CN204258680U - 三相直流无刷电机控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种三相直流无刷电机控制装置，该装置包括逻辑控制电路、功率元件驱动电路、功率元件、霍尔传感器，霍尔传感器设置在三相直流无刷电机上，与所述逻辑控制电路连接，用于将电机磁体的位置和极性信息作为信号发送给逻辑控制电路；所述逻辑控制电路与功率元件驱动电路连接，逻辑控制电路根据各输入端输入的信号生成用于电机控制的三相脉冲宽度调制信号；功率元件驱动电路与功率元件连接，用于驱动所述功率元件以能让其正常工作，并同时对其进行保护；功率元件与电机的三相绕组电路连接，用于控制三相绕组上的电流。本实用新型可以结合电机转速的反馈对三相直流无刷电机进行控制。

Description

三相直流无刷电机控制装置

技术领域

本实用新型涉及一种三相直流无刷电机控制装置，属于电机技术领域。

背景技术

电动机(以下简称电机)是将电能转化为机械能的主要设备，全球80％以上的电能-机械能转换都是通过电机完成的。电机作为风机、水泵、压缩机、机床等各种设备的动力源其应用几乎涵盖了所有现代工业领域，包括航空航天、军事、汽车(尤其是电动汽车)、冶金、水利、石化、采掘、电厂、钢厂等行业。

提高电机效率的有效途径是采用高效节能电机和电机控制系统。目前全球范围内大量使用的电机主要包括直流电机(DC Motor，DCM)、感应电机(Induction Motor，IM)、永磁电机(Permanent Magnet Motor，PMM)和开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor，SRM)。

其中永磁电机和开关磁阻电机都属于低能耗高效节能电机，正在被世界各国大力推广使用。开关磁阻电机结构较为简单、转速-转矩特性好，启动转矩高，但转矩脉动大、噪声大，控制系统复杂，其控制技术还处于研究发展时期。永磁电机又包括直流无刷(Brushless DC Motor，BLDC)和永磁同步(Permnent Magnet Synchronous Motor，PMSM)电机两大类。永磁电机用永磁体(稀土)产生磁场，突出优点是体积小，质量轻、基本免维护、调速范围广，能达到更高的效率和功率密度。其中，永磁同步电机目前主要用于电动汽车等需要传动的应用中，而本实用新型针对的直流无刷电机的应用遍及家电、内燃机汽车、电动汽车、飞机、直升机、重型机械等领域。

节能电机要想实现高效节能的目的，除了电机本身以外，更重要的是还要有与之相配套的电机控制系统。目前先进的电机控制系统可以实现正反转、调速、调扭矩、无传感器控制等众多功能，且具备过压、过温、过流等保护措施。应用于航空航天及军事领域的电机控制系统还要求能在-55℃至+150℃、高温高湿、强震动、机械冲击等复杂恶劣条件下长期稳定工作。

现在国际上常用的电机控制理论包括：

1)空间矢量调制(Space vector modulation，SVM)；

2)磁场定向矢量控制(Field-oriented vectorcontrol，FOC)；

3)梯形控制(Trapizoidal Control，TC)；

4)正弦控制(Sinusoidal Control，SC)；

5)脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)；

6)无传感器磁通矢量位置估算法(Sensorless flux vector positionestimation，SFVPE)；

7)无传感器速度估算法(Sensorless speed estimation，SSE)；

8)扩展Kalman估算法(Extended Kalman estimator，EKE)。

其中SVM在永磁同步电机、FOC在直流无刷电机控制系统中属于控制精度、效率等综合性能非常好的控制理论。

电机控制系统主要硬件包括电机控制IC和功率元件两大类。电机控制IC包括以下两大类：

1)智能控制IC：微控制单元(Micro Control Unit，MCU)、数字信号处理芯片(Digital Signal Processor，DSP)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)。

