专利名称：无刷直流电机驱动器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种无刷直流电机的驱动器。
背景技术：
无刷直流电机取消了碳刷、换向器等机械装置，利用相位检测元件以及采用微处理器实现电流换相，该电流的换相是由微处理器内的程序来实现，但计算机有时在强干扰的情况下程序会跑飞而导致不可预料的结果产生，所以换相可靠性不高；另外，现有的无刷直流电机驱动器往往采用专用的集成·电路，换相和驱动都一并封装在同一集成电路中，其换相为180°的控制方式，通电的初始30°和结束30°所产生的电机转矩很小，导致效率非常低，而且，由于换相和驱动都在同一集成芯片内完成，这样的驱动装置只适合小功率驱动，驱动能力有限，不适应大功率的场合(大功率的解决方案将IGBT开关管、IGBT驱动电路和换相电路一并集成到芯片中，有大的散热装置，这样形成的功率模块价格非常高)。
实用新型内容为了解决现有的无刷直流电机驱动器的上述问题，本实用新型提供一种电流换相由硬件电路完成、换相可靠、效率高、驱动能力强、成本低的无刷直流电机驱动器。本实用新型采用以下的技术方案无刷直流电机驱动器，包括用于换相控制的驱动信号分配模块，该驱动信号分配模块将来自无刷直流电机的三路转子位置信号转换成6路驱动信号输出，所述6路驱动信号输入给驱动放大模块以放大信号，所述驱动放大模块用以驱动三相桥模块，三相桥模块的输出端连接无刷直流电机用以驱动无刷直流电机旋转，无刷直流电机的三路转子位置信号还输入到计算机模块中用以检测该无刷直流电机的转速，计算机模块产生的脉宽调制信号输入到驱动信号分配模块中用以控制无刷直流电机的转速，电源模块提供所有模块所需的电源；所述驱动信号分配模块包括三组由硬件电路构成的换相电路，各换相电路的输出端连接可方便调节换相角度的延时电路，延时电路的输出端连接可输出陡峭上升和陡峭下降的方波信号的整形电路，整形电路的输出端连接反相放大电路；每组换相电路和延时电路集成在一芯片上。进一步，所述无刷直流电机驱动器还包括与驱动信号分配模块相连的相位滤波放大模块，所述相位滤波放大模块将无刷直流电机输出的三路转子位置信号进行滤波、放大以更有效的驱动驱动信号分配模块。进一步，所述无刷直流电机驱动器还包括与驱动信号分配模块相连的下桥欠驱动电压保护模块，所述下桥欠驱动电压保护模块用于检测所述电源模块提供的低压电源，该低压电源用于三相桥模块中下桥IGBT的栅极与发射极之间的驱动电压，当该低压电源低于设定值时，驱动信号分配模块无对应的下桥驱动信号输出。进一步，所述无刷直流电机驱动器还包括与驱动信号分配模块相连的上桥欠驱动电压保护模块，所述上桥欠驱动电压保护模块用于检测电源模块提供的三对高压电源(+20_U与US之差、+20_V与VS之差、+20_ff与WS之差)，该三对高压电源用于三相桥模块7中上桥IGBT的栅极与发射极之间的驱动电压，当其中的某一高压电源低于设定值时，驱动信号分配模块无对应的上桥驱动信号输出。进一步，所述无刷直流电机驱动器还包括与驱动信号分配模块相连的过流检测模块，所述过流检测模块用于检测流过无刷直流电机的电流，当该电流超过设定值时，驱动信号分配模块无信号输出。进一步，所述无刷直流电机驱动器还包括与三相桥模块相连的高压储能模块，所述高压储能模块用于储存无刷直流电机线圈截止时线圈中的能量，限制电路中的电压波动，以降低三相桥模块中IGBT开关管的电压，保护三相桥模块中的IGBT开关管。进一步，所述的驱动放大模块采用两级晶体管放大电路。本实用新型的有益效果是(I)无刷直流电机三相线圈的换相由硬件电路的逻辑运算来完成，硬件电路抗干扰能力强，具有实时性，能避免计算机有时在强干扰的情况下程 序跑飞而产生不可预料的结果，所以换相的可靠性提高；另外驱动信号分配模块中含有电容电阻的延时电路，可以方便的调节换相角度(一般延时20度导通)，提前截止由计算机的软件算法完成(一般提前截止角度亦为20度)，各相线圈的实际导通角度为140度。