CN111030517B - 高温长距离无位置传感器直流无刷电机驱动装置 - Google Patents

高温长距离无位置传感器直流无刷电机驱动装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了高温长距离无位置传感器直流无刷电机驱动装置，工业级125℃高温MCU输出6路PWM信号经过6个反相器作为驱动信号，每个反相器的输入端连接有一个下拉电阻，经过反相后的驱动信号送入IGBT驱动器用于驱动6个175℃结温IGBT，6个RCD保护电路分别连接在6个175℃结温IGBT的集电极和发射极之间，6个175℃结温IGBT的栅极和IGBT驱动器之间分别增加1KΩ的栅极电阻，每个175℃结温IGBT的栅极连接一个稳压管，直流无刷电机的反电动势和母线电压VDC通过八个分压电阻分压，分压后的信号送入工业级125℃高温MCU的ADC0～ADC3以使MCU对反电动势采样。

Description

高温长距离无位置传感器直流无刷电机驱动装置
技术领域
本发明属于工业控制技术领域，具体涉及高温长距离无位置传感器直流无刷电机驱动装置。
背景技术
直流无刷电机由于其结构简单、运行可靠、效率高的特点，在工业、航天航空等领域得到了广泛应用。直流无刷电机运行时，定子绕组为产生旋转磁场，必须根据转子位置正确换相，转子的位置信息可通过外置位置传感器得到，这不仅增加了电机成本和尺寸，同时电机控制还会受到传感器的可靠性和安装精度的影响。在一些特殊的高温高压恶劣环境下，如，电机位于高压液压油中，或应用于工作温度可高达150℃的石油测井、汽车电子产品中，电机的位置传感器难以在高温和高压下工作，因此必须采用无传感器驱动方式。现有的无传感器驱动方式一般采用反电动势过零检测方式来实现电机换相，在电机和驱动装置距离较长时，由于导线上耦合的噪声会影响到过零检测，严重影响电机启动和运行；另外高温环境下如何保证驱动装置可靠运行，现有文献和专利未涉及。因此，设计一种可在高温条件下实现长距离的无位置传感器直流无刷电机驱动装置具有重要的现实意义。
直流无刷电机无传感器工作方式下，为保证正常换相，必须通过对电机相电压或者转子磁通信号处理以获得换向点，常用的方法是检测电机定子绕组反电动势，计算出定子非导通相反电动势的过零点，延迟30°电角度后进行电机换相。由于电机驱动电路通常采用PWM控制，定子导通相的电流通过磁场耦合的噪声会严重影响到反电动势检测，现有的文献和专利对过零点检测方案通常由电阻电容组成的低通滤波器滤除PWM开关信号产生的噪声。由于PWM开关信号引起的噪声幅度大，为避免产生错误的过零点检查，低通滤波器截止频率应设置远低于PWM频率，从而导致反电动势信号通过低通滤波后产生一定的相位滞后。现有文献和专利通过增加电容以减小滤波器截止频率，降低噪声的影响，但导致反电动势信号有较大的相位延迟，影响到正确换相和电机运行效率，电机温升较大。另外由于反电动势噪声频谱和电机转速相关，从而导致滤波器的相位滞后与电机转速也相关，容易产生过零点检测错误并导致电机停转。
在电机和驱动装置距离较远、工作温度较高的工作环境下，电机三相引线之间的电磁耦合干扰严重，导致过零点检测易受到噪声的影响，电机驱动所需的功率器件在高温环境下需要采用特别措施，保证其稳定可靠工作。现有文献和专利未提及在此环境下直流无刷电机正常启动和运行的相关技术。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对上述目前未提出针对高温和长距离条件下直流无刷电机正常启动和运行的技术问题，提供高温长距离无位置传感器直流无刷电机驱动装置解决上述技术缺陷。
高温长距离无位置传感器直流无刷电机驱动装置，包括工业级125℃高温MCU、6个反相器、IGBT驱动器、6个175℃结温IGBT和RCD吸收保护电路；
