CN111624975A - 一种msk系列无刷直流电机驱动器的验证试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MSK系列无刷直流电机驱动器的验证试验系统，包括：电机驱动模块，用于根据参数配置结果，生成6路PWM控制信号；采集得到霍尔信号和三相无刷电机转速；根据6路PWM控制信号、霍尔信号和三相无刷电机转速，实现对三相无刷电机的闭环控制；驱动模块验证板，根据6路PWM控制信号，驱动无刷电机驱动器工作，进而带动三相无刷电机工作；测功机模拟功率负载模块，对三相无刷电机进行带载测试；上位机控制系统，根据待测试项目进行参数配置，将参数配置结果发送至电机驱动模块。本发明可自动调整测试项目并自动获取测试数据，并将测试数据自动保存到数据库，具备电机输出负载电流以及不同控制信号占空比可调等特点。

Description

一种MSK系列无刷直流电机驱动器的验证试验系统

技术领域

本发明属于电信号测试技术领域，尤其涉及一种针对MSK系列无刷直流电机驱动器的验证试验系统。

背景技术

无刷直流电机采取脉冲宽度调制波形控制且频率信号可调并具有运行效率高、调速性能好、结构简单、运行可靠、维护方便等显著优点，无刷电机与其配套使用的驱动器，尤其MSK系列无刷直流电机驱动器具有功率端输入电压高、输出端负载电流大等特性，在航空航天、通信设备以及民用家电领域都有广泛的应用。

MSK系列无刷直流电机驱动器采用星型联接全桥驱动电路，内部集成6个MOSFET，输出信号可直接与电机相连，在器件使用过程中每次只有两个开关管同时导通，每隔60度改变一次导通状态，每改变一次状态打开一个开关管，每个开关管导通120度。通过在输入端输入6路开关控制信号，分别控制器件内部6个MOSFET的导通与关断，让电动机的不同相导通电流，实现电机的转动。因此，MSK系列无刷直流电机驱动器在配套电机使用时，无刷电机驱动器在不同占空比输入信号条件下，电机不同速度的控制以及电机在不同负载下的测试都为验证过程中关注的重点。

然而，目前国内外基于MSK系列无刷直流电机驱动器输入功率端输入电压高以及输出端负载电流大且可调等特点，还没有建立针对该类器件的验证测试系统，对其与电机的匹配性测试验证更为缺乏。因此，搭建一种无刷直流电机驱动器验证测试系统，满足不同电机负载电流以及不同控制信号可调的测试试验要求势在必行。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种MSK系列无刷直流电机驱动器的验证试验系统，可自动调整测试项目并自动获取测试数据，并将测试数据自动保存到数据库，具备电机输出负载电流以及不同控制信号占空比可调等特点。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种MSK系列无刷直流电机驱动器的验证试验系统，包括：电机驱动模块、驱动模块验证板、测功机模拟功率负载模块和上位机控制系统；

电机驱动模块，用于根据参数配置结果，生成6路PWM控制信号；采集得到测功机模拟功率负载模块下的三相无刷电机工作的霍尔信号和三相无刷电机转速；根据6路PWM控制信号、三相无刷电机工作的霍尔信号和三相无刷电机转速，实现对三相无刷电机的闭环控制；

驱动模块验证板，用于根据6路PWM控制信号，驱动无刷电机驱动器工作，进而带动三相无刷电机工作，实现对三相无刷电机工作状态的切换；

测功机模拟功率负载模块，用于对测功机模拟功率负载模块下的三相无刷电机进行带载测试；

上位机控制系统，用于根据待测试项目进行参数配置，将参数配置结果发送至电机驱动模块。

可选的，还包括：电源及滤波模块；

电源及滤波模块，用于为电机驱动模块和驱动模块验证板提供供电电压输入。

可选的，电源及滤波模块，包括：外部电源系统和电容滤波板；

电源及滤波模块，用于通过电容滤波板将外部电源系统的输出电压转换为电机驱动模块和驱动模块验证板所需的工作电压，为所述电机驱动模块和驱动模块验证板供电。

可选的，电机驱动模块，在对三相无刷电机进行闭环控制时，包括：将采集得到的三相无刷电机转速与设定转速阈值进行比较；若采集得到的三相无刷电机转速超过所述设定转速阈值，则生成反馈信号，以便上位机控制系统根据所述反馈信号调节6路PWM控制信号的占空比；电机驱动模块根据调节后的6路PWM控制信号实现对三相无刷电机转速的调整，降低三相无刷电机的转速，实现对三相无刷电机转速的自动控制。

