CN110611294A - 一种无刷直流电机驱动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无刷直流电机驱动控制系统，包括控制单元、驱动模块、无刷直流电机和保护电路，控制单元与驱动模块连接，用于输出控制信号至驱动模块，驱动模块与无刷直流电机连接，保护电路分别与控制单元和无刷直流电机连接，保护电路包括欠过压保护电路和电流检测电路，控制单元、驱动模块和保护电路均设置在电机驱动板上；该无刷直流电机驱动控制系统设置有保护电路，而且保护电路设置在电机驱动板上，通过保护电路实现过流保护、过压欠压保护、缺相保护和堵转保护，一旦出现无刷直流电机过流、过压、欠压、缺相、堵转，通过保护电路检测阈值信号返回给控制单元关断控制信号，从而保护了电机驱动板和无刷直流电机不被损坏。

Description

一种无刷直流电机驱动控制系统

技术领域

本发明涉及一种无刷直流电机驱动控制系统，其包括控制单元、驱动模块、保护电路和无刷直流电机。

背景技术

在电机领域中，无刷直流电机发展快速且应用广泛，无刷直流电机广泛用于日常生活用具、汽车工业、航空、消费电子、医学电子、工业自动化等装置和仪表。无刷直流电机不使用机械结构的换向器，在使用中相比于有刷电机有很多的优点，例如，能获得更好的扭矩转速特性，能够动态响应，效率高，寿命长，体积小以及转速高等。另外，无刷直流电机更优的扭矩和外形尺寸比使得它更适合用于对电机自身重量和大小比较敏感的场合。但是，现有的无刷直流电机驱动控制方面存在一些不足，例如，电路保护功能做得不够完善，一旦出现过流、过压、欠压、缺相、堵转，无刷直流电机不能正常工作，无刷直流电机在运转中一旦出现故障容易损坏电机驱动板。

发明内容

针对上述现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种提供过流保护、过压欠压保护、缺相保护和堵转保护的无刷直流电机驱动控制系统。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种无刷直流电机驱动控制系统，包括控制单元、驱动模块、保护电路和无刷直流电机，所述控制单元与驱动模块连接，用于输出控制信号至驱动模块，所述驱动模块与无刷直流电机连接，所述保护电路分别与控制单元和无刷直流电机连接，所述保护电路包括欠过压保护电路和电流检测电路，所述欠过压保护电路包括电阻R27、电阻R28、电阻R41和电容C6，所述欠过压保护电路的输入端连接于电阻R27的一端，所述电阻R28的一端连接电阻R27另一端，电阻R28另一端与控制单元的第一输入接口连接，所述电阻R41的一端连接电阻R27和电阻R28的公共端，另一端接电源负极，所述电容C6一端连接电阻R28和控制单元的第一输入接口的公共端，另一端接电源负极，所述电流检测电路包括采样电阻R7、分压电阻R20、分压电阻R21、分压电阻R23和分压电阻R24，所述分压电阻R24一端与控制单元的第二输入接口连接，另一端与分压电阻R23连接，所述分压电阻R23另一端接电源负极，所述分压电阻R23和分压电阻R24的公共端与控制单元的第三输入接口连接，所述分压电阻R20一端与控制单元的第四输入接口连接，另一端与采样电阻R7连接，所述采样电阻R7另一端接电源负极，所述分压电阻R21一端与控制单元的第五输入接口连接，另一端与分压电阻R20和控制单元的第四输入接口的公共端连接，所述控制单元、驱动模块和保护电路均设置在电机驱动板上。

