CN207321144U - 一种大功率方波无刷直流电机控制器 - Google Patents

Abstract

一种大功率方波无刷直流电机控制器，涉及一种电机控制器，本实用新型控制器包括DSP和CPLD联合使用为核心的控制器模块、模拟信号采样模块、驱动电路模块、功率IGBT模块、过流保护模块和RS‑485通信接口模块、继电器模块、CAN通信模块、EEPROM存储模块。DSP&CPLD核心控制器通过控制三相全桥逆变模块的开关管的导通顺序，将该直流电逆变为无刷直流电机所需要的交流电，其中DSP&CPLD核心控制器通过电平转换收发器（74HCT245）实现对三相全桥逆变器的驱动。本实用新型提出了一种基于DSP和CPLD组合的无刷直流控制器的电路设计，力图实现在大功率驱动的同时，通过电流时刻为方波来实现无刷电机效率最大化和功率最大化问题。

Description

一种大功率方波无刷直流电机控制器

技术领域

本实用新型涉及一种电机控制器，特别是涉及一种大功率方波无刷直流电机控制器。

背景技术

在嵌入式系统中，无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的。将直流电能转化为机械能的直流电动机凭借着其调速范围较宽、启动转矩较大、控制电路简单、机械特性线性化等特点在电力拖动中得到了广泛的应用。但是，有刷直流电动机因其机械换相时容易产生火花，机械电刷和换向器需要强制性接触，使其具有复杂的结构，从而影响了其性能的可靠性和精度，还有就是因其结构复杂，维修极不方便但由于电刷和机械换向装置的存在，限制了其发展和应用范围。机械换向不良的后果是电刷产生危害性火花，严重时可能产生环火，在大功率电机中显得尤为突出。同时，直流电动机换向火花能引起对无线电通信及控制设备的电磁干扰，转速也受到机械换向的限制而不能很高，这些缺点在很长时间内没有得到根本改善。

随着电力电子技术、高性能磁性材料的生产技术以及生产过程的自动化技术的快速发展，直流无刷电机得以实现并有了长足的发展。直流无刷电机是由电子换向器取代传统的机械电刷和机械挣向器，该电机不仅保留了直流电动机原先的调速范围宽、启动转矩大、控制电路简单等优点，还具有交流电动机的运行可靠、维护方便等优点，从而使其成为今后电机发展的趋势。众所周知，无刷直流电机由三部分组成，分别是：电机本体、霍尔位置传感器、电机控制器。另一方面，霍尔位置传感器安装在电机内部，使控制器更加紧凑。同时无刷直流电机的控制方式，也逐渐实现由模拟化向数字化的转变。

随着科技的高速发展，各类用于电机控制的高性能微控制器的种类与功能越来越丰富，运算速度也有了质的飞越，同时价格也越来越低廉，例如TI公司推出的TMS320F28335专门用于电机控制的单片机芯片，其内部具有通用定时器、各种集成外设，功能强大，方便电机控制，工作主频可150MHz，在硬件基础上，可完全实现绝大部分交流电机的实时控制算法。

从电机驱动模块来说，目前大部分现有的电机驱动模块较多的采用了IGBT模块来实现三相全桥的逆变功能，该方法的优点是集成度高、电路结构简单；缺点是价格高，一旦损坏，必须替换整个模块，维修成本高。

在汽车应用方面，汽车的驱动系统效率尤为关键，所以汽车用无刷直流电机控制系统的高效率尤为重要，故汽车用无刷直流电机控制系统在逐渐实现效率的最大化。

在BLDCM数字控制领域，最经典的控制设计莫过于DSP与CPLD的组合，本实用新型控制器选用TI推出的TMS320F28335控制芯片，与其他芯片相比，TMS320F28335大大提高了电机控制精度与相应速度，同时TMS320F28335具有强大的外设功能，并提供丰富的例程，缩短了开发时间；另一方面， DSP和CPLD组合与其他芯片相比，可靠性高，且设计灵活。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种大功率方波无刷直流电机控制器，本实用新型提出了一种基于DSP和CPLD组合的无刷直流控制器的电路设计，力图实现在大功率驱动的同时，通过电流时刻为方波来实现无刷电机效率最大化和功率最大化问题。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种大功率方波无刷直流电机控制器，所述控制器包括DSP和CPLD联合使用核心控制模块、模拟信号采样模块、电气隔离模块、IGBT驱动模块、过流保护模块、继电器模块、EEPROM存储模块、CAN通信模块和RS-485通信接口模块；模拟信号采样模块连接于驱动电源模块与DSP的AD接口之间，电气隔离模块连接于IGBT驱动模块与CPLD的PWM信号输出端之间；RS-485通信接口模块连接于DSP片上通信口与上位计算机之间；CPLD的接口与BLDCM霍尔检测口相连；CAN通信模块连接于DSP的CAN接口和其他上位机之间；过流保护模块连接于模拟信号采样模块与CPLD片上故障判定接口之间；IGBT驱动模块连接于驱动电源直流母线与BLDCM三相绕组引出线之间；继电器模块连接于CPLD。

