CN104104283A - 无刷直流电机驱动器 - Google Patents

Abstract

一种无刷直流电机驱动器，其结构包括电源转换控制模块、主控芯片控制模块、开关模块和功率放大输出模块；所述电机驱动器有三种控制方式：通过485通讯直接发送转速数据给单片机；转速模拟输入即采用输入的模拟量信号经过A/D转换成数字信号经单片机处理转换成转速数据；转速PWM输入即采样输入的PWM信号，根据PWM占空比转换成转速数据；该驱动器控制方法简单、调速精度高、控制方式多样化、可导出反向电流，可完全控制电机，可有效降低系统复杂度，减少系统成本及资源浪费，同时使安装、调试及售后简单。

Description

无刷直流电机驱动器

技术领域

本发明涉及一种直流无刷电机驱动器。

背景技术

无刷直流电动机既具备交流电动机的结构简单呢、运行可靠、维护方便等优点，又具备直流电动机运行效率高、无励磁损耗、调速性能好等特点，因此在当今国民经济的各个领域的应用日益普及。目前直流无刷电机的驱动电路都比较复杂，控制方式单一，反向电流无法排出时烧毁电机驱动电路，在电机驱动控制领域很多还是采用开环调速系统，就是由控制部分直接控制电机转动，无需对电机实际转速进行检测，所以会出现对电机驱动时失控的现象，在国内，现在的驱动电路都是基于电机专用驱动芯片开发的，这大大的限制了电机驱动器的开发。

发明内容

本发明目的是针对现有技的不足提供一种基于单片机开发的闭环调速的电机驱动器。

本发明所述电机驱动器采取的技术方案如下：

（1）所述电机驱动器包括电源转换控制模块、主控芯片控制模块、开关模块和功率放大输出模块；

（2）采用主控芯片是美国微芯科技公司的PIC18F46K22，该芯片具有体积小、精度高、通用性好、价格低等特点，打破了驱动器基于电机专用芯片开发的传统；

（3）所述电机驱动器有三种控制方式：通过485通讯直接发送转速数据给单片机；转速模拟输入即采用输入的模拟量信号经过A/D转换成数字信号经单片机处理转换成转速数据；转速PWM输入即采样输入的PWM信号，根据PWM占空比转换成转速数据；

（4）所述电机驱动器三种控制方式中单片机得到转速数据后再对直流无刷电机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行调整，从而达到精确调速的目的；

（5）所述电机驱动器采用闭环调速控制，即通过速度检测环节将结果反馈给控制系统，系统将给定转速和实际转速通过速度比较控制部分进行比较，决定应该加速还是减速，从而对电机的转速进行精确的控制。

本发明所述无刷直流电机驱动器在控制电机转动的过程中，如果电机受到某一反向作用力时，通过闭环控制原理的速度检测环节将会得到一个电流反馈值，此时反馈值与给定控制电流值方向相反，通过电流比较控制环节将给定控制电流值和反馈电流值进行比较，将会降低电机转动速度，反向作用力越大，反馈电流值就越大，当超过给定控制电流值时电机将停止运转。

本发明所述无刷直流电机驱动器可防止断电通入反向电流，在系统断电后如果手动转动电机将会产生一定的电压，而且速度越快电压越大，它会通过功率输出环节传送给控制器，当电压达到一定时，就会对控制器造成破坏，本发明在电机驱动电路上增加了开关模块，彻底解决产生电压造成电机驱动器破坏的问题。

本发明的有益效果：本发明所述无刷直流电机驱动器控制方法简单、调速精度高、控制方式多样化、可导出反向电流，可完全控制电机，可有效降低系统复杂度，减少系统成本及资源浪费，同时使安装、调试及售后简单。

