本发明属于机电伺服驱动领域，具体涉及一种数字隔离式大功率三相无刷电机驱动模块。
背景技术：
无刷直流电机的运动控制需要采用驱动直流电机运动的驱动电路，为实现电机的运动通常需要采用桥式驱动电路进行驱动。另外为了防止电机堵转时产生的大电流烧毁电机、电源或者其他部件，需要进行过流保护设计。采用分离元器件进行构建实现这些功能，电路结构比较复杂，电路体积较大，难以满足航天伺服产品小型化要求。目前市场上1-2kw的驱动模块性能较优的，主要采用pcb+dbc的工艺的集成模块，但价格较高。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种数字隔离式大功率三相无刷电机驱动模块，该驱动模块可靠性高、集成度高、工作电流大、功率密度高、生产周期短，可满足功率电工作范围20v-70v和功率2kw以下的无刷直流电机的驱动模块选型，可满足航天机电伺服等使用要求。
实现本发明目的的技术方案：一种数字隔离式大功率三相无刷电机驱动模块，该模块包括光耦隔离单元、逻辑单元、h桥驱动控制单元、过流保护单元和场效应管输出单元，光耦隔离单元的信号输入端连接模块的外部管脚，接收脉宽调制信号pwm信号、方向信号f/r信号和信号地g端直接进行电机的转速和正反转控制，光耦隔离单元的信号输出端和过流保护单元的信号输出端均与逻辑单元的信号输入端连接，逻辑单元的信号输出端和过流保护单元的信号输出端均与h桥驱动控制单元的信号输入端连接，h桥驱动控制单元的信号输出端与场效应管输出单元的信号输入端相连，场效应管输出单元的信号输出端分别连接过流保护单元的信号输入端和外部电机绕组u、v、w；光耦隔离单元、逻辑单元和h桥驱动控制单元均连接工作电源vcc，过流保护单元和场效应管输出单元均连接动力电源vs；光耦隔离单元将由模块外部管脚输入的脉宽调制信号pwm信号、方向信号f/r信号和信号地g进行光物理隔离分别输出功率放大后的脉宽调制信号pwm信号、方向信号f/r信号和功率输出地gnd，逻辑单元接收光耦隔离单元输出的脉宽调制信号pwm信号、方向信号f/r信号；逻辑单元分别接收由光耦隔离单元输出的脉宽调制信号pwm信号、方向信号f/r信号，由过流保护单元输出的过流使能信号sd和由外部管脚输入的三相霍尔信号sa、sb、sc，依照pwm_on斩波调制方式进行组合逻辑，并向h桥驱动控制单元输出六路逻辑信号；h桥驱动控制单元分别接收由逻辑单元输入的六路脉逻辑信号和由过流保护单元输出的过流使能信号sd，并经过其驱动控制单元向场效应管输出单元输出六路脉宽调制信号；场效应管输出单元接收h桥驱动控制单元输出的脉冲宽度调制信号，来控制场效应管输出单元中三相桥驱动电路的六个场效应管轮流开关，并输出三相脉冲宽度调制信号u、v、w；模块外部管脚u、v、w分别接收场效应管输出单元的三相脉宽调制信号u、v、w，并分别连接无刷直流电机的三相绕组u、v、w来控制直流无刷电机的转速和正反转。
所述的过流保护单元通过接收场效应管输出单元中检测母线电流得到的电压信号vsence信号，并判定此时的vsence信号是否大于设定值，若大于设定值，向逻辑单元和h桥驱动控制单元输出过流使能信号sd为高电平；若小于设定值，向逻辑单元和h桥驱动控制单元输出过流使能信号sd为低电平。
所述的光耦隔离单元由电阻r1、电阻r2、电容c1和双通道光耦u1构成，电阻r1的一端连接模块的输入信号pwm引脚，电阻r1的另一端连接双通道光耦u1的源边引脚4，电阻r2的一端连接模块的输入信号f/r引脚，电阻r2的另一端连接双通道光耦u1的源边引脚1，双通道光耦u1的源边引脚2、引脚3接地g；双通道光耦u1的副边引脚8连接vh＝+15v电平、电容c1的一端，双通道光耦u1的副边引脚5和电容c1的另一端均接地，双通道光耦u1的副边引脚6、引脚7分别为f/r信号输出端和pwm信号输出端。
