CN203675020U - 干手器用无位置传感器无刷电机控制器 - Google Patents

Abstract

干手器用无位置传感器无刷电机控制器。本实用新型涉及到新型电机的高效控制，具体地说就是直流无刷电机斩波调速控制技术。干手器用无位置传感器无刷电机控制器，其组成包括：壳体，所述的壳体内装有单片机AT89C51，所述的单片机连接电机控制专用芯片ML4425芯片组，所述单片机包括4种开关信号电路：启动、停止、加速、减速控制和输出运行和故障状态电路；所述的电机控制专用芯片ML4425芯片组，所述的ML4425芯片组具有输出六路PWM信号电路；所述的电机控制专用芯片ML4425芯片组与电机反电动势锁相环PLL控制电路、保护电路电路之间电连接。本实用新型用作干手器用的无刷电机控制器。

Description

干手器用无位置传感器无刷电机控制器

技术领域：

本实用新型涉及一种新型电机的高效控制，具体地说就是直流无刷电机斩波调速控制技术。

背景技术：

干手器目前常用的电机有有刷直流电机和单相串励电机两种。

直流有刷电动机和单相串励电动机的共同特点是存在电刷和换向器，由此带来噪声、火花以及维修困难等缺点，从而大大限制了它的应用领域。

直流无刷电机在结构上与有刷直流电机相比有了较大的改变，其转子采用稀土永磁材料，以电子换向器实现换向，因此消除了直流有刷电动机因为电刷带来的弊病。由于直流无刷电动机具有结构简单、运行可靠、维护方便以及调速性能好等诸多优点，因此是未来干手器用电动机的首选。

无刷电机常采用霍尔传感器进行转子位置检测，存在如下缺点：如增大了电机体积和成本，降低了系统的可靠性等。

在现有无刷电机控制器中，用6个功率 MOSFET管组成电子换向器，图中MOSFET管VT1、VT4构成无刷电机A相绕组的桥臂，VT3、VT6 构成无刷电机B相绕组的桥臂，VT5、VT2构成无刷电机C相绕组的桥臂，在任何情况，同一桥臂的上下两管不能同时导通，否则要烧坏管子。6只功率MOSFET管按一定要求顺次导通，就可实现无刷电机A、B、C三相绕组的轮流通电，完成换相要求，电机正常运转。在电动车无刷电机控制器中，这6只功率管有二二通电方式和三三通电方式的运用，二二通电方式即每一时刻有两只功率管同时通电，三三通电方式即每一时刻有三只功率管同时通电。

发明内容：

本实用新型的目的是提供一种干手器用无位置传感器无刷电机控制器。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

干手器用无位置传感器无刷电机控制器，其组成包括：壳体，所述的壳体内装有单片机AT89C51，所述的单片机连接电机控制专用芯片ML4425芯片组，所述单片机包括4种开关信号电路：启动、停止、加速、减速控制和输出运行和故障状态电路；所述的电机控制专用芯片ML4425芯片组，所述的ML4425芯片组具有输出六路PWM信号电路；所述的电机控制专用芯片ML4425芯片组与电机反电动势锁相环PLL控制电路、保护电路电路之间电连接。

所述的干手器用无位置传感器无刷电机控制器，所述的单片机连接电机速度控制脉冲信号的输入端，在比较器1脚的直流母线有串联采样用功率电阻；电机绕组端部有串接的三个衰减电阻；单片机发出的电机速度控制脉冲信号的承载电路连接所述的电机控制专用芯片ML4425芯片组的SPEED SET引脚，所述的电机控制专用芯片ML4425芯片组产生的PWM控制信号的承载电路连接被控制速度的电机；所述的PWM控制信号电路包括信号控制功率开关管和控制电机定子磁场换相的锁相环回路PLL。

所述的干手器用无位置传感器无刷电机控制器，所述的信号控制功率开关管包括稳压器和PWM斩波器，所述的保护电路中的IGBT连接有温度检测开关。

所述的干手器用无位置传感器无刷电机控制器，所述的电机控制专用芯片ML4425芯片组的上电复位的对齐电路包括Cat电容，在升速时以开环方式进行换相，电机转速的速度控制回路包括时间控制电容Crt。

所述的干手器用无位置传感器无刷电机控制器，锁相环回路包括换相状态机、压控振荡器和反电动势采样器，所述的电机绕组的换向电路包括基于自举技术的IR2130放大器，所述的基于自举技术的IR2130放大器电路电连接IGBT功率开关管。

所述的干手器用无位置传感器无刷电机控制器，所述的基于自举技术的IR2130放大器电路对同一桥臂上下2个功率器件的门极驱动信号产生2us的互锁延时的电路中，包括驱动电阻R1、驱动电阻R2、驱动电阻R3、驱动电阻R4、驱动电阻R5、驱动电阻R6，以及自举电容C3、自举电容C4、自举电容C5，自举二极管D6、自举二极管D8、自举二极管D10。