所述的一种大功率方波无刷直流电机控制器，所述模拟信号采样模块包括电压采样模块、电流采样模块、非换相相电流选择模块、绝对值电路模块，其中电压采样模块为电阻分压隔离检测式，包括连接口J7，电阻R27、电阻R28、电容C27、电阻R29、电压跟随器U26A、电阻R80、C52和U26B组成的积分电路，电阻R39、精密线性光耦器件U29、电容C57、电阻R45和电压跟随器U50A组成的积分电路、电阻R89、电压跟随器U50B、电阻R90，其中U29型号为HCAR201，其中J7的5端口接母线电压的正极，1端口接母线电压的负极也即是地，R27一端接在J7的端口，另一端与R28、R77构成回路接地，R28与C77并联，R29一端与R77一端相连，一端接在电压跟随器U26A的正极，C52一端接在U26B的负极，一端接在输出端，U26B的正极接地，R39一端接在U26B的输出端，一端接在精密线性光耦器件U29的1接口，U29的2端口接+15VA电源，U29的3端口接U26B的负极，U29的4端口接模拟地，U29的5端口接模拟地，U29的6端口接电压跟随器U50B的负极，C57和电阻R45并联后一端接在U50A的负极，另一端接在U50B的正极，U50B的正极接地，R89一端接在U50B的输出端，一端接在电压跟随器U50B的正极，R90一端接在U50B的输出端，一端接在DSP的AD采样端口；其中电流采样模块包括电流互感器CSNS200M002S，电阻R1、电阻R2、电阻R30、电容C47、电阻R2、电压跟随器U1A，其中电阻R1一端接在电流互感器的4引脚，一端与电阻R30串联，串联后接地，电容C47与电阻R30并联，电阻R2的一端连接电阻R30，另一端接在电压跟随器的3端口上，电压跟随器U1A的1端口输出I_U。其中非换相相电流选择模块包括模拟信号选择芯片U2（CD4051）、电阻R43、R38、电容C55，其中U2的9、10、11端口接三路码盘信号，13端口接地，16端口接5V电源，U2的1、2、5 端口分别接采样后的模拟信号I_W 、I_V、I_U，U2的4、6、8端口都接地，U2的7端口接5V电源，C55一端接U2的16端口，一端接地；其中绝对值电路模块包含电阻R37、电阻R38、电阻R40、电阻R41、电阻R42、电阻R43、电阻R44、电阻R46、电阻R47、二极管D4、二极管D6、运算放大器U28A、运算放大器U28B、电压跟随器U30A，其中电阻R41一端接在U2的3端口，一端接在U28B的负极，R42一端接在U28B的6端口，一端接在二极管D6的阳极，二极管D6的阴极接在U28A的输出端，二极管D4阳极一端接在U28A的输出端，阴极接在U28A的负极，R37一端接在U28A的正极，一端接地，R38一端接在U28A的负极，一端接在U2的3端口，R46一端接在U28B的负极，一端接在U28B的输出端，R44一端接在U28B的正极，一端接地，电阻R47一端接在U28B的输出端，一端接在U30A的正极，电阻R43一端接在U30A的输出端，一端接输出到AD采样口。

所述的一种大功率方波无刷直流电机控制器，所述过流保护模块包括电阻R3、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R11、滑动变阻器U3、电容C4、运算放大器U4B、发光二极管D1、15V模拟电源、3.3V数字电源，光耦U6，其中R3与U3串联，R3的另一端接地，U3的另一端接15V模拟电源，R7一端与R8串联，另一端接在U2上，R8的另一端接运算放大器的正极，R9一端接R7与R8串联的一端，一端接运算放大器的输出端，电阻R6一端接地，一端接运算放大器的负极，发光二极管负极接运算放大器的输出端，一端接光耦U6的Cathode端，R11一端接15V模拟电源，一端接U6的Anode端，3.3V数字电源接到U6的VCC端，U6的GND接地，电容C4一端接在数字电源3.3V,一端接地。

所述的一种大功率方波无刷直流电机控制器，所述继电器模块包括继电器K1、K2，二极管D6、D7，三极管Q1、Q2，光耦U46、U47，电阻R68、电阻R69、电阻R70、电阻R105、电阻R106、电阻R107，其中K1的8端口接12V数字电源，然后接二极管D6的阴极，D6的阳极接K1的1端口和三极管Q1的集电极，电阻R68一端接在三极管Q1的集极，一端接在发射极，同时接地，电阻R69一端接在Q1的三极管Q1的集极，一端接在U46的Cathode端，U46的Anode端接12V数字电源，U46的Collector端输出信号，U46的Emitter端接电阻R70后接地。其中K2的8端口接12V数字电源，然后接二极管D7的阴极，D7的阳极接K2的1端口和三极管Q2的集电极，电阻R105一端接在三极管Q2的集极，一端接在发射极，同时接地，电阻R106一端接在三极管Q2的集极，一端接在U47的Cathode端，U47的Anode端接12V数字电源，U46的Collector端输出信号，U46的Emitter端接电阻R107后接地。