所述的双通道光耦u1输入端接入电阻r1、电阻r2进行限流，双通道光耦u1副边引脚8接+15v电平，驱动模块将由模块外部引脚输入的控制指令信号f/r、pwm通过电阻r1、电阻r2传输至双通道光耦u1的源边，双通道光耦u1导通，双通道光耦u1的副边输出对应的功率放大的隔离信号f/r信号、pwm信号到逻辑单元，从而实现输入控制地和功率输出地隔离。
所述的电容c1为高频滤波电容，去除信号f/r、pwm的毛刺。
所述的过流保护单元由一个基准电压电路和一个比较电路组成，基准电压电路由基准源u9、电阻r24、电阻r14、电阻r17、电容c17和电容c18组成。电容c17的一端和电阻r24的一端串联，并连接供电电源vh，c17的另一端接功率输出地；电阻r24的另一端分别和基准源u9的负端和电阻r14的一端连接；基准源u9的正端和电阻r17、电容c18的一端相连并连接功率输出地；电阻r17和电容c18的另一端和电阻r14的另一端相连并连接到比较器u11的引脚4上；比较电路由比较器u11、电阻r19、电阻r22、电容c22和电容c23组成，电阻r22的一端连接比较器u11的引脚3并连接工作电源vh，另一端连接比较器u11的引脚2，电容c22的一端与比较器u11的引脚3连通并连接工作电源vh，另一端连接功率输出地，电阻r19的一端接场效应输出单元的vsence信号端，另一端与电容c23的一端连通，并与连接比较器u11的引脚5连通，电容c23的另一端连接功率输出地，比较器u11的引脚2连接逻辑单元的非门参与逻辑运算，并连接h桥驱动控制单元中控制芯片ir2113的引脚8进行控制使能，比较器u11的引脚12连接功率输出地。
所述的基准源u9的基电压值为1.2v，r24为限流电阻，电阻r14和电阻r17为分压电阻，为基准电压电路提供vcom-＝0.06v的基准电压值。
本发明的有益技术效果在于：本发明的无刷电机驱动模块通过一个驱动模块即可代替原有的功率电路和驱动电路，可以实现输入控制地与功率输出地隔离、过流保护功能，显著增加产品组装密度、缩短互连长度、减少信号延迟时间、减轻重量、提高可靠性、大大缩小了模块的体积、具有集成度高、工作电流大、功率密度高等优点。光耦隔离单元实现输入控制地和功率输出地隔离。逻辑单元采用pwm_on斩波调制方式可实现同侧上、下场效应管(mosfet)同时截止时对母线电压波动最小、转矩脉动方式最小，并可实现六个场效应管(mosfet)轮流开管，发热均匀，可提高驱动模块的效率。过流保护单元设计了一种全新的过流输出限制电路，该电路所需元器件少，成本低、占用空间小、不受应用功率等级限制，可实现采样电阻检测的电流值高于触发电流阈值时关断pwm，在检测到电流值低于触发电流阈值时打开pwm，从而实现瞬时过流输出保护。
(1)集成度高。数字隔离式大功率三相无刷电机驱动模块包括光耦隔离单元、逻辑单元、h桥驱动控制单元、过流保护单元和场效应管输出单元。
(2)采用厚膜混合电路立体组装工艺。将功率器件及驱动电路高度集成在陶瓷基板上，通过一个驱动模块即可代替原有的功率电路和驱动电路，显著增加产品组装密度、缩短互连长度、减少信号延迟时间、减轻重量、提高可靠性、大大缩小了控制器驱动器的体积。
(3)体积小、重量轻。该模块内部芯片选择裸芯片和厚膜电阻，大大减小了芯片尺寸对模块大小的限制；外壳最大尺寸为，最大重量不大于150g。
(4)工作电流大、功率密度高。该模块限流保护输出电流达到60a，可实现不低于2kw的功率输出。
(5)采用pwm_on斩波调制方式。保证了6个场效应管轮流开管，具有转矩脉动方式最小，场效应功率单元发热均匀和母线回馈续流最小的特点。
(6)过流保护功能。过流保护单元设计了一种全新的过流输出限制电路，该电路所需元器件少，成本低、占用空间小、不受应用功率等级限制，可实现采样电阻检测的电流值高于触发电流阈值时关断pwm，在检测到电流值低于触发电流阈值时打开pwm，从而实现瞬时过流输出保护。试验表明该过流保护单元可实现在瞬时输出过载时，维持阈值电流输出。
