CN201319581Y

CN201319581Y - 他励电机控制器

Info

Publication number: CN201319581Y
Application number: CNU2008201421224U
Authority: CN
Inventors: 孔昭松; 杨新璇
Original assignee: Tianjin Santroll Electric Science & Technology Co Ltd
Current assignee: Tianjin Santroll Electric Science & Technology Co Ltd
Priority date: 2008-09-23
Filing date: 2008-09-23
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2018-09-23

Abstract

本实用新型涉及他励电机控制器，其由功率部分和控制部分组成，功率部分包括电枢绕组驱动电路和励磁绕组驱动电路，控制部分包括单片机以及与其接口的外围电路，电枢绕组驱动电路由整流MOS管和续流MOS管构成；励磁绕组驱动电路采用H桥结构，单片机接口外围电路包括，模拟信号调理电路、开关信号调理电路和功率管驱动电路、外部电磁线圈绕组驱动电路；模拟信号调理电路将外部输入的模拟检测信号处理后输入单片机中，再由单片机转换后供控制程序使用；开关信号调理电路将外部的开关信号处理后，输入单片机，以供控制程序使用。本实用新型的他励电机控制器的结构紧凑、电路简洁、功能完善，具有很高的可靠性。

Description

他励电机控制器

技术领域

本实用新型涉及一种电机控制装置，尤其是涉及基于单片机的他励电机控制器。

背景技术

电动车辆使用的他励电机控制器基本上都是全数字控制系统，控制电路基于单片机及相应的外围电路实现。目前市场上主流的他励电机控制器为科蒂斯公司的他励电机控制器系列产品，其控制电路采用了基于主从两个单片机的方式实现，并且采用了外挂的EEPROM，外围接口电路多，结构相对复杂；由于采用这种硬件方案，使得控制软件的设计也分成了两部分实现，通过主从处理器特定的通信机制来进行配合，以实现整个系统的各种控制功能。整个控制系统的硬件结构和软件结构都相对复杂，会增加故障概率，影响运行的可靠性。同时，目前的他励电机控制器的故障诊断和处理机制并不是十分完善，特别是电机电枢驱动功率管的短路检测和保护并没有得到很好的解决。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提出一种他励电机控制器的系统结构，其控制电路基于一个单片机实现，该单片机集成了足够满足控制需要容量的EEPROM，从而不需要外挂EEPROM。这样，处理器的外围接口电路大为减少，使得故障点减少，硬件结构更为紧凑；软件设计基于一个单片机实现，软件系统复杂度降低，可靠性提高。同时，本实用新型增加了专门的硬件电路来检测功率管短路故障，有效地实现了电枢驱动功率管的短路保护功能，大大提高了整个系统的可靠性。

本实用新型的目的通过以下方式实现，本实用新型的他励电机控制器，由功率部分和控制部分组成，所述的功率部分包括电枢绕组驱动电路和励磁绕组驱动电路，所述控制部分包括单片机以及与其接口的外围电路，所述电枢绕组驱动电路由采用同步整流方式的互补导通的整流功率管和续流功率管构成，整流功率管和续流功率管采用多个N沟道耗尽型功率MOS管并联；

所述励磁绕组驱动电路采用H桥结构，由N沟道耗尽型功率MOS管驱动；

所述单片机接口外围电路包括输入部分和输出部分；

所述输入部分包括模拟信号调理电路和开关信号调理电路，所述输出部分包括功率管驱动电路、外部电磁线圈绕组驱动电路；

其中，所述模拟信号调理电路将外部输入的模拟检测信号进行放大或缩小，滤波后输入到单片机中，再由单片机进行采样和AD转换后供控制程序使用；所述开关信号调理电路将外部输入的开关信号进行电平转换和滤波处理，然后通过单片机I/O口输入到单片机，以供控制程序使用；

所述模拟信号调理电路包括电池电压检测电路、电容电压检测电路、电枢电流检测电路、励磁电流检测电路、主接触器和辅助继电器绕组电压检测电路、温度检测电路以及加速信号检测电路；

所述开关信号调理电路包括钥匙开关信号检测电路、方向开关信号检测电路、脚踏微动开关信号检测电路、模式开关信号检测电路、霍尔速度传感器信号检测电路、电磁线圈驱动过流信号检测电路以及M-短路信号检测电路；

