专利名称：一种无刷直流电机数字控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及伺服机构驱动控制技术领域。
背景技术：
目前，伺服机构驱动控制中，较多的采用驱动模块对无刷直流电机进行驱动控制。 驱动模块驱动无刷直流电机旋转，电机的旋转运动带动减速机构运动，最终转换为驱动负载的运动。现有技术中的的无刷直流电机驱动模块在实际应用中存在以下缺陷1.驱动模块内部一般不带无刷直流电机驱动换向逻辑，需要外搭其它的控制电路进行换向，应用较为复杂；有些模块虽然带有驱动换向逻辑，但换向逻辑规律不全，导致外部控制接口应用模式单一。2.驱动模块多采用小型化金属封装，由于体积限制，往往只能实现低电压、小电流功率输出，且工作时发热较严重，不适用于大功率无刷直流电机驱动控制应用。3.驱动模块驱动无刷直流电机工作时不能有效抑制电机产生的反电动势，一方面较高的反电动势易产生较大的电磁辐射，引起周围设备工作不稳，另一方面较高的反电动势易导致瞬时大电流，易引起供电线路烧毁。4.驱动模块工作时不能完成大电流采样，无法形成电流闭环。5.驱动模块内部采用电机供电电源、霍尔信号供电电源、逻辑电路供电电源、外部输入信号电源四地共同连接方式，当电机供电电源产生较大的波动时，该方式极易产生较大的电源传导，导致霍尔信号供电电源、逻辑电路供电电源、外部输入信号电源不稳从而引起整个控制系统工作失常。6.驱动模块外部接口电平单一，不能同时兼容常用的+5V/+3.3V两种逻辑电平， 且输入信号需要具有一定信号功率，不利于数字控制器引脚的直接对接应用。
发明内容本实用新型所要解决的技术问题是提供一种无刷直流电机数字控制器，它能够实现大功率无刷直流电机驱动控制功能，具有无刷直流电机多种逻辑换向控制规律，使得外部控制接口应用模式多元化。为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种无刷直流电机数字控制器，包括电源变换电路、隔离电路、逻辑控制电路和功率驱动电路，所述电源变化电路、隔离电路、逻辑控制电路、功率驱动电路相互连接，所述逻辑控制电路包括可编程逻辑器件和运算放大器， 所述可编程逻辑器件与所述运算放大器连接。对上述基础结构的改进方案为，所述逻辑控制电路与单片机或数字处理器DSP连接。对上述技术方案的进一步改进为，所述功率驱动电路包括具有逻辑驱动功能的驱动芯片、场效应管、瞬态抑制二极管和霍尔电流传感器，所述具有逻辑驱动功能的驱动芯片、瞬态抑制二极管、霍尔电流传感器分别与所述场效应管连接。优选的技术方案为，所述隔离电路为光电耦合器。进一步优选的技术方案为，所述电源变换电路包括内部电源模块，电源变换电路的输入端连接两路独立电源，一路为电机母线供电电源，另外一路经所述电源模块转换为整个数字控制器工作所需的各种不同电平电源。本实用新型的有益效果在于1.本实用新型中的逻辑控制电路采用了可编程逻辑器件，通过可编程逻辑器件实现了多种控制规律的集成输出，从而解决了现有技术中驱动模块内部一般不带无刷直流电机驱动换向逻辑，当采用外搭其它的控制电路进行换向时，应用较为复杂；有些模块虽然带有驱动换向逻辑，但换向逻辑规律不全，使得外部控制接口应用模式单一的问题。2.本实用新型中的功率驱动电路通过采用大功率的驱动芯片，实现了高电压、大电流的无刷直流电机的驱动。从而解决了现有技术的驱动模块只能实现低电压、小电流功率输出，且工作时发热较严重，不适用于大功率无刷直流电机驱动控制应用的问题。3.本实用新型中的功率驱动电路通过采用瞬态抑制二极管，对电机工作反电动势进行有效抑制，降低了电磁辐射。