三相直流無刷電機(jī)控制裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供一種三相直流無刷電機(jī)控制裝置，該裝置包括邏輯控制電路、功率元件驅(qū)動(dòng)電路、功率元件、霍爾傳感器，霍爾傳感器設(shè)置在三相直流無刷電機(jī)上，與所述邏輯控制電路連接，用于將電機(jī)磁體的位置和極性信息作為信號(hào)發(fā)送給邏輯控制電路；所述邏輯控制電路與功率元件驅(qū)動(dòng)電路連接，邏輯控制電路根據(jù)各輸入端輸入的信號(hào)生成用于電機(jī)控制的三相脈沖寬度調(diào)制信號(hào)；功率元件驅(qū)動(dòng)電路與功率元件連接，用于驅(qū)動(dòng)所述功率元件以能讓其正常工作，并同時(shí)對(duì)其進(jìn)行保護(hù)；功率元件與電機(jī)的三相繞組電路連接，用于控制三相繞組上的電流。本實(shí)用新型可以結(jié)合電機(jī)轉(zhuǎn)速的反饋對(duì)三相直流無刷電機(jī)進(jìn)行控制。
【專利說明】三相直流無刷電機(jī)控制裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種三相直流無刷電機(jī)控制裝置，屬于電機(jī)【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 電動(dòng)機(jī)（以下簡(jiǎn)稱電機(jī)）是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的主要設(shè)備，全球80%以上的電 能-機(jī)械能轉(zhuǎn)換都是通過電機(jī)完成的。電機(jī)作為風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)、機(jī)床等各種設(shè)備的動(dòng) 力源其應(yīng)用幾乎涵蓋了所有現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域，包括航空航天、軍事、汽車（尤其是電動(dòng)汽車）、 冶金、水利、石化、采掘、電廠、鋼廠等行業(yè)。
[0003] 提高電機(jī)效率的有效途徑是采用高效節(jié)能電機(jī)和電機(jī)控制系統(tǒng)。目前全球范圍內(nèi) 大量使用的電機(jī)主要包括直流電機(jī)（DC Motor，DCM)、感應(yīng)電機(jī)（Induction Motor，IM)、永 磁電機(jī)（Permanent Magnet Motor，PMM)和開關(guān)磁阻電機(jī)（Switched Reluctance Motor， SRM) 〇
[0004] 其中永磁電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)都屬于低能耗高效節(jié)能電機(jī)，正在被世界各國大 力推廣使用。開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性好，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩高，但轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) 大、噪聲大，控制系統(tǒng)復(fù)雜，其控制技術(shù)還處于研宄發(fā)展時(shí)期。永磁電機(jī)又包括直流無刷 (Brushless DC Motor，BLDC)和永磁同步（Permnent Magnet Synchronous Motor，PMSM) 電機(jī)兩大類。永磁電機(jī)用永磁體（稀土）產(chǎn)生磁場(chǎng)，突出優(yōu)點(diǎn)是體積小，質(zhì)量輕、基本免維 護(hù)、調(diào)速范圍廣，能達(dá)到更高的效率和功率密度。其中，永磁同步電機(jī)目前主要用于電動(dòng)汽 車等需要傳動(dòng)的應(yīng)用中，而本實(shí)用新型針對(duì)的直流無刷電機(jī)的應(yīng)用遍及家電、內(nèi)燃機(jī)汽車、 電動(dòng)汽車、飛機(jī)、直升機(jī)、重型機(jī)械等領(lǐng)域。
[0005] 節(jié)能電機(jī)要想實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能的目的，除了電機(jī)本身以外，更重要的是還要有與之 相配套的電機(jī)控制系統(tǒng)。目前先進(jìn)的電機(jī)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)、調(diào)速、調(diào)扭矩、無傳感 器控制等眾多功能，且具備過壓、過溫、過流等保護(hù)措施。應(yīng)用于航空航天及軍事領(lǐng)域的電 機(jī)控制系統(tǒng)還要求能在-55°c至+150°C、高溫高濕、強(qiáng)震動(dòng)、機(jī)械沖擊等復(fù)雜惡劣條件下長(zhǎng) 期穩(wěn)定工作。