所述的一种大功率方波无刷直流电机控制器，所述CAN通信模块包括电阻R64、R65、R66、R67、电容C67、C68、钽电容E19、U7（CTM-1050）、COM3接口J5、3.3V电源、5V电源VCC；其中，R64一端接在3.3V电源，一端接在U7的4管脚，R65一端接在3.3V电源，一端接在U7的3管脚，U7的2管脚接地、1管脚接VCC，C67、E19并联，C67一端接地一端接VCC，E19一端接地一端接VCC，U7的6管脚与J5的3接口相连，U7的7管脚与J5的2接口相连，R67一端接U7的6管脚与J5的3接口的连线上，一端接在U7的7管脚与J5的2接口上，R66与C68并联，一端接在U7的8接口，一端接在J5的1接口上。

所述的一种大功率方波无刷直流电机控制器，所述RS-485通信模块包括电阻R69、R70、R71、电容C69、钽电容E20、U8（RSM3485）、3.3V电源、CON接口J6；其中R69一端接在3.3V电源，一端接在U8的3管脚，R70一端接在3.3V电源，一端接在U8的4管脚，R71一端接在3.3V电源，一端接在U8的5管脚，C69一端接在3.3V电源，一端接地，E20一端接在3.3V电源，一端接地，U8的1管脚接3.3V电源，2管脚接地，U8的8管脚与J6的3接口连接，U8的9管脚与2接口连接。

所述的一种大功率方波无刷直流电机控制器，所述EEPROM存储模块包括电阻R46、R47，U3（24WC256）、3.3V电源，其中R46的一端接3.3V电源，另一端接U3的5管脚，R47一端接3.3V电源，另一端接U3的6管脚，U3的1、2、3、4管脚共地，U3的8管脚接3.3V电源，U3的7管脚接地。

所述的一种大功率方波无刷直流电机控制器，所述电气隔离模块包括U37（74HCT245）、5V数字电源、电容C80，其中5V数字电源接在U37的20引脚，C80一端接在U37的20引脚，一端接地，U37的19引脚接地，U37的1引脚接5V数字电源，U37的2-9引脚位接控制芯片,11-18引脚接IGBT的驱动模块。

本实用新型的优点与效果是：

本实用新型提出的一种直流电源供电的大功率方波无刷直流电机控制器，采用DSP联合CPLD能大大提高无刷直流电机的控制精度与稳定性，与采用其他芯片作为主控制器的无刷直流电机控制器相比，精度较高，更加稳定。在电路设计方面，模拟采样模块运用了精密线性光耦器件保证了采样过程中强电与弱电的分离，在绝对值电路中运用了精密整流电路，保证了采样的精度与可靠性，硬件保护模块采用较少的集成运算放大器以及比较器，完成了对母线电流的检测与保护，优化了电路，同时采用74HCT245对三相全桥模块进行驱动，避免了采用IPM的体积大，重量大的缺点，从印制电路板设计层面，大大降低控制器体积与成本。本实用新型采用了电流跟随法使电流波形为方波，极大的提高了电机的效率，同时采用双PWM有效降低电机的转矩脉动，提高了电机运行的平稳性，例如在电动汽车上具有极佳的应用推广前景。

附图说明

图1 BLDCM控制器总体结构示意图；图2电压采样电路原理图；图3电流采样电路原理图；图4非换相相电流选择模块电路原理图；图5绝对值电路模块电路原理图；图6过流保护模块电路原理图；图7 继电器模块电路原理图；图8 电气隔离模块电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图所示实施例对本实用新型进行详细说明。

本实用新型一种直流电源供电的大功率方波无刷直流电机控制器，包括DSP和CPLD联合使用核心控制模块、模拟信号采样模块、电气隔离模块、IGBT驱动模块、过流保护模块、继电器模块、EEPROM存储模块、CAN通信模块和RS-485通信接口模块；模拟信号采样模块连接于驱动电源模块与DSP的AD接口之间，将母线电压进行采样和调理后输入到DSP的AD接口，将三相电流进行采样后进行非换相相选择和绝对值处理后输入到DSP的AD接口；电气隔离模块连接于IGBT驱动模块与CPLD的PWM信号输出端之间，实现对强弱电的隔离；RS-485通信接口模块连接于DSP片上通信口与上位计算机之间，用于数据的实时处理和对BLDCM转速的调节、状态的控制；CPLD的接口与BLDCM霍尔检测口相连用来检测BLDCM的霍尔信号并处理霍尔信号，将处理的结果输入到DSP的eCAP接口；CAN通信模块连接与DSP的CAN接口和其他上位机之间，用于以后和其他上位机的通信；过流保护模块连接于模拟信号采样模块与CPLD片上故障判定接口之间，实现对控制器的过流、过热的保护；IGBT驱动模块连接于驱动电源直流母线与BLDCM三相绕组引出线之间，完成对BLDCM的驱动；继电器模块连接于CPLD用于切除母线电压和预充电电阻的端口，完成能及时切除母线电压和预充电电阻。

