CN105141196B - 光电隔离式大功率无刷直流电机驱动装置及驱动反馈处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光电隔离式大功率无刷直流电机驱动装置及驱动反馈的处理方法，将大功率无刷直流电机驱动控制系统DSP和CPLD控制器换相控制输出的六路驱动信号UP_IN、UN_IN、VP_IN、VN_IN、WP_IN、WN_IN经过光电隔离和放大电路生成六路IGBT驱动信号UP、UN、VP、VN、WP、WN，这六路驱动信号再经过光纤发送电路，实现IGBT驱动信号由电信号到光信号的转换；IGBT驱动反馈信号FK_UP_IN、FK_UN_IN、FK_VP_IN、FK_VN_IN、FK_WP_IN、FK_WN_IN通过光纤接收电路，实现光信号到电信号的转换，再输入到复杂可编程逻辑器件CPLD中，采用驱动反馈处理方法判断IGBT驱动电路是否工作正常。本发明实现了大功率无刷直流电机的驱动控制，很大程度上改善了传统无刷直流电机驱动控制系统的电磁干扰和电磁兼容问题，提高了系统工作的稳定性和效率。

Description

光电隔离式大功率无刷直流电机驱动装置及驱动反馈处理 方法

技术领域

本发明属于无刷直流电机驱动控制领域，涉及一种光电隔离式大功率无刷直流电机驱动装置及驱动反馈处理方法。

背景技术

大功率无刷直流电机具有运行效率高、调速性能好、可靠性高等优点，尤其适用于对系统效率、可靠性有特殊要求的航空、航天、航海等领域。

大功率无刷直流电机驱动控制系统是强、弱电共存的系统，其采用的高频PWM调制脉冲很容易对驱动控制系统以外的弱电电路产生很大的干扰，同时大功率无刷直流电机作为一种电子换相运行电机，对驱动控制系统有着抗内部干扰和外界干扰的要求，因此必须认真处理驱动控制系统的电磁干扰和电磁兼容问题。

现有的无刷直流电机驱动控制系统基本采用系统MCU控制器，换相控制后直接输出经过高频PWM脉冲调制的六路驱动信号，用于驱动智能功率模块IPM。这时系统存在电磁干扰和电磁兼容问题，但这些问题在系统功率不大的情况下，表现的尚不明显，对系统正常运行影响不大。而在大功率无刷直流电机驱动控制系统中，如果还是采用这种方案，电磁干扰和电磁兼容问题会干扰驱动控制系统和弱电主控制器的正常运行，严重时会损坏电机和主控制器。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种光电隔离式大功率无刷直流电机驱动装置及驱动反馈的处理方法。

技术方案

一种光电隔离式大功率无刷直流电机驱动装置，其特征在于包括两个驱动信号光电隔离和放大电路、光纤发送电路、光纤接收电路和驱动电路；第一驱动信号光电隔离和放大电路的输入端接收无刷直流电机控制系统换相控制DSP输出的6路IGBT驱动信号UP_IN、UN_IN、VP_IN、VN_IN、WP_IN和WN_IN，其输出端通过光纤发送电路连接驱动电路的IGBT驱动电路的输入端，6路IGBT驱动信号通过光纤发送电路将电信号转换为光信号；IGBT驱动电路产生6路驱动反馈信号FK_UP_IN、FK_UN_IN、FK_VP_IN、FK_VN_IN、FK_WP_IN和FK_WN_IN，IGBT驱动电路的输出端通过光纤接收电路连接接收的第二驱动信号光电隔离和放大电路的输入端，其输出端连接无刷直流电机控制系统的复杂可编程逻辑器件CPLD，CPLD输出驱动故障检测信号到DSP中，当驱动故障检测信号为高电平时，驱动电路工作正常，当驱动故障检测信号为高电平时，驱动电路工作异常，无刷直流电机控制系统进行停机处理，实现对IGBT工作状态的实时监测，进而实现大功率无刷直流电机的驱动控制。

