CN104038113A - 一种电动车用无刷直流电机控制器及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电动车用无刷直流电机控制器及方法，所述电机控制器包括控制板和驱动板，所述驱动板由三个结构相同的子驱动板构成。所述方法根据控制板输出的控制信号控制功率管的通断，进而实现对电机速度和转矩的控制。控制板与驱动板之间通过大电流的金属连接器和排针/排母进行连接。本发明不仅增强了电机控制器的抗干扰能力和稳定性，也提高了控制器模块的可替换性。并且在电机控制器上有显示信号的低功耗LED电路，本发明提高了电机控制器的检修效率，并使电机控制器具有使用稳定性高，寿命长，维修成本低的特点。

Description

一种电动车用无刷直流电机控制器及方法
技术领域
本发明涉及一种电动车用无刷直流电机控制器及方法，属于电动车无刷直流电机的控制及驱动技术领域。
背景技术
随着能源危机的加剧和环境问题的日益突出，新型环保节能电动车的研发成为汽车工业发展的新方向。无刷直流电机(BLDCM)以其控制简单、可靠，寿命长，效率和能量密度高等特点，广泛作为电动车的驱动电机。无刷直流电机控制器是电动车的重要组成部分，即可以单独作为电动车运行的控制器，也可以作为整车控制单元的一部分参与对电动车的控制。而性能优良的BLDCM控制器硬件结构及控制算法可以提高电动车的整车性能，因此目前针对电动车用BLDCM控制器的研发成为电动车领域中的主要方向之一。
而根据电动车的发展方向，低压大功率是电动车未来发展方向之一。现有的电动车控制器主要有微控制器(单片机、DSP)、MOS管以及电阻、电容、晶体管等分立元器件组成。这导致电路板的元器件较多，电路复杂，成本昂贵，电磁兼容性及稳定性差。按控制器功能划分为控制模块和驱动模块，现有的电动车控制器电路板的布局方式多采用将这两个模块设计在一块电路板上，也有少数将控制模块与驱动模块设计在两个电路板上，两者通过金属连接器进行连接。但是这两种布局都存在着模块可替换性较差的问题，增加了控制器的维修成本；模块的再利用率低也造成了一种资源的浪费。
发明内容
发明目的：为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供了一种结构简单，元器件少，稳定性高，模块化程度高，可替换性强，成本低廉的电动车用无刷直流电机控制器及方法。
技术方案：本发明一种电动车用无刷直流电机控制器，包括控制板和驱动板，控制板包括微控制器、刹车电路、前进/后退电路、过温保护电路、稳压电路、逻辑保护电路、调速电路、霍尔信号检测电路、电机母线电流检测电路和电机过流保护电路、电池电压检测电路、 第一至第六大电流金属连接器、第一至第三非大电流连接器，所述驱动板由三个结构相同的子驱动板构成；其中刹车电路、前进/后退电路、过温保护电路、稳压电路、逻辑保护电路、调速电路、霍尔信号检测电路、电机母线电流检测电路和电机过流保护电路和电池电压检测电路分别与微控制器电连接，第四大电流金属连接器依次串接第五大电流金属连接器、第六大电流金属连接器后与电池电压检测电路连接，第一大电流金属连接器依次串接第二大电流金属连接器、第三大电流金属连接器后与电机母线电流检测电路和电机过流保护电路连接，逻辑保护电路分别通过第一至第三非大电流连接器与三个子驱动板连接。
上述所述的子驱动板的任一个对应着所述无刷直流电机任意相的驱动电路，，每个子驱动板包括第一至第二功率管第七至第八大电流金属连接器、第一至第二吸收电路、功率驱动电路和第四非大电流连接器，其中第七大电流金属连接器依次连接第一至功率管、第一吸收电路，第八大电流金属连接器依次连接第二至功率管、第二吸收电路，功率驱动电路分别与第一至第二功率管、第四非大电流连接器连接。