该软硬件结合的方法可简单可靠的实现电机通电效率的提升。(2)驱动装置没有和换相装置一并封装在集成电路中，而是采用分立元件根据IGBT开关管的实际需要设计驱动装置，实现了高压、大功率无刷直流电机的控制，具体的，通过驱动信号分配模块产生驱动输出信号输入给驱动放大模块,驱动放大模块进一步驱动三相桥模块,这样,驱动能力增强并且成本低。(3)由于高压储能模块中的电容的负极连接的电位高(供电正极)，可采用低压大容量电容，限制电路中的电压波动的效果较一般高压低容量电容的更佳，体积更小，可靠性更闻。
图I是本实用新型实施例的下桥欠驱动电压保护模块的电路图。图2是本实用新型实施例的过流检测模块的电路图，其中，Linel、Line2是图2和图2续的连接点。图3是本实用新型实施例的计算机模块的功能图。图4是本实用新型实施例的相位滤波放大模块的电路图。图5是本实用新型实施例的驱动信号分配模块的电路图。图6是本实用新型实施例的驱动放大模块的电路图。图7是本实用新型实施例的三相桥模块的电路图。图8是本实用新型实施例的无刷直流电机的示意图。图9是本实用新型实施例的高压储能模块的电路图。图10是本实用新型实施例的上桥欠驱动电压保护模块的电路图。图11是本实用新型实施例的电源模块的功能图。图12是驱动信号分配模块中的芯片U5、U6、U7的原理图。
具体实施方式
[0025]
以下结合附图对本实用新型作进一步说明。实施例一参照图1-12 :—种无刷直流电机驱动器，包括用于换相控制的驱动信号分配模块5，该驱动信号分配模块5将来自无刷直流电机的三路转子位置信号A、B、C转换成6路驱动信号输出，分别是3路上桥驱动信号和3路下桥驱动信号,3路上桥驱动信号和3路下桥驱动信号分别连接到驱动放大模块6中的六路两级晶体管放大电路，用以放大所述六路驱动输出信号，所述驱动放大模块6中的六路两级晶体管放大电路的输出UG+、UG-> VG+>VG-、WG+、WG-分别连接到三相桥模块7中对应的6个IBGT开关管的栅极，所述三相桥模块7中三个桥的中路输出U、V、W分别连接到无刷直流电机的3输入端U、V、W，无刷直流电机在U、V、W正确相序的通电情况下转动，同时产生3路转子位置信号A、B、C以维持U、V、W的正确相序。无刷直流电机的三路转子位置信号A、B、C还输入到计算机模块3中用以检测 该无刷直流电机的转速，计算机模块3产生的脉宽调制信号Pz输入到驱动信号分配模块5中用以控制无刷直流电机的转速，电源模块10提供所有模块所需的电源，本实施例是13路电源 Vcc、+15V、-10V、+500V、+20_U、_5_U、+20_V、_5_V、+20_W、-5 JL US、VS、WS，该 13 路电源分别与对应的模块相连接。另外，电源模块10中设定，-5_U比US低5伏，-5_V比VS低5伏，-5_ff比WS低5伏，Vcc相对Gnd为5伏。所述驱动信号分配模块5包括三组由硬件电路构成的换相电路，各换相电路的输出端连接可方便调节换相角度的延时电路，延时电路的输出端连接可输出陡峭上升和陡峭下降的方波信号的整形电路，整形电路的输出端连接反相放大电路；每组换相电路和延时电路集成在一芯片jcdl上。所述驱动信号分配模块5与驱动放大模块6在连接点UU+、UU-、W+、VV_、WW+、WW-处连接。所述驱动放大模块6与三相桥模块7在连接点UG+、UG-、VG+、VG-、WG+、WG-处连接。三相桥模块7与无刷直流电机在连接点U、V、W处连接。无刷直流电机的三路转子位置信号A、B、C中，A与计算机模块3输入端的AF连接，B与计算机模块3输入端的BF连接，C与计算机模块3输入端的CF连接。所述无刷直流电机驱动器还包括与驱动信号分配模块5相连的相位滤波放大模块4，所述相位滤波放大模块4将无刷直流电机输出的三路转子位置信号进行滤波、放大以更有效的驱动驱动信号分配模块5。所述无刷直流电机与相位滤波放大模块4在连接点A、B、C处连接，所述相位滤波放大模块4与驱动信号分配模块5在连接点AA、BB、CC处连接。