无刷直流电机控制器以及控制方法

无刷直流电机控制器以及控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种无刷直流电机控制器，包括CPLD及外围电路模块等；CPLD及外围电路模块接收人机接口模块、PWM波生成电路模块和保护电路模块发出的控制指令，以及无刷直流电机发出的三相霍尔信号后，产生驱动信号；驱动电路模块接收CPLD及外围电路模块的驱动信号，并将驱动信号生成控制信号；三相桥逆变电路模块接收驱动电路模块的控制信号，并控制无刷直流电机；保护电路模块检测三相桥逆变电路模块和驱动电路模块，并将检测结果以控制指令的形式反馈到CPLD及外围电路模块；供电电源模块将28V总电压变换成5V和15V，并将5V或者15V电压输送到相应的CPLD及外围电路模块、三相桥逆变电路模块、驱动电路模块、保护电路模块、人机接口模块以及PWM波生成电路模块中。
【专利说明】无刷直流电机控制器以及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种无刷直流电机的控制器，尤其涉及一种用于驱动带霍尔传感器的低压大电流的无刷直流电机运行的控制器以及控制方法。
【背景技术】
[0002]无刷直流电机(Brushless Direct Current Motor, BLDC)利用电子换相装置代替了有刷直流电机的机械换相装置，使其既具有直流电动机调速性能好、体积小、重量轻、效率高、无励磁损耗等特点，同时又具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等优点，在国民经济的各个领域，如医疗机械、仪器仪表、化工、纺织以及家用电器和办公自动化等方面都得到了广泛的应用。本发明针对电动叉车、电动高尔夫车、电动旅游车等行业，设计了一种适合该场合驱动的无刷直流电机驱动器，具有低压大电流、响应速度快、成本低和可靠性高的特点。

【发明内容】

[0003]本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单的无刷直流电机控制器以及控制方法。
[0004]为了解决上述技术问题，本发明提供一种无刷直流电机控制器，包括无刷直流电机、CPLD及外围电路模块、三相桥逆变电路模块、驱动电路模块、保护电路模块、供电电源模块、人机接口模块和PWM波生成电路模块；所述CPLD及外围电路模块分别接收人机接口模
>PWM波生成电路模块和保护电路模块发出的控制指令，以及无刷直流电机发出的三相霍尔信号后，产生驱动信号；驱动电路模块接收CPLD及外围电路模块的驱动信号，并将驱动信号生成控制信号；三相桥逆变电路模块接收驱动电路模块的控制信号，并控制无刷直流电机的运行；保护电路模块检测三相桥逆变电路模块和驱动电路模块，并将检测结果以控制指令的形式反馈到CPLD及外围电路模块；所述供电电源模块将28V总电压变换成5V和15V，并将5V或者15V电压输送到相应的CPLD及外围电路模块、三相桥逆变电路模块、驱动电路模块、保护电路模块、人机接口模块以及PWM波生成电路模块中。
[0005]作为对本发明所述的无刷直流电机控制器的改进:所述PWM波生成电路模块包括555芯片构成的施密特触发电路，该施密特触发电路发出相应的控制指令给CPLD及外围电路模块。
[0006]作为对本发明所述的无刷直流电机控制器的进一步改进:所述人机接口模块包括电机正反转及制动控制电路和系统状态显示电路，电机正反转及制动控制电路发出相应的控制指令给CPLD及外围电路模块；所述CPLD及外围电路模块反馈相应的信号给系统状态显示电路。
