CN203800848U - 一种无刷直流电机调速系统 - Google Patents

Abstract

一种无刷直流电机调速系统，包括上位机、微处理器、驱动电路、逆变电路、安装于无刷直流电机上用于检测无刷直流电机位置的霍尔传感器以及用于给微处理器和驱动电路供电的电源模块，上位机的输出端与微处理器的控制端相连，霍尔传感器的输出端与微处理器的输入端相连，微处理器的输出端与驱动电路的控制端相连，驱动电路的输出端和逆变电路的输入端相连，逆变电路的输出端分别连接微处理器的输入端和无刷直流电机的电源接口。本实用新型所采用的驱动电路能够同时实现多种保护功能。

Description

一种无刷直流电机调速系统

技术领域

本实用新型属于电力电子领域，具体涉及一种无刷直流电机调速系统。 

背景技术

电气传动控制系统是以电动机控制为控制对象，以微电子装置为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论指导下设计而成的。无刷直流电机克服了普通直流电机工作效率低、机械磨损大、调速精度和性能较低等缺点。三相无刷直流电机集中了直流电机和交流电机的优点，在近些年来广泛应用于家电、汽车、航天技术等领域。因此，设计一种无刷直流电机调速系统是非常必要的。现有的无刷直流电机调速系统功耗高，工作效率低，且保护功能单一。 

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种多种保护功能的无刷直流电机调速系统。 

为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：包括上位机、微处理器、驱动电路、逆变电路、安装于无刷直流电机上用于检测无刷直流电机位置的霍尔传感器以及用于给微处理器和驱动电路供电的电源模块，上位机的输出端与微处理器的控制端相连，霍尔传感器的输出端与微处理器的输入端相连，微处理器的输出端与驱动电路的控制端相连，驱动电路的输出端和逆变电路的输入端相连，逆变电路的输出端分别连接微处理器的输入端和无刷直流电机的电源接口。 

所述微处理器为MSP430F5529芯片。 

所述的MSP430F5529芯片上设有微处理器电源接口、串口接口、JTAG接口、USB接口、霍尔信号输入口、PWM信号输出接口以及12位的ADC模块，微处理器电源接口与电源模块相连，串口接口、JTAG接口以及USB接口分别与上位机相连，霍尔信号输入口与霍尔传感器的输出端相连，PWM信号输出接口与驱动电路的控制端相连，12位的ADC模块的输入端与逆变电路的输出端相连。 

所述的PWM信号输出接口与驱动电路的控制端通过排线相连。 

所述的驱动电路设有6ED003L06-F芯片，6ED003L06-F芯片内的自举电路与PWM信号输出接口相连接。 

所述的逆变电路设有BSC196N10NS芯片，驱动电路的输出端连接与BSC196N10NS芯片的功率管相连接，BSC196N10NS芯片的三相电压接口与无刷直流电机的电源接口相连，BSC196N10NS芯片的异常信号接口与12位的ADC模块的输入端相连接。 

所述的电源模块包括相连的电源电路和电源转换电路，电源电路与驱动电路的电源接口相连，电源转换电路与微处理器电的源接口相连。 

所述的电源电路包括相连的+15V稳压芯片和稳压器，+15V稳压芯片上设有+24V电压接口，+15V稳压芯片与驱动电路的电源接口相连，稳压器与电源转换电路相连。 

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于： 

本实用新型霍尔传感器用于检测无刷直流电机的位置信号，而霍尔传感器与微处理器的输入端相连，因此微处理器能够对霍尔传感器发出的霍尔信号进行计算；然后将其以控制信号的形式输送给驱动电路；同时，本实用新型 所采用的驱动电路具有两种保护功能，且驱动电路的控制端与微处理器的输出端相连，电源模块为驱动电路提供电源，因此，驱动电路的第一种保护功能是通过时刻检测电源模块上的母线电压是否异常来决定是否产生信号来封锁驱动电路；第二种保护功能是当微处理器的控制信号出现异常时，与驱动电路相连的逆变电路就会给微处理器反馈异常信号，使微处理器产生中断信号，封锁驱动芯片的输出。 

进一步，本实用新型的微处理器采用了MSP430F5529芯片（即16位超低功耗单片机MSP430）为控制核心，该芯片内部集成有12位的ADC模块，实现对模拟速度输入的采样和转化，同时MSP430F5529芯片内部有4种超低功耗模式，当单片机处于工作状态时，进入活动模式，所有系统时钟都活动，保证单片机的高效性；当单片机处于非工作状态时，根据实际情况会关闭一些不必要的系统时钟，从而保证系统的低功耗性。 

另外，本实用新型的MSP430F5529芯片上设有串口接口，上位机的串口线能够通过串口接口实现与微处理器的串口通信。 

进一步，本实用新型微处理器的晶振有两个，能够产生不同频率的系统时钟，这也是微处理器具有超低功耗性的一个重要原因。 

附图说明

图1为本实用新型的总体结构图； 

其中，1—微处理器，2—驱动电路，3—逆变电路，4—无刷直流电机，5—串行接口，6—JTAG接口，7—USB接口，8—微处理器电源接口，9—12位的ADC模块，10—电源电路，11—电源转换电路，12—PWM信号输出接口，13—霍尔信号输入口。 