从而解决了现有技术中，驱动模块驱动无刷直流电机工作时不能有效抑制电机产生的反电动势的问题。4.本实用新型中的功率驱动电路通过采用霍尔电流传感器，完成电机工作时的大电流采样输出，从而解决了现有技术中驱动模块工作时不能完成大电流采样，无法形成电流闭环的问题。5.本实用新型的隔离电路，对整个数字控制器的不同电源信号地之间进行完全隔离。采用了光电耦合器作为隔离电路，实现各电源地之间的有效隔离，避免传导干扰，并能在输入输出端兼容+5V/+3. 3V两种逻辑电平。解决了现有技术中，驱动模块内部采用电机供电电源、霍尔信号供电电源、逻辑电路供电电源、外部输入信号电源四地共同连接方式， 当电机供电电源产生较大的波动时，极易产生较大的电源传导，导致霍尔信号供电电源、逻辑电路供电电源、外部输入信号电源不稳，引起整个控制系统工作失常的问题，同时也解决了现有技术中驱动模块外部接口电平单一的问题。6.本实用新型的电源变换电路，对整个数字控制器的供电电源进行管理分配，电源变换电路的输入端连接两路独立电源，一路为电机母线供电电源，另外一路经电源模块转换为霍尔电流传感器、逻辑控制电路供电，通过内部电源模块将外部电源转换为整个数字控制器工作所需的各种不同电平电源，使得动力电源与控制电源相互独立，避免了相互间的串扰。本实用新型所提供的无刷直流电机数字控制器，克服了现有技术中驱动模块驱动功率小、电磁干扰大、控制规律不全、信号电平不兼容、无电流环的缺点，能够实现大功率无刷直流电机驱动控制功能，其包含无刷直流电机多种逻辑换向控制规律，内部将各种电源地有效隔离，避免了相互间的干扰，能够有效兼容多种电平，并且便于外部输入数字引脚的直接对接应用，能完成工作时大电流采样输出，同时能有效抑制电机工作时产生的反电动势，降低了电磁辐射，从而提高了整个数字控制器的工作稳定性、可靠性，延长了其使用寿命，重量轻、结构紧凑、驱动效率高、可靠性好。
图1为本实用新型实施例的电路引脚图。定义如下1脚VCC-外接逻辑电平，兼容+5V/+3. 3V ；2脚、5脚、8脚GND-外接逻辑电平地；3脚PWMl-外接脉冲信号，占空比100%电机速度最大，占空比0%，电机速度为零；4脚WRl-外接逻辑电平，高电平电机顺时针旋转，低电平电机逆时针旋转；6脚PWM2-外接脉冲信号，占空比50%电机平衡不转，占空比100%电机顺时针速度最大，占空比0%电机逆时针速度最大；7脚PWM20N-外接逻辑电平，PWMl使能信号，高电平时PWMl输入有效，低电平时 PWMl输入无效；9脚、10脚VH-外接电机供电电源正端，直流输入，最高电压+600V ；11脚、12脚P0WERGND-外接电机供电电源地；13脚+28V-外接为本实用新型供电的电源正端，电压范围直流+18V +36V ；14脚^VGND-外接为本实用新型供电的电源地；19脚Vo-本实用新型输出电源+15V，外接电机霍尔传感器供电电源正端；15脚VGND-本实用新型输出地，外接电机霍尔传感器供电电源地；16脚HC、17脚HB、18脚HA-依次外接电机霍尔传感器信号输出端C相、B相、A相；20脚、21脚W-外接电机三相绕组W端；22脚、23脚V-外接电机三相绕组V端；M脚、25脚U-外接电机三相绕组U端；26脚⑶R-电流信号输出端；27脚CG-电流信号输出地端。图2为本实用新型实施例的电源电路原理图；图3为本实用新型实施例的隔离电路原理图；图4为本实用新型实施例的逻辑电路原理图；图5为本实用新型实施例的驱动电路原理图；图6为本实用新型实施例的电路原理总图；图7为本实用新型实施例的外部接线图。其中，1为本实用新型，2为直流无刷电机。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型的技术方案作进一步具体说明。