附图说明
图1为本发明所提供的一种数字隔离式大功率三相无刷电机驱动模块的原理框图；
图2为本发明所提供的光耦隔离单元的原理图；
图3为本发明所提供的过流保护单元的原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种数字隔离式大功率三相无刷电机驱动模块，该模块包括光耦隔离单元101、逻辑单元102、h桥驱动控制单元103、过流保护单元104和场效应管输出单元105。光耦隔离单元101的信号输入端连接模块的外部管脚，接收脉宽调制信号(pwm信号)、方向信号(f/r信号)和信号地(g端)直接进行电机的转速和正反转控制，光耦隔离单元101的信号输出端和过流保护单元104的信号输出端均与逻辑单元102的信号输入端连接，逻辑单元102的信号输出端和过流保护单元104的信号输出端均与h桥驱动控制单元103的信号输入端连接，h桥驱动控制单元103的信号输出端与场效应管输出单元105的信号输入端相连，场效应管输出单元105的信号输出端分别连接过流保护单元104的信号输入端和外部电机绕组u、v、w。光耦隔离单元101、逻辑单元102和h桥驱动控制单元103均连接工作电源vcc，过流保护单元104和场效应管输出单元105均连接动力电源vs。
如图1所示，光耦隔离单元101将由模块外部管脚输入的脉宽调制信号(pwm信号)、方向信号(f/r信号)和信号地(g)进行光物理隔离分别输出功率放大后的脉宽调制信号(pwm信号)、方向信号(f/r信号)和功率输出地(gnd)，逻辑单元102接收光耦隔离单元101输出的脉宽调制信号(pwm信号)、方向信号(f/r信号)；逻辑单元102分别接收由光耦隔离单元101输出的脉宽调制信号(pwm信号)、方向信号(f/r信号)，由过流保护单元104输出的过流使能信号(sd)和由外部管脚输入的三相霍尔信号(sa、sb、sc)，依照pwm_on斩波调制方式进行组合逻辑，并向h桥驱动控制单元103输出六路逻辑信号；h桥驱动控制单元103分别接收由逻辑单元102输入的六路脉逻辑信号和由过流保护单元104输出的过流使能信号(sd)，并经过其驱动控制单元向场效应管输出单元105输出六路脉宽调制信号；场效应管输出单元105接收h桥驱动控制单元103输出的脉冲宽度调制信号，来控制场效应管输出单元105中三相桥驱动电路的六个场效应管轮流开关，并输出三相脉冲宽度调制信号(u、v、w)；模块外部管脚u、v、w分别接收场效应管输出单元105的三相脉宽调制信号(u、v、w)，并分别连接无刷直流电机的三相绕组u、v、w来控制直流无刷电机的转速和正反转。在该型驱动模块连接无刷直流电机运转过程中，过流保护单元104通过接收场效应管输出单元105中检测母线电流得到的电压信号(vsence信号)，并判定此时的vsence信号是否大于设定值，若大于设定值，向逻辑单元102和h桥驱动控制单元103输出过流使能信号(sd)为高电平；若小于设定值，向逻辑单元102和h桥驱动控制单元103输出过流使能信号(sd)为低电平。
如图2所示，光耦隔离单元101由电阻r1、电阻r2、电容c1和双通道光耦u1构成，电阻r1的一端连接模块的输入信号pwm引脚，电阻r1的另一端连接双通道光耦u1的源边引脚4，电阻r2的一端连接模块的输入信号f/r引脚，电阻r2的另一端连接双通道光耦u1的源边引脚1，双通道光耦u1的源边引脚2、引脚3接地g；双通道光耦u1的副边引脚8连接vh＝+15v电平、电容c1的一端，双通道光耦u1的副边引脚5和电容c1的另一端均接地，双通道光耦u1的副边引脚6、引脚7分别为f/r信号输出端和pwm信号输出端。双通道光耦u1的源边输入电流大约在10ma左右，双通道光耦u1输入端接入电阻r1、电阻r2进行限流。双通道光耦u1副边引脚8接+15v电平，驱动模块将由模块外部引脚输入的控制指令信号f/r、pwm通过电阻r1、电阻r2传输至双通道光耦u1的源边，双通道光耦u1导通，双通道光耦u1的副边输出对应的功率放大的隔离信号f/r信号、pwm信号到逻辑单元102，从而实现输入控制地和功率输出地隔离。电容c1为高频滤波电容，去除信号f/r、pwm的毛刺。
