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一种直流无刷电机的驱动波形设计系统

阅读：889发布：2020-05-11

专利汇可以提供一种直流无刷电机的驱动波形设计系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明一种直流无刷电机的驱动波形设计系统属于无刷直流电机的驱动控制领域，涉及到无刷直流电机的驱动波形的设计。该系统以微控制器为核心，由电源管理模块，隔离模块，数模转换控制模块，运算放大模块，三相六桥驱动模块，电流检测模块构成。电源管理模块的数字输出端与微控制器和隔离模块相连，模拟输出端分别与隔离模块、数模转换控制模块、运算放大模块、三相六桥驱动模块、电流检测模块相连。微控制器的输出端与隔离模块的输入端相连，输入端与隔离模块的输出端相连，隔离模块的输出端与数模转换控制模块的输入端相连。该系统具有很好的鲁棒性，不仅满足现今新能源电动汽车的安全性与稳定性要求，也可用于各种工业场合，提高经济效益。，下面是一种直流无刷电机的驱动波形设计系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种直流无刷电机的驱动波形设计系统，其特征在于，该系统以微控制器为核心，由电源管理模块，隔离模块，数模转换控制模块，运算放大模块，三相六桥驱动模块，电流检测模块组成；电源管理模块的数字输出端与微控制器和隔离模块相连，模拟输出端分别与隔离模块，数模转换控制模块，运算放大模块，三相六桥驱动模块，电流检测模块相连；微控制器的输出端与隔离模块的输入端相连，输入端与隔离模块的输出端相连；隔离模块的输出端与数模转换控制模块的输入端相连；数模转换控制模块的输出端与运算放大模块的输入端相连；运算放大模块的输出端与三相六桥驱动模块的输入端相连；电流检测模块输出端与隔离模块的输入端相连；
所述的电源管理模块用于将单一开关电源+24V通过隔离电源DC-DC产生数字电源部分和模拟电源部分，分别为主控部分和模拟驱动部分供电；数字电源部分进一步降压为微控制器+3.3V供电与隔离模块+5V供电，模拟电源部分进一步降压为DAC数模转换芯片+5V供电，运算放大器+15V供电，半桥驱动芯片+15V供电，电流检测芯片+5V供电；
微控制器为系统核心，其片内具有定时器模块，中断响应模块和模数转换模块；首先使用其中通用定时器产生三路频率为F的上桥臂方波驱动信号，对于无刷直流电机，其理论转速n与极对数P，每秒换向频率f的关系为：
而由于无刷直流电机采用三相霍尔位置反馈，所以上桥臂方波驱动信号的频率F与其转速n的关系为：
微控制器根据外部中断反馈的三相霍尔信号HA,HB,HC判断当前转子的位置，同时需要根据这三相霍尔信号产生三路上桥臂调制信号和下桥臂方波控制信号，其频率F由上述公式(1)和(2)得到；由于三相霍尔信号HA,HB,HC相互之间的相位差为120°，可根据这三相霍尔信号产生三路相位差为120°的上桥臂调制信号和下桥臂方波控制信号。并且微控制器通过片内数模转换控制器结合外围电流检测模块，来采集当前实时速度和实时电流，以监控电机的实时运行状态。
所述的隔离模块采用多通道高速磁耦隔离，既保证了高频信号在隔离时不会产生失真，又实现了控制器信号与驱动信号的电平转换。用于将微制；用于将微控制器的信号源与模拟驱动信号源进行隔离，以保证微控制器不受前级模拟驱动部分的干扰；隔离模块包括输出隔离部分和输入隔离部分，输出隔离部分既包括三路上桥臂的驱动信号和调制信号，也包括三路下桥臂的驱动信号；输入隔离部分既包括三路相位差为120°的霍尔电平信号，也包括电流采集模块转化后的电压信号；
所述的数模转换控制模块用于根据微控制器产生的三路具有120°相位差的上桥臂调制信号对原本的三路上桥臂载波控制信号分别进行调制，采用的调制方法为幅值调制，最终生成三路具有120°相位差的上桥臂调制波信号；为得到信号相乘后的波形，选择数模转换控制器，并控制其参考电压VREF以上桥臂载波控制信号的频率F来改变；由于数模转换控制器最终输出为电流信号，因此需要结合运算放大器将电流信号转换为电压信号；结合其数据手册，得到转换电压值Vout和输入数字量D的关系为：
其中n为数模转换控制器的转换精度，D的大小由其数字输入端接口电平来决定；
所述的运算放大模块有两个部分组成，一个部分为同相放大器，另一个部分为电压跟随器，其用于将三路具有120°相位差的上桥臂调制波信号和下桥臂控制信号进行进一步放大，得到三路具有120°相位差的上桥臂与下桥臂驱动信号，实现对后级驱动信号与前级控制信号之间的隔离；
所述的电流检测模块，该模块通过将采样电路采集到的电流信号转换为电压信号，经过放大与模数转换后传回微控制器处理；电流检测模块包括采样电路，电压基准源电路，差分放大电路，电压比较电路，AD模数转换电路；
所述的三相六桥驱动模块用于根据运算放大后的三路具有120°相位差的上桥臂与下桥臂驱动信号来进行功率放大，最终产生三相驱动波形，实现对无刷电机的换向与转速控制；该模块还包括半桥驱动波形控制模块和功率放大模块；半桥驱动波形控制模块包括快恢复二极管，泄流电阻和自举电容；快恢复二极管既用于当上桥臂场效应管关断时为自举电容充电提供正向电流通道，又用于当上桥臂场效应管开通时，阻止电流反向流入控制端电压；泄流电阻既用于使上桥臂能够快速关断，减少开关损耗，缩短场效应管关断时的不稳定过程，又用于避免上桥臂快速开通时上桥臂的栅极电压耦合上升而导致上下桥臂穿通的现象；自举电容，其参数直接影响着最后输出的驱动波形的稳定性，其最小容量C由以下公式得出：
其中，QG为上桥臂场效应管的栅极电荷，IQBS为上桥臂驱动电路的静态电流，QLS为驱动IC中电平转换电路的电荷要求，ICBS为自举电容的漏电流，VCC为负载上下桥压降，VF为快恢复二极管正向压降，VLS为下桥臂器件压降或上桥臂负载压降，f为工作频率。

