CN207069950U - 一种风冷式隔离型bldcm控制器结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种风冷式隔离型BLDCM控制器结构，以弱电与强电可靠隔离为原则，充分利用控制器空间，采用分层设计思路和风冷强迫散热方式，具有优异的电隔离性能，适用于大多数无刷直流电动机控制系统。将直流电源、电机绕组、母线电容、功率电阻等功率电路放置到最底层，再往上是相对不容易被干扰的电源变换和模拟信号电路，最上层是最容易被干扰的数字信号电路，这种分层设计的结构之间加入屏蔽铝板，可以有效削弱电磁干扰。另外，将易发热的功率元件紧贴底层散热器，尽可能的增大散热面积，并配有小型直流风扇以加快散热速度，控制器壳体上开有通风散热槽，以及时将PCB板热量释放。控制器壳体上安装有BLDCM控制系统所需外部接口。

Description

一种风冷式隔离型BLDCM控制器结构

技术领域

本实用新型涉及一种无刷直流电动机(Brushless DC Motor，BLDCM)控制器，尤其是一种控制器结构。

背景技术

现有无刷直流电动机控制器结构通常是针对特定应用场合设计的结构，即根据电机控制系统不同的应用对象设计不同的控制器结构。例如，公告号为CN105375830A的中国发明专利，公开了“一种自冷却式一体化燃油泵用高压无刷直流电机控制装置”，由于特殊应用场合，控制器存在空间限制，其位于电机本体的一侧并联形成一体化结构，采用循油冷却方式。此种燃油泵用一体化电机控制器结构适用范围窄，目前控制电机系统大多数应用场合采用风冷散热方式，且控制器形状和空间相对规整，该装置的结构不适用于大多数无刷电机控制器，不利于技术的推广，存在一定的局限性。又比如，公告号为CN206196207U的中国实用新型专利，公开了“一种防拆解式控制器结构”，设计了一种控制器结构可以实现防拆保护，防止控制器被拆卸、破解、仿制，但该结构没有体现出良好的强弱电隔离性能。另外，有些无刷电机控制系统虽在电路方面有隔离考虑，但控制器结构没有隔离设计，且没有良好的散热系统，如公告号为CN106160592A的中国发明专利“一种小型化大功率无刷直流电机控制器及布局结构”。

针对目前无刷直流电动机控制器结构存在的问题，本实用新型提出一种适用于多数控制系统应用场合，以风冷作为散热方式，实现强弱电良好隔离的BLDCM控制器结构。

实用新型内容

为了克服现有技术中缺乏适用于大多数无刷直流电机系统应用场合的风冷式、隔离型控制器结构，本实用新型提供一种BLDCM独立控制器结构，该控制器采用风冷强迫散热，分层设计，并具有良好强、弱电隔离性能，且该结构具有较高的移植性，利于技术推广和优化。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种风冷式隔离型BLDCM控制器结构，以弱电与强电可靠隔离为原则，考虑控制器空间的充分利用，并设计了良好的散热方式，包括散热器、风扇、智能功率模块(Intelligent Power Module，IPM)、刹车电阻、母线电容、母线电容充电限流电阻、控制电路印制电路板(Printed Circuit Board，PCB)、屏蔽铝板、控制器壳体和外部接口设备。

上述的控制器结构，所述的散热器采用铝合金材质，其作为增大散热面积装置的同时充当控制器底座，处于控制器最底层。散热器侧面安装有小型直流风扇组，就近在散热器顶面打通孔用于穿过直流风扇的电源线，其电源由PCB板电源提供，风扇与散热器之间采用M3螺钉进行固定。散热器顶面打孔用于固定IPM功率模块、刹车电阻、母线电容、母线电容充电限流电阻这些主要发热元件，采用M3和M5螺钉进行固定。

上述的控制器结构，所述的控制电路PCB板包括四块：第一PCB板主要实现数字信号处理，DSP和CPLD最小系统电路，串口总线通信接口电路和电机霍尔位置信号处理电路等数字电路构成；第二PCB板主要实现电源变换和模拟信号调理，设置有相关DC/DC电源模块，电压、电流传感器及信号调理电路，A/D转换芯片；第三PCB板主要实现IPM驱动，由控制IPM所需的隔离电源模块，隔离驱动信号的高速光耦电路构成；第四PCB板主要作为母线电容的基板，并设有母线电容充电电流限制电路。第三PCB板和第四PCB板在底层，其中第三PCB板通过IPM专用接口插件，安装在IPM上方，控制信号通过第一双排插针组和第二双排插针组与第一PCB板连通，第四PCB板用于焊接母线电容，母线电容紧贴散热器，第四PCB板倒置于其上方利用铜柱与散热器连接，同时，上电限流电路与第一PCB板和母线电容充电限流电阻通过软接线方式与第四PCB板插座相连；第二PCB板在底层元件之上，通过铜柱与散热器连接，在第二PCB板下方和底层元件之间加入第二屏蔽铝板，该铝板通过连接转角与控制器壳体连接，铝板适当部位开槽用于上下层PCB板通过第一双排插针组实现信号连通；第一PCB板位于控制器顶层，通过铜柱与第二PCB板固定，在第一、二PCB板间加入第一屏蔽铝板，该铝板同样通过连接转角与控制器壳体连接并在适当部位开槽用于通过第二双排插针组。