所述的电机控制器为上下两层结构，上层为三块水平并且并排的子驱动板，下层为控制板。
本发明的一种电动车用无刷直流电机控制器的控制方法如下：
在所述电机控制器完成初始化之后，由过温保护电路、电机母线电流检测电路和电机过流保护电路和电池电压检测电路完成对电机控制器的自检；在满足启动要求之后，微控制器根据通过调速电路采样得到给定的转速值、通过电机母线电流检测电路和电机过流保护电路采样得到的电机母线电流值，得到给定的PWM信号；然后微控制器根据由霍尔信号检测电路检测到的所述电机位置信号，输出相应的三相PWM信号；所述给定的PWM信号与三相PWM信号经逻辑保护电路的逻辑互锁保护之后，分别通过第一至第三非大电流连接器传输至三个子驱动板，进而实现对电机转速、转矩的控制。
所述的逻辑保护电路前端与微控制器最小系统电路相连，后端与排针/排母相连，该电路的作用是对逆变电路同相的上下桥进行硬件上的逻辑互锁，防止逆变电路同相的上下桥功率管同时导通，造成系统短路。
所述的霍尔信号检测电路前端与外部的电机霍尔传感器信号线连接，后端与微控制器连接；该电路用于对电机位置信号进行采样。
所述的稳压电路与外部车灯电源(12V)连接，为控制器的控制电路提供标准电压。
所述的调速电路的输入端与外部的调速转把(油门)连接，输出端与微控制器连接。
所述的电池电压检测电路的前端与蓄电池连接，后端与微控制器连接，用以对需蓄电池 电压进行采样，防止蓄电池工作在欠压，过压状态。
所述的电机电流检测电路前端通过康铜丝与电机母线连接，后端与微控制器和电机过流保护电路连接。该电路实现对电机母线电流的采样、放大、滤波等处理。
所述的过流保护电路输入端与电机电流检测电路连接，后端与微控制器和排针/排母连接。当检测到电机过流时，向微控制器发出电平变化信号，同时通过排针/排母向驱动板上的功率驱动电路发出输出禁止信号，以快速关断功率管，实现可靠保护系统的目的。
所述的信号显示电路为低功耗的LED电路组成，主要显示PWM信号，霍尔信号、过流，过温信号等控制信号，显示电路将控制器主要控制信号变得可视化，方便了控制器的检修。
所述的逆变电路与外部蓄电池、电机的驱动相线和驱动板上的功率驱动电路，吸收电路连接，起到对电机速度、转矩的控制。
所述的吸收电路作为驱动电路的辅助电路，起到降低电机电压、电流尖峰脉冲的作用。
所述的功率驱动电路输出端与逆变电路连接，输出端通过排针/排母与逻辑保护电路和过流、过温保护电路连接。起到控制功率管通断的作用。
经过上述设计改进后，利用微控制器庞大的集成功能，降低了控制器电路的复杂度，提高了控制器的稳定性；合理的模块化设计方便了控制器的维修及控制器模块的再利用率；设计成本低廉，降低了资源的浪费。
附图说明
图1为本发明的控制器控制电路板结构原理图；
图2为本发明的控制器驱动电路板原理图。
具体实施方式
下面结合附图，进一步阐述本发明。
本发明的控制电路板结构图如图1所示，包括微控制器1、刹车电路2、前进/后退电路3、过温保护电路4、稳压电路5、逻辑保护电路6、调速电路7、霍尔信号检测电路8、电机母线电流检测电路和电机过流保护电路9、电池电压检测电路10、第一至第六大电流金属连接器(D-SUB)11-16、第一至第三排针/排母17-19(本发明所述非大电流连接器采用排针/排母)。子驱动板电路结构图如图2所示，包括第一和第二功率管20-21、第七至第八大电流金属连接器(D-SUB)22-23、第一和第二吸收电路24-25、功率驱动电路26、第四排针/排母27。
