了控制器的成本。下面从直流无刷电机控制器的软、硬件两个方面进行阐述。

软件部分由控制主程序、刹车中断服务程序、电池欠压处理子程序、堵转保护处理子程序、传感器采样处理子程序组成、速度环电流环组成的双闭环控制系统，主要以流程图在说明书附图中进行详细讲解。

硬件部分主要从六MOS管功率模块、输入输出(I/O)模块、通讯模块、电源转换器模块、直流无刷电机控制器底板，五个方面进行详细阐述：

六MOS管功率模块主要从大功率MOS管的选择、三组驱动半桥、六路MOS管触发电路、斩波电路四个方面进行详细阐述：

1、大功率MOS管的选择：考虑到直流无刷电机启动和停止时候的大电动势和反电动势的影响，MOS管的耐压一般选择在高于直流无刷电机额定电压的1.5倍到2倍左右，考虑到直流无刷电机启动电流大于直流无刷电机稳定工作的电流，以及参考直流无刷电机的额定功率，可以根据下面的计算公式来选择MOS管的数量。

直流无刷电机电流放大系数(K)＝直流无刷电机的启动电流÷直流无刷电机额定电流

驱动功率模块数＝(K×直流无刷电机的额定电流)÷单只MOS管的工作电流

MOS管的数量＝驱动功率模块数×6

其中，直流无刷电机电流放大系数(K)要根据直流无刷电机的制造工艺来决定。

2、三组驱动半桥：六个MOS管中每两个MOS管组成一个半桥式电路，每个小驱动模块由六个MOS管组成三组半桥式电路，分别负责直流无刷电机的U相、V相、W相的驱动，每组半桥式电路分为上桥臂和下桥臂，根据上桥臂MOS的触发电路和所接受的电压来看，上桥臂的MOS管的耐压应该高于下桥臂的耐压。

3、六路MOS管触发电路有两个实现方案：第一个实现方案是使用专用的半桥触发专用芯片，例如日本三菱公司的M63993芯片；第二个实现方案是上桥臂和下桥臂都采用三级放大电路。每个功率六MOS管功率模块由三组上桥臂和下桥臂组成，上桥臂和下桥臂MOS管的触发电路分别采用三个三极管组成，上桥臂MOS管的触发电路采用一个高频的NPN三极管和两个大电流的PNP三极管组成，高频NPN三极管用来响应上桥臂PWM信号，两个大电流的PNP三极管采用推挽式电路结构用15V电压用来驱动上桥臂MOS管，通过自举电容和滤波电阻来保护上桥臂MOS管；下桥臂MOS管的触发电路采用两个大电流的NPN三极管和一个大电流的PNP三极管组成，大电流NPN三极管用来响应下桥臂PWM信号，大电流NPN三极管和大电流PNP三极管组成推挽电路结构用15V电压用来驱动下桥臂MOS管。

4、斩波电路：经过提取模拟地的电流信号进入运算放大器，由放大电路组成电流放大电路和电路比较电路，放大电路通过片上系统的滤波电路和比较电路来控制PWM的电路，电流放大电路的滤波电路的增益值可以设置，电路比较电路可以用来关断半桥式电路的上桥臂，用以保护半桥式电路的MOS管。电流放大电路和电路比较电路组成斩波电路，通过控制MOS管的关断和导通形成的电流脉冲来驱动直流无刷电机。

电源转换器模块主要从高频变压器输入绕组的励磁、高频变压器反馈绕组的输出、高频变压器输出绕组的滤波、输出电压的采样以及开关电源励磁MOS管的PWM驱动信号、三端稳压电路，总体来说包括DC-DC电路和三端稳压电路两个部分：

1、DC-DC电路：电源电路采用反激式直流转换DC-DC电路组成，通过一个大的电解电容和一个小高压贴片电容将输入的动力电池电压进行滤波，避免噪音干扰，然后通过励磁绕组进行励磁，通过PWM集成模块与反馈绕组的配合与TL431进行斩波，在输出绕组中通过整流滤波得到需要的15V直流电压。

