CN201690406U - 永磁无刷直流电机驱动器 - Google Patents
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Abstract
永磁无刷直流电机驱动器，属于变频电机驱动领域。包括开关电源电路、电平转换电路、功率模块、PMSM电动机、母线电压检测电路、PWM转换电路、光电编码器、中央处理单元和上位机，开关电源电路一端与功率模块相连，一端通过电平转换与中央处理单元相连，中央处理单元通过PWM转换电路与功率模块相连，DC310V输入与功率模块相连，功率模块三相输出与PMSM电动机相连，PMSM电动机与光电编码器相连，光电编码器与中央处理单元相连，功率模块三相输出同时与中央处理单元相连，DC310V输入与母线电压检测电路相连，母线电压检测电路与中央处理单元相连。利用中央处理单元的优良特性，采用光电编码器实现电机转子位置的精确闭环检测，提高了电机驱动的可靠性和稳定性，达到更低的成本实现电动机的驱动控制。
Description
技术领域
永磁无刷直流电机驱动器，属于变频电机驱动领域。
背景技术
在电动机应用中，交流电动机一直被广泛的应用于各行业领域内，但随着工业制造技术要求的提高，及在环境问题和能量损耗受到日益重视的今天，交流电动机因其性能在调速的无极化和精细化上达不到客观要求，加之效率偏低，能量浪费严重，近年来在越来越多的地方被直流电机所取代。在空调领域中，由于用户对舒适度和节能性要求的提高，空调制造商不得不致力于电机效率的调高和无极调速的方向，以使空调工作于恰好满足用户要求的程度。基于此点，直流无刷电机在空调的风机和压缩机中使用的比重日益加重。
从电机位置检测角度来说，在现有的直流无刷电机驱动技术中，以120度直流无刷电机(BLDC)的应用较为广泛，在BLDC驱动中，电机的转速和位置检测有两种方式，霍尔传感器和反电动势过零检测，霍尔传感器通常需要内置在电机的定子和转子之间，采用这种方式增加了电机制造工艺的复杂性，一旦传感器损坏，电机也随之不能使用。反电势过零检测不需要传感器，这使得它在最近几年广受欢迎，但反电势过零检测仍然有不可忽视的缺点：随着转速在大范围内的急速变化，会给检测电路中的滤波电路带来一定的相移，另外功率模块中的续流二极管，也会带来一定的相移变化，导致过零检测出现偏差。而且这种检测方式要求被检测相不能导通，不适用于180度直流电机(PMSM)的转速位置检测。在180度直流电机(PMSM)驱动中，通常采用位置估算的方法进行位置检测，但此种方法依赖于精确的数学模型，是一种开环的方法，一旦电机内部出现意外的扰动变化，就会导致电机失步。
从中央处理单元的角度来讲，现有的180度直流正弦波驱动通常采用DSP芯片来驱动，因为传统的51单片机片上资源不够丰富，使得传统的单片机不能够胜任正弦波直流电机驱动的信号和数学模型处理，而DSP芯片的资源对PMSM来说并不能得到最大的利用，存在一定程度的浪费。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是：克服现有技术及其实际应用中的不足，提供一种低功耗，高普适性和低成本的替代性永磁直流无刷电机驱动器。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：该永磁无刷直流电机驱动器，其特征在于：包括开关电源电路、电平转换电路、功率模块、PMSM电动机、母线电压检测电路、PWM转换电路、光电编码器、中央处理单元和上位机，开关电源电路一端与功率模块相连，一端 通过电平转换与中央处理单元相连，中央处理单元通过PWM转换电路与功率模块相连，DC310V输入与功率模块相连，功率模块三相输出与PMSM电动机相连，PMSM电动机与光电编码器相连，光电编码器与中央处理单元相连，功率模块三相输出同时与中央处理单元相连，DC310V输入与母线电压检测电路相连，母线电压检测电路与中央处理单元相连。
所述中央处理单元采用16位超低功耗混合信号处理器MSP430，中央处理单元集成了许多的数字，模拟电路。与16位微处理器集在一起而形成高性能的处理机，具有强大的处理能力和运行速度，功耗超低，应用方便等优点。
