專利名稱：一種直流無刷電機(jī)雙模式控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及直流無刷電機(jī)領(lǐng)域，尤其是一種直流無刷電機(jī)雙模式控制裝置。
背景技術(shù)：
直流無刷電機(jī)在小型拖動(dòng)系統(tǒng)領(lǐng)域具有不可替代的優(yōu)越性，與電容啟動(dòng)的單相電機(jī)相比，直流無刷電機(jī)具有控制靈活、調(diào)速性能好、運(yùn)行平穩(wěn)、長壽命、高效率等優(yōu)點(diǎn)。電容啟動(dòng)的單相異步電機(jī)在長時(shí)間運(yùn)行后，一般都會(huì)面臨著啟動(dòng)困難等問題，這基本都是由于啟動(dòng)電容失效引起的，如果在啟動(dòng)電容的容值降低到一定程度后，仍繼續(xù)使用特別是在負(fù)載稍大的情況下，很容易燒電機(jī)的啟動(dòng)繞組，導(dǎo)致整個(gè)電機(jī)燒毀。還有電容啟動(dòng)的單相異步電機(jī)調(diào)速一般都是通過調(diào)電壓來實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)異步電機(jī)的工作原理可知，當(dāng)電機(jī)沒有工作在額定狀態(tài)時(shí)，電機(jī)的工作效率將明顯的下降，而直流無刷電機(jī)的效率曲線相對要平穩(wěn)很多，也就意味著無論電機(jī)工作在那個(gè)工作點(diǎn)上效率基本都一樣。所以在小型拖動(dòng)領(lǐng)域直流 無刷電機(jī)有絕對的優(yōu)勢。用傳統(tǒng)六步法驅(qū)動(dòng)的無刷直流電機(jī)除繞組反向及用逆變器取代換向器外，其余與有刷直流電機(jī)類似。因此，人們會(huì)想到通過調(diào)節(jié)平均直流鏈路電流來實(shí)施扭矩控制，但這樣做實(shí)際上調(diào)制的是功率而非扭矩。因在直流鏈路電壓恒定的情況下，調(diào)節(jié)平均直流鏈路電流只會(huì)致使功率輸出的改變。這將導(dǎo)致根據(jù)電機(jī)所帶的負(fù)載，電機(jī)電流(扭矩)與其速度成反向變化。任何試圖借助占空比補(bǔ)償平均直流鏈路電流數(shù)據(jù)以獲得平均相電流的努力都將被濾噪器時(shí)間常數(shù)所瓦解，從而使該手段一般說來勞而無功。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型要解決上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種高效低成本的直流無刷電機(jī)雙模式控制裝置。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案這種直流無刷電機(jī)雙模式控制裝置，包括中央處理器、電源電路，中央處理器的輸出I/o 口連有IPM智能功率模塊，IPM智能功率模塊連有直流無刷電機(jī)，直流無刷電機(jī)內(nèi)設(shè)有三個(gè)呈60度或120度角放置的霍爾傳感器，三個(gè)霍爾傳感器通過整形濾波電路反饋到中央處理器，IPM智能功率模塊的公共地線通過高精度采樣電阻回到直流母線的地端，高精度采樣電阻兩端的電壓通過濾波放大電路經(jīng)電流信號調(diào)理后回饋到中央處理器。作為優(yōu)選，所述中央處理器為內(nèi)置16K字節(jié)Flash，IK字節(jié)RAM的8位MCU。作為優(yōu)選，所述中央處理器與母線電壓檢測電路相連接。作為優(yōu)選，所述中央處理器與外部控制模擬量調(diào)理電路相連接。作為優(yōu)選，所述中央處理器與控制模式選擇電路相連接。作為優(yōu)選，所述電源電路包含本電路所需的四路獨(dú)立電源。包括交流濾波電路、整流模塊、PTC熱敏電阻、直流濾波電路和開關(guān)電源，其中單相市電與交流濾波電路連接，交流濾波電路的輸出與整流模塊連接，整流模塊的輸出經(jīng)PTC熱敏電阻與直流濾波電路連接，直流濾波電路連有開關(guān)電源。實(shí)用新型有益的效果是能在低成本的前提下有效的獲取相電流，從而進(jìn)行有效的轉(zhuǎn)矩控制。

