CN107493044B - Can总线式三相永磁直流无刷电机控制器 - Google Patents

Abstract

一种CAN总线式三相永磁直流无刷电机控制器，由上盖、底壳、CAN总线插座、接线桩、电流传感器、上层PCB电路板、铝基PCB电路板组成，其要点在于：上层PCB电路板上集中了CAN总线式三相永磁直流无刷电机控制器的弱电控制部分，铝基PCB电路板集中了CAN总线式三相永磁直流无刷电机控制器的功率输出部分，上层PCB电路板与铝基PCB电路板之间的电气连接元件是双排连接器；本发明有针对性地提出了一种基于CAN2.0B的CAN总线式三相永磁直流无刷电机控制器的设计方案，其底层协议为CAN2.0B，应用层协议为CANopen，在40米的通信范围内，波特率为1Mbps，且系统最省，整体最优。

Description

CAN总线式三相永磁直流无刷电机控制器

技术领域

本发明涉及一种CAN总线式三相永磁直流无刷电机控制器，主要应用于有人驾驶或无人驾驶的电动汽车。

背景技术

三相永磁直流无刷电机是一种利用永磁体建立磁场的一种无刷直流电机，在新能源电动汽车中得到广泛的应用。遗憾地是，现有的三相永磁无刷直流电动机都不能单独使用，需要与之配套的控制器联合使用，由于控制器连接线众多，安装工艺复杂，常常造成接线错误，或是因为接插件之间接触不良，造成控制器不必要的损坏；另一方面，众多的汽车线束也成为电动汽车轻量化的障碍之一。如何让三相永磁无刷直流电动机与控制器之间的连线最少，或者如何实现电动汽车系统的局域网络化，已经成为当前电动汽车的研究热点。

发明内容

据此，本发明遵循国际标准化组织ISO/TC22技术委员会制订的ISO/DIS 11898号国际标准，即ISO11898：《道路车辆的高速控制局域网数字信息交换标准》，有针对性地提出了一种基于CAN2.0B 的CAN总线式三相永磁直流无刷电机控制器的设计方案，其网络通信底层协议为CAN2.0B，应用层协议为CANopen，在40米的通信范围内，波特率为1Mbps。具体技术方案如下：

一种CAN总线式三相永磁直流无刷电机控制器，由上盖1、底壳2、CAN总线插座3、接线桩4、电流传感器5、上层PCB电路板6、铝基PCB电路板7组成，其要点在于：

所述的上盖1开有W相出线孔11、V相出线孔12、U相出线孔 13、电源（+）出线孔14、负载（L）出线孔15、电源（-）出线孔16；

所述的底壳2上带散热肋条，开有底壳安装孔21和CAN总线插座安装孔22，所述的CAN总线插座3从CAN总线插座安装孔22处伸出，CAN总线插头31与之相连；

所述的接线桩4为铸铝件，底部的环形块的中心位置伸出一根空心圆柱体，空心圆柱体内部开有内螺纹，环形块上开有两个铆钉孔47，所述的W相接线桩41、V相接线桩42、U相接线桩43、电源（+）接线桩44、负载L接线桩45、电源（-）接线桩46均由接线桩4组成；

所述的上层PCB电路板6上集中了CAN总线式三相永磁直流无刷电机控制器的弱电控制部分，上面焊接有ARM芯片61、CAN总线接口芯片61、高速光耦合器63、开关电源芯片64、信号调理芯片65、驱动芯片66、功率管67、高频变压器68、整流全桥69、蜂鸣器691、三极管A692、继电器P 693、继电器N 694、三极管B 695；

所述的铝基PCB电路板7集中了CAN总线式三相永磁直流无刷电机控制器的功率输出部分，上面表贴有VMOS管组71，所述的铆钉座72直接从铝基PCB电路板7上凸出，所述的W相接线桩41、V相接线桩42、U相接线桩43、电源（+）接线桩44、负载L接线桩45、电源（-）接线桩46分别铆接在铆钉座72上，然后分别穿过上层PCB电路板6以及上盖1的W相出线孔11、V相出线孔12、U相出线孔13、电源（+）出线孔14、负载（L）出线孔15、电源（-）出线孔16，并将螺栓旋进各个接线桩的内螺纹处；