本实用新型所提供的无刷直流电机数字控制器包括电源变换电路、隔离电路、逻辑控制电路和功率驱动电路。电源变换电路、隔离电路、逻辑控制电路、功率驱动电路相互连接。其中，逻辑控制电路负责接收霍尔传感器信号，完成无刷直流电机的逻辑换向信号输出，以及对外部输入数字信号完成处理；功率驱动电路负责将逻辑换向信号进行放大后驱动无刷直流电机工作；隔离电路负责对整个数字控制器的不同电源信号地之间进行完全隔离；电源变换电路负责对整个数字控制器的供电电源进行管理分配。
5[0053]如图4所示的本实施例提供的逻辑电路原理图，本实施例中的逻辑控制电路由可编程逻辑器件FPGA芯片EPM7160STI100-10N与运算放大器连接构成，其能接收电机霍尔信号、外部输入逻辑信号实现数字化通讯，并编制集成多种无刷直流电机逻辑控制规律实现相应的逻辑控制，并完成相应逻辑信号输出。当逻辑控制电路与单片机或数字处理器DSP 连接时，还能够实现复杂伺服控制系统。如图5所示的本实施例提供的驱动电路原理图，本实施例的功率驱动电路主要由具有逻辑驱动功能的驱动芯片、瞬态抑制二极管、霍尔电流传感器组成，驱动芯片、瞬态抑制二极管、霍尔电流传感器分别与场效应管连接。驱动芯片实现大功率无刷直流电机驱动； 瞬态抑制二极管对电机工作反电动势进行抑制，降低电磁辐射；霍尔电流传感器完成电机工作时大电流采样输出，提供给上位机形成电流闭环。对于驱动芯片，优选的，采用型号为顶2114的驱动芯片；对于场效应管的选择，优选的，采用型号为IXFK80N50P的场效应管；对于瞬态抑制二极管，优选的， 采用型号为SY6064A的瞬态抑制二极管；对于霍尔电流传感器，优选的，采用型号为 ACS712ELCTR-30A-T的霍尔电流传感器。由将逻辑控制电路输出的换向信号放大后，通过驱动芯片驱动大功率无刷直流电机旋转，瞬态抑制二极管对电机工作反电动势进行抑制，霍尔电流传感器完成电机工作大电流采样输出。如图3所示的本实施例提供的隔离电路原理图，本实施例所采用的隔离电路主要由光电耦合器组成，优选的采用型号为HCPL1631的光电耦合器，将光电耦合器设置于电机供电电源、外部输入信号电源、霍尔信号供电电源、逻辑电路供电电源的干扰路径上。隔离电路的作用在于一方面其将电机供电电源、霍尔信号供电电源、逻辑电路供电电源、外部输入信号电源之间的地进行有效隔离，另一方面其两端可以有效兼容+5V/+3. 3V两种逻辑电平。如图2所示的本实施例提供的电源变换电路原理图，电源变换电路的输入端连接两路独立电源，一路为电机母线供电电源，一般为+^V，其电压最高可至600V;另外一路经内部电源模块转换为整个数字控制器工作所需的各种不同电平电源。优选的，采用型号为 WK3028515T-15M的内部电源模块。通过内部电源模块将电源变换电路输入端接入的+28V 的电源转换为整个数字控制器工作所需的各种不同电平电源，为霍尔电流传感器、逻辑控制电路等供电。参照图1所示的本实施例提供的电路引脚图以及图3外部接线图，本实用新型所提供的无刷直流电机数字控制器的19脚Vo、15脚VGNDU6脚HC、17脚HB、18脚HA、20脚 W、21脚W、22脚V、23脚V、24脚U、25脚U可直接连至无刷直流电机；9脚VH、10脚VH外接电机供电电源正端，11脚P0WERGND、12脚P0WERGND外接电机供电电源地；13脚+28V外接控制器电源正端，14脚^VGND外接控制器电源地；1脚VCC、2脚GND、5脚GND、8脚GND、3 脚PWM1、4脚DIR1、6脚PWM2、7脚PWM20N可直接连至上位单片机或DSP系统J6脚⑶R电流信号输出端、27脚CG电流信号输出地端可外接AD转换后进入上位单片机或DSP系统。 其中，3脚PWMl、4脚DIRl配合应用完成一种电机控制规律，6脚PWM2、7脚PWM20N配合应用完成另一种电机控制规律，当PWM20N为逻辑高电平时，PWMU DIRl输入无效，PWM2输入有效，当PWM20N悬空或为低电平时，PWMl、DIRl输入有效，PWM2输入无效。最后所应说明的是，以上具体实施方式
仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照实例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
权利要求1.一种无刷直流电机数字控制器，包括电源变换电路、隔离电路、逻辑控制电路和功率驱动电路，所述电源变换电路、隔离电路、逻辑控制电路、功率驱动电路相互连接，其特征在于，所述逻辑控制电路包括可编程逻辑器件和运算放大器，所述可编程逻辑器件与所述运算放大器连接。
2.如权利要求1所述的无刷直流电机数字控制器，其特征在于，所述逻辑控制电路与单片机或数字处理器DSP连接。
3.如权利要求1或2所述的无刷直流电机数字控制器，其特征在于，所述功率驱动电路包括具有逻辑驱动功能的驱动芯片、场效应管、瞬态抑制二极管和霍尔电流传感器，所述具有逻辑驱动功能的驱动芯片、瞬态抑制二极管、霍尔电流传感器分别与所述场效应管连接。
4.如权利要求1或2所述的无刷直流电机数字控制器，其特征在于，所述隔离电路为光电華禹合器。
5.如权利要求3所述的无刷直流电机数字控制器，其特征在于，所述隔离电路为光电華禹合器。
6.如权利要求1或2所述的无刷直流电机数字控制器，其特征在于，所述电源变换电路包括内部电源模块，电源变换电路的输入端连接两路独立电源，一路为电机母线供电电源， 另外一路经所述内部电源模块转换为整个数字控制器工作所需的各种不同电平电源。
7.如权利要求3所述的无刷直流电机数字控制器，其特征在于，所述电源变换电路包括内部电源模块，电源变换电路的输入端连接两路独立电源，一路为电机母线供电电源，另外一路经所述电源模块转换为整个数字控制器工作所需的各种不同电平电源。
8.如权利要求4所述的无刷直流电机数字控制器，其特征在于，所述电源变换电路包括内部电源模块，电源变换电路的输入端连接两路独立电源，一路为电机母线供电电源，另外一路经所述内部电源模块转换为整个数字控制器工作所需的各种不同电平电源。
9.如权利要求5所述的无刷直流电机数字控制器，其特征在于，所述电源变换电路包括内部电源模块，电源变换电路的输入端连接两路独立电源，一路为电机母线供电电源，另外一路经所述内部电源模块转换为整个数字控制器工作所需的各种不同电平电源。
专利摘要本实用新型涉及伺服机构驱动控制技术，公开了一种无刷直流电机数字控制器，包括电源变换电路、隔离电路、逻辑控制电路和功率驱动电路，逻辑控制电路包括可编程逻辑器件和运算放大器，可编程逻辑器件与运算放大器连接。本实用新型能实现大功率无刷直流电机驱动控制功能，其包含无刷直流电机多种逻辑换向控制规律，内部将各种电源地有效隔离，避免了相互间的干扰，能有效兼容常用的+5V/+3.3V两种逻辑电平并便于外部输入数字引脚的直接对接应用，能完成工作时大电流采样输出，同时能有效抑制电机工作时产生的反电动势，降低了电磁辐射，从而提高了整个数字控制器的工作稳定性、可靠性，延长了其使用寿命。
文档编号H02P6/00GK201994897SQ20112003637
公开日2011年9月28日 申请日期2011年2月11日 优先权日2011年2月11日
发明者苏功富 申请人:国营红峰机械厂