CN112649755A - 一种无刷电机控制器自检方法、装置及无刷电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无刷电机控制器自检方法、装置及无刷电机，其中，通过在现有的无刷电机控制电路的基础上，上桥臂功率器件和下桥臂器件之间与VS功能引脚信号连接的串联节点经一电阻接地，以此实现无刷电机控制器上电时为自举电容充电的功能，从而实现无刷电机控制器的自检。其中，基于上电时自举电容充电，通过采集驱动芯片自举电路中的VS功能引脚的电信号，就可以直接判断上桥臂、下桥臂功率器件的短路情况，无需执行功率器件的开启动作，如此，可以实现在不开启功率器件的条件下完成功率器件是否短路的检测，正常时再执行断路检测，大大提高了无刷电机控制器自检的安全性，避免了无刷直流电机和控制器进一步的损坏。

Description

一种无刷电机控制器自检方法、装置及无刷电机

技术领域

本发明属于无刷电机技术领域，尤其涉及一种无刷电机控制器自检方法、装置及无刷电机。

背景技术

无刷直流电机具有结构简单、效率高、精度高、稳定性好、噪声低、寿命长等优点，又由于无刷直流电机输出转矩与电机体积之比高于有刷直流电机和感应电机，使之在着重考虑空间和重量的应用中得到广泛应用，比如航空模型、电动车、手持工具等。无刷直流电机需要配合控制器才能使用，无刷直流电机通过变换控制器不同功率器件的导通状态进行换相，因此必须保证控制器的功率器件完好，才能使得无刷直流电机正常工作。

但在无刷直流电机使用中，存在一定比例的控制器功率器件失效，功率器件短路或者断路，多表现为短路。功率器件短路失效后，如果仍按照功率器件正常的情况使用，会导致无刷直流电机和控制器进一步的损坏，并可能导致起火或者机械伤人等事故，因此一般控制器在无刷电机启动前都需要检测功率器件是否正常，检测结果为正常后才可以启动。

现有技术专利申请号为“202010729751.2”专利名称“无刷电机控制器上电保护检测电路及其上电保护检测方法”的专利公开了无刷电机控制器上电保护检测方法，其中，其需控制3个预驱集成芯片向第一场效应管、第三场效应管和第五场效应管这三个半桥的上管发出一个导通脉冲，上管会短时间打开，此时自举电容C5通过自举电路将有部分漏电流通过预驱集成芯片U1的Vb功能引脚和VS功能引脚流向第一场效应管、第三场效应管和第五场效应管这三个半桥的上管的源级，这三个半桥的上管的源级同时也是绕组的U，V，W三端；三个源级端由于其各自对应的RC串联回路的存在，将会有部分悬浮电压，此电压预计在2V左右；当24V电源上电的时候，母线电压V+将会有电流经过域区电路预驱集成芯片U1流向三个半桥的上管的源级，此电压预计在4.5V左右；故正常情况下绕组的UVW三端的电压在6.5V左右；

具体地，当六颗场效应管的一个或多个短路时，+24V电压会直接通过第一场效应管、第三场效应管和第五场效应管分别流向绕组U端、绕组V端和绕组W端，绕组UVW端的采样电压大于8V，比较器的高端阈值参考电压为8V，第四门逻辑器U4逻辑与输出为低电平；MCU芯片的MCU.BKIN输出为低电平，MCU芯片的6路PWM被禁止输出。

值得注意的是，上述现有技术若要实现对功率器件的短路检测，其需要执行第一场效应管、第三场效应管和第五场效应管的打开动作，如此启功率器件的动作，就会导致无刷直流电机和控制器进一步的损坏，并可能导致起火或者机械伤人等事故。

因此，现有技术中存在着上述无刷电机控制器自检不安全的技术问题。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提供了一种无刷电机控制器自检方法、装置及无刷电机，本发明的技术方案为：