上层PCB电路板6与铝基PCB电路板7之间的电气连接元件是双排连接器696，所述的双排连接器696的一端焊接在上层PCB电路板6上，另一端焊接在铝基PCB电路板7上；

所述的电流传感器5为一个带凸头的圆状壳体，圆状壳体有一个开口的铁芯体54，凸头处内置一个霍尔传感器52，所述的W相电流传感器51与U相电流传感器53均由电流传感器5组成，其中，W相电流传感器51套在W相接线桩41中，U相电流传感器53套在U相接线桩43中，所述的W相电流传感器51与U相电流传感器53的输出引脚焊接在上层PCB电路板6上；

负载L接线桩45与电源（-）接线桩46处接一块康铜板8，所述的康铜板8带散热肋条。

所述的CAN总线插座3与CAN总线插头31均为四芯接插件，其中，两个大芯接+5V和公共地，两个小芯分别接CAN_H与CAN_L。

所述的元器件之间存在如下的连接关系：

ARM芯片61内嵌CAN总线逻辑，ARM芯片61的CAN引脚与CAN总线接口芯片61相连，CAN总线接口芯片61与高速光耦合器63相连，高速光耦合器63再与CAN总线插座3的CAN_H与CAN_L相连,

ARM芯片61的A/D转换引脚与信号调理芯片65的输出端相连，信号调理芯片65的输入引脚分别与W相电流传感器51、U相电流传感器53以及康铜板8的电流采样电路相连，

ARM芯片61的I/O引脚与驱动芯片66的输入引脚、三极管A 692与三极管B 695的基极相连，三极管A 692和三极管B 695的集电极与继电器P 693、继电器N 694相连，驱动芯片66的输出引脚通过双排连接器696控制铝基PCB电路板7上的VMOS管组71，VMOS管组71的输出分别送W相接线桩41、V相接线桩42、U相接线桩43，所述的蜂鸣器691受ARM芯片61的控制，

所述的电源（+）接线桩44与电源（-）接线桩46之间可外接电压为48V至96V的蓄电池,输入的电源通过整流全桥69，经开关电源芯片64、功率管67与高频变压器68组成的开关电源电路产生控制器所需电压的工作电源，同时提供三相永磁直流无刷电机所需的动力电源。

所述的上盖1、底壳2采用高锌铝合金材质，高锌铝合金材质具有较好的散热能力。

所述的上层PCB电路板6采用的是环氧树脂覆铜板，所述的铝基PCB电路板7采用的是铝基覆铜板。

所述的底壳2的底部涂抹了一层帮助散热的热界面填充硅脂材料，然后将铝基PCB电路板7直接与贴装在底壳2的底部。

技术效果

本发明提出的一种CAN总线式三相永磁直流无刷电机控制器有如下有益效果：

1．采用网络通信底层协为CAN2.0B，应用层协议为CANopen，解决了电动车内的智能仪器仪表、控制器、执行机构、传感器等低层设备间的数据通信管理问题；

2. 仅仅通过两对双绞线取代三相永磁直流无刷电机控制器上繁多的线束，解决了电动汽车众多的线束与设备的联结问题，实现汽车局域网内的多主通讯、信息共享和实时控制，从而扫除了电动汽车进一步轻量化和电子化的最大障碍；

3.为三相永磁直流无刷电机控制朝着CAN总线接口的方向作出了新的尝试；从某种意义上来说，CAN总线也开创了汽车电器更新换代的时代，其调速踏板、刹车踏板均实现了总线化，其应用前景远远超过了发明本身。

