CN105515475A - 基于buck变换器的高速无刷直流电机控制器 - Google Patents

基于buck变换器的高速无刷直流电机控制器 Download PDF

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魏振
傅隽
赵武玲
彭树文
王伟强
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Abstract

本发明公开了一种基于BUCK变换器的高速无刷直流电机控制器，包括直流电源，将直流电变换为可调直流电压的Buck变换器，用于无刷直流电机换相的三相逆变桥、硬件换相电路，用于电压电流信号的采集、PWM信号输出、电机的控制算法、人机通讯的DSP控制板，为无刷直流电机提供PWM驱动信号的PWM驱动模块，还包括电压电流检测电路、保护电路、触摸屏。本发明采用三相逆变桥前加Buck变换器的控制方式，将直流电机的换相与调速功能分开，通过Buck变换器调节，用直流电压代替原有的PWM脉冲电压，有效消除了定子电流的非连续跳变，降低电机铁耗；采用硬件逻辑换相电路代替软件换相程序，减少了DSP程序的复杂性，使DSP专注于电机的控制算法，从而提高了控制效率。

Description

基于BUCK变换器的高速无刷直流电机控制器
技术领域
本发明属于一种电机的控制装置，具体涉及一种基于BUCK变换器的高速无刷直流电机控制器。
背景技术
无刷直流电机具有优秀的机械特性、良好的调速转矩、较高的效率等特点，应用范围十分广泛。目前无刷直流电机大多采用三相逆变桥PWM调制（脉冲宽度调制）的控制方法，不过该方法应用于高速电机时，由于高速电机电枢电感较小，PWM调制产生的高频方波电压，在转子中引起附加铁耗，导致电机升周过程中发热量过大，温度上升过快。
发明内容
本发明为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种基于BUCK变换器的高速无刷直流电机控制器。
本发明的技术方案是：一种基于BUCK变换器的高速无刷直流电机控制器，包括直流电源，直流电源的正端与Buck变换器的1脚连接，负端与Buck变换器的2脚连接，Buck变换器的3脚与三相逆变桥的1脚连接，Buck变换器的4脚通过电流检测电阻与三相逆变桥的2脚连接，三相逆变桥的4脚、5脚、6脚按顺序与无刷直流电机的A、B、C三相绕组对应连接，电流检测电阻与电压电流检测电路相连，三相逆变桥、无刷直流电机均与硬件换相电路相连，Buck变换器与PWM驱动模块相连，所述的电压电流检测电路、PWM驱动模块均与DSP控制板相连，所述的DSP控制板还与保护电路、触摸屏相连。
所述的Buck变换器由+50V直流电源、可控硅T1、二极管D1、二极管D2、滤波电感组以及滤波电容组组成，可控硅T1的PWM驱动信号由外部输入，电阻R1、电容C1、二极管D1组成RCD吸收电路，用于吸收可控硅Q11两端的高频信号，以降低可控硅T1的开关损耗。
所述的PWM驱动模块中包括PWM信号驱动芯片、光耦，PWM信号驱动芯片的2脚通过并联的电阻R2、电容C2与PWM信号端口连接，PWM信号驱动芯片的3脚、5脚与GND连接，PWM信号驱动芯片的4脚与+15V连接，PWM信号驱动芯片的4脚、5脚间还连接有电容C3，PWM信号驱动芯片的12脚依次与稳压二极管D3、二极管D4、二极管D5、+50V连接，PWM信号驱动芯片的15脚依次与电阻R3、GPWM端口连接,PWM信号驱动芯片的16脚依次与电阻R4、GPWM端口连接,PWM信号驱动芯片的17脚与EPWM端口连接,PWM信号驱动芯片的13脚与光耦的2脚连接，PWM信号驱动芯片的18脚通过电阻R7与光耦的1脚连接，光耦的1脚、2脚之间还连接有电阻R8。