IGBT驱动模块采用IGBT驱动模块采用英飞凌公司的IGBT三相全桥功率逆变模块，型号为FF600R12ME4。

DSP&CPLD核心控制器，主控芯片DSP型号为TMS320F28335，CPLD选用ALTERA产的MAXⅡ系列芯片中的EPM570TI100I5N。

模拟信号采样模块包括电压采样模块、电流采样模块、非换相相电流选择模块、绝对值电路模块，其中电压采样模块使用电阻分压隔离检测方法，包括连接口J7，电阻R27、电阻R28、电容C27、电阻R27、电阻R29、电压跟随器U26A、电阻R80、C52和U26B组成的积分电路，电阻R39、精密线性光耦器件U29（HCAR201）、C57电阻R45和U50A组成的积分电路、电阻R89、电压跟随器U50B、电阻R90，其中J7的5端口接母线电压的正极，1端口接无线电压的负极也即是地，R27一端接在J7的端口，另一端与R28、R77构成回路接地，R28与C77并联，R29一端与R77一端相连，一端接在电压跟随器U26A的正极，C52一端接在U26B的负极，一端接在输出端，U26B的正极接地，R39一端接在U26B的输出端，一端接在精密线性光耦器件U29的1接口，U29的2端口接+15VA电源，U29的3端口接U26B的负极，U29的4端口接模拟地，U29的5端口接模拟地，U29的6端口接电压跟随器U50B的负极，C57和电阻R45并联后一端接在U50B的负极，一端接在U50B的负极，U50B的正极接地，R89一端接在U50B的输出端，一端接在电压跟随器U50B的正极，R90一端接在U50B的输出端，一端接在DSP的AD采样端口。其中电流采样模块包括电流互感器CSNS200M002S，电阻R1、电阻R2、电阻R30、电容C47、电阻R2、电压跟随器U1A，其中电阻R1一端接在电流互感器的4引脚，一端与电阻R30串联，串联后接地，电容C47与电阻R30并联，电阻R2一端接在电阻R30一端接在电压跟随器的3端口，电压跟随器U1A的1端口输出I_U。其中非换相相电流选择模块包括模拟信号选择芯片U2（CD4051）、电阻R43、R38、电容C55，其中U2的9、10、11端口接三路码盘信号，13端口接地，16端口接5V电源，U2的1、2、5端口分别接采样后的模拟信号I_W 、I_V、I_U，U2的4、6、8端口都接地，U2的7端口接5V电源，C55一端接U2的16端口，一端接地。其中绝对值电路模块包含电阻R37、电阻R38、电阻R40、电阻R41、电阻R42、电阻R43、电阻R44、电阻R46、电阻R47、二极管D4、二极管D6、运算放大器U28A、运算放大器U28B、电压跟随器U30A，其中电阻R41一端接在U2的3端口，一端接在U28B的负极，R42一端接在U28B的6端口，一端接在二极管D6的阳极，二极管D6的阴极接在U28A的输出端，二极管D4阳极一端接在U28A的输出端，阴极接在U28A的负极，R37一端接在U28A的正极，一端接地，R38一端接在U28A的负极，一端接在U2的3端口，R46一端接在U28B的负极，一端接在U28B的输出端，R44一端接在U28B的正极，一端接地，电阻R47一端接在U28B的输出端，一端接在U30A的正极，电阻R43一端接在U30A的输出端，一端接输出到AD采样口。

过流保护模块包括电阻R3、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R11、滑动变阻器U3、电容C4、运算放大器U4B、发光二极管D1、15V模拟电源、3.3V数字电源，光耦U6，其中R3与U3串联，R3的另一端接地，U3的另一端接15V模拟电源，R7一端与R8串联，另一端接在U2上，R8的另一端接运算放大器的正极，R9一端接R7与R8串联的一端，一端接运算放大器的输出端，电阻R6一端接地，一端接运算放大器的负极，发光二极管负极接运算放大器的输出端，一端接光耦U6的Cathode端，R11一端接15V模拟电源，一端接U6的Anode端，3.3V数字电源接到U6的VCC端，U6的GND接地，电容C4一端接在数字电源3.3V，一端接地。