所述驱动信号光电隔离和放大电路包括高速光耦hcpl0466、电阻R27、电阻R28和电阻R29；连接关系为：UP_IN是无刷直流电机控制系统DSP和CPLD控制器经过换相控制输出6路IGBT驱动信号中的一路，UP_IN信号通过电阻R27上拉至+5V，与高速光耦N18的IN0引脚间串联有电阻R29，高速光耦N18的IN引脚与+5V电源相接，OUT0引脚与GND_IGBT连接，OUT1引脚与UP信号连接，UP信号是经过光电隔离和放大处理后的IGBT驱动信号，UP信号与5VIGBT电源间串联有电阻R28，其中高速光耦采用hcpl0466。

所述光纤发送电路包括三极管Q1、电阻R6和发光二极管FOL Emitter；连接关系为：UP信号连接在三极管Q1的基极，三极管Q1的发射极与5VIGBT间串联一个电阻R6，三极管Q1的发射极与基极这间连接有发光二极管，其集电极与GND_IGBT连接在一起，当UP为高电平时，Q1不导通，发光二极管导通，有光发出；当UP为低电平时，Q1导通，发光二极管不导通，不发光。

所述光纤接收电路包括：感光二极管、运算放大器U3B、电阻R48、电容C15和三极管FOL Receiver；连接关系为：感光二极管连接在运算放大器U3B的输入端，Status Feedback为驱动电路反馈信号，Status Feedback信号与+5V电源间串联有电阻R48，并连接在三极管的集电极，三极管的发射极与GND连接，其基极连接在运算放大器U3B的输出端。

一种利用所述光电隔离式大功率无刷直流电机驱动装置实施驱动反馈的处理方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：对复杂可编程逻辑器件CPLD的时钟信号clk进行倍频处理，输出为30倍频的时钟信号clk1；

步骤2：初始化处理，将寄存器的计数变量a_cnt初始置零；

步骤3：检测驱动电路反馈信号上升沿，如果是上升沿，对寄存器的计数变量a_cnt清零，并开始计数a_cnt<＝a_cnt+1；如果不是上升沿，则维持原状；

步骤4：检测检测驱动电路反馈信号下降沿，如果是下降沿，寄存器的计数变量a_cnt停止计数，执行步骤5；如果不是下降沿，则继续执行步骤3；

步骤5：将寄存器的计数变量a_cnt与的参考数值a_ref相比较，a_ref是IGBT工作正常时驱动反馈信号脉冲高电平时间宽度在时钟信号clk1下所对应计数数值，如果a_cnt<＝a_ref，说明IGBT工作正常，输出变量alarm为高电平；如果a_cnt>a_ref，说明IGBT驱动反馈信号脉冲高电平时间宽度过长，IGBT工作异常，输出变量alarm由高电平变为低电平，无刷直流电机控制系统复杂可编程逻辑处理器CPLD检测到这一变化后，对电机进行停机处理。

有益效果

本发明提出的一种光电隔离式大功率无刷直流电机驱动装置及驱动反馈的处理方法，将大功率无刷直流电机驱动控制系统DSP和CPLD控制器换相控制输出的六路驱动信号UP_IN、UN_IN、VP_IN、VN_IN、WP_IN、WN_IN经过光电隔离和放大电路生成六路IGBT驱动信号UP、UN、VP、VN、WP、WN，这六路驱动信号再经过光纤发送电路，实现IGBT驱动信号由电信号到光信号的转换；IGBT驱动反馈信号FK_UP_IN、FK_UN_IN、FK_VP_IN、FK_VN_IN、FK_WP_IN、FK_WN_IN通过光纤接收电路，实现光信号到电信号的转换，再输入到复杂可编程逻辑器件CPLD中，采用驱动反馈处理方法判断IGBT驱动电路是否工作正常。

本发明采用光电隔离式驱动装置和驱动反馈处理方法，实现了大功率无刷直流电机的驱动控制，包括对IGBT工作状态的实时监测，很大程度上改善了传统无刷直流电机驱动控制系统的电磁干扰和电磁兼容问题，提高了系统工作的稳定性和效率。