所述的电压电流检测电路包括电流检测电路和电压检测电路。
所述的电流检测电路中包括Ⅰ号运算放大器，电阻R20连接反馈电流FKDL端口，另一端与电阻R23、电容C15以及运算放大器24的2脚相接，电阻R23、电容C15的另一端则与Ⅰ号运算放大器的1脚连接，电阻R21连接GND端口，另一端与电阻R22、电容C14以及Ⅰ号运算放大器的3脚相接，电阻R22、电容C14的另一端与AGND连接，Ⅰ号运算放大器的4脚、11脚分别与+15VA、-15VA连接，电阻R24与Ⅰ号运算放大器1脚连接，电阻R24的另一端与电容C16、电容C17、二极管D13的阴极、二极管D14的阳极连接，电容C16、电容C17的另一端以及二极管D13的阳极与AGND连接，二极管D14的阴极则与3.3VA连接。
所述的电压检测电路中包括Ⅱ号运算放大器，电阻R26连接反馈电压FKDY端口，另一端与电阻R28以及Ⅱ号运算放大器的3脚相接，电阻R28的另一端与AGND连接，电阻R25连接GND端口，另一端与电阻R27以及Ⅱ号运算放大器的2脚相接，电阻R27的另一端与电阻R29以及Ⅱ号运算放大器的1脚连接，电阻R29另一端与电阻R32以及Ⅱ号运算放大器的5脚连接，电阻R32另一端与AGND连接，Ⅱ号运算放大器的4脚、11脚分别与+15VA、-15VA连接，Ⅱ号运算放大器的6脚与电阻R30、电阻R31连接，电阻R30的另一端与AGND连接，电阻R31的另一端则与Ⅱ号运算放大器的7脚、电容C18、电容C19、二极管D15的阴极、二极管D16的阳极连接，电容C18、电容C19的另一端以及二极管D15的阳极与AGND连接，二极管D16的阴极与3.3VA连接。
所述的保护电路包括比较器、Ⅴ号与门、Ⅲ号反相器，反馈电压FKDY端口与比较器的6脚连接，反馈电流FKDL端口与比较器的2脚连接，+3.3VA与比较器的5脚、3脚连接，电阻R33与比较器的7脚、Ⅴ号与门的4脚连接，电阻R34与比较器的1脚、Ⅴ号与门的5脚连接，电阻R33、电阻R34的另一端与VCC连接，二极管D18的阴极和Ⅲ号反相器的1脚、Ⅴ号与门的6脚连接，二极管D18的阳极与VCC连接，Ⅲ号反相器的2脚与电阻R35连接，电阻R35的另一端与+3.3V连接。
本发明采用三相逆变桥前加Buck变换器的控制方式，将直流电机的换相与调速功能分开，并通过触摸屏显示、调节电机参数，实现了对电机实时控制；通过Buck变换器调节，用平稳的直流电压代替原有的PWM脉冲电压，有效消除了定子电流的非连续跳变，降低电机铁耗；采用硬件逻辑换相电路代替软件换相程序，减少了DSP程序的复杂性，使DSP专注于电机的控制算法，从而提高了控制效率。
附图说明
图1是本发明无刷直流电机控制系统结构框图；
图2是本发明中Buck变换器电路图；
图3是本发明中PWM信号驱动模块电路图；
图4是本发明中三相逆变桥内部结构图；
图5是本发明中三相逆变桥IPM模块的电路图；
图6是本发明中霍尔信号值与三相逆变桥开关管导通对应图；
图7是本发明中硬件换相的电路图；
图8是本发明中电流检测电路的电路图；
图9是本发明中电压检测电路的电路图；
图10是本发明中控制器保护电路的电路图；
其中：
1直流电源2Buck变换器
3三相逆变桥4无刷直流电机
5电压电流检测电路6DSP控制板
7硬件换相电路8保护电路
9触摸屏10PWM驱动模块
11电流检测电阻12滤波电感组
13滤波电容组14PWM信号驱动芯片
15光耦16三相逆变桥IPM模块