CAN通信模块包括电阻R64、R65、R6、R67，电容C67、C68，钽电容E19，U7（CTM-1050），COM3接口J5，3.3V电源，5V电源VCC，其中，R64一端接在3.3V电源，一端接在U7的4管脚，R65一端接在3.3V电源，一端接在U7的3管脚，U7的2管脚接地、1管脚接VCC，C67、E19并联，C67一端接地一端接VCC，E19一端接地一端接VCC，U7的6管脚与J5的3接口相连，U7的7管脚与J5的2接口相连，R67一端接U7的6管脚与J5的3接口的连线上，一端接在U7的7管脚与J5的2接口上，R66与C68并联，一端接在U7的8接口，一端接在J5的1接口上。

RS-485通信模块包括电阻R69、R70、R71，电容C69，钽电容E20，U8（RSM3485），3.3V电源，CON接口J6。其中R69一端接在3.3V电源，一端接在U8的3管脚，R70一端接在3.3V电源，一端接在U8的4管脚，R71一端接在3.3V电源，一端接在U8的5管脚，C69一端接在3.3V电源，一端接地，E20一端接在3.3V电源，一端接地，U8的1管脚接3.3V电源，2管脚接地，U8的8管脚与J6的3接口连接，U8的9管脚与2接口连接。

EEPROM存储模块包括电容R46、R47，U3（24WC256）、3.3V电源，其中R46的一端接3.3V电源，另一端接U3的5管脚，R47一端接3.3V电源，另一端接U3的6管脚，U3的1、2、3、4管脚共地，U3的8管脚接3.3V电源，U3的7管脚接地。

电气隔离模块包括U37（74HCT245）、5V数字电源、电容C80，其中5V数字电源接在U37的20引脚，C80一端接在U37的20引脚，一端接地，U37的19引脚接地，U37的1引脚接5V数字电源，U37的2-9引脚位接控制芯片,11-18引脚接IGBT的驱动模块。

工作过程：当控制电进行上电之后，控制器进行上电自检，DSP&CPLD核心控制器进行复位；当驱动电源上电之后，模拟信号采样模块采集母线电压与电流，并将经过调理之后得到的母线电压送入DSP核心控制器AD接口进行AD转化，同时将转化得到的数字量经过解算之后通过RS-485通信模块上传至上位计算机，以便于进行母线电压实时监测与功率的核算，与此同时将从采样后的电流经过非换相相电流选择电路后，选出非换相相的电流，将选出的电流经过绝对值电路后送入DSP核心控制器AD接口进行AD转化，同时将转化得到的数字量经过解算之后通过RS-485通信模块上传至上位计算机，以便于进行非换相相电流实时监测与功率的核算；与此同时，核心控制器中的CPLD产生的PWM波通过控制三相全桥逆变模块的开关管的导通顺序，将该直流电逆变为无刷直流电机所需要的交流电；其中CPLD核心控制器通过电气隔离模块74HCT245实现对三相全桥逆变器的驱动，并实现强电与弱电的隔离；过流保护模块通过将模拟信号采样模块实时输出的母线电流值与设定保护的阈值进行比较，当确定电流值大于其保护值时，通过CPLD关闭PWM输出，使电机实现停机保护；CPLD通过检测霍尔信号对BLDCM的转子位置进行判断，同时通过DSP的eCAP模块对BLDCM进行测速。上位机通过485通信模块向DSP传送目标速度，DSP通过eCAP模块采样得到电机的实际转速，将实际速度与目标转速经过电流跟随法处理得到目标电流，目标电流与经过AD采样的电流相比较，电流大于目标电流就关断相应的IGBT，让电流自己降下来小于目标电流一定值之后，再开通相应的IGBT，这样实际电流就一直跟随目标电流，形成方波。

实施例

如图1所示，本实用新型包括DSP&CPLD核心控制器模块、模拟信号采样模块、电气隔离模块、IGBT驱动模块、过流保护模块、继电器模块、EEPROM存储模块、CAN通信模块和RS-485通信接口模块。IGBT驱动模块采用采用英飞凌公司的IGBT三相全桥功率逆变模块，型号为FF600R12ME4，其内部单个IGBT最大集-射极电压VCES＝600V，最大集电极电流IC＝300A，符合本大功率电机的驱动功率要求。硬件电路保护模块主要是通过采集到的直流母线电流的实时值与之前设定的电流进行有效的检测，实现控制器的过流保护。