说明书全文

一种直流无刷电机的驱动波形设计系统

技术领域

[0001] 本发明属于无刷直流电机驱动控制领域，涉及到无刷直流电机的驱动波形的设计与优化，应用于工业生产涉及无刷电机驱动的场合。

背景技术

[0002] 随着新能源电动汽车的发展，无刷直流电机作为电动汽车的动力源头也一直是近几年电动汽车发展的重点。无刷直流电机BLDCM(Brushless DC Motor)具有体积小、重量轻、效率高的特点，是一种用电子换向的直流电动机。由于其采用电子换向，因此在性能上既保持了普通直流电动机的优点，又克服了有刷直流电机由于采用机械换向而导致的大部分缺点。目前电动汽车在驱动行驶控制上对于无刷电机的换向与驱动有一定的要求，电机的输出特性应与车辆的动力特性要求相适应。通常车辆行驶过程中车速变化范围比较大，负载转矩变化剧烈，加减速比较频繁，这就要求电动汽车对无刷电机的驱动控制具备很高的可靠性和稳定性，尤其是高速行驶时电机转矩输出要稳定，以保证行驶的安全性，这点十分重要。

[0003] 而目前国内大多数对于无刷直流电机的驱动控制只是单纯地运用三相逆变桥驱动的原理，如张传伟等人发明的“无刷直流电机驱动电路”，专利号为201710396028.5，该发明电路可以实现对无刷直流电机的实时调速控制，但不能保证在各个换向频率下的输出稳定性，即低速下不能保证转矩的稳定性，高速下不能保证转速的稳定性，不够满足当前电动汽车应用的需求。

发明内容

[0004] 本发明为克服现有技术的缺陷，发明了一种直流无刷电机的驱动波形设计系统，该系统以微控制器为核心，由电源管理模块，隔离模块，数模转换控制模块，运算放大模块，三相六桥驱动模块，电流检测模块构成。通过采用调制后的驱动信号产生符合无刷电机运转特性的驱动波形，驱动无刷电机，极大地解决了当前无刷电机驱动控制不够稳定和可靠的问题。