2、三端稳压电路：三端稳压电路的输入端经过电容滤波将控制器底板的15V电压转换为5V的电压，该5V电压经过电容滤波后提供给六MOS管功率模块的三极管、放大电路芯片、片上系统等，使它们正常工作。由于斩波电路和三端稳压电路涉及到高频电路，PCB的电路布置应该分开布置，防止干扰。

输入输出(I/O)模块：输入输出(I/O)模块由霍尔信号输入电路、报警信号输出电路、调速电路、速度选择电路、EABS刹车电路、60/120°选择电路、防盗电路等组成。

1、霍尔信号电路主要接收直流无刷电机的霍尔信号，对霍尔信号通过片上系统进行解码，驱动相应的MOS管，每个直流无刷电机控制器只有A、B、C各一路霍尔信号的输入，使各个驱动六MOS管功率模块进行同步，各个六MOS管功率模块输出的信号的频率和振幅是相同的，这样同频率同振幅的信号同时驱动直流无刷电机才有意义。

2、报警信号输出电路主要是用来指示操作人员根据指示信号方便操作，例如，车的左右灯，控制器的过热保护等。

3、调速电路和速度选择电路主要是根据不同的状况选择不同档位的速度，在同一档位速度下调节直流无刷电机的速度。

4、刹车电路(EABS)主要是用来给单片机(CPU)一个刹车信号，高电平和低电平均可，通过不同的转换电路，将高低电平转换成一个确定的低电平信号，用来切断PWM的信号，关断上桥臂的触发信号，达到保护MOS管的目的。

5、防盗电路主要是接收防盗器的一个防盗信号，单片机(CPU)用一个脚位来驱动喇叭报警。

通讯模块包括SMBus电路和CAN BUS电路两个部分。

1、SMBus是动力电池专用的通讯总线，和动力电池进行通信的SMBus电路。

2、CAN BUS电路用来和外围的汽车电子和动力电池通讯，在整个汽车电子中传递通讯信号本技术发明的有益效果可以总结以下十点：

1、功能模块化，实现智能化管理，电源地和模拟地分区布置，MOS管电路和MOS管触发电路为模拟电路，实现模拟地和数字地分区布置，减少寄生电容和寄生电感，隔离噪音，增加系统的抗干扰能力。将驱动电源的正、负电源分开，将正、负电源布置在电路板的错开位置，大大避免寄生电容，防止电源的脉动，稳定驱动电源，增加了控制器的稳定性。

2、将直流无刷电机大功率、大电流、大力矩的要求化繁为简，将复杂的问题简单化，电源层的正极部分在电路板上采用双层布线，MOS管电路和MOS管触发电路的布线层和地层的线路板开天窗、加厚锡膏，增大导电面积，增大导电电流，从而减少外加导电金属片。

3、驱动功率可以扩展，可以自由搭配，搭配灵活，可以适合高低档的搭配，既适合大功率的电动汽车直流无刷电机的驱动，又适合小功率的电动自行车、电动三轮车直流无刷电机的驱动。六MOS管功率模块的可扩展性达到整个控制器的功率可扩展性。

4、斩波电路和开关电源的分区电路分开，由于这两者都是高频电路，分开布置可以减少干扰。

5、采用保险丝(FUSE)替代康铜电阻和大电流的绕线电阻，增加了短路保护功能，降低成本，保险丝(FUSE)在大电流和高温环境下工作，保险丝的电阻值增大，关断电压增大，有效的保护MOS管，增加了其它厂家没有的短路保护功能。

6、由于模拟电路对噪声敏感，电源输入端采用双电容滤波技术和大、小电容联合滤波技术，滤波掉了不同频率的高频噪音，增加系统稳定性。

7、输入电源正、负极错位布置，避免了直流无刷电机控制器工作时产生的寄生电容和寄生电感，保护了直流无刷电机和动力电池，电源输入端和和电源滤波电路分开布置，减少了电源线速的长度，降低成本，模拟地和数字地分开布置，通过保险丝(FUSE)连接，使得控制信号稳定，避免误动作。