圖I是本實(shí)用新型硬件實(shí)現(xiàn)整體方框示意圖；圖2是本實(shí)用新型電源部分詳細(xì)原理方框示意圖；圖3是本實(shí)用新型電源部分實(shí)際電路原理圖；圖4是本實(shí)用新型IPM智能功率模塊實(shí)際電路圖5是本實(shí)用新型外部控制模擬量調(diào)理電路原理圖；圖6是本實(shí)用新型軟件實(shí)現(xiàn)原理方框示意圖；圖7是本實(shí)用新型軟件實(shí)現(xiàn)主流程方框示意圖；附圖標(biāo)記說明中央處理器1，IPM智能功率模塊2，直流無刷電機(jī)3，霍爾傳感器4，濾波放大電路5，高精度采樣電阻6，整形濾波電路7，母線電壓檢測電路8，外部控制模擬量調(diào)理電路9，電源電路10，控制模式選擇電路11，交流濾波電路12，整流模塊13，PTC熱敏電阻14，直流濾波電路15，開關(guān)電源16。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明實(shí)施例如圖I所示，這種直流無刷電機(jī)雙模式控制裝置，包括中央處理器I、電源電路10，中央處理器I為內(nèi)置16K字節(jié)Flash，IK字節(jié)RAM的8位MCU。中央處理器I的輸出I/O 口連有IPM智能功率模塊2，IPM智能功率模塊2實(shí)際電路圖如圖4所示，IPM智能功率模塊2連有直流無刷電機(jī)3，直流無刷電機(jī)3內(nèi)設(shè)有三個(gè)呈60度或120度角放置的霍爾傳感器4，三個(gè)霍爾傳感器4通過整形濾波電路7反饋到中央處理器1，IPM智能功率模塊2的公共地線通過高精度采樣電阻6回到直流母線的地端，高精度采樣電阻6兩端的電壓通過濾波放大電路5經(jīng)電流信號調(diào)理后回饋到中央處理器I。中央處理器I與母線電壓檢測電路8相連接，中央處理器I內(nèi)嵌的軟件通過偵測母線電壓檢測電路8的輸出端的電壓換算出輸入交流電的有效值，從而有效的評估該裝置是否工作在正常的輸入電壓范圍內(nèi)；中央處理器I與外部控制模擬量調(diào)理電路9相連接，其功能包括隔離和線性放大，如圖5所示，通過該調(diào)理電路后輸出至中央處理器1，中央處理器I內(nèi)嵌的AD在嵌入式軟件的控制下有序的采集外部模擬量；中央處理器I與控制模式選擇電路11相連接，內(nèi)嵌軟件能通過中央處理器I的通用I/O 口捕獲外部信號的變化，從而能根據(jù)外部控制信號的要求切換對直流無刷電機(jī)控制方式。所有部件模塊都需要電源才能工作，電源電路10包含本電路所需的四路獨(dú)立電源。如圖2、3所示，包括交流濾波電路12、整流模塊13、PTC熱敏電阻14、直流濾波電路15和開關(guān)電源16，其中單相市電與交流濾波電路12連接，交流濾波電路12的輸出與整流模塊13連接，整流模塊13的輸出經(jīng)PTC熱敏電阻14與直流濾波電路15連接，直流濾波電路15連有開關(guān)電源16。其PTC熱敏電阻14的作用是在電源電路上電瞬間起電流抑制作用，能有效延長直流濾波電路中電容的使用壽命，直流濾波15的輸出一方面直接提供給IPM智能功率模塊2使用，另一方面給開關(guān)電源16使用，310V直流電經(jīng)過開關(guān)電源16后變換出獨(dú)立的三組電源，分別是兩路+15V，一路+5V。其中一路+15V用于IPM智能功率模塊2的供電，另一路+15V用于外部控制模擬量調(diào)理電路9，以便隔離。+5V用于中央處理器I的供電。外部控制模擬量調(diào)理電路9和控制模式選擇電路11同時(shí)接受來自客戶的控制指令。中央處理器I同時(shí)采集電流、外部模擬信號、模式選擇指令和霍爾信號，將采集到的信號經(jīng)過相應(yīng)的控制算法后輸出6路驅(qū)動(dòng)波形到IPM智能功率模塊2，從而控制直流無刷電機(jī)3平穩(wěn)運(yùn)行。本實(shí)用新型的控制原理恒轉(zhuǎn)矩控制模式電機(jī)轉(zhuǎn)矩Te = Ia*Ea+Ib*Eb+Ic*Ec ;采用六步法驅(qū)動(dòng)其轉(zhuǎn)矩與電機(jī)電流成直接比例關(guān)系，所以電流環(huán)的性能至關(guān)重要。電流環(huán)的線性受電流反饋真實(shí)性的影響，大多基于母線電流采樣的方法都不是線性的，而其它的方法又很昂貴。但該方案通過軟硬件配合的方法在脈寬調(diào)制器(PWM)啟勵(lì)(on-time)時(shí)間的中央采樣直流鏈路電流的 方法克服了上述限制。該軟件算法能有效的模擬出電樞電流的續(xù)流部分(通過MOS管的二極管回路，而沒有經(jīng)過采樣電阻)，所以從本質(zhì)上解決了該方法的非線性問題。