CN117155203A - 一种永磁同步电机无感foc控制电路 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及电机控制技术领域，公开了一种永磁同步电机无感FOC控制电路，包括：第一至第三驱动电路，第一至第三驱动电路各自输出A相、B相和C相电流；第一和第二电流采样电阻的一端各自连接驱动芯片并用于采样A相和B相电流；第三电流采样电阻的一端同时连接第一电流采样电阻的另一端、第二电流采样电阻的另一端和第三驱动芯片并用于采样母线电流；以及微控制器，微控制器包括第一运放和第二运放，第一运放的两个输入端通过选择性连接不同的电阻器件分别连接第三电流采样电阻的另一端和地端或第一电流采样电阻的两端，第二运放的两个输入端分别连接第二电流采样电阻的两端，具有更大的兼容性和灵活性，降低了PCB板的制造成本。

Description

一种永磁同步电机无感FOC控制电路
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，更具体地涉及一种永磁同步电机无感FOC控制技术。
背景技术
本部分旨在为权利要求书中陈述的本申请的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是已被公开的现有技术。
永磁同步电机包括有感FOC控制和无感FOC控制，无感FOC控制中需要通过采样电流来估算转子角度，电流采样方式包括单电阻、双电阻及三电阻采样三种，三电阻采样方式算法较简单，不受采样窗口限制，PWM占空比接近100％，需要三个相电流采样电阻和三个运放，成本较高；双电阻和单电阻采样方式需要避开采样窗口，PWM占空比无法达到100％，需要做一定限制，以保证ADC有足够的采样时间，其中双电阻采样算法难度适中，需要两个相电流采样电阻和两个运放，成本相比三电阻采样略有优势；单电阻采样方式算法复杂，需要在1个PWM周期内触发两次ADC采样，需要移相处理，其PWM最大占空比相比双电阻采样方式还要略小一些，对单片机算力要求较高，电路上只需要一个母线采样电阻和一个运放，成本最低。
消费电子中，大部分无感FOC控制应用基于成本考虑，使用双电阻采样或单电阻采样方式，而这两种采样方式，在程序算法设计复杂性上有一定差异，单电阻采样虽然成本较低，但其控制算法更难，且在电机高速、噪音方面性能略低于双电阻方式，两种采样电路各有优劣。
在实际应用中，很多企业为了进一步降低制造成本，减少制造料号，往往硬件设计上考虑更大的兼容性，希望通过设计一款PCB板，通过焊接不同的元器件，实现多种应用电路。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有更大的兼容性和灵活性的永磁同步电机无感FOC控制电路。
本申请公开了一种永磁同步电机无感FOC控制电路，包括：
第一至第三驱动电路，所述第一至第三驱动电路各自输出A相、B相和C相电流；
第一电流采样电阻，所述第一电流采样电阻的一端连接第一驱动芯片并用于采样A相电流；
第二电流采样电阻，所述第二电流采样电阻的一端连接第二驱动芯片并用于采样B相电流；
第三电流采样电阻，所述第三电流采样电阻的一端同时连接所述第一电流采样电阻的另一端、所述第二电流采样电阻的另一端和所述第三驱动芯片并用于采样母线电流；以及
微控制器，所述微控制器包括第一运放和第二运放，所述第一运放的两个输入端通过选择性连接不同的电阻器件分别连接所述第三电流采样电阻的另一端和地端或所述第一电流采样电阻的两端，所述第二运放的两个输入端分别连接所述第二电流采样电阻的两端。
在一个优选例中，还包括：第一至第五电阻、第十电阻至第十二电阻、第六电阻和第八电阻，或第七电阻和第九电阻，其中：
所述第二电流采样电阻的一端耦合到第二电阻，所述第二电阻的另一端、第三电阻的一端和第四电阻的一端相连并耦合到所述第二运放的正输入端，所述第三电阻的另一端耦合到5V直流电压，所述第四电阻的另一端耦合到地端，所述第二电流采样电阻的另一端耦合到第一电阻，所述第一电阻的另一端与所述第五电阻的一端相连并耦合到所述第二运放的负输入端，所述第五电阻的另一端耦合到所述第二运放的输出端；
