专利名称：一种电机控制器及其独立mos模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及电机控制领域，具体涉及一种电机控制器。
背景技术：
国内控制三相直流无刷电机的电动自行车及电动摩托车的控制器结构如图1所 示，主要包括电源转换、各种输入输出接口、单片机(MCU)、前置驱动部分、及由金属氧化 物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor,简称 M0SFET或M0S管)组成的大功率驱动部分。而电机有U、V、W三相，这就决定了必须至少有 6只MOS管来控制电机， 一个电动车电机控制器中至少包含有6只MOS管。
现今市场出售的电动车电机控制器，其主控部分的电源转换、MCU、输入输出接口、 前置驱动部分及MOS管均统一在一块印刷电路板上。MOS管在工作时，会产生较大的热量， 故必须考虑其散热问题。现今厂商均通过控制器的铝质外壳来助其散热。结合电机控制的 驱动原理，在印刷电路板布局时，通常都将6只MOS管呈一字型排开，位于印刷电路板的板 端。以250W控制器为例，如图2所示，采用MOS管与MCU及前置驱动合为一体，90度直立焊 接，散热板与铝合金外壳紧密接触，比较有效地达到了 MOS管散热，外壳坚固及生产成本低 等实用产品的基本要素。
该种方式存在如下弊端 1、控制器常年处于剧烈颠簸环境下工作，由于MOS管与PCB板成90度垂直焊接的 硬接续，并且MOS管为散热被紧固在铝合金外壳上，从力学结构角度说，成90度两个方向的 力学应力很容易使硬接续的焊接部产生金属疲劳导致开裂，是产生烧毁MOS管及PCB板的 重要原因之一。 2、在电动车的故障中，有很大一部分是M0S管烧毁，其烧毁时产生的高温会将控 制电路板也一并烧穿，从而使控制电路板随之报废。维修时，只能调换整块控制电路板，维 修成本较高。 3、控制器中每一只MOS管的第2脚及第3脚都要在导通瞬间最大承受12A-35A以 上的电流，称之为大电流管脚。因最大电流的流量与导线截面积成正比，而M0S管的第2脚 及第3脚的间距只有2. 5毫米，也就是说PCB的管脚部布线被限定在线宽1. 5毫米XPCB 板铜箔厚O. 035毫米X双面板=0. 105平方毫米以内，该面积的理论设计的安全极限电流 只有3安培。因此实际生产时只能通过对管脚与PCB焊接部加厚焊锡的粗暴方法来解决。 随之而来的就是MOS管脚的焊接需要手工操作，手工焊接时很难确保焊锡厚度均匀，由此 造成控制器会经常发生MOS管焊接部在运行时产生高温而被烧毁，乃至PCB板被击穿烧毁， 导致整个控制板报废。 4、根据上述描述，控制器必须至少有6只MOS管，而要加大控制器的输出功率，现 行作法多数是通过相应增加MOS管的数量来实现的。因电机有U、 V、 W三相，故增加的MOS 管的数量必须为3的倍数。根据电机控制的驱动原理，要求控制同一相的上桥MOS管与下 桥MOS管需就近放置。结合散热要求，在印刷电路板布局时，现行作法是将所有的MOS管呈一字排开，位于印刷电路板的板端。欲将这些M0S管放入，在上述理念下只能增加印刷电路板的长度。市面上的基本款为6只M0S管的控制器，其长度一般为80-100mm，如图3所示，而要将控制器中的MOS管增加为12只，其控制器长度一般在180-200mm，如图4所示，增加了印刷电路板的长度势必要同时增加铝质外壳的长度。这样一来，生产成本也随之大幅增加。 上述电机控制器的弊端，不仅仅存在电动车上，其他应用三相电机控制的设备，如汽车、电梯、有马达的家电等，在不同场合同样可能出现类似的问题。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种电机控制器及其独立M0S模块，使得控制器中M0S管的损毁率降低，且即使M0S管发生损坏时亦能够避免损坏控制电路板，降低控制器维修成本。 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种电机控制器，包含速度控制单元、霍尔传感器、控制模块和至少一个独立的M0S模块； 所述控制模块包含主控模块和前置驱动模块，所述主控模块用于根据速度控制单元的输出结果、及霍尔传感器的位置信号，计算出控制电机旋转所需的U/V/W相序及相应的脉冲/载波信号及时序，输出给所述前置驱动模块； 所述前置驱动模块用于将接收到的信号转换为驱动MOS管的门极控制信号，并输出给所述M0S模块； 所述M0S模块至少包含三只上桥M0S管和三只下桥M0S管，分别控制电机的U/V/W三相，所述M0S模块用于根据接收到的控制信号，将与电机旋转所对应相位的上桥及下桥M0S管与电源导通，驱动电机旋转。 作为上述技术方案的改进，所述独立的M0S模块中包含M0S管的数量为3的整数倍。 作为上述技术方案的改进，所述MOS模块中每个MOS管的管脚分两列排列，位于印