所述无刷直流电机驱动器还包括与驱动信号分配模块5相连的下桥欠驱动电压保护模块1，所述下桥欠驱动电压保护模块I用于检测所述电源模块10提供的低压电源(+15V)，该低压电源用于三相桥模块7中下桥IGBT的栅极与发射极之间的驱动电压(当UU-为高电平，导致光耦P2导通，驱动放大模块6的Q28截止、Q29导通时，UG-等于+15V，这样，下桥IGBT的栅极与发射极之间的驱动电压就为+15V减G);当该低压电源低于设定值(如12V)时，使驱动信号分配模块5无对应的下桥驱动信号输出。所述下桥欠驱动电压保护模块I与驱动信号分配模块5在连接点LL处连接。具体的，所述下桥欠驱动电压保护模块I用于检测+15V(+15V是指连接点而非实际电压)到G之间的电压，当其低于设定值时(如12V)，LL将为高电平输出，驱动信号分配模块5的三个下桥驱动信号(UU-、VV-、ffff-)输出数字零电平(GND)，驱动放大模块6输出的三个下桥驱动信号(UG-、VG-、WG_)输出-IOV低压截止电平，于是三相桥模块7的三个下桥IGBT(Q17、Q19、Q21)的栅极为-IOV低压截止电平，从而无刷直流电机无电流流过。同时，可以对三相桥模块7的三个下桥IGBT实现低驱动电压保护，理由是当三相桥模块7中的下桥IGBT需要导通时，其栅极与发射极之间的驱动电压(UG-减G)必须高于12V，否则会因导通不良而烧毁，于是当栅极和发射极之间检测的电压低于12V时，就干脆让下桥IGBT不导通而起到保护作用。所述无刷直流电机驱动器还包括与驱动信号分配模块5相连的上桥欠驱动电压保护模块9，所述上桥欠驱动电压保护模块9用于检测电源模块10提供的三对高压电源(+20_U与US之差、+20_V与VS之差、+20_ff与WS之差)，该三对高压电源用于三相桥模块7中上桥IGBT的栅极与发射极之间的驱动电压(当UU+为高电平，导致光耦Pl导通，驱动放大模块6的Q22截止、Q23导通时，UG+等于+20_U，这样，上桥IGBT的栅极与发射极之间的驱动电压就为+20_U减US)。电源模块10在设计的时候，设定+20_U与US之差为15伏，但由于某些干扰会导致+20_U与US之差可能会瞬时过低的情况，而导致IGBT导通不良，使其发热而烧毁，所以要增加上述上桥欠驱动电压保护模块9起保护作用。当上桥欠驱动电压保护模块9中的某一高压电源低于设定值(如12V)时，驱动信号分配模块5无对应的上桥驱动信号输出。具体的，以其中的一路信号为例，上桥欠驱动电压保护模块9中，当+20_U与US之差低于设定值(如12V)时，上桥欠驱动电压保护模块9中的光耦P7的左侧无电流流过，光耦P7的右侧截止，运算放大器的负输入端的电压为零(Gnd)，低于正输入端的电压(由R71、R72、D32决定)，由于该运放电路的放大倍数为无穷大，LU+会迅速上升到Vcc电平，当LU+为数字高电平时，驱动信号分配模块5中的等同于或非门电路将使其对应的UU+输出数字低电平，低电平的UU+不能使驱动放大模块6中光耦Pl导通，这样，Q22导通、Q23截止，UG+端的电平被拉低到_5_U电平，从而使三相桥模块7中上桥IGBT截止。这里的高压是指三相桥模块7中上桥IGBT的栅极与发射极之间的高导通电压，当三相桥模块7中上桥IGBT需要导通时，其栅极与发射极之间的驱动电压必须高于12V，否则会因导通不良而烧毁，上桥欠驱动电压保护模块9正是用于检测三相桥模块7中上桥 IGBT的栅极与发射极之间的驱动电压，若检测该驱动电源的电压低于12V时，就干脆让上桥IGBT不导通而起到保护作用。所述上桥欠驱动电压保护模块9与驱动信号分配模块5在连接点LU+、LV+、Lff+处连接。所述无刷直流电机驱动器还包括与驱动信号分配模块5相连的过流检测模块2，所述过流检测模块2用于检测流过无刷直流电机的电流，当该电流超过设定值时，使驱动信号分配模块5无信号输出。所述过流检测模块2与驱动信号分配模块5在连接点II处连接。