[0007]作为对本发明所述的无刷直流电机控制器的进一步改进:所述CPLD及外围电路模块由 CPLD 芯片 U5、5 针接口 PU JTAG 口 P2、有源晶振 U6、电阻 R34、R35、R36、R37、R44、R45、R46以及电容C15、C16、C17组成；所述驱动电路模块由集成驱动芯片U13、U14、U15，电容 C24、C25、C26、C27、C28、C29、C30、C31、C32、C33、C34、C35, 二极管 D29、D30、D31、D32、D33、D34组成；所述三相桥逆变电路模块采用三相全桥结构，由P3接口，N沟道MOS管Q1、Q1、Q1、Q1、Q1、Q6，电阻 R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18、R19、R20,电容 Cl、C2，二极管 Dl、D2、D3、D4、D7、D8、D9、DIO、D13、D14、D15、D16，稳压二极管D5、D6、Dl1、D12、D17、D18组成；所述保护电路模块包括MOS管过流保护电路和母线电压过欠压保护电路；所述MOS管过流保护电路由光耦U7、U8、U9、UlO、Ul 1、U12，电阻 R47、R48、R49、R50、R51、R52、R53、R54、R55、R56、R57、R58、R59，电容 C18、C19、C20、C21、C22、C23，三端可调稳压管D23、D24、D25、D26、D27、D28组成；所述母线电压过欠压保护电路由运算放大器 U3A、U3B，电阻1?24、1?25、1?26、1?29、1?30、1?31、1?32、1?33 组成；所述 PWM 波生成电路模块由555芯片Ul，电阻R21、R23，滑动变阻器R22，电容C3、C4，二极管D19、D20组成；所述人机接口模块包括电机正反转及制动控制电路和系统状态显示电路；所述电机正反转及制动控制电路由自锁按键Sl-F/R、S2-ST0P，无极性电容C5、C6、C8、C9、CIO、C11，电阻R27、R28 ;所述系统状态显示电路包括电阻R38、R39、R40、R41和R42，发光二极管DS1、DS2、DS3、DS4和DS5组成；供电电源模块包括+15V输出端口和+5V输出端口，由电源芯片U2、U4，极性电容C7、C12、C13、C14，二极管D21、D22，电感L1、L2组成；所述供电电源模块的连接结构如下:所述电源芯片U2的I端口为总电源端口 ；电源芯片U2的3、5端口接地；极性电容C7的正极接电源芯片U2的I端口，负极；功率电感LI 一端接电源芯片U2的2端口，另一端作为+15V输出端口 ；极性电容C12的正极接+15V输出端口，负极接地；肖特基二极管D21的负极接电源芯片U2的2端口，正极接地，电源芯片U2的4端口悬空；所述电源芯片U4的I端口为总电源端口 ；电源芯片U4的3和5端口接地；极性电容C13的正极接电源芯片U4的I端口，负极接地；功率电感L2 —端接电源芯片U4的端口 2，另一端作为+5V输出端口 ；极性电容C14的正极接+5V输出端口，负极接地；肖特基二极管D22的负极接电源芯片U4的2端口，正极接地，电源芯片U4的4端口悬空；所述CPLD及外围电路模块的连接结构如下:所述电容C15、C16和C17分别连接到+5V输出端口的正极和负极；CPLD芯片U5的16、38端口接+5V输出端口 ；CPLD芯片U5的6、17、28、39端口接地；CPLD芯片U5的40、41、42端口分别接5针接口 Pl的2、3、4端口，5针接口 Pl的2、3、4端口分别通过电阻R44、R45、R46上拉到+5V输出端口 ；5针接口 Pl的I端口接+5V输出端口，5针接口 Pl的5端口接地；CPLD芯片U5的7端口连接到JTAG 口 P2的I端口，CPLD芯片U5的26端口连接到JTAG 口 P2的3端口 ；CPLD芯片U5的4端口连接到JTAG 口 P2的5端口 ；CPLD芯片U5的29端口连接到JTAG 口 P2的7端口 ；所述JTAG 口 P2的1、3、5、7端口分别经电阻R34、R35、R36和R37上拉到+5V输出端口 JTAG 口 P2的6端口接+5V输出端口，4、8端口接地JTAG 口 P2的其余端口悬空；CPLD芯片U5的5端口接有源晶振U6的3端口，有源晶振U6的4端口接+5V输出端口，有源晶振U6的2端口接地，有源晶振U6的I端口悬空；
