CN106160592A - 一种小型化大功率无刷直流电机控制器及布局结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种小型化大功率无刷直流电机控制器，包括STM32核心控制器模块、模拟信号采样模块、隔离电路模块、功率驱动模块、硬件保护电路模块和RS‑422通信接口模块。STM32核心控制器通过控制三相全桥逆变模块的开关管的导通顺序，将该直流电逆变为无刷直流电机所需要的交流电，其中STM32核心控制器通过光耦(HCPL‑316J)实现对三相全桥逆变器的驱动。另一方面，还可以利用光耦(HCPL‑316J)，对功率电部分与弱电部分实现隔离，从而保证系统的安全运行。STM32核心控制器模块还与模拟信号采样模块、通信接口模块，用于电机数据的实时处理和对电机转速的调节、状态的控制。同时，STM32核心控制器还与RS422通信芯片ADM2681E接口相连，便于与其他设备进行实时的通信。

Description

一种小型化大功率无刷直流电机控制器及布局结构

技术领域

本发明涉及电力电子技术及电机驱动控制技术领域，具体涉及一种大功率无刷直流电机控制器的小型化设计。

背景技术

在嵌入式系统中，无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的。有刷直流电动机从19世纪40年代出现以来，以其运行效率高、调速性能好以及优良的转矩控制特性等诸多优点，在相当长的一段时间内一直在运动控制领域占据主导地位。但由于电刷和机械换向装置的存在，限制了其发展和应用范围。机械换向不良的后果是电刷产生危害性火花，严重时可能产生环火，在大功率电机中显得尤为突出。同时，直流电动机换向火花能引起对无线电通信及控制设备的电磁干扰，转速也受到机械换向的限制而不能很高，这些缺点在很长时间内没有得到根本改善。

无刷直流电机(BLDCM)的出现克服了以上这些缺点，众所周知，无刷直流电机由三部分组成，分别是：电机本体、霍尔位置传感器、电机控制器。另一方面，霍尔位置传感器安装在电机内部，故电机控制器的小型化与轻重量，对航空用无刷直流电机来说就显得尤为重要。同时无刷直流电机的控制方式，也逐渐实现由模拟化向数字化的转变。

随着科技的高速发展，各类用于电机控制的高性能微控制器的种类与功能越来越丰富，运算速度也有了质的飞越，同时价格也越来越低廉，例如意法半导体公司推出的STM32F103系列专门用于电机控制的单片机芯片，其内部具有高级定时器与通用定时器，功能强大，方便电机控制，工作主频可达72MHz，在硬件基础上，可完全实现绝大部分交流电机的实时控制算法。

从电机驱动模块来说，目前大部分现有的电机驱动模块较多的采用了IPM模块来实现三相全桥的逆变功能，该方法的优点是集成度高、电路结构简单；缺点是价格高，一旦损坏，必须替换整个模块，维修成本高。最重要的是体积大，重量大，不符合航空系统对小型化与轻重量的要求。

在航空应用方面，飞机的泵类负载较多，所以泵用航空无刷直流电机控制系统的小型化与轻重量就显得尤为重要，故航空泵用无刷直流电机控制系统在逐渐实现体积上的小型化。

在BLDCM数字控制领域，最经典的控制设计莫过于DSP与CPLD的组合，但基于控制系统对轻重量与小型化的要求，以及对DSP价格的考虑，本发明控制器选用意法半导体推出的ARM(STM32)系列微控制器，与DSP和CPLD相比，ARM大大减小了控制电路板的体积，同时ARM具有强大的外设功能，并提供丰富的库函数，缩短了开发时间；另一方面，ARM芯片与DSP和CPLD组合相比，器件本身体积小，从电路设计与印制电路板层面看，也减少了控制器的体积，且设计灵活，可靠性高。

发明内容

要解决的技术问题

为了解决航空泵用无刷直流电机控制系统的小型化问题，本发明提出了一种基于ARM构架下STM32微控制器与光耦HCPL-316J驱动的无刷直流控制器的电路设计，力图实现在大功率驱动的同时，从印制电路板与电路设计方面减小控制器的体积与重量。