所述第一电流采样电阻的一端耦合到第九电阻，所述第九电阻的另一端、第十电阻的一端和第十一电阻的一端相连并耦合到所述第一运放的正输入端，所述第十电阻的另一端耦合到所述5V直流电压，所述第十一电阻的另一端耦合到所述地端，所述第一电流采样电阻的另一端耦合到第七电阻，所述第七电阻的另一端与所述第十二电阻的一端相连并耦合到所述第一运放的负输入端，所述第十二电阻的另一端耦合到所述第一运放的输出端；
所述第三电流采样电阻的一端耦合到第八电阻，所述第八电阻的另一端、所述第十电阻的一端和所述第十一电阻的一端相连并耦合到所述第一运放的正输入端，所述第十电阻的另一端耦合到所述5V直流电压，所述第十一电阻的另一端耦合到所述地端，所述第三电流采样电阻的另一端耦合到地端，所述第六电阻的一端耦合到所述地端，所述第六电阻的另一端与所述第十二电阻的一端相连并耦合到所述第一运放的负输入端，所述第十二电阻的另一端耦合到所述第一运放的输出端。
在一个优选例中，所述第一电阻和所述第二电阻的阻值相等。
在一个优选例中，所述第七电阻、所述第九电阻、所述第六电阻和所述第八电阻的阻值相等。
在一个优选例中，所述第一运放的两个输入端选择性连接所述第七电阻和所述第九电阻，通过所述第一电流采样电阻采样所述A相电流，和所述第二运放的电路一起形成双电阻FOC电流采样电路。
在一个优选例中，所述第一运放的两个输入端选择性连接述第六电阻和所述第八电阻，通过第三电流采样电阻采样所述母线电流，形成单电阻FOC电流采样电路，所述双电阻FOC电流采样电路和单电阻FOC电流采样电路形成在相同的印刷电路板上。
在一个优选例中，所述第三电阻和所述第四电阻的阻值相等；所述第五电阻的阻值为所述第一电阻的阻值的5倍。
在一个优选例中，所述第十电阻和所述第十一电阻的阻值相等；所述第十二电阻的阻值为所述第六电阻的阻值的5倍。
在一个优选例中，所述第一至第三驱动电路各自包括第一至第三半桥驱动芯片和两个功率控制器件，所述第一驱动电路的第一功率控制器件和第二功率控制器件组成A相桥臂，所述第二驱动电路的第三功率控制器件和第四功率控制器件组成B相桥臂，所述第三驱动电路的第五功率控制器件和第六功率控制器件组成C相桥臂。
在一个优选例中，所述微控制器还输出3路互补的PWM驱动信号并分别用于驱动所述第一至第三驱动电路。
本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：
本发明在只需要2个运放的前提下，可以用一种电路兼容单电阻和双电阻两种FOC电流采样方式，具有更大的兼容性和灵活性，可以根据不同的电机应用选择不同电流采样方式，更能适应多种应用电路的需要。
进一步的，减少了运放的使用，降低了PCB板的制造成本。
应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。
附图说明
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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，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是本申请一个实施例中的基于双运放的单电阻和双电阻FOC电流采样电路框图示意图；
图2是本申请一个实施例中的A相电流采样电路原理示意图；
图3是本申请一个实施例中的B相电流采样电路原理示意图；
图4是本申请一个实施例中的母线电流采样电路原理示意图；
图5是本申请一个实施例中的运放电路原理示意图；
图6是本申请一个实施例中的自带运放和驱动信号的单片机原理示意图。
具体实施方式
在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的实施方式作进一步地详细描述。
部分概念的说明：