17输出电压端子18Ⅰ号反相器
19Ⅰ号与门20Ⅱ号反相器
21Ⅱ号与门22Ⅲ号与门
23Ⅳ号与门24Ⅰ号运算放大器
25Ⅱ号运算放大器26比较器
27Ⅴ号与门28Ⅲ号反相器。
具体实施方式
以下，参照附图和实施例对本发明进行详细说明：
如图1所示，一种基于BUCK变换器的高速无刷直流电机控制器，包括直流电源1，直流电源1的正端与Buck变换器2的1脚连接，负端与Buck变换器2的2脚连接，Buck变换器2的3脚与三相逆变桥3的1脚连接，Buck变换器2的4脚通过电流检测电阻11与三相逆变桥3的2脚连接，三相逆变桥3的4脚、5脚、6脚按顺序与无刷直流电机4的A、B、C三相绕组对应连接，即三相逆变桥3的4脚与无刷直流电机4的A相绕组连接，三相逆变桥3的5脚与无刷直流电机4的B相绕组连接，三相逆变桥3的6脚与无刷直流电机4的C相绕组连接，电流检测电阻11与电压电流检测电路5相连，三相逆变桥3、无刷直流电机4均与硬件换相电路7相连，Buck变换器2与PWM驱动模块10相连，所述的电压电流检测电路5、PWM驱动模块10均与DSP控制板6相连，所述的DSP控制板6还与保护电路8、触摸屏9相连。
其中，包括直流电源1为无刷直流电机4提供直流电，Buck变换器2将直流电变换为可调直流电压，三相逆变桥3、硬件换相电路7用于无刷直流电机4换相，DSP控制板6用于电压电流信号的采集、PWM信号输出、电机的控制算法、人机通讯，电压电流检测电路5用于无刷直流电机4电压电流采集，保护电路8保护信号输出功能，PWM驱动模块10为无刷直流电机4提供PWM驱动信号，触摸屏9用于无刷直流电机4参数显示和调节。
如图2所示，所述的Buck变换器2由+50V直流电源、可控硅T1、二极管D1、二极管D2、滤波电感组12以及滤波电容组13组成，可控硅T1的PWM驱动信号由外部输入，电阻R1、电容C1、二极管D1组成RCD吸收电路，用于吸收可控硅Q11两端的高频信号，以降低可控硅T1的开关损耗。
所述的Buck变换器2包括+50V直流电源端口，+50V直流电源端口与电阻R1、可控硅T1的集电极、二极管D1的阳极连接，电阻R1的另一端以及二极管D1的阴极与电容C1连接，电容C1的另一端与可控硅T1的发射极连接，驱动信号GPWM、EPWM分别与可控硅T1的基极、发射极连接，二极管D2的阳极与GND连接，二极管D2的阴极与可控硅T1的发射极、电容C1的另一端连接，Buck变换器2中的滤波电感组12由三个电感串联组成，滤波电感组12的一端同时与二极管D2的阴极、可控硅T1的发射极、电容C1的另一端连接，另一端与滤波电容组13连接，所述的滤波电容组13由两个电容并联组成，滤波电容组13一端与滤波电感组12连接，另一端与GND连接。
如图3所示，PWM驱动模块10中包括PWM信号驱动芯片14、光耦15，PWM信号驱动芯片14的2脚通过并联的电阻R2、电容C2与PWM信号端口连接，PWM信号驱动芯片14的3脚、5脚与GND连接，PWM信号驱动芯片14的4脚与+15V连接，PWM信号驱动芯片14的4脚、5脚间还连接有电容C3，PWM信号驱动芯片14的12脚依次与稳压二极管D3、二极管D4、二极管D5、+50V连接，PWM信号驱动芯片14的15脚依次与电阻R3、GPWM端口连接,PWM信号驱动芯片14的16脚依次与电阻R4、GPWM端口连接,PWM信号驱动芯片14的17脚与EPWM端口连接,PWM信号驱动芯片14的13脚与光耦15的2脚连接，PWM信号驱动芯片14的18脚通过电阻R7与光耦15的1脚连接，光耦15的1脚、2脚之间还连接有电阻R8。
