一种多功能无铁芯直流无刷电机驱动电路的制作方法

本发明涉及电机驱动技术领域，特别涉及一种多功能无铁芯直流无刷电机驱动电路。

背景技术

无铁芯直流无刷电机是近年来新出现的一种新型特种电机，一是采用了轴向磁场结构设计，大幅度提高功率密度和转矩体积比。二是采用新型绕制工艺、高压精密压铸成型及高分子材料，有效降低绕组铜损。三是不使用硅钢片作为定、转子铁芯材料，消除了磁阻尼及铁损，降低了驱动功率，减少了铁损发热源，是一种高效节能电机。广泛应用于风机、水泵、压缩机等量大面广的工业通用设备，特别适用于使用电池供电的电动自行车、电动汽车、智能机器人等领域。

目前，与无铁芯直流无刷电机配套的电机驱动电路品种较少，同时存在功能少、性能差和高成本等方面问题，特别是现有驱动还不能满足灵活选择使用霍尔传感器和不使用霍尔传感器的驱动电路，所以就需要一种多功能无铁芯直流无刷电机驱动电路。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种多功能无铁芯直流无刷电机驱动电路，用以解决现有技术中存在的问题。

一种多功能无铁芯直流无刷电机驱动电路，包括spwm主控模块，所述spwm主控模块分别电线连接位置检测模块、保护模块、调速模块和驱动模块，所述驱动模块电线连接电机，所述电机电线分别电线连接所述位置检测模块和所述保护模块。

较佳地，所述spwm主控模块、所述位置检测模块和所述保护模块采用芯片jy01实现功能。

较佳地，包括芯片u1、芯片u2、芯片u3、插座j2、插座j1、芯片u5、芯片u6、芯片u7、芯片u8、开关s1和插座j3，所述芯片u1的引脚1串联二极管d1后连接所述芯片u1的引脚8，所述芯片u1的引脚2连接所述芯片u8的引脚7，所述芯片u1的引脚3连接所述芯片u8的引脚8，所述芯片u1的引脚4接地，所述芯片u1的引脚5串联电阻r4后连接nmos管q4的栅极，所述芯片u1的引脚6串联电容c1后连接所述芯片u1的引脚8，所述芯片u1的引脚6分别连接nmos管q1的源极、所述nmos管q4的漏极和插座j1的引脚5，所述芯片u1的引脚7串联电阻r1后连接所述nmos管q1的栅极，所述nmos管q1的漏极连接电源；

所述芯片u2的引脚1串联二极管d2后连接所述芯片u2的引脚8，所述芯片u2的引脚2连接芯片u8的引脚9，所述芯片u2的引脚3连接所述芯片u8的引脚10，所述芯片u2的引脚4接地，所述芯片u2的引脚5串联电阻r5后连接nmos管q5的栅极，所述芯片u2的引脚6串联电容c2后连接所述芯片u2的引脚8，所述芯片u2的引脚6分别连接nmos管q2的源极、所述nmos管q5的漏极和插座j1的引脚4，所述芯片u2的引脚7串联电阻r2后连接所述nmos管q2的栅极，所述nmos管q2的漏极连接电源；

所述芯片u3的引脚1串联二极管d3后连接所述芯片u3的引脚8，所述芯片u3的引脚2连接芯片u8的引脚11，所述芯片u3的引脚3连接所述芯片u8的引脚12，所述芯片u3的引脚4接地，所述芯片u3的引脚5串联电阻r6后连接nmos管q6的栅极，所述芯片u3的引脚6串联电容c3后连接所述芯片u3的引脚8，所述芯片u3的引脚6分别连接nmos管q3的源极、所述nmos管q6的漏极和插座j1的引脚3，所述芯片u3的引脚7串联电阻r3后连接所述nmos管q3的栅极，所述nmos管q3的漏极连接电源；