所述开关电源电路与电平转换电路连接通过电平转换电路的转换作用为中央处理单元提供工作电源，开关电源电路与功率模块连接，为其直接提供工作电压；
所述PWM转换电路分别与中央处理单元的PWM信号输出端、功率模块连接，中央处理单元输出的PWM信号端经PWM转换电路实现PWM信号的变换，变换后的PWM信号进入功率模块，实现电机的停转，PWM转换电路采用PWM变换芯片GAL16VB。
所述功率模块连接PMSM电动机，功率模块采用PS21869智能功率模块，内部有IGBT驱动电路、故障保护电路以及电流检测电路。PWM变换后的PWM信号进入功率模块，功率模块内部的IGBT逆变桥根据PWM信号通断，对DC310V的直流电进行逆变，从而输出电流接近正弦波的三相交流电，为PMSM的定子提供电源；故障保护电路用于检测系统故障，如果检测到相应的故障，信号通过功率模块的报警输出端口输出保护报警信号到中央处理单元，中央处理单元接到报警信号后控制PWM信号驱动功率模块停机，并将故障内容发送给上位机；电流检测电路用于检测电动机不同的速度偏差对应的电流值，提供给中央处理单元。
所述光电编码器，连接于PMSM电动机与中央处理单元之间，光电编码器与电机的电机轴组合安装，用于对电动机的转速及其转角位置进行编码，编码后输入到中央处理单元，中央处理单元解码获得电动机的转速及其转角位置信息，信息发送给上位机，同时将此转速作为PWM调速运算的参考值。
该永磁无刷直流电机驱动器控制方法是：
1.1系统初始化运行；包括中央处理单元及电路中其它芯片的上电初始化；
1.2系统对功率模块的直流母线电压进行采集，多次采集取平均值后，送入逻辑运算单元进行比较；
1.3系统对采集电压进行过压判断，如果电压过高，则系统控制发出中断信号使电机停转；如果电压正常，系统采集光电编码信号；
1.4光电编码信号经过系统内部的处理和计算，得到转子的位置和实际转速；
1.5系统计算得到的实际转速与上位机命令给出的目标值取偏差，获取目标电压值；
1.6目标电压值经过坐标系转换得到动态矢量空间的电压值，经过PWM转换电路计算得到PWM输出信号，如果功率模块没有报警，则PWM信号输出，回到系统电压采集，重复进行，如果功率模块报警，则系统发出故障中断信号，电机停转。
与现有技术相比，本实用新型的永磁无刷直流电机控制方法及驱动器所具有的优点是：利用中央处理单元的优良特性，采用光电编码器实现电机转子位置的精确闭环检测，改进了现有技术中电机位置检测和中央处理单元处理的问题。同时由于中央处理单元的低功耗特性，使它能够在资源闲置的时候工作处于低功耗状态，进一步提高了电机驱动的可靠性和稳定性，达到更低的成本实现电动机的驱动控制，提高了产品在工业应用上的普适性和稳定性。
附图说明
图1本实用新型驱动电路结构框图；
图2本实用新型开关电源电路电路原理图；
图3本实用新型电平转换电路电路原理图；
图4本实用新型功率模块电路原理图；
图5本实用新型母线电压检测电路原理图；
图6本实用新型PWM变换芯片管脚定义电路原理图；
图7本实用新型中央处理单元与上位机串口通讯电路原理图。
图1-7是本实用新型永磁无刷直流电机控制方法及驱动器的最佳实施例。
其中：开关电源电路 电平转换电路 功率模块 PMSM电动机 母线电压检测 PWM转换电路 光电编码器 上位机 R1-R28 电阻 C1-C19 电容 D1-D 二极管 ZD1-ZD5稳压二极管 E1-E1电解电容 Q1、Q2、Q4光电耦合器 Q3、Q5三极管 IC1电流跟随器VIPER22A IC2三端稳压器L7812CV IC3、IC4三端稳压器MC7805CT IC53.3V-5V电平转换芯片SN74LVC4245 IC6功率模块(IPM)PS21869 IC76路反相器74HC04 IC8PWM变换芯片GAL16V8 IC9中央处理单元(MCU)MSP430 IC10RS-485总线通信芯片SN65HVD12。
具体实施方式
下面结合附图1-7本实用新型的永磁无刷直流电机驱动器控制方法做进一步说明：
如附图1示，该永磁无刷直流电机驱动器包括：开关电源电路、电平转换电路，功率模块、PMSM电动机、PWM转换电路、光电解码器(与电机组合安装)、中央处理单元IC9MSP430和上位机。
