CN210123890U - 电机控制器硬件电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电机控制器硬件电路，包括电机、控制板、驱动板、泄放板、IGBT模块和DC‑link电容；控制板分别与电机、驱动板和泄放板电连接，电机分别与驱动板和IGBT模块电连接，驱动板与IGBT模块电连接，DC‑link电容与IGBT模块电连接。本实用新型具有如下有益效果：本实用新型能够对控制器进行过流过压保护，保证在绝大多数的突然情况下不会导致IGBT等关键零部件损坏；泄放板对控制器内高压电容器具有紧急快速泄放功能，以及具有主动泄放失效后被动自然泄放的功能的电机控制器。

Description

电机控制器硬件电路

技术领域

本实用新型涉及电机控制技术领域，尤其是涉及一种能够对控制器进行过流过压保护，保证在绝大多数的突然情况下不会导致IGBT等关键零部件损坏，对控制器内高压电容器具有紧急快速泄放功能，以及具有主动泄放失效后被动自然泄放的功能的电机控制器硬件电路。

背景技术

驱动电机控制器是电动汽车中最核心的部件之一，随着国内新能源电动汽车日益增多和逐步引入欧盟ISO 26262标准，对于车辆涉及安全功能相关设计要求越来越高，主动安全设计是行业发展趋势。另由于目前IGBT在电机控制器汇总占有非常昂贵的成本份额、在任意异常的情况下保证IGBT功能正常也势在必行。例如整车高速运行时突然发生异常，如何能在不发生安全事故时保证控制器内关键零部件不发生失效。

现有的驱动电机控制器硬件设计主要采用分立元件电源、较早双核MCU芯片以及磁隔离驱动芯片等，其硬件芯片技术较为落后，且对于主动三相短路等技术全部依据控制识别后MCU进行操作、响应时间过长等问题，会导致硬件失效率较高；并且，分立元器件较多或者本身部分芯片不具备自检及故障测试等功能，无法在出现故障时进行及时故障处理；目前市面上应用较为广泛的磁隔离驱动芯片主要型号为英飞凌1ED020I12FA2、其不具备IGBT软关断功能，存在异常情况下无法及时关断IGBT导致损坏的风险；现有较多的控制器设计不具备主动泄放功能，在突发碰撞等安全事件时，不能及时将控制器中直流母线电容的能量泄放，碰撞中可能导致发生危害、例如绝缘破坏起火等。

实用新型内容

本实用新型为了克服现有技术中存在的不具备自检及故障测试等功能，无法在出现故障时进行及时故障处理的不足，提供了一种能够对控制器进行过流过压保护，保证在绝大多数的突然情况下不会导致IGBT等关键零部件损坏，对控制器内高压电容器具有紧急快速泄放功能，以及具有主动泄放失效后被动自然泄放的功能的电机控制器硬件电路。

为了实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：

一种电机控制器硬件电路，包括电机、控制板、驱动板、泄放板、IGBT模块和DC-link电容；所述泄放板包括高压LDO模块、光耦隔离模块、主动泄放模块和自然泄放被动模块；控制板分别与电机、驱动板和泄放板电连接，电机分别与驱动板和IGBT模块电连接，驱动板与IGBT模块电连接，DC-link电容与IGBT模块电连接；光耦隔离模块分别与主动泄放模块和高压LDO模块电连接，自然泄放被动模块分别与高压LDO模块、主动泄放模块和DC-link电容电连接。

本实用新型的控制板负责所有低压信号的控制处理、并决策相关控制策略，输出PWM信号控制IGBT模块；驱动板负责将控制板输出的低压PWM信号继续隔离、放大驱动功率，并对IGBT模块的相关特性进行监测保护；主动泄放模块负责将控制板输出泄放信号进行隔离控制，对DC-link电容进行放电，保证行车及维修安全。

作为优选，所述控制板包括主控芯片、CPLD硬件保护模块、电流采集及过流比较模块、母线电压采集调理模块、电机转子位置采集模块、温度信号处理模块、开关量处理模块、通讯模块和存储模块；主控芯片分别与CPLD硬件保护模块、电流采集及过流比较模块、母线电压采集调理模块、电机转子位置采集模块、温度信号处理模块、开关量处理模块、通讯模块和存储模块电连接；通过各个模块进行信号的采集，实时监测电机状态。

作为优选，所述驱动板包括驱动芯片、功率放大电路、双向稳压管D1、稳压器TS、变压器TA、RCD钳位电路、电阻R2、电感L、二极管D3和电容C2；驱动芯片分别与功率放大电路、RCD钳位电路、双向稳压管D1、二极管D2、变压器TA和IGBT模块电连接，功率放大电路和双向稳压管D1均与IGBT模块电连接，RCD钳位电路、电阻R2、稳压器TS和电感L均与变压器TA电连接，电感L分别与二极管D3的负极和RCD钳位电路电连接，二极管D3的正极与电容C2电连接，电容C2、电阻R2和稳压器TS均接地；利用具有软关断功能的光耦芯片进行隔离驱动，同时增加有源钳位功能。