所述插座j2的引脚1连接电源，所述插座j2的引脚2连接所述芯片u8的引脚5，所述插座j2的引脚3串联电阻r17后连接所述芯片u8的引脚16，所述插座j2的引脚4接地；所述插座j1的引脚5串联电阻r8和电阻r12后接地，所述插座j1的引脚5串联电阻r8后连接所述芯片u5的引脚5，所述插座j1的引脚4串联电阻r9和电阻r13后接地，所述插座j1的引脚4串联电阻r9后连接芯片u5的引脚7，所述插座j1的引脚3串联电阻r10和电阻r14后接地，所述插座j1的引脚3串联电阻r10后连接芯片u5的引脚9，所述插座j1的引脚5串联电阻r15和电阻r24后接地，所述插座j1的引脚5串联电阻r15和电容c5后连接所述芯片u5的引脚5，所述插座j1的引脚4串联电阻r20和电阻r24后接地，所述插座j1的引脚4串联电阻r20和电容c8后连接所述芯片u5的引脚7，所述插座j1的引脚3串联电阻r23和电阻r24后接地，所述插座j1的引脚3串联电阻r23和电容c9后连接所述芯片u5的引脚9，所述插座j1的引脚1接电源，所述插座j1的引脚2接地；

所述芯片u5的引脚1连接所述芯片u8的引脚14，所述芯片u5的引脚2连接所述芯片u8的引脚13，所述芯片u5的引脚3和所述芯片u5的引脚10连接电源，所述芯片u5的引脚4连接所述芯片u5的引脚6和所述芯片u5的引脚8，所述芯片u5的引脚11和所述芯片u5的引脚12接地，所述芯片u5的引脚14连接所述芯片u8的引脚15；

所述芯片u8的引脚1连接所述开关s1的引脚2，所述开关s1的引脚1连接电源，所述开关s1的引脚3串联电容c6后接地，所述开关s1的引脚3串联电阻r18后接地，所述开关s1的引脚3串联电阻r16后连接电源，所述芯片u8的引脚2串联电容c4后接地，所述芯片u8的引脚2串联电阻r7和电阻r11后接地，所述芯片u8的引脚2串联电阻r7后分别连接nmos管q4的源极、nmos管q5的源极和nmos管q6的源极，所述芯片u8的引脚3接地，所述芯片u8的引脚4连接电源，所述芯片u8的引脚6连接所述芯片u8的引脚16，所述芯片u8的引脚16串联电容c7后接地，所述芯片u8的引脚16串联电阻r19后接地，所述芯片u8的引脚16串联二极管d4后连接电源；

所述芯片u6的引脚1并联电容c10、电解电容e1、电解电容e2和电解电容e3后接地，所述芯片u6的引脚2串联电阻r22和电阻r21后连接所述芯片u6的引脚3，所述芯片u6的引脚2连接电源，所述芯片u6的引脚3的串联电阻r21后接地；

所述芯片u7的引脚1并联电容c11、电容c12、电解电容e4和电容c13后接地，所述芯片u7的引脚2接地，所述芯片u7的引脚3并联电容c14、电解电容e5、电容c15、电容c16、电容c17、电容c18和电容c19后接地；

所述插座j3的引脚1连接电源，所述插座j3的引脚2连接所述芯片u8的引脚15，所述插座j3的引脚3连接所述芯片u8的引脚14，所述插座j3的引脚4连接所述芯片u8的引脚13，所述插座j3的引脚5接地。

较佳地，所述芯片u1、所述芯片u2和所述芯片u3均为ir2101芯片，即cmos驱动芯片。

较佳地，所述插座j1为hx-5p插座，所述插座j2为hx-4p插座，所述插座j3为hx-5p插座。

较佳地，所述芯片u5为lm339芯片，即四路差动比较器芯片，所述芯片u6为lm217稳压器，所述芯片u7为lm7805稳压器。

较佳地，所述芯片u8为jy01a芯片，即直流无刷电机驱动芯片。

本发明有益效果：本发明不仅在多功能、高性能、低成本方面达到实用化目的，而且具有以下功能：

(1)、有霍尔传感器和无霍尔传感器两种工作方式，随意选择；

(2)、具有堵转保护功能；

(3)、具有大扭力超低速恒定驱动功能；

(4)、可以输出转速信号，方便高端应用；

(5)、具有电机换向功能；

(6)、具有缓启动功能；

(7)、具有恒流驱动功能；

(8)、具有线性无级调速功能。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种多功能无铁芯直流无刷电机驱动电路的原理方框图；