一种无刷电机控制器自检方法，其中，无刷电机控制器包括驱动芯片、自举电容、二极管、上桥臂功率器件、下桥臂功率器件，驱动芯片用于驱动上桥臂功率器件、下桥臂功率器件的开与关，上桥臂功率器件与下桥臂器件串联，驱动芯片的VS功能引脚与自举电容的一端连接，自举电容的另一端与驱动芯片的VB功能引脚信号连接，并经二极管与供电电源连接，上桥臂功率器件和下桥臂器件之间与VS功能引脚信号连接的串联节点经一电阻接地，该方法包括以下步骤：

在上电过程中，采集VS功能引脚的第一电压信号，并根据第一电压信号以及其实际偏差值进行功率器件短路检测：

若第一电压信号小于电源电压范围且大于零电位范围，则上桥臂功率器件与下桥臂功率器件均未短路，其中，电源电压范围为电源电压在实际偏差值下的范围，零电位范围为零电位在实际偏差值下的范围；

若第一电压信号位于电源电压范围，则上桥臂功率器件短路；

若第一电压信号位于零电位范围，则下桥臂功率器件短路。

在其中一个实施例中，还包括：

在上桥臂功率器件与下桥臂功率器件均未短路之后，开启上桥臂功率器件且关闭下桥臂功率器件，采集VS功能引脚的第二电压信号，并根据第二电压信号进行上桥臂功率器件的断路检测：

若第二电压信号位于电源电压范围，则上桥臂功率器件未断路，反之则上桥臂功率器件发生断路。

在其中一个实施例中，还包括：

在上桥臂功率器件与下桥臂功率器件均未短路之后，开启下桥臂功率器件且关闭上桥臂功率器件，采集VS功能引脚的第三电压信号，并根据第三电压信号进行下桥臂功率器件的断路检测：

若第三电压信号小于漏电电压，则下桥臂功率器件未断路，反之则下桥臂功率器件发生断路，其中，漏电电压为驱动芯片的漏电流流经电阻产生的电压值。

一种无刷电机控制器自检装置，其中，无刷电机控制器包括驱动芯片、自举电容、二极管、上桥臂功率器件、下桥臂功率器件，驱动芯片用于驱动上桥臂功率器件、下桥臂功率器件的开与关，上桥臂功率器件与下桥臂器件串联，驱动芯片的VS功能引脚与自举电容的一端连接，自举电容的另一端与驱动芯片的VB功能引脚信号连接，并经二极管与供电电源连接，上桥臂功率器件和下桥臂器件之间与VS功能引脚信号连接的串联节点经一电阻接地，该装置包括：

短路检测模块，用于在上电过程中，采集VS功能引脚的第一电压信号，并根据第一电压信号以及其实际偏差值进行功率器件短路检测：若第一电压信号小于电源电压范围且大于零电位范围，则上桥臂功率器件与下桥臂功率器件均未短路，其中，电源电压范围为电源电压在实际偏差值下的范围，零电位范围为零电位在实际偏差值下的范围；若第一电压信号位于电源电压范围，则上桥臂功率器件短路；若第一电压信号位于零电位范围，则下桥臂功率器件短路。

在其中一个实施例中，还包括：第一断路检测模块，用于在上桥臂功率器件与下桥臂功率器件均未短路之后，开启上桥臂功率器件且关闭下桥臂功率器件，采集VS功能引脚的第二电压信号，并根据第二电压信号进行上桥臂功率器件的断路检测：若第二电压信号位于电源电压范围，则上桥臂功率器件未断路，反之则上桥臂功率器件发生断路。

在其中一个实施例中，还包括：第二断路检测模块，用于在上桥臂功率器件与下桥臂功率器件均未短路之后，开启下桥臂功率器件且关闭上桥臂功率器件，采集VS功能引脚的第三电压信号，并根据第三电压信号进行下桥臂功率器件的断路检测：若第三电压信号小于漏电电压，则下桥臂功率器件未断路，反之则下桥臂功率器件发生断路，其中，漏电电压为驱动芯片的漏电流流经电阻产生的电压值。