PWM驱动模块10将DSP的PWM信号转换为正负两路驱动信号，分别与可控硅T1的基极、发射极相接，所述的PWM驱动模块10包括PWM信号驱动芯片14，PWM信号端口与电阻R2、电容C2连接，电阻R2、电容C2的另一端与PWM信号驱动芯片14的2脚连接，GND与PWM信号驱动芯片14的3脚连接，+15V与PWM信号驱动芯片14的4脚、电容C3的正端连接，GND与PWM信号驱动芯片14的5脚、电容C3的负端连接，PWM信号驱动芯片14的12脚与稳压二极管D3的阴极连接，稳压二极管D3的阳极与二极管D4的阳极连接，二极管D4的阴极与二极管D5的阳极连接，二极管D5的阴极与+50V电源端口连接，电阻R3接PWM信号驱动芯片14的15脚，电阻R3的另一端与电阻R5、电阻R4以及GPWM端口连接，电阻R4接PWM信号驱动芯片14的16脚，电阻R4的另一端与电阻R5、GPWM端口连接，电阻R5接PWM信号驱动芯片14的17脚，另一端与GPWM端口连接,电阻R7接PWM信号驱动芯片14的18脚，电阻R7的另一端与电阻R8、光耦15的1脚连接，电阻R8接PWM信号驱动芯片14的13脚和光耦15的2脚，另一端与电阻R7连接，电阻R6接光耦15的3脚、PRO端口，另一端与+5V连接，光耦15的4脚与GND连接。
如图4所示，三相逆变桥3包括可控硅Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6，三相逆变桥3的1脚电与可控硅Q1、可控硅Q3、可控硅Q5的集电极连接，三相逆变桥3的2脚与可控硅Q2、可控硅Q4、可控硅Q6的发射极连接，可控硅Q1的发射极与可控硅Q2的集电极连接，可控硅Q3的发射极与可控硅Q4的集电极连接，可控硅Q5的发射极与可控硅Q6的集电极连接。三相逆变桥3的3脚与可控硅Q1的发射极、可控硅Q2的集电极连接，三相逆变桥3的4脚与可控硅Q3的发射极、可控硅Q4的集电极连接，三相逆变桥3的5脚与可控硅Q5的发射极、可控硅Q6的集电极连接。
图5为三相逆变桥IPM模块的外围电路图，其连接关系如下：+15V与电阻R9、电容C4以及三相逆变桥IPM模块16的2脚、8脚连接，电阻R9的另一端与二极管D6的阳极连接，二极管D6的阴极、二极管D9的阴极、电容C5的正极以及电容C6与三相逆变桥IPM模块16的2脚连接，二极管D9的阳极、电容C5的负极以及电容C6的另一端与三相逆变桥IPM模块16的23脚、输出电压端子17的1脚连接。+15V与电阻R10连接，电阻R10的另一端与二极管D7的阳极连接，二极管D7的阴极、二极管D10的阴极、电容C7的正极以及电容C8与三相逆变桥IPM模块16的3脚连接，二极管D10的阳极、电容C7的负极以及电容C8的另一端与三相逆变桥IPM模块16的22脚、输出电压端子17的2脚连接。+15V与电阻R11连接，电阻R11的另一端与二极管D8的阳极连接，二极管D8的阴极、二极管D11的阴极、电容C9的正极以及电容C10与三相逆变桥IPM模块16的4脚连接，二极管D11的阳极、电容C9的负极以及电容C10的另一端与三相逆变桥IPM模块16的21脚、输出电压端子17的3脚连接。+15V与电容C12的正极、电容C11、二极管D12的阴极以及三相逆变桥IPM模块16的13脚连接，电容C12的负极、二极管D12的阳极、电容C11的另一端以及三相逆变桥IPM模块16的16脚、17脚与GND连接，VCC与电阻R12连接，电阻R12的另一端与PRO端口、三相逆变桥IPM模块16的14脚连接，电容C13的正极与20的24脚、VDC+端口连接，电容C13的负极与三相逆变桥IPM模块16的20脚、VDC-端口连接。