可选的，驱动模块验证板上设置有DB25连接器接口，三相无刷电机工作通过所述DB25连接器接口与所述驱动模块验证板连接；无刷电机驱动器安装在驱动模块验证板上；其中，DB25连接器接口，用于将连接不同负载的三相无刷电机接入驱动模块验证板，以便驱动模块验证板根据6路PWM控制信号驱动无刷电机驱动器工作，进而带动连接不同负载的三相无刷电机工作，以满足不同MSK电机驱动器的负载使用需求。

可选的，电机驱动模块，还用于采集得到无刷电机驱动器的工作电压、工作电流和工作温度；根据采集得到的无刷电机驱动器的工作电压、工作电流和工作温度，实现对无刷电机驱动器的整体功能验证。

可选的，测功机模拟功率负载模块，包括：三相无刷电机、联轴器和电机测功机及控制器；其中，三相无刷电机和所述电机测功机及控制器通过联轴器连接；

电机测功机及控制器，用于在无刷电机驱动器控制三相无刷电机开始工作后，实现对三相无刷的带载测试，以验证无刷电机驱动器在不同电机负载下的工作状态，以扩大无刷电机驱动器的验证范围。

可选的，上位机控制系统通过隔离485总线传输，实现对电机驱动模块和电机测功机及控制器的实时控制，同时，通过以太网口与测试试验设备集连，实现对测试结果的实时监测。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明公开的MSK系列无刷直流电机驱动器的验证试验系统，可自动调整测试项目并自动获取测试数据，并将测试数据自动保存到数据库，同时具备电机输出负载电流以及不同控制信号占空比可调等特点，可满足不同MSK系列无刷直流电机驱动器不同电机负载使用要求。

(2)本发明针对MSK系列无刷直流电机驱动器输出负载电流大且输出范围宽等特点，选取相应的三相无刷电机和电机测功机及控制器，解决了不同MSK系列无刷直流电机驱动器不同电机负载使用要求。

(3)本发明可实现不同MSK系列器件的验证测试，采用在测试的同时实现了测试波形的自动捕捉与存储，相比于常规手动示波器的波形抓取，效率更高，准确性更好。

(4)本发明在信号采集、驱动信号控制、器件供电方式等方面均采用全隔离控制方式，电路设计上将功率电源及信号电源完全隔离，有效避免了功率干扰对控制信号的影响，保证了系统的稳定性。

附图说明

图1为本发明MSK系列无刷直流电机驱动器的验证试验系统框图；

图2为本发明MSK系列无刷直流电机驱动器的验证试验系统工作原理示意图；

图3为本发明一种数字信号隔离控制采集电路图；

图4为本发明一种模拟信号采集电路图；

图5为本发明一种DB25连接器电路图。

具体实施方式

如图1和图2，在本实施例中，该MSK系列无刷直流电机驱动器验证试验系统，包括：电机驱动模块2、驱动模块验证板3、测功机模拟功率负载模块4和上位机控制系统5。

电机驱动模块2，用于根据参数配置结果，生成6路PWM控制信号；采集得到测功机模拟功率负载模块4下的三相无刷电机工作的霍尔信号和三相无刷电机转速；根据6路PWM控制信号、三相无刷电机工作的霍尔信号和三相无刷电机转速，实现对三相无刷电机的闭环控制。

在本实施例中，电机驱动模块2，在对三相无刷电机进行闭环控制时，包括：将采集得到的三相无刷电机转速与设定转速阈值(例如，13r/s)进行比较；若采集得到的三相无刷电机转速超过所述设定转速阈值，则生成反馈信号，以便上位机控制系统5根据所述反馈信号调节6路PWM控制信号的占空比；电机驱动模块2根据调节后的6路PWM控制信号实现对三相无刷电机转速的调整，降低三相无刷电机的转速，实现对三相无刷电机转速的自动控制。