DSP&CPLD核心控制器通过控制三相全桥逆变模块的开关管的导通顺序，将该直流电逆变为无刷直流电机所需要的交流电，其中DSP&CPLD核心控制器通过光耦(HCPL-316J)实现对三相全桥逆变器的驱动。另一方面，还可以利用电平转换芯片（74HCT245）对电平进行转换，同时对功率电部分与弱电部分实现隔离，从而保证系统的安全运行。DSP&CPLD核心控制器模块还与模拟信号采样模块、继电器模块、EEPROM存储模块，用于电机数据的实时处理存储和对电机转速及母线电压的调节、状态的控制。同时，DSP&CPLD核心控制器还与CAN通信模块和RS-485通信接口模块接口相连，便于与其他设备进行实时的通信(本系统主要是指上位计算机)，从而使得本系统更具有扩展性。

模拟信号采样模块包括电压采样模块、电流采样模块、非换相相电流选择模块、绝对值电路模块。如图2所示，为电压采集模块电路原理图，为了实现对电压的测量，首先在驱动电源上电之后，通过电阻R28 、R29 、R77分压，将要测量的大电压制通过分压变为要测量的小电压，R77上的电压与母线电压有一定的比关系，把R77上的电压进行采样，电容C77为滤波电容，U26A电压跟随器对分压后输出后的电压信号滤波，经过电阻R80连接至U26B的负极，U26、U29、U50A、R39、R45、C52、C57组成精密线性光耦器的经典电路，实现采样中强弱电的有效隔离，提高了电路的可靠性，随后在精密线性光耦器的输出接入电阻R89进行限流，紧接着加入电压跟随器U50B起到对输出电压信号的滤波。其中：C77为滤波电容，R29、R39、R80、R89为限流电阻，R90是对输出至DSP的AD信号进行限流，避免进DSP的电流过大。

如图3所示，为电流采集模块电路原理图，为了实现对电流的测量，首先使用了电流互感器CSNS200M002S，其测量范围为0-300A，匝数比为2000:1，能够将大电流有效的转换为测量的小电流，其量程也复合要求，互感器输出后的电流经过电阻R30变为电压信号，经过电容的C47的稳压滤波后经过限流电阻R2输出到电压跟随器U1A，得到采样电流，三相电流皆如此后得到三项采样电流。

如图4所示，为非换相相电流选择模块电路原理图，为了选出非换相相电流，我们把采样得到的三相电流通入到U2（CD4051）中，我们根据三路RST霍尔信号就可以选出非换相相电流，其中C55位稳压电容。

如图5所示，为绝对值电路模块电路原理图，经过非换相相电流的选择后，得到的电流有正有负，为了DSP采样，我们需要绝对值电路，将电流化为正值，选出的非换相相电流经由电阻R37、电阻R38、电阻R40、电阻R41、电阻R42、电阻R43、电阻R44、电阻R46、电阻R47、二极管D4、二极管D6、运算放大器U28A、运算放大器U28B组成的精密整流电路后，负值变为正值，经过U30A的电压跟随器的滤波后，在经过限流电阻R48后送入DSP的AD采样。

如图6所示，为过流保护模块电路原理图，R9R8U4B组成滞回比较器，经过绝对值电路后的采样电流经过限流电阻R6后进入到滞回比较器，15V电源和电阻R30、滑动电阻R3组成回路，调节U2会得到不同的电压上限值，将得到的电压经过限流电阻R7后进入滞回比较器，当采样电流大于给定之后，滞回比较器输出低电平，发光二极管D1导通，光耦输出信号CCUR_UVW发生跳变，CCUR_UVW送到CPLD芯片处理。其中R7R11都是限流电阻，电容C4为稳压作用。如图7所示，为继电器模块电路原理图，当从控制器中出来的信号CDO1为低电平的时候，光耦U46不导通，当CDO1为高电平使U46导通，R68有电压，三极管Q1满足到同条件，继电器动作，其中R69启分压减小电流的作用，R70启下拉作用，D6防止反向导通。

如图8所示，为电气隔离模块电路原理图，从ＣＰＬＤ出来的波信号太弱，不能直接用于驱动IGBT，因此需要使用专门的驱动电路将此PWM信号转换为能够直接驱动IGBT的驱动信号。为了实现控制电路的弱电与驱动电路的强电间的电气隔离，我们选用了74HCT245电平转换芯片，每片芯片共有16个收发通道，分为两组，每组8个，两组的转换方向可进行单独控制，具体转换方向取决于各组的和ＤＩＲ两个引脚上的电平状态。当引脚接高电平时，所对应转换通道无效。当引脚接低电平时，如果ＤＩＲ引脚此时为高电平，则对应转换通道由A向B转换；反之，如果ＤＩＲ引脚此时为低电平，则对应转换通道由B向A转换。其中Ai与Bi一一对应，一端做输入，一端就做输出，其Bi端接IGBT的驱动模块，Ai信号经过电平转换芯片74HCT245后电平由3.3v 变为5V，这样才能接在驱动板，同时也实现了隔离，有效的保护了电路。第一组由A向B转换，转换的为CPLD输出的ＰＷＭ信号，共有8个，分别供到三相全桥和能耗制动的桥臂上；第二组由B向A转换，转换的驱动板反馈的错误信号，转换后的结果送入CPLD。其中电容C80主要就是稳压作用。