如图6所示，其中，所述的霍尔信号包括霍尔位置信号HallA、霍尔位置信号HallB、霍尔位置信号HallC。其中1代表高电平，0代表低电平，A、B、C代表无刷直流电机的三相绕组，Q1-Q6代表三相逆变桥的可控硅，根据同一时刻三个霍尔信号的值，控制三相逆变桥相应可控硅的导通，便可实现无刷直流电机ABC三相绕组之间的换相功能。
如图7所示，其中，霍尔位置信号HallA中的霍尔信号端口HallA与Ⅰ号反相器18的9脚连接，Ⅰ号与门19的2脚、4脚与Ⅰ号反相器18的8脚连接，Ⅰ号与门19的1脚与霍尔信号端口HALLB连接，Ⅰ号与门19的5脚与霍尔信号端口HALLC连接，Ⅰ号与门19的3脚与Ⅱ号反相器20的9脚连接，Ⅰ号与门19的6脚与Ⅱ号反相器20的1脚连接，Ⅱ号反相器20的8脚与Ⅱ号与门21的4脚连接，Ⅱ号反相器20的2脚与Ⅱ号与门21的9脚连接，Ⅱ号与门21的5脚与Ⅰ号与门19的8脚连接，Ⅱ号与门21的10脚与Ⅳ号与门23的8脚连接，Ⅱ号与门21的6脚与电阻R14连接，Ⅱ号与门21的8脚与电阻R15连接，电阻R14、电阻R15的另一端与3.3V连接。
霍尔位置信号HallB中的霍尔信号端口HallB与Ⅰ号反相器18的11脚连接，Ⅰ号与门19的10脚、12脚与Ⅰ号反相器18的10脚连接，Ⅰ号与门19的9脚与霍尔信号端口HALLA连接，Ⅰ号与门19的13脚与霍尔信号端口HALLC连接，Ⅰ号与门19的8脚与Ⅱ号反相器20的3脚连接，Ⅰ号与门19的11脚与Ⅱ号反相器20的5脚连接，Ⅱ号反相器20的4脚与Ⅱ号与门21的12脚连接，Ⅱ号反相器20的6脚与Ⅱ号与门21的2脚连接，Ⅱ号与门21的13脚与Ⅰ号与门19的3脚连接，Ⅱ号与门21的1脚与Ⅳ号与门23的11脚连接，Ⅱ号与门21的11脚与电阻R16连接，Ⅱ号与门21的3脚与电阻R17连接，电阻R16、电阻R17的另一端与3.3V连接。
霍尔位置信号HallC中的霍尔信号端HallC与Ⅰ号反相器18的13脚连接，Ⅳ号与门23的13脚、9脚与Ⅰ号反相器18的12脚连接，Ⅳ号与门23的10脚与霍尔信号端HALLA连接，Ⅳ号与门23的12脚与霍尔信号端HALLB连接，Ⅳ号与门23的8脚与Ⅱ号反相器20的11脚连接，Ⅳ号与门23的11脚与Ⅱ号反相器20的13脚连接，Ⅱ号反相器20的12脚与Ⅲ号与门22的1脚连接，Ⅱ号反相器20的10脚与Ⅲ号与门22的12脚连接，Ⅲ号与门22的13脚与Ⅰ号与门19的6脚连接，Ⅲ号与门22的2脚与Ⅰ号与门19的11脚连接，Ⅲ号与门22的3脚与电阻R18连接，Ⅲ号与门22的11脚与电阻R19连接，电阻R18、电阻R19的另一端与3.3V连接。
所述的电压电流检测电路7包括电流检测电路和电压检测电路。
如图8所示，所述的电流检测电路中包括Ⅰ号运算放大器24，电阻R20连接反馈电流FKDL端口，另一端与电阻R23、电容C15以及运算放大器24的2脚相接，电阻R23、电容C15的另一端则与Ⅰ号运算放大器24的1脚连接，电阻R21连接GND端口，另一端与电阻R22、电容C14以及Ⅰ号运算放大器24的3脚相接，电阻R22、电容C14的另一端与AGND连接，Ⅰ号运算放大器24的4脚、11脚分别与+15VA、-15VA连接，电阻R24与Ⅰ号运算放大器241脚连接，电阻R24的另一端与电容C16、电容C17、二极管D13的阴极、二极管D14的阳极连接，电容C16、电容C17的另一端以及二极管D13的阳极与AGND连接，二极管D14的阴极则与3.3VA连接。