优选的，电机驱动模块2，还可以用于采集得到无刷电机驱动器的工作电压、工作电流和工作温度；根据采集得到的无刷电机驱动器的工作电压、工作电流和工作温度，实现对无刷电机驱动器的整体功能验证。

如前所述，结合图3和图4可知，电机驱动模块2主要包括控制器和驱动单元。控制器用于实现PWM调速控制及三相桥的6步控制，同时要采集无刷电机驱动器的工作电压、工作电流和工作温度等模拟信号，即需要5路ADC用于相电流、母线电压和温度采集，本发明采用了M4C1294NCPDT的控制器。此外，为防止驱动单元的干扰对控制器的影响，分别对PWM等数字信号传送以及模拟信号采集采取全隔离设计，并对隔离后的霍尔信号进行采集设计。

在PWM等数字信号传送设计中，电机驱动模块2的板卡上的6路PWM波形信号直接通过TM4C1294NCPDT控制器产生。产生的6路PWM波形信号通过ADI公司的磁隔离器ADUM1400直接驱动MSK系列的无刷电机驱动器的相应接口。器件部分的使能和一些控制信号也通过隔离器进行传送。MSK系列的无刷电机驱动器的一些输出的数字信号通过磁隔离器ADUM1401传回MCU进行统一处理。其中，磁隔离器ADUM1400和磁隔离器ADUM1401为双侧供电方式，隔离测的电源通过DC-DC隔离模块产生。在通过LDO进行降压供给磁隔离器。磁隔离器的高共模瞬变抗扰度大于25kV/μs，可有效阻止驱动单元干扰到控制器，可以保证系统的可靠性。

在模拟信号采集设计中，主要应用了一款TI公司的隔离运算放大器实现，此隔离运算放大器的输入信号为差分形式，范围为±250mV。输出信号也为差分形式，固定增益为8.2，内部采用电容隔离，隔离电压可达800V，其芯片的偏移电压和增益的误差可通过软件进行校准保证采集精度。由于采集驱动器功率端口和控制端口的电流时，为防止其共模电压超过隔离运算放大器的共模电压。电流采集的电路进行了电源的二次隔离，以保证其共模电压不会影响采集。

在霍尔信号采集设计中，三相无刷电机输出的三个霍尔信号为开漏形式，所以在板卡上对电源接了上拉电阻。霍尔信号进入板卡后首先通过RC低通滤波器滤除干扰，还在软件上对霍尔信号进行了二次滤波，以保证霍尔信号的正确性，从而保证电机的稳定运转和转速信息的精确性。

驱动模块验证板3，用于根据6路PWM控制信号，驱动无刷电机驱动器工作，进而带动三相无刷电机工作，实现对三相无刷电机工作状态的切换。

在本实施例中，驱动模块验证板3上设置有DB25连接器接口，如图5所示，三相无刷电机工作通过所述DB25连接器接口与所述驱动模块验证板3连接；无刷电机驱动器安装在驱动模块验证板3上；其中，DB25连接器接口，用于将连接不同负载的三相无刷电机接入驱动模块验证板3，以便驱动模块验证板3根据6路PWM控制信号驱动无刷电机驱动器工作，进而带动连接不同负载的三相无刷电机工作，以满足不同MSK电机驱动器的负载使用需求。

优选的，该驱动模块验证板3可以采用通用控制板信号接口方式设计，在接口设计方面板卡预留了每种驱动器的信号接口，由于某些信号可以公用。所以在板卡设计上留出了一个DB25连接器的插座接口。所有驱动器板卡和控制板卡接口信号全部一致，所以在验证时，只需将相应的驱动器板卡通过线缆连接至控制板卡即可。这样就可以只改变控制板卡的程序就可以达到验证每种驱动器芯片的目的。此信号接口全部为隔离后的信号，所以可以有效防止干扰导致的控制板损坏，保证控制系统的稳定性。

测功机模拟功率负载模块4，用于对测功机模拟功率负载模块4下的三相无刷电机进行带载测试。

在本实施例中，测功机模拟功率负载模块4具体可以包括：三相无刷电机、联轴器和电机测功机及控制器；其中，三相无刷电机和所述电机测功机及控制器通过联轴器连接。电机测功机及控制器，用于在无刷电机驱动器控制三相无刷电机开始工作后，实现对三相无刷的带载测试，以验证无刷电机驱动器在不同电机负载下的工作状态，以扩大无刷电机驱动器的验证范围。

优选的，针对MSK系列无刷电机驱动器输出负载电流大且输出范围宽等特点，选择180BLF三相无刷电机，180BLF三相无刷电机最大直流电压62A，可覆盖该系类器件负载电机最大直流电压50A的使用要求。在电机测功机及控制器选择设计方面，设计一种磁粉式测功机，通过改变激磁电流来改变负载力矩，从而实现不同工况下的负载特性使用要求。由于被验证测试器件负载电流大，在电机测功机及控制器设计时采用了水冷制冷的方式，解决因发热产生高温而使磁粉烧结而不能长时间运行的缺点。被测无刷电机驱动器驱动三相无刷电机转动，当电机测功机及控制器中的制动器施加磁电流后，其内外定子通过转子对被试电机施加制动转矩，并由测功机内部转矩传感器、转速传感器分别把转矩信号和转速信号转变成电信号，通过计算机通讯接口信号传输及换算，实时显示三相无刷电机的转速以及转矩大小。

上位机控制系统5，用于根据待测试项目进行参数配置，将参数配置结果发送至电机驱动模块2。

在本实施例中，上位机控制系统5主要实现人机交互功能、试验参数设置、数据存储、数据自动处理以及用户管理功能：首先，进行不同参数的配置，实现器件电源电压、输出电流以及电机转速等功能测试。测试开始后，根据测试项目自动生成测试指令，并通过串口指令发送至下位机，下位机接收指令并执行完相应操作后将数据返还，上位机软件接收到返回的数据通过示波器等测试设备的太网口集连，实现对测试数据的分析、显示、存储，同时将测试信息写入数据库。

优选的，上位机控制系统5通过隔离485总线传输，实现对电机驱动模块2和电机测功机及控制器的实时控制，同时，通过以太网口与测试试验设备集连，实现对测试结果的实时监测。

在本发明的一优选实施例中，该MSK系列无刷直流电机驱动器验证试验系统，还可以包括：电源及滤波模块1。

电源及滤波模块1，用于为电机驱动模块2和驱动模块验证板3提供供电电压输入。

在本实施例中，电源及滤波模块1具体可以包括：外部电源系统和电容滤波板。其中，电源及滤波模块1，用于通过电容滤波板将外部电源系统的输出电压转换为电机驱动模块2和驱动模块验证板3所需的工作电压，为所述电机驱动模块2和驱动模块验证板3供电。

优选的，外部电源系统在设计时可以分为四个单元的设计：控制单元电源、驱动器逻辑电源、驱动功率电源和通讯接口电源。其中，100V的直流电压通过驱动功率电源的二极管组成的防反接电路以及滤波电路为无刷电机驱动器的功率部分供电。输出电压分别经驱动器逻辑电源、控制单元电源的电压转换实现对MCU控制器和靠近MCU侧隔离模块供电；以及，经驱动器逻辑电源、通讯接口电源实现对接口器件的供电。

具体的：控制单元电源主要用于给MCU控制器和靠近MCU侧隔离模块供电：控制单元电源采用电压转换器件B1212S-1W/B1515S-1W以及LM7805，通过输入端电容、输出端电容以及输出端电阻分压调整，分别将12V、±15V电压转化为5V，给MCU控制器和靠近MCU侧隔离模块供电。驱动器逻辑电源主要用于给器件内部逻辑单元、MOSFET驱动电源以及内部隔离模块等三部分供电。驱动功率电源主要用于给无刷电机驱动器的功率部分供电，在电源输入端设计有防反接电路及滤波电路，通过并联两组大小电容，有效滤除电源纹波，大电容选用470μF/220V电解电容；同时靠近电源引脚处，并联有2个1000μF/220V和1个470μF/200V电解电容，有效保证器件电源的稳定。通讯接口电源：由于系统连接PC机时较易引入市电干扰，因此电源和信号均设计为与外部隔离方式，利用隔离的DC-DC转换器B0505S-1WR3为通讯接口供电，并通过输出端电容滤波，实现输入电压5V从输入端到输出端的电源全隔离控制，从而降低电源波动对系统的影响。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种MSK系列无刷直流电机驱动器的验证试验系统，其特征在于，包括：电机驱动模块(2)、驱动模块验证板(3)、测功机模拟功率负载模块(4)和上位机控制系统(5)；