4. 本发明结构紧凑，接线简单，真正做到了系统最省，整体最优。

附图说明

图1 CAN总线式三相永磁直流无刷电机控制器正面外形图；

图2 CAN总线式三相永磁直流无刷电机控制器爆炸图一；

图3 CAN总线式三相永磁直流无刷电机控制器爆炸图二；

图4 去掉上盖后的正视图；

图5 去掉上盖后的外形图；

图6 去掉上盖后的爆炸图一；

图7 去掉上盖后的爆炸图二；

图8 去掉上盖和底壳后的外形图；

图9 铝基PCB电路板外形图一；

图10 铝基PCB电路板外形图二；

图11 铝基PCB电路板正视图；

图12 铝基PCB电路板爆炸图；

图13 CAN总线插头、插座视图；

图14 去掉上盖后带电流传感器的内部视图；

图15 带CAN总线插头和插座的整体视图。

标号说明：

1 上盖

11 W相出线孔 12 V相出线孔

13 U相出线孔 14 电源（+）出线孔

15 负载（L）出线孔 16 电源（-）出线孔

2 底壳

21 底壳安装孔 22 CAN总线插座安装孔

3 CAN总线插座

31 CAN总线插头

4 接线桩

41 W相接线桩 42 V相接线桩

43 U相接线桩 44 电源（+）接线桩

45 负载L接线桩 46 电源（-）接线桩

47 铆钉孔

5 电流传感器

51 W相电流传感器 52 霍尔传感器

53 U相电流传感器 54 铁芯体

6 上层PCB电路板

61 ARM芯片 62 CAN总线接口芯片

63 高速光耦合器 64 开关电源芯片

65 信号调理芯片 66 驱动芯片

67 功率管 68 高频变压器

69 整流全桥 691 蜂鸣器

692 三极管A 693 继电器P

694 继电器N 695 三极管B

696 双排连接器

7 铝基PCB电路板

71 VMOS管组 72 铆钉座

8 康铜板

具体实施方式

下面结合附图及其实施例，对本发明作进一步的说明。

本实施例中，一种CAN总线式三相永磁直流无刷电机控制器，由上盖（1）、底壳（2）、CAN总线插座（3）、接线桩（4）、电流传感器（5）、上层PCB电路板（6）、铝基PCB电路板（7）组成，其要点在于：

所述的上盖（1）开有W相出线孔（11）、V相出线孔（12）、U相出线孔 （13）、电源（+）出线孔（14）、负载（L）出线孔（15）、电源（-）出线孔（16）；

所述的底壳（2）上带散热肋条，开有底壳安装孔（21）和CAN总线插座安装孔（22），所述的CAN总线插座（3）从CAN总线插座安装孔（22）处伸出，CAN总线插头（31）与之相连；

所述的接线桩（4）为铸铝件，底部的环形块的中心位置伸出一根空心圆柱体，空心圆柱体内部开有内螺纹，环形块上开有两个铆钉孔（47），所述的W相接线桩（41）、V相接线桩（42）、U相接线桩（43）、电源（+）接线桩（44）、负载L接线桩（45）、电源（-）接线桩（46）均由接线桩（4）组成；

所述的上层PCB电路板（6）上集中了CAN总线式三相永磁直流无刷电机控制器的弱电控制部分，上面焊接有ARM芯片（61）、CAN总线接口芯片（61）、高速光耦合器（63）、开关电源芯片（64）、信号调理芯片（65）、驱动芯片（66）、功率管（67）、高频变压器（68）、整流全桥（69）、蜂鸣器（691）、三极管A（692）、继电器P（693）、继电器N（694）、三极管B（695）；

所述的铝基PCB电路板（7）集中了CAN总线式三相永磁直流无刷电机控制器的功率输出部分，上面表贴有VMOS管组（71），所述的铆钉座（72）直接从铝基PCB电路板（7）上凸出，所述的W相接线桩（41）、V相接线桩（42）、U相接线桩（43）、电源（+）接线桩（44）、负载L接线桩（45）、电源（-）接线桩（46）分别铆接在铆钉座（72）上，然后分别穿过上层PCB电路板（6）以及上盖（1）的W相出线孔（11）、V相出线孔（12）、U相出线孔 （13）、电源（+）出线孔（14）、负载（L）出线孔（15）、电源（-）出线孔（16），并将螺栓旋进各个接线桩的内螺纹处；

上层PCB电路板（6）与铝基PCB电路板（7）之间的电气连接元件是双排连接器（696），所述的双排连接器（696）的一端焊接在上层PCB电路板（6）上，另一端焊接在铝基PCB电路板（7）上；

