專利名稱：可調(diào)速的三相直流無刷永磁電動機(jī)的控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于控制電動機(jī)的控制器，具體是一種可調(diào)速的三相直流無刷永磁電動機(jī)的控制器。
背景技術(shù)：
三相直流無刷永磁電動機(jī)具有高效率及運(yùn)行可靠等特點(diǎn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。然而，當(dāng)電機(jī)功率較小時(例如從20W到50W)，由于電機(jī)殼體體積的限制以及電機(jī)運(yùn)行時殼體內(nèi)惡劣的環(huán)境限制，其控制器常常要外置于電機(jī)殼體外，從而其成本和應(yīng)用受到了限制。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提供一種可裝配在可調(diào)速的三相直流無刷永磁電動機(jī)內(nèi)而實(shí)現(xiàn)一體化及低成本的控制器，該控制器能夠承受電機(jī)運(yùn)行時殼體內(nèi)的惡劣環(huán)境，并提高電機(jī)運(yùn)行的可靠性。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下根據(jù)本實(shí)用新型的一種可調(diào)速的三相直流無刷永磁電動機(jī)的控制器，包括脈沖寬度調(diào)制器、電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定輸入電路、電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出電路、監(jiān)視及穩(wěn)壓電路、自舉及驅(qū)動電路、過流保護(hù)電路和用于測量電機(jī)的霍爾電路，其中脈沖寬度調(diào)制器采用微處理器，該微處理器分別連接電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定輸入電路的輸出端、過流保護(hù)電路的輸出端和霍爾電路的輸出端，以便根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定輸入電路的輸出信號、過流保護(hù)電路的輸出信號和霍爾電路的輸出信號輸出相應(yīng)的調(diào)制脈沖至自舉及驅(qū)動電路，該微處理器還連接電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出電路以輸出相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速信號至電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出電路；在自舉及驅(qū)動電路和電機(jī)之間設(shè)有由6個場效應(yīng)晶體管構(gòu)成的三相橋電路，用于驅(qū)動電機(jī)，微處理器通過自舉及驅(qū)動電路可控制該6個晶體管的通斷。例如用于驅(qū)動電機(jī)的定子繞組。
在本實(shí)用新型中，在所述的6個場效應(yīng)晶體管上可以設(shè)有用于散熱的印刷電路板的覆銅片，因此不需要附加另外的散熱器，使得該控制器可以直接裝配在永磁直流無刷電機(jī)殼體內(nèi)，并可以承受電機(jī)工作時殼體內(nèi)之較高的環(huán)境溫度，從而使得該控制器的體積小型化。
在本實(shí)用新型中，所述的電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定輸入電路可包括一個運(yùn)算比較器，該運(yùn)算比較器與所述的微處理器相連。利用該運(yùn)算放大器與微處理器的輸出斬波調(diào)制脈沖，實(shí)現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換功能，并經(jīng)過微處理器PID調(diào)節(jié)運(yùn)算，從而可以穩(wěn)定調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
在本實(shí)用新型中，所述的自舉及驅(qū)動電路可連接所述三相橋電路的上橋臂，由自舉及驅(qū)動電路驅(qū)動三相橋的上橋臂；所述的微處理器可連接所述三相橋電路的下橋臂，由微處理器直接驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動，然后通過將脈沖寬度調(diào)制信號切換到下橋臂，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)的可調(diào)速的三相直流無刷永磁電動機(jī)的控制器能夠裝配在電動機(jī)殼體內(nèi)而實(shí)現(xiàn)一體化，并降低成本，該控制器由于采取了各種抗干擾措施并實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟啟動，能夠承受電機(jī)運(yùn)行時殼體內(nèi)的惡劣環(huán)境，保證了電機(jī)運(yùn)行的可靠性，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)小功率時與其控制器的一體化及低成本化；本實(shí)用新型可以根據(jù)一個輸入的模擬電壓量設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)速，具有可靠高效的特點(diǎn)，適用于各種可調(diào)速的小功率三相永磁直流無刷電機(jī)的驅(qū)動控制，因而本實(shí)用新型具有廣泛的應(yīng)用前景。
優(yōu)選實(shí)施例的說明
以下結(jié)合