一种无刷电机，包括如上述任意一项所述的无刷电机控制器自检装置。

本发明与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

本发明通过在现有的无刷电机控制电路的基础上，将上桥臂功率器件和下桥臂器件之间与VS功能引脚信号连接的串联节点经一电阻接地，以此实现无刷电机控制器上电时为自举电容充电的功能，从而实现无刷电机控制器的自检，其中，基于上电时自举电容充电，通过采集驱动芯片自举电路中的VS功能引脚的电信号，就可以直接判断上桥臂、下桥臂功率器件的短路情况，无需执行功率器件的开启动作，如此，大大提高了无刷电机控制器自检的安全性，避免了无刷直流电机和控制器进一步的损坏；

本发明在功率器件短路检查正常的情况下，再执行功率器件的开启动作，以进行上桥臂、下桥臂功率器件的断路检测，进一步保障了断路检测过程中的安全性，避免了功率器件短路而引发的安全问题。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。

图1为现有技术中无刷电机控制器的驱动芯片原理图；

图2为本发明的一种无刷电机控制器自检方法中的无刷电机控制器电路原理图；

图3为本发明的一种无刷电机控制器自检方法的流程图；

图4为本发明的一种无刷电机控制器自检方法中上电时的功率器件短路检测波形；

图5为本发明的一种无刷电机控制器自检方法中上电后的功率器件断路检测波形。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。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，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种无刷电机控制器自检方法、装置及无刷电机作进一步详细说明。

参看图2和图3，本申请提供了一种无刷电机控制器自检方法，其中，无刷电机控制器包括驱动芯片、自举电容、二极管、上桥臂功率器件、下桥臂功率器件，驱动芯片用于驱动上桥臂功率器件、下桥臂功率器件的开与关，上桥臂功率器件与下桥臂器件串联，驱动芯片的VS功能引脚与自举电容的一端连接，自举电容的另一端与驱动芯片的VB功能引脚信号连接，并经二极管与供电电源连接，上桥臂功率器件和下桥臂器件之间与VS功能引脚信号连接的串联节点经一电阻接地，该方法包括以下步骤：

在上电过程中，采集VS功能引脚的第一电压信号，并根据第一电压信号以及其实际偏差值进行功率器件短路检测：

若第一电压信号小于电源电压范围且大于零电位范围，则上桥臂功率器件与下桥臂功率器件均未短路，其中，电源电压范围为电源电压在实际偏差值下的范围，零电位范围为零电位在实际偏差值下的范围；

若第一电压信号位于电源电压范围，则上桥臂功率器件短路；

若第一电压信号位于零电位范围，则下桥臂功率器件短路。

现对上述实施例进行详细说明，但不仅限于此。

本实施例用于实现无刷电机控制器的安全自检，其中，无刷电机控制器的功率器件需要采用专用驱动IC来实现逻辑计算元件(如下称为MCU)对功率器件的控制，该专用驱动IC的输入信号为MCU的输出信号，输出信号用来驱动功率器件开启和关闭，其中，目前专用驱动IC已经普使用，其内部拓展图如图1所示。

参看图1和图2，现有技术的专用驱动IC都是需外接自举电容C1，从专用驱动IC内部拓扑图中可以看到，其开启和关闭上桥臂功率器件需要通过VS/HO/VB实现的，该部分电路称VS/HO/VB模块为自举电路模块。由于自举电路模块需要消耗一定的电流值才能保证可靠的工作逻辑，该电流称该电流为漏电流I，因此，自举电路模块需要外接一自举电容C1，以实现功率器件的正常驱动，该漏电流的值可以在IC的规格书中查询。

参看图2，本实施例在现有技术的基础上增加了电阻R3，用来实现在上电时为自举电容C1充电的功能，从而实现无刷电机控制器的自检，其中，参看图4，在上电过程中，未损坏的功率器件保持关闭状态，即M1与M2保持关闭状态。VS的电压信号，前半段伴随着VCC的上升而上升，后半段开始缓慢的下降，VS电压信号下降的速度取决于专用驱动IC的漏电流值、C1的容值、R3的阻值，直至达到漏电流在R3上产生的漏电电压，该电压值为R3*I，VS达到稳定后，C1两端压差为VCC-Vd1-R3*I。