所述无刷直流电机驱动器还包括与三相桥模块7相连的高压储能模块8，所述高压储能模块8用于储存无刷直流电机线圈截止时线圈中的能量，限制电路中的电压波动，以降低三相桥模块7中IGBT开关管的电压，保护三相桥模块中的IGBT开关管。所述三相桥模块7与高压储能模块8在连接点+550V处连接。所述的驱动放大模块6采用两级晶体管放大电路。本实施例的工作原理相位滤波放大模块4接收无刷直流电机输出的转子位置信号A、B、C进行电阻电容高频滤波和晶体管放大后输出AA、BB、CC到驱动信号分配模块5，所述驱动信号分配模块5产生正确相序的六路驱动信号，作为驱动放大模块6的六路放大电路的输入，所述驱动放大模块6中的放大电路由光电隔离电路Pl和两级晶体管放大电路组成，其输出UG+、VG+、WG+分别连接三相桥模块7的上桥IBGT的栅极，其输出UG-、VG-、WG-分别连 接三相桥模块7的下桥IBGT的栅极，三相桥模块7的三桥的中部输出U、V、W分别连接无刷直流电机的三相输入，高压储能模块8还与三相桥模块7通过二极管D12、D15、D18相连，所述高压储能模块8中的电容C19用于存储当下桥IGBT(Q17、Q19、Q21)截止时无刷直流电机线圈中的能量，由于C19的负极接电源的正极(+500V)，C19可以采用低压大容量电解电容，从而起到良好的储能稳压的作用，无刷直流电机的转速由计算机模块3输出的脉宽调制信号Pz来控制，Pz被输入到驱动信号分配模块5，当Pz为高电平时，驱动信号分配模块5的三个上桥驱动信号(UU+、W+、Wff+)输出数字零电平(Gnd)，驱动放大模块6的三个上桥驱动信号(UG+、VG+、WG+)分别对应输出_5_U、_5_V、_5_评低压截止电平，由于电源模块10中设定-5_U、-5_V、-5_W相对US、VS、WS为-5伏，于是三相桥模块7中的三个上桥IGBT(Q1、Q18、Q20)截止，从而无刷直流电机无电流流过；下桥欠驱动电压保护模块I的LL输入到驱动信号分配模块5，所述下桥欠驱动电压保护模块I用于检测+15V到G之间的电压，当其低于设定值时(如12V)，LL将为高电平输出，驱动信号分配模块5的三个下桥驱动信号(UU-、W-、Wff-)输出数字零电平(Gnd)，驱动放大模块6的三个下桥驱动信号(UG-、VG-、WG_)输出-IOV低压截止电平，于是三相桥模块7的三个下桥IGBT(Q17、Q19、Q21)的栅极为-IOV低压截止电平，三个下桥IGBT截止，从而无刷直流电机无电流流过，并且对三相桥模块7的下桥IGBT进行低压保护，上桥欠驱动电压保护模块9中的三路电路类似下桥欠驱动电压保护模块I中的电路，只是检测的电平分别为+20_U与US之差、+20_V与VS之差、+20_ff与WS之差；过流检测模块2的输出II连接到驱动信号分配模块5，起过流保护作用，当流过无刷直流电机的电流过大时，+500V与+550V间的电压加大到使其II有高电平输出，类似于Pz，会使驱动信号分配模块5的三个上桥驱动信号(UU+、W+、Wff+)无输出，导致三相桥模块7中的三个上桥IGBT(Q1、Q18、Q20)截止，从而无刷直流电机无电流流过，同时，所述过流检测模块2输出I_int到计算机模块3，产生中断信号，计算机模块通过中断程序及时进行响应，通过拉高Pz而让三相桥模块7中3个上桥IGBT不导通，从而使无刷直流电机断电。图12是本实施例的驱动信号分配模块5中芯片U5、U6、U7的原理图，从图中可以看出芯片U5、U6、U7的数字逻辑。结合图12以及图5中U5、U6、U7的引脚连接关系，可以得出下面的换相和延时的逻辑关系对于U5路HIGH = Pz+ (LU+) +II+ (K-) +m+ CC = Pz+ (LU+) + 11+ LOW +m+ CCU+= UP = HIGH (I - e(1~f/r))，其中，t 是时间常数low = LL +K+ +BB+ CC = LL + HIGH + BB+ CCU- = DN = LOW(l - e{l-tlT))，其中，t 是时间常数对于U6路HIGH = Pz + (LV+) + II + (K-) + AA +BB = Pz+ (LV+) +II + LOW + AA +BBV+= UP = HIGH(\ - e{l~tlT))，其中，t 是时间常数