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明。 

参见图1，本实用新型包括上位机（以PC机作为上位机）、主控制板、功率驱动板、安装于无刷直流电机4上的多个霍尔传感器以及电源模块，主控制板上设有微处理器1，功率驱动板上设有驱动电路2和逆变电路3；霍尔传感器用于检测无刷直流电机4的位置，电源模块给微处理器1和驱动电路2供电，主控制板和功率驱动板是通过排线连接。上位机的输出端与微处理器1的控制端相连，霍尔传感器的输出端与微处理器1的输入端相连，微处理器1的输出端与驱动电路2的控制端相连，驱动电路2的输出端和逆变电路3的输入端相连，逆变电路3的输出端分别连接微处理器1的输入端和无刷直流电机4的电源接口，无刷直流电机4具体选用三相无刷直流电机。 

微处理器1为TI公司的MSP430F5529芯片（16位超低功耗单片机MSP430），驱动电路2上设有英飞凌的6ED003L06-F芯片，逆变电路3设有英飞凌的BSC196N10NS芯片。MSP430系列微处理器的最大特点就是超低功耗，且执行速度快，用MSP430微处理器来设计无刷直流电机的调速系统可以使控制系统更加稳定和节能，并且电机的响应更加快速和准确。本实用新型所采用的MSP430F5529芯片的晶振有两个，能够产生不同频率的系统时钟，这是微处理器1具有超低功耗性的一个重要原因。 

MSP430F5529芯片上设有微处理器电源接口8、串行接口5、JTAG接口6、USB接口7、霍尔信号输入口13、PWM信号输出接口12以及12位的ADC模块9，微处理器电源接口8与电源模块相连，串口接口5、JTAG接口6以及USB接口7分别与上位机相连，上位机（如PC机）控制微处理器1工作， 微处理器1还可以进行串口通信，上位机（如PC机）的串口线可以通过串口接口5，并经过MAX3232芯片进行电压的调整以实现通信功能。模拟的速度输入信号是由MSP430F5529芯片上的电位器7来实现。无刷直流电机4上具体装有三个霍尔传感器，霍尔传感器的输出端与霍尔信号输入口13相连，这些霍尔传感器能够将检测到的无刷直流电机4的位置信号通过霍尔信号输入口13输入到MSP430F5529芯片的捕获/比较单元进行计算，PWM信号输出接口12与驱动电路2的控制端相连，MSP430F5529芯片产生的控制信号（6路PWM波或PWM信号）通过排线输入到驱动电路2中。 

所述的驱动电路2的输出端连接在BSC196N10NS芯片的功率管上，BSC196N10NS芯片的三相电压接口与无刷直流电机4的电源接口相连，BSC196N10NS芯片的异常信号接口连接在12位的ADC模块9的输入端上，12位的ADC模块9以实现对模拟速度输入的采样和转化，同时MSP430F5529芯片内部有4种超低功耗模式，当单片机处于工作状态时，进入活动模式，所有系统时钟都活动，保证单片机的高效性；当单片机处于非工作状态时，根据实际情况会关闭一些不必要的系统时钟，从而保证系统的低功耗性。6ED003L06-F芯片有两种保护功能：驱动电路的硬件保护是通过时刻检测电源模块上的母线电压是否异常来决定是否产生信号来封锁驱动电路；第二种保护功能是当微处理器的控制信号出现异常时，与驱动电路相连的逆变电路就会给微处理器反馈异常信号，使微处理器产生中断信号，封锁驱动电路的输出。 

具体的，6ED003L06-F芯片内部集成有一个自身工作电源欠压检测器和相应的故障处理单元，故障处理单元中的自举电路连接在PWM信号输出接口 12上，微处理器输出的PWM信号首先进入驱动电路的自举电路中，控制信号经过自举电路进行电位变换，变成电位悬浮的脉冲信号，再经过输出锁存器锁存和驱动脉冲检验后，送入驱动器进行功率放大，最后输入到逆变电路（即BSC196N10NS芯片）的功率管中。也就是说，由微处理器1产生的控制信号输入到驱动电路2（即6ED003L06-F芯片）中，来控制驱动电路逆变桥中六个功率管的开关，从而产生三相逆变电压，此三相逆变电压互差120°，为无刷直流电机提供三相电压。同时，逆变电路3（即BSC196N10NS芯片）会给微处理器1（即MSP430F5529芯片）的12位的ADC模块9时刻反馈母线电压信号和过压欠压信号，当微处理器1检测到有异常的信号时，就会封锁控制驱动逆变桥信号的产生，从而保护了逆变桥中的功率管和无刷直流电机不被烧毁。整个系统的设计还为三相电压预留有端口，为以后研究控制算法提供方便。详细的说，驱动电路2会时刻监测母线电压信号，当有异常信号时，驱动电路会自动封锁，阻止信号输入到逆变电路3的功率管中，从而保护功率管不被烧毁。微处理器1也会监测过压和欠压信号，当有异常情况时，微处理器12会产生中断信号，也是驱动电路2锁死，从而保护了功率管和无刷直流电机。 