附图说明

图1为本发明电机控制驱动器原理方框图；

图2为电源转换控制模块的电路原理图；

图3为主控芯片控制模块电路原理图；

图4为开关模块电路原理图；

图5为功率放大输出模块电路原理图。

具体实施方式

现通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明。

1、本发明的驱动器原理框图如图1所示，本实施例的驱动器的控制系统电源转换控制模块、主控芯片控制模块、开关模块和功率放大输出模块，其中主控芯片控制模块包括三个部分：速度比较控制环节、电流比较控制环节和速度检测反馈控制环节。

2、主控部件为SOPC编程片上系统，通过片上可编程逻辑系统以基于SOPC的SOC解决方案作为主控中心，通过SOPC系统执行控制方式驱动直流无刷电机转动并调速。

3、驱动器对电机的驱动过程采用的是闭环调速方式：驱动器正常工作的时候开关模块4处于闭合导通状态，保证驱动器能正常工作，驱动器通过485通讯、转速模拟输入，转速PWM输入三者之一接收到一个电机转速值nr，开始给定最低转速值nr_min，通过速度比较控制环节1、电流比较控制环节2、功率放大输出模块3驱动直流无刷电机5以最低速度转起来，之后通过速度检测反馈环节6将当前运行速度的值nrF反馈到速度比较控制环节1，两个速度值经过速度比较控制环节1得到一个控制电流值Kr，它通过电流比较控制环节2输出所需要的脉冲信号Ui，此脉冲信号Ui通过功率放大输出模块3进行功率放大得到Uo，它就能调整直流无刷电机5的运转速度达到给定的电机转速值nr。

4、闭环调速方式需要实时监测电机的实际转速值并且将实际转速值反馈到速度比较控制环节1中，驱动器将给定转速和实际转速通过速度比较控制电路进行比较，决定应该加速还是减速，从而对电机的转速进行精确的控制，并且因为实时监测电机转速可以防止电机失控现象。

5、驱动器防卡功能实施过程如下：在电机匀速运转的过程中，如果电机受到一个反向的作用力，那么电机的转速将会下降，通过速度检测反馈环节6可以将控制电流反馈值KrF反馈到电流比较控制环节2中，电流比较反馈环节2将控制电流反馈值KrF和额定控制电流值Kr进行比较并控制脉冲输出信号Ui，反向作用力越大，控制电流反馈值KrF就会越大，当控制电流反馈值KrF大于或等于额定控制电流值Kr时电机就会停止下来，这样对电机和驱动器都能起到保护作用。

6、驱动器防止断电通入反向电流保护装置：在系统断电后如果手动转动电机将会产生一定的电压，而且速度越快电压越大，它会通过功率放大输出电路传送给控制器，当电压达到一定时，就会对控制器造成破坏，本发明在驱动电路上增加了开关模块5，当系统断电的时候电机通过手动转动的方式转动起来，电机的三相线也不能形成电路回路，彻底解决产生电压造成电机驱动器破坏的问题。

7、电源转换控制模块如图2所示：电机驱动器一共使用三个电压，一个是输出功率MOSFET驱动电机所用24V、二是驱动输出MOSFET的自举电路所用15V、三是控制电路微处理器部分所用5V电压。为了方便供电与简化电路线路，此直流无刷电机控制系统采用单一电源供电，也就是24V电源供电，这样直流无刷电机控制系统要有相应的电压转换电路，得到15V和5V，此直流无刷电机控制系统先是24V转换成15V，之后15V转换为5V。如图2所示，上图为24V电压转换为15V电压电路图，其中R3、R4、Z1、R5构成负反馈环节，当输出电压增大时，通过负反馈环节使得Q1上的基极电流增大，这样Q1的集电极与发射极之间的电压减小，即Q2的基极电压减小，那么Q2的集电极与发射极之间的电压增大，即Q3的基极电压增大，那么Q3的集电极与发射极之间的电压增大，这样输出电压就减小了。反之当输出电压减小时输出电压就增大。这样就有效的使得输出电压稳定下来。由于输出电压是通过改变Q3的集电极与发射极之间的电压得到的，在Q3的集电极上的电压是以15V为基准的锯齿波，通过电感L1能有效的进行滤波。最后得到稳定的15V电压。下图为15V转换为5V电压电路图，它采用稳压芯片78L05直接得到5V电压。