FOC(Field-oriented Control)：直译是磁场定向控制，也被称作矢量控制(VC，Vector Control)，是目前无刷直流电机(BLDC)和永磁同步电机(PMSM)高效控制的最优方法之一。FOC旨在通过精确地控制场大小与方向，使得电机的运动转矩平稳噪声小、效率高，并且具有高速的动态响应。有感FOC是指不需要位置估算算法，控制简单但控制性能要求高。无感FOC是指需要通过位置估算算法来计算转子位置，控制难度大但避免传感器故障风险低，省去传感器成本，适用于风机类场合。
PWM占空比：PWM是脉冲宽度调制的英文缩写，方波高电平时间跟周期的比例叫占空比，例如1秒高电平1秒低电平的PWM波占空比是50％。
半桥驱动芯片：指一颗驱动芯片只能用于控制H桥一侧的2个MOS管，因此采用半桥驱动芯片时，需要两颗该芯片才能控制一个完整的H桥。H桥是一个典型的直流电机控制电路，因为它的电路形状酷似字母H，故得名曰“H桥”。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠。
运放：是运算放大器的简称。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”。
本申请公开了一种永磁同步电机无感FOC控制电路，结合图1至图4所示，其包括：第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路、第一电流采样电阻RS1、第二电流采样电阻RS2、第三电流采样电阻RS3、以及微控制器。图2至图4各自示出了第一驱动电路、第二驱动电路、以及第三驱动电路的示意图。第一至第三驱动电路各自包括第一至第三半桥驱动芯片和两个功率控制器件。
具体的：第一驱动电路包括第一半桥驱动芯片U1、第一功率控制器件Q1和第二功率控制器件Q2，第一驱动电路的第一功率控制器件Q1和第二功率控制器件Q2组成A相桥臂，第一驱动电路输出A相电流I_a；第二驱动电路包括第二半桥驱动芯片U2、第三功率控制器件Q3和第四功率控制器件Q4，第二驱动电路的第三功率控制器件Q3和第四功率控制器件Q4组成B相桥臂，第二驱动电路输出B相电流I_b；第三驱动电路包括第三半桥驱动芯片U3、第五功率控制器件Q5和第六功率控制器件Q6，第三驱动电路的第五功率控制器件Q5和第六功率控制器件Q6组成C相桥臂，第三驱动电路输出C相电流(图中未示出)。
第一电流采样电阻RS1的一端连接第一驱动芯片U1并用于采样A相电流I_a，如图2所示。第二电流采样电阻RS2的一端连接第二驱动芯片U2并用于采样B相电流I_b，如图3所示。第三电流采样电阻RS3的一端同时连接第一电流采样电阻RS1的另一端、第二电流采样电阻RS2的另一端和第三驱动芯片U3并用于采样母线电流I_dc。
微控制器包括第一运放和第二运放，图5示出了第一运放OP1和第二运放OP2的原理示意图，第一运放OP1的两个输入端通过选择性连接不同的电阻器件分别连接第三电流采样电阻RS3的另一端和地端或第一电流采样电阻RS1的两端，第二运放OP2的两个输入端分别连接第二电流采样电阻RS2的两端。
在一个实施例中，永磁同步电机无感FOC控制电路还包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第十电阻R10、第十一电阻R11和第十二电阻R12。进一步的，永磁同步电机无感FOC控制电路还包括第六电阻R6和第八电阻R8，或第七电阻R7和第九电阻R9。
如图1、图3和图5所示，第二电流采样电阻RS2的一端耦合到第二电阻R2，第二电阻R2的另一端、第三电阻R3的一端和第四电阻R4的一端相连并耦合到第二运放OP2的正输入端，第三电阻R3的另一端耦合到5V直流电压，第四电阻R4的另一端耦合到地端，第二电流采样电阻RS2的另一端耦合到第一电阻R1，第一电阻R1的另一端与第五电阻R5的一端相连并耦合到第二运放OP2的负输入端，第五电阻R5的另一端耦合到第二运放OP2的输出端。
在一个实施例中，第一电阻R1和第二电阻R2的阻值相等。