所述的电流传感器（5）为一个带凸头的圆状壳体，圆状壳体有一个开口的铁芯体（54），凸头处内置一个霍尔传感器（52），所述的W相电流传感器（51）与U相电流传感器（53）均由电流传感器（5）组成，其中，W相电流传感器（51）套在W相接线桩（41）中，U相电流传感器（53）套在U相接线桩（43）中，所述的W相电流传感器（51）与U相电流传感器（53）的输出引脚焊接在上层PCB电路板（6）上；

负载L接线桩（45）与电源（-）接线桩（46）处外接一块康铜板（8），所述的康铜板（8）带散热肋条。

所述的CAN总线插座（3）与CAN总线插头（31）均为四芯接插件，其中，两个大芯接+5V和公共地，两个小芯分别接CAN_H与CAN_L。应指出的是，CAN_H与CAN_L采用的是一种价廉的平衡双绞线差分驱动，差分驱动的技术特征可简单的解释为，CAN接口芯片的数据输入缓冲区有差别，输出就有变动，数据输入缓冲区无差别，输出就不变动，使其大大提高了其CAN接口的共模抑制比和抗干扰能力。

所述的元器件之间存在如下的连接关系：

所述的ARM芯片（61）内嵌CAN总线逻辑，ARM芯片（61）的CAN引脚与CAN总线接口芯片（61）相连，CAN总线接口芯片（61）与高速光耦合器（63）相连，高速光耦合器（63）再与CAN总线插座（3）的CAN_H与CAN_L相连,

ARM芯片（61）的A/D转换引脚与信号调理芯片（65）的输出端相连，信号调理芯片（65）的输入引脚分别与W相电流传感器（51）、U相电流传感器（53）以及康铜板（8）的电流采样电路相连，

ARM芯片（61）的I/O引脚与驱动芯片（66）的输入引脚、三极管A（692）与三极管B（695）的基极相连，三极管A（692）和三极管B（695）的集电极与继电器P（693）、继电器N（694）相连，驱动芯片（66）的输出引脚通过双排连接器（696）控制铝基PCB电路板（7）上的VMOS管组（71），VMOS管组（71）的输出分别送W相接线桩（41）、V相接线桩（42）、U相接线桩（43），所述的蜂鸣器（691）受ARM芯片（61）的控制，

所述的电源（+）接线桩（44）与电源（-）接线桩（46）之间可外接电压为48V至96V的蓄电池,输入的电源通过整流全桥（69），经开关电源芯片（64）、功率管（67）与高频变压器（68）组成的开关电源电路产生控制器所需电压的工作电源，同时提供三相永磁直流无刷电机所需的动力电源。

应指出的是，输入的电源通过整流全桥（69）的目的，是保证无极性输入，即使电源不慎接反，也不至于损坏控制器本身。

所述的上盖（1）、底壳（2）采用高锌铝合金材质，高锌铝合金材质具有较好的散热能力。

所述的上层PCB电路板（6）采用的是环氧树脂覆铜板，所述的铝基PCB电路板（7）采用的是铝基覆铜板。

所述的底壳（2）的底部涂抹了一层帮助散热的热界面填充硅脂材料，然后将铝基PCB电路板（7）直接与贴装在底壳（2）的底部。

总之，本发明设计了一款CAN总线式三相永磁直流无刷电机控制器，网络通信底层协议为CAN2.0B，应用层协议为CANopen，不但大大的减少了永磁直流无刷电机控制器的各种连接信号线束，同时由于其物理特性及网络协议特性更强调工业自动化的底层监测及控制，因此也把电动汽车现场电子设备的在线监控技术提高到一个新的水平。

具体来说，采用CANopen的传输速率高，在40米的通信范围内，数据最高通信速率每秒钟达到1兆位(1Mbit/s),完全满足三相永磁直流无刷电机控制器数据通信的实时性要求。