图2为本发明实施例提供的一种多功能无铁芯直流无刷电机驱动电路的电路图；

图3为spwm主控模块的原理方框图；

图4为pwm波形的产生过程图；

图5为霍尔传感器的输出信号时序图；

图6为保护模块电路原理图；

图7为驱动模块电路图；

图8为调速模块电路图。

附图标记说明：

1-spwm主控模块，2-位置检测模块，3-保护模块，4-调速模块，5-驱动模块，6-电机。

具体实施方式

下面结合发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

参照图1为一种多功能无铁芯直流无刷电机驱动电路的原理方框图，包括spwm主控模块1，spwm主控模块1分别电线连接位置检测模块2、保护模块3、调速模块4和驱动模块5，驱动模块5电线连接电机6，电机6电线分别电线连接位置检测模块2和保护模块3，spwm主控模块1、位置检测模块2和保护模块3采用芯片jy01实现功能。

直流无刷电机的功率或者转速与输入电压的脉冲宽度有正比的关系，即占空比越大，转速越高，占空比越小转速越低。所以对直流无刷电机进行速度控制的方法就是在电压幅度不变的情况下通过改变占空比实现。连续快速改变占空比的技术通常采用脉冲宽度调制技术即pwm技术。spwm是在pwm的基础上用正弦波来调制合成的具有正弦波规律变化的方波，更方便进行电机的控制。

图1中spwm主控模块产生spwm脉冲宽度调制脉冲，经过驱动模块中的预驱动和末级功率驱动放大后，带动无铁芯直流无刷电机运，在电机运行过程中，位置检测模块中的安装在电机上的霍尔元件检测转子位置，经过比较器产生转子位置信号，去改变spwm波的占空比，从而改变电机的转速和相位。当电机由于负荷或者其它因素转速偏高时，位置信号让spwm波占空比减小，电机转速降低；当转速偏低时，位置信号让spwm波占空比增加，电机转速升高，从而达到稳定电机速度的目的。

当电机出现故障，或者电机所带动的负荷出现故障时，电机工作电流大幅增加，保护模块通过检测电机工作电流，产生异常信号，停止电机运行，从而保护无铁芯直流无刷电机驱动电路和电机。

参照图2为一种多功能无铁芯直流无刷电机驱动电路的电路图，包括芯片u1、芯片u2、芯片u3、插座j2、插座j1、芯片u5、芯片u6、芯片u7和芯片u8、开关s1和插座j3，芯片u1、芯片u2和芯片u3均为ir2101芯片，即cmos驱动芯片，插座j1为hx-5p插座，插座j2为hx-4p插座，插座j3为hx-5p插座，芯片u5为lm339芯片，即四路差动比较器芯片，芯片u6为lm217稳压器，芯片u7为lm7805稳压器，芯片u8为jy01a芯片，即直流无刷电机驱动芯片。

芯片u1的引脚1串联二极管d1后连接芯片u1的引脚8，芯片u1的引脚2连接芯片u8的引脚7，芯片u1的引脚3连接芯片u8的引脚8，芯片u1的引脚4接地，芯片u1的引脚5串联电阻r4后连接nmos管q4的栅极，芯片u1的引脚6串联电容c1后连接芯片u1的引脚8，芯片u1的引脚6分别连接nmos管q1的源极、nmos管q4的漏极和插座j1的引脚5，芯片u1的引脚7串联电阻r1后连接nmos管q1的栅极，nmos管q1的漏极连接电源；

芯片u2的引脚1串联二极管d2后连接芯片u2的引脚8，芯片u2的引脚2连接芯片u8的引脚9，芯片u2的引脚3连接芯片u8的引脚10，芯片u2的引脚4接地，芯片u2的引脚5串联电阻r5后连接nmos管q5的栅极，芯片u2的引脚6串联电容c2后连接芯片u2的引脚8，芯片u2的引脚6分别连接nmos管q2的源极、nmos管q5的漏极和插座j1的引脚4，芯片u2的引脚7串联电阻r2后连接nmos管q2的栅极，nmos管q2的漏极连接电源；

芯片u3的引脚1串联二极管d3后连接芯片u3的引脚8，芯片u3的引脚2连接芯片u8的引脚11，芯片u3的引脚3连接芯片u8的引脚12，芯片u3的引脚4接地，芯片u3的引脚5串联电阻r6后连接nmos管q6的栅极，芯片u3的引脚6串联电容c3后连接芯片u3的引脚8，芯片u3的引脚6分别连接nmos管q3的源极、nmos管q6的漏极和插座j1的引脚3，芯片u3的引脚7串联电阻r3后连接nmos管q3的栅极，nmos管q3的漏极连接电源；