上述的控制器结构，所述的控制器壳体是指除底座散热器之外的部分，壳体采用铝合金材质，如果需要可在适当位置激光打字。其中，顶盖为平面，后侧盖开有通风槽，前侧盖安装串口通讯接口DB9插座，数码显示屏，电机控制旋钮等输入设备；右侧盖需要安装直流电源连接器插座，左侧盖安装电机三相绕组连接器插座，电机霍尔信号接口和电机温度传感器连接器插座。控制器壳体之间以及壳体与散热器之间采用M3螺钉和连接转角进行固定。

上述的控制器结构，所述的外部接口设备包括与数字控制电路第一PCB板相连的DB9插座、第一数码显示屏显示给定转速、第二数码显示屏显示实际转速、第三数码显示屏显示电机电流、第一控制旋转按钮控制电机起动/停止、第二控制旋钮控制电机正反转、第三控制旋钮给定转速旋钮，直流电源连接器插座，无刷直流电机三相绕组连接器插座，无刷直流电机霍尔信号和电机温度传感器信号连接器插座。外部接口设备与控制器壳体之间采用各设备配套螺钉进行固定。

本实用新型的有益效果是，本实用新型采用强电和弱电有效隔离的结构，直流电源、电机绕组、母线电容、功率电阻等功率电路放置到最底层，再往上是模拟信号和电源变换电路，相对不容易被干扰，最上层是最容易被干扰的数字信号电路，这种分层设计的结构之间还加入了屏蔽铝板，可以有效的削弱强弱电的电磁干扰。另外，本实用新型采用了合理的散热方式，将易发热的功率元件紧贴底层散热器，尽可能的增大散热面积，并配有风扇以加快散热速度，控制器壳体上开有通风散热槽，以及时将PCB板上的热量释放。本实用新型的这种结构设计可以灵活的进行筛减和优化，适用于大多数BLDCM控制系统。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1为本实用新型分层结构示意图；

图2为本实用新型壳体和外部接口设备示意图；

图3为本实用新型顶层、第二层结构接线示意图；

图4为本实用新型底层结构接线示意图。

图中1.第一PCB板，2.第一屏蔽铝板，3.第二PCB板，4.第二屏蔽铝板，5.电流传感器，6.第三PCB板，7.IPM模块，8.散热器，9.刹车电阻，10.母线电容充电限流开关管，11.母线电容充电限流电阻，12.小型直流风扇组，13.母线电容，14.第四PCB板，15.电源变换电路，16.信号调理电路，17.第一双排插针组，18.ADC电路，19.电机温度采集电路，20.第二双排插针组，21.串口通信电路，22.DSP最小系统，23.CPLD最小系统，24.电机霍尔信号隔离电路，25.第一铜柱组，26.第二铜柱组，27.第三铜柱组，28.第四铜柱组，29.第五铜柱组，30.第六铜柱组，31.顶盖，32.后侧盖，33.通风槽，34.右侧盖，35.直流电源连接器插座，36.前侧盖，37.控制旋钮，38.数码显示屏，39.左侧盖，40.无刷直流电机三相绕组连接器插座，41.无刷直流电机霍尔信号和电机温度传感器信号连接器插座，42.DB9插座，43.IPM专用接口插件，44.第四PCB板插座。

具体实施方式

风冷式隔离型BLDCM控制器结构主要包括第一PCB板1、第二PCB板3、第三PCB板6、第四PCB板14四块PCB板，散热器8，小型直流风扇组12，IPM模块7，母线电容13，母线电容充电限流电阻11、母线电容充电限流开关管10，刹车电阻9，第一屏蔽铝板2、第二屏蔽铝板4两块信号隔离铝板及其他组成控制电路的元件和外部接口设备。