作为优选，主动泄放模块包括三极管Q1和电阻R3；三极管Q1的基极与光耦隔离模块电连接，三极管Q1的发射极分别与自然泄放被动模块和DC-link电容电连接，三极管Q1的集电极与电阻R3电连接，电阻R3分别与自然泄放被动模块和DC-link电容电连接。

作为优选，RCD钳位电路包括二极管D2、电容C1和电阻R1；二极管D2的负极分别与电阻R1和电容C1电连接，二极管D2的正极分别与驱动芯片和变压器电连接，变压器TA和电感L均分别与电容C1和电阻R1电连接。

作为优选，主控芯片的型号为SPC5744。

作为优选，还包括电流霍尔传感器；电机通过电流霍尔传感器分别与驱动板和IGBT模块电连接。

因此，本实用新型具有如下有益效果：本实用新型能够对控制器进行过流过压保护，采用具有软关断功能的光耦驱动芯片保证在绝大多数的突然情况下不会导致IGBT等关键零部件损坏；泄放板对控制器内高压电容器具有紧急快速泄放功能，以及具有主动泄放失效后被动自然泄放的功能的电机控制器。

附图说明

图1是本实用新型的一种系统框图；

图2是本实用新型的控制板的一种电路图；

图3是本实用新型的驱动板的一种电路图；

图4是本实用新型的泄放板的一种电路图。

图中：电机1、控制板2、驱动板3、泄放板4、IGBT模块5、DC-link电容6、电流霍尔传感器7、主控芯片21、CPLD硬件保护模块22、电流采集及过流比较模块23、母线电压采集调理模块24、电机转子位置采集模块25、温度信号处理模块26、开关量处理模块27、通讯模块28、存储模块29、驱动芯片31、功率放大电路32、第四连接器33、高压LDO模块41、光耦隔离模块42、主动泄放模块43、自然泄放被动模块44、第五连接器45、第一连接器210、第二连接器211、第三连接器212。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型做进一步描述：

如图1所示的实施例是一种电机控制器硬件电路，包括电机1、控制板2、驱动板3、泄放板4、IGBT模块5、DC-link电容6和电流霍尔传感器7；所述泄放板包括高压LDO模块41、光耦隔离模块42、主动泄放模块43和自然泄放被动模块44；控制板分别与电机、驱动板和泄放板电连接，电机分别与驱动板和IGBT模块电连接，驱动板与IGBT模块电连接，DC-link电容与IGBT模块电连接；光耦隔离模块分别与主动泄放模块和高压LDO模块电连接，自然泄放被动模块分别与高压LDO模块、主动泄放模块和DC-link电容电连接；电机通过电流霍尔传感器分别与驱动板和IGBT模块电连接。

如图1所示，还包括位于控制板上的第一连接器210、第二连接器211和第三连接器212，位于驱动板上的第四连接器33以及位于泄放板上的第五连接器45；控制板和驱动板通过第二连接器和第四连接器电连接，控制板和泄放板通过第三连接器和第五连接器电连接，控制板和电机通过第一连接器连接。

如图1所示，控制板包括主控芯片21、CPLD硬件保护模块22、电流采集及过流比较模块23、母线电压采集调理模块24、电机转子位置采集模块25、温度信号处理模块26、开关量处理模块27、通讯模块28和存储模块29；主控芯片分别与CPLD硬件保护模块、电流采集及过流比较模块、母线电压采集调理模块、电机转子位置采集模块、温度信号处理模块、开关量处理模块、通讯模块和存储模块电连接；主控芯片的型号为SPC5744。

控制板为整个控制器低压信号输入接口，其中包含低压供电电源、双路唤醒电源信号、CAN通讯信号、碰撞传感器信号、水温传感器信号等；其控制板上与内部其他连接有第一连接器，第二连接器和第三连接器，通过三个连接器分别与驱动板相连、泄放板相连及电机低压信号相连。控制板负责所有低压信号的控制处理、并决策相关控制策略，输出PWM信号控制IGBT模块；驱动板负责将控制板输出的低压PWM信号继续隔离、放大驱动功率，并对IGBT模块的相关特性进行监测保护；主动泄放模块负责将控制板输出泄放信号进行隔离控制，对DC-link电容进行放电，保证行车及维修安全。

如图2所示，控制板外部输入低压12V电源经板上电源模块转换成相对应电源对各芯片进行供电，电源模块采用SBC芯片，SBC芯片相关工作状态通过SPI方式与主控芯片SPC5744进行通讯；主控芯片通过控制板上的各个模块采集电机温度、IGBT温度、电源监控、相电流、母线电压等模拟信号，开关量处理模块采集互锁信号、过流过压信号、驱动故障信号等开关量，主控芯片根据采集的数据进行相关控制策略处理，输出PWM信号控制IGBT模块进行直流-交流转换驱动电机；CPLD硬件保护模块中的CPLD芯片通过采集过流、过压信号、驱动报错故障以及主芯片输出转速高低信号、主动三相短路信号等，内部构建过流/过压状态机、进行相应操作实现对IGBT模块控制的三相短路或者六相开路等，以实现异常情况时对IGBT模块及母线电容的保护。