[0006] 現(xiàn)在國際上常用的電機(jī)控制理論包括：
[0007] 1)空間矢量調(diào)制（Space vector modulation，SVM);
[0008] 2)磁場(chǎng)定向矢量控制（Field-oriented vectorcontrol，F(xiàn)OC);
[0009] 3)梯形控制（Trapizoidal Control，TC);
[0010] 4)正弦控制（Sinusoidal Control，SC);
[0011] 5)脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM);
[0012] 6)無傳感器磁通矢量位置估算法（Sensorless flux vector position estimation, SFVPE)；
[0013] 7)無傳感器速度估算法（Sensorless speed estimation，SSE);
[0014] 8)擴(kuò)展 Kalman 估算法（Extended Kalman estimator，EKE) 〇
[0015] 其中SVM在永磁同步電機(jī)、FOC在直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)中屬于控制精度、效率等 綜合性能非常好的控制理論。
[0016] 電機(jī)控制系統(tǒng)主要硬件包括電機(jī)控制1C和功率元件兩大類。電機(jī)控制1C包括以 下兩大類：
[0017] 1)智能控制1C :微控制單元（Micro Control Unit，MCU)、數(shù)字信號(hào)處理芯片 (Digital Signal Processor，DSP)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field Programmable Gate Array， FPGA)〇
[0018] 2) -般電機(jī)控制1C。
[0019] 功率元件主要包括金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，M0SFET)和絕緣柵型雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor， IGBT)〇
[0020] 其中MOSFET元件一般應(yīng)用于電壓小于等于250V，電流小于等于50A、高轉(zhuǎn)速電機(jī) 控制系統(tǒng)中。IGBT元件則可應(yīng)用于高壓（目前國外永磁電機(jī)最高電壓為1200V)和大電流 (蘭3600A)電機(jī)控制中。
[0021] 在跨入二十一世紀(jì)以后，國際先進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主要向以下幾個(gè)方向發(fā)展：
[0022] (1)數(shù)字化
[0023] 由數(shù)字電路及軟件構(gòu)成控制單元、通過功率輸出器件控制電機(jī)可以極大地提高控 制系統(tǒng)的靈活性和可控制性，用戶使用方便。在需要統(tǒng)一由計(jì)算機(jī)控制的設(shè)備如電動(dòng)汽車、 航空航天及軍事領(lǐng)域的裝備中應(yīng)用較廣。其缺點(diǎn)是成本較高、系統(tǒng)元件多、可控制的電機(jī)轉(zhuǎn) 速較低。
[0024] (2)集成模塊化
[0025] 隨著現(xiàn)代電動(dòng)裝備對(duì)體積、重量及系統(tǒng)集成方便程度等方面提出日益嚴(yán)格的要 求，電機(jī)控制系統(tǒng)不斷向高集成度、模塊化方向發(fā)展。尤其是采用大規(guī)模集成技術(shù)的通用電 機(jī)控制模塊不但使電機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)化、體積和重量顯著減少，而且系統(tǒng)功能和可靠性 得到極大提高，因此電機(jī)控制模塊的發(fā)展日益成為主流。
[0026] (3)智能化
[0027] 由智能控制IC如MCU、DSP、FPGA等為核心控制單元構(gòu)成的電機(jī)控制產(chǎn)品具有人機(jī) 界面友好、一套控制系統(tǒng)可控制不同類型電機(jī)、通過軟件可根據(jù)實(shí)際電機(jī)及負(fù)載情況采用 不同控制方法、可實(shí)時(shí)與上位控制系統(tǒng)通訊等諸多優(yōu)點(diǎn)，是目前電機(jī)控制發(fā)展的重要方向。 智能化的另一種表現(xiàn)形式是將數(shù)字控制系統(tǒng)與通用模擬控制模塊相結(jié)合，發(fā)揮數(shù)字和模擬 控制各自優(yōu)勢(shì)，極大地增加控制系統(tǒng)的靈活性、拓寬調(diào)速范圍并減小系統(tǒng)體積和重量、降低 成本。