所述功率管驱动电路包括电枢电路的功率管驱动电路和励磁电路的功率管驱动电路；所述外部电磁线圈绕组驱动电路的每路驱动输出采用一个MOS管，用于驱动外部接触器或继电器；所述报警器驱动电路采用NPN三极管，用于驱动外部报警蜂鸣器或喇叭；所述状态指示灯驱动电路内置显示故障状态的LED，由I/O口直接驱动；

所述输出部分还包括报警器驱动电路和状态指示灯驱动电路；所述报警器驱动电路采用NPN三极管，用于驱动外部报警蜂鸣器或喇叭；所述状态指示灯驱动电路内置显示故障状态的LED，由I/O口直接驱动；

所述电枢电路的功率管驱动电路采用IR2110S驱动芯片；

所述励磁电路的功率管驱动电路采用L6384D驱动芯片；

所述的外围电路还包括用于串口的电平转换电路；

所述控制部分还包括逻辑电源电路和基准电压发生电路，所述逻辑电源电路由线性稳压芯片实现，用于产生逻辑板工作所需的逻辑供电电压；所述基准电压发生电路由电阻分压电路实现，用于产生各种电压基准；

本实用新型的应用效果：本他励电机控制器的结构紧凑、电路简洁、功能完善，具有很高的可靠性。

附图说明

图1是本实用新型的系统结构框图；

图2a是本实用新型的主功率电路回路接口图；

图2b是本实用新型的主功率电路原理图；

图3是本实用新型的逻辑电源及参考电压电路原理图；

图4a是本实用新型的电容电压检测、电枢电流检测电路原理图；

图4b是本实用新型的励磁电流检测及温度检测电路原理图；

图5a是本实用新型的电枢绕组驱动MOS管驱动电路原理图；

图5b是本实用新型的励磁绕组驱动MOS管驱动电路原理图；

图6a-b是本实用新型的接触器、继电器、报警器驱动电路原理图；

图6c是本实用新型的速度传感器处理电路图；

图6d是本实用新型的M-短路保护电路图；

图6e是本实用新型的串口通讯电路图；

图7a-f是本实用新型的单片机接口及串口通信电路原理图；

图8是本实用新型的系统原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体结构和控制方式做详细说明，图1是本实用新型的系统结构框图。如图1和图8所示，本实用新型针对的他励电机控制系统主要分为两大部分：功率部分和控制部分。

功率部分(主功率电路)主要由电枢绕组驱动电路和励磁绕组驱动电路构成。电枢绕组驱动电路采用同步整流方式，由互补导通的整流MOS管和续流MOS管构成，可实现再生制动功能，整流功率管和续流功率管都采用多个N沟道耗尽型功率MOS管并联的方式。励磁绕组驱动电路采用H桥结构，由N沟道耗尽型功率MOS管驱动，可实现电子换向而无需额外的换向接触器。

控制部分的核心为单片机以及与其接口的外围电路，同时包括逻辑电源电路和基准电压发生电路等辅助电路。单片机接口外围电路主要包括输入部分和输出部分，另外还包括用于串口的电平转换电路。其中输入部分主要包括模拟信号调理电路和开关信号调理电路两大部分。模拟信号调理电路是将外部输入的模拟检测信号如电流、温度等，进行放大或缩小，以及滤波后输入到单片机中，再由单片机进行采样和AD转换后供控制程序使用；开关信号调理电路则是将外部输入的开关信号进行必要的处理，主要是电平转换和滤波，然后通过单片机I/O口输入到单片机，以供控制程序使用。模拟信号调理电路包括电池电压检测电路、电容电压检测电路、电枢电流检测电路、励磁电流检测电路、温度检测电路以及加速信号检测电路；开关信号调理电路包括钥匙开关信号检测电路、方向开关信号检测电路、脚踏微动开关信号检测电路、霍尔速度传感器信号检测电路、电磁线圈驱动过流检测电路以及M-短路检测电路(电枢驱动功率管击穿短路检测)。

单片机接口外围电路的输出部分包括功率管驱动电路、外部电磁线圈绕组驱动电路、报警器驱动电路以及状态指示灯的驱动电路。功率管驱动电路用于驱动主功率电路中的功率MOS管，采用专用驱动芯片实现，包括电枢电路的功率管驱动电路和励磁电路的功率管驱动电路；电枢电路的功率管驱动电路采用IR2110S驱动芯片实现，励磁电路的功率管驱动电路采用L6384D驱动芯片实现。外部电磁线圈绕组驱动电路用于驱动外部接触器或继电器，每路驱动输出采用一个MOS管实现。报警器驱动电路用于驱动外部报警蜂鸣器或喇叭，采用NPN三极管实现。状态指示灯驱动电路用于驱动控制内置的LED，显示故障状态，LED可由I/O口直接驱动。