综上所述，本实用新型通过上述实施举例的一种直流电源供电的大功率方波无刷直流电机控制器设计，采用DSP联合CPLD能大大提高无刷直流电机的控制精度与稳定性，与采用其他芯片作为主控制器的无刷直流电机控制器相比，精度较高，更加稳定。在电路设计方面，模拟采样模块运用了精密线性光耦器件保证了采样过程中强电与弱电的分离，在绝对值电路中运用了精密整流电路，保证了采样的精度与可靠性，硬件保护模块采用较少的集成运算放大器以及比较器，完成了对母线电流的检测与保护，优化了电路，同时采用74HCT245对三相全桥模块进行驱动，避免了采用IPM的体积大，重量大的缺点，从印制电路板设计层面，大大降低控制器体积与成本。本实用新型还采用了电流跟随法使电流波形为方波，极大的提高了电机的效率，同时采用双PWM有效降低电机的转矩脉动，提高了电机运行的可靠性，具有极佳的应用推广前景。

Claims (8)

1.一种大功率方波无刷直流电机控制器，其特征在于，所述控制器包括DSP和CPLD联合使用核心控制模块、模拟信号采样模块、电气隔离模块、IGBT驱动模块、过流保护模块、继电器模块、EEPROM存储模块、CAN通信模块和RS-485通信接口模块；模拟信号采样模块连接于驱动电源模块与DSP的AD接口之间，电气隔离模块连接于IGBT驱动模块与CPLD的PWM信号输出端之间；RS-485通信接口模块连接于DSP片上通信口与上位计算机之间；CPLD的接口与BLDCM霍尔检测口相连；CAN通信模块连接于DSP的CAN接口和其他上位机之间；过流保护模块连接于模拟信号采样模块与CPLD片上故障判定接口之间；IGBT驱动模块连接于驱动电源直流母线与BLDCM三相绕组引出线之间；继电器模块连接于CPLD。

2.根据权利要求1所述的一种大功率方波无刷直流电机控制器，其特征在于，所述模拟信号采样模块包括电压采样模块、电流采样模块、非换相相电流选择模块、绝对值电路模块，其中电压采样模块为电阻分压隔离检测式，包括连接口J7，电阻R27、电阻R28、电容C27、电阻R29、电压跟随器U26A、电阻R80、电容C52和电压跟随器U26B组成的积分电路，电阻R39、精密线性光耦器件U29、电容C57、电阻R45和电压跟随器U50A组成的积分电路、电阻R89、电压跟随器U50B、电阻R90，其中U29型号为HCAR201，其中J7的5端口接母线电压的正极，1端口接母线电压的负极也即是地，R27一端接在J7的端口，另一端与R28、电阻R77构成回路接地，R28与电容C77并联，R29一端与R77一端相连，一端接在电压跟随器U26A的正极，C52一端接在U26B的负极，一端接在输出端，U26B的正极接地，R39一端接在U26B的输出端，一端接在精密线性光耦器件U29的1接口，U29的2端口接+15VA电源，U29的3端口接U26B的负极，U29的4端口接模拟地，U29的5端口接模拟地，U29的6端口接电压跟随器U50B的负极，C57和电阻R45并联后一端接在U50A的负极，另一端接在U50B的正极，U50B的正极接地，R89一端接在U50B的输出端，一端接在电压跟随器U50B的正极，R90一端接在U50B的输出端，一端接在DSP的AD采样端口；其中电流采样模块包括电流互感器CSNS200M002S，电阻R1、电阻R2、电阻R30、电容C47、电阻R2、电压跟随器U1A，其中电阻R1一端接在电流互感器的4引脚，一端与电阻R30串联，串联后接地，电容C47与电阻R30并联，电阻R2的一端连接电阻R30，另一端接在电压跟随器的3端口上，电压跟随器U1A的1端口输出I_U，其中非换相相电流选择模块包括模拟信号选择芯片U2、电阻R43、R38、电容C55，其中U2型号为CD4051，其中U2的9、10、11端口接三路码盘信号，13端口接地，16端口接5V电源，U2的1、2、5 端口分别接采样后的模拟信号I_W 、I_V、I_U，U2的4、6、8端口都接地，U2的7端口接5V电源，C55一端接U2的16端口，一端接地；其中绝对值电路模块包含电阻R37、电阻R38、电阻R40、电阻R41、电阻R42、电阻R43、电阻R44、电阻R46、电阻R47、二极管D4、二极管D6、运算放大器U28A、运算放大器U28B、电压跟随器U30A，其中电阻R41一端接在U2的3端口，一端接在U28B的负极，R42一端接在U28B的6端口，一端接在二极管D6的阳极，二极管D6的阴极接在U28A的输出端，二极管D4阳极一端接在U28A的输出端，阴极接在U28A的负极，R37一端接在U28A的正极，一端接地，R38一端接在U28A的负极，一端接在U2的3端口，R46一端接在U28B的负极，一端接在U28B的输出端，R44一端接在U28B的正极，一端接地，电阻R47一端接在U28B的输出端，一端接在U30A的正极，电阻R43一端接在U30A的输出端，一端接输出到AD采样口。