如图3所示，驱动板包括驱动芯片31、功率放大电路32、双向稳压管D1、稳压器TS、变压器TA、RCD钳位电路、电阻R2、电感L、二极管D3和电容C2；RCD钳位电路包括二极管D2、电容C1和电阻R1；驱动芯片分别与功率放大电路、二极管D2的正极、双向稳压管D1、二极管D2、变压器TA和IGBT模块电连接，功率放大电路和双向稳压管D1均与IGBT模块电连接，电容C1、电阻R1、二极管D2的正极、电阻R2、稳压器TS和电感L均与变压器TA电连接，电感L分别与二极管D3的负极、电容C1和电阻R1电连接，二极管D3的正极与电容C2电连接，电容C2、电阻R2和稳压器TS均接地。

驱动板主要实现将控制板输出PWM信号进行高低压隔离并放大功率驱动IGBT模块进行开关动作，采用光耦进行隔离驱动与母线电压隔离采样以保证高低压绝对隔离安全，驱动芯片依据IGBT特性采集其CE极端压降进行识别其是否损坏或者发生短路现象，驱动信号门极通过TVS管进行有源钳位以保护瞬间IGBT不会因瞬间的电压尖峰造成过压失效。

如图4所示，主动泄放模块包括三极管Q1和电阻R3；自然泄放被动模块包括电阻R6；泄放板上还包括母线电压采样电路，母线电压采样电路包括采样电阻R4、电阻R5和运算放大器；三极管Q1的基极与光耦隔离模块电连接，三极管Q1的发射极分别与电阻R6和DC-link电容电连接，三极管Q1的集电极与电阻R3电连接，电阻R3分别与电阻R6和DC-link电容电连接；电阻R4分别与运算放大器、DC-link电容和三极管Q1的发射极电连接，电阻R5分别与运算放大器、DC-link电容、电阻R3和电阻R6电连接。

泄放板主要实现将控制板依据控制策略输出主动泄放指令进行高低压转换以控制主动泄放电阻将直流母线电容能量进行快速泄放。

应理解，本实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种电机控制器硬件电路，其特征在于，包括电机(1)、控制板(2)、驱动板(3)、泄放板(4)、IGBT模块(5)和DC-link电容(6)；所述泄放板包括高压LDO模块(41)、光耦隔离模块(42)、主动泄放模块(43)和自然泄放被动模块(44)；控制板分别与电机、驱动板和泄放板电连接，电机分别与驱动板和IGBT模块电连接，驱动板与IGBT模块电连接，DC-link电容与IGBT模块电连接；光耦隔离模块分别与主动泄放模块和高压LDO模块电连接，自然泄放被动模块分别与高压LDO模块、主动泄放模块和DC-link电容电连接。

2.根据权利要求1所述的电机控制器硬件电路，其特征在于，所述控制板包括主控芯片(21)、CPLD硬件保护模块(22)、电流采集及过流比较模块(23)、母线电压采集调理模块(24)、电机转子位置采集模块(25)、温度信号处理模块(26)、开关量处理模块(27)、通讯模块(28)和存储模块(29)；主控芯片分别与CPLD硬件保护模块、电流采集及过流比较模块、母线电压采集调理模块、电机转子位置采集模块、温度信号处理模块、开关量处理模块、通讯模块和存储模块电连接。

3.根据权利要求1所述的电机控制器硬件电路，其特征在于，所述驱动板包括驱动芯片(31)、功率放大电路(32)、双向稳压管D1、稳压器TS、变压器TA、RCD钳位电路、电阻R2、电感L、二极管D3和电容C2；驱动芯片分别与功率放大电路、RCD钳位电路、双向稳压管D1、二极管D2、变压器TA和IGBT模块电连接，功率放大电路和双向稳压管D1均与IGBT模块电连接，RCD钳位电路、电阻R2、稳压器TS和电感L均与变压器TA电连接，电感L分别与二极管D3的负极和RCD钳位电路电连接，二极管D3的正极与电容C2电连接，电容C2、电阻R2和稳压器TS均接地。

4.根据权利要求1所述的电机控制器硬件电路，其特征在于，主动泄放模块包括三极管Q1和电阻R3；三极管Q1的基极与光耦隔离模块电连接，三极管Q1的发射极分别与自然泄放被动模块和DC-link电容电连接，三极管Q1的集电极与电阻R3电连接，电阻R3分别与自然泄放被动模块和DC-link电容电连接。

5.根据权利要求3所述的电机控制器硬件电路，其特征在于，RCD钳位电路包括二极管D2、电容C1和电阻R1；二极管D2的负极分别与电阻R1和电容C1电连接，二极管D2的正极分别与驱动芯片和变压器电连接，变压器TA和电感L均分别与电容C1和电阻R1电连接。

6.根据权利要求2所述的电机控制器硬件电路，其特征在于，主控芯片的型号为SPC5744。

7.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的电机控制器硬件电路，其特征在于，还包括电流霍尔传感器(7)；电机通过电流霍尔传感器分别与驱动板和IGBT模块电连接。

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