电机驱动模块(2)，用于根据参数配置结果，生成6路PWM控制信号；采集得到测功机模拟功率负载模块(4)下的三相无刷电机工作的霍尔信号和三相无刷电机转速；根据6路PWM控制信号、三相无刷电机工作的霍尔信号和三相无刷电机转速，实现对三相无刷电机的闭环控制；

驱动模块验证板(3)，用于根据6路PWM控制信号，驱动无刷电机驱动器工作，进而带动三相无刷电机工作，实现对三相无刷电机工作状态的切换；

测功机模拟功率负载模块(4)，用于对测功机模拟功率负载模块(4)下的三相无刷电机进行带载测试；

上位机控制系统(5)，用于根据待测试项目进行参数配置，将参数配置结果发送至电机驱动模块(2)。

2.如权利要求1所述的MSK系列无刷直流电机驱动器的验证试验系统，其特征在于，还包括：电源及滤波模块(1)；

电源及滤波模块(1)，用于为电机驱动模块(2)和驱动模块验证板(3)提供供电电压输入。

3.如权利要求2所述的MSK系列无刷直流电机驱动器的验证试验系统，其特征在于，电源及滤波模块(1)，包括：外部电源系统和电容滤波板；

电源及滤波模块(1)，用于通过电容滤波板将外部电源系统的输出电压转换为电机驱动模块(2)和驱动模块验证板(3)所需的工作电压，为所述电机驱动模块(2)和驱动模块验证板(3)供电。

4.如权利要求1所述的MSK系列无刷直流电机驱动器的验证试验系统，其特征在于，电机驱动模块(2)，在对三相无刷电机进行闭环控制时，包括：将采集得到的三相无刷电机转速与设定转速阈值进行比较；若采集得到的三相无刷电机转速超过所述设定转速阈值，则生成反馈信号，以便上位机控制系统(5)根据所述反馈信号调节6路PWM控制信号的占空比；电机驱动模块(2)根据调节后的6路PWM控制信号实现对三相无刷电机转速的调整，降低三相无刷电机的转速，实现对三相无刷电机转速的自动控制。

5.如权利要求1所述的MSK系列无刷直流电机驱动器的验证试验系统，其特征在于，驱动模块验证板(3)上设置有DB25连接器接口，三相无刷电机工作通过所述DB25连接器接口与所述驱动模块验证板(3)连接；无刷电机驱动器安装在驱动模块验证板(3)上；其中，DB25连接器接口，用于将连接不同负载的三相无刷电机接入驱动模块验证板(3)，以便驱动模块验证板(3)根据6路PWM控制信号驱动无刷电机驱动器工作，进而带动连接不同负载的三相无刷电机工作，以满足不同MSK电机驱动器的负载使用需求。

6.如权利要求1所述的MSK系列无刷直流电机驱动器的验证试验系统，其特征在于，电机驱动模块(2)，还用于采集得到无刷电机驱动器的工作电压、工作电流和工作温度；根据采集得到的无刷电机驱动器的工作电压、工作电流和工作温度，实现对无刷电机驱动器的整体功能验证。

7.如权利要求1所述的MSK系列无刷直流电机驱动器的验证试验系统，其特征在于，测功机模拟功率负载模块(4)，包括：三相无刷电机、联轴器和电机测功机及控制器；其中，三相无刷电机和所述电机测功机及控制器通过联轴器连接；

电机测功机及控制器，用于在无刷电机驱动器控制三相无刷电机开始工作后，实现对三相无刷的带载测试，以验证无刷电机驱动器在不同电机负载下的工作状态，以扩大无刷电机驱动器的验证范围。

8.如权利要求7所述的MSK系列无刷直流电机驱动器的验证试验系统，其特征在于，上位机控制系统(5)通过隔离485总线传输，实现对电机驱动模块(2)和电机测功机及控制器的实时控制，同时，通过以太网口与测试试验设备集连，实现对测试结果的实时监测。

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