本實(shí)用新型的實(shí)施例。
圖1是本實(shí)用新型之實(shí)施例的原理結(jié)構(gòu)圖；圖2是在本實(shí)用新型之控制下的電動機(jī)的狀態(tài)示意圖；圖3是本實(shí)用新型之實(shí)施例的三相橋電路的真值表；圖4是本實(shí)用新型之實(shí)施例的三相橋電路的時序圖；圖5是本實(shí)用新型之實(shí)施例的自舉電路圖；圖6是本實(shí)用新型之實(shí)施例的電路圖。
圖1顯示本實(shí)用新型之實(shí)施例的可調(diào)速三相直流無刷永磁電動機(jī)控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，它主要由脈沖寬度調(diào)制器1、電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定輸入電路2、電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出電路3、監(jiān)視及穩(wěn)壓電路4、自舉及驅(qū)動電路5、場效應(yīng)管三相橋電路6、霍爾電路7、保護(hù)電路8等模塊構(gòu)成。如圖7所示，脈沖寬度調(diào)制器1由微處理器IC1及晶振X1、電容C5、C6、C8、C9、電感L1等構(gòu)成。它根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定輸入電路2的輸出信號VCOM、保護(hù)電路的輸出信號ARM以及霍爾電路的輸出信號SU、SV、SW，輸出相應(yīng)的調(diào)制脈沖GWN、GUN、GVN以及上橋臂的邏輯驅(qū)動信號GWP、GUP、GVP，對應(yīng)驅(qū)動自舉及驅(qū)動電路5，并且輸出相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速信號SFG到電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出電路3。電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定輸入電路2由運(yùn)算比較器IC2A、電阻R1、R2、R3、R4、R5、電容C1、C2、C3、C4、二極管D1構(gòu)成。電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出電路3由三極管Q17、電阻R6、R7構(gòu)成。監(jiān)視及穩(wěn)壓電路4由監(jiān)視及穩(wěn)壓芯片IC3、電容C10、C11、C12、C13、C14、電阻R8、R9、R10、R11、R12、R13、二極管D2構(gòu)成，它把輸入的15V電源電壓調(diào)整為5V，通過L1供給IC1。IC3不斷監(jiān)控IC1定時發(fā)出的信號WD，如異常，則通過R12、Q16輸出信號RESET復(fù)位IC1，使程序重新執(zhí)行，以保證電機(jī)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)。自舉及驅(qū)動電路5有三相，W相電路由R13、R14、R15、R16、R17、D4、Q8、Q9、C15、D3、R18、R19、R20、Q7構(gòu)成，Q7驅(qū)動三相橋電路6的Q1，Q9驅(qū)動三相橋電路6的Q4。Q8及D4構(gòu)成Q7、Q9的互鎖電路，以防止三相橋電路6中同相上下橋臂同時導(dǎo)通。其他兩相電路類似。場效應(yīng)管三相橋電路6由場效應(yīng)晶體管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、D11、C18構(gòu)成，在實(shí)施例中，是采用6個表面封裝形式(D2PAK)的、低導(dǎo)通電阻的N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管?；魻栯娐?由霍爾元件HU、HV、HW、電容C19、C20、C21、C22、電阻R48、R49、R59構(gòu)成。保護(hù)電路8由比較器IC2B、IC2C、IC2D、電阻R37、R38、R39、R40、R41、R42、R43、R44、R45、R46、R47、R51、電容C17、C16、C15構(gòu)成。
本實(shí)用新型之實(shí)施例中包括三個用于檢測無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的霍爾元件(霍爾IC)；六個開關(guān)元件Q1一Q6形成三相橋式逆變電路6驅(qū)動電機(jī)的定子繞組；微處理器可采用單片機(jī)，該單片機(jī)可根據(jù)霍爾元件的輸出信號驅(qū)動逆變器開關(guān)元件的導(dǎo)通和關(guān)斷，并可通過執(zhí)行相應(yīng)的軟件代碼實(shí)現(xiàn)特定的控制功能。本實(shí)用新型可以預(yù)先設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向，并根據(jù)一個輸入模擬電壓設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)速，且輸出一個代表電機(jī)轉(zhuǎn)速的脈沖信號。
在圖1之左邊的控制器代表本實(shí)用新型以外的外部電路，利用它可以控制和設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)速，它向轉(zhuǎn)速輸入設(shè)定電路輸出一個模擬信號。該控制器中通常含有微處理器(單片機(jī))。