恒轉(zhuǎn)速控制模式速度控制一般有兩種方法一是調(diào)節(jié)電樞電壓，二是調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流。常見的微型直流電機(jī)，其磁場都是固定的，不可調(diào)的永磁體，所以只好調(diào)節(jié)電樞電壓，常用的一是可控硅調(diào)壓法，再就是脈寬調(diào)制法(PWM)。還有弱磁調(diào)速，通過適當(dāng)減弱勵(lì)磁磁場的辦法也可以調(diào)速。本方案采用的是PWM調(diào)制方式。由于BLDC電機(jī)的固有特性，額定轉(zhuǎn)速并不完全等于空載轉(zhuǎn)速，因此本方案采用先進(jìn)的模糊PID算法來彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，使轉(zhuǎn)速的可控性大幅度的提高。本實(shí)用新型的硬件原理硬件結(jié)構(gòu)上采用單管加高性能MCU方案，本方案不僅靈活，而且具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，可以在不改變硬件的基礎(chǔ)上，方便的升級軟件，以滿足客戶更高的要求。由于MCU內(nèi)部自帶了 PWM發(fā)生器、通用定時(shí)器、高速IOBitAD轉(zhuǎn)換器和高速高性能I/O 口，只要稍加一些簡單的外部器件，就能組建一個(gè)高性能的BLDC控制器。采用了單管驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方案，那么上橋臂的驅(qū)動(dòng)電路比采用智能IPM模塊稍顯復(fù)雜，但在系統(tǒng)成本上還是就有相當(dāng)大的優(yōu)勢。上橋臂的設(shè)計(jì)采用了優(yōu)化的智能自舉電路，簡潔實(shí)用，穩(wěn)定性好。本實(shí)用新型的軟件原理如圖6所示，軟件主要包含主函數(shù)、AD采樣中斷函數(shù)、PWM發(fā)生中斷函數(shù)、霍爾信號捕獲中斷函數(shù)、ImS定時(shí)器中斷函數(shù)、坐標(biāo)變換函數(shù)、PI運(yùn)算函數(shù)、電流計(jì)算函數(shù)、速度計(jì)算函數(shù)等。主函數(shù)框圖如圖7所示上電復(fù)位后，首先對MCU自身進(jìn)行初始化，然后對各個(gè)變量進(jìn)行初始化，獲取外部模擬量和模式開關(guān)的狀態(tài)，若MCU處于恒速度模式，那么程序就進(jìn)入速度電流雙環(huán)控制模式，若MCU處于恒轉(zhuǎn)矩模式，那程序就會(huì)調(diào)用相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩算法，然后進(jìn)入PI控制模式，最總就會(huì)得到PWM的占空比，從而有效的控制電機(jī)。本實(shí)用新型在軟件方面采用先進(jìn)的模糊PID算法，雙環(huán)控制。根據(jù)用戶選定的模式，通過最優(yōu)化的算法，得到模糊PID的給定量。由于采用了模糊PID控制算法，該系統(tǒng)能最大限度地兼顧動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。底層換向驅(qū)動(dòng)上，本系統(tǒng)采用了優(yōu)化的120度PWM調(diào)制的方波驅(qū)動(dòng)，使電機(jī)能及時(shí)而有效的換向。直接采集串接在直流母線上的高精度采樣電阻兩端的電壓，配合三個(gè)霍爾的狀態(tài)，換算出UVW三相的相電流，該方法能有效的節(jié)省系統(tǒng)的成本，有助于市場推廣和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。[0031]本實(shí)用新型在不改變硬件電路及結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過切換軟件的控制方式，到達(dá)直流無刷電機(jī)的兩種控制方式。通過物理位置成120度或60度放置在直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子周邊的三個(gè)霍爾傳感器反饋直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置，該傳感器通過整形濾波電路連接至MCU的捕獲中斷I/O 口，從而使MCU能方便的獲得轉(zhuǎn)子的精確位置。