所述中央处理单元IC9采用16位超低功耗混合信号处理器MSP430，中央处理单元IC9集成了许多的数字，模拟电路。与16位微处理器集在一起而形成高性能的处理机，具有强大 的处理能力和运行速度，功耗超低，应用方便等优点。上位机可以是空调主控板，也可以是计算机。
如图2示，所述开关电源电路与电平转换电路连接通过电平转换电路的转换作用为中央处理单元IC9提供工作电源，开关电源电路与功率模块连接，为其直接提供工作电压，该开关电源电路由变压器T1、电阻R1-R6、光电耦合器Q1、电源模块IC1、三端稳压器IC2-IC4、电容C1-C7、电解电容E1-E6、稳压二极管ZD1、二极管D1-D4和发光二极管LED1，经AC220V整流成DC310V的电源电压接入开关变压器T1的初级，在变压器次级感生出DC15V和12V两种电压源，DC15V经三端稳压器IC2变换成DC12V，再经三端稳压器IC3稳压成DC5V；第二路DC12V经三端稳压器IC4稳压成DC5V，两种电源分别为模拟电路和数字电路提供5V电压；电源模块IC1为初级提供次级的反馈，初级随之调整，从而保持次级的输出稳定。IC2采用L7812CV三端稳压器，IC3和IC4采用MC7805CT三端稳压器，变压器T1采用TY-BP09。电阻R1与电阻R2串联分压，电容C1用于给电阻R1充放电。二极管D1用电流跟随器IC1 VIPER22A输出信号的开关控制。电阻R3与二极管D2一起为电流跟随器IC1提供合适的电源。光电耦合器Q1的光耦隔离初级和次级的硬件电路，并传输次级给初级的反馈信号。电路中的电解电容E1-E6用于稳定信号，滤除干扰和纹波。电阻R5与电阻R6为后续的负载分流输出回路的能量。
如图3示，电平转换电路的电平转换芯片IC5SN74LVC4245的A1-A8端口连接开关电源电路输出的5V电平数据端口，电平转换芯片IC5的B1-B8端口连接3.3V电平数据端口，电平转换芯片IC5的OE是输出使能控制(低电平有效)，电平转换芯片IC5DIR端口控制电平转换的方向，电平转换芯片IC5的DIR端口为低电平时，电平转换芯片IC5的数据方向从B端口到A端口；3.3V电平数据端口为中央处理单元IC9提供电源，同时B端口-A端口可以通过P1.4的跳线复用成8位的数据总线。
如图4示，功率模块包括光电耦合器Q2、三极管Q3、6路反相器IC7、功率模块IC6、电阻R7-R21、电容C8-C17、电解电容E7-E11、二极管D5-D8和稳压二极管ZD2-ZD5；6路PWM输出信号先经6路反相器IC7的反相得到功率模块IC6需要的U，V，W，X，Y，Z信号并提供给功率模块IC6的1，5，9，19，20，21六个端口，开关电源次级的15V电压信号通过电阻R13-R15和二极管D5-D7为功率模块IC6的U，V，W端口的上桥臂提供驱动电压，电压信号经过电解电容E8-E10，稳压二极管ZD3-ZD5与电容C13-C16进行稳压；功率模块IC6的18脚输出模块报警信号FO，经三极管Q3和电阻R10的放大，通过光电耦合器Q2隔离后，传给中央处理单元IC9，功率模块IC6的P、N端口接直流DC310V，功率模块IC6的U，V，W端口接到电机的三相绕组。6路反相器74HC04，IC6集成智能功率模块(IPM)PS21869。电阻R8 为上拉电阻，防止杂信号被中央处理单元IC9误接收。电阻R9为光耦内的二极管提供合适的分压。电解电容E7，电容C8和稳压二极管ZD2保持稳定的15V电压提供到功率模块IC6的电源引脚。功率模块IC6的P、N端口接直流DC310V，功率模块IC6的U，V，W端口接到电机的三相绕组。芯片PS21869功率模块是日本三菱公司比较经典的电机驱动智能功率模块，它内部集成了6个绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)及其驱动、保护电路，由6路反相器IC7转换后的的U，V，W，X，Y，Z提供触发信号，能够在过流或欠压故障发生时，关闭IGBT驱动电路，使模块停止工作，同时在相应故障引脚输出故障信号至中央处理单元IC9的IPMFO引脚，通过硬件中断，封锁PWM脉冲输出。