8、主控芯片控制模块原理图如图3所示，电容C37、C38和晶振XTAL在模块上电的时候起到起振作用，使主控芯片开始工作，主控芯片控制模块包含三个功能：速度比较控制、电流比较控制和速度检测反馈，这三个功能都是由程序控制的。给定速度通过主控芯片的25、26、27脚输入到主控芯片内，通过主控芯片内部程序进行速度比较控制环节、电流比较控制环节和速度检测反馈环节，然后输出信号T1、T2、T3、T4、T5和T6给功率放大输出模块。

9、开关模块原理图如图4所示，由于系统断电时如果使电机转动那么电机的任意两相之间将产生感应电动势，并且转动速度越大感应电动势就越大，可能对系统造成损坏。为了防止这种现象发生，只要在断电时任意使两相断路，那么电机不构成回路，就不可能产生感应电动势，而在通电时使两相恢复通路，所以采用继电器对两相进行通与断，如图4所示，模块采用两继电器的常开触点对电机的W相和V相进行通与断，当系统断电时，由于采用继电器的常开触点，所以W相和V相同时保持断路，而当系统通电时，两继电器得电吸合，使得W相和V相同时保持通路。

10、无刷直流电机驱动器的功率放大输出模块采用自举驱动高压侧开关管，全部采用分立元件，其中一对上下功率MOSFET的驱动电路如图5所示，其余两对开关管的驱动电路与之相同。在图5所示的电路中，H_P WM和L_P W M分别为驱动上下开关管的5 V数字逻辑P W M信 号 ，对于Q2管，不需要浮置栅，驱动方法比较简单。当N2基极的L_P W M为低电平时， N2不导通, N1和 P 1导通，使得Q2的栅极被1 5 V电源直接驱动， Q2导通。当 L_P WM为高电平时，N2导通 ， N1，P 1 关断，Q2栅极电位被拉到地，Q2关断。对于Q1管，需要栅极浮置驱动,原理如下。当 N3基极的H_P W M信号为低电平时，N3和 P2都不导 通，此 时Q1是关断的，而Q2互补导通。 1 5 V电源电压经D 1向自举电容C1充电，使 得 C1两端电压为1 5V减去 D1的管压降 ，大概为1 4V。当H_P WM信号为高电平时，N3和 P2相继导通，自举电容C1两端的电压通过P2加到Q1的栅极上， 浮置于源极之上，电压差为14V左右，保证Q1 饱和导通，此时Q2必须是互补关断的，否则将造成桥臂导通，使电源短路。当H_P WM信号再次转为低电平时， P3导通，使Q1的栅极电容迅速放电， 及时关断Q1。

Claims (2)

1.一种无刷直流电机驱动器，其特征是：

（1）所述电机驱动器包括电源转换控制模块、主控芯片控制模块、开关模块和功率放大输出模块；

（2）所述电机驱动器有三种控制方式：通过485通讯直接发送转速数据给单片机；转速模拟输入即采用输入的模拟量信号经过A/D转换成数字信号经单片机处理转换成转速数据；转速PWM输入即采样输入的PWM信号，根据PWM占空比转换成转速数据；

（3）所述电机驱动器三种控制方式中单片机得到转速数据后再对直流无刷电机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行调整，从而达到精确调速的目的；

（4）所述电机驱动器采用闭环调速控制，即通过速度检测环节将结果反馈给控制系统，系统将给定转速和实际转速通过速度比较控制部分进行比较，决定应该加速还是减速，从而对电机的转速进行精确的控制。

2.根据权利要求1所述的一种无刷直流电机驱动器，其特征是：所述主控芯片是采用美国微芯科技公司的PIC18F46K22。