在本實(shí)用新型之實(shí)施例中，其工作原理如下所述圖2表示無刷電機(jī)的通電狀態(tài)，當(dāng)轉(zhuǎn)子處于圖2所示位置時，開關(guān)K1和K6導(dǎo)通，A相正向通電，B相反向通電，定子合成磁勢Fd與轉(zhuǎn)子磁場Br1軸線夾角為120度(電角度)，定子合成磁勢與轉(zhuǎn)子磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩驅(qū)使轉(zhuǎn)子向定子磁勢軸線方向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)Br1與Fd垂直時轉(zhuǎn)矩最大，隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，Br1與Fd之間的夾角逐漸減小，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場軸線處于Br2位置時，Br2與Fd的夾角為60度電角度，繞組開始換流，開關(guān)元件由K1和K6導(dǎo)通，變?yōu)镵1和K2導(dǎo)通，由A相正向通電B相反向通電，變?yōu)锳相正向通電C相反向通電，定子合成磁勢Fd跳躍前進(jìn)60度，F(xiàn)d與Br1之間夾角又變?yōu)?20度，轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動，依此類推，由霍爾位置傳感器提供觸發(fā)信號，每隔六分之一周期(即60度電角度)，功率開關(guān)管切換一次，定子磁勢Fd跳躍前進(jìn)60度。正轉(zhuǎn)時開關(guān)管的導(dǎo)通順序為(Q6，K1)-(Q1，Q2)-(Q2，Q3)-(Q3，Q4)-(Q5，Q6)-(Q6，Q1)。在一個周期內(nèi)每相繞組正向通電120度，間斷60度，再反向通電120度，形成三相六狀態(tài)通電規(guī)律。其真值表與時序圖分別如圖3和圖4所示。圖3中的ON表示場效應(yīng)管導(dǎo)通，OFF表示場效應(yīng)管關(guān)斷。
在本實(shí)用新型的一個實(shí)施例中，在三相橋電路6之下橋臂的開關(guān)管導(dǎo)通時加載了高頻脈沖寬度調(diào)制信號。電機(jī)的調(diào)速通過改變脈沖寬度調(diào)制信號的占空比實(shí)現(xiàn)。改變占空比大小則改變電機(jī)定子繞組電壓的大小，占空比越大，定子繞組電壓越高，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越快。微處理器輸出的脈沖寬度調(diào)制信號VPWM經(jīng)積分后的電壓不斷與電機(jī)外面輸入的轉(zhuǎn)速設(shè)定模擬電壓VSP進(jìn)行比較，微處理器不斷讀取比較結(jié)果VCOM并實(shí)時改變脈沖寬度調(diào)制信號VPWM的占空比，使兩個電壓間的誤差最小，從而實(shí)現(xiàn)了輸入模擬調(diào)速電壓對電機(jī)轉(zhuǎn)速的設(shè)定。改變輸入模擬調(diào)速電壓VSP則改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。
在本實(shí)用新型的一個實(shí)施例中，它采用帶低速光耦隔離的自舉電路5驅(qū)動三相橋電路6的上橋臂，下橋臂由微處理器IC1直接驅(qū)動，如圖6所示。在電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時，微處理器IC1輸出脈沖寬度調(diào)制信號驅(qū)動下橋臂。在電機(jī)啟動時，假設(shè)仍以這種方式驅(qū)動，則自舉電路5中的電容有可能充不夠電，不能完全驅(qū)動上橋臂的功率開關(guān)管導(dǎo)通，從而電機(jī)不能啟動。在實(shí)施例中，本實(shí)用新型的控制器在電機(jī)啟動時，先以較小占空比的脈沖寬度調(diào)制信號對上橋臂進(jìn)行斬波，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動，然后將脈沖寬度調(diào)制信號切換到下橋臂，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，避免了在上橋臂使用高速光耦，降低了系統(tǒng)成本。
在本實(shí)用新型的實(shí)施例中，本實(shí)用新型之控制器的過流保護(hù)電路如圖6所示，由比較器IC2B及其外圍元件構(gòu)成。該比較器用于將電機(jī)電流與一個預(yù)定電流值(限流值)相比較。限流值由R39、R38的分壓比設(shè)定。比較器IC2B的一個輸入端6連接三相橋電路之場效應(yīng)管以采集電機(jī)電流，該比較器的輸出端連接微處理器IC1的11腳，用于發(fā)送電機(jī)電流過大之信號。當(dāng)電機(jī)的電流值超過設(shè)定值時，比較器IC2B輸出快速翻轉(zhuǎn)為低電平，向微處理器IC1發(fā)出過流信號ARM，微處理器IC1確認(rèn)后立即同時關(guān)斷三相橋電路6的六個場效應(yīng)管進(jìn)行保護(hù)，并不斷監(jiān)測過流信號ARM直至其解除后，延時8秒(該時間可調(diào))后電機(jī)將重新啟動。在正常運(yùn)轉(zhuǎn)及啟動時，微處理器IC1對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)測，如發(fā)現(xiàn)電機(jī)堵轉(zhuǎn)，則停機(jī)保護(hù)，并重復(fù)上述保護(hù)動作，從而減小了電機(jī)長時間堵轉(zhuǎn)引起的大電流應(yīng)力及高溫，比純粹的硬件保護(hù)可靠性更高，保護(hù)速度更快。由IC2C、IC2D構(gòu)成的窗口比較電路限制了正常的15V輸入電源的電壓范圍。