2)一般电机控制IC。

功率元件主要包括金属氧化物半导体场效应管(Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)和绝缘栅型双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)。

其中MOSFET元件一般应用于电压小于等于250V，电流小于等于50A、高转速电机控制系统中。IGBT元件则可应用于高压(目前国外永磁电机最高电压为1200V)和大电流(≦3600A)电机控制中。

在跨入二十一世纪以后，国际先进电机控制系统主要向以下几个方向发展：

(1)数字化

由数字电路及软件构成控制单元、通过功率输出器件控制电机可以极大地提高控制系统的灵活性和可控制性，用户使用方便。在需要统一由计算机控制的设备如电动汽车、航空航天及军事领域的装备中应用较广。其缺点是成本较高、系统元件多、可控制的电机转速较低。

(2)集成模块化

随着现代电动装备对体积、重量及系统集成方便程度等方面提出日益严格的要求，电机控制系统不断向高集成度、模块化方向发展。尤其是采用大规模集成技术的通用电机控制模块不但使电机控制系统构成简化、体积和重量显著减少，而且系统功能和可靠性得到极大提高，因此电机控制模块的发展日益成为主流。

(3)智能化

由智能控制IC如MCU、DSP、FPGA等为核心控制单元构成的电机控制产品具有人机界面友好、一套控制系统可控制不同类型电机、通过软件可根据实际电机及负载情况采用不同控制方法、可实时与上位控制系统通讯等诸多优点，是目前电机控制发展的重要方向。智能化的另一种表现形式是将数字控制系统与通用模拟控制模块相结合，发挥数字和模拟控制各自优势，极大地增加控制系统的灵活性、拓宽调速范围并减小系统体积和重量、降低成本。

(4)网络化

电机控制系统通过常用网络通讯接口和协议与上位主控系统(通常为主控计算机)直接或间接通讯、构成电机网络并实现近远程控制是电机控制系统的最新发展趋势。通过网络控制各电机的运行可以简化系统构成、便于集中控制。这样的网络集成电机控制系统特别适合诸如飞机、直升机、航天飞行器、电动汽车、各种泵站、风机群等内含多台电机的装备。以飞机为例，一架大型民航客机内部使用的直流无刷电机多达上百台，主控系统通过网络(内部局域网络)直接对各部位电机进行控制，使得控制更直观、更简单、自动化水平更高。

(5)新电机控制理论不断出现

虽然目前电机控制理论已经比较成熟，但新的控制理论和方法仍层出不穷。如FOC、EKE等都是近年来新采用的控制理论。

根据电机不同应用条件，各种控制理论和方法均有应用，但SVM控制在永磁同步电机中、FOC在永磁直流无刷电机控制系统中都是目前国外公认的控制精度高、效率好的控制方法。

我国是亚洲第一大电力消耗国，电机用电量达到工业用电总量的80％以上，因此电机能源效率水平的提高对我国能源节约、环境保护以及资金节约均具有重要意义。虽然近年来中国电机行业整体发展迅速，产品质量不断提高，但电机在使用寿命、可靠性、材料消耗、噪声及振动消减等方面仍有缺陷。

首先是电机控制系统的集成度不高、集成模块非常少、采用的控制方法较简单、甚至在系统散热方面也存在问题。这种现状造成电机控制方面的产品存在体积大、重量大、效率低等一系列问题。

其次是电机控制系统厂家标准化、系列化的产品种类非常少，很少能够提供全面的电机控制解决方案。其电机控制系统在电路设计、采用的控制方法、生产质量控制、可靠性测试等诸多方面都不规范，造成产品质量波动较大，在恶劣环境中的工作稳定性不高，且使用寿命短。

以上种种原因造成了电机控制系统整体水平较低的现状，导致我国节能电机不能充分发挥其高效节能的特点，其实际效率只能达到85％左右，这也对电动产品的技术进步也造成了一定的阻力。