作为优选，所述无刷直流电机为三相无刷直流电机。

作为优选，所述驱动模块包括三个P沟道MOS管和三个N沟道MOS管，三个P沟道MOS管分别为Z1、Z3和Z5，三个N沟道MOS管分别为Z2、Z4和Z6，所述Z1的栅极前端与控制单元的第一输出接口连接，且两者之间串接有R1，所述Z2的栅极前端与控制单元的第二输出接口连接，且两者之间串接有R2，所述Z3的栅极前端与控制单元的第三输出接口连接，且两者之间串接有R3，所述Z4的栅极前端与控制单元的第四输出接口连接，且两者之间串接有R4，所述Z5的栅极前端与控制单元的第五输出接口连接，且两者之间串接有R5，所述Z6的栅极前端与控制单元的第六输出接口连接，且两者之间串接有R6，所述Z1与Z2的漏极相连且作为三相无刷直流电机的U相驱动端，所述Z3与Z4的漏极相连且作为三相无刷直流电机的V相驱动端，所述Z5与Z6的漏极相连且作为三相无刷直流电机的W相驱动端，所述Z1、Z3和Z5的源极分别与电源正极相连，所述Z2、Z4和Z6的公共负极端电连接在一起，并通过采样电阻R7与电源负极串联。

作为优选，控制单元的输出信号为6路PWM正弦波信号,分别用于控制驱动模块的三个P沟道MOS管和三个N沟道MOS管的导通与关断。

作为优选，所述控制单元为MCU芯片。

本发明的有益效果是：

一、本发明设置有保护电路，而且保护电路设置在电机驱动板上，通过保护电路实现过流保护、过压欠压保护、缺相保护和堵转保护，一旦出现无刷直流电机过流、过压、欠压、缺相、堵转，通过保护电路检测阈值信号返回给控制单元关断控制信号，从而保护了电机驱动板和无刷直流电机不被损坏。

二、本发明的控制单元的输出信号为6路PWM正弦波信号，采用正弦波控制，解决了无刷直流电机启动、运转时噪音问题。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的实施例中一种无刷直流电机驱动控制系统的结构示意图。

图2是本发明的实施例中一种无刷直流电机驱动控制系统的控制单元的输出信号图。

图3是本发明的实施例中一种无刷直流电机驱动控制系统的驱动模块电路图。

图4是本发明的实施例中一种无刷直流电机驱动控制系统的欠过压保护电路图。

图5是本发明的实施例中一种无刷直流电机驱动控制系统的电流检测电路图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面以具体实施例详细阐述本发明更多的技术细节。

如图1至图5所示，本实施例的无刷直流电机驱动控制系统，包括控制单元、驱动模块、无刷直流电机和保护电路，控制单元、驱动模块和保护电路均设置在电机驱动板上，其中

无刷直流电机为三相无刷直流电机。

控制单元为MCU芯片，MCU芯片与驱动模块连接，市面上的无刷直流电机采用方波控制，启动或运转时噪音大等，如图2所示，本实施的控制单元通过运行内部正弦波函数输出6路PWM正弦波信号至驱动模块，以使驱动模块驱动无刷直流电机，采用正弦波控制，解决了无刷直流电机启动、运转时噪音问题。

如图3所示，驱动模块与三相无刷直流电机连接，驱动模块包括三个P沟道MOS管和三个N沟道MOS管，三个P沟道MOS管分别为Z1、Z3和Z5，三个N沟道MOS管分别为Z2、Z4和Z6，Z1的栅极前端与控制单元的I/O端口1连接，且两者之间串接有R1，Z2的栅极前端与控制单元的I/O端口2连接，且两者之间串接有R2，Z3的栅极前端与控制单元的I/O端口3连接，且两者之间串接有R3，Z4的栅极前端与控制单元的I/O端口4连接，且两者之间串接有R4，Z5的栅极前端与控制单元的I/O端口5连接，且两者之间串接有R5，Z6的栅极前端与控制单元的I/O端口6连接，且两者之间串接有R6，Z1与Z2的漏极相连且作为三相无刷直流电机的U相驱动端，Z3与Z4的漏极相连且作为三相无刷直流电机的V相驱动端，Z5与Z6的漏极相连且作为三相无刷直流电机的W相驱动端，U相驱动端、V相驱动端和W相驱动端用于分别与三相无刷直流电机的的三相绕组线圈电连接，Z1、Z3和Z5的源极分别与电源正极相连，Z2、Z4和Z6的公共负极端电连接在一起，并通过0.05欧的采样电阻R7与电源负极串联，控制单元的I/O端口1、I/O端口2、I/O端口3、I/O端口4、I/O端口5和I/O端口6输出驱动模块的控制信号。