電流采集直接通過串接在直流母線上的高精度采樣電阻兩端的電壓，結(jié)合外圍電路濾波放大電路連接到MCU內(nèi)部的AD端口，MCU配合三個(gè)霍爾的狀態(tài)，換算出UVW三相的相電流。MCU結(jié)合采集到的轉(zhuǎn)子位 置和母線電流換算出直流無刷電機(jī)的相電流，為兩種模式的控制做準(zhǔn)備。除上述實(shí)施例外，本實(shí)用新型還可以有其他實(shí)施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本實(shí)用新型要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.ー種直流無刷電機(jī)雙模式控制裝置，包括中央處理器(I)、電源電路(10)，其特征是中央處理器⑴的輸出I/O ロ連有IPM智能功率模塊⑵，IPM智能功率模塊⑵連有直流無刷電機(jī)⑶，直流無刷電機(jī)⑶內(nèi)設(shè)有三個(gè)呈60度或120度角放置的霍爾傳感器⑷，三個(gè)霍爾傳感器⑷通過整形濾波電路⑵反饋到中央處理器(I)，IPM智能功率模塊(2)的公共地線通過高精度采樣電阻(6)回到直流母線的地端，高精度采樣電阻(6)兩端的電壓通過濾波放大電路(5)經(jīng)電流信號調(diào)理后回饋到中央處理器(I)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的直流無刷電機(jī)雙模式控制裝置，其特征是所述中央處理器(I)為內(nèi)置16K字節(jié)Flash，IK字節(jié)RAM的8位MCU。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的直流無刷電機(jī)雙模式控制裝置，其特征是所述中央處理器(I)與母線電壓檢測電路⑶相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的直流無刷電機(jī)雙模式控制裝置，其特征是所述中央處理器(I)與外部控制模擬量調(diào)理電路(9)相連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的直流無刷電機(jī)雙模式控制裝置，其特征是所述中央處理器(I)與控制模式選擇電路(11)相連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的直流無刷電機(jī)雙模式控制裝置，其特征是所述電源電路(10)包含本電路所需的四路獨(dú)立電源。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的直流無刷電機(jī)雙模式控制裝置，其特征是所述電源電路(10)包括交流濾波電路(12)、整流模塊(13)、PTC熱敏電阻(14)、直流濾波電路(15)和開關(guān)電源(16)，其中単相市電與交流濾波電路(12)連接，交流濾波電路(12)的輸出與整流模塊(13)連接，整流模塊(13)的輸出經(jīng)PTC熱敏電阻(14)與直流濾波電路(15)連接，直流濾波電路(15)連有開關(guān)電源(16)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種直流無刷電機(jī)雙模式控制裝置，包括中央處理器、電源電路，中央處理器的輸出I/O口連有IPM智能功率模塊，IPM智能功率模塊連有直流無刷電機(jī)，直流無刷電機(jī)內(nèi)設(shè)有三個(gè)呈60度或120度角放置的霍爾傳感器，三個(gè)霍爾傳感器通過整形濾波電路反饋到中央處理器，IPM智能功率模塊的公共地線通過高精度采樣電阻回到直流母線的地端，高精度采樣電阻兩端的電壓通過濾波放大電路經(jīng)電流信號調(diào)理后回饋到中央處理器。實(shí)用新型有益的效果是能在低成本的前提下有效的獲取相電流，從而進(jìn)行有效的轉(zhuǎn)矩控制，有助于市場推廣和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號H02P6/00GK202550948SQ20122015937
公開日2012年11月21日 申請日期2012年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月16日
發(fā)明者壽金喬, 張政毓, 王海兵 申請人:杭州銳方科技有限公司