实用新型内容

本实用新型的实施例提供一种三相直流无刷电机控制装置，能够集功率、驱动和控制于一体，并结合电机转速的反馈对三相直流无刷电机进行控制。

为达到上述目的，本实用新型的实施例采用如下技术方案：

一种三相直流无刷电机控制装置，包括逻辑控制电路、功率元件驱动电路、功率元件、霍尔传感器，

所述霍尔传感器设置在三相直流无刷电机上，与所述逻辑控制电路连接，用于将电机磁体的位置和极性信息作为信号发送给所述逻辑控制电路；

所述逻辑控制电路与所述功率元件驱动电路连接，所述逻辑控制电路具有速度/扭矩选择信号输入端、启/停选择信号输入端、驱动象限选择信号输入端、转向信号输入端、刹车信号输入端，所述逻辑控制电路根据各输入端输入的信号生成用于电机控制的三相脉冲宽度调制信号；

所述功率元件驱动电路与所述功率元件连接，用于驱动所述功率元件以能让其正常工作，并同时对其进行保护；

所述功率元件与所述电机的三相绕组电路连接，用于控制三相绕组上的电流。

进一步地，三相直流无刷电机控制装置还包括过载保护电路，所述过载保护电路与所述功率元件连接，用于检测所述电机的温度、所述三相绕组的电流和电压，并在所述电机的温度、所述三相绕组的电流和电压超过额定值的情况下，关闭所述功率元件。

进一步地，所述功率元件数量为6个，每两个功率元件对应电机的一相绕组。

进一步地，所述功率元件为金氧半场效晶体管或者绝缘栅双极型晶体管。

本实用新型实施例提供的三相直流无刷电机控制装置，集功率、驱动和控制于一体，并结合电机转速的反馈对三相直流无刷电机进行控制，构成了一套完整的三相直流无刷电机控制集成系统。

附图说明

图1为本实用新型实施例一提供的三相直流无刷电机控制装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例二提供的电压(转速)控制模式的三相直流无刷电机控制装置的外部连接电路的示意图；

图3为本实用新型实施例二提供的电流(转矩)控制模式的直流无刷电机控制装置的外部连接电路的示意图；

图4为本实用新型实施例二提供的直流无刷电机控制装置与电机的连接电路的示意图；

图5为本实用新型实施例提供的三相直流无刷电机控制装置的封装结构装配图；

图6为本实用新型实施例提供的三相直流无刷电机控制装置的封装图。

附图标号说明：1-1：逻辑控制电路；1-2：功率元件驱动电路；1-3：功率元件；1-4：过载保护电路；1-5：霍尔传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型实施例进行详细描述。

实施例一

如图1所示，其为本实用新型实施例一提供的三相直流无刷电机控制装置的结构示意图，其包括逻辑控制电路1-1，功率元件驱动电路1-2，功率元件1-3、霍尔传感器1-5，其中，各部分功能如下：

霍尔传感器1-5设置在三相直流无刷电机上，与逻辑控制电路1-1连接，用于将电机磁体的位置和极性信息作为信号发送给逻辑控制电路1-1。其中，逻辑控制电路1-1可以提供给霍尔传感器1-5提供+5VDC的参考电压，而霍尔传感器1-5反馈给逻辑控制电路1-1电机转子位置信号。

逻辑控制电路1-1与功率元件驱动电路1-2连接，逻辑控制电路1-1具有速度/扭矩选择信号输入端、启/停选择信号输入端、驱动象限选择信号输入端、转向信号输入端、刹车信号输入端，逻辑控制电路1-1根据各输入端输入的信号生成用于电机控制的三相脉冲宽度调制信号。其中，该逻辑控制电路1-1可以使用型号为UC2625的无刷电机控制器来实现，当然也可以通过其他硬件逻辑电路实现。