插座j2的引脚1连接电源，插座j2的引脚2连接芯片u8的引脚5，插座j2的引脚3串联电阻r17后连接芯片u8的引脚16，插座j2的引脚4接地；插座j1的引脚5串联电阻r8和电阻r12后接地，插座j1的引脚5串联电阻r8后连接芯片u5的引脚5，插座j1的引脚4串联电阻r9和电阻r13后接地，插座j1的引脚4串联电阻r9后连接芯片u5的引脚7，插座j1的引脚3串联电阻r10和电阻r14后接地，插座j1的引脚3串联电阻r10后连接芯片u5的引脚9，插座j1的引脚5串联电阻r15和电阻r24后接地，插座j1的引脚5串联电阻r15和电容c5后连接芯片u5的引脚5，插座j1的引脚4串联电阻r20和电阻r24后接地，插座j1的引脚4串联电阻r20和电容c8后连接芯片u5的引脚7，插座j1的引脚3串联电阻r23和电阻r24后接地，插座j1的引脚3串联电阻r23和电容c9后连接芯片u5的引脚9，插座j1的引脚1接电源，插座j1的引脚2接地；

芯片u5的引脚1连接芯片u8的引脚14，芯片u5的引脚2连接芯片u8的引脚13，芯片u5的引脚3和芯片u5的引脚10连接电源，芯片u5的引脚4连接芯片u5的引脚6和芯片u5的引脚8，芯片u5的引脚11和芯片u5的引脚12接地，芯片u5的引脚14连接芯片u8的引脚15；

芯片u8的引脚1连接开关s1的引脚2，开关s1的引脚1连接电源，开关s1的引脚3串联电容c6后接地，开关s1的引脚3串联电阻r18后接地，开关s1的引脚3串联电阻r16后连接电源，芯片u8的引脚2串联电容c4后接地，芯片u8的引脚2串联电阻r7和电阻r11后接地，芯片u8的引脚2串联电阻r7后分别连接nmos管q4的源极、nmos管q5的源极和nmos管q6的源极，芯片u8的引脚3接地，芯片u8的引脚4连接电源，芯片u8的引脚6连接芯片u8的引脚16，芯片u8的引脚16串联电容c7后接地，芯片u8的引脚16串联电阻r19后接地，芯片u8的引脚16串联二极管d4后连接电源；

芯片u6的引脚1并联电容c10、电解电容e1、电解电容e2和电解电容e3后接地，芯片u6的引脚2串联电阻r22和电阻r21后连接芯片u6的引脚3，芯片u6的引脚2连接电源，芯片u6的引脚3的串联电阻r21后接地；

芯片u7的引脚1并联电容c11、电容c12、电解电容e4和电容c13后接地，芯片u7的引脚2接地，芯片u7的引脚3并联电容c14、电解电容e5、电容c15、电容c16、电容c17、电容c18和电容c19后接地；

插座j3的引脚1连接电源，插座j3的引脚2连接芯片u8的引脚15，插座j3的引脚3连接芯片u8的引脚14，插座j3的引脚4连接芯片u8的引脚13，插座j3的引脚5接地。

参照图3为spwm主控模块的原理方框图，spwm主控模块属于模拟电路spwm发生器电路，核心部分由锯齿波发生器和比较器组成，由rc振荡器组成的锯齿波发生器生出锯齿波，送到比较器与调制信号进行比较，在比较器的输出端输出等幅pwm波，

参照图4为pwm波形的产生过程图，当调制信号是一个电压线性上升的信号时，经过比较器输出的pwm脉宽调制波形脉冲宽度也线性增加。如果调制信号换成正弦波，pwm波形的脉冲宽度也按照正弦规律变化，即是spwm波。

位置检测模块的基本电路是三线译码器，可以产生八个状态，对电机上的三个霍尔元件进行译码，产生转子的位置信息，以决定在当前时刻让无刷电机的那个绕组接通电流，同时还可以进行正反转控制。

