CN105680739A

CN105680739A - 一种高转速无刷直流电机无位置传感器控制器

Info

Publication number: CN105680739A
Application number: CN201610203423.2A
Authority: CN
Inventors: 刘健; 徐鹏; 张汇捷; 周尧
Original assignee: Wuhan Institute of Technology
Current assignee: Wuhan Institute of Technology
Priority date: 2016-04-01
Filing date: 2016-04-01
Publication date: 2016-06-15

Abstract

本发明公开了一种高转速无刷直流电机无位置传感器控制器，包括整流模块、直流电源模块、MCU模块、功率驱动电路模块、过零点检测电路模块、直流母线电流采样模块，整流模块的输出端，一端为高转速无刷直流电机供电，另一端为传感器控制器供电；直流电源模块产生15V、5V、3.3V的直流电，其中15V直流电为功率驱动电路模块供电，3.3V直流电为MCU模块供电；MCU模块控制6路高频PWM信号生成、过零点信号检测与换相时间计算、直流母线电流信号采样。本发明简化了控制器硬件结构，节省元器件，实现在降低控制器成本的同时，达到对高转速状态下无刷直流电机平稳控制的目的。

Description

一种高转速无刷直流电机无位置传感器控制器

技术领域

本发明属于电力电子电机控制领域，尤其涉及一种高转速无刷直流电机无位置传感器控制器。

背景技术

传统的无刷直流电机控制器，一般采用专用芯片配置外围硬件电路实现对无刷直流电机的控制，这种控制器成本高，可扩展性差，升级困难，其控制对象转速一般为每分钟几千转。当控制对象转速达到每分钟数万转时，传统的无刷直流电机控制器很难满足要求。现有的无刷直流电机控制器一种采用DSP或者高端专用芯片控制，可以实现高速状态下的控制，但是昂贵的芯片价格将导致产品成本急剧上升，其它种类无刷直流电机控制器的性能难以达到需求，产品的市场前景和竞争力受到较大的限制。

发明内容

本发明针对现有技术中的问题，提供一种高转速无刷直流电机无位置传感器控制器，简化了控制器硬件结构，节省元器件，实现在降低控制器成本的同时，达到对高转速状态下无刷直流电机平稳控制的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种高转速无刷直流电机无位置传感器控制器，包括(AC-DC)整流模块、直流电源模块、MCU模块、功率驱动电路模块、过零点检测电路模块、直流母线电流采样模块，整流模块的输出端，一端为高转速无刷直流电机供电，另一端为传感器控制器供电；直流电源模块产生15V、5V、3.3V的直流电，其中15V直流电为功率驱动电路模块供电，3.3V直流电为MCU模块供电；MCU模块控制6路高频PWM信号生成、过零点信号检测与换相时间计算、直流母线电流信号采样。根据预先设定的程序，实现高转速无刷直流电机的控制。功率驱动电路模块主电路为标准的三相两电平逆变电路。过零点检测电路模块通过采集直流母线电压并与三相合成电压相比较，来实现过零点检测。

按上述技术方案，MCU模块采用8位MCU主控芯片，其PWM输出管脚与功率驱动电路模块的输入管脚相连。低成本的8位MCU主控芯片，配合功率驱动电路模块、过零点检测电路模块，通过程序控制完成6路高频PWM驱动信号生成、过零点信号检测与换相时间的计算、直流母线电流信号采样等功能，由此实现高转速无刷直流电机的控制。

按上述技术方案，整流模块采用集成整流芯片把交流电压整流成直流电提供给控制器，集成整流芯片1脚接地，2脚、3脚与交流电源连接，4脚引出分两路，一路提供直流电压VDC，一路接电容C5的正极，C5负极接地。

按上述技术方案，直流电源模块包括开关电源芯片U6、5V稳压集成电路U7、3V稳压集成电路U8、电容C7、C8、C9、C10、C12、C13、C16、C17、C18、C24、C25、C26、二极管D6、D7、D8、D9、D10、电感L1、电阻R32，其中U6、C10、C12、C13、C16、C17、C18、D6、D7、D8、D9、L1组成15v供电模块，U6的5、6、7、8接直流电源VDC，引脚1、2与C10的负极、D9的负极、C12、C13上端相连接，U6引脚3接D6正极、C13下端，U6引脚4接D7负极，D9正极接地，负极接L1，L1与C16、C17、C18上端以及D8的正极相连接，C16、C17、C18下端接地，C12下端、D6负极、D7的正极、D8负极相连接，D8正极引出提供+15V电源，U7、C7、C8、C9、D10、R32组成5V电源模块，U7引脚1与C8正极、C9上端、D10负极相连接，引脚2接地，引脚3与+15V电源、C7正极相连接，C7负极接地，C8负极、C9下端、R32下端接地，U7引脚1引出提供+5V电源，U8、C24、C25、C26组成3.3V电源模块，U8的引脚1、C24负极、C25负极、C26下端接地，U8引脚2与C2正极、C26上端相连接，U8引脚3、+5v电源、C24正极相连接，U8引脚2引出提供+3.3V电压。