刷电路板的正反两侧，所述各MOS管中的两个大电流管脚分别位于不同列，焊接在所述印
刷电路板的两侧，所述M0S模块通过多芯线与控制模块软连接。 作为上述技术方案的改进，所述M0S模块的上下桥M0S管对峙排列。 作为上述技术方案的改进，所述控制器包含铝制外壳，所述M0S模块置于所述铝
制外壳的顶部或底部，平行于所述控制模块。 本发明的实施方式还提供了一种电机控制器独立M0S模块，所述M0S模块至少包含至少三只上桥M0S管和三只下桥M0S管，分别控制电机的三相；所述M0S模块中上下桥M0S管对峙排列。 作为上述技术方案的改进，所述MOS模块中每个MOS管的管脚分两列排列，位于印刷电路板的正反两侧，所述各M0S管种的两个大电流管脚分别位于不同列，焊接在所述印刷电路板的两侧，所述各MOS管中的控制管脚与所述大电流管脚通过多芯线软连接。
作为上述技术方案的改进，所述独立的M0S模块中包含M0S管的数量为3的整数倍。
本发明与现有技术相比，主要区别及其效果在于将控制器中M0S管部分与控制
4模块部分分离，使得M0S模块布局布线最大限度地满足了大功率器件的设计技术规范，提高了产品电气特性，即使MOS管烧毁时，控制模块的印刷电路板亦不受影响，而仅是MOS模块的印刷电路板可能会连带烧毁。因MOS模块的印刷电路板上电子元器件很少(仅包含6只M0S管及对应的电容和电阻)，即使烧毁了 ，也不会带来太大的损失，最坏情况将该MOS模块更换即可，将经济损失降至最低，大幅降低维修费用。 由于控制模块部分的印刷电路板与MOS管部分分立，控制模块部分的印刷电路板的面积就不会因MOS管的增加而增加。而不同控制器的控制模块部分(包括主控模块及前置驱动模块)的原理基本一致，所以无论控制器输出功率大小，主控模块及前置驱动模块部分大小几乎相等，减少因功率不同而造成多种规格的产品库存。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细说明。 图1是背景技术中国内三相直流无刷电机的电动自行车及电动摩托车的控制器结构示意图； 图2是背景技术中控制器中M0S管90度直立焊接示意 图3是背景技术中包含6只M0S管的控制器的结构和长度示意 图4是背景技术中包含12只M0S管的控制器的结构和长度示意 图5是本发明第一实施方式的电机控制器结构图； 图6是本发明第二实施方式的电动车电机控制器中6管M0S模块示意图； 图7是本发明第二实施方式的电动车电机控制器中前置驱动模块与独立的M0S模
块之间的连接示意图； 图8是本发明第二实施方式的电动车电机控制器中12管MOS模块示意 图9是本发明第二实施方式的电动车电机控制器中MOS管管脚分列排列结构 图IO是本发明第二实施方式的电动车电机控制器中上下桥MOS管对峙排列结构图； 图11是本发明第二实施方式的电动车电机控制器中12管MOS模块结构 图12是本发明第二实施方式的电动车电机控制器中包含2个独立的MOS模块的示意图。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。 本发明第一实施方式涉及一种电机控制器，包含速度控制单元、霍尔传感器、控制模块和至少一个独立的M0S模块，如图5所示。 控制模块包含主控模块和前置驱动模块，主控模块用于根据速度控制单元的输出结果、及霍尔传感器的位置信号，计算出控制电机旋转所需的U/V/W相序及相应的脉冲/载波信号及时序，输出给前置驱动模块； 前置驱动模块用于将接收到的信号转换为驱动MOS管的门极控制信号，并输出给
M0S模块；
MOS模块至少包含三只上桥MOS管和三只下桥MOS管，分别控制电机的U/V/W三相，MOS模块用于根据接收到的控制信号，将与电机旋转所对应相位的上桥及下桥MOS管与电源导通，驱动电机旋转。独立的MOS模块中包含MOS管的数量为3的整数倍。MOS模块中每个MOS管的管脚分两列排列，位于印刷电路板的正反两侧，各MOS管中的两个大电流管脚分别位于不同列，焊接在印刷电路板的两侧，MOS模块通过多芯线与控制模块软连接。