如图9所示，所述的电压检测电路中包括Ⅱ号运算放大器25，电阻R26连接反馈电压FKDY端口，另一端与电阻R28以及Ⅱ号运算放大器25的3脚相接，电阻R28的另一端与AGND连接，电阻R25连接GND端口，另一端与电阻R27以及Ⅱ号运算放大器25的2脚相接，电阻R27的另一端与电阻R29以及Ⅱ号运算放大器25的1脚连接，电阻R29另一端与电阻R32以及Ⅱ号运算放大器25的5脚连接，电阻R32另一端与AGND连接，Ⅱ号运算放大器25的4脚、11脚分别与+15VA、-15VA连接，Ⅱ号运算放大器25的6脚与电阻R30、电阻R31连接，电阻R30的另一端与AGND连接，电阻R31的另一端则与Ⅱ号运算放大器25的7脚、电容C18、电容C19、二极管D15的阴极、二极管D16的阳极连接，电容C18、电容C19的另一端以及二极管D15的阳极与AGND连接，二极管D16的阴极与3.3VA连接。
如图10所示，所述的保护电路8包括比较器26、Ⅴ号与门27、Ⅲ号反相器28，反馈电压FKDY端口与比较器26的6脚连接，反馈电流FKDL端口与比较器26的2脚连接，+3.3VA与比较器26的5脚、3脚连接，电阻R33与比较器26的7脚、Ⅴ号与门27的4脚连接，电阻R34与比较器26的1脚、Ⅴ号与门27的5脚连接，电阻R33、电阻R34的另一端与VCC连接，二极管D18的阴极和Ⅲ号反相器28的1脚、Ⅴ号与门27的6脚连接，二极管D18的阳极与VCC连接，Ⅲ号反相器28的2脚与电阻R35连接，电阻R35的另一端与+3.3V连接。
所述Buck变换器2是一种降压型DC/DC变换装置，将固定的直流电压变换成输出可变的直流电压，它由可控硅、驱动信号模块、续流二极管以及LC滤波电路构成。直流电源正极与可控硅的集电极连接，可控硅的发射极与续流二极管阴极相接，二极管的阳极与电源负极相接。
DSP控制板6生成的PWM信号经PWM驱动模块10生成正负两路驱动信号分别与图2可控硅T1的基极、发射极连接，对可控硅T1进行PWM调制。LC滤波电路并接与续流二极管的两端，对调制后的电压进行滤波便生成平滑稳定的直流电压，通过DSP调节PWM信号的占空比，便可控制输出直流电压的大小。
所述三相逆变桥3用于实现电机换相，其结构原理如图4所示，三相逆变桥由三个桥臂六个可控硅Q1-Q6组成，上桥臂的可控硅为Q1、Q3、Q5，下桥臂的可控硅为Q2、Q4、Q6，其中Q1和Q2构成一个桥臂，Q3和Q4构成一个桥臂，Q5和Q6构成一个桥臂。
本发明中三相逆变桥模块选用的是三菱公司第4代智能功率模块（IPM）PS21964，它将功率芯片、驱动和保护电路集成到同一个模块中，模块体积小，额定容量大，易于应用在小功率电机的变频控制中，同时外围电路简单，无需光耦或变压器隔离，可直接将DSP的PWM信号连接到功率模块，方便应用。
所述硬件换相电路7用于完成霍尔位置信号到驱动信号的转换，由于无刷直流电机的换相时刻由位置信号决定，电机的位置信号通过三个霍尔传感器检测得到，三个霍尔传感器环绕在转子周围，空间上间隔120°，在转子磁场作用下，霍尔传感器产生一个180°的脉宽高电平信号，三个霍尔传感器的输出信号在相位上互差120°，在每个周期中共有6个上升沿或下降沿，对应电机的6个换相时刻，因此根据三个霍尔信号的值，驱动相应的逆变桥可控硅开关管，便可实现电机的正确换相。三相逆变桥开关管的驱动信号与霍尔信号存在以下逻辑关系：
上式中HallA、HallB、HallC代表霍尔传感器产生的信号，霍尔信号反相值用、、表示，由于霍尔信号为高低电平的脉宽信号，因此其取值均为0或1。G1-G6代表三相逆变桥可控硅Q1-Q6的驱动信号，驱动信号由一项霍尔信号值和另外两项反相霍尔信号值的任意一个相乘得到，当驱动信号值为高电平1时，可控硅导通，当驱动信号值为低电平0时，可控硅关断。