[0005] 本发明的技术方案是一种电机波形驱动控制方案，该系统以微控制器为核心，由电源管理模块，隔离模块，数模转换控制模块，运算放大模块，三相六桥驱动模块，电流检测模块组成；电源管理模块分别与微控制器，隔离模块，数模转换控制模块，运算放大模块，三相六桥驱动模块，电流检测模块相连；微控制器的输出端与隔离模块的输入端相连，输入端与隔离模块的输出端相连；隔离模块的输出端与数模转换控制模块的输入端相连；数模转换控制模块的输出端与运算放大模块的输入端相连；运算放大模块的输出端与三相六桥驱动模块的输入端相连；电流检测模块的输出端与隔离模块的输入端相连；

[0006] 所述电源管理模块用于将单一开关电源通过DC-DC隔离电源产生数字电源部分和模拟电源部分，分别为主控部分和模拟驱动部分供电；数字电源部分进一步降压为微控制器与隔离模块供电，模拟电源部分进一步降压为隔离模块、数模转换控制模块、运算放大模块和三相六桥驱动模块供电；

[0007] 微控制器为系统核心，其片内具有定时器模块，中断响应模块和模数转换模块。首先使用其中通用定时器产生三路频率为F的上桥臂方波驱动信号，对于无刷直流电机，其理论转速n与极对数P，每秒换向频率f的关系为：

[0008]

[0009] 而由于无刷直流电机采用三相霍尔位置反馈，所以上桥臂方波驱动信号的频率F与其转速n的关系为：

[0010]

[0011] 微控制器根据外部中断反馈的三相霍尔信号HA,HB,HC判断当前转子的位置，同时需要根据这三相霍尔信号产生三路上桥臂调制信号和下桥臂方波控制信号，其频率F由上述公式(1)和(2)得到；由于三相霍尔信号HA,HB,HC相互之间的相位差为120°，可根据这三相霍尔信号产生三路相位差为120°的上桥臂调制信号和下桥臂方波控制信号。并且微控制器通过片内数模转换控制器结合外围电流检测模块，来采集当前实时速度和实时电流，以监控电机的实时运行状态。

[0012] 所述的隔离模块采用多通道高速磁耦隔离，既保证了高频信号在隔离时不会产生失真，又实现了控制器信号与驱动信号的电平转换。用于将微控制器的信号源与模拟驱动信号源进行隔离，以保证微控制器不受前级模拟驱动部分的干扰。隔离模块包括输出隔离部分和输入隔离部分，输出隔离部分既包括三路上桥臂的驱动信号和调制信号，也包括三路下桥臂的驱动信号；输入隔离部分既包括三路相位差为120°的霍尔电平信号，也包括电流采集模块转化后的电压信号。

[0013] 所述的数模转换控制模块用于根据微控制器产生的三路具有120°相位差的上桥臂调制信号对原本的三路上桥臂载波控制信号分别进行调制，最终生成三路具有120°相位差的上桥臂调制波信号。本技术方案采用的调制方法为幅值调制，为得到信号相乘后的波形，选择数模转换控制器，并控制其参考电压VREF以上桥臂载波控制信号的频率F来改变。由于数模转换控制器最终输出为电流信号，因此需要结合运算放大器将电流信号转换为电压信号。结合其数据手册，得到转换电压值Vout和输入数字量D的关系为：

[0014]

[0015] 其中n为数模转换控制器的转换精度，D的大小由其数字输入端接口电平来决定。

[0016] 所述的运算放大模块有两个部分组成，一个部分为同相放大器，另一个部分为电压跟随器，其用于将三路具有120°相位差的上桥臂调制波信号和下桥臂控制信号进行进一步放大，得到三路具有120°相位差的上桥臂与下桥臂驱动信号，同时实现对后级驱动信号与前级控制信号之间的隔离。

[0017] 所述的电流检测模块，该模块通过将采样电路采集到的电流信号转换为电压信号，经过放大与模数转换后传回微控制器处理；电流检测模块包括采样电路，电压基准源电路，差分放大电路，电压比较电路，AD模数转换电路；