MOS模块的上下桥MOS管对峙排列。作为上述技术方案的改进，控制器包含铝制外壳，MOS模块置于铝制外壳的顶部或底部，平行于控制模块。 本发明中的速度控制单元，用来输出速度指令控制电机转速，其输出可以为电压、电流、功率等参数；实现方式根据电机的类型及应用场合，可以为手柄、脚踏板、单片机、电位器、遥控器、开关等各种有线或无线的方式。 本发明第二实施方式涉及一种电动车电机控制器，包含速度控制单元、霍尔传感器、控制模块和至少一个独立的MOS模块，其中速度控制单元为转速控制手柄。上述各部分加上三相直流电机，构成一个完整的运转系统 控制模块包含主控模块( 一般可以是单片机)和前置驱动模块，主控模块用于根据检测到的转速控制手柄输出电压、及检测到电机附属的霍尔传感器的位置信号，计算出控制电机旋转所需的U/V/W相序及相应的脉冲/载波信号及时序，输出给前置驱动模块；
前置驱动模块用于将接收到的信号转换为驱动MOS管的门极控制信号，并输出给
MOS模块； MOS模块用于根据接收到的控制信号，将与电机旋转所对应相位的上桥及下桥MOS管与电源导通，达到驱动电机旋转之目的。M0S模块至少包含三只上桥M0S管和三只下桥M0S管，分别控制电机的U/V/W三相，6管M0S模块的电路示意图如图6所示。本实施方式中控制模块中的主控模块及前置驱动模块与现有技术相同，前置驱动模块与独立的MOS模块之间的连接如图7所示。 通过将M0S管部分与控制模块部分分立，使得M0S模块布局布线最大限度地满足了大功率器件的设计技术规范，提高了产品电气特性，即使MOS管烧毁时，控制模块的印刷电路板亦不受影响，而仅是M0S模块的印刷电路板可能会连带烧毁。因M0S模块的印刷电路板上电子元器件很少(仅包含6只M0S管及对应的电容和电阻)，即使烧毁了，也不会带来太大的损失，最坏情况将该M0S模块更换即可，将经济损失降至最低，大幅降低维修费用。
并且，由于控制模块部分的印刷电路板与M0S管部分分立，控制模块部分的印刷电路板的面积就不会因MOS管的增加而增加。而不同控制器的控制模块部分(包括主控模块及前置驱动模块)的原理基本一致，所以无论控制器输出功率大小，主控模块及前置驱动模块部分大小几乎相等，减少因功率不同而造成多种规格的产品库存。
本实施方式中的控制器同样可以使用铝制外壳，分离出来的MOS模块可以置于所述铝制外壳的顶部或底部，平行于控制模块，通过有效地利用具有较大面积的铝质外壳的顶部或底部，来减小控制器的总体积。 根据不同电动车对控制器输出功率的需求，M0S模块中一般可以包括6只、9只、12只、15只、18只甚至24只M0S管，M0S模块中包含的M0S管数量为3的整数倍，以分别控制电机的三相。在实际应用中，可以设置6管/9-12管/15-18管/21-24管(依次类推)的几种分立模块，6管M0S模块包含3个上 M0S管、3个下桥M0S管；9管M0S模块包含6个上桥MOS管、3个下桥MOS管；12管MOS模块包含6个上桥MOS管、6个下桥MOS管；15管MOS模块包含9个上桥MOS管、6个下桥MOS管；18管MOS模块包含9个上桥MOS管、9个下桥MOS管；本实施方式中图6和图8分别示出了 6管MOS模块和12管MOS模块的结构图，其他各MOS模块结构与之类似。通过这些分立MOS模块既可涵盖几乎所有的电动自行车/电动摩托车/沙滩车/电动三轮车的控制器，并且大幅度降低成本。 作为进一步改进，该MOS模块中每个MOS管的管脚分两列排列，位于印刷电路板的正反两侧，各MOS管种的两个大电流管脚(第2第3管脚)分别位于不同列，横向焊接在印刷电路板的两侧，MOS模块通过多芯线与控制模块软连接，如图9所示，最大限度的避开力学应力所造成的硬接续部的金属疲劳。 并且，在将每只MOS管管脚分两列排列的同时，将该MOS模块中上下桥MOS管对峙排列，MOS管排列后如图IO所示，从图中可以看出该分布方式给予了通过大电流的管脚以充分的布线空间，确保了大功率器件既达到了电气设计理论上的安全标准，又能最短配线，最大限度的提高产品电气性能，降低了MOS管焊接部在运行时产生高温而被烧毁的可能，最大限度解决了常规控制器的MOS管的损毁问题，并实现低成本的生产。且通过该方式，不需要刻意对MOS管管脚与PCB焊接部加厚焊锡，只进行正常的焊接即可保证品质。