根据上述逻辑关系进行换相电路设计，硬件换相电路由逻辑芯片构成，霍尔信号HallA、HallB、HallC分别与反相器连接生成反相信号，任意一个反相霍尔信号分别与另外两个霍尔信号经与门生成两个开关管的驱动信号。每个开关管的驱动信号与同一桥臂的另一开关管驱动信号经反相器、与门组成的互锁电路进行互锁，以防止两个开关管同时导通，造成直流母线短路，互锁后的信号再经外部电压拉高转换为驱动信号的电平，驱动三相逆变桥相应的开关管，实现电机的正确换相。
所述触摸屏9选用北京昆仑通态公司的7寸触摸屏，型号为TPC7062K，该触摸屏由24V直流电源供电，采用RS232方式与DSP通讯，集成了液晶显示屏、触摸面板、控制及数据存储等单元。软件分为运行环境画面组态软件和触摸屏数据通讯协议，两者采用MCGS嵌入版组态软件及其脚本驱动开发工具进行编写。
所述DSP控制板6是整个控制器的控制核心，本专利选用TI公司的TMS320F2812开发板，通过与外围电压电流检测电路、PWM驱动模块、保护电路以及触摸屏等连接，实现电压电流信号的采集、PWM信号的输出、人机通讯以及直流电机控制保护等功能。
本专利所述的无刷直流电机控制器还包含电压电流检测电路和保护电路。电压电流检测电路通过差分放大器实现，反馈的电压、电流信号经差分放大器按比例放大或缩小，经RC滤波电路滤波后，再经限幅电路将其幅值限制在3.3V以内，用于DSP的A/D采集。保护电路则根据电压电流检测的信号通过比较器与限值信号对比，向DSP输出保护信号，DSP接收保护信号后通过软件控制实现保护功能。
本发明采用三相逆变桥前加Buck变换器的控制方式，将直流电机的换相与调速功能分开，并通过触摸屏显示、调节电机参数，实现了对电机实时控制；通过Buck变换器调节，用平稳的直流电压代替原有的PWM脉冲电压，有效消除了定子电流的非连续跳变，降低电机铁耗；采用硬件逻辑换相电路代替软件换相程序，减少了DSP程序的复杂性，使DSP专注于电机的控制算法，从而提高了控制效率。

Claims (7)

1.一种基于BUCK变换器的高速无刷直流电机控制器，包括直流电源（1），其特征在于：直流电源（1）的正端与Buck变换器（2）的1脚连接，负端与Buck变换器（2）的2脚连接，Buck变换器（2）的3脚与三相逆变桥（3）的1脚连接，Buck变换器（2）的4脚通过电流检测电阻（11）与三相逆变桥（3）的2脚连接，三相逆变桥（3）的4脚、5脚、6脚按顺序与无刷直流电机（4）的A、B、C三相绕组对应连接，电流检测电阻（11）与电压电流检测电路（5）相连，三相逆变桥（3）、无刷直流电机（4）均与硬件换相电路（7）相连，Buck变换器（2）与PWM驱动模块（10）相连，所述的电压电流检测电路（5）、PWM驱动模块（10）均与DSP控制板（6）相连，所述的DSP控制板（6）还与保护电路（8）、触摸屏（9）相连。
2.根据权利要求1所述的基于BUCK变换器的高速无刷直流电机控制器，其特征在于：所述的Buck变换器（2）由+50V直流电源、可控硅T1、二极管D1、二极管D2、滤波电感组（12）以及滤波电容组（13）组成，可控硅T1的PWM驱动信号由外部输入，电阻R1、电容C1、二极管D1组成RCD吸收电路，用于吸收可控硅Q11两端的高频信号，以降低可控硅T1的开关损耗。
