CN202550948U - 一种直流无刷电机双模式控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种直流无刷电机双模式控制装置，包括中央处理器、电源电路，中央处理器的输出I/O口连有IPM智能功率模块，IPM智能功率模块连有直流无刷电机，直流无刷电机内设有三个呈60度或120度角放置的霍尔传感器，三个霍尔传感器通过整形滤波电路反馈到中央处理器，IPM智能功率模块的公共地线通过高精度采样电阻回到直流母线的地端，高精度采样电阻两端的电压通过滤波放大电路经电流信号调理后回馈到中央处理器。实用新型有益的效果是：能在低成本的前提下有效的获取相电流，从而进行有效的转矩控制，有助于市场推广和产业化生产。

Description

一种直流无刷电机双模式控制装置

技术领域

本实用新型涉及直流无刷电机领域，尤其是一种直流无刷电机双模式控制装置。

背景技术

直流无刷电机在小型拖动系统领域具有不可替代的优越性，与电容启动的单相电机相比，直流无刷电机具有控制灵活、调速性能好、运行平稳、长寿命、高效率等优点。电容启动的单相异步电机在长时间运行后，一般都会面临着启动困难等问题，这基本都是由于启动电容失效引起的，如果在启动电容的容值降低到一定程度后，仍继续使用特别是在负载稍大的情况下，很容易烧电机的启动绕组，导致整个电机烧毁。还有电容启动的单相异步电机调速一般都是通过调电压来实现的，根据异步电机的工作原理可知，当电机没有工作在额定状态时，电机的工作效率将明显的下降，而直流无刷电机的效率曲线相对要平稳很多，也就意味着无论电机工作在那个工作点上效率基本都一样。所以在小型拖动领域直流无刷电机有绝对的优势。

用传统六步法驱动的无刷直流电机除绕组反向及用逆变器取代换向器外，其余与有刷直流电机类似。因此，人们会想到通过调节平均直流链路电流来实施扭矩控制，但这样做实际上调制的是功率而非扭矩。因在直流链路电压恒定的情况下，调节平均直流链路电流只会致使功率输出的改变。这将导致根据电机所带的负载，电机电流(扭矩)与其速度成反向变化。任何试图借助占空比补偿平均直流链路电流数据以获得平均相电流的努力都将被滤噪器时间常数所瓦解，从而使该手段一般说来劳而无功。

发明内容

本实用新型要解决上述现有技术的缺点，提供一种高效低成本的直流无刷电机双模式控制装置。

本实用新型解决其技术问题采用的技术方案：这种直流无刷电机双模式控制装置，包括中央处理器、电源电路，中央处理器的输出I/0口连有IPM智能功率模块，IPM智能功率模块连有直流无刷电机，直流无刷电机内设有三个呈60度或120度角放置的霍尔传感器，三个霍尔传感器通过整形滤波电路反馈到中央处理器，IPM智能功率模块的公共地线通过高精度采样电阻回到直流母线的地端，高精度采样电阻两端的电压通过滤波放大电路经电流信号调理后回馈到中央处理器。

作为优选，所述中央处理器为内置16K字节Flash，1K字节RAM的8位MCU。

作为优选，所述中央处理器与母线电压检测电路相连接。

作为优选，所述中央处理器与外部控制模拟量调理电路相连接。

作为优选，所述中央处理器与控制模式选择电路相连接。

作为优选，所述电源电路包含本电路所需的四路独立电源。包括交流滤波电路、整流模块、PTC热敏电阻、直流滤波电路和开关电源，其中单相市电与交流滤波电路连接，交流滤波电路的输出与整流模块连接，整流模块的输出经PTC热敏电阻与直流滤波电路连接，直流滤波电路连有开关电源。

实用新型有益的效果是：能在低成本的前提下有效的获取相电流，从而进行有效的转矩控制。

附图说明

图1是本实用新型硬件实现整体方框示意图；

图2是本实用新型电源部分详细原理方框示意图；

图3是本实用新型电源部分实际电路原理图；

图4是本实用新型IPM智能功率模块实际电路图；

图5是本实用新型外部控制模拟量调理电路原理图；

图6是本实用新型软件实现原理方框示意图；

图7是本实用新型软件实现主流程方框示意图；

附图标记说明：中央处理器1，IPM智能功率模块2，直流无刷电机3，霍尔传感器4，滤波放大电路5，高精度采样电阻6，整形滤波电路7，母线电压检测电路8，外部控制模拟量调理电路9，电源电路10，控制模式选择电路11，交流滤波电路12，整流模块13，PTC热敏电阻14，直流滤波电路15，开关电源16。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