如图5示，母线电压检测电路包括电阻R22-R28、电容C18-C19、光电耦合器Q4和三极管Q5；母线电压检测电路连接在DC310V电源与中央处理单元IC9之间；DC310V电压信号经电阻R22、电阻R23、电阻R24的分压后，进入到光电耦合器Q4的输入端，若光电耦合器Q4输入端此时过压，则光电耦合器Q4导通，三极管Q5导通，5V电压经电阻R25、电阻R26降压后，提供过压信号给中央处理单元IC9。
如图6示，GAL16V8为可编程逻辑门阵列芯片，通过SET信号设定时序脉冲，PWM变换电路IC8的PWM信号由中央处理单元IC9经运算后调制输出，结合PWM变换电路IC8的A1.A2.A3三个相差120度的脉冲信号，在PWM变换芯片IC8的内部合成，成为功率模块驱动电路中需要的6路PWM信号，输出到功率模块驱动电路中。
如图7示，中央处理单元IC9与上位机转口通讯电路，主要通过中央处理单元IC9与总线通信芯片IC10的引脚连接实现，总线通信芯片IC10为RS-485 SN65HVD12不过驱动电压为3.3V，与常用的MAX系列不大相同，负责为中央处理单元IC9和上位机之间提供信号传送。中央处理单元IC9的P3.3端口输出的脉冲信号进入总线通信芯片IC10，总线通信芯片IC10的P2和P3两个接收和发送使能端，当总线通信芯片IC10的端口P2使能时，中央处理单元IC9接收总线通信芯片IC10传来的信号，当总线通信芯片IC10的端口P3使能时，中央处理单元IC9将信号传到总线通信芯片IC10总线上。
工作过程如下：
结合图1以在空调电机的应用上为例，空调主控制板(上位机)根据所需制冷量的风量计算出需要的电机转速值通过串口通讯命令发给中央处理单元，中央处理单元经电流检测得到速度偏差对应的电流值，中央处理单元在算术逻辑单元中通过软件程序给出的计算得到转换后的电压分量，然后通过计算给出PWM信号，PWM信号经过PWM转换电路输入到功率模块，各功率管的门极控制功率管的通断，得到模拟的正弦波电流波形，驱动PMSM电动机转动。若故障保护电路检测到相应的故障，信号通过光耦隔离电路输入中央处理单元，中央处理单元 通过PWM转换电路芯片控制功率模块使电机停机，同时发串口通讯给上位机报故障，光电编码器将转子位置的信号编码传给中央处理单元，中央处理单元用定时器B使用软件M/T法测速经计算得到转速。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。
Claims (7)
1.永磁无刷直流电机驱动器，其特征在于：包括开关电源电路、电平转换电路、功率模块、PMSM电动机、母线电压检测电路、PWM转换电路、光电编码器、中央处理单元和上位机，开关电源电路一端与功率模块相连，一端通过电平转换与中央处理单元相连，中央处理单元通过PWM转换电路与功率模块相连，DC310V输入与功率模块相连，功率模块三相输出与PMSM电动机相连，PMSM电动机与光电编码器相连，光电编码器与中央处理单元相连，功率模块三相输出同时与中央处理单元相连，DC310V输入与母线电压检测电路相连，母线电压检测电路与中央处理单元相连。
2.根据权利要求1所述的永磁无刷直流电机驱动器，其特征在于：开关电源电路包括变压器T1、电阻R1-R6、光电耦合器Q1、电源模块IC1、三端稳压器IC2-IC4、电容C1-C7、电解电容E1-E6、稳压二极管ZD1、二极管D1-D4和发光二极管LED1，经AC220V整流成DC310V的电源电压接入开关变压器T1的初级，在变压器T1次级感生出DC15V和12V两种电压源，DC15V经三端稳压器IC2变换成DC12V，再经三端稳压器IC3稳压成DC5V；第二路DC12V经三端稳压器IC4稳压成DC5V，两种电源分别为模拟电路和数字电路提供5V电压；电源模块IC1为初级提供次级的反馈，初级随之调整，从而保持次级的输出稳定。
3.根据权利要求1所述的永磁无刷直流电机驱动器，其特征在于：电平转换电路的电平转换芯片IC5的A1-A8端口连接开关电源电路输出的5V电平数据端口，电平转换芯片IC5的B1-B8端口连接3.3V电平数据端口，电平转换芯片IC5 DIR端口控制电平转换的方向，DIR电平转换芯片IC5为低电平时，电平转换芯片IC5的数据方向从B端口到A端口；3.3V电平数据端口为中央处理单元IC9提供电源，同时B端口-A端口可以通过P1.4的跳线复用成8位的数据总线。