[0018] 所述的三相六桥驱动模块用于根据运算放大后的三路具有120°相位差的上桥臂与下桥臂驱动信号来进行功率放大，最终产生三相驱动波形，实现对无刷电机的换向与转速控制。该模块还包括半桥驱动波形控制模块和功率放大模块。半桥驱动波形控制模块包括快恢复二极管，泄流电阻和自举电容。快恢复二极管，既用于当上桥臂场效应管关断时为自举电容充电提供正向电流通道，又用于当上桥臂场效应管开通时，阻止电流反向流入控制端电压。泄流电阻，既用于使上桥臂能够快速关断，减少开关损耗，缩短场效应管关断时的不稳定过程，又用于避免上桥臂快速开通时上桥臂的栅极电压耦合上升而导致上下桥臂穿通的现象。

[0019] 自举电容，其参数直接影响着最后输出的驱动波形的稳定性，其最小容量C由以下公式得出：

[0020]

[0021] 其中，QG为上桥臂场效应管的栅极电荷，IQBS为上桥臂驱动电路的静态电流，QLS为驱动IC中电平转换电路的电荷要求，ICBS为自举电容的漏电流，VCC为负载上下桥压降，VF为快恢复二极管正向压降，VLS为下桥臂器件压降或上桥臂负载压降，f为工作频率。

[0022] 本发明的有益效果是与现有的直流无刷电机驱动控制相比，发明了一种新型驱动波形控制系统，有效地解决了电机在高速低速转速不稳定的问题，提高了电机的响应能力与带载能力，并且该系统实现了数模隔离与过流保护，保证了整个控制方案的可靠性。系统具有很好的鲁棒性，不仅能满足现今新能源电动汽车的安全性与稳定性要求。也能更多的运用于各种工业场合，提高经济效益。附图说明

[0023] 图1为一种直流无刷电机驱动波形设计系统电路原理框图。

[0024] 图2为数模转换控制模块和运算放大模块电路原理图。

[0025] 图3为三相六桥驱动模块电路原理图。

[0026] 图4为电流检测模块电路原理图。

[0027] 图5为一种直流无刷电机驱动波形设计系统软件流程图。

具体实施方式

[0028] 以下结合具体技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

[0029] 如图1所示，为本发明一种直流无刷电机的驱动波形设计系统电路原理框图，本发明的设计系统以微控制器为核心，由电源管理模块，隔离模块，数模转换控制模块，运算放大模块，三相六桥驱动模块，电流检测模块组成。

[0030] 所述微控制器为系统核心，其片内具有定时器模块，中断响应模块和模数转换模块。首先使用其中的通用定时器产生三路频率为F的上桥臂载波控制信号，其频率F由上述公式(1)和(2)得到。之后根据控制器外部中断反馈的三相霍尔信号HA,HB,HC判断当前转子的位置，由于三相霍尔信号HA,HB,HC相互之间的相位差为120°，因此可根据这三相霍尔信号产生三路相位差为120°的上桥臂调制信号和下桥臂方波控制信号。同时微控制器通过片内数模转换控制器结合外围电流检测模块，来采集当前实时速度和实时电流，以监控电机的实时运行状态。

[0031] 所述的电源管理模块用于将单一开关电源+24V通过DC-DC隔离电源模块产生数字电源部分和模拟电源部分，数字电源部分通过进一步降压为微控制器+3.3V供电与隔离模块+5V供电，模拟电源部分进一步降压为DAC数模转换芯片+5V供电，运算放大器+15V供电，半桥驱动芯片+15V供电，电流检测芯片+5V供电。

[0032] 所述的隔离模块包括输出隔离部分和输入隔离部分，隔离模块采用高速磁耦隔离芯片ADuM1401来保证整个系统的响应速度。输出隔离部分既包括三路上桥臂的驱动信号和调制信号，也包括三路下桥臂的驱动信号；输入隔离部分既包括三路相位差为120°的霍尔电平信号，也包括电流采集模块转化后的电压信号。

[0033] 如图2所示为本发明实例化的数模转换控制模块和运算放大模块电路，该部分为整个驱动控制波形生成的核心。首先根据微控制器产生的三路具有120°相位差的上桥臂调制信号对原本的三路上桥臂载波控制信号分别进行调制，最终生成三路具有120°相位差的上桥臂调制波信号。本方案采用的调制方法为幅值调制，即将一个高频载波信号与低频调制信号相乘，使得高频信号的幅值随低频调制信号的变化而变化。本实施例选择DAC0832数模转换芯片，并控制其VREF管脚电平以设定频率F来改变，根据上述公式(3)可知，Vout是D和VREF相乘得到的。而这一特性恰好符合波形幅度调制的原理。