功率元件驱动电路1-2与功率元件1-3连接，用于驱动功率元件1-3以能让其正常工作，并同时对其进行保护。其中，所述功率元件数量为6个，每两个功率元件对应电机的一相绕组。所述功率元件可以采用金氧半场效晶体管(MOSFET)或者绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。

功率元件1-3与电机的三相绕组电路连接，用于控制三相绕组上的电流。

进一步地，上述装置还可以包括：过载保护电路1-4与功率元件1-3连接，用于检测电机的温度、三相绕组的电流和电压，并在电机的温度、三相绕组的电流和电压超过额定值的情况下，关闭功率元件。

实施例二

基于上述实施例一的硬件结构，在实际应用中，具有两种电路接线模式：电压(转速)控制模式和电流(转矩)控制模式。

图2为本实用新型实施例二提供的电压(转速)控制模式的三相直流无刷电机控制装置的外部连接电路的示意图。图3为本实用新型实施例二提供的电流(转矩)控制模式的直流无刷电机控制装置的外部连接电路的示意图。图4为本实用新型实施例二提供的直流无刷电机控制装置与电机的连接电路的示意图。其中，图中标号为GTMC25-60的电路模块为将上述三相直流无刷电机控制装置中除了霍尔传感器外的其余部件封装后的电路模块。图中各个引脚的功能详见下表：

基于上述电路结构，本实用新型实施例的控制装置具有以下几个主要功能：

1、电压控制模式

基于图2的电路连线图来进行电压控制模块的工作。一个与所需速度成正比的电压命令输入到管脚4，此信号可通过变阻器R3调节。速度反馈信号通过低通滤波电路R1和C1对Tach-out(管脚15)输出信号滤波获得。内部容错放大器可对速度控制回路中的小信号进行补偿。容错放大器的输出与PWM比较器相连。因为电机速度与平均相电压成正比，速度控制实际是通过脉宽比来控制的。如果采用开环速度控制，管脚2应与管脚8短接。

逐环电流限制功能通过连接管脚25、26、12和13来实现。过流保护限值通过过流参考管脚9来设置。此参考值在内部被设定为1.15V，但可以通过一外部电阻来调节。

2、电流控制模式

基于图3的电路连线图来进行电流控制模块的工作。一个与所需电流成正比的电压命令输入到管脚4，此信号可通过变阻器R3调节。电流反馈信号(管脚11)通过内部电流传感器和放大器获得。内部容错放大器的输出与PWM比较器相连。因为转矩与平均相电流成正比，转矩控制实际是通过脉宽比来控制的。

过流保护参考管脚9的设定值应该稍高于最大控制电流，这可以在有大信号扰动导致容错放大器产生饱和的情况下仍能保证模块的逐环电流限制功能发挥作用。

3、DC总线滤波

为减少在运行时电路中寄生电感的影响，与电机侧的电路连接采用图4的模式。电容C1，C2和C3可采用0.1uF至0.5uF的陶瓷电容。电解电容C4连接在DC总线上，C4的容值按10uF/A的比率计算得到。

下面，结合上述实施例给出一个电流为20A、电压为600V电机控制的示例：

1)设定条件：

(1)PWM峰值7.5V(5±2.5V)。

(2)容错放大器输出(管脚8)在内部与PWM比较器相连。

(3)根据电机电阻和电源电压的不同，容错放大器的输出在正常

运行状态下应小于7.5V。

(4)容错放大器的输出大于7.5V将导致脉宽比(占空比)达到100％即电机达到最大速度或转矩。

(5)作为一项保护措施，占空比在低速时被限制在90％以下，但在高速时可以上升到100％。当占空比为50％时，容错放大器的输出为5V，而占空比为0％时容错放大器的输出少于2.5V。

2)闭环控制的设计步骤：

(1)设定过流保护限值：模块内部过流保护值默认值为23A(管脚Ioc-ref内部设定电压为1.15V)。对于一个20A的直流无刷电机，其过流保护值应增加到25A。此设置可以通过在管脚9和5之间连接一900k的电阻来实现。过流保护是一项在动态、负载突然变化、启动或电机锁住时的峰值电流限制措施，可极大地延长电机寿命。