实用新型采用强弱电信号隔离，分层设计，最底层是功率电路部分，包括IPM模块7，母线电容13，母线电容充电限流电阻11、母线电容充电限流开关管10，刹车电阻9，第三PCB板6、第四PCB板14。第三PCB板6作为IPM模块7的驱动电路，通过IPM专用接口插件43固定到IPM模块7上方，其控制信号通过第一双排插针组17与第二PCB板3相连；第四PCB板14作为母线电容13的基板和母线电容充电限流电阻11、母线电容充电限流开关管10的控制电路板通过第六铜柱组30固定到散热器8上，其控制信号通过第四PCB板插座44与第一PCB板1连接。再往上一层是第二PCB板3，主要实现模拟信号的处理，包括电源变换电路15、信号调理电路16、ADC电路18、电机温度采集电路19，电流传感器5等，这一层元件与底层元件之间通过第一双排插针组17实现信号交换，两层之间加入第二屏蔽铝板4实现信号隔离，第二层元件通过第四铜柱组28和第五铜柱组29与散热器8固定。最顶层是第一PCB板1，主要实现数字信号处理包括串口通信电路21，DSP最小系统22，CPLD最小系统23，电机霍尔信号隔离电路24等，这一层元件与第二层元件之间通过第二双排插针组20实现信号交换，两层之间加入第一屏蔽铝板2实现信号隔离，第二层元件通过第一铜柱组25，第二铜柱组26，第三铜柱组27与第二PCB板3固定。实用新型进行了良好的散热设计，通过将发热元件紧贴散热器8以增大散热面积，并通过小型直流风扇组12进行强迫风冷，同时，在控制器壳体的后侧盖32上开通风槽33，以加快PCB热量的散发。

实用新型右侧盖34上安装有直流电源连接器插座35，用于接直流电压源。左侧盖39上安装无刷直流电机三相绕组连接器插座40和无刷直流电机霍尔信号和电机温度传感器信号连接器插座41，用于接BLDCM本体。前侧盖36上安装控制旋钮37、数码显示屏38和DB9插座42，这些元件与控制器第一PCB板1相连实现控制电机起/停、正/反转、显示电机给定转速、实际转速和电流。直流电源连接器插座35的正负极分别与母线电容13相连之后接入IPM模块7的N、P极，在电源负极回路串入母线电容充电限流电阻11，在其两端并联母线电容充电限流开关管10。同时，直流电源连接器插座35引入第二PCB板3电源变换电路15实现DC/DC变换。无刷直流电机霍尔信号和电机温度传感器信号连接器插座41分别与第一PCB板1和第二PCB板3相连。IPM模块7的三相出线端U、V、W分别串入刹车电阻9之后接入无刷直流电机三相绕组连接器插座40。

Claims (5)

1.一种风冷式隔离型BLDCM控制器结构，包括第一PCB板(1)、第二PCB板(3)、第三PCB板(6)、第四PCB板(14)四块PCB板，散热器(8)，小型直流风扇组(12)，IPM模块(7)，母线电容(13)，母线电容充电限流电阻(11)、母线电容充电限流开关管(10)，刹车电阻(9)，第一屏蔽铝板(2)、第二屏蔽铝板(4)两块信号隔离铝板，及其他组成控制电路的元件和外部接口；其特征在于：采用分层设计实现弱电与强电可靠隔离，最底层是功率电路部分，再往上一层是模拟信号和电源变换电路部分，顶层是数字信号电路部分，并设计了适用于无刷直流电动机控制系统的风冷强迫散热方式。

2.根据权利要求1所述的风冷式隔离型BLDCM控制器结构，其特征在于，功率电路部分包括IPM模块(7)、母线电容(13)、母线电容充电限流电阻(11)、母线电容充电限流开关管(10)、刹车电阻(9)、第三PCB板(6)、第四PCB板(14)这些流过大电流的功率元件，其中，第三PCB板(6)通过IPM专用接口插件(43)固定到IPM模块(7)上方。

3.根据权利要求1所述的风冷式隔离型BLDCM控制器结构，其特征在于，模拟信号和电源变换电路部分是指第二PCB板(3)，其与功率电路部分之间通过第一双排插针组(17)实现信号交换，两部分电路之间加入第二屏蔽铝板(4)实现信号隔离。

4.根据权利要求1所述的风冷式隔离型BLDCM控制器结构，其特征在于，数字信号电路部分指是第一PCB板(1)，其与模拟信号和电源变换电路部分间通过第二双排插针组(20)实现信号交换，两部分电路间加入第一屏蔽铝板(2)实现信号隔离。

5.根据权利要求1所述的风冷式隔离型BLDCM控制器结构，其特征在于，将发热元件紧贴散热器(8)，并通过小型直流风扇组(12)强迫风冷，同时，在后侧盖(32)上开通风槽(33)。