实施例：如图1所示，这种直流无刷电机双模式控制装置，包括中央处理器1、电源电路10，中央处理器1为内置16K字节Flash，1K字节RAM的8位MCU。中央处理器1的输出I/O口连有IPM智能功率模块2，IPM智能功率模块2实际电路图如图4所示，IPM智能功率模块2连有直流无刷电机3，直流无刷电机3内设有三个呈60度或120度角放置的霍尔传感器4，三个霍尔传感器4通过整形滤波电路7反馈到中央处理器1，IPM智能功率模块2的公共地线通过高精度采样电阻6回到直流母线的地端，高精度采样电阻6两端的电压通过滤波放大电路5经电流信号调理后回馈到中央处理器1。

中央处理器1与母线电压检测电路8相连接，中央处理器1内嵌的软件通过侦测母线电压检测电路8的输出端的电压换算出输入交流电的有效值，从而有效的评估该装置是否工作在正常的输入电压范围内；中央处理器1与外部控制模拟量调理电路9相连接，其功能包括隔离和线性放大，如图5所示，通过该调理电路后输出至中央处理器1，中央处理器1内嵌的AD在嵌入式软件的控制下有序的采集外部模拟量；中央处理器1与控制模式选择电路11相连接，内嵌软件能通过中央处理器1的通用I/O口捕获外部信号的变化，从而能根据外部控制信号的要求切换对直流无刷电机控制方式。

所有部件模块都需要电源才能工作，电源电路10包含本电路所需的四路独立电源。如图2、3所示，包括交流滤波电路12、整流模块13、PTC热敏电阻14、直流滤波电路15和开关电源16，其中单相市电与交流滤波电路12连接，交流滤波电路12的输出与整流模块13连接，整流模块13的输出经PTC热敏电阻14与直流滤波电路15连接，直流滤波电路15连有开关电源16。其PTC热敏电阻14的作用是在电源电路上电瞬间起电流抑制作用，能有效延长直流滤波电路中电容的使用寿命，直流滤波15的输出一方面直接提供给IPM智能功率模块2使用，另一方面给开关电源16使用，310V直流电经过开关电源16后变换出独立的三组电源，分别是两路+15V，一路+5V。其中一路+15V用于IPM智能功率模块2的供电，另一路+15V用于外部控制模拟量调理电路9，以便隔离。+5V用于中央处理器1的供电。

外部控制模拟量调理电路9和控制模式选择电路11同时接受来自客户的控制指令。中央处理器1同时采集电流、外部模拟信号、模式选择指令和霍尔信号，将采集到的信号经过相应的控制算法后输出6路驱动波形到IPM智能功率模块2，从而控制直流无刷电机3平稳运行。

本实用新型的控制原理：

恒转矩控制模式：电机转矩Te＝Ia*Ea+Ib*Eb+Ic*Ec；采用六步法驱动其转矩与电机电流成直接比例关系，所以电流环的性能至关重要。电流环的线性受电流反馈真实性的影响，大多基于母线电流采样的方法都不是线性的，而其它的方法又很昂贵。但该方案通过软硬件配合的方法在脉宽调制器(PWM)启励(on-time)时间的中央采样直流链路电流的方法克服了上述限制。该软件算法能有效的模拟出电枢电流的续流部分(通过MOS管的二极管回路，而没有经过采样电阻)，所以从本质上解决了该方法的非线性问题。

恒转速控制模式：速度控制一般有两种方法：一是调节电枢电压，二是调节励磁电流。常见的微型直流电机，其磁场都是固定的，不可调的永磁体，所以只好调节电枢电压，常用的一是可控硅调压法，再就是脉宽调制法(PWM)。还有弱磁调速，通过适当减弱励磁磁场的办法也可以调速。本方案采用的是PWM调制方式。由于BLDC电机的固有特性，额定转速并不完全等于空载转速，因此本方案采用先进的模糊PID算法来弥补这一缺点，使转速的可控性大幅度的提高。

