CN104638989A - 一种高可靠性直流无刷电机智能控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高可靠性直流无刷电机智能控制器，包括微处理器MCU、单稳定触发器IC2、功率模块IPM、电流采样电阻R0、运算放大器IC2A、霍尔传感器和霍尔信号处理器IC3；电流采集电阻R0分别与功率模块IPM、运算放大器IC2A连接，功率模块IPM通过单稳定触发器IC2与微处理器MCU连接，运算放大器IC2A与微处理器MCU连接，霍尔传感器通过霍尔信号处理器IC3与微处理器MCU连接。本发明通过软、硬件兼顾，实时与预测结合的方式对电机速度、电流的环路控制，解决了电机主轴卡死后损坏机械部件、电机过电流烧毁的问题；避免了控制器在异常状况下元器件的损坏，保证了功率模块安全，确保了电机的控制精度和稳定性。

Description

一种高可靠性直流无刷电机智能控制器

技术领域

本发明涉及电机控制领域，具体是一种高可靠性直流无刷电机智能控制器。

背景技术

直流无刷电机控制器由电动机主体和控制、驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。一直以来直流无刷电机以其结构简单、机械特性好及调速特性好等优点广泛应用于汽车、电动车、工具、工业工控、自动化以及航空航天等领域。直流无刷电机在启动和运转中，由于设备故障或负载剧烈的变化，往往出现电机电流大大超过额定值，从而导致电机的功率驱动模块或电机烧毁。

传统的直流无刷电机控制器通常采用保险丝或者功率模块自身的保护电路以及电流的环路控制方式。由于保险丝需要大电流引发热熔断，通常反应较慢，所以不能完全起到有效的保护作用；而且保险丝一旦烧毁，在故障恢复后，必须更换保险丝才能继续控制。采用功率模块自身的保护电路以及电流的环路控制则存在速度、电流的闭环系统的静特性比较硬，当发生电机堵转、过载或其它特殊情况时，电机电流会在短时间内急速变大，很可能会烧毁控制器和电机。而无刷电机控制功率模块过流输出端的典型处理电路是接RC阻容元件，当内部电流检测电路检测到过流时，过流输出端输出低电平，电压由高电平变为低电平需要一个过渡时间。这个过渡时间的延时可能造成功率模块内部绝缘栅双极晶体管IGBT被击穿或烧毁，而由于干扰等原因，一旦电流变小，又开始启动，将造成频繁启动。

所以传统的方法存在对过流故障反应慢，功率驱动模块不能得到有效保护等缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高可靠性直流无刷电机智能控制器，通过软、硬件兼顾，实时与预测结合的方式对速度、电流的环路控制，有效保证设备的安全运行。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高可靠性直流无刷电机智能控制器，包括微处理器MCU、单稳定触发器IC2、功率模块IPM、电流采样电阻R0、运算放大器IC2A、霍尔传感器和霍尔信号处理器IC3；所述电流采集电阻R0分别与功率模块IPM、运算放大器IC2A连接，所述功率模块IPM通过单稳定触发器IC2与微处理器MCU连接，所述运算放大器IC2A与微处理器MCU连接，所述霍尔传感器通过霍尔信号处理器IC3与微处理器MCU连接。

作为本发明进一步的方案：所述微处理器MCU为STM8S系列微处理器。

作为本发明进一步的方案：所述单稳定触发器IC2的型号为74HC123。

作为本发明进一步的方案：所述电机的总电流由电流采集电阻R0采集，所述电流采集电阻R0的输出端OC通过电阻R1、电容C1滤波后与功率模块IPM的过流检测输入Cin端连接；所述功率模块IPM的输出SD/OD端通过单稳定触发器IC2与微处理器MCU的刹车输入BKI端连接。

作为本发明进一步的方案：所述电流采集电阻R0的输出端OC通过运算放大器IC2A与微处理器MCU的模数转换器连接。

作为本发明进一步的方案：所述霍尔信号处理器IC3通过对霍尔传感器采集的霍尔逻辑状态进行滤波、抗干扰处理后，送到微处理器MCU进行数字采样滤波，然后读取状态值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过软、硬件兼顾，实时与预测结合的方式对速度、电流的环路控制，有效保证设备的安全运行。本发明解决了电机主轴卡死后损坏机械部件，电机过电流烧毁的问题；避免了控制器在异常状况下元器件的损坏，保证了功率模块安全，确保了电机的控制精度和稳定性，提高了设备可靠性。

附图说明

图1是一种高可靠性直流无刷电机智能控制器的结构框图。

图2是一种高可靠性直流无刷电机智能控制器的功率模块IPM、电流采样电阻R0与单稳定触发器IC2的电路连接图。

图3是一种高可靠性直流无刷电机智能控制器的运算放大器IC2A的电路结构图。

图4是一种高可靠性直流无刷电机智能控制器的霍尔信号处理器IC3的电路结构图。

图5是一种高可靠性直流无刷电机智能控制器的霍尔状态判决流程图。

图6是一种高可靠性直流无刷电机智能控制器的电流变化率预测控制流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例中，一种高可靠性直流无刷电机智能控制器，包括微处理器MCU、单稳定触发器IC2、功率模块IPM、电流采样电阻R0、运算放大器IC2A、霍尔传感器和霍尔信号处理器IC3；电流采集电阻R0分别与功率模块IPM、运算放大器IC2A连接，功率模块IPM通过单稳定触发器IC2与微处理器MCU连接，运算放大器IC2A与微处理器MCU连接，霍尔传感器通过霍尔信号处理器IC3与微处理器MCU连接。微处理器MCU为STM8S系列微处理器，单稳定触发器IC2的型号为74HC123。