本实施的无刷直流电机驱动控制系统通过控制单元控制与三相无刷直流电机连接的驱动模块（即三个P沟道MOS管和三个N沟道MOS管）的导通与关断，从而控制三相无刷直流电机的通电与断电，三相无刷直流电机的运行需依靠电流相位检测出转子的位置信号，通过控制与电机电枢绕组连接的各功率开关管的导通与关断，从而控制定子绕组的通电与断电，通电状态下，在定子上产生旋转磁场，拖动转子旋转，随着转子的转动，位置传感器不断地送出信号，以改变电枢的通电状态，使得在同一磁极下的导体中的电流方向不变，因此，就可产生恒定的转矩使三相无刷直流电机运转起来。

保护电路分别与控制单元和三相无刷直流电机连接，用于获取三相直流无刷电机工作时的采样过流参数、过压参数、欠压参数、缺相参数和堵转参数，返回给控制单元，保护电路包括欠过压保护电路和电流检测电路。

如图4所示，欠过压保护电路包括电阻R27、电阻R28、电阻R41和电容C6，欠过压保护电路的输入端连接于电阻R27的一端，即电阻R27该端接12V电源，所述电阻R28的一端连接电阻R27的另一端，电阻R28另一端与控制单元的I/O端口7连接，电阻R41的一端连接电阻R27和电阻R28的公共端，另一端接电源负极，电容C6一端连接电阻R28和控制单元的I/O端口7的公共端，另一端接电源负极，当控制单元的I/O端口7检测C点电压超过或者低于给定阈值时，判断为过压或者欠压，关断6路PWM正弦波信号输出，当控制单元的I/O端口7检测C点电压达到恢复值时，再开始输出，V_C=12*R41/(R27+R41)。

如图5所示，电流检测电路包括分压电阻R20、分压电阻R21、上述的采样电阻R7、分压电阻R23和分压电阻R24，分压电阻R24一端与控制单元的I/O端口8连接，另一端与分压电阻R23连接，分压电阻R23另一端接电源负极，分压电阻R23和分压电阻R24的公共端与控制单元的I/O端口9连接，分压电阻R20一端与控制单元的I/O端口10连接，另一端通过上述采样电阻R7与电源负极串接，分压电阻R21一端与控制单元的I/O端口11连接，另一端与分压电阻R20和控制单元的I/O端口10的公共端连接，I/O端口7、I/O端口8、I/O端口9、I/O端口10和I/O端口11皆为控制单元的输入端口。

无刷直流电机驱动控制系统的过流保护、缺相保护和堵转保护工作原理如下：

a、过流保护

通过流过采样电阻R7的电流变换成电压，再通过R23与R24，R20与R21电阻分压，A点电压与B点电压进行对比，传输给单片机内部软件设定的电流阈值，当电流值超过设定的阈值后，程序自动判断为硬件过流，立即关断6路PWM正弦波信号输出，直到重新上电才会恢复。过流保护在整个电机控制过程中都起作用，过流保护响应快，当过流发生时能及时的切断输出，降低损坏风险。

b、堵转保护

堵转保护通过检测反电势（Ke）、三相总电流来实现，当二者中有一项超过设定的阈值后，判断为堵转保护，关断6路PWM正弦波信号输出。如果，堵转次数不大于设定值，电机重新启动；反之，程序关断输出，上电后恢复。

反电动势计算：用示波器的探头接三相无刷直流电机的一相，地接三相无刷直流电机另外两相中的某一相，转动负载，测出反电动势波形。取中间的一个正弦波，测量其峰值Vpp和频率f，P为电机极对数。

三相总电流:检测通过采样电阻R7的电流返回给控制单元。

c、缺相保护

通过检测采样电阻R7的电流返回给控制单元进行比较,当电流小于设定的最小值，判断为缺相，关断6路PWM正弦波信号输出，如果缺相次数不大于于设定值，电机重新启动；反之，重新上电才能恢复。