逻辑电源电路由线性稳压芯片实现，用于产生逻辑板工作所需的逻辑供电电压。基准电压发生电路由精密电阻分压电路实现，用于产生各种电压基准。

他励控制器各项功能是在此硬件平台上由单片机程序实现的。系统中各个模块电路从总体功能上可分为输入和输出两部分。单片机通过各个输入电路对外部模拟信号和开关信号进行实时检测，单片机程序根据这些实时参数值的检测结果，控制调节各个输出电路输出的控制信号，来控制电机和各外部接触器、继电器、报警器以及状态指示LED等设备，从而实现整个系统功能。

下面介绍各具体的硬件电路的工作原理。

图2为主功率电路原理图。电枢绕组驱动电路采用半桥拓扑，同步整流方式。Q1-Q8，Q22表示9个并联功率MOS管作为电枢绕组驱动电路的同步整流管，Q9-Q16表示8个并联功率MOS管，为同步续流管，同步整流管和续流管互补导通。单片机输出的电枢驱动PWM控制信号，经过驱动电路后(图5)，控制同步整流管和同步续流管的通断。励磁绕组由Q17、Q18、Q19和Q20组成的全桥电路驱动，采用上管调制，每个桥臂上下管互补导通的控制方式，即当控制励磁电流方向为S1到S2流向时，Q19为高频PWM信号控制，Q20与Q19互补导通，Q18完全导通，Q17则完全关断；反之，当励磁电流方向为S2到S1时，Q20完全导通，Q19完全关断，Q17为PWM调制管。S1和S2为励磁电流的采样点，即以励磁绕组驱动电路下管的沟道电阻作为励磁电流的采样电阻，进行励磁电流的检测。霍尔电流传感器接于电枢绕组M-侧，将电枢电流信号转换为电压信号，进行滤波放大以后(图4)送入单片机进行AD转换(图7)从而实现电枢电流的检测。功率三极管Q21和稳压管D1组成线性降压电路，产生15V直流电压共控制电路使用。

图3为逻辑电源电路。Q6为7805线性稳压芯片，将15V输入直流电压转换为5V直流电压。参考电压产生电路由5V电压通过精密电阻分压实现。

图4包括电容电压检测电路，电枢电流检测电路，励磁电流检测电路以及温度检测电路。电容电压检测电路就是一个简单的电阻分压及RC滤波电路，输出端接入单片机AD转换器，用于检测主功率电路中(图2)B+和B-之间的并联支撑电容C1-C12，C16，C17两端的电压值。由运放U8构成的运算放大和滤波电路用于调理霍尔电流传感器输出的电枢电流检测信号，然后接入单片机AD转换器实现电枢电流的检测。由运放U4构成的放大滤波电路用于调理来自S1和S2(图2)的励磁电流采样信号，然后接入单片机AD转换器实现励磁电流的检测。模拟开关用于实现励磁电流检测的切换，即当励磁电流的方向为S2到S1时，单片机输出励磁方向1信号为高电平，励磁方向2信号为低电平，此时单片机检测的为S1点对地的电压；反之，单片机输出励磁方向1信号为低电平，励磁方向2信号为高电平，此时单片机检测的为S2点对地的电压。这样就实现了方向切换时对励磁电流的正确检测。R101与温敏电阻组成分压电路实现对温度的检测，电阻R100和电容C48组成滤波电路对温度检测信号进行滤波。

图5为MOS管驱动电路。其中IR2110S驱动芯片及其外围电路构成电枢半桥驱动电路，用于驱动电枢绕组驱动电路的同步整流管和同步续流管(图2)；两个L6384D驱动芯片及其外围电路构成励磁绕组全桥驱动电路，用于驱动全桥电路的4个功率MOS管(图2)。