8、对PWM驱动信号采用蛇形等长的走线，避免信号延迟，达到各个MOS管驱动信号的同步。

9、电路板采用不低于两盎司(OZ)的覆铜，开天窗，加厚锡膏，增大导电电流，不用外加金属片，简化了控制器的结构，降低了成本。

10、双方约定通讯协议，采用SMBus通讯总线和CAN BUS通讯总线，保护知识产权，实现外围器件实现对它的控制，例如，动力电池组与它的通讯。

附图说明

下面结合附图和实施例对本技术发明作进一步说明

图1是直流无刷电机控制器结构布局图。

图2是六MOS管功率模块的结构图。

图3是各个六MOS管功率模块与直流无刷电机的U、V、W三端的接线图。

图4是六MOS管功率模块PCB布局图。

图5是直流无刷电机控制器底板的结构布局图。

图6是六MOS管功率模块上的斩波电路。

图7是电源转换器原理图。

图8是主程序流程图。

图9是刹车中断服务程序。

图10是电池欠压处理程序。

图11是电机堵转处理程序。

图12是霍尔传感器采样解码电机驱动程序。

图13是电流、速度双闭环控制系统。

具体实施方式

图1是从直流无刷电机控制器的整体布局分开，主要分为驱动六MOS管功率模块；图2是六MOS管功率模块的整体布局，采用严格数字电路和模拟电路分离，控制电路和驱动电路分离，各个六管驱动模块之间的分离，各个六管驱动模块与主板控制模块之间的分离。六管驱动模块由六管MOS管以及六根管的触发电路，六管和六管的触发电路是模拟电路，电流放大电路，电流限流电路和片上系统MCU组成数字控制电路，模拟电路和数字电路分区域分开，分开部分通过保险丝(FUSE)连接，起到过流电压取样，又可以起到短路保护作用。模拟部分和数字部分都要采用贴片工艺，减少寄生电容和寄生电感，数字地和模拟地集中在同一个底面上，底面起到大电流导电面积，模拟部分开窗部分加锡膏，刷上一层厚厚的锡膏，大大加大导电电流。上桥臂的MOS管的触发电路由三个三极管组成，第一个高频的NPN三极管用来接收PWM信号，比如BFS20，第二个大电流的PNP三极管，比如SS8550，第二个三极管的基极与第一个三极管的发射极相连，用来响应PWM信号，第二个三极管的发射极用来接入15V的电压，大电流MOS管的栅极驱动采用的电压是十五伏，采用开关二级管例如IN4148吸收高频杂波，保护大功率MOS管。电源地和模拟地分区布置，MOS管驱动电路为模拟地，其他电路为电源地，减少寄生电容和电感，抗干扰，隔离噪音。电源层正极开窗部分、UVW三相电路板开窗部分、模拟地开窗部分需要加锡膏，加大导电面积，增大导电电流，减少外加金属片。采用保险丝替代康铜导线或大功率绕线电阻，由于保险丝(FUSE)电阻率大，熔点低，在大电流工作或高温环境工作，保险丝的电阻加大，关断电压加大，保护MOS管，增加短路保护的功能。模拟电路对噪声敏感，电源输入端采用大电容和小电容去除高频噪音，噪声小。动力电池正极和负极分开，避免寄生电容和寄生电感，电源线靠近右侧，减少电源线的长度，电源地严格处于同一电源地，控制信号稳定，避免误动作。对PWM信号采用等长的蛇形走线，避免信号延迟。电路板采用不低于两盎司(OZ)的敷铜，增大导电电流，不用外加金属片。在图5中采用SMBus和CAN BUS总线，双方约定通讯协议，保护知识产权。

Claims (4)