技术方案

一种小型化大功率无刷直流电机控制器，其特征在于包括STM32单片机核心控制器模块、模拟信号采样模块、隔离电路模块、功率驱动模块、硬件保护电路模块和RS-422通信接口模块；模拟信号采样模块连接于驱动电源模块与STM32的AD接口之间，将母线电压及电流进行采样和调理后输入到STM32的AD接口；隔离电路模块连接于功率驱动模块与STM32的PWM信号输出端之间，实现对强弱电的隔离；RS-422通信接口模块连接于STM32片上通信接口与上位计算机之间，用于数据的实时处理和对BLDCM转速的调节、状态的控制；STM32的定时器接口与BLDCM霍尔检测口相连用来检测BLDCM的霍尔信号；硬件保护电路模块连接于模拟信号采样模块与STM32片上故障判定接口之间，实现对控制器的过流、过热的保护；功率驱动模块连接于驱动电源直流母线与BLDCM三相绕组引出线之间，完成对BLDCM的驱动。

所述的功率驱动模块采用赛米控Semikron公司的IGBT三相全桥功率逆变模块，型号为SK200GD066T。

所述STM32单片机核心控制器模块型号为STM32F103VCT6。

所述的模拟信号采样模块包括电压采样模块和电流采样模块，其中电压采样模块包括电压传感器HNV025A、电阻R7、电阻R3、电阻R2、滤波电容C4、限流电阻R22、滤波电阻R1、滤波电容C3、二极管BAT54S和运算放大器U1；其中电阻R7位于电压传感器HNV025A的P_BUS端，电压传感器HNV025A的输出端连接限流电阻R22后再到运算放大器U1的正端，C4与R3并接后接地，BAT54S输出端接至U1正端，R2接至U1负端与输出端，R1一端与U1输出端连接，另一端与C3一端连接作为调理电路输出V_BUS，C3另一端连接至地；其中电流采样模块包括电流传感器CSNF161、输出电阻R10、滤波电阻R7、滤波电容C8、运算放大器U2、二极管BAT54S、滤波电阻R5、滤波电容C9、电阻R12、电阻R6、电阻R11和电容C11，其中R10与C11并联后，一端接地，另一端接电流传感器输出，R7与C8连接后，一端接地，另一端接至电流传感器输出，BAT54S输出端接至U2正端，R6与R11连接后，一端接地，一端接至U2输出端，电阻R12连接于U2输出端与Q点之间，R5一端与U2输出端连接，另一端与C9一端连接作为调理电路输出I_BUS。

所述的硬件保护电路模块包括电阻R8、R9、R13、R14、电容C13、C15和运算放大器U3；其中R8与C13并联后，一端连接至Q点和U3输入端，另一端接地，R13、R14与C15连接后接至U3负端，R13与C15另一端接地，R14另一端接3.3V电源，R9一端接3.3V电源，另一端接至U3输出端作为信号输出Over_Current。

所述的隔离电路模块包括电阻R11、R28、R29、R31、R42、R43、电容C48、C49、二极管D7、双向稳压管TVS7和光耦HCPL-316J；其中R11与R28分别连接在HCPL-316J的VIN+与VIN-引脚，同时HCPL-316J的VIN+与VIN-引脚接STM32单片机核心控制器的PWM_EN与PWM4信号，RESET与FAULT引脚分别接FT_CLR信号与DOWN_FT信号，FAULT与VLED1-之间接C49，VE与DESAT引脚之间接C48，VE端接地，DESAT端接D7后引出驱动信号POWER_UO，VEE连接-9V电压后与VOUT之间连接R31，R42与R43并联一端接与VOUT端，另一端与R16和TVS7并联后的一端相连，同时引出驱动信号Q_UN，R16和TVS7并联后的另一端接地。

一种小型化大功率无刷直流电机控制器的布局结构，其特征在于包括100mm*110mm电机驱动板与100mm*110mm电机控制板，其中电机驱动板上的一面上布有隔离电路模块和矩形连接插座2，另一面上布有功率驱动模块；电机控制板的一面上布有STM32单片机核心控制器模块、模拟信号采样模块、硬件保护电路模块和RS-422通信接口模块，另一面上布有矩形连接插座1；电机驱动板和电机控制板竖立平行放置，两者之间通过支撑杆实现机械连接，通过矩形连接插座1和2实现电连接。