电源模块包括相连的电源电路10和电源转换电路11，电源电路10与驱动电路2的电源接口相连，电源转换电路11与微处理器电源接口8相连。电源电路10包括相连的+15V稳压芯片和稳压器，+15V稳压芯片上设有+24V电压接口，+15V稳压芯片与驱动电路2的电源接口相连，稳压器与电源转换电路11相连，电源转换电路11具体选择为稳压器。外界接入+24V电压经过+15V稳压芯片进行电压转换。+24V的电压作为母线电压，+15电压作为驱动 电路的自举电压。同时+15V电压通过稳压器转换为+5V电压，该+5V电压是微处理器1的供电电压，+5V电压经过另一个稳压器能够将电压转换为+3.3V，然后从微处理器上的+3.3V电压测试口测试+3.3V电压是否稳定。+3.3V电压测试口用短路块连接才能使微处理器及其外围电路供电，这样就使微处理器1实现单板调试。当微处理器1的PWM信号输出接口12与驱动电路2的控制端通过排线相连时，微处理器就不必再接入+5V电压，此时的驱动电路能够直接给主控制板供电。 

本实用新型针对无刷直流电机的特点，整个调速系统的设计包括调节电机转速、母线电流的检测以及过压和欠压的检测，从而使整个系统不会因为一些故障而损坏。此外，在设计该系统时，还考虑到电机控制系统的通用性，即该调速系统不仅可以用于无刷直流电机的控制，还可以用于永磁同步电机的控制。同时，在设计时还预留有一些端口，可以同时控制两个电机的转动。 

本实用新型采用的电子元器件均为已知产品，本领域技术人员根据本实用新型的技术方案即可查阅相关电子元器件的工作方式和具体的电路连接方式。 

Claims (8)

1.一种无刷直流电机调速系统，其特征在于：包括上位机、微处理器（1）、驱动电路（2）、逆变电路（3）、安装于无刷直流电机（4）上用于检测无刷直流电机（4）位置的霍尔传感器以及用于给微处理器（1）和驱动电路（2）供电的电源模块，上位机的输出端与微处理器（1）的控制端相连，霍尔传感器的输出端与微处理器（1）的输入端相连，微处理器（1）的输出端与驱动电路（2）的控制端相连，驱动电路（2）的输出端和逆变电路（3）的输入端相连，逆变电路（3）的输出端分别连接微处理器（1）的输入端和无刷直流电机（4）的电源接口。

2.根据权利要求1所述的无刷直流电机调速系统，其特征在于：所述微处理器（1）为MSP430F5529芯片。

3.根据权利要求2所述的无刷直流电机调速系统，其特征在于：所述的MSP430F5529芯片上设有微处理器电源接口（8）、串口接口（5）、JTAG接口（6）、USB接口（7）、霍尔信号输入口（13）、PWM信号输出接口（12）以及12位的ADC模块（9），微处理器电源接口（8）与电源模块相连，串口接口（5）、JTAG接口（6）以及USB接口（7）分别与上位机相连，霍尔信号输入口（13）与霍尔传感器的输出端相连，PWM信号输出接口（12）与驱动电路（2）的控制端相连，12位的ADC模块（9）的输入端与逆变电路（3）的输出端相连。

4.根据权利要求3所述的无刷直流电机调速系统，其特征在于：所述的PWM信号输出接口（12）与驱动电路（2）的控制端通过排线相连。

5.根据权利要求3所述的无刷直流电机调速系统，其特征在于：所述的驱动电路（2）设有6ED003L06-F芯片，6ED003L06-F芯片内的自举电路与PWM信号输出接口（12）相连接。

6.根据权利要求3所述的无刷直流电机调速系统，其特征在于：所述的逆变电路（3）设有BSC196N10NS芯片，驱动电路（2）的输出端连接与BSC196N10NS芯片的功率管相连接，BSC196N10NS芯片的三相电压接口与无刷直流电机（4）的电源接口相连，BSC196N10NS芯片的异常信号接口与12位的ADC模块（9）的输入端相连接。

7.根据权利要求3所述的无刷直流电机调速系统，其特征在于：所述的电源模块包括相连的电源电路（10）和电源转换电路（11），电源电路（10）与驱动电路（2）的电源接口相连，电源转换电路（11）与微处理器电的源接口（8）相连。

8.根据权利要求7所述的无刷直流电机调速系统，其特征在于：所述的电源电路（10）包括相连的+15V稳压芯片和稳压器，+15V稳压芯片上设有+24V电压接口，+15V稳压芯片与驱动电路（2）的电源接口相连，稳压器与电源转换电路（11）相连。