[0034] 如图3所示为本发明实例化的三相六桥驱动模块电路，该电路用于将三路调制好的上下桥臂驱动信号进行功率放大，并产生三相驱动波形，其包括半桥驱动波形控制电路和功率放大电路。其中半桥驱动波形控制电路的关键是如何实现上桥臂的驱动。如上图3中的C24为自举电容，D5为快恢复二极管，输入驱动波形在上桥调制。当Q1关断时，VS电位由于Q2的续流而回零，此时C24通过VCC及D5进行充电。当输入信号HIN开通时，上桥臂的驱动由C24供电。由于C24的电压不变，VB会随VS的升高而浮动，所以C24称为自举电容。每个输入驱动波形的周期，电路都给C24充电，维持其电压基本保持不变。D5的作用是当Q1关断时为C24充电提供正向电流通道，当Q1开通时，阻止电流反向流入控制端电压VCC。R11的作用是为使上桥能够快速关断，减少开关损耗，缩短MOSFET关断时的不稳定过程。R14的作用是避免上桥快速开通时下桥的栅极电压耦合上升而导致上下桥穿通的现象。

[0035] 同时，半桥驱动波形控制电路中的自举电容对于波形输出的稳定性存在较大影响，每个驱动周期，电容都会被电路充电，加上二极管的反向截止作用，会维持该点电势差不变。实际中由于上桥MOSFET的栅极电荷QG、上桥驱动电路的静态电流IQBS、驱动IC中电平转换电路的电荷要求QLS和自举电容的漏电流ICBS这四个原因的存在导致其电压出现波动影响前级输出，因此自举电容必须在每个开关周期内能够提供以上这些电荷才能保持其电压基本不变。否则VBS将会有很大的电压纹波，并且可能会低于欠压值，使上桥无输出并停止工作。

[0036] 本实施例根据公式(4)选用了合理的自举电容容量，进而使得其两端的电势波动小于0.1％，极大地保证了驱动波形输出的稳定性。

[0037] 如图4所示为本发明实例化的电流检测模块电路，该电路通过将电流采样芯片ACS712采集到的电流信号转换为电压信号，经过放大和模数转换后传回微控制器处理。其主要包括采样电路，电压基准源电路，差分放大电路，电压比较电路，AD模数转换电路。其中运算放大电路可以调整放大倍数，进而实现了电流转换的精度和阈值可调。由于其最后转换的电压信号为模拟信号，因此增加了AD模数转换，将模拟电压信号转换为数字信号后才能经过隔离模块传回微控制器，再次保证了整个设计系统工作的稳定。

[0038] 如图5所示，为本发明一种直流无刷电机的驱动波形设计系统软件流程图。

[0039] 首先进行系统初始化配置，包括定时器初始化，外部DAC初始化和外部ADC初始化，之后分别启动外部DAC转换和外部ADC转换，然后通过定时器产生上述频率为F的三路上桥臂驱动方波，分别检测三相霍尔信号HA,HB,HC产生的外部中断信号，根据三相霍尔信号分别确定ABC三路调制信号与下桥臂驱动信号的电平翻转，同时实时检测系统的电流大小与设定的阈值，并决定是否进行过流保护。

[0040] 实施例使用本发明所述的直流无刷电机的驱动波形设计系统来测试，直流无刷电机选用57BLDC006型电机。该系统的主控采用stm32f103vet6芯片，外接电源采用市电，通过+24V开关电源来将市电进行整流与降压，得到系统所需的输入电源。该系统通过微控制器的Timer3产生三路驱动信号，再经过8位的D/A转换集成芯片DAC0832所组成的数模转换模块进行波形调制，最后通过半桥驱动芯片IR2101S所组成的三相六桥驱动模块进行电机驱动控制。实验实施例所得到的驱动波形波动小于0.1％，在高低速快速切换时仍能保证转速的平滑变化。

[0041] 使用本发明可以有效地解决直流无刷电机在高低速驱动不稳定的问题，使得无刷电机具有很好的鲁棒性，不仅能满足现今新能源电动汽车的安全性与稳定性要求，也能更多的运用于各种工业场合，提高经济效益。

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