3.根据权利要求1所述的基于BUCK变换器的高速无刷直流电机控制器，其特征在于：所述的PWM驱动模块（10）中包括PWM信号驱动芯片（14）、光耦（15），PWM信号驱动芯片（14）的2脚通过并联的电阻R2、电容C2与PWM信号端口连接，PWM信号驱动芯片（14）的3脚、5脚与GND连接，PWM信号驱动芯片（14）的4脚与+15V连接，PWM信号驱动芯片（14）的4脚、5脚间还连接有电容C3，PWM信号驱动芯片（14）的12脚依次与稳压二极管D3、二极管D4、二极管D5、+50V连接，PWM信号驱动芯片（14）的15脚依次与电阻R3、GPWM端口连接,PWM信号驱动芯片（14）的16脚依次与电阻R4、GPWM端口连接,PWM信号驱动芯片（14）的17脚与EPWM端口连接,PWM信号驱动芯片（14）的13脚与光耦（15）的2脚连接，PWM信号驱动芯片（14）的18脚通过电阻R7与光耦（15）的1脚连接，光耦（15）的1脚、2脚之间还连接有电阻R8。
4.根据权利要求1所述的基于BUCK变换器的高速无刷直流电机控制器，其特征在于：所述的电压电流检测电路（7）包括电流检测电路和电压检测电路。
5.根据权利要求4所述的基于BUCK变换器的高速无刷直流电机控制器，其特征在于：所述的电流检测电路中包括Ⅰ号运算放大器（24），电阻R20连接反馈电流FKDL端口，另一端与电阻R23、电容C15以及运算放大器24的2脚相接，电阻R23、电容C15的另一端则与Ⅰ号运算放大器（24）的1脚连接，电阻R21连接GND端口，另一端与电阻R22、电容C14以及Ⅰ号运算放大器（24）的3脚相接，电阻R22、电容C14的另一端与AGND连接，Ⅰ号运算放大器（24）的4脚、11脚分别与+15VA、-15VA连接，电阻R24与Ⅰ号运算放大器（24）1脚连接，电阻R24的另一端与电容C16、电容C17、二极管D13的阴极、二极管D14的阳极连接，电容C16、电容C17的另一端以及二极管D13的阳极与AGND连接，二极管D14的阴极则与3.3VA连接。
6.根据权利要求4所述的基于BUCK变换器的高速无刷直流电机控制器，其特征在于：所述的电压检测电路中包括Ⅱ号运算放大器（25），电阻R26连接反馈电压FKDY端口，另一端与电阻R28以及Ⅱ号运算放大器（25）的3脚相接，电阻R28的另一端与AGND连接，电阻R25连接GND端口，另一端与电阻R27以及Ⅱ号运算放大器（25）的2脚相接，电阻R27的另一端与电阻R29以及Ⅱ号运算放大器（25）的1脚连接，电阻R29另一端与电阻R32以及Ⅱ号运算放大器（25）的5脚连接，电阻R32另一端与AGND连接，Ⅱ号运算放大器（25）的4脚、11脚分别与+15VA、-15VA连接，Ⅱ号运算放大器（25）的6脚与电阻R30、电阻R31连接，电阻R30的另一端与AGND连接，电阻R31的另一端则与Ⅱ号运算放大器（25）的7脚、电容C18、电容C19、二极管D15的阴极、二极管D16的阳极连接，电容C18、电容C19的另一端以及二极管D15的阳极与AGND连接，二极管D16的阴极与3.3VA连接。
7.根据权利要求1所述的基于BUCK变换器的高速无刷直流电机控制器，其特征在于：所述的保护电路（8）包括比较器（26）、Ⅴ号与门（27）、Ⅲ号反相器（28），反馈电压FKDY端口与比较器（26）的6脚连接，反馈电流FKDL端口与比较器（26）的2脚连接，+3.3VA与比较器（26）的5脚、3脚连接，电阻R33与比较器（26）的7脚、Ⅴ号与门（27）的4脚连接，电阻R34与比较器（26）的1脚、Ⅴ号与门（27）的5脚连接，电阻R33、电阻R34的另一端与VCC连接，二极管D18的阴极和Ⅲ号反相器（28）的1脚、Ⅴ号与门（27）的6脚连接，二极管D18的阳极与VCC连接，Ⅲ号反相器（28）的2脚与电阻R35连接，电阻R35的另一端与+3.3V连接。
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