逻辑单元102由cd4081、cd4070、cd4069等与门、或门和非门等逻辑芯片组成。逻辑单元102输入端分别接收由光耦隔离单元101的双通道光耦u1发送的脉宽调制信号(pwm信号)、方向信号(f/r信号)，由过流保护单元104的比较器u11发送的过流使能信号(sd)和由外部管脚输入的三相霍尔信号(sa、sb、sc)，逻辑单元102采用pwm_on斩波调制方式将上述三种信号进行组合逻辑后，逻辑单元102向h桥驱动控制单元103输出六路逻辑信号。此pwm_on斩波调制方式可实现同侧上、下场效应管(mosfet)同时截止时对母线电压波动最小、转矩脉动方式最小，并可实现六个场效应管(mosfet)轮流开管，发热均匀，可提高驱动模块的效率。
h桥驱动控制单元103采用集成驱动芯片ir2113，它高端和低端输入通道相互独立，来驱动桥式电路的上下桥臂；内部sd管脚具有逻辑关断功能，当sd信号为高电平时，关断逻辑信号；悬浮电源采用自举电路，可自激运行，其高端工作电压可达500v，在15v静态功耗为16mw，这种驱动方式结构紧凑、所用外围元器件数量少、驱动效率高。h桥驱动控制单元103分别接收由逻辑单元102输入的六路逻辑信号和由过流保护单元104输出的过流使能信号(sd)，当检测到过流使能信号(sd)为低电平时，h桥驱动控制单元103向场效应管输出单元105输出六路脉冲宽度调制信号；当检测到过流使能信号(sd)为高电平时，h桥驱动控制单元103关断逻辑信号，输出截止。
场效应管输出单元105为满足产品可工作电压高(最高可达72v)、大电流(最大输出电流60a)及高效率，在mosfet管选取时选择工作电压高，导通电阻小rds(on)的mosfet管，本单元采用ir公司的ir4458型功率mosfet组成的三相桥功率电路。场效应管输出单元105接收h桥驱动控制单元103输出的脉冲宽度调制信号，来控制场效应管输出单元105中三相桥驱动电路的六个场效应管轮流开关，并输出三相脉冲宽度调制信号(u、v、w)；模块外部管脚u、v、w分别接收场效应管输出单元105的三相脉宽调制信号(u、v、w)，并分别连接无刷直流电机的三相绕组来控制直流无刷电机u、v、w的转速和正反转。在该型驱动模块连接无刷直流电机运转过程中，过流保护单元104通过接收场效应管输出单元105中检测母线电流得到的电压信号(vsence信号)，并判定此时的vsence信号是否大于设定值，若大于设定值，向逻辑单元102和h桥驱动控制单元103输出过流使能信号(sd)为高电平；若小于设定值，向逻辑单元102和h桥驱动控制单元103输出过流使能信号(sd)为低电平。
如图3所示，过流保护单元104由一个基准电压电路和一个比较电路组成。基准电压电路由基准源u9、电阻r24、电阻r14、电阻r17、电容c17和电容c18组成。电容c17的一端和电阻r24的一端串联，并连接供电电源vh，c17的另一端接功率输出地；电阻r24的另一端分别和基准源u9的负端和电阻r14的一端连接；基准源u9的正端和电阻r17、电容c18的一端相连并连接功率输出地；电阻r17和电容c18的另一端和电阻r14的另一端相连并连接到比较器u11的引脚4上。基准源u9的基电压值为1.2v，r24为限流电阻，电阻r14和电阻r17为分压电阻，为基准电压电路提供vcom-＝0.06v的基准电压值。