参照图5为霍尔传感器的输出信号时序图，图中sa、sb、sc分别是三个不同位置霍尔传感器输出的位置信号，相位相差60度，code是译码器对sa、sb、sc信号译码，输出位置信息二进制数码，根据不同数码可以让电机不同绕组按顺序通电，使电机转子转动。

参照图6为保护模块电路原理图，保护模块是对无铁芯直流无刷电机驱动电路和电机的保护电路，主要有过流保护、过热保护、欠压保护、堵转保护等。过流保护电路是驱动电路中最重要的保护电路，当电机负荷异常、电机异常、功率驱动异常时，通常表现为总电流的大幅度激增，如果不及时停止电机的供电，会造成电机、功率驱动电路的损坏。

电路中q1、q2、q3、是电机末级功率驱动场效应晶体管，r上流过的电流是功率驱动电路的总电流，也是电机的总电流，并且在r两端形成电压u，r1、c1构成低通滤波器，滤掉电压u中的毛刺，电压u在比较器中与基准电压比较。当工作正常时，u的电压值小于基准电压，比较器无输出，spwm正常工作，电机运行；当出现故障电流激增时，电压u大幅度上升，与基准电压比较后比较器有输出，停止spwm电路工作，同时停止功率驱动电路输出，电机停止转动。

参照图7为驱动模块电路图，由于spwm脉宽调制芯片输出功率很小，远远不足以驱动电机运行，需要连接功率驱动电路。功率驱动电路由前置预驱动和末级功率驱动组成。无刷电机有三个绕组，需要电路完全相同的三个通道进行驱动，图7是驱动电路其中一个通道的功率驱动电路图。电路中，前置驱动由ir2101担任，ir2101是一个半桥驱动芯片，由于ir2101芯片设计了自举电路，末级功率放大电路可以使用同极性大功率mos场效应晶体管，最大限度保持了功率晶体管特性参数的一致性。

图7中末级功率放大由场效应晶体管q1和q2组成，饱和条件要求栅源电压不低于10v。q1是高边悬浮通道，漏极接电源，源极浮动，需要饱和导通时，栅极电压要高于电源电压10v，这由ir2101的自举电路提供；q2是低边固定通道，源极接地，漏极浮动，需要饱和式只需要栅极电压等于10v即可。

ir2101是专门为末级功放能使用同极性的mos场效应晶体管而设计的含有悬浮通道的双通道半桥驱动器，解决了末级功放使用两只互补极性的mos场效应晶体管配对问题。大大提高了上边导通和下边导通时电流的一致性问题。

当ir2101的lin端子高电平，hin端子低电平时，lo输出10v电压，q2导通，负载电流流向q2的源极；q1截止，q1源极端子悬浮，电压受到其它电路影响电压是0v，vs端子电压也是0v，二极管d导通对自举电容c充电，当芯片电压vcc是10v时，电容c上的电压就是10v。

当ir2101的lin端子低电平，hin端子高电平时，lo输出0v电压，q2截止，漏极悬浮；q1饱和，电流从电源流向负载，同时vs端子电压等于电源电压，由于自举电容c两端有10v电压，ir2101的vb端子就比电源电压高10v，使得ho端子也比电源电压高10v，维持q1栅源电压不低于10v，保证了q1的饱和导通状态。

图8为调速模块电路图，调速模块是为了人为改变电机转速而设计的电路，jy01芯片提供了电机调速端子，通过改变调制信号的直流偏置电压，改变spwm波的脉冲宽度达到改变速度目的。图中w是调速电位器，旋转w的旋钮，可以改变滑动臂vri上的电压，vri通过导线连接到无铁芯直流无刷电机驱动电路板上与板上的vri端子相连接，r17、c7、r19形成低通滤波器电路，消除电位器w的电压毛刺，再通过vr导线把电压输入到jy01芯片内部，改变电机转速。

综上所述，本发明不仅在多功能、高性能、低成本方面达到实用化目的，而且具有以下功能：(1)、有霍尔传感器和无霍尔传感器两种工作方式，随意选择；(2)、具有堵转保护功能；(3)、具有大扭力超低速恒定驱动功能；(4)、可以输出转速信号，方便高端应用；(5)具有电机换向功能；(6)、具有缓启动功能；(7)、具有恒流驱动功能；(8)、具有线性无级调速功能。

以上公开的仅为本发明的一个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。