[0028] (4)網(wǎng)絡(luò)化
[0029] 電機(jī)控制系統(tǒng)通過常用網(wǎng)絡(luò)通訊接口和協(xié)議與上位主控系統(tǒng)（通常為主控計(jì)算 機(jī)）直接或間接通訊、構(gòu)成電機(jī)網(wǎng)絡(luò)并實(shí)現(xiàn)近遠(yuǎn)程控制是電機(jī)控制系統(tǒng)的最新發(fā)展趨勢(shì)。 通過網(wǎng)絡(luò)控制各電機(jī)的運(yùn)行可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)構(gòu)成、便于集中控制。這樣的網(wǎng)絡(luò)集成電機(jī)控制 系統(tǒng)特別適合諸如飛機(jī)、直升機(jī)、航天飛行器、電動(dòng)汽車、各種泵站、風(fēng)機(jī)群等內(nèi)含多臺(tái)電機(jī) 的裝備。以飛機(jī)為例，一架大型民航客機(jī)內(nèi)部使用的直流無刷電機(jī)多達(dá)上百臺(tái)，主控系統(tǒng)通 過網(wǎng)絡(luò)（內(nèi)部局域網(wǎng)絡(luò)）直接對(duì)各部位電機(jī)進(jìn)行控制，使得控制更直觀、更簡(jiǎn)單、自動(dòng)化水 平更高。
[0030] (5)新電機(jī)控制理論不斷出現(xiàn)
[0031] 雖然目前電機(jī)控制理論已經(jīng)比較成熟，但新的控制理論和方法仍層出不窮。如 FOC、EKE等都是近年來新采用的控制理論。
[0032] 根據(jù)電機(jī)不同應(yīng)用條件，各種控制理論和方法均有應(yīng)用，但SVM控制在永磁同步 電機(jī)中、FOC在永磁直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)中都是目前國外公認(rèn)的控制精度高、效率好的控 制方法。
[0033] 我國是亞洲第一大電力消耗國，電機(jī)用電量達(dá)到工業(yè)用電總量的80%以上，因此 電機(jī)能源效率水平的提高對(duì)我國能源節(jié)約、環(huán)境保護(hù)以及資金節(jié)約均具有重要意義。雖然 近年來中國電機(jī)行業(yè)整體發(fā)展迅速，產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高，但電機(jī)在使用壽命、可靠性、材料 消耗、噪聲及振動(dòng)消減等方面仍有缺陷。
[0034] 首先是電機(jī)控制系統(tǒng)的集成度不高、集成模塊非常少、采用的控制方法較簡(jiǎn)單、甚 至在系統(tǒng)散熱方面也存在問題。這種現(xiàn)狀造成電機(jī)控制方面的產(chǎn)品存在體積大、重量大、效 率低等一系列問題。
[0035] 其次是電機(jī)控制系統(tǒng)廠家標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的產(chǎn)品種類非常少，很少能夠提供全面 的電機(jī)控制解決方案。其電機(jī)控制系統(tǒng)在電路設(shè)計(jì)、采用的控制方法、生產(chǎn)質(zhì)量控制、可靠 性測(cè)試等諸多方面都不規(guī)范，造成產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)較大，在惡劣環(huán)境中的工作穩(wěn)定性不高，且 使用壽命短。
[0036] 以上種種原因造成了電機(jī)控制系統(tǒng)整體水平較低的現(xiàn)狀，導(dǎo)致我國節(jié)能電機(jī)不能 充分發(fā)揮其高效節(jié)能的特點(diǎn)，其實(shí)際效率只能達(dá)到85%左右，這也對(duì)電動(dòng)產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步 也造成了一定的阻力。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0037] 本實(shí)用新型的實(shí)施例提供一種三相直流無刷電機(jī)控制裝置，能夠集功率、驅(qū)動(dòng)和 控制于一體，并結(jié)合電機(jī)轉(zhuǎn)速的反饋對(duì)三相直流無刷電機(jī)進(jìn)行控制。
[0038] 為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型的實(shí)施例采用如下技術(shù)方案：
[0039] -種三相直流無刷電機(jī)控制裝置，包括邏輯控制電路、功率元件驅(qū)動(dòng)電路、功率元 件、霍爾傳感器，
[0040] 所述霍爾傳感器設(shè)置在三相直流無刷電機(jī)上，與所述邏輯控制電路連接，用于將 電機(jī)磁體的位置和極性信息作為信號(hào)發(fā)送給所述邏輯控制電路；