本发明方法如下：控制器上电时，系统在完成初始化之后，由过温保护电路4、电机母线电流检测电路和电机过流保护电路9和电池电压检测电路10，完成对蓄电池电压，电机母线电流，系统温度等参数的自检；在满足启动要求之后，微控制器1根据给定的转速值(通过调速电路7采样)和电机母线电流值(通过电机母线电流检测电路和电机过流保护电路9)，结合电机速度、转矩控制算法输出相应的PWM信号；然后微控制器1根据由霍尔信号检测电路8检测到的电机位置信号，输出相应的三相PWM信号；PWM信号经逻辑保护电路6的逻辑互锁保护之后，通过第一至第三排针/排母17-19传输给三块字驱动板。字驱动板上的功率驱动电路26根据由控制板上的PWM信号控制第一和第二功率管20-21的通断，进而实现对电机转速、转矩的控制。
控制器分为上下两层，上层为三个子驱动板，下层为控制板。子驱动板通过第七和第八大电流金属连接器22-23与控制板上的第一、第四大电流金属连接器11、14连接；控制板上的第一排针/排母17与驱动板上的第四排针/排母27连接。子驱动板上的第一和第二功率管20-21分别由若干个规格相同的NMOS管并联而成。

Claims (4)

1.一种电动车用无刷直流电机控制器，包括控制板和驱动板，其特征在于控制板包括微控制器(1)、刹车电路(2)、前进/后退电路(3)、过温保护电路(4)、稳压电路(5)、逻辑保护电路(6)、调速电路(7)、霍尔信号检测电路(8)、电机母线电流检测电路和电机过流保护电路(9)、电池电压检测电路(10)、第一至第六大电流金属连接器(11‐16)、第一至第三非大电流连接器(17‐19)，所述驱动板由三个结构相同的子驱动板构成；其中刹车电路(2)、前进/后退电路(3)、过温保护电路(4)、稳压电路(5)、逻辑保护电路(6)、调速电路(7)、霍尔信号检测电路(8)、电机母线电流检测电路和电机过流保护电路(9)和电池电压检测电路(10)分别与微控制器(1)电连接，第四大电流金属连接器(14)依次串接第五大电流金属连接器(15)、第六大电流金属连接器(16)后与电池电压检测电路(10)连接，第一大电流金属连接器(11)依次串接第二大电流金属连接器(12)、第三大电流金属连接器(13)后与电机母线电流检测电路和电机过流保护电路(9)连接，逻辑保护电路(6)分别通过第一至第三非大电流连接器(17‐19)与三个子驱动板连接。
2.根据权利要求1所述的一种电动车用无刷直流电机控制器，其特征在于：所述的子驱动板的任一个对应着所述无刷直流电机任意相的驱动电路，每个子驱动板包括第一至第二功率管(20‐21)、第七至第八大电流金属连接器(22‐23)、第一至第二吸收电路(24‐25)、功率驱动电路(26)和第四非大电流连接器(27)，其中第七大电流金属连接器(22)依次连接第一至功率管(20)、第一吸收电路(24)，第八大电流金属连接器(23)依次连接第二至功率管(21)、第二吸收电路(25)，功率驱动电路(26)分别与第一至第二功率管(20‐21)、第四非大电流连接器(27)连接。
3.根据权利要求1所述的一种电动车用无刷直流电机控制器，其特征在于：所述的电机控制器为上下两层结构，上层为三块水平并且并排的子驱动板，下层为控制板。
4.一种如权利要求1所述的一种电动车用无刷直流电机控制器的控制方法，其特征在于：所述方法如下：
在所述电机控制器完成初始化之后，由过温保护电路(4)、电机母线电流检测电路和电机过流保护电路(9)和电池电压检测电路(10)完成对电机控制器的自检；在满足启动要求之后，微控制器(1)根据通过调速电路(7)采样得到给定的转速值、通过电机母线电流检测电路和电机过流保护电路(9)采样得到的电机母线电流值，得到给定的PWM信号；然后微控制器(1)根据由霍尔信号检测电路(8)检测到的所述电机位置信号，输出相应的三相PWM信号；所述给定的PWM信号与三相PWM信号经逻辑保护电路(6)的逻辑互锁保护之后，分别通过第一至第三非大电流连接器(17‐19)传输至三个子驱动板，进而实现对电机转速、转矩的控制。
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