附图说明

图1：无刷直流电机控制系统及光电隔离式驱动装置框图

图2：驱动信号光电隔离和放大电路原理图

图3：光纤发送电路原理图

图4：光纤接收电路原理图

图5：IGBT驱动反馈信号时序逻辑图

图6：IGBT驱动反馈模块原理图

图7：驱动反馈信号处理程序流程图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本实施例用于光电隔离式驱动大功率无刷直流电机，该大功率无刷直流电机用作水下航行器推进执行机构。

参照附图1，从图中可以看出，无刷直流电机控制系统由上位机、通讯电路、DSP+CPLD控制器、逆变电路、驱动装置、电流检测电路、霍尔位置信号采集电路和电机本体组成。

驱动装置包括两个驱动信号光电隔离和放大电路、光纤发送电路、光纤接收电路和驱动电路；第一驱动信号光电隔离和放大电路的输入端接收无刷直流电机控制系统换相控制DSP输出的6路IGBT驱动信号UP_IN、UN_IN、VP_IN、VN_IN、WP_IN和WN_IN，其输出端通过光纤发送电路连接驱动电路的IGBT驱动电路的输入端，6路IGBT驱动信号通过光纤发送电路将电信号转换为光信号；IGBT驱动电路产生6路驱动反馈信号FK_UP_IN、FK_UN_IN、FK_VP_IN、FK_VN_IN、FK_WP_IN和FK_WN_IN，IGBT驱动电路的输出端通过光纤接收电路连接接收的第二驱动信号光电隔离和放大电路的输入端，其输出端连接无刷直流电机控制系统的复杂可编程逻辑器件CPLD，CPLD输出驱动故障检测信号到DSP中，当驱动故障检测信号为高电平时，驱动电路工作正常，当驱动故障检测信号为高电平时，驱动电路工作异常，无刷直流电机控制系统进行停机处理，实现对IGBT工作状态的实时监测，进而实现大功率无刷直流电机的驱动控制。

参照附图2，驱动信号光电隔离和放大电路由高速光耦N18、电阻R27和R28组成，连接关系为：UP_IN是无刷直流电机控制系统DSP和CPLD控制器经过换相控制输出6路IGBT驱动信号中的一路，UP_IN信号通过电阻R27上拉至+5V，与高速光耦N18的IN0引脚间串联有电阻R29，高速光耦N18的IN引脚与+5V电源相接，OUT0引脚与GND_IGBT连接，OUT1引脚与UP信号连接，UP信号是经过光电隔离和放大处理后的IGBT驱动信号，UP信号与5VIGBT电源间串联有电阻R28，其中高速光耦采用hcpl0466。

工作原理：UP_IN是无刷直流电机控制系统DSP+CPLD控制器经过换相控制输出6路IGBT驱动信号中的一路，UP_IN信号通过电阻R27上拉至+5V，与高速光耦N18的IN0引脚间串联有电阻R29，高速光耦N18的IN引脚与+5V电源相接，OUT0引脚与GND_IGBT连接，OUT1引脚与UP信号连接，UP信号是经过光电隔离和放大处理后的IGBT驱动信号，UP信号与5VIGBT电源间串联有电阻R28，其中高速光耦采用hcpl0466。

参照附图3，光纤发送电路由三极管Q1、发光二极管和电阻R6组成，连接关系为：UP信号连接在三极管Q1的基极，三极管Q1的发射极与5VIGBT间串联一个电阻R6，三极管Q1的发射极与基极这间连接有发光二极管，其集电极与GND_IGBT连接在一起。

工作原理：UP信号连接在三极管Q1的基极，三极管Q1的发射极与5VIGBT间串联一个电阻R6，三极管Q1的发射极与基极这间连接有发光二极管，其集电极与GND_IGBT连接在一起，当UP为高电平时，Q1不导通，发光二极管导通，有光发出；当UP为低电平时，Q1导通，发光二极管不导通，不发光。

参照附图4，光纤接收电路由感光二极管、运算放大器U3B、电阻R48、电容C15和三极管组成。连接关系为：感光二极管连接在运算放大器U3B的输入端，Status Feedback为驱动电路反馈信号，Status Feedback信号与+5V电源间串联有电阻R48，并连接在三极管的集电极，三极管的发射极与GND连接，其基极连接在运算放大器U3B的输出端。