权利要求1.无刷直流电机驱动器，其特征在于，包括用于换相控制的驱动信号分配模块，该驱动信号分配模块将来自无刷直流电机的三路转子位置信号转换成6路驱动信号输出，所述6路驱动信号输入给驱动放大模块以放大信号,所述驱动放大模块用以驱动三相桥模块，三相桥模块的输出端连接无刷直流电机用以驱动无刷直流电机旋转，无刷直流电机的三路转子位置信号还输入到计算机模块中用以检测该无刷直流电机的转速，计算机模块产生的脉宽调制信号输入到驱动信号分配模块中用以控制无刷直流电机的转速，电源模块提供所有模块所需的电源；所述驱动信号分配模块包括三组由硬件电路构成的换相电路，各换相电路的输出端连接可方便调节换相角度的延时电路，延时电路的输出端连接可输出陡峭上升和陡峭下降的方波信号的整形电路，整形电路的输出端连接反相放大电路；每组换相电路和延时电路集成在一芯片上。
2.如权利要求I所述的无刷直流电机驱动器，其特征在于，所述无刷直流电机驱动器还包括与驱动信号分配模块相连的相位滤波放大模块，所述相位滤波放大模块将无刷直流电机输出的三路转子位置信号进行滤波、放大以更有效的驱动驱动信号分配模块。
3.如权利要求I或2所述的无刷直流电机驱动器，其特征在于，所述无刷直流电机驱动器还包括与驱动信号分配模块相连的下桥欠驱动电压保护模块，所述下桥欠驱动电压保护模块用于检测所述电源模块提供的低压电源，该低压电源用于三相桥模块中下桥IGBT的栅极与发射极之间的驱动电压，当该低压电源低于设定值时，驱动信号分配模块无对应的下桥驱动信号输出。
4.如权利要求3所述的无刷直流电机驱动器，其特征在于，所述无刷直流电机驱动器还包括与驱动信号分配模块相连的上桥欠驱动电压保护模块，所述上桥欠驱动电压保护模块用于检测电源模块提供的三对高压电源，该三对高压电源用于三相桥模块中上桥IGBT的栅极与发射极之间的驱动电压，当其中的某一高压电源低于设定值时，驱动信号分配模块无对应的上桥驱动信号输出。
5.如权利要求4所述的无刷直流电机驱动器，其特征在于，所述无刷直流电机驱动器还包括与驱动信号分配模块相连的过流检测模块，所述过流检测模块用于检测流过无刷直流电机的电流，当该电流超过设定值时，驱动信号分配模块无信号输出。
6.如权利要求5所述的无刷直流电机驱动器，其特征在于，所述无刷直流电机驱动器还包括与三相桥模块相连的高压储能模块，所述高压储能模块用于储存无刷直流电机线圈截止时线圈中的能量，限制电路中的电压波动，以降低三相桥模块中IGBT开关管的电压，保护三相桥模块中的IGBT开关管。
7.如权利要求6所述的无刷直流电机驱动器，其特征在于，所述的驱动放大模块采用两级晶体管放大电路。
专利摘要本实用新型涉及一种无刷直流电机驱动器，包括用于换相控制的驱动信号分配模块，该驱动信号分配模块将电机的三路转子位置信号转换成6路驱动信号输出，所述6路驱动信号输入给驱动放大模块以放大信号，驱动放大模块用以驱动三相桥模块，三相桥模块的输出端连接无刷直流电机，无刷直流电机的三路转子位置信号还输入到计算机模块中用以检测该无刷直流电机的转速，计算机模块产生的脉宽调制信号输入到驱动信号分配模块中用以控制无刷直流电机的转速，电源模块提供所有模块所需的电源；所述驱动信号分配模块包括由硬件电路构成的换相电路，换相电路的输出端连接可方便调节换相角度的延时电路。本实用新型优点换相可靠、效率高、驱动能力强、成本低。
文档编号H02P6/16GK202535302SQ20122017779
公开日2012年11月14日 申请日期2012年4月24日 优先权日2012年4月24日
发明者李绣峰 申请人:台州学院, 温岭市三木机电有限公司