工业级125℃高温MCU输出6路PWM信号经过6个反相器作为驱动信号，每个反相器的输入端连接有一个下拉电阻，经过反相后的驱动信号送入IGBT驱动器用于驱动6个175℃结温IGBT，6个RCD保护电路分别连接在6个175℃结温IGBT的集电极和发射极之间，6个175℃结温IGBT的栅极和IGBT驱动器之间分别增加1KΩ的栅极电阻，每个175℃结温IGBT的栅极连接一个稳压管，直流无刷电机的反电动势和母线电压VDC通过八个分压电阻分压，分压后的信号送入工业级125℃高温MCU的ADC0～ADC3以使MCU对反电动势采样，6个175℃结温IGBT每两个一组分成3组，每组上下各一个175℃结温IGBT组成上下桥臂，每组中上桥臂175℃结温IGBT的发射极与下桥臂175℃结温IGBT的集电极直接相连，三组上下桥臂的连接点分别连接到电机的三个绕组；
直流无刷电机启动采用三段式启动方式，当直流无刷电机启动到一定速度，工业级125℃高温MCU对反电动势采样，并与1/2母线电压相比较，获得过零点，延迟30°后进行换相。
进一步的，工业级125℃高温MCU将PWM信号经过反相器后输出给IGBT驱动器，ADC采样在程序中还是PWM信号的上升沿进行触发，实际的电压采样时间PWM信号的下降沿，虽然此时175℃结温IGBT开始关断，但是由于175℃结温IGBT关断会有一段延迟，此时导通相的电流已经稳定，对不导通相相电压的影响降到最小，电压采样能准确反映真实情况，在工业级125℃高温MCU程序中，占空比D的计算按照(1-D)进行补偿输出。
进一步的，工业级125℃高温MCU对反电动势采样值进行数字滤波处理，ADC采样频率为PWM频率16KHz，截止频率设定为100Hz，采用IIR结构，滤波器阶次40阶。
进一步的，还包括稳压电源和MC14538芯片，MC14538芯片的输入端连接到外部电源，输出端与稳压电源的输入端连接，稳压电源的多个输出端用于给整个驱动装置的各模块供电。
进一步的，稳压电源中包括电压基准芯片LT1019、运算放大器OPA350和MOS管IRFD9220，电压基准芯片LT1019CS8-2.5驱动运放OPA350进而驱动MOS管，从而输出工业级125℃高温MCU工作所需的5V、3.3V电压规格和IGBT驱动器IR2233工作所需的12V电压规格。
进一步的，MC14538DG芯片是工作温度可达175℃的单稳触发器，TRIG+端输入触发脉冲。
与现有技术相比，本发明优势在于：
本发明的高温长距离无位置传感器直流无刷电机驱动装置可以长期在高温150℃环境条件下正常工作；采用PWM下降沿采样和数字滤波器设计，降低了PWM信号反电动势噪声的影响，可以支持最长3m距离引线直流无刷电机驱动；解决了直流无刷电机驱动装置在高温150℃环境下可靠上电和复位的问题。
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是本发明高温长距离无位置传感器直流无刷电机驱动装置电路图；
图2是本发明的稳压电源电路图；
图3是本发明的MC14538DG芯片电路图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
高温长距离无位置传感器直流无刷电机驱动装置，如图1所示，包括工业级125℃高温MCU(高温150℃条件下稳定工作)、6个反相器(74HC14D)、IGBT驱动器(IR2233)、6个175℃结温IGBT(Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6)和RCD吸收保护电路。工业级125℃高温MCU能够在125℃高温环境下稳定工作，可采用的型号包括：sm320f28335gbs，sm320f28335ptps等；175℃结温IGBT能够在175℃高温环境下稳定工作，可采用的型号包括：h20r1203，k75t60等。
工业级125℃高温MCU输出6路PWM信号(PWM_H1～PWM_H3，PWM_L1～PWM_L3)经过6个反相器(74HC14D)作为驱动信号，其中6个下拉电阻(R2、R3、R5、R8、R13、R18)用于分别对6个反相器下拉PWM信号。经过反相后的驱动信号送入IGBT驱动器(IR2233)用于驱动6个175℃结温IGBT(Q1～Q6)。6个RCD保护电路分别连接在6个175℃结温IGBT的集电极和发射极之间，6个175℃结温IGBT的栅极和IGBT驱动器IR2233之间分别增加1KΩ的栅极电阻(R1、R4、R6、R7、R12、R14)以减缓175℃结温IGBT栅极驱动电压的上升，降低IGBT管的集电极和发射极之间的电压上升率dv/dt和电流上升率di/dt。每个175℃结温IGBT的栅极连接一个稳压管(D1～D6)以限制IGBT的栅极电压不高于额定值。直流无刷电机的反电动势和母线电压VDC通过八个分压电阻(R15～R17、R19～R23)分压，分压后的信号送入工业级125℃高温MCU的ADC0～ADC3以使MCU对反电动势采样。图1最右边的三个绕组就是电机的三相，A、B、C分别代表第一相、第二相和第三相，6个175℃结温IGBT分成了3组(Q1Q4一组、Q2Q5一组、Q3Q6一组)，每组上下各一个175℃结温IGBT组成上下桥臂，每组中上桥臂175℃结温IGBT的发射极与下桥臂175℃结温IGBT的集电极直接相连，三组上下桥臂的连接点分别连接到电机的三个绕组。电机的绕组为星形连接方式。
所述驱动装置工作时，工业级125℃高温MCU内置四路10bit高精度ADC同时对电机转子电流，相电压和直流母线电压同时进行采样，分别实现对电机工作电流过流保护、换相点计算和电压监控等功能；工业级125℃高温MCU输出6路PWM信号作为直流无刷电机的驱动信号，6路PWM信号分别经过6个反相器传输给IGBT驱动器，再由IGBT驱动器驱动6路175℃结温IGBT，直流无刷电机反电动势采样电路通过6个分压电阻(R15、R16、R17、R19、R20、R21)构成，母线电压VDC分压由2个电阻(R22、R23)组成，分压后的电压信号分别进入工业级125℃高温MCU的ADC0、ADC1、ADC2和ADC3进行同步采样。直流无刷电机启动采用传统的三段式启动方式，当直流无刷电机启动到一定速度，工业级125℃高温MCU对反电动势采样，并与1/2母线电压相比较，获得过零点，延迟30°后进行换相。
1、消除反电动势噪声
现有专利和文献提出的消除反电动势噪声方案绝大多数都采用PWM驱动MOS或者IGBT管构成的全桥电路驱动电机，PWM信号的上升沿使得驱动管导通，电流通过电机定子的两相绕组，由于电机转子之间电磁干扰，通电相不可避免的对不通电相造成干扰，由于三相绕组之间的电磁耦合，特别是当电机引线和驱动装置之间长度较长时，通电相绕组会在未通电相绕组上叠加很强的噪声干扰。常用的对不通电相反电动势进行ADC采样的方法是在PWM波上升沿采样，由于绕组电感的作用，转子电流将逐步上升，该上升的电流产生的磁场耦合到不通电相线圈上，造成相电压上升沿过冲，在电机功率较大和引线较长的情况下，ADC采样值产生严重的波动，对软件判断过零点的正确性有明显影响。
本发明消除反电动势噪声的方法具体包括：
(1)工业级125℃高温MCU将PWM信号经过反相器后输出给IGBT驱动器，ADC采样在程序中还是PWM信号的上升沿进行触发，实际的电压采样时间PWM信号的下降沿，虽然此时175℃结温IGBT开始关断，但是由于175℃结温IGBT关断会有一段延迟，此时导通相的电流已经稳定，对不导通相相电压的影响降到最小，电压采样能准确反映真实情况。为正确输出所需的PWM信号占空比，在工业级125℃高温MCU程序中，占空比D的计算按照(1-D)进行补偿输出。
(2)工业级125℃高温MCU对反电动势采样值进行数字滤波处理，ADC采样频率为PWM频率16KHz，截止频率设定为100Hz，采用IIR结构，滤波器阶次40阶，同时通过汇编语言优化数字滤波器的软件设计，提高运算效率，工业级125℃高温MCU的16MHz主频条件下，数字滤波器计算延迟低于10μs，经数字滤波器处理后的信号噪声大幅减小，消除了干扰对过零点判断的影响，避免了利用中性点和相电压通过比较器获得过零点容易产生的虚假过零点的问题，也避免了利用电容对相电压和中性点滤波产生的相位滞后。
2、降低高温对IGBT的影响
在高温环境下，直流无刷电机驱动装置要承受高温、高电压和冲击。由于商用的IGBT管的工作结温普遍在150℃～175℃之间，考虑到IGBT管驱动电机时产生的开关损耗，IGBT管的温升不能超过20℃，已知的专利和相关文献是通过增强管子的结构散热，减小热阻来降低温升，PWM常用频率为10～20KHz，IGBT开关管的开关损耗难以满足降低温升的需求；此外，在150℃环境温度下，IGBT开关管性能将下降，在集电极和发射级之间的dv/dt，di/dt冲击下，IGBT管可靠性大幅降低。
本发明降低高温对IGBT的影响的方法具体包括：
分别在6个175℃结温IGBT上增加均为1KΩ栅极电阻(R1、R4、R6、R7、R12、R14)，栅极电阻的增加会大大减缓IGBT栅极驱动电压的上升，极大的降低IGBT管的集电极和发射级之间的dv/dt和di/dt，使得IGBT管工作在安全区间，提高了IGBT管在高温环境下的可靠性。但是栅极电阻的增加，也会带来开关损耗的急剧上升，为避免开关损耗导致的影响，为此在电机启动后，驱动IGBT的PWM信号的占空比将增加到90％～95％，此时IGBT栅极驱动电压在高占空比和高栅极电阻的条件下，IGBT管接近于完全导通状态，从而消除了IGBT管开关损耗，并进一步降低温升和PWM开关噪声，提高反电动势采样精度，保证了过零点的准确判断，有效提高了高温和长距离环境下的电机换相的可靠性。
3、保证高温下驱动装置的可靠上电和复位
当前市售的单片机所需的5V或者3.3V电源芯片结温均在125℃，在150℃高温环境下都会因为过热保护导致输出关断；在高温环境下，普通电源的输出电压不能从0V快速跳变到正常工作电压，而是缓慢上升，上升时间长达数百ms，直接导致单片机不能可靠复位。
本发明保证高温下驱动装置的可靠上电和复位的方法是：
配置一个高温低压差稳压3.3V线性稳压电源和MC14538DG芯片，MC14538DG芯片的输入端连接到外部电源，输出端与稳压电源的输入端连接，稳压电源的多个输出端用于给整个驱动装置的各模块供电。
稳压电源电路如图2所示，稳压电源中包括电压基准芯片LT1019、运算放大器OPA350和MOS管IRFD9220，上述元器件均可以长期在150℃以上，稳压电源的输出电压由R2和R3的比值确定。电压基准芯片LT1019CS8-2.5驱动运放OPA350进而驱动MOS管，从而输出工业级125℃高温MCU工作所需的5V、3.3V电压规格和IGBT驱动器IR2233工作所需的12V电压规格，外部输出的电压通过R2和R3的比值确定，CE1与C2用以稳定输出，减少电源纹波。
MC14538DG芯片及其外围电路如图3所示，用以保证驱动装置的可靠稳定上电，MC14538DG是工作温度可达175℃的单稳触发器，TRIG+端输入触发脉冲(外部电源)，当外部电源上电后，R1、C1构成的延迟电路使TRIG+端电压在延迟一段时间后达到单稳态触发器输入高电平，单稳态触发器输出端维持低电平，MOS管Q1不导通，不导通延迟时间由外接R3和C2确定，当延迟时间到，输出的高电平控制MOS管Q1导通，将外部10V电源输出到高温稳压电路，从而实现快速上电。
本发明高温长距离无位置传感器直流无刷电机驱动装置，适合于电机和驱动装置之间距离较长，导致反电动势噪声较大的工作场合，将MCU输出的PWM反相后输出给IGBT驱动器驱动IGBT，PWM调制方式采用H_PWM-L_PWM方式，该方式未通电相绕组无续流情况发生，提高了反电动势测量精度；MCU内置的高精度ADC对反电动势在PWM下降沿采样后进行数字滤波处理；结合高结温驱动管、栅极高驱动电阻和高PWM占空比驱动，以降低驱动管温升和多重过压过流保护等技术，实现了对工作电压400V，功率小于600W直流无刷电机驱动，电机极对数无限制，电机和驱动装置之间最长距离可达3m，可在150℃高温环境中稳定工作。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.高温长距离无位置传感器直流无刷电机驱动装置，其特征在于，包括工业级125℃高温MCU、6个反相器、IGBT驱动器、6个175℃结温IGBT和RCD吸收保护电路；
工业级125℃高温MCU输出6路PWM信号经过6个反相器作为驱动信号，每个反相器的输入端连接有一个下拉电阻，经过反相后的驱动信号送入IGBT驱动器用于驱动6个175℃结温IGBT，6个RCD保护电路分别连接在6个175℃结温IGBT的集电极和发射极之间，6个175℃结温IGBT的栅极和IGBT驱动器之间分别增加1KΩ的栅极电阻，每个175℃结温IGBT的栅极连接一个稳压管，直流无刷电机的反电动势和母线电压VDC通过八个分压电阻分压，分压后的信号送入工业级125℃高温MCU的ADC0～ADC3以使MCU对反电动势采样，6个175℃结温IGBT每两个一组分成3组，每组上下各一个175℃结温IGBT组成上下桥臂，每组中上桥臂175℃结温IGBT的发射极与下桥臂175℃结温IGBT的集电极直接相连，三组上下桥臂的连接点分别连接到电机的三个绕组；
直流无刷电机启动采用三段式启动方式，当直流无刷电机启动到一定速度，工业级125℃高温MCU对反电动势采样，并与1/2母线电压相比较，获得过零点，延迟30°后进行换相；
工业级125℃高温MCU将PWM信号经过反相器后输出给IGBT驱动器，ADC采样在程序中还是PWM信号的上升沿进行触发，实际的电压采样时间PWM信号的下降沿，虽然此时175℃结温IGBT开始关断，但是由于175℃结温IGBT关断会有一段延迟，此时导通相的电流已经稳定，对不导通相相电压的影响降到最小，电压采样能准确反映真实情况，在工业级125℃高温MCU程序中，占空比D的计算按照(1-D)进行补偿输出。
2.根据权利要求1所述的高温长距离无位置传感器直流无刷电机驱动装置，其特征在于，工业级125℃高温MCU对反电动势采样值进行数字滤波处理，ADC采样频率为PWM频率16KHz，截止频率设定为100Hz，采用IIR结构，滤波器阶次40阶。
3.根据权利要求1所述的高温长距离无位置传感器直流无刷电机驱动装置，其特征在于，还包括稳压电源和MC14538芯片，MC14538芯片的输入端连接到外部电源，输出端与稳压电源的输入端连接，稳压电源的多个输出端用于给整个驱动装置的各模块供电。
4.根据权利要求3所述的高温长距离无位置传感器直流无刷电机驱动装置，其特征在于，稳压电源中包括电压基准芯片LT1019、运算放大器OPA350和MOS管IRFD9220，电压基准芯片LT1019CS8-2.5驱动运放OPA350进而驱动MOS管，从而输出工业级125℃高温MCU工作所需的5V、3.3V电压规格和IGBT驱动器IR2233工作所需的12V电压规格。
5.根据权利要求3所述的高温长距离无位置传感器直流无刷电机驱动装置，其特征在于，MC14538DG芯片是工作温度可达175℃的单稳触发器，TRIG+端输入触发脉冲。
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