1.一种适合电动自行车、电动摩托车、电动三轮车和电动汽车的基于六MOS管大功率模块为单元的开放式直流无刷电机控制器，其特征是：包括直流无刷电机控制器底板和六MOS管功率模块，所述的六MOS管功率模块包含三组上桥臂和下桥臂，上桥臂与下桥臂之间的节点分别并联到直流无刷电机的U、V、W三端上，所述的六MOS管功率模块与直流无刷电机控制器底板进行电气连接和通讯连接，所述的六MOS管功率模块的数量根据直流无刷电机的功率大小以及启动电流大小决定，其中，k代表直流无刷电机电流放大系数、n代表六MOS管功率模块数量；k＝直流无刷电机的启动电流÷直流无刷电机额定电流；n＝(k×直流无刷电机的额定电流)÷单只MOS管的工作电流；所述的直流无刷电机驱动控制器底板包括六MOS管功率模块控制信号、防盗电路、60/120°选择电路、调速电路、速度选择电路、EABS刹车电路、霍尔信号输入电路、电源转换器、电容组合、SMBUS电路、CAN BUS电路、单片机系统、报警信号输出电路和散热风扇，其中，霍尔信号输入电路、报警信号输出电路、调速电路、速度选择电路、EABS刹车电路、60/120°选择电路和防盗电路属于输入输出(I/O)模块；SMBUS电路和CAN BUS电路属于通讯模块。

2.根据权利要求1所述的基于六MOS管大功率模块为单元的开放式直流无刷电机控制器，其特征是：所述的六MOS管功率模块包括六路大功率MOS管、六路大功率MOS管的触发电路、一个斩波电路、一个短路保护电路、一个稳压电路、两个滤波电解电容和两个高压贴片小电容，其中，六个大功率MOS管和六个大功率MOS管的触发电路属于模拟电路，斩波电路属于数字电路，斩波电路由电流放大电路和电流比较电路组成，数字电路和模拟电路通过保险丝(FUSE)连接，通过数字地(DGND)与模拟地(AGND)的隔离区进行隔离。

3.根据权利要求2所述的基于六MOS管大功率模块为单元的开放式直流无刷电机控制器，其特征是：所述的六路大功率MOS管的触发电路有两个实现方案：第一个实现方案是使用专用的半桥触发专用芯片；第二个实现方案是上桥臂和下桥臂都采用三级放大电路，每个六MOS管功率模块由三组上桥臂和三组下桥臂组成，一组上桥臂和一组下桥臂组成驱动半桥电路，上桥臂和下桥臂MOS管的触发电路分别采用三个三极管组成，上桥臂的第一个高频的NPN三极管用来接收PWM信号，第二个是大电流的PNP三极管，第二个三极管的基极与第一个三极管的发射极相连，用来响应PWM信号，第二个三极管的发射极用来接入15V的电压，大电流MOS管的栅极驱动采用的电压是十五伏，采用开关二级管吸收高频杂波，保护大功率MOS管；下桥臂MOS管的触发电路采用两个大电流的NPN三极管和一个大电流的PNP三极管组成，大电流NPN三极管用来响应下桥臂PWM信号，大电流NPN三极管和大电流PNP三极管组成推挽电路结构，用15V电压用来驱动下桥臂MOS管。

4.根据权利要求2所述的基于六MOS管大功率模块为单元的开放式直流无刷电机控制器，其特征是：所述的六MOS管功率模块的模拟地(AGND)包括U相PCB覆铜、V相PCB覆铜、W相PCB覆铜、触发电路PCB覆铜、三端稳压PCB覆铜、短路保护电路覆铜；所述的六MOS管功率模块的数字地(DGND)包括单片机系统电路覆铜、电流放大和电流比较电路的覆铜，其中，单片机系统电路敷铜包括斩波控制电路敷铜、调速控制电路敷铜、MOS管触发控制电路敷铜，数字地(DGND)和模拟地(AGND)通过数字地与模拟地的隔离区严格分开布局，两者之间通过保险丝进行连接。