4.根据权利要求1所述的永磁无刷直流电机驱动器，其特征在于：功率模块包括光电耦合器Q2、三极管Q3、6路反相器IC7、功率模块IC6、电阻R7-R21、电容C8-C17、电解电容E7-E11、二极管D5-D8和稳压二极管ZD2-ZD5；6路PWM输出信号先经6路反相器IC7的反相得到功率模块IC6需要的U，V，W，X，Y，Z信号并提供给功率模块IC6的1，5，9，19，20，21六个端口，开关电源次级的15V电压信号通过电阻R13-R15和二极管D5-D7为功率模块IC6的U，V，W端口的上桥臂提供驱动电压，电压信号经过电解电容E8-E10，稳压二极管ZD3-ZD5与电容C13-C16进行稳压；功率模块IC6的18脚输出模块报警信号F0，经三极管Q3和电阻R10的放大，通过光电耦合器Q2隔离后，传给中央处理单元IC9，功率模块IC6的P、N端口接直流DC310V，功率模块IC6的U，V，W端口接到电机的三相绕组。
5.根据权利要求1所述的永磁无刷直流电机驱动器，其特征在于：母线电压检测电路包括电阻R22-R28、电容C18-C19、光电耦合器Q4和三极管Q5；母线电压检测电路连接在DC310V 电源与中央处理单元IC9之间；DC310V电压信号经电阻R22、电阻R23、电阻R24的分压后，进入到光电耦合器Q4的输入端，若光电耦合器Q4输入端此时过压，则光电耦合器Q4导通，三极管Q5导通，5V电压经电阻R25、电阻R26降压后，提供过压信号给中央处理单元IC9。
6.根据权利要求1所述的永磁无刷直流电机驱动器，其特征在于：PWM转换电路IC8的PWM信号由IC9经运算后调制输出，结合PWM转换电路IC8的A1.A2.A3三个相差120度的脉冲信号，在PWM转换芯片IC8的内部合成，成为功率模块驱动电路中需要的6路PWM信号，输出到功率模块驱动电路中。
7.根据权利要求1所述的永磁无刷直流电机驱动器，其特征在于：中央处理单元IC9与上位机转口通讯电路，中央处理单元IC9的P3.3端口输出的脉冲信号进入总线通信芯片IC10，中央处理单元IC9的P2和P3两个接收和发送使能端，当端口P2使能时，中央处理单元IC9接收总线通信芯片IC10传来的信号，当端口P3使能时，中央处理单元IC9将信号传到总线通信芯片IC10总线上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: BOSCH THERMOTECHNOLOGY (SHANDONG) CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: SHANDONG OAK AIR CONDITIONING TECHNOLOGY CO., LTD. Effective date: 20120821 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20120821 Address after: 256404, Dongfeng Road 77, Chen Zhuang Town, Huantai County, Zibo, Shandong Patentee after: BOSCH thermal technology (Shandong) Co., Ltd. Address before: 256404, No. 77 Zhang Tian Road, Chen Zhen, Huantai County, Zibo, Shandong Patentee before: Shandong OAK Central Air Conditioning Technology Co., Ltd. |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20101229 Termination date: 20170415 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |