本發(fā)明涉及電力電子技術(shù)及電機驅(qū)動控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種大功率無刷直流電機控制器的小型化設(shè)計。

背景技術(shù)：

在嵌入式系統(tǒng)中，無刷直流電動機是在有刷直流電動機的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。有刷直流電動機從19世紀40年代出現(xiàn)以來，以其運行效率高、調(diào)速性能好以及優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩控制特性等諸多優(yōu)點，在相當長的一段時間內(nèi)一直在運動控制領(lǐng)域占據(jù)主導地位。但由于電刷和機械換向裝置的存在，限制了其發(fā)展和應(yīng)用范圍。機械換向不良的后果是電刷產(chǎn)生危害性火花，嚴重時可能產(chǎn)生環(huán)火，在大功率電機中顯得尤為突出。同時，直流電動機換向火花能引起對無線電通信及控制設(shè)備的電磁干擾，轉(zhuǎn)速也受到機械換向的限制而不能很高，這些缺點在很長時間內(nèi)沒有得到根本改善。

無刷直流電機(BLDCM)的出現(xiàn)克服了以上這些缺點，眾所周知，無刷直流電機由三部分組成，分別是：電機本體、霍爾位置傳感器、電機控制器。另一方面，霍爾位置傳感器安裝在電機內(nèi)部，故電機控制器的小型化與輕重量，對航空用無刷直流電機來說就顯得尤為重要。同時無刷直流電機的控制方式，也逐漸實現(xiàn)由模擬化向數(shù)字化的轉(zhuǎn)變。

隨著科技的高速發(fā)展，各類用于電機控制的高性能微控制器的種類與功能越來越豐富，運算速度也有了質(zhì)的飛越，同時價格也越來越低廉，例如意法半導體公司推出的STM32F103系列專門用于電機控制的單片機芯片，其內(nèi)部具有高級定時器與通用定時器，功能強大，方便電機控制，工作主頻可達72MHz，在硬件基礎(chǔ)上，可完全實現(xiàn)絕大部分交流電機的實時控制算法。

從電機驅(qū)動模塊來說，目前大部分現(xiàn)有的電機驅(qū)動模塊較多的采用了IPM模塊來實現(xiàn)三相全橋的逆變功能，該方法的優(yōu)點是集成度高、電路結(jié)構(gòu)簡單；缺點是價格高，一旦損壞，必須替換整個模塊，維修成本高。最重要的是體積大，重量大，不符合航空系統(tǒng)對小型化與輕重量的要求。

在航空應(yīng)用方面，飛機的泵類負載較多，所以泵用航空無刷直流電機控制系統(tǒng)的小型化與輕重量就顯得尤為重要，故航空泵用無刷直流電機控制系統(tǒng)在逐漸實現(xiàn)體積上的小型化。

在BLDCM數(shù)字控制領(lǐng)域，最經(jīng)典的控制設(shè)計莫過于DSP與CPLD的組合，但基于控制系統(tǒng)對輕重量與小型化的要求，以及對DSP價格的考慮，本發(fā)明控制器選用意法半導體推出的ARM(STM32)系列微控制器，與DSP和CPLD相比，ARM大大減小了控制電路板的體積，同時ARM具有強大的外設(shè)功能，并提供豐富的庫函數(shù)，縮短了開發(fā)時間；另一方面，ARM芯片與DSP和CPLD組合相比，器件本身體積小，從電路設(shè)計與印制電路板層面看，也減少了控制器的體積，且設(shè)計靈活，可靠性高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

要解決的技術(shù)問題

為了解決航空泵用無刷直流電機控制系統(tǒng)的小型化問題，本發(fā)明提出了一種基于ARM構(gòu)架下STM32微控制器與光耦HCPL-316J驅(qū)動的無刷直流控制器的電路設(shè)計，力圖實現(xiàn)在大功率驅(qū)動的同時，從印制電路板與電路設(shè)計方面減小控制器的體積與重量。

技術(shù)方案

一種小型化大功率無刷直流電機控制器，其特征在于包括STM32單片機核心控制器模塊、模擬信號采樣模塊、隔離電路模塊、功率驅(qū)動模塊、硬件保護電路模塊和RS-422通信接口模塊；模擬信號采樣模塊連接于驅(qū)動電源模塊與STM32的AD接口之間，將母線電壓及電流進行采樣和調(diào)理后輸入到STM32的AD接口；隔離電路模塊連接于功率驅(qū)動模塊與STM32的PWM信號輸出端之間，實現(xiàn)對強弱電的隔離；RS-422通信接口模塊連接于STM32片上通信接口與上位計算機之間，用于數(shù)據(jù)的實時處理和對BLDCM轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)、狀態(tài)的控制；STM32的定時器接口與BLDCM霍爾檢測口相連用來檢測BLDCM的霍爾信號；硬件保護電路模塊連接于模擬信號采樣模塊與STM32片上故障判定接口之間，實現(xiàn)對控制器的過流、過熱的保護；功率驅(qū)動模塊連接于驅(qū)動電源直流母線與BLDCM三相繞組引出線之間，完成對BLDCM的驅(qū)動。

所述的功率驅(qū)動模塊采用賽米控Semikron公司的IGBT三相全橋功率逆變模塊，型號為SK200GD066T。

所述STM32單片機核心控制器模塊型號為STM32F103VCT6。

所述的模擬信號采樣模塊包括電壓采樣模塊和電流采樣模塊，其中電壓采樣模塊包括電壓傳感器HNV025A、電阻R7、電阻R3、電阻R2、濾波電容C4、限流電阻R22、濾波電阻R1、濾波電容C3、二極管BAT54S和運算放大器U1；其中電阻R7位于電壓傳感器HNV025A的P_BUS端，電壓傳感器HNV025A的輸出端連接限流電阻R22后再到運算放大器U1的正端，C4與R3并接后接地，BAT54S輸出端接至U1正端，R2接至U1負端與輸出端，R1一端與U1輸出端連接，另一端與C3一端連接作為調(diào)理電路輸出V_BUS，C3另一端連接至地；其中電流采樣模塊包括電流傳感器CSNF161、輸出電阻R10、濾波電阻R7、濾波電容C8、運算放大器U2、二極管BAT54S、濾波電阻R5、濾波電容C9、電阻R12、電阻R6、電阻R11和電容C11，其中R10與C11并聯(lián)后，一端接地，另一端接電流傳感器輸出，R7與C8連接后，一端接地，另一端接至電流傳感器輸出，BAT54S輸出端接至U2正端，R6與R11連接后，一端接地，一端接至U2輸出端，電阻R12連接于U2輸出端與Q點之間，R5一端與U2輸出端連接，另一端與C9一端連接作為調(diào)理電路輸出I_BUS。

所述的硬件保護電路模塊包括電阻R8、R9、R13、R14、電容C13、C15和運算放大器U3；其中R8與C13并聯(lián)后，一端連接至Q點和U3輸入端，另一端接地，R13、R14與C15連接后接至U3負端，R13與C15另一端接地，R14另一端接3.3V電源，R9一端接3.3V電源，另一端接至U3輸出端作為信號輸出Over_Current。

所述的隔離電路模塊包括電阻R11、R28、R29、R31、R42、R43、電容C48、C49、二極管D7、雙向穩(wěn)壓管TVS7和光耦HCPL-316J；其中R11與R28分別連接在HCPL-316J的VIN+與VIN-引腳，同時HCPL-316J的VIN+與VIN-引腳接STM32單片機核心控制器的PWM_EN與PWM4信號，RESET與FAULT引腳分別接FT_CLR信號與DOWN_FT信號，F(xiàn)AULT與VLED1-之間接C49，VE與DESAT引腳之間接C48，VE端接地，DESAT端接D7后引出驅(qū)動信號POWER_UO，VEE連接-9V電壓后與VOUT之間連接R31，R42與R43并聯(lián)一端接與VOUT端，另一端與R16和TVS7并聯(lián)后的一端相連，同時引出驅(qū)動信號Q_UN，R16和TVS7并聯(lián)后的另一端接地。

一種小型化大功率無刷直流電機控制器的布局結(jié)構(gòu)，其特征在于包括100mm*110mm電機驅(qū)動板與100mm*110mm電機控制板，其中電機驅(qū)動板上的一面上布有隔離電路模塊和矩形連接插座2，另一面上布有功率驅(qū)動模塊；電機控制板的一面上布有STM32單片機核心控制器模塊、模擬信號采樣模塊、硬件保護電路模塊和RS-422通信接口模塊，另一面上布有矩形連接插座1；電機驅(qū)動板和電機控制板豎立平行放置，兩者之間通過支撐桿實現(xiàn)機械連接，通過矩形連接插座1和2實現(xiàn)電連接。

工作過程：當控制電進行上電之后，控制器進行上電自檢，STM32核心控制器進行復(fù)位；當驅(qū)動電源上電之后，模擬信號采樣模塊采集母線電壓與電流，并將經(jīng)過調(diào)理之后得到的母線電壓與電流送入STM32核心控制器AD接口進行AD轉(zhuǎn)化，同時將轉(zhuǎn)化得到的數(shù)字量經(jīng)過解算之后通過RS-422通信模塊上傳至上位計算機，以便于進行母線電壓與電流的實時監(jiān)測與功率的核算；與此同時，STM32核心控制器產(chǎn)生的PWM波通過控制三相全橋逆變模塊的開關(guān)管的導通順序，將該直流電逆變?yōu)闊o刷直流電機所需要的交流電；其中STM32核心控制器通過6個光耦HCPL-316J實現(xiàn)對三相全橋逆變器的驅(qū)動，并實現(xiàn)強電與弱電的隔離；硬件電路保護模塊通過將模擬信號采樣模塊實時輸出的母線電流值與設(shè)定保護的閾值進行比較，當確定電流值大于其保護值時，通過STM32片上故障判定功能，關(guān)閉PWM輸出，使電機實現(xiàn)停機保護；STM32核心控制器的通用定時器通過檢測霍爾信號對BLDCM的轉(zhuǎn)子位置進行判斷，同時通過通用定時器的中斷功能對BLDCM進行測速。

有益效果

本發(fā)明提出的一種小型化大功率無刷直流電機控制器，采用STM32F103VCT6電機控制專用單片機，能大大提高無刷直流電機的控制精度與穩(wěn)定性，與采用DSP+CPLD作為主控制器的無刷直流電機控制器相比，減少了控制系統(tǒng)體積。在電路設(shè)計方面，精簡了電路，模擬采樣模塊與硬件保護模塊采用較少的集成運算放大器以及比較器，完成了對電壓、電流的采樣以及母線電流的檢測與保護，優(yōu)化了電路，同時采用HCPL-316J對三相全橋模塊進行驅(qū)動，避免了采用IPM的體積大，重量大的缺點，從印制電路板設(shè)計層面，大大降低控制器體積與成本。本發(fā)明還采用了電流與速度的雙閉環(huán)控制，可大大提高無刷直流電動機系統(tǒng)的魯棒性，降低電機的轉(zhuǎn)矩脈動，具有極佳的應(yīng)用推廣前景。

附圖說明

圖1 BLDCM控制器總體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2電壓采樣電路原理圖

圖3電流采樣電路原理圖

圖4過流保護電路原理圖

圖5一個IGBT的HCPL-316J光耦隔離

圖6電機驅(qū)動板

圖7電機控制板

圖8電機控制器布局結(jié)構(gòu)圖

具體實施方式

現(xiàn)結(jié)合實施例、附圖對本發(fā)明作進一步描述：

如圖1所示，本發(fā)明包括STM32核心控制器模塊、模擬信號采樣模塊、隔離電路模塊、功率驅(qū)動模塊、硬件保護電路模塊和RS-422通信接口模塊。功率驅(qū)動模塊采用采用賽米控(Semikron)公司的IGBT三相全橋功率逆變模塊，型號為SK200GD066T，該模塊封裝后的體積僅為61mm×55mm×12mm，相比于分立式三相逆變器結(jié)構(gòu)布局，占用體積縮小很多，由于整個背面都是散熱板(紫銅材料)，散熱效果好，很適用于無刷電機驅(qū)動器的小型化，其內(nèi)部單個IGBT最大集-射極電壓VCES＝600V，最大集電極電流IC＝200A，符合本大功率電機的驅(qū)動功率要求。硬件電路保護模塊主要是通過采集到的直流母線電流的實時值與之前設(shè)定的電流保護閾值進行比較器的比較，從而對直流母線電流進行有效的檢測，實現(xiàn)控制器的過流保護。

給整個系統(tǒng)供電的為270V直流電，STM32核心控制器通過控制三相全橋逆變模塊的開關(guān)管的導通順序，將該直流電逆變?yōu)闊o刷直流電機所需要的交流電，其中STM32核心控制器通過光耦(HCPL-316J)實現(xiàn)對三相全橋逆變器的驅(qū)動。另一方面，還可以利用光耦(HCPL-316J)，對功率電部分與弱電部分實現(xiàn)隔離，從而保證系統(tǒng)的安全運行。STM32核心控制器模塊還與模擬信號采樣模塊、通信接口模塊，用于電機數(shù)據(jù)的實時處理和對電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)、狀態(tài)的控制。同時，STM32核心控制器還與RS422通信芯片ADM2681E接口相連，便于與其他設(shè)備進行實時的通信(本系統(tǒng)主要是指上位計算機)，從而使得本系統(tǒng)更具有擴展性。

模擬信號采樣模塊包括電壓采集模塊和電流采集模塊。

如圖2所示，為電壓采集模塊電路原理圖，為了實現(xiàn)對電壓的精確測量，以便于功率的計算，故采用HNV025A型電壓傳感器，首先在驅(qū)動電源上電之后，通過電阻R7限制原邊電流為毫安級，利用電壓傳感器的變比，把原邊電流感應(yīng)到電壓傳感器的后級，再通過R3電阻轉(zhuǎn)化為電壓，從而通過電流的傳輸來對電壓進行測量，再通過U1與R2組成的電壓跟隨器對電壓傳感器輸出后的電壓信號濾波，連接至STM32單片機的AD接口(PC3)。其中：C4為濾波電容，R22為限流電阻，R1與C3是對輸出至STM32的AD信號進行濾波，其中R1為51歐，C3為102。二極管BAT54S是對運算放大器U1的電壓進行鉗位，使其在0～3.3V之間，避免電壓傳感器的供電電壓對運放的影響。

如圖3所示，為電流采集模塊電路原理圖，為了實現(xiàn)航空航天所需的重量輕與小型化，以及對電流的精確測量，只采用了一個CSNF161型電流傳感器對直流母線電流進行測量。首先，母線電流通過輸出電阻R10使電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，再通過電阻R7與電容C8進行濾波，然后連接至運算放大器U2，并通過R6與R11，使得信號放大1.5倍輸出后，進行對電壓信號進行濾波，再連接至STM32的AD接口(PC1)。電阻R5與電容C9是對輸出至STM32的AD信號進行濾波，其中R5為51歐，C9為102。二極管BAT54S是對運算放大器U2的前級電壓進行鉗位，使其在0～3.3V之間，避免電流傳感器的供電電壓對運放的影響。

如圖4所示，為硬件保護電路模塊電路原理圖，Q點與電流傳感器的Q腳相連接，電阻R8、R13、R14均為分壓電阻，電容C13、C15為濾波電容。比較器U3正端為直流母線電流通過調(diào)理后得到的電壓信號，再通過與R13分到的電壓進行比較。輸出信號Over_Current連接至STM32的剎車引腳PE15(TIM1_BKIN)端，當比較器正端的母線電流通過調(diào)理后得到的電壓信號大于預(yù)先設(shè)定的保護值，輸出信號Over_Current變?yōu)楦唠娖?，通過TIM1_BKIN(STM32的剎車引腳PE15)封鎖STM32的定時器1發(fā)出的PWM波，從而實現(xiàn)對電機與控制器的保護。

如圖5所示，為隔離電路模塊電路原理圖，具體采用HCPL-316J光耦隔離與驅(qū)動電路。其中，POWER_UO、Q_UN、QGND分別對應(yīng)IGBT的集電極、柵極和發(fā)射極。電路主要由HCPL-316J芯片組成。當過流信號足夠大時外部保護電路將PWM_EN拉低至低電平，使HCPL-316J封鎖PWM的輸出，實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的硬件保護。管腳VIN-接PWM信號。正常工作時，HCPL-316J芯片VIN+端與VOUT端保持輸入輸出的同步同相，響應(yīng)時間小于500ns。驅(qū)動電路輸出級通過分別串接的電阻R42和R43，調(diào)節(jié)IGBT的開通和關(guān)斷速度。由于IGBT柵極耐壓約±20V，超出該值極易將其擊穿而造成損壞，為防止強電磁干擾感應(yīng)出高電壓和柵極電路出現(xiàn)振蕩，同時為降低輸入阻抗，故在柵極與發(fā)射極之間并聯(lián)箝位電阻R16和雙向穩(wěn)壓管TVS7。其中，+15V和-9V電壓由DC/DC電源變換模塊提供。

如圖6所示，為電機驅(qū)動板的布局結(jié)構(gòu)圖，電機驅(qū)動板為100mm*110mm的電路板，一面上布有隔離電路模塊和矩形連接插座2，另一面上布有功率驅(qū)動模塊。

如圖7所示，為電機控制板的布局結(jié)構(gòu)圖，電機控制板為100mm*110mm的電路板，一面上布有STM32單片機核心控制器模塊、模擬信號采樣模塊、硬件保護電路模塊和RS-422通信接口模塊，另一面上布有矩形連接插座1。

如圖8所示，將電機驅(qū)動板和電機控制板豎立平行放置，兩者之間通過支撐桿實現(xiàn)機械連接，通過矩形連接插座1和2實現(xiàn)電連接，采用這種布局結(jié)構(gòu)，與同等大功率無刷直流電機控制器主電路板相比，大大減小了控制器的體積，使得控制器小型化。

綜上所述，本發(fā)明通過上述實施舉例的一種大功率無刷直流電機控制器的小型化設(shè)計，采用的STM32單片機成本低，性能優(yōu)異，并且與DSP和CPLD作為主控制器的無刷直流電機控制器相比，減小了體積與成本。在電路設(shè)計方面，精簡了電路，模擬采樣模塊與硬件保護模塊采用較少的集成運算放大器以及比較器，完成了對電壓、電流的采樣以及母線電流的檢測與保護，優(yōu)化了電路，同時采用基于HCPL-316J的優(yōu)化電路對三相全橋模塊進行驅(qū)動，增加了驅(qū)動的可靠性，同時避免了采用集成模塊IPM的價格高，一旦損壞，必須替換整個模塊，維修成本高的缺點，最重要的是體積大，重量大，不符合航空系統(tǒng)對小型化與輕重量的要求。本發(fā)明還采用了電流與速度的雙閉環(huán)控制，可大大提高無刷直流電動機系統(tǒng)的魯棒性，降低電機的轉(zhuǎn)矩脈動。通過這些措施，使得整個控制系統(tǒng)的成本大大降低，重量變輕，體積變小，市場前景廣大。