工作过程：当控制电进行上电之后，控制器进行上电自检，STM32核心控制器进行复位；当驱动电源上电之后，模拟信号采样模块采集母线电压与电流，并将经过调理之后得到的母线电压与电流送入STM32核心控制器AD接口进行AD转化，同时将转化得到的数字量经过解算之后通过RS-422通信模块上传至上位计算机，以便于进行母线电压与电流的实时监测与功率的核算；与此同时，STM32核心控制器产生的PWM波通过控制三相全桥逆变模块的开关管的导通顺序，将该直流电逆变为无刷直流电机所需要的交流电；其中STM32核心控制器通过6个光耦HCPL-316J实现对三相全桥逆变器的驱动，并实现强电与弱电的隔离；硬件电路保护模块通过将模拟信号采样模块实时输出的母线电流值与设定保护的阈值进行比较，当确定电流值大于其保护值时，通过STM32片上故障判定功能，关闭PWM输出，使电机实现停机保护；STM32核心控制器的通用定时器通过检测霍尔信号对BLDCM的转子位置进行判断，同时通过通用定时器的中断功能对BLDCM进行测速。

有益效果

本发明提出的一种小型化大功率无刷直流电机控制器，采用STM32F103VCT6电机控制专用单片机，能大大提高无刷直流电机的控制精度与稳定性，与采用DSP+CPLD作为主控制器的无刷直流电机控制器相比，减少了控制系统体积。在电路设计方面，精简了电路，模拟采样模块与硬件保护模块采用较少的集成运算放大器以及比较器，完成了对电压、电流的采样以及母线电流的检测与保护，优化了电路，同时采用HCPL-316J对三相全桥模块进行驱动，避免了采用IPM的体积大，重量大的缺点，从印制电路板设计层面，大大降低控制器体积与成本。本发明还采用了电流与速度的双闭环控制，可大大提高无刷直流电动机系统的鲁棒性，降低电机的转矩脉动，具有极佳的应用推广前景。

附图说明

图1 BLDCM控制器总体结构示意图

图2电压采样电路原理图

图3电流采样电路原理图

图4过流保护电路原理图

图5一个IGBT的HCPL-316J光耦隔离

图6电机驱动板

图7电机控制板

图8电机控制器布局结构图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

如图1所示，本发明包括STM32核心控制器模块、模拟信号采样模块、隔离电路模块、功率驱动模块、硬件保护电路模块和RS-422通信接口模块。功率驱动模块采用采用赛米控(Semikron)公司的IGBT三相全桥功率逆变模块，型号为SK200GD066T，该模块封装后的体积仅为61mm×55mm×12mm，相比于分立式三相逆变器结构布局，占用体积缩小很多，由于整个背面都是散热板(紫铜材料)，散热效果好，很适用于无刷电机驱动器的小型化，其内部单个IGBT最大集-射极电压VCES＝600V，最大集电极电流IC＝200A，符合本大功率电机的驱动功率要求。硬件电路保护模块主要是通过采集到的直流母线电流的实时值与之前设定的电流保护阈值进行比较器的比较，从而对直流母线电流进行有效的检测，实现控制器的过流保护。

给整个系统供电的为270V直流电，STM32核心控制器通过控制三相全桥逆变模块的开关管的导通顺序，将该直流电逆变为无刷直流电机所需要的交流电，其中STM32核心控制器通过光耦(HCPL-316J)实现对三相全桥逆变器的驱动。另一方面，还可以利用光耦(HCPL-316J)，对功率电部分与弱电部分实现隔离，从而保证系统的安全运行。STM32核心控制器模块还与模拟信号采样模块、通信接口模块，用于电机数据的实时处理和对电机转速的调节、状态的控制。同时，STM32核心控制器还与RS422通信芯片ADM2681E接口相连，便于与其他设备进行实时的通信(本系统主要是指上位计算机)，从而使得本系统更具有扩展性。

模拟信号采样模块包括电压采集模块和电流采集模块。

如图2所示，为电压采集模块电路原理图，为了实现对电压的精确测量，以便于功率的计算，故采用HNV025A型电压传感器，首先在驱动电源上电之后，通过电阻R7限制原边电流为毫安级，利用电压传感器的变比，把原边电流感应到电压传感器的后级，再通过R3电阻转化为电压，从而通过电流的传输来对电压进行测量，再通过U1与R2组成的电压跟随器对电压传感器输出后的电压信号滤波，连接至STM32单片机的AD接口(PC3)。其中：C4为滤波电容，R22为限流电阻，R1与C3是对输出至STM32的AD信号进行滤波，其中R1为51欧，C3为102。二极管BAT54S是对运算放大器U1的电压进行钳位，使其在0～3.3V之间，避免电压传感器的供电电压对运放的影响。

如图3所示，为电流采集模块电路原理图，为了实现航空航天所需的重量轻与小型化，以及对电流的精确测量，只采用了一个CSNF161型电流传感器对直流母线电流进行测量。首先，母线电流通过输出电阻R10使电流信号转化为电压信号，再通过电阻R7与电容C8进行滤波，然后连接至运算放大器U2，并通过R6与R11，使得信号放大1.5倍输出后，进行对电压信号进行滤波，再连接至STM32的AD接口(PC1)。电阻R5与电容C9是对输出至STM32的AD信号进行滤波，其中R5为51欧，C9为102。二极管BAT54S是对运算放大器U2的前级电压进行钳位，使其在0～3.3V之间，避免电流传感器的供电电压对运放的影响。

如图4所示，为硬件保护电路模块电路原理图，Q点与电流传感器的Q脚相连接，电阻R8、R13、R14均为分压电阻，电容C13、C15为滤波电容。比较器U3正端为直流母线电流通过调理后得到的电压信号，再通过与R13分到的电压进行比较。输出信号Over_Current连接至STM32的刹车引脚PE15(TIM1_BKIN)端，当比较器正端的母线电流通过调理后得到的电压信号大于预先设定的保护值，输出信号Over_Current变为高电平，通过TIM1_BKIN(STM32的刹车引脚PE15)封锁STM32的定时器1发出的PWM波，从而实现对电机与控制器的保护。

如图5所示，为隔离电路模块电路原理图，具体采用HCPL-316J光耦隔离与驱动电路。其中，POWER_UO、Q_UN、QGND分别对应IGBT的集电极、栅极和发射极。电路主要由HCPL-316J芯片组成。当过流信号足够大时外部保护电路将PWM_EN拉低至低电平，使HCPL-316J封锁PWM的输出，实现对控制系统的硬件保护。管脚VIN-接PWM信号。正常工作时，HCPL-316J芯片VIN+端与VOUT端保持输入输出的同步同相，响应时间小于500ns。驱动电路输出级通过分别串接的电阻R42和R43，调节IGBT的开通和关断速度。由于IGBT栅极耐压约±20V，超出该值极易将其击穿而造成损坏，为防止强电磁干扰感应出高电压和栅极电路出现振荡，同时为降低输入阻抗，故在栅极与发射极之间并联箝位电阻R16和双向稳压管TVS7。其中，+15V和-9V电压由DC/DC电源变换模块提供。

如图6所示，为电机驱动板的布局结构图，电机驱动板为100mm*110mm的电路板，一面上布有隔离电路模块和矩形连接插座2，另一面上布有功率驱动模块。

如图7所示，为电机控制板的布局结构图，电机控制板为100mm*110mm的电路板，一面上布有STM32单片机核心控制器模块、模拟信号采样模块、硬件保护电路模块和RS-422通信接口模块，另一面上布有矩形连接插座1。

如图8所示，将电机驱动板和电机控制板竖立平行放置，两者之间通过支撑杆实现机械连接，通过矩形连接插座1和2实现电连接，采用这种布局结构，与同等大功率无刷直流电机控制器主电路板相比，大大减小了控制器的体积，使得控制器小型化。

综上所述，本发明通过上述实施举例的一种大功率无刷直流电机控制器的小型化设计，采用的STM32单片机成本低，性能优异，并且与DSP和CPLD作为主控制器的无刷直流电机控制器相比，减小了体积与成本。在电路设计方面，精简了电路，模拟采样模块与硬件保护模块采用较少的集成运算放大器以及比较器，完成了对电压、电流的采样以及母线电流的检测与保护，优化了电路，同时采用基于HCPL-316J的优化电路对三相全桥模块进行驱动，增加了驱动的可靠性，同时避免了采用集成模块IPM的价格高，一旦损坏，必须替换整个模块，维修成本高的缺点，最重要的是体积大，重量大，不符合航空系统对小型化与轻重量的要求。本发明还采用了电流与速度的双闭环控制，可大大提高无刷直流电动机系统的鲁棒性，降低电机的转矩脉动。通过这些措施，使得整个控制系统的成本大大降低，重量变轻，体积变小，市场前景广大。

Claims (7)

1.一种小型化大功率无刷直流电机控制器，其特征在于包括STM32单片机核心控制器模块、模拟信号采样模块、隔离电路模块、功率驱动模块、硬件保护电路模块和RS-422通信接口模块；模拟信号采样模块连接于驱动电源模块与STM32的AD接口之间，将母线电压及电流进行采样和调理后输入到STM32的AD接口；隔离电路模块连接于功率驱动模块与STM32的PWM信号输出端之间，实现对强弱电的隔离；RS-422通信接口模块连接于STM32片上通信接口与上位计算机之间，用于数据的实时处理和对BLDCM转速的调节、状态的控制；STM32的定时器接口与BLDCM霍尔检测口相连用来检测BLDCM的霍尔信号；硬件保护电路模块连接于模拟信号采样模块与STM32片上故障判定接口之间，实现对控制器的过流、过热的保护；功率驱动模块连接于驱动电源直流母线与BLDCM三相绕组引出线之间，完成对BLDCM的驱动。

2.根据权利要求1所述的一种小型化大功率无刷直流电机控制器，其特征在于所述的功率驱动模块采用赛米控Semikron公司的IGBT三相全桥功率逆变模块，型号为SK200GD066T。

3.根据权利要求1所述的一种小型化大功率无刷直流电机控制器，其特征在于所述STM32单片机核心控制器模块型号为STM32F103VCT6。

4.根据权利要求1所述的一种小型化大功率无刷直流电机控制器，其特征在于所述的模拟信号采样模块包括电压采样模块和电流采样模块，其中电压采样模块包括电压传感器HNV025A、电阻R7、电阻R3、电阻R2、滤波电容C4、限流电阻R22、滤波电阻R1、滤波电容C3、二极管BAT54S和运算放大器U1；其中电阻R7位于电压传感器HNV025A的P_BUS端，电压传感器HNV025A的输出端连接限流电阻R22后再到运算放大器U1的正端，C4与R3并接后接地，BAT54S输出端接至U1正端，R2接至U1负端与输出端，R1一端与U1输出端连接，另一端与C3一端连接作为调理电路输出V_BUS，C3另一端连接至地；其中电流采样模块包括电流传感器CSNF161、输出电阻R10、滤波电阻R7、滤波电容C8、运算放大器U2、二极管BAT54S、滤波电阻R5、滤波电容C9、电阻R12、电阻R6、电阻R11和电容C11，其中R10与C11并联后，一端接地，另一端接电流传感器输出，R7与C8连接后，一端接地，另一端接至电流传感器输出，BAT54S输出端接至U2正端，R6与R11连接后，一端接地，一端接至U2输出端，电阻R12连接于U2输出端与Q点之间，R5一端与U2输出端连接，另一端与C9一端连接作为调理电路输出I_BUS。

5.根据权利要求1所述的一种小型化大功率无刷直流电机控制器，其特征在于所述的硬件保护电路模块包括电阻R8、R9、R13、R14、电容C13、C15和运算放大器U3；其中R8与C13并联后，一端连接至Q点和U3输入端，另一端接地，R13、R14与C15连接后接至U3负端，R13与C15另一端接地，R14另一端接3.3V电源，R9一端接3.3V电源，另一端接至U3输出端作为信号输出Over_Current。

6.根据权利要求1所述的一种小型化大功率无刷直流电机控制器，其特征在于所述的隔离电路模块包括电阻R11、R28、R29、R31、R42、R43、电容C48、C49、二极管D7、双向稳压管TVS7和光耦HCPL-316J；其中R11与R28分别连接在HCPL-316J的VIN+与VIN-引脚，同时HCPL-316J的VIN+与VIN-引脚接STM32单片机核心控制器的PWM_EN与PWM4信号，RESET与FAULT引脚分别接FT_CLR信号与DOWN_FT信号，FAULT与VLED1-之间接C49，VE与DESAT引脚之间接C48，VE端接地，DESAT端接D7后引出驱动信号POWER_UO，VEE连接-9V电压后与VOUT之间连接R31，R42与R43并联一端接与VOUT端，另一端与R16和TVS7并联后的一端相连，同时引出驱动信号Q_UN，R16和TVS7并联后的另一端接地。

7.一种权利要求1所述的小型化大功率无刷直流电机控制器的布局结构，其特征在于包括100mm*110mm电机驱动板与100mm*110mm电机控制板，其中电机驱动板上的一面上布有隔离电路模块和矩形连接插座2，另一面上布有功率驱动模块；电机控制板的一面上布有STM32单片机核心控制器模块、模拟信号采样模块、硬件保护电路模块和RS-422通信接口模块，另一面上布有矩形连接插座1；电机驱动板和电机控制板竖立平行放置，两者之间通过支撑杆实现机械连接，通过矩形连接插座1和2实现电连接。