本实施例的无刷直流电机驱动控制系统设置有保护电路，而且保护电路设置在电机驱动板上，通过保护电路实现过流保护、过压欠压保护、缺相保护和堵转保护，一旦出现无刷直流电机过流、过压、欠压、缺相、堵转，通过保护电路检测阈值信号返回给控制单元关断6路PWM正弦波信号输出，从而保护了电机驱动板和无刷直流电机不被损坏。

尽管本发明是参照具体实施例来描述，但这种描述并不意味着对本发明构成限制。参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，对于本领域技术人员都是可以预料的，这样的变化应属于所属权利要求所限定的范围内。

Claims (5)

1.一种无刷直流电机驱动控制系统，包括控制单元、驱动模块和无刷直流电机，所述控制单元与驱动模块连接，用于输出控制信号至驱动模块，所述驱动模块与无刷直流电机连接，其特征在于，还包括保护电路，所述保护电路分别与控制单元和无刷直流电机连接，所述保护电路包括欠过压保护电路和电流检测电路，所述欠过压保护电路包括电阻R27、电阻R28、电阻R41和电容C6，所述欠过压保护电路的输入端连接于电阻R27的一端，所述电阻R28的一端连接电阻R27的另一端，电阻R28另一端与控制单元的第一输入接口连接，所述电阻R41的一端连接电阻R27和电阻R28的公共端，另一端接电源负极，所述电容C6一端连接电阻R28和控制单元的第一输入接口的公共端，另一端接电源负极，所述电流检测电路包括采样电阻R7、分压电阻R20、分压电阻R21、分压电阻R23和分压电阻R24，所述分压电阻R24一端与控制单元的第二输入接口连接，另一端与分压电阻R23连接，所述分压电阻R23另一端接电源负极，所述分压电阻R23和分压电阻R24的公共端与控制单元的第三输入接口连接，所述分压电阻R20一端与控制单元的第四输入接口连接，另一端与采样电阻R7连接，所述采样电阻R7另一端接电源负极，所述分压电阻R21一端与控制单元的第五输入接口连接，另一端与分压电阻R20和控制单元的第四输入接口的公共端连接，所述控制单元、驱动模块和保护电路均设置在电机驱动板上。

2.根据权利要求1所述的无刷直流电机驱动控制系统，其特征在于，所述无刷直流电机为三相无刷直流电机。

3.根据权利要求2所述的无刷直流电机驱动控制系统，其特征在于，所述驱动模块包括三个P沟道MOS管和三个N沟道MOS管，三个P沟道MOS管分别为Z1、Z3和Z5，三个N沟道MOS管分别为Z2、Z4和Z6，所述Z1的栅极前端与控制单元的第一输出接口连接，且两者之间串接有R1，所述Z2的栅极前端与控制单元的第二输出接口连接，且两者之间串接有R2，所述Z3的栅极前端与控制单元的第三输出接口连接，且两者之间串接有R3，所述Z4的栅极前端与控制单元的第四输出接口连接，且两者之间串接有R4，所述Z5的栅极前端与控制单元的第五输出接口连接，且两者之间串接有R5，所述Z6的栅极前端与控制单元的第六输出接口连接，且两者之间串接有R6，所述Z1与Z2的漏极相连且作为三相无刷直流电机的U相驱动端，所述Z3与Z4的漏极相连且作为三相无刷直流电机的V相驱动端，所述Z5与Z6的漏极相连且作为三相无刷直流电机的W相驱动端，所述Z1、Z3和Z5的源极分别与电源正极相连，所述Z2、Z4和Z6的公共负极端电连接在一起，并通过所述采样电阻R7与电源负极串联。

4.根据权利要求3所述的无刷直流电机驱动控制系统，其特征在于，所述控制单元的输出信号为6路PWM正弦波信号,分别用于控制驱动模块的三个P沟道MOS管和三个N沟道MOS管的导通与关断。

5.根据权利要求1所述的无刷直流电机驱动控制系统，其特征在于，所述控制单元为MCU芯片。