本实用新型的硬件原理：硬件结构上采用单管加高性能MCU方案，本方案不仅灵活，而且具有很强的扩展性，可以在不改变硬件的基础上，方便的升级软件，以满足客户更高的要求。由于MCU内部自带了PWM发生器、通用定时器、高速10BitAD转换器和高速高性能I/O口，只要稍加一些简单的外部器件，就能组建一个高性能的BLDC控制器。采用了单管驱动的设计方案，那么上桥臂的驱动电路比采用智能IPM模块稍显复杂，但在系统成本上还是就有相当大的优势。上桥臂的设计采用了优化的智能自举电路，简洁实用，稳定性好。

本实用新型的软件原理：如图6所示，软件主要包含主函数、AD采样中断函数、PWM发生中断函数、霍尔信号捕获中断函数、1mS定时器中断函数、坐标变换函数、PI运算函数、电流计算函数、速度计算函数等。主函数框图如图7所示：上电复位后，首先对MCU自身进行初始化，然后对各个变量进行初始化，获取外部模拟量和模式开关的状态，若MCU处于恒速度模式，那么程序就进入速度电流双环控制模式，若MCU处于恒转矩模式，那程序就会调用相应的转矩算法，然后进入PI控制模式，最总就会得到PWM的占空比，从而有效的控制电机。

本实用新型在软件方面采用先进的模糊PID算法，双环控制。根据用户选定的模式，通过最优化的算法，得到模糊PID的给定量。由于采用了模糊PID控制算法，该系统能最大限度地兼顾动态和静态性能。底层换向驱动上，本系统采用了优化的120度PWM调制的方波驱动，使电机能及时而有效的换向。直接采集串接在直流母线上的高精度采样电阻两端的电压，配合三个霍尔的状态，换算出UVW三相的相电流，该方法能有效的节省系统的成本，有助于市场推广和产业化生产。

本实用新型在不改变硬件电路及结构的基础上，通过切换软件的控制方式，到达直流无刷电机的两种控制方式。通过物理位置成120度或60度放置在直流无刷电机转子周边的三个霍尔传感器反馈直流无刷电机的转子位置，该传感器通过整形滤波电路连接至MCU的捕获中断I/O口，从而使MCU能方便的获得转子的精确位置。电流采集直接通过串接在直流母线上的高精度采样电阻两端的电压，结合外围电路滤波放大电路连接到MCU内部的AD端口，MCU配合三个霍尔的状态，换算出UVW三相的相电流。MCU结合采集到的转子位置和母线电流换算出直流无刷电机的相电流，为两种模式的控制做准备。

除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种直流无刷电机双模式控制装置，包括中央处理器(1)、电源电路(10)，其特征是：中央处理器(1)的输出I/O口连有IPM智能功率模块(2)，IPM智能功率模块(2)连有直流无刷电机(3)，直流无刷电机(3)内设有三个呈60度或120度角放置的霍尔传感器(4)，三个霍尔传感器(4)通过整形滤波电路(7)反馈到中央处理器(1)，IPM智能功率模块(2)的公共地线通过高精度采样电阻(6)回到直流母线的地端，高精度采样电阻(6)两端的电压通过滤波放大电路(5)经电流信号调理后回馈到中央处理器(1)。

2.根据权利要求1所述的直流无刷电机双模式控制装置，其特征是：所述中央处理器(1)为内置16K字节Flash，1K字节RAM的8位MCU。

3.根据权利要求1或2所述的直流无刷电机双模式控制装置，其特征是：所述中央处理器(1)与母线电压检测电路(8)相连接。

4.根据权利要求1或2所述的直流无刷电机双模式控制装置，其特征是：所述中央处理器(1)与外部控制模拟量调理电路(9)相连接。

5.根据权利要求1或2所述的直流无刷电机双模式控制装置，其特征是：所述中央处理器(1)与控制模式选择电路(11)相连接。

6.根据权利要求1或2所述的直流无刷电机双模式控制装置，其特征是：所述电源电路(10)包含本电路所需的四路独立电源。

7.根据权利要求6所述的直流无刷电机双模式控制装置，其特征是：所述电源电路(10)包括交流滤波电路(12)、整流模块(13)、PTC热敏电阻(14)、直流滤波电路(15)和开关电源(16)，其中单相市电与交流滤波电路(12)连接，交流滤波电路(12)的输出与整流模块(13)连接，整流模块(13)的输出经PTC热敏电阻(14)与直流滤波电路(15)连接，直流滤波电路(15)连有开关电源(16)。

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