按上述技术方案，功率驱动模块为标准的三相两电平逆变电路，包含三相桥臂，每相桥臂上、下两个开关管不能同时导通，且任意时刻都有三个开关管同时导通，开关器件为IGBT(或者MOSFET全控型电力电子开关器件，)U、V、W为电机的三相，其中第一相桥臂的上桥臂开关器件为AH，下桥臂开关器件为AL，AH的源极、AL的漏极与U相相连；第二相桥臂的上桥臂开关器件为BH，下桥臂开关器件为BL，BH的源极、BL的漏极与V相相连；第三相桥臂的上桥臂开关器件为CH，下桥臂开关器件为CL，CH的源极、CL的漏极与W相相连；AH、BH、CH漏极与直流电源VDC相连接，AL、BL、CL源极接R1的1脚RF，R1为过流保护电阻，R1阻值为0.062Ω，U、V、W三相根据上、下管导通情况决定其电位；AH、AL、BH、BL、CH、CL的栅极分别于MCU六路PWM相连接。当AH导通AL关断时，U相接于直流电源正端，当AL导通AH关断时，A相接于直流电源负端，同理，V和W相也是根据上、下管导通情况决定其电位的。

按上述技术方案，过零点检测电路模块包含电阻R14、R15、R16、R17、R18、R19、R20、R22、电压比较器U5，U相接R14的1脚，V相接R15的1脚，W接R17的1脚，R14、R15、R17的2脚与R20的1脚相连，R20的1脚接R18的1脚，R20的2脚接R1的1脚RF，R18的2脚接芯片U5的3引脚，U5的1脚接R16的2脚，U5的2脚与R19、R22的2脚相连，R19的1脚接直流电源VDC,R22的1脚接RF，U5的4脚接地，U5的5脚接+15V电源，R16的1脚接+3.3V电源，R16的2脚引出，输出过零点检测信号WAVE，提供给MCU。本发明过零点检测电路模块能够实现不同电压等级高转速无刷直流电机的过零点检测功能。

本发明产生的有益效果是：本发明采用低成本的8位MCU作为主控芯片，产生6路PWM控制信号实现传统硬件产生控制信号的功能，简化了控制器硬件结构，并且性能可靠，控制精度高，动态响应好，抗干扰能力强，控制器调速范围广，保证高转速无刷直流电机安全稳定运行，降低了控制器成本。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例一种高转速无刷直流电机无位置传感器控制器的结构原理框图；

图2是控制器电源AC-DC整流模块电路图；

图3是控制器直流电源模块+15V电源电路图；

图4是控制器直流电源模块+5V电源电路图；

图5是控制器直流电源模块+3.3V电源电路图；

图6是控制器功率驱动电路模块主电路图；

图7是控制器过零点检测电路模块电路图；

图8是控制器过零点检测电路等效图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例中，提供一种高转速无刷直流电机无位置传感器控制器，如图1所示，包括(AC-DC)整流模块、直流电源模块、MCU模块、功率驱动电路模块、过零点检测电路模块、直流母线电流采样模块，整流模块的输出端，一端为高转速无刷直流电机供电，另一端为传感器控制器供电；直流电源模块产生15V、5V、3.3V的直流电，其中15V直流电为功率驱动电路模块供电，3.3V直流电为MCU模块供电；MCU模块控制6路高频PWM信号生成、过零点信号检测与换相时间计算、直流母线电流信号采样。根据预先设定的程序，实现高转速无刷直流电机的控制。功率驱动电路模块主电路为标准的三相两电平逆变电路。过零点检测电路模块通过采集直流母线电压并与三相合成电压相比较，来实现过零点检测。

进一步地，MCU模块采用8位MCU主控芯片，其PWM输出管脚与功率驱动电路模块的输入管脚相连。8位MCU模块，包含复位按钮、外部晶振，程序下载接口、过零点信号接口、电流检测信号接口、和PWM模块，PWM模块能产生六路高频PWM，给无刷直流电机提供控制信号。低成本的8位MCU主控芯片，配合功率驱动电路模块、过零点检测电路模块，通过程序控制完成6路高频PWM驱动信号生成、过零点信号检测与换相时间的计算、直流母线电流信号采样等功能，由此实现高转速无刷直流电机的控制。

本发明实施例中，进一步地，整流模块采用集成整流芯片把交流电压整流成直流电提供给控制器，集成整流芯片1脚接地，2脚、3脚与交流电源连接，4脚引出分两路，一路提供直流电压VDC，一路接电容C5的正极，C5负极接地。如图2所示，整流桥芯片3脚、4脚可接交流电220V(也可以是110V、48V等)，接入AC-DC整流模块，配合滤波电路，得到稳定的直流电VDC，VDC一方面给无刷直流电机供电，另一方面是直流电源模块接入端。

进一步地，直流电源模块包括开关电源芯片U6、5V稳压集成电路U7、3V稳压集成电路U8、电容C7、C8、C9、C10、C12、C13、C16、C17、C18、C24、C25、C26、二极管D6、D7、D8、D9、D10、电感L1、电阻R32，其中U6、C10、C12、C13、C16、C17、C18、D6、D7、D8、D9、L1组成15v供电模块，U6的5、6、7、8接直流电源VDC，引脚1、2与C10的负极、D9的负极、C12、C13上端相连接，U6引脚3接D6正极、C13下端，U6引脚4接D7负极，D9正极接地，负极接L1，L1与C16、C17、C18上端以及D8的正极相连接，C16、C17、C18下端接地，C12下端、D6负极、D7的正极、D8负极相连接，D8正极引出提供+15V电源，U7、C7、C8、C9、D10、R32组成5V电源模块，U7引脚1与C8正极、C9上端、D10负极相连接，引脚2接地，引脚3与+15V电源、C7正极相连接，C7负极接地，C8负极、C9下端、R32下端接地，U7引脚1引出提供+5V电源，U8、C24、C25、C26组成3.3V电源模块，U8的引脚1、C24负极、C25负极、C26下端接地，U8引脚2与C2正极、C26上端相连接，U8引脚3、+5v电源、C24正极相连接，U8引脚2引出提供+3.3V电压。

直流电源模块电路中，U6(开关电源芯片，采用AP8012)、C10、C12、C13、C16、C17、C18、D6、D7、D8、D9、L1组成15v供电模块，如图3所示，VDC经过电源芯片U6(本实施例中采用AP8012芯片)，提供+15V稳定直流电压。U6的5、6、7、8接直流电源VDC，引脚1、2与C10的负极、D9的负极、C12、C13上端相连接，U6引脚3接D6正极、C13下端，U6引脚4接D7负极。D9正极接地，负极接L1，L1与C16、C17、C18上端以及D8的正极相连接，C16、C17、C18下端接地，C12下端、D6负极、D7的正极、D8负极相连接，D8正极引出提供+15V电源。U7(采用LM78L05芯片)、C7、C8、C9、D10、R32组成5V电源模块，如图4所示，U7引脚1与C8正极、C9上端、D10负极相连接，引脚2接地，引脚3与+15V电源、C7正极相连接，C7负极接地，C8负极、C9下端、R32下端接地，U7引脚1引出提供+5V电源。U8(采用LM117芯片)、C24、C25、C26组成3.3V电源模块，如图5所示，U8的引脚1、C24负极、C25负极、C26下端接地，U8引脚2与C2正极、C26上端相连接，U8引脚3、+5v电源、C24正极相连接，U8引脚2引出提供+3.3V电压。

进一步地，功率驱动模块为标准的三相两电平逆变电路，如图6所示，包含三相桥臂，每相桥臂上、下两个开关管不能同时导通，且任意时刻都有三个开关管同时导通，开关器件为IGBT(或者MOSFET全控型电力电子开关器件，)U、V、W为电机的三相，其中第一相桥臂的上桥臂开关器件为AH，下桥臂开关器件为AL，AH的源极、AL的漏极与U相相连；第二相桥臂的上桥臂开关器件为BH，下桥臂开关器件为BL，BH的源极、BL的漏极与V相相连；第三相桥臂的上桥臂开关器件为CH，下桥臂开关器件为CL，CH的源极、CL的漏极与W相相连；AH、BH、CH漏极与直流电源VDC相连接，AL、BL、CL源极接R1的1脚RF，R1为过流保护电阻，R1阻值为0.062Ω，U、V、W三相根据上、下管导通情况决定其电位；AH、AL、BH、BL、CH、CL的栅极分别于MCU六路PWM相连接。当AH导通AL关断时，U相接于直流电源正端，当AL导通AH关断时，A相接于直流电源负端，同理，V和W相也是根据上、下管导通情况决定其电位的。

本发明实施例中，进一步地，过零点检测电路模块包含电阻R14、R15、R16、R17、R18、R19、R20、R22、电压比较器U5，U相接R14的1脚，V相接R15的1脚，W接R17的1脚，R14、R15、R17的2脚与R20的1脚相连，R20的1脚接R18的1脚，R20的2脚接R1的1脚RF，R18的2脚接芯片U5的3引脚，U5的1脚接R16的2脚，U5的2脚与R19、R22的2脚相连，R19的1脚接直流电源VDC,R22的1脚接RF，U5的4脚接地，U5的5脚接+15V电源，R16的1脚接+3.3V电源，R16的2脚引出，输出过零点检测信号WAVE，提供给MCU。本发明过零点检测电路模块能够实现不同电压等级高转速无刷直流电机的过零点检测功能。控制器过零点检测电路如图7所示，其核心是比较芯片LM393即U5，通过程序把无刷直流电机的驱动电压与直流母线电压VDC的分压，通过芯片LM393比较之后，输出WAVE信号，MCU采集WAVE信号后，再通过程序处理，判断反电动势过零点，从而实现无位置传感器的转子位置检测。而图7的的过零点检测电路经过等效变换可以得到另外一种电路，如图8所示，可以通过计算得到R22的值。

I₁＝(V_OH-V₂)/R₁(1-1)

I₂＝(V₁-V₂)/R₁(1-2)

I₃＝(V₂-V_RF)/R₁(1-3)

I₄＝(V₂-V_RF)/R₂(1-4)

I₁+I₂＝I₃+I₄(1-5)

当用式子(1-1)、(1-2)、(1-3)和(1-4)替代式子(1-5)以后，可以得到式子(1-6)：

(V_OH-V₂)/R₁+(V₁-V₂)/R₁＝(V₂-V_RF)/R₁+(V₂-V_RF)/R₂(1-6)

从上述等式中，可以得到V₂：

V_{2} = \frac{V_{O H} + V_{R F} + V_{1}}{3 + R_{1} / R_{2}} - - - (1 - 7)

把V₁作为中性点，即V₁＝(V_OH-V_RF)/2+V_RF；在结合式子(1-7)可以推算出式子(1-8)：

比较器的标准电压如(1-9)所示：

V_{A} = (V_{M} - V_{R F}) * \frac{R_{B}}{R_{A} + R_{B}} + V_{R F} - - - (1 - 9)

如果把V₂中性点当做V_A，则有：

(V_{M} - V_{R F}) * \frac{R_{B}}{R_{A} + R_{B}} + V_{R F} = \frac{3 * R_{2} * (V_{O H} + V_{R F})}{2 * (3 R_{2} + R_{1})} - - - (1 - 10)

\frac{R_{B}}{R_{A} + R_{B}} = \frac{1}{V_{M} + V_{R F}} * \frac{3 * R_{2} * (V_{O H} + V_{R F})}{2 * (3 * R_{2} + R_{1})} - V_{R F} - - - (1 - 11)

把R₁＝100k，R₂＝30k带入，经过计算得：

\frac{R_{B}}{R_{A} + R_{B}} = 0.065 - - - (1 - 12)

\frac{R_{B}}{R_{A}} = 0.069 - - - (1 - 13)

把R_A＝220k带入式子(1-13)，可得R_B＝15.18k，这里取R_B＝15k，与等效前的电路图相比较，可得R22＝15k。

由图8可知，无刷直流电机的驱动电压MU，MV，MW经过R14，R15，R16，R20的分压电路后，得到三路较低的三相电压然后再经一个R18送入LM393比较器的同相输入端。反向输入端的电压是直流母线电压VDC经R19，R22分压得到的电压，通过LM393进行比较。最后得到输出信号WAVE，传给MCU处理，而其中R22的取值可由上述计算方法求得。

控制器直流母线电流采样模块，直流母线电压，经过R29和R30分压，然后在经过R31和滤波电容C23，输出稳定的信号给MCU模块，再配合程序，能实时采样直流母线电流。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种高转速无刷直流电机无位置传感器控制器，其特征在于，包括整流模块、直流电源模块、MCU模块、功率驱动电路模块、过零点检测电路模块、直流母线电流采样模块，整流模块的输出端，一端为高转速无刷直流电机供电，另一端为传感器控制器供电；直流电源模块产生15V、5V、3.3V的直流电，其中15V直流电为功率驱动电路模块供电，3.3V直流电为MCU模块供电；MCU模块控制6路高频PWM信号生成、过零点信号检测与换相时间计算、直流母线电流信号采样。

2.根据权利要求1所述的高转速无刷直流电机无位置传感器控制器，其特征在于，MCU模块采用8位MCU主控芯片，其PWM输出管脚与功率驱动电路模块的输入管脚相连。

3.根据权利要求1或2所述的高转速无刷直流电机无位置传感器控制器，其特征在于，整流模块采用集成整流芯片把交流电压整流成直流电提供给控制器，集成整流芯片1脚接地，2脚、3脚与交流电源连接，4脚引出分两路，一路提供直流电压VDC，一路接电容C5的正极，C5负极接地。

4.根据权利要求1或2所述的高转速无刷直流电机无位置传感器控制器，其特征在于，直流电源模块包括开关电源芯片U6、5V稳压集成电路U7、3V稳压集成电路U8、电容C7、C8、C9、C10、C12、C13、C16、C17、C18、C24、C25、C26、二极管D6、D7、D8、D9、D10、电感L1、电阻R32，其中U6、C10、C12、C13、C16、C17、C18、D6、D7、D8、D9、L1组成15v供电模块，U6的5、6、7、8接直流电源VDC，引脚1、2与C10的负极、D9的负极、C12、C13上端相连接，U6引脚3接D6正极、C13下端，U6引脚4接D7负极，D9正极接地，负极接L1，L1与C16、C17、C18上端以及D8的正极相连接，C16、C17、C18下端接地，C12下端、D6负极、D7的正极、D8负极相连接，D8正极引出提供+15V电源，U7、C7、C8、C9、D10、R32组成5V电源模块，U7引脚1与C8正极、C9上端、D10负极相连接，引脚2接地，引脚3与+15V电源、C7正极相连接，C7负极接地，C8负极、C9下端、R32下端接地，U7引脚1引出提供+5V电源，U8、C24、C25、C26组成3.3V电源模块，U8的引脚1、C24负极、C25负极、C26下端接地，U8引脚2与C2正极、C26上端相连接，U8引脚3、+5v电源、C24正极相连接，U8引脚2引出提供+3.3V电压。

5.根据权利要求1或2所述的高转速无刷直流电机无位置传感器控制器，其特征在于，功率驱动模块为标准的三相两电平逆变电路，包含三相桥臂，每相桥臂上、下两个开关管不能同时导通，且任意时刻都有三个开关管同时导通，开关器件为IGBT，U、V、W为电机的三相，其中第一相桥臂的上桥臂开关器件为AH，下桥臂开关器件为AL，AH的源极、AL的漏极与U相相连；第二相桥臂的上桥臂开关器件为BH，下桥臂开关器件为BL，BH的源极、BL的漏极与V相相连；第三相桥臂的上桥臂开关器件为CH，下桥臂开关器件为CL，CH的源极、CL的漏极与W相相连；AH、BH、CH漏极与直流电源VDC相连接，AL、BL、CL源极接R1的1脚RF，R1为过流保护电阻，U、V、W三相根据上、下管导通情况决定其电位；AH、AL、BH、BL、CH、CL的栅极分别于MCU六路PWM相连接。

6.根据权利要求1或2所述的高转速无刷直流电机无位置传感器控制器，其特征在于，过零点检测电路模块包含电阻R14、R15、R16、R17、R18、R19、R20、R22、电压比较器U5，U相接R14的1脚，V相接R15的1脚，W接R17的1脚，R14、R15、R17的2脚与R20的1脚相连，R20的1脚接R18的1脚，R20的2脚接R1的1脚RF，R18的2脚接芯片U5的3引脚，U5的1脚接R16的2脚，U5的2脚与R19、R22的2脚相连，R19的1脚接直流电源VDC,R22的1脚接RF，U5的4脚接地，U5的5脚接+15V电源，R16的1脚接+3.3V电源，R16的2脚引出，输出过零点检测信号WAVE，提供给MCU。