永磁同步电机无感FOC控制电路还包括第七电阻R7和第九电阻R9时，如图1、图2和图5所示，第一电流采样电阻RS1的一端耦合到第九电阻R9，第九电阻R9的另一端、第十电阻R10的一端和第十一电阻R11的一端相连并耦合到第一运放OP1的正输入端，第十电阻R10的另一端耦合到5V直流电压，第十一电阻R11的另一端耦合到地端，第一电流采样电阻RS1的另一端耦合到第七电阻R7，第七电阻R7的另一端与第十二电阻R12的一端相连并耦合到第一运放OP1的负输入端，第十二电阻R12的另一端耦合到第一运放OP1的输出端。
在一个实施例中，第七电阻R7和第九电阻R9的阻值相等。
在一个实施例中，第一运放OP1的两个输入端选择性连接第七电阻R7和第九电阻R9，通过第一电流采样电阻RS1采样A相电流I_a，和第二运放OP2的电路一起形成双电阻FOC电流采样电路。
永磁同步电机无感FOC控制电路还包括第六电阻R6和第八电阻R8时，如图1、图4和图5所示，第三电流采样电阻RS3的一端耦合到第八电阻R8，第八电阻R8的另一端、第十电阻R10的一端和第十一电阻R11的一端相连并耦合到第一运放OP1的正输入端，第十电阻R10的另一端耦合到5V直流电压，第十一电阻R11的另一端耦合到地端，第三电流采样电阻RS3的另一端耦合到地端，第六电阻R6的一端耦合到地端，第六电阻R6的另一端与第十二电阻R12的一端相连并耦合到第一运放OP1的负输入端，第十二电阻R12的另一端耦合到第一运放OP1的输出端。
在一个实施例中，第六电阻R6和第八电阻R8的阻值相等。
在一个实施例中，第一运放OP1的两个输入端选择性连接第六电阻R6和第八电阻R8，通过第三电流采样电阻RS3采样母线电流I_dc，形成单电阻FOC电流采样电路，双电阻FOC电流采样电路和单电阻FOC电流采样电路形成在相同的印刷电路板上。
如图1所示，第一电流采样电阻RS1的两端为A点和B点，第三电流采样电阻RS3的两端为B点和C点，第一运放OP1的输入端为D点和E点，当A点和B点分别连接D点和E点，第一电流采样电阻RS1被选通，第一运放OP1采样A相电流I_a；当B点和C点分别连接D点和E点，第三电流采样电阻RS3被选通，第一运放OP1采样母线电流I_dc。
在一个实施例中，第三电阻R3和第四电阻R4的阻值相等；第五电阻R5的阻值为第一电阻R1的阻值的5倍。第三电阻R3和第四电阻R4为运放偏置电压分压电阻，能够将输入信号偏置为2.5V后再输出，第五电阻R5为反馈电阻，能够通过第二运放OP2提供放大5倍的电压。
在一个实施例中，第十电阻R10和第十一电阻R11的阻值相等；第十二电阻R12的阻值为第六电阻R6的阻值的5倍。第十电阻R10和第十一电阻R11为运放偏置电压分压电阻，能够将输入信号偏置为2.5V后再输出，第十二电阻R12为反馈电阻，能够通过第一运放OP1提供放大5倍的电压。
在一个实施例中，微控制器还输出3路互补的PWM驱动信号并分别用于驱动第一至第三驱动电路。PWM驱动信号通过三个驱动芯片(U1、U2、U3)产生六个功率控制器件(Q1～Q6)的驱动信号，功率控制器件(Q1～Q6)控制生成不同的电流。
如图6所示，本申请的微控制器实现为单片机U4，PWM驱动信号由单片机U4产生。该单片机主频60Mhz，芯片内部自带2路运放和3路互补的PWM驱动信号。其中，PWM_AH、PWM_AL、PWM_BH、PWM_BL、PWM_CH、PWM_CL为单片机U4内部自带的三路互补的PWM控制信号，第一运放OP1、第二运放OP2为单片机U4内部自带的2路运放。
需要说明的是，在本专利的权利要求和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种永磁同步电机无感FOC控制电路，其特征在于，包括：
第一至第三驱动电路，所述第一至第三驱动电路各自输出A相、B相和C相电流；
第一电流采样电阻，所述第一电流采样电阻的一端连接第一驱动芯片并用于采样A相电流；