CANopen的数据通信的可靠性高，由于采用了独特的数据信号表示方式和CRC奇偶校验功能，因此具有错误识别功能，当奇偶校验出现格式错误时，系统可自动重发送数据，其通信的漏码率极低。特别是，本发明的电路和软件均采用了非破坏性总线裁决技术，即当两个节点同时向总线上传送数据时, 控制器对于三相永磁直流无刷电机控制器享有占用总线的使用优先权,而电动车上其它优先级别低的节点可主动停止数据发送,以保证优先级高的节点可不受影响地继续传输数据,高优先级的数据可在134微秒内得到传输，而大大节省了总线冲突裁决时间。

CANopen采用面向数据块的通信方式,信息的发送以数据块打包的形式，以桢为单位，每桢数据量为8个字节，各总线节点间可直接通信，并使用时钟同步和数据位填充插入技术来保证通讯的同步性。

CANopen能自动进行故障识别并自动恢复，具有自动纠错功能，当CAN某个节点在出现严重错误的情况下,均能自动关闭切断该节点与总线的联系，以保证总线上的其它节点和操作不受影响。

CANopen总线还规范了任意两个CAN节点之间的兼容性,包括电气特性及数据解释协议，可以多主方式工作,网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动向网络上的其它节点发送信息,而不分主从通信,其通信方式灵活, 利用这一特点也可方便地构成三相永磁直流无刷电机控制器的备份系统。

CANopen的安全性可靠性高，电缆终端匹配性能好，抗干扰能力强，与常规的以太网相比，即使在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况。这一点,对于控制像电动汽车这样的高速运动物体，确保安全驾驶和万无一失的准确控制，的确难能可贵。

本发明还充分解决了电动车内的智能仪器仪表、控制器、电动机执行机构、传感器低层设备间的数据通信管理问题；仅仅通过两对双绞线（四根线）取代汽车上繁多的线束，解决了电动汽车众多的线束与设备的联结问题，实现电动汽车局域网内的多主通讯、信息共享和实时控制，从而扫除了电动汽车进一步轻量化和电子化的最大障碍，并且为三相永磁直流无刷电机控制朝着CAN总线接口的方向作出了新的尝试。从某种意义上来说，CAN总线也开创了汽车电器更新换代的时代，其调速踏板、刹车踏板、仪表均实现了CAN总线化，其带动的应用前景远远超过了发明本身，特别适合电动汽车无人驾驶。难能可贵的是，其系统最省、整体最优、结构紧凑，市场应用前景相当广阔。

上述为本发明的优选实施方式，所属领域的技术人员都明白，在不脱离所附权利说明书所限定的本发明的精神和范围内，在形式、细节的扩展方面，对本发明所作出的各种变化，都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种CAN总线式三相永磁直流无刷电机控制器，由上盖（1）、底壳（2）、CAN总线插座（3）、接线桩（4）、电流传感器（5）、上层PCB电路板（6）、铝基PCB电路板（7）组成，其特征在于：

所述的上盖（1）开有W相出线孔（11）、V相出线孔（12）、U相出线孔 （13）、电源（+）出线孔（14）、负载（L）出线孔（15）、电源（-）出线孔（16）；

所述的底壳（2）上带散热肋条，开有底壳安装孔（21）和CAN总线插座安装孔（22），所述的CAN总线插座（3）从CAN总线插座安装孔（22）处伸出，CAN总线插头（31）与之相连；

所述的接线桩（4）为铸铝件，底部的环形块的中心位置伸出一根空心圆柱体，空心圆柱体内部开有内螺纹，环形块上开有两个铆钉孔（47），所述的W相接线桩（41）、V相接线桩（42）、U相接线桩（43）、电源（+）接线桩（44）、负载L接线桩（45）、电源（-）接线桩（46）均由接线桩（4）组成；

所述的上层PCB电路板（6）上集中了CAN总线式三相永磁直流无刷电机控制器的弱电控制部分，上面焊接有ARM芯片（61）、CAN总线接口芯片（61）、高速光耦合器（63）、开关电源芯片（64）、信号调理芯片（65）、驱动芯片（66）、功率管（67）、高频变压器（68）、整流全桥（69）、蜂鸣器（691）、三极管A（692）、继电器P（693）、继电器N（694）、三极管B（695）；