具体地，本实施例的功率器件短路检测的方法中，当电路中的专用驱动IC、电容C1、电阻R3确定之后，在上电过程中VS的波形即是确定的，本实施例在上电时特定时刻采样VS电压信号，该电压信号应当小于电源电压范围且大于零电位范围，才是符合上述未损坏的功率器件的上电状态，其中，该特定时刻需与专用驱动IC、电容C1、电阻R3一同确定，即根据具体正常VS功能引脚的波形曲线确定该特定时刻。而当上桥臂功率器件短路后，上电后VS电压信号将位于电源电压范围，即接近电源电压信号；当下桥臂功率器件短路后，上电后VS电压信号将位于零电位范围，即接近为0，如此，在不开启功率器件的条件下，实现了功率器件是否短路的检测。由于实际使用过程中，采集信号存在实际偏差值，实际偏差值为第一电压信号理论与实际之间的偏差值，例如当上桥臂功率器件短路时，第一电压信号理论上应为电源电压值，但实际上为接近电源电压的值，两者存在一个偏差值，故上述均考虑实际偏差值的影响范围，电源电压范围为电源电压在实际偏差值下的范围，零电位范围为零电位在实际偏差值下的范围，其中，实际偏差值的具体值会因为不同硬件电路设计、信号采集手段等等而有所不同，故需上述范围需根据实际电路中的信号偏差值进行设置，例如本实施例中，自举电容C1采用了4.7μF，电阻R3采用10KΩ，此硬件电路下实际偏差值±0.3V，故电源电压范围取U±0.3V，零电位范围取±0.3V，显然地，该实例仅是本实施例的一种具体设定，本实施例不仅限于此。

优选地，上述判定条件还可以为采样的VS信号需小于电源电压的7/8，且大于电源电压1/8，即判定功率器件未发生短路异常，以进一步准确、可靠地判断功率器件的短路情况，避免由于检测信号误差导致的检测异常。

本实施例通过在现有的无刷电机控制电路的基础上，将上桥臂功率器件和下桥臂器件之间与VS功能引脚信号连接的串联节点经一电阻接地，以此实现无刷电机控制器上电时为自举电容充电的功能，从而实现无刷电机控制器的自检，其中，基于上电时自举电容充电，通过采集驱动芯片自举电路中的VS功能引脚的电信号，就可以直接判断上桥臂、下桥臂功率器件的短路情况，无需执行功率器件的开启动作，如此，大大提高了无刷电机控制器自检的安全性，避免了无刷直流电机和控制器进一步的损坏。

优选地，若发生短路异常则不再进行功率器件断路保护，提示功率器件短路异常，参看图3和图5中，在判定功率器件未发生短路异常后，进行功率器件断路检测：

开启上桥臂功率器件且关闭下桥臂功率器件，检测VS电压信号，若VS位于电源电压范围，即接近电源电压，则判定上桥臂功率器件未发生断路保护，反之则发生功率器件断路；

开启下桥臂功率器件且关闭上桥臂功率器件，采样VS电压信号，若VS电压信号小于漏电电压R3*I，即判定下桥臂功率器件未发生断路保护，反之则发生功率器件断路。

本实施例在功率器件短路检查正常的情况下，再执行功率器件的开启动作，以进行上桥臂、下桥臂功率器件的断路检测，进一步保障了断路检测过程中的安全性，避免了功率器件短路而引发的安全问题。

综上，本实施例提供的无刷电机控制器自检方法，该方法可以实现在不开启功率器件的条件下完成功率器件是否短路的检测，在功率器件短路检测结果为正常时，再执行对应开启功率器件的动作对功率器件进行断路检测，如此，可以准确完成功率器件短路检测和断路检测，且不会对已有功率器件损坏的控制器造成进一步的损坏。