[0041] 所述邏輯控制電路與所述功率元件驅(qū)動(dòng)電路連接，所述邏輯控制電路具有速度/ 扭矩選擇信號(hào)輸入端、啟/停選擇信號(hào)輸入端、驅(qū)動(dòng)象限選擇信號(hào)輸入端、轉(zhuǎn)向信號(hào)輸入 端、剎車信號(hào)輸入端，所述邏輯控制電路根據(jù)各輸入端輸入的信號(hào)生成用于電機(jī)控制的三 相脈沖寬度調(diào)制信號(hào)；
[0042] 所述功率元件驅(qū)動(dòng)電路與所述功率元件連接，用于驅(qū)動(dòng)所述功率元件以能讓其正 常工作，并同時(shí)對(duì)其進(jìn)行保護(hù)；
[0043] 所述功率元件與所述電機(jī)的三相繞組電路連接，用于控制三相繞組上的電流。
[0044] 進(jìn)一步地，三相直流無刷電機(jī)控制裝置還包括過載保護(hù)電路，所述過載保護(hù)電路 與所述功率元件連接，用于檢測(cè)所述電機(jī)的溫度、所述三相繞組的電流和電壓，并在所述電 機(jī)的溫度、所述三相繞組的電流和電壓超過額定值的情況下，關(guān)閉所述功率元件。
[0045] 進(jìn)一步地，所述功率元件數(shù)量為6個(gè)，每?jī)蓚€(gè)功率元件對(duì)應(yīng)電機(jī)的一相繞組。
[0046] 進(jìn)一步地，所述功率元件為金氧半場(chǎng)效晶體管或者絕緣柵雙極型晶體管。
[0047] 本實(shí)用新型實(shí)施例提供的三相直流無刷電機(jī)控制裝置，集功率、驅(qū)動(dòng)和控制于一 體，并結(jié)合電機(jī)轉(zhuǎn)速的反饋對(duì)三相直流無刷電機(jī)進(jìn)行控制，構(gòu)成了一套完整的三相直流無 刷電機(jī)控制集成系統(tǒng)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0048] 圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例一提供的三相直流無刷電機(jī)控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0049] 圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例二提供的電壓（轉(zhuǎn)速）控制模式的三相直流無刷電機(jī)控 制裝置的外部連接電路的示意圖；
[0050] 圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例二提供的電流（轉(zhuǎn)矩）控制模式的直流無刷電機(jī)控制裝 置的外部連接電路的示意圖；
[0051] 圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例二提供的直流無刷電機(jī)控制裝置與電機(jī)的連接電路的 示意圖；
[0052] 圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的三相直流無刷電機(jī)控制裝置的封裝結(jié)構(gòu)裝配圖；
[0053] 圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的三相直流無刷電機(jī)控制裝置的封裝圖。
[0054] 附圖標(biāo)號(hào)說明：1_1 :邏輯控制電路；1-2 :功率元件驅(qū)動(dòng)電路；1-3 :功率元件； 1-4 :過載保護(hù)電路；1-5 :霍爾傳感器。

【具體實(shí)施方式】
[0055] 下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0056] 實(shí)施例一
[0057] 如圖1所示，其為本實(shí)用新型實(shí)施例一提供的三相直流無刷電機(jī)控制裝置的結(jié)構(gòu) 示意圖，其包括邏輯控制電路1-1，功率元件驅(qū)動(dòng)電路1-2,功率元件1-3、霍爾傳感器1-5， 其中，各部分功能如下：
[0058] 霍爾傳感器1-5設(shè)置在三相直流無刷電機(jī)上，與邏輯控制電路1-1連接，用于將電 機(jī)磁體的位置和極性信息作為信號(hào)發(fā)送給邏輯控制電路1-1。其中，邏輯控制電路1-1可 以提供給霍爾傳感器1-5提供+5VDC的參考電壓，而霍爾傳感器1-5反饋給邏輯控制電路 1-1電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。
[0059] 邏輯控制電路1-1與功率元件驅(qū)動(dòng)電路1-2連接，邏輯控制電路1-1具有速度/扭 矩選擇信號(hào)輸入端、啟/停選擇信號(hào)輸入端、驅(qū)動(dòng)象限選擇信號(hào)輸入端、轉(zhuǎn)向信號(hào)輸入端、 剎車信號(hào)輸入端，邏輯控制電路1-1根據(jù)各輸入端輸入的信號(hào)生成用于電機(jī)控制的三相脈 沖寬度調(diào)制信號(hào)。其中，該邏輯控制電路1-1可以使用型號(hào)為UC2625的無刷電機(jī)控制器來 實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然也可以通過其他硬件邏輯電路實(shí)現(xiàn)。