有益效果：

本实用新型是一种新颖的、具有高可靠性的直流无刷电机控制器。所采用的无刷电机专用控制芯片ML4425可独立控制运行，外围电路简单；电机起动过程为校准、升速和状态切换，从电机绕组获取反电动势后，利用PLL锁相技术实现准确换相，无需直接位置传感器。以ML4425和单片机AT89C51为核心的控制系统可实现电机启停、调速和保护功能，能够保证控制系统安全、可靠地运行。

本实用新型以AT89C51单片机和ML4425电机专用控制芯片为核心，附加简单的外围电路，实现无刷电机转速闭环控制。

本实用新型的干手器用无位置无刷直流电动机控制器采用AT89C51单片机与ML4425电机专用控制芯片共同搭建了无位置传感器控制系统，具有可靠性高、抗干扰能力强的特点。使用锁相环技术，从电机绕组检测反电动势来确定换相顺序，使电机可在较宽的转速范围内实现换相，而且对PWM的噪声干扰不敏感，并实现了电机的无级调速，达到节能、降噪的目的且具有较高的效率。

本实用新型还结合高效、高集成度的硬件设计来提高干手器系统的整体性能，改变了传统干手器用电机有刷和有换向器的缺陷。

本实用新型而采用无位置检测的方法则减小了装置体积，降低了成本，提高了可靠性，并拓宽了装置的应用领域。本系统采用ML4425专用芯片为核心，具有体积小且运行稳定性高的特点。ML4425为三相无位置传感器无刷直流电机专用芯片，可实现无刷直流电机的起动、换相以及转速的闭环控制。ML4425中有两个补偿电路，分别对应PLL闭环和速度闭环，根据电机和负载的特性调整进行优化，得到满意的调速性能。ML4425还具有完善的保护功能，在过流和欠压时自动切断驱动信号以实现对电机的保护。

本实用新型系统具有温度保护和过流保护功能，当过温或过流时，系统会自动停车。

附图说明：

图1系统的硬件连接结构示意图。

图2主回路。

图3驱动电路。

图4 ML4425电机控制原理图。

图5 速度控制电路。

图6 过温保护电路。

图7 限流控制电路。

具体实施方式：

实施例1：

干手器用无位置传感器无刷电机控制器，其组成包括：壳体，所述的壳体内装有单片机AT89C51，所述的单片机连接电机控制专用芯片ML4425芯片组，所述单片机包括4种开关信号电路：启动、停止、加速、减速控制和输出运行和故障状态电路；所述的电机控制专用芯片ML4425芯片组，所述的ML4425芯片组具有输出六路PWM信号电路；所述的电机控制专用芯片ML4425芯片组与电机反电动势锁相环PLL控制电路、保护电路电路之间电连接。

实施例2：

实施例1所述的干手器用无位置传感器无刷电机控制器，所述的单片机连接电机速度控制脉冲信号的输入端，在比较器1脚的直流母线有串联采样用功率电阻；电机绕组端部有串接的三个衰减电阻；单片机发出的电机速度控制脉冲信号的承载电路连接所述的电机控制专用芯片ML4425芯片组的SPEED SET引脚，所述的电机控制专用芯片ML4425芯片组产生的PWM控制信号的承载电路连接被控制速度的电机；所述的PWM控制信号电路包括信号控制功率开关管和控制电机定子磁场换相的锁相环回路PLL。

实施例3：

实施例1或2所述的干手器用无位置传感器无刷电机控制器，所述的信号控制功率开关管包括稳压器和PWM斩波器，所述的保护电路中的IGBT连接有温度检测开关。

实施例4：

实施例1或2或3所述的干手器用无位置传感器无刷电机控制器，所述的电机控制专用芯片ML4425芯片组上电复位的对齐电路包括Cat，在升速时以开环方式进行换相，电机转速的速度控制回路包括时间控制电容Crt。

实施例5：

实施例1或2或3或4所述的干手器用无位置传感器无刷电机控制器，锁相环回路包括换相状态机、压控振荡器和反电动势采样器，所述的电机绕组的换向电路包括基于自举技术的IR2130放大器，所述基于自举技术的IR2130放大器电路电连接IGBT功率开关管。

实施例6：

实施例5所述的干手器用无位置传感器无刷电机控制器，所述的基于自举技术的IR2130放大器电路对同一桥臂上下2个功率器件的门极驱动信号产生2us的互锁延时的电路中，包括驱动电阻R1、驱动电阻R2、驱动电阻R3、驱动电阻R4、驱动电阻R5、驱动电阻R6，以及自举电容C3、自举电容C4、自举电容C5，自举二极管D6、自举二极管D8、自举二极管D10。

实施例7：

本实用新型系统的硬件结构原理如图1所示，系统共有4路开关信号，分别是启动、停止、加速、减速控制，并输出运行和故障状态；ML4425根据单片机的速度指令信号，并通过逻辑和驱动输出六路PWM信号，实现电机的反电动势锁相环（PLL）控制。

1、系统的主电路

系统主电路如图2所示，采用三相全桥功率拓扑结构和三相六状态工作方式，任意时刻只有两相绕组导通，在主回路中加了一个采样电阻Rs来采样直流母线电流，以实现装置的过载或过流保护功能。