图6包含各开关信号检测电路，主接触器和辅助继电器驱动电路，电池电压检测电路，主接触器和辅助继电器状态检测电路，加速信号检测电路，速度信号检测电路，主接触器和辅助继电器驱动过流故障检测电路，以及M-短路故障检测电路。如图6所示，各开关信号，包括钥匙开关、模式开关、方向开关、脚踏互锁开关，都是采用电阻分压和RC滤波电路实现开关通断对应高低电平，由单片机读取相应的I/O口电平状态实现开关信号的检测(图7)。电池电压检测电路、主接触器和辅助继电器状态检测电路是将被检测电压值进行电阻分压电路降压和RC滤波后，再由单片机AD进行检测。加速信号检测电路是将加速信号通过电位器分压电路转换为电压信号，由单片机检测电位器滑点电压值实现。比较器U7A构成的比较电路对电机的霍尔速度传感器产生的霍尔脉冲信号进行隔离滤波后输入单片机，进行电机转速的检测。主接触器和辅助继电器驱动过流故障检测电路由U15构成的比较放大电路实现。当主接触器或是辅助继电器驱动过流时，驱动电流取样电阻R70或R117上的端电压超过参考电压值，产生低电平有效的故障信号，由单片机进行检测和识别。M-短路故障检测分为两级，通过检测M-点对地(图2)的平均电压来实现电枢驱动电路整流MOS管的短路故障。正常情况下M-点对地电压为PWM方波信号，这一方波信号经过U7B构成的比较放大电路隔离后，在经过一级由R159和C93组成的RC滤波电路输出平均电压，当该电压低于给定参考电压时(U16的4脚电压)，产生低电平有效的故障信号，由单片机进行检测和识别。

图7为单片机接口功能分布及由MAX232(U2)构成的串口通信电路。单片机各I/O口作为通用I/O口用于输入各种开关检测信号和输出各种驱动信号和PWM信号，以及作为AD输入口用于输入各种模拟检测信号。具体分布参见电路图。串口通信电路实现与PC上位机通信时的电平转换。

Claims

1.一种他励电机控制器，由功率部分和控制部分组成，所述的功率部分包括电枢绕组驱动电路和励磁绕组驱动电路，所述控制部分包括单片机以及与其接口的外围电路，其特征在于，

所述电枢绕组驱动电路由采用同步整流方式的互补导通的整流MOS管和续流MOS管构成，整流功率管和续流功率管采用多个N沟道耗尽型功率MOS管并联；

所述单片机接口外围电路包括输入部分和输出部分；

其中，所述模拟信号调理电路将外部输入的模拟检测信号进行放大或缩小，滤波后输入到单片机中，再由单片机进行采样和AD转换后供控制程序使用；所述开关信号调理电路将外部输入的开关信号进行电平转换和滤波处理，然后通过单片机I/O口输入到单片机，以供控制程序使用。

2.根据权利要求1所述的他励电机控制器，其特征在于，

所述模拟信号调理电路包括电池电压检测电路、电容电压检测电路、电枢电流检测电路、励磁电流检测电路、温度检测电路以及加速信号检测电路；

所述开关信号调理电路包括钥匙开关信号检测电路、方向开关信号检测电路、脚踏微动开关信号检测电路、霍尔速度传感器信号检测电路、电磁线圈驱动过流检测电路以及M-短路检测电路。

3.根据权利要求1所述的他励电机控制器，其特征在于，

所述功率管驱动电路包括电枢电路的功率管驱动电路和励磁电路的功率管驱动电路；所述外部电磁线圈绕组驱动电路的每路驱动输出采用一个MOS管，用于驱动外部接触器或继电器；所述报警器驱动电路采用NPN三极管，用于驱动外部报警蜂鸣器或喇叭；所述状态指示灯驱动电路内置显示故障状态的LED，由I/O口直接驱动。

4.根据权利要求1所述的他励电机控制器，其特征在于，所述输出部分还包括报警器驱动电路和状态指示灯驱动电路；所述报警器驱动电路采用NPN三极管，用于驱动外部报警蜂鸣器或喇叭；所述状态指示灯驱动电路内置显示故障状态的LED，由I/O口直接驱动。

5.根据权利要求3所述的他励电机控制器，其特征在于，所述电枢电路的功率管驱动电路采用IR2110S驱动芯片。

6.根据权利要求3所述的他励电机控制器，其特征在于，所述励磁电路的功率管驱动电路采用L6384D驱动芯片。

7.根据权利要求1所述的他励电机控制器，其特征在于，所述的外围电路还包括用于串口的电平转换电路。

8.根据权利要求1所述的他励电机控制器，其特征在于，所述控制部分还包括逻辑电源电路和基准电压发生电路，所述逻辑电源电路由线性稳压芯片实现，用于产生逻辑板工作所需的逻辑供电电压；所述基准电压发生电路由电阻分压电路实现，用于产生各种电压基准。