所述的铝基PCB电路板（7）集中了CAN总线式三相永磁直流无刷电机控制器的功率输出部分，上面表贴有VMOS管组（71），所述的铆钉座（72）直接从铝基PCB电路板（7）上凸出，所述的W相接线桩（41）、V相接线桩（42）、U相接线桩（43）、电源（+）接线桩（44）、负载L接线桩（45）、电源（-）接线桩（46）分别铆接在铆钉座（72）上，然后分别穿过上层PCB电路板（6）以及上盖（1）的W相出线孔（11）、V相出线孔（12）、U相出线孔 （13）、电源（+）出线孔（14）、负载（L）出线孔（15）、电源（-）出线孔（16），并将螺栓旋进各个接线桩的内螺纹处；

上层PCB电路板（6）与铝基PCB电路板（7）之间的电气连接元件是双排连接器（696），所述的双排连接器（696）的一端焊接在上层PCB电路板（6）上，另一端焊接在铝基PCB电路板（7）上；

所述的电流传感器（5）为一个带凸头的圆状壳体，圆状壳体有一个开口的铁芯体（54），凸头处内置一个霍尔传感器（52），所述的W相电流传感器（51）与U相电流传感器（53）均由电流传感器（5）组成，其中，W相电流传感器（51）套在W相接线桩（41）中，U相电流传感器（53）套在U相接线桩（43）中，所述的W相电流传感器（51）与U相电流传感器（53）的输出引脚焊接在上层PCB电路板（6）上；

负载L接线桩（45）与电源（-）接线桩（46）处外接一块康铜板（8），所述的康铜板（8）带散热肋条。

2.根据权利要求1所述的CAN总线式三相永磁直流无刷电机控制器，其特征在于：所述的CAN总线插座（3）与CAN总线插头（31）均为四芯接插件，其中，两个大芯接+5V和公共地，两个小芯分别接CAN_H与CAN_L。

3.根据权利要求1所述的一种CAN总线式三相永磁直流无刷电机控制器，其特征在于，所述的元器件之间存在如下的连接关系：

ARM芯片（61）内嵌CAN总线逻辑，ARM芯片（61）的CAN引脚与CAN总线接口芯片（61）相连，CAN总线接口芯片（61）与高速光耦合器（63）相连，高速光耦合器（63）再与CAN总线插座（3）的CAN_H与CAN_L相连,

ARM芯片（61）的A/D转换引脚与信号调理芯片（65）的输出端相连，信号调理芯片（65）的输入引脚分别与W相电流传感器（51）、U相电流传感器（53）以及康铜板（8）的电流采样电路相连，

ARM芯片（61）的I/O引脚与驱动芯片（66）的输入引脚、三极管A（692）与三极管B（695）的基极相连，三极管A（692）和三极管B（695）的集电极与继电器P（693）、继电器N（694）相连，驱动芯片（66）的输出引脚通过双排连接器（696）控制铝基PCB电路板（7）上的VMOS管组（71），VMOS管组（71）的输出分别送W相接线桩（41）、V相接线桩（42）、U相接线桩（43），所述的蜂鸣器（691）受ARM芯片（61）的控制，

所述的电源（+）接线桩（44）与电源（-）接线桩（46）之间可外接电压为48V至96V的蓄电池,输入的电源通过整流全桥（69），经开关电源芯片（64）、功率管（67）与高频变压器（68）组成的开关电源电路产生控制器所需电压的工作电源，同时提供三相永磁直流无刷电机所需的动力电源。

4.根据权利要求1所述的CAN总线式三相永磁直流无刷电机控制器，其特征在于：所述的上盖（1）、底壳（2）采用高锌铝合金材质。

5.根据权利要求1所述的CAN总线式三相永磁直流无刷电机控制器，其特征在于：所述的上层PCB电路板（6）采用的是环氧树脂覆铜板，所述的铝基PCB电路板（7）采用的是铝基覆铜板。

6.根据权利要求1或5所述的CAN总线式三相永磁直流无刷电机控制器，其特征在于：所述的底壳（2）的底部涂抹了一层帮助散热的热界面填充硅脂材料，然后将铝基PCB电路板（7）直接与贴装在底壳（2）的底部。