工作原理：感光二极管连接在运算放大器U3B的输入端，Status Feedback为驱动电路反馈信号，Status Feedback信号与+5V电源间串联有电阻R48，并连接在三极管的集电极，三极管的发射极与GND连接，其基极连接在运算放大器U3B的输出端。

参照附图6，驱动反馈模块由倍频器inst5、单路检测模块inst15、inst16、inst17、inst18、inst19、inst20和6路信号输入的与门inst4组成，clk信号是复杂可编程逻辑器件CPLD的时钟信号，经过倍频器inst5放大得到30倍频的clk1信号，clk1输入到单路检测模块inst15、inst16、inst17、inst18、inst19、inst20中，作为计数时钟信号，FK_UP_IN、FK_UN_IN、FK_VP_IN、FK_VN_IN、FK_WP_IN、FK_WN_IN信号作为IGBT驱动电路的反馈信号，其时序逻辑可参照附图5，这6路信号分别输入到单路检测模块inst15、inst16、inst17、inst18、inst19、inst20中，完成对驱动反馈信号的处理，输出alarm1、alarm2、alarm3、alarm4、alarm5、alarm6信号是判断6个IGBT是否发生故障的信号，其正常情况下为高电平信号，当某个IGBT发生故障时，对应的alarm信号变为低电平，alarm1、alarm2、alarm3、alarm4、alarm5、alarm6信号再经过与门inst4处理后，输出是alarm信号，alarm信号输入到无刷直流电机控制系统复杂可编程逻辑控制器CPLD中，用于判断IGBT其否发生故障情况，当6个IGBT都工作正常时，alarm信号为高电平，当一个或多个IGBT发生故障时，alarm信号将由高电平变成低电平，无刷直流电机控制系统DSP控制器中检测到这一变化后，将进行停机处理。

参照附图7，本发明所述一种驱动反馈处理方法实施步骤如下：

步骤1：对复杂可编程逻辑器件CPLD的时钟信号clk进行倍频处理，输出为30倍频的时钟信号clk1；

步骤2：初始化处理，将寄存器的计数变量a_cnt初始置零；

步骤3：分别检测驱动电路反馈信号FK_Up_IN、FK_Un_IN、FK_Vp_IN、FK_Vn_IN、FK_Wp_IN和FK_Wn_IN上升沿，如果是上升沿，对寄存器的计数变量a_cnt清零，并开始计数a_cnt<＝a_cnt+1；如果不是上升沿，则维持原状；

步骤4：检测检测驱动电路反馈信号FK_Up_IN、FK_Un_IN、FK_Vp_IN、FK_Vn_IN、FK_Wp_IN和FK_Wn_IN下降沿，如果是下降沿，寄存器的计数变量a_cnt停止计数，执行步骤5；如果不是下降沿，则继续执行步骤3；

步骤5：将寄存器的计数变量a_cnt与700ns在时钟信号clk1下所对应计数的数值a_ref相比较(参照附图5，IGBT工作正常时驱动反馈信号脉冲高电平时间宽度为700ns)，如果a_cnt<＝a_ref，说明IGBT工作正常，输出变量alarm为高电平；如果a_cnt>a_ref，说明IGBT驱动反馈信号脉冲高电平时间宽度超过700ns，IGBT工作异常，输出变量alarm由高电平变为低电平，无刷直流电机控制系统DSP控制器检测到这一变化后，对电机进行停机处理。

assign alarm＝(a_cnt>12'h2BC)？0:1。

Claims (4)