[0060] 功率元件驅(qū)動(dòng)電路1-2與功率元件1-3連接，用于驅(qū)動(dòng)功率元件1-3以能讓其正 常工作，并同時(shí)對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。其中，所述功率元件數(shù)量為6個(gè)，每?jī)蓚€(gè)功率元件對(duì)應(yīng)電機(jī) 的一相繞組。所述功率元件可以采用金氧半場(chǎng)效晶體管（MOSFET)或者絕緣柵雙極型晶體 管（IGBT)。
[0061] 功率元件1-3與電機(jī)的三相繞組電路連接，用于控制三相繞組上的電流。
[0062] 進(jìn)一步地，上述裝置還可以包括：過載保護(hù)電路1-4與功率元件1-3連接，用于檢 測(cè)電機(jī)的溫度、三相繞組的電流和電壓，并在電機(jī)的溫度、三相繞組的電流和電壓超過額定 值的情況下，關(guān)閉功率元件。
[0063] 實(shí)施例二
[0064] 基于上述實(shí)施例一的硬件結(jié)構(gòu)，在實(shí)際應(yīng)用中，具有兩種電路接線模式：電壓（轉(zhuǎn) 速）控制模式和電流（轉(zhuǎn)矩）控制模式。
[0065] 圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例二提供的電壓（轉(zhuǎn)速）控制模式的三相直流無刷電機(jī)控 制裝置的外部連接電路的示意圖。圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例二提供的電流（轉(zhuǎn)矩）控制模 式的直流無刷電機(jī)控制裝置的外部連接電路的示意圖。圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例二提供的 直流無刷電機(jī)控制裝置與電機(jī)的連接電路的示意圖。其中，圖中標(biāo)號(hào)為GTMC25-60的電路 模塊為將上述三相直流無刷電機(jī)控制裝置中除了霍爾傳感器外的其余部件封裝后的電路 模塊。圖中各個(gè)引腳的功能詳見下表：
[0066]

【權(quán)利要求】
1. 一種三相直流無刷電機(jī)控制裝置，其特征在于，包括邏輯控制電路、功率元件驅(qū)動(dòng)電 路、功率元件、霍爾傳感器， 所述霍爾傳感器設(shè)置在三相直流無刷電機(jī)上，與所述邏輯控制電路連接，用于將電機(jī) 磁體的位置和極性信息作為信號(hào)發(fā)送給所述邏輯控制電路； 所述邏輯控制電路與所述功率元件驅(qū)動(dòng)電路連接，所述邏輯控制電路具有速度/扭 矩調(diào)節(jié)選擇信號(hào)輸入端、啟/停選擇信號(hào)輸入端、驅(qū)動(dòng)象限選擇信號(hào)輸入端、轉(zhuǎn)向信號(hào)輸入 端、剎車信號(hào)輸入端，所述邏輯控制電路根據(jù)各輸入端輸入的信號(hào)生成用于電機(jī)控制的三 相脈沖寬度調(diào)制信號(hào)； 所述功率元件驅(qū)動(dòng)電路與所述功率元件連接，用于驅(qū)動(dòng)所述功率元件以能讓其正常工 作，并同時(shí)對(duì)其進(jìn)行保護(hù)； 所述功率元件與所述電機(jī)的三相繞組電路連接，用于控制三相繞組上的電流。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三相直流無刷電機(jī)控制裝置，其特征在于，還包括過載保護(hù) 電路，所述過載保護(hù)電路與所述功率元件連接，用于檢測(cè)所述電機(jī)的溫度、所述三相繞組的 電流和電壓，并在所述電機(jī)的溫度、所述三相繞組的電流和電壓超過額定值的情況下，關(guān)閉 所述功率元件。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三相直流無刷電機(jī)控制裝置，其特征在于，所述功率元件數(shù) 量為6個(gè)，每?jī)蓚€(gè)功率元件對(duì)應(yīng)電機(jī)的一相繞組。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三相直流無刷電機(jī)控制裝置，其特征在于，所述功率元件為 金氧半場(chǎng)效晶體管或者絕緣柵雙極型晶體管。
【文檔編號(hào)】H02P6/08GK204258680SQ201420821828
【公開日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年12月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月22日
【發(fā)明者】劉立東 申請(qǐng)人:北京航天萬方科技有限公司