第二电流采样电阻，所述第二电流采样电阻的一端连接第二驱动芯片并用于采样B相电流；
第三电流采样电阻，所述第三电流采样电阻的一端同时连接所述第一电流采样电阻的另一端、所述第二电流采样电阻的另一端和所述第三驱动芯片并用于采样母线电流；以及
微控制器，所述微控制器包括第一运放和第二运放，所述第一运放的两个输入端通过选择性连接不同的电阻器件分别连接所述第三电流采样电阻的另一端和地端或所述第一电流采样电阻的两端，所述第二运放的两个输入端分别连接所述第二电流采样电阻的两端。
2.如权利要求1所述的永磁同步电机无感FOC控制电路，其特征在于，还包括：第一至第五电阻、第十电阻至第十二电阻、第六电阻和第八电阻，或第七电阻和第九电阻，其中：
所述第二电流采样电阻的一端耦合到第二电阻，所述第二电阻的另一端、第三电阻的一端和第四电阻的一端相连并耦合到所述第二运放的正输入端，所述第三电阻的另一端耦合到5V直流电压，所述第四电阻的另一端耦合到地端，所述第二电流采样电阻的另一端耦合到第一电阻，所述第一电阻的另一端与所述第五电阻的一端相连并耦合到所述第二运放的负输入端，所述第五电阻的另一端耦合到所述第二运放的输出端；
所述第一电流采样电阻的一端耦合到第九电阻，所述第九电阻的另一端、第十电阻的一端和第十一电阻的一端相连并耦合到所述第一运放的正输入端，所述第十电阻的另一端耦合到所述5V直流电压，所述第十一电阻的另一端耦合到所述地端，所述第一电流采样电阻的另一端耦合到第七电阻，所述第七电阻的另一端与所述第十二电阻的一端相连并耦合到所述第一运放的负输入端，所述第十二电阻的另一端耦合到所述第一运放的输出端；
所述第三电流采样电阻的一端耦合到第八电阻，所述第八电阻的另一端、所述第十电阻的一端和所述第十一电阻的一端相连并耦合到所述第一运放的正输入端，所述第十电阻的另一端耦合到所述5V直流电压，所述第十一电阻的另一端耦合到所述地端，所述第三电流采样电阻的另一端耦合到地端，所述第六电阻的一端耦合到所述地端，所述第六电阻的另一端与所述第十二电阻的一端相连并耦合到所述第一运放的负输入端，所述第十二电阻的另一端耦合到所述第一运放的输出端。
3.如权利要求2所述的永磁同步电机无感FOC控制电路，其特征在于，所述第一电阻和所述第二电阻的阻值相等。
4.如权利要求3所述的永磁同步电机无感FOC控制电路，其特征在于，所述第七电阻、所述第九电阻、所述第六电阻和所述第八电阻的阻值相等。
5.如权利要求2所述的永磁同步电机无感FOC控制电路，其特征在于，所述第一运放的两个输入端选择性连接所述第七电阻和所述第九电阻，通过所述第一电流采样电阻采样所述A相电流，和所述第二运放的电路一起形成双电阻FOC电流采样电路。
6.如权利要求5所述的永磁同步电机无感FOC控制电路，其特征在于，所述第一运放的两个输入端选择性连接述第六电阻和所述第八电阻，通过第三电流采样电阻采样所述母线电流，形成单电阻FOC电流采样电路，所述双电阻FOC电流采样电路和单电阻FOC电流采样电路形成在相同的印刷电路板上。
7.如权利要求2所述的永磁同步电机无感FOC控制电路，其特征在于，所述第三电阻和所述第四电阻的阻值相等；所述第五电阻的阻值为所述第一电阻的阻值的5倍。
8.如权利要求2所述的永磁同步电机无感FOC控制电路，其特征在于，所述第十电阻和所述第十一电阻的阻值相等；所述第十二电阻的阻值为所述第六电阻的阻值的5倍。
9.如权利要求1所述的永磁同步电机无感FOC控制电路，其特征在于，所述第一至第三驱动电路各自包括第一至第三半桥驱动芯片和两个功率控制器件，所述第一驱动电路的第一功率控制器件和第二功率控制器件组成A相桥臂，所述第二驱动电路的第三功率控制器件和第四功率控制器件组成B相桥臂，所述第三驱动电路的第五功率控制器件和第六功率控制器件组成C相桥臂。
10.如权利要求9所述的永磁同步电机无感FOC控制电路，其特征在于，所述微控制器还输出3路互补的PWM驱动信号并分别用于驱动所述第一至第三驱动电路。
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