比较电路由比较器u11、电阻r19、电阻r22、电容c22和电容c23组成。电阻r22的一端连接比较器u11的引脚3并连接工作电源vh，另一端连接比较器u11的引脚2；电容c22的一端与比较器u11的引脚3连通并连接工作电源vh，另一端连接功率输出地；电阻r19的一端接场效应输出单元105的vsence信号端，另一端与电容c23的一端连通，并与连接比较器u11的引脚5连通；电容c23的另一端连接功率输出地；比较器u11的引脚2连接逻辑单元102的非门参与逻辑运算，并连接h桥驱动控制单元103中控制芯片ir2113的引脚8进行控制使能；比较器u11的引脚12连接功率输出地。基准电压电路中的vcom-信号与比较器u11的4脚相连，为比较电路提供一个恒定的0.06v的电压基准，比较器u11的5脚接收到场效应管输出单元105输出的vsence信号，vsence为母线电流经采样电阻形成的电压信号。当电流超过保护电流值时，即vsence>vcom-时，比较器u11的引脚2输出高电平，即过流使能信号sd输出为高电平。当h桥驱动控制单元103中驱动芯片ir2113检测到过流使能信号sd信号为高电平时，封锁场效应管输出单元105中三相桥驱动单元中mosfet驱动输出；当电流低于保护电流值时，即vsence>vcom-时，比较器u11的引脚2输出低电平，即过流使能信号sd输出为低电平。当h桥驱动控制单元103中驱动芯片ir2113检测到过流使能信号sd信号为低电平时，开启场效应管输出单元105中三相桥驱动单元中mosfet驱动输出；比较器u11的引脚2输出的过流使能信号sd与逻辑单元102的非门相连，当过流使能信号sd由高电平到低电平时，对过流使能信号进行逻辑取反后在逻辑单元102中进行组合逻辑，保证逻辑信号的持续输出；从而实现过流输出限制功能。
该电路仅通过一个电压基准源芯片与比较器就实现了硬件电流输出限制，所需元器件少，成本低、占用空间小、不受应用功率等级限制。试验表明该过流保护单元可实现在瞬时输出过载时，维持阈值电流输出。
在本实施例中，所述的数字隔离式大功率三相无刷电机驱动模块中光耦隔离单元101、逻辑单元102、h桥驱动控制单元103设置在氧化铝陶瓷基板上；所述的场效应管输出单元104和过流保护单元105设置在直接键合铜陶瓷基板(dbc)上；所述的数字隔离式大功率三相无刷电机驱动模块，采用金属外壳封装，其最大外形尺寸为：83mm×51mm×10mm的。
为满足产品小体积，采用小体积元器件裸芯片组装和厚膜电阻，大大减小了芯片尺寸对模块大小的限制。
为满足产品工作电流大的特点，每个mosfet源极用6根380um的粗铝丝键合设计熔断电流为132a。用键合丝代替传统的漆包线，大大缩短芯片间的互连长度，减少信号的延迟时间，增加了产品的组装密度。
为改善mosfet的高功率比的散热问题，应用了共晶焊使mosfet焊接空洞率控制在5％以下。
为满足产品输出效率，分别针对模块内部功能单元的热损耗和功率密度的差异，采用了散热性能较好的氧化铝(95％al2o3)陶瓷基板、过流能力和散热较好的dbc材料作为基板以及金属外壳作为电路的主要材料。
为满足工作温度范围宽，可靠性高，产品采用al2o3和dbc材料作为基板烧结厚膜浆料、裸芯片组装、pind检测、全密封金属外壳、平行缝焊、氦质谱检漏等关键工艺技术。
本发明的一种数字隔离式大功率三相无刷电机驱动模块，采用具有工作电压高(最高可达72v)，工作电流大(最大可达60a)，效率高(>92％)，体积小(83mm×51mm×10mm)，工作温度范围宽(-55℃～105℃)，可靠性高，贮存时间长(采用全密封金属外壳封装)。
上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。