1.一种光电隔离式大功率无刷直流电机驱动装置的驱动反馈处理方法，其特征在于：该光电隔离式大功率无刷直流电机驱动装置包括两个驱动信号光电隔离和放大电路、光纤发送电路、光纤接收电路和驱动电路；第一驱动信号光电隔离和放大电路的输入端接收无刷直流电机控制系统换相控制DSP输出的6路IGBT驱动信号UP_IN、UN_IN、VP_IN、VN_IN、WP_IN和WN_IN，其输出端通过光纤发送电路连接驱动电路的IGBT驱动电路的输入端，6路IGBT驱动信号通过光纤发送电路将电信号转换为光信号；IGBT驱动电路产生6路驱动反馈信号FK_UP_IN、FK_UN_IN、FK_VP_IN、FK_VN_IN、FK_WP_IN和FK_WN_IN，IGBT驱动电路的输出端通过光纤接收电路连接接收的第二驱动信号光电隔离和放大电路的输入端，其输出端连接无刷直流电机控制系统的复杂可编程逻辑器件CPLD，CPLD输出驱动故障检测信号到DSP中，当驱动故障检测信号为高电平时，驱动电路工作正常，当驱动故障检测信号为高电平时，驱动电路工作异常，无刷直流电机控制系统进行停机处理，实现对IGBT工作状态的实时监测，进而实现大功率无刷直流电机的驱动控制；

应用该光电隔离式大功率无刷直流电机驱动装置实施驱动反馈处理方法的步骤如下：

步骤1：对复杂可编程逻辑器件CPLD的时钟信号clk进行倍频处理，输出为30倍频的时钟信号clk1；

步骤2：初始化处理，将寄存器的计数变量a_cnt初始置零；

步骤3：检测驱动电路反馈信号上升沿，如果是上升沿，对寄存器的计数变量a_cnt清零，并开始计数a_cnt<＝a_cnt+1；如果不是上升沿，则维持原状；

步骤4：检测检测驱动电路反馈信号下降沿，如果是下降沿，寄存器的计数变量a_cnt停止计数，执行步骤5；如果不是下降沿，则继续执行步骤3；

步骤5：将寄存器的计数变量a_cnt与的参考数值a_ref相比较，a_ref是IGBT工作正常时驱动反馈信号脉冲高电平时间宽度在时钟信号clk1下所对应计数数值，如果a_cnt<＝a_ref，说明IGBT工作正常，输出变量alarm为高电平；如果a_cnt>a_ref，说明IGBT驱动反馈信号脉冲高电平时间宽度过长，IGBT工作异常，输出变量alarm由高电平变为低电平，无刷直流电机控制系统MCU控制器检测到这一变化后，对电机进行停机处理。

2.根据权利要求1所述光电隔离式大功率无刷直流电机驱动装置的驱动反馈处理方法，其特征在于：所述驱动信号光电隔离和放大电路包括高速光耦hcpl0466、电阻R27、电阻R28和电阻R29；连接关系为：UP_IN是无刷直流电机控制系统DSP和CPLD控制器经过换相控制输出6路IGBT驱动信号中的一路，UP_IN信号通过电阻R27上拉至+5V，与高速光耦N18的IN0引脚间串联有电阻R29，高速光耦N18的IN引脚与+5V电源相接，OUT0引脚与GND_IGBT连接，OUT1引脚与UP信号连接，UP信号是经过光电隔离和放大处理后的IGBT驱动信号，UP信号与5VIGBT电源间串联有电阻R28，其中高速光耦采用hcpl0466。

3.根据权利要求1所述光电隔离式大功率无刷直流电机驱动装置的驱动反馈处理方法，其特征在于：所述光纤发送电路包括三极管Q1、电阻R6和发光二极管FOL Emitter；连接关系为：UP信号连接在三极管Q1的基极，三极管Q1的发射极与5VIGBT间串联一个电阻R6，三极管Q1的发射极与基极这间连接有发光二极管，其集电极与GND_IGBT连接在一起，当UP为高电平时，Q1不导通，发光二极管导通，有光发出；当UP为低电平时，Q1导通，发光二极管不导通，不发光。

4.根据权利要求1所述光电隔离式大功率无刷直流电机驱动装置的驱动反馈处理方法，其特征在于：所述光纤接收电路包括：感光二极管、运算放大器U3B、电阻R48、电容C15和三极管FOL Receiver；连接关系为：感光二极管连接在运算放大器U3B的输入端，StatusFeedback为驱动电路反馈信号，Status Feedback信号与+5V电源间串联有电阻R48，并连接在三极管的集电极，三极管的发射极与GND连接，其基极连接在运算放大器U3B的输出端。