3.根据权利要求1所述的一种大功率方波无刷直流电机控制器，其特征在于，所述过流保护模块包括电阻R3、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R11、滑动变阻器U3、电容C4、运算放大器U4B、发光二极管D1、15V模拟电源、3.3V数字电源，光耦U6，其中R3与U3串联，R3的另一端接地，U3的另一端接15V模拟电源，R7一端与R8串联，另一端接在U2上，R8的另一端接运算放大器的正极，R9一端接R7与R8串联的一端，一端接运算放大器的输出端，电阻R6一端接地，一端接运算放大器的负极，发光二极管负极接运算放大器的输出端，一端接光耦U6的Cathode端，R11一端接15V模拟电源，一端接U6的Anode端，3.3V数字电源接到U6的VCC端，U6的GND接地，电容C4一端接在数字电源3.3V，一端接地。

4.根据权利要求1所述的一种大功率方波无刷直流电机控制器，其特征在于，所述继电器模块包括继电器K1、K2，二极管D6、D7，三极管Q1、Q2，光耦U46、U47，电阻R68、电阻R69、电阻R70、电阻R105、电阻R106、电阻R107，其中K1的8端口接12V数字电源，然后接二极管D6的阴极，D6的阳极接K1的1端口和三极管Q1的集电极，电阻R68一端接在三极管Q1的集极，一端接在发射极，同时接地，电阻R69一端接在Q1的三极管Q1的集极，一端接在U46的Cathode端，U46的Anode端接12V数字电源，U46的Collector端输出信号，U46的Emitter端接电阻R70后接地，其中K2的8端口接12V数字电源，然后接二极管D7的阴极，D7的阳极接K2的1端口和三极管Q2的集电极，电阻R105一端接在三极管Q2的集极，一端接在发射极，同时接地，电阻R106一端接在三极管Q2的集极，一端接在U47的Cathode端，U47的Anode端接12V数字电源，U46的Collector端输出信号，U46的Emitter端接电阻R107后接地。

5.根据权利要求1所述的一种大功率方波无刷直流电机控制器，其特征在于，所述CAN通信模块包括电阻R64、R65、R66、R67、电容C67、C68、钽电容E19、U7、COM3接口J5、3.3V电源、5V电源VCC，其中U7型号为CTM-1050；其中，R64一端接在3.3V电源，一端接在U7的4管脚，R65一端接在3.3V电源，一端接在U7的3管脚，U7的2管脚接地、1管脚接VCC，C67、E19并联，C67一端接地一端接VCC，E19一端接地一端接VCC，U7的6管脚与J5的3接口相连，U7的7管脚与J5的2接口相连，R67一端接U7的6管脚与J5的3接口的连线上，一端接在U7的7管脚与J5的2接口上，R66与C68并联，一端接在U7的8接口，一端接在J5的1接口上。

6.根据权利要求1所述的一种大功率方波无刷直流电机控制器，其特征在于，所述RS-485通信模块包括电阻R69、R70、R71、电容C69、钽电容E20、U8、3.3V电源、CON接口J6，其中U8型号为RSM3485；其中R69一端接在3.3V电源，一端接在U8的3管脚，R70一端接在3.3V电源，一端接在U8的4管脚，R71一端接在3.3V电源，一端接在U8的5管脚，C69一端接在3.3V电源，一端接地，E20一端接在3.3V电源，一端接地，U8的1管脚接3.3V电源，2管脚接地，U8的8管脚与J6的3接口连接，U8的9管脚与2接口连接。

7.根据权利要求1所述的一种大功率方波无刷直流电机控制器，其特征在于，所述EEPROM存储模块包括电阻R46、R47，U3、3.3V电源，其中U3型号为24WC256，其中R46的一端接3.3V电源，另一端接U3的5管脚，R47一端接3.3V电源，另一端接U3的6管脚，U3的1、2、3、4管脚共地，U3的8管脚接3.3V电源，U3的7管脚接地。

8.根据权利要求1所述的一种大功率方波无刷直流电机控制器，其特征在于，所述电气隔离模块包括U37、5V数字电源、电容C80，其中U37型号为74HCT245，其中5V数字电源接在U37的20引脚，C80一端接在U37的20引脚，一端接地，U37的19引脚接地，U37的1引脚接5V数字电源，U37的2-9引脚位接控制芯片,11-18引脚接IGBT的驱动模块。