在實(shí)施例中，本實(shí)用新型之控制器實(shí)現(xiàn)了加在三相橋電路6的直流高壓VDD(正常情況為直流310V)的通斷保護(hù)。該直流高壓通斷瞬間，并聯(lián)在該直流高壓兩端的浪涌鉗位二極管(圖6中的D11)和電容(圖6中的C18)對電機(jī)繞組產(chǎn)生的反向電動勢吸收并鉗位，同時，微處理器利用高壓斷電時電機(jī)轉(zhuǎn)速快速下降的特性，判斷電機(jī)是否高壓失電，若然則快速將脈沖寬度調(diào)制信號的占空比減至最小，使重新來電時的沖擊減至最小。同理，微處理器根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變判斷是否高壓來電，然后將脈沖寬度調(diào)制信號的占空比從最小值加速到輸入模擬轉(zhuǎn)速電壓的設(shè)定值，從而完成了直流高壓通斷從保護(hù)到重啟動的整個過程。
圖6是本實(shí)用新型實(shí)施例之控制器的全部電路圖。其中，F(xiàn)G為速度反饋輸出信號，VSP為轉(zhuǎn)速輸入模擬電壓信號。
權(quán)利要求1.一種可調(diào)速的三相直流無刷永磁電動機(jī)的控制器，其特征在于包括脈沖寬度調(diào)制器、電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定輸入電路、電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出電路、監(jiān)視及穩(wěn)壓電路、自舉及驅(qū)動電路、過流保護(hù)電路和用于測量電機(jī)的霍爾電路，其中脈沖寬度調(diào)制器采用微處理器，該微處理器分別連接電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定輸入電路的輸出端、過流保護(hù)電路的輸出端和霍爾電路的輸出端，以便根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定輸入電路的輸出信號、過流保護(hù)電路的輸出信號和霍爾電路的輸出信號輸出相應(yīng)的調(diào)制脈沖至自舉及驅(qū)動電路，該微處理器還連接電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出電路以輸出相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速信號至電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出電路；在自舉及驅(qū)動電路和電機(jī)之間設(shè)有由6個場效應(yīng)晶體管構(gòu)成的三相橋電路，用于驅(qū)動電機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其特征在于所述的6個場效應(yīng)晶體管上設(shè)有用于散熱的印刷電路板的覆銅片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其特征在于所述的電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定輸入電路包括一個運(yùn)算比較器，該運(yùn)算比較器與所述的微處理器相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其特征在于，所述的自舉及驅(qū)動電路連接所述三相橋電路的上橋臂，所述的微處理器連接所述三相橋電路的下橋臂。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其特征在于，過流保護(hù)電路中包括一個用于將電機(jī)電流與一個預(yù)定電流值相比較的比較器，該比較器的一個輸入端連接三相橋電路以采集電機(jī)電流，該比較器的輸出端連接微處理器，用于發(fā)送電機(jī)電流過大之信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其特征在于，在三相橋電路之直流電壓輸入端并聯(lián)有浪涌鉗位二極管和電容器。
專利摘要一種可調(diào)速的三相直流無刷永磁電動機(jī)的控制器,包括:脈沖寬度調(diào)制器、電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定輸入電路、電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出電路、監(jiān)視及穩(wěn)壓電路、自舉及驅(qū)動電路、過流保護(hù)電路、用于測量電機(jī)的霍爾電路以及用于驅(qū)動電機(jī)的三相橋電路,其中脈沖寬度調(diào)制器采用微處理器,并分別連接電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定輸入電路的輸出端、過流保護(hù)電路的輸出端和霍爾電路的輸出端以及電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出電路以輸出相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速信號至電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出電路。本實(shí)用新型可裝在電機(jī)殼體內(nèi)實(shí)現(xiàn)一體化,成本低,并提高電機(jī)運(yùn)行的可靠性。
文檔編號H02P7/06GK2512160SQ0127087
公開日2002年9月18日 申請日期2001年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月16日
發(fā)明者梁后權(quán) 申請人:興華電子零件亞洲有限公司