2、驱动电路

功率开关管的驱动采用IR2130实现，只须单电源供电，可驱动直流母线电压不高于600V的功率器件，其内部有过流、过压及欠压保护功能。自举技术使其可用于高压系统，还可对同一桥臂上下2个功率器件的门极驱动信号产生2us的互锁延时。图3为系统的驱动电路图，R1、R2、R3、R4、R5、R6为驱动电阻， C3、C4、C5为自举电容，D6、D8、D10为自举二极管。

3、ML4425电机控制原理

ML4425是三相无传感器无刷直流电机的专用控制芯片，其主要功能包括：起动电路、反电动势换相控制、脉宽调制（PWM）速度控制、固定时间限流、制动和欠电压保护。

4、换相控制

三相无刷直流电机需要电子换相实现功率开关管的开通（ON）和关断（OFF）。三相直流无刷电机的六个换相状态，组成一个完整的周期。组合状态（以A-F表示）在图6中说明。这个顺序编入ML4425的换相状态机内，换相状态机的时钟由压控振荡器提供，表中，R是对齐状态。

5、速度控制

当电机转速上升使电机反电动势足以被ML4425检测到后，系统进入闭环运行状态。速度指令由ML4425的SPEED SET设定，本系统的速度给定由单片机进行设定，升速时SPEED SET的电压上升，与速度反馈的误差加大，经过误差放大器输出到SPEED COMP，使输出的PWM占空比增加，电机转速上升。当该信号与速度指令信号相等时，电机稳速运行。电机的减速过程与之相反。图5为速度控制电路图。

6、过温保护电路

本系统有温度保护、过流保护和缺相保护功能。图6中的温度开关用来检测IGBT的温度，一旦温度超过70℃时温度开关闭合，输出高电平给51单片机，系统停机。当系统过流时，检测的电流信号经过电阻转变成电压信号与电位器设定值进行比较，超过设定的上限值，比较器输出高电平给51单片机，系统掉电，从而对系统进行了保护。

7、限流控制与制动

ML4425利用恒定关断时间来限制电机的最大电流。在电机运行期间，比较器把接在1脚上的电流采样电阻上的压降与内部的2.5V（0.5*5）的给定进行比较，当1脚上的电压超过0.5V时内部触发器被触发，这使得低端驱动关断一定的时间。关断时间由26脚的Cios决定。电流限幅可以通过改变12脚电压来实现，原理如图7所示。当制动引脚（25引脚）电位被拉低时在1.4V以下时，低压侧的输出驱动器全被接通，高压侧的输出驱动器全被关闭，实现电机制动。

Claims (6)

1.一种干手器用无位置传感器无刷电机控制器，其组成包括：壳体，其特征是：所述的壳体内装有单片机AT89C51，所述的单片机连接电机控制专用芯片ML4425芯片组，所述单片机包括4种开关信号电路：启动、停止、加速、减速控制和输出运行和故障状态电路；所述的电机控制专用芯片ML4425芯片组，所述的电机控制专用芯片ML4425芯片组具有输出六路PWM信号电路；所述的电机控制专用芯片ML4425芯片组与电机反电动势锁相环PLL控制电路、保护电路电路之间电连接。

2.根据权利要求1所述的干手器用无位置传感器无刷电机控制器，其特征是：所述的单片机连接电机速度控制脉冲信号的输入端，在比较器1脚的直流母线有串联采样用功率电阻；电机绕组端部有串接的三个衰减电阻；单片机发出的电机速度控制脉冲信号的承载电路连接所述的电机控制专用芯片ML4425芯片组的SPEED SET引脚，所述的电机控制专用芯片ML4425芯片组产生的PWM控制信号的承载电路连接被控制速度的电机；所述的PWM控制信号电路包括信号控制功率开关管和控制电机定子磁场换相的锁相环回路PLL。

3.根据权利要求1或2所述的干手器用无位置传感器无刷电机控制器，其特征是：所述的信号控制功率开关管包括稳压器和PWM斩波器，所述的保护电路中的IGBT连接有温度检测开关。

4.根据权利要求1或2所述的干手器用无位置传感器无刷电机控制器，其特征是：所述的电机控制专用芯片ML4425芯片组的上电复位的对齐电路包括Cat电容，在升速时以开环方式进行换相，电机转速的速度控制回路包括时间控制电容Crt。

5.根据权利要求1或2所述的干手器用无位置传感器无刷电机控制器，其特征是：锁相环回路包括换相状态机、压控振荡器和反电动势采样器，所述的电机绕组的换向电路包括基于自举技术的IR2130放大器，所述的基于自举技术的IR2130放大器电路电连接IGBT功率开关管。

6.根据权利要求5所述的干手器用无位置传感器无刷电机控制器，其特征是：所述的基于自举技术的IR2130放大器电路对同一桥臂上下2个功率器件的门极驱动信号产生2us的互锁延时的电路中，包括驱动电阻R1、驱动电阻R2、驱动电阻R3、驱动电阻R4、驱动电阻R5、驱动电阻R6，以及自举电容C3、自举电容C4、自举电容C5，自举二极管D6、自举二极管D8、自举二极管D10。

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