本申请还提供了一种基于上述实施例的无刷电机控制器自检装置，其中，无刷电机控制器包括驱动芯片、自举电容、二极管、上桥臂功率器件、下桥臂功率器件，驱动芯片用于驱动上桥臂功率器件、下桥臂功率器件的开与关，上桥臂功率器件与下桥臂器件串联，驱动芯片的VS功能引脚与自举电容的一端连接，自举电容的另一端与驱动芯片的VB功能引脚信号连接，并经二极管与供电电源连接，上桥臂功率器件和下桥臂器件之间与VS功能引脚信号连接的串联节点经一电阻接地，该装置包括：

短路检测模块，用于在上电过程中，采集VS功能引脚的第一电压信号，并根据第一电压信号以及其实际偏差值进行功率器件短路检测：若第一电压信号小于电源电压范围且大于零电位范围，则上桥臂功率器件与下桥臂功率器件均未短路，其中，电源电压范围为电源电压在实际偏差值下的范围，零电位范围为零电位在实际偏差值下的范围；若第一电压信号位于电源电压范围，则上桥臂功率器件短路；若第一电压信号位于零电位范围，则下桥臂功率器件短路。

优选地，本实施例还包括：第一断路检测模块，用于在上桥臂功率器件与下桥臂功率器件均未短路之后，开启上桥臂功率器件且关闭下桥臂功率器件，采集VS功能引脚的第二电压信号，并根据第二电压信号进行上桥臂功率器件的断路检测：若第二电压信号位于电源电压范围，则上桥臂功率器件未断路，反之则上桥臂功率器件发生断路。

优选地，本实施例还包括：第二断路检测模块，用于在上桥臂功率器件与下桥臂功率器件均未短路之后，开启下桥臂功率器件且关闭上桥臂功率器件，采集VS功能引脚的第三电压信号，并根据第三电压信号进行下桥臂功率器件的断路检测：若第三电压信号小于漏电电压，则下桥臂功率器件未断路，反之则下桥臂功率器件发生断路，其中，漏电电压为驱动芯片的漏电流流经电阻产生的电压值。

上述短路检测模块、第一断路检测模块、第二断路检测模块可以是无刷电机控制器外新增的模块，优选地，也可以基于现有无刷电机控制器中的MCU予以实现，以降低装置的成本，具体的实现原理在上述实施例中已详细说明，在此不再赘述。

本申请还提供了一种基于上述无刷电机控制器自检装置的无刷电机，该无刷电机通过上述无刷电机控制器进行驱动以及上述自检装置短路、断路检查，其中，通过在现有的无刷电机控制电路的基础上，将上桥臂功率器件和下桥臂器件之间与VS功能引脚信号连接的串联节点经一电阻接地，以此实现无刷电机控制器上电时为自举电容充电的功能，从而实现无刷电机控制器的自检，其中，基于上电时自举电容充电，通过采集驱动芯片自举电路中的VS功能引脚的电信号，就可以直接判断上桥臂、下桥臂功率器件的短路情况，无需执行功率器件的开启动作，如此，大大提高了无刷电机控制器自检的安全性，避免了无刷直流电机和控制器进一步的损坏，另外，在功率器件短路检查正常的情况下，再执行功率器件的开启动作，以进行上桥臂、下桥臂功率器件的断路检测，进一步保障了断路检测过程中的安全性，避免了功率器件短路而引发的安全问题。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种无刷电机控制器自检方法，其中，无刷电机控制器包括驱动芯片、自举电容、二极管、上桥臂功率器件、下桥臂功率器件，所述驱动芯片用于驱动所述上桥臂功率器件、所述下桥臂功率器件的开与关，所述上桥臂功率器件与所述下桥臂器件串联，所述驱动芯片的VS功能引脚与所述自举电容的一端连接，所述自举电容的另一端与所述驱动芯片的VB功能引脚信号连接，并经所述二极管与供电电源连接，其特征在于，所述上桥臂功率器件和所述下桥臂器件之间与所述VS功能引脚信号连接的串联节点经一电阻接地，该方法包括以下步骤：

在上电过程中，采集所述VS功能引脚的第一电压信号，并根据所述第一电压信号以及其实际偏差值进行功率器件短路检测：

若所述第一电压信号小于电源电压范围且大于零电位范围，则所述上桥臂功率器件与所述下桥臂功率器件均未短路，其中，所述电源电压范围为电源电压在所述实际偏差值下的范围，所述零电位范围为零电位在所述实际偏差值下的范围；