请参阅图2-3，根据电机的功率与过流容限，设计好电流采样电阻R0的值，当电机总电流流过电流采样电阻R0后产生电压降，即电流采集电阻R0对电机总电流采样后，在电流采集电阻R0的输出端OC分为两路输出：

1）电流采集电阻R0的输出端OC的一路通过电阻R1、电容C1组成RC滤波后送到功率模块IPM的过流检测输入Cin端，与电流允许值对应的额定电压比较，当发生过流时，对电机进行电流控制；同时将功率模块IPM的输出SD/OD端与单稳定触发器IC2连接，单稳定触发器IC2产生加速、展宽后的脉冲输出，送到微处理器MCU的刹车输入BKI端，微处理器MCU立即响应，关闭对功率模块IPM的控制，并保持在安全状态，对功率模块IPM和电机起到保护作用；

2）电流采集电阻R0的输出端OC的另一路直接连接到运算放大器IC2A进行信号放大、调节后，输出的IAD送到微处理器MCU的模数转换器ADC进行采样并滤波处理，防止误判，由于电机在正常启动或运行时，其电流的变化率始终被控制在额定范围内，当故障发生时，其变化率将失控而在短时间内发生突变。本发明还通过软件对电流变化率进行预测，并在PID算法中采取模糊控制算法，综合实现对直流无刷电机的供电控制，当发生故障时，可以立即采取安全控制措施，确保安全，从而大大提前了对过流的防护，与此同时通过对霍尔信号状态的预测，确保电机是否堵转并进行处理，防止了电机故障时的频繁启动导致大电流的发生。

请参阅图4，本发明通过霍尔信号处理器IC3对直流无刷电机的霍尔传感器状态的检测，并将霍尔逻辑状态SA、SB、SC与门限值进行比较，滤除低于门限值以下的干扰信号，输出信号HA、HB、HC送到微处理器MCU后，再次进行数字采样滤波，然后读取状态值。

本发明对霍尔信号采取软、硬件抗干扰措施，供电电压由独立的电源（12V）提供，霍尔信号经滤波后送入电压比较器，与电压比较器参考电压进行比较，转换成系统电压（5V）送入微处理器MCU处理，并且采取数字滤波方式，可以防止电机在运行过程中，由于环境严重的电磁干扰，造成对霍尔逻辑状态的误判，避免电机错误停机。当电机卡死或者其他原因发生停转时，也可以快速发现故障，及时采取措施。

请参阅图5，对于读取的霍尔逻辑状态值，通过软件进行判决，连续三次发生重复错误，将停止对电机控制，保证了控制模块和电机的安全。

请参阅图6，当检测到电流变化率超过额定值时，为了防止误判，并进行紧急处理，立即开始连续加速采样，采样到三次电流变化率超限时，进行保护处理。

本发明采用的驱动程序，在速度闭环的基础上引入了电流截止环控制。通过对电流变化率的预测，当电机电流急速上升到一定值时，电流截止环节通过PID控制模糊算法，智能调节电机电流，将电机电流限制在规定的允许值范围内，从而有效的保护控制器和电机的安全。本发明采取了模拟和数字滤波，利用模糊算法，通过多途径、软、硬件兼顾的控制措施，对大电流进行了智能预测，并快速采取保护措施，有效实现了直流无刷电机的运行，确保了安全。

本发明通过软、硬件兼顾，实时与预测结合的方式对速度、电流的环路控制，有效保证设备的安全运行。本发明解决了电机主轴卡死后损坏机械部件，电机过电流烧毁的问题；避免了控制器在异常状况下元器件的损坏，保证了功率模块安全，确保了电机的控制精度和稳定性，提高了设备可靠性。

由于采用了经典的硬件保护、加速的刹车处理和智能化的电流变化率的预测、堵转预处理，既可以在故障发生前，提前进行处理，又可以在故障发生时，进行双重实时处理，所以在实际应用时，电机控制器和电机的可靠性、安全性得到很大的提高。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种高可靠性直流无刷电机智能控制器，其特征在于，包括微处理器MCU、单稳定触发器IC2、功率模块IPM、电流采样电阻R0、运算放大器IC2A、霍尔传感器和霍尔信号处理器IC3；所述电流采集电阻R0分别与功率模块IPM、运算放大器IC2A连接，所述功率模块IPM通过单稳定触发器IC2与微处理器MCU连接，所述运算放大器IC2A与微处理器MCU连接，所述霍尔传感器通过霍尔信号处理器IC3与微处理器MCU连接。

2.根据权利要求1所述的高可靠性直流无刷电机智能控制器，其特征在于，所述微处理器MCU为STM8S系列微处理器。

3.根据权利要求1所述的高可靠性直流无刷电机智能控制器，其特征在于，所述单稳定触发器IC2的型号为74HC123。

4.根据权利要求1所述的高可靠性直流无刷电机智能控制器，其特征在于，所述电机的总电流由电流采集电阻R0采集，所述电流采集电阻R0的输出端OC通过电阻R1、电容C1滤波后与功率模块IPM的过流检测输入Cin端连接；所述功率模块IPM的输出SD/OD端通过单稳定触发器IC2与微处理器MCU的刹车输入BKI端连接。

5.根据权利要求1所述的高可靠性直流无刷电机智能控制器，其特征在于，所述电流采集电阻R0的输出端OC通过运算放大器IC2A与微处理器MCU的模数转换器连接。

6.根据权利要求1所述的高可靠性直流无刷电机智能控制器，其特征在于，所述霍尔信号处理器IC3通过对霍尔传感器采集的霍尔逻辑状态进行滤波、抗干扰处理后，送到微处理器MCU进行数字采样滤波，然后读取状态值。