通过在独立的MOS模块中对峙排列上下桥MOS管，可以使独立后的MOS模块体积比现有技术中在控制器中的体积大大縮小，进而使得控制器整体体积縮小2/5至1/2，毫无疑问进一步降低了生产成本。 图11示出了包含12只M0S管的M0S模块的正面图和背面图，可以看出，利用本发明的方案，在控制器包含12只MOS管情形下，其长度仅等同于市面上包含6只MOS管控制器的长度，大大削减了生产成本。 另外，可以在MOS管管脚与PCB板的焊接处增加调节辅助薄铜板厚度，如图11所
示，使得通过的最大电流可达到数十安培，进一步避免了 MOS管因管脚焊接部在运行时通
过电流过大，产生高温而将MOS管烧毁的可能，减少MOS管的损坏概率。 作为进一步改进，在控制器所需的M0S管较多时，如大于12只时，可以使用2个独
立的MOS模块，两个MOS模块对峙分布于铝制外壳的顶部和底部，如图12所示。 综上所述，与常规控制器相比，本发明电动车电机控制器的电气安全性更高，维修
成本更低，生产组装更加简捷，产品外形更加短、小、轻、薄，更加适应节能环保的时代潮流。 本发明所揭露的电机控制器及其MOS模块，主要应用但不局限于电动车电机控制
器领域，也可应用于汽车、电梯、有马达的家电等很多电机控制的设备上，特别是涉及大功
率驱动模块的三相电机控制器，实现分立化设计。 虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
权利要求
一种电机控制器，包含速度控制单元、霍尔传感器、其特征在于，所述电机控制器还包含控制模块和至少一个独立的MOS模块；所述控制模块包含主控模块和前置驱动模块，所述主控模块用于根据速度控制单元的输出结果、及霍尔传感器的位置信号，计算出控制电机旋转所需的U/V/W相序及相应的脉冲/载波信号及时序，输出给所述前置驱动模块；所述前置驱动模块用于将接收到的信号转换为驱动MOS管的门极控制信号，并输出给所述MOS模块；所述MOS模块至少包含三只上桥MOS管和三只下桥MOS管，分别控制电机的U/V/W三相，所述MOS模块用于根据接收到的控制信号，将与电机旋转所对应相位的上桥及下桥MOS管与电源导通，驱动电机旋转。
2. 根据权利要求1所述的电机控制器，其特征在于，所述独立的MOS模块中包含MOS管 的数量为3的整数倍。
3. 根据权利要求l所述的电机控制器，其特征在于，所述MOS模块中每个MOS管的管脚 分两列排列，位于印刷电路板的正反两侧，所述各MOS管中的两个大电流管脚分别位于不 同列，焊接在所述印刷电路板的两侧，所述MOS模块通过多芯线与控制模块软连接。
4. 根据权利要求l所述的电机控制器，其特征在于，所述MOS模块的上下桥MOS管对峙 排列。
5. 根据权利要求1至4中任一项所述的电机控制器，其特征在于，所述控制器包含铝制 外壳，所述MOS模块置于所述铝制外壳的顶部或底部，平行于所述控制模块。
6. —种电机控制器独立MOS模块，其特征在于，所述MOS模块至少包含三只上桥MOS管 和三只下桥MOS管，分别控制电机的三相；所述MOS模块中上下桥MOS管对峙排列。
7. 根据权利要求6所述的电机控制器独立MOS模±央，其特征在于，所述MOS模块中每个 MOS管的管脚分两列排列，位于印刷电路板的正反两侧，所述各MOS管中的两个大电流管脚 分别位于不同列，焊接在所述印刷电路板的两侧，所述各MOS管中的控制管脚与所述大电 流管脚通过多芯线软连接。
8. 根据权利要求6或7所述的电机控制器独立MOS模块，其特征在于，所述独立的MOS 模块中包含MOS管的数量为3的整数倍。
全文摘要
本发明公开了一种电机控制器及其独立MOS模块，涉及电机控制领域。所述电机控制器将控制器中MOS管部分与控制模块部分分立，所述控制模块包含主控模块和前置驱动模块，所述前置驱动模块用于将接收到的信号转换为驱动MOS管的门极控制信号，并输出给所述MOS模块；MOS模块至少包含三只上桥MOS管和三只下桥MOS管，分别控制电机的U/V/W三相，所述MOS模块用于根据接收到的控制信号，将与电机旋转所对应相位的上桥及下桥MOS管与电源导通，驱动电机旋转。本发明的分立设计可最大限度的降低MOS管的损坏率。MOS管烧毁基本不会影响控制模块的印刷电路板，而且MOS模块的印刷电路板上电子元器件很少，即使烧毁也不会带来太大的损失，可大幅降低维修费用。
文档编号H02P6/08GK101753075SQ200910211919
公开日2010年6月23日 申请日期2009年11月16日 优先权日2009年11月16日
发明者温田学 申请人:上海雅泰电子科技有限公司