[0008] 所述驱动电路模块的连接结构如下:集成驱动芯片U13的I端口标记为U_Hin端口，并与CPLD芯片U5的35端口相连接；集成驱动芯片U13的2端口标记为U_Lin端口，并与CPLD芯片U5的34端口相连接；集成驱动芯片U13的4端口标记为LOl端口 ；集成驱动芯片U13的6端口标记为VSl端口 ；集成驱动芯片U13的7端口标记为HOl端口 ；集成驱动芯片U13的8端口标记为V_HB1端口 ；集成驱动芯片U13的3端口接地；集成驱动芯片U13的5端口接+15V电源正极；集成驱动芯片U13的6和8端口直接并联两个无极性电容C24和C27 ;二极管D29负极接集成驱动芯片U13的6端口，正极接地；二极管D32负极接集成驱动芯片U13的8端口，正极接+15V电源正极；极性电容C30和无极性电容C33并联后串联在+15V电源上；集成驱动芯片U14的I端口标记为V_Hin端口，并与CPLD芯片U5的33端口相连接；集成驱动芯片U14的2端口标记为V_Lin端口，并与CPLD芯片U5的32端口相连接；集成驱动芯片U14的4端口标记为L02端口 ；集成驱动芯片U14的6端口标记为VS2端口 ；集成驱动芯片U14的7端口标记为H02端口 ；集成驱动芯片U14的8端口标记为V_HB2端口 ；集成驱动芯片U14的3端口接地；集成驱动芯片U14的5端口接+15V电源正极；集成驱动芯片U14的6和8端口直接并联两个无极性电容C25和C28 ;二极管D30负极接集成驱动芯片U14的6端口，正极接地；二极管D33负极接集成驱动芯片U14的8端口，正极接+15V电源正极；极性电容C31和无极性电容C34并联后串联在+15V电源上；集成驱动芯片U15的I端口标记为W_Hin端口，并与CPLD芯片U5的31端口相连接；集成驱动芯片U15的2端口标记为W_Lin端口，并与CPLD芯片U5的30端口相连接；集成驱动芯片U15的4端口标记为L03端口 ；集成驱动芯片U15的6端口标记为VS3端口 ；集成驱动芯片U15的7端口标记为H03端口 ；集成驱动芯片U15的8端口标记为V_HB3端口 ；集成驱动芯片U15的3端口接地；集成驱动芯片U15的5端口接+15V电源正极；集成驱动芯片U15的6和8端口直接并联两个无极性电容C26和C29 ;二极管D31负极接集成驱动芯片U15的6端口，正极接地；二极管D34负极接集成驱动芯片U15的8端口，正极接+15V电源正极；极性电容C32和无极性电容C35并联后串联在+15V电源上；所述三相桥逆变电路模块的连接结构如下:所述接口 P3的I端口接总电源正极，接口 P3的2端口接总电源负极；极性电容Cl和C2并联后接到总电源上；两个电阻Rl和R2串联后接到总电源上；MOS管Ql和Q2、Q3和Q4以及Q5和Q6分别构成三相全桥的三个桥臂；MOS管Ql的源极输出标记为VSl端口，并与集成驱动芯片U13的VSl端口相连接；MOS管Q3的源极输出标记为VS2端口，并与集成驱动芯片U14的VS2端口相连接；MOS管Q5的源极输出标记为VS3端口，并与集成驱动芯片U15的VS3端口相连接；两个二极管D1、D3同向串联后，负极接MOS管Ql漏极，正极标记为FAULT_1端口；电阻R5 —端接MOS管Ql栅极，另一端标记为HOl端口，并与集成驱动芯片U13的HOl端口相连接；稳压管D5负极接MOS管Ql栅极，正极接MOS管Ql源极；电阻R7并联在稳压管D5上；三相桥逆变电路模块的FAULT_1端口与三相桥逆变电路模块的HOl端口之间用电阻R3连接；两个二极管D2、D4同向串联后，负极接MOS管Q2漏极，正极标记为FAULT_2端口；电阻R6 —端接MOS管Q2栅极，另一端标记为LOl端口，并与集成驱动芯片U13的LOl端口相连接；稳压管D6负极接MOS管Q2栅极，正极接MOS管Q2源极，电阻R8并联在稳压管D6上；三相桥逆变电路模块的FAULT_2端口与三相桥逆变电路模块的LOl端口之间用电阻R4连接；两个二极管D7、D9同向串联后，负极接MOS管Q3漏极，正极标记为FAULT_3端口 ；电阻RlI 一端接MOS管Q3栅极，另一端标记为H02端口，并与集成驱动芯片U14的H02端口相连接；稳压管Dll负极接MOS管Q3栅极，正极接MOS管Q3源极，电阻R13并联在稳压管Dll上；三相桥逆变电路模块的FAULT_3端口与三相桥逆变电路模块的H02端口间用电阻R9连接；两个二极管D8、DlO同向串联后，负极接MOS管Q4漏极，正极标记为FAULT_4端口 ；电阻R12 —端接MOS管Q4栅极，另一端标记为L02端口，并与集成驱动芯片U14的L02端口相连接；稳压管D12负极接MOS管Q4栅极，正极接MOS管Q4源极，电阻R14并联在稳压管D12上；三相桥逆变电路模块的FAULT_4端口与三相桥逆变电路模块的L02端口间用电阻RlO连接；两个二极管D13、D15同向串联后，负极接MOS管Q5漏极，正极标记为FAULT_5端口 ；电阻R17 —端接MOS管Q5栅极，另一端标记为H03端口，并与集成驱动芯片U15的H03端口相连接；稳压管D17负极接MOS管Q5栅极，正极接MOS管Q5源极，电阻R19并联在稳压管D17上；三相桥逆变电路模块的FAULT_5端口与三相桥逆变电路模块的H03端口间用电阻R15连接；两个二极管D14、D16同向串联后，负极接MOS管Q6漏极，正极标记为FAULT_6端口 ；电阻R18 —端接MOS管Q6栅极，另一端标记为L03端口，并与集成驱动芯片U15的L03端口相连接；稳压管D18负极接MOS管Q6栅极，正极接MOS管Q6源极，电阻R20并联在稳压管D17上；三相桥逆变电路模块的FAULT_6端口与三相桥逆变电路模块的L03端口间用电阻R16连接；所述保护电路模块的连接结构如下:电阻R47的一端接光耦U7的I端口，另一端标记为V_HB1端口，并与集成驱动芯片U13的V_HB1端口相连接；电阻R48的一端接三端可调稳压管D23的2端口，另一端标记为FAULT_1端口，并与三相桥逆变电路模块的FAULT_1端口相连接；三端可调稳压管D23的3端口标记为VSl端口，并与三相桥逆变电路模块的VSl端口相连接；无极性电容C18并联在三端可调稳压管D23的2、3端口上；三端可调稳压管D23的I端口连接光耦U7的2端口；电阻R49的一端接光耦U8的I端口，另一端接+15V输出端口；电阻R50的一端接三端可调稳压管D24的2端口，另一端标记为FAULT_2端口，并与三相桥逆变电路模块的FAULT_2端口相连接；三端可调稳压管D24的3端口接地；无极性电容C19并联在三端可调稳压管D24的2、3端口上；三端可调稳压管D24的I端口连接光耦U8的2端口；电阻R51的一端接光耦U9的I端口，另一端标记为V_HB2端口，并与集成驱动芯片U14的V_HB2端口相连接；电阻R52的一端接三端可调稳压管D25的2端口，另一端标记为FAULT_3端口，并与三相桥逆变电路模块的FAULT_3端口相连接；三端可调稳压管D25的3端口标记为VS2端口，并与三相桥逆变电路模块的VS2端口相连接；无极性电容C20并联在三端可调稳压管D25的2、3端口上；三端可调稳压管D25的I端口连接光耦U9的2端口；电阻R53的一端接光耦UlO的I端口，另一端接+15V输出端口；电阻R54的一端接三端可调稳压管D26的2端口，另一端标记为FAULT_4端口，并与三相桥逆变电路模块的FAULT_4端口相连接；三端可调稳压管D26的3端口接地；无极性电容C21并联在三端可调稳压管D26的2、3端口上；三端可调稳压管D27的I端口连接光耦UlO的2端口；电阻R55的一端接光耦Ull的I端口，另一端标记为V_HB3端口，并与集成驱动芯片U15的V_HB3端口相连接；电阻R56的一端接三端可调稳压管D27的2端口，另一端标记为FAULT_5端口，并与三相桥逆变电路模块的FAULT_5端口相连接；三端可调稳压管D27的3端口标记为VS3端口，并与三相桥逆变电路模块的VS3端口相连接；无极性电容C22并联在三端可调稳压管D27的2、3端口上；三端可调稳压管D27的端口 I连接光耦Ull的2端口；电阻R57的一端接光耦U12的I端口，另一端接+15V输出端口 ；电阻R58的一端接三端可调稳压管D28的2端口，另一端标记为FAULT_6端口，并与三相桥逆变电路模块的FAULT_6端口相连接；三端可调稳压管D28的端口 3接地；无极性电容C23并联在三端可调稳压管D28的2、3端口上；三端可调稳压管D28的I端口连接光耦U12的2端口 ;光耦U7、U8、U9、U10、U11以及U12的3端口都接地；光耦U7、U8、U9、U10、Ull以及U12的端口 4相互连接后，标记为端口 Protect ;且光耦U7、U8、U9、U10、Ull以及U12相互连接后的端口 4电平通过电阻R59上拉到+5V输出端口 ；电阻Rl和R2之间设置VoltageTest端口 ；电阻R24、R25相互串联后构成分压网络，并与运算放大器U3