若所述第一电压信号位于所述电源电压范围，则所述上桥臂功率器件短路；

若所述第一电压信号位于所述零电位范围，则所述下桥臂功率器件短路。

2.根据权利要求1所述的无刷电机控制器自检方法，其特征在于，还包括：

在所述上桥臂功率器件与所述下桥臂功率器件均未短路之后，开启所述上桥臂功率器件且关闭所述下桥臂功率器件，采集所述VS功能引脚的第二电压信号，并根据所述第二电压信号进行所述上桥臂功率器件的断路检测：

若所述第二电压信号位于所述电源电压范围，则所述上桥臂功率器件未断路，反之则所述上桥臂功率器件发生断路。

3.根据权利要求1或2所述的无刷电机控制器自检方法，其特征在于，还包括：

在所述上桥臂功率器件与所述下桥臂功率器件均未短路之后，开启所述下桥臂功率器件且关闭所述上桥臂功率器件，采集所述VS功能引脚的第三电压信号，并根据所述第三电压信号进行所述下桥臂功率器件的断路检测：

若所述第三电压信号小于漏电电压，则所述下桥臂功率器件未断路，反之则所述下桥臂功率器件发生断路，其中，所述漏电电压为所述驱动芯片的漏电流流经所述电阻产生的电压值。

4.一种无刷电机控制器自检装置，其中，无刷电机控制器包括驱动芯片、自举电容、二极管、上桥臂功率器件、下桥臂功率器件，所述驱动芯片用于驱动所述上桥臂功率器件、所述下桥臂功率器件的开与关，所述上桥臂功率器件与所述下桥臂器件串联，所述驱动芯片的VS功能引脚与所述自举电容的一端连接，所述自举电容的另一端与所述驱动芯片的VB功能引脚信号连接，并经所述二极管与供电电源连接，其特征在于，所述上桥臂功率器件和所述下桥臂器件之间与所述VS功能引脚信号连接的串联节点经一电阻接地，该装置包括：

短路检测模块，用于在上电过程中，采集所述VS功能引脚的第一电压信号，并根据所述第一电压信号以及其实际偏差值进行功率器件短路检测：若所述第一电压信号小于电源电压范围且大于零电位范围，则所述上桥臂功率器件与所述下桥臂功率器件均未短路，其中，所述电源电压范围为电源电压在所述实际偏差值下的范围，所述零电位范围为零电位在所述实际偏差值下的范围；若所述第一电压信号位于所述电源电压范围，则所述上桥臂功率器件短路；若所述第一电压信号位于所述零电位范围，则所述下桥臂功率器件短路。

5.根据权利要求4所述的无刷电机控制器自检装置，其特征在于，还包括：第一断路检测模块，用于在所述上桥臂功率器件与所述下桥臂功率器件均未短路之后，开启所述上桥臂功率器件且关闭所述下桥臂功率器件，采集所述VS功能引脚的第二电压信号，并根据所述第二电压信号进行所述上桥臂功率器件的断路检测：若所述第二电压信号位于所述电源电压范围，则所述上桥臂功率器件未断路，反之则所述上桥臂功率器件发生断路。

6.根据权利要求4或5所述的无刷电机控制器自检装置，其特征在于，还包括：第二断路检测模块，用于在所述上桥臂功率器件与所述下桥臂功率器件均未短路之后，开启所述下桥臂功率器件且关闭所述上桥臂功率器件，采集所述VS功能引脚的第三电压信号，并根据所述第三电压信号进行所述下桥臂功率器件的断路检测：若所述第三电压信号小于漏电电压，则所述下桥臂功率器件未断路，反之则所述下桥臂功率器件发生断路，其中，所述漏电电压为所述驱动芯片的漏电流流经所述电阻产生的电压值。

7.一种无刷电机，其特征在于，包括如权利要求4至6任意一项所述的无刷电机控制器自检装置。

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