(2)设定反馈增益：模块的PWM峰值为7.5V(5±2.5V)，容错放大器的输出(管脚8)在内部与PWM比较器相连。在正常运行时，容错放大器的输出小于7.5V，当输出高于7.5V时电机将达到最大速度或转矩。对于一个20A的直流无刷电机，当电流达到20A时，其管脚11的输出是1V。可以采用模块内部的备用放大器或一外加放大器来使增益增加5。

(3)短接C2，将C3设定为1nF至10nF，R2＝100K，R3＝10K，容错放大器的DC增益即为10。C3值更高时将使控制环路响应时间变慢但对电路扰动抵抗能力增强。

(4)测试整个系统并监测相电压，PWM的频率应该为约17kHz。

(5)基于以上设置，控制电压应为0V到5V。电机在满载时的电流峰值和PWM的占空比应该在调试时加以测试。

(6)建议在调试时将控制电压从0V逐渐增加并监测电机电流和相电压。

(7)管脚2,8,9,11,12,13,25,26不要连接任何其它仪器。

(8)在管脚9和19之间连接0.1uF的电容。

(9)在管脚4和19之间连接0.1uF的电容。

实施例三

如图5所示，其为本实用新型实施例提供的三相直流无刷电机控制装置的封装结构装配图，图6为本实用新型实施例提供的三相直流无刷电机控制装置的封装图。整个封装结构中，包括金属印刷电路板2-1、功率元件2-2，PCB板2-3，功率输出管脚2-4和控制管脚2-5，塑料外壳2-6，压环2-7。其中，金属印刷电路板2-1为整个模块的底板，功率元件2-2通过焊锡焊接在金属底板2-1上并与控制及驱动PCB板2-3连接。功率输出管脚2-4和控制管脚2-5分别用焊锡焊接在PCB板2-3上，并穿出塑料外壳2-6构成模块的外部引脚。塑料外壳2-6用压环2-7通过紧配合压入金属印刷电路底板2-1固定。控制装置(除霍尔传感器外)中的所有管脚均通过封装树酯与塑料外壳2-6密封在一起。其中，功率元件2-2可以采用功率MOSFET或IGBT元件，数量为6个。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种三相直流无刷电机控制装置，其特征在于，包括逻辑控制电路、功率元件驱动电路、功率元件、霍尔传感器，

所述霍尔传感器设置在三相直流无刷电机上，与所述逻辑控制电路连接，用于将电机磁体的位置和极性信息作为信号发送给所述逻辑控制电路；

所述逻辑控制电路与所述功率元件驱动电路连接，所述逻辑控制电路具有速度/扭矩调节选择信号输入端、启/停选择信号输入端、驱动象限选择信号输入端、转向信号输入端、刹车信号输入端，所述逻辑控制电路根据各输入端输入的信号生成用于电机控制的三相脉冲宽度调制信号；

所述功率元件驱动电路与所述功率元件连接，用于驱动所述功率元件以能让其正常工作，并同时对其进行保护；

所述功率元件与所述电机的三相绕组电路连接，用于控制三相绕组上的电流。

2.根据权利要求1所述的三相直流无刷电机控制装置，其特征在于，还包括过载保护电路，所述过载保护电路与所述功率元件连接，用于检测所述电机的温度、所述三相绕组的电流和电压，并在所述电机的温度、所述三相绕组的电流和电压超过额定值的情况下，关闭所述功率元件。

3.根据权利要求1所述的三相直流无刷电机控制装置，其特征在于，所述功率元件数量为6个，每两个功率元件对应电机的一相绕组。

4.根据权利要求1所述的三相直流无刷电机控制装置，其特征在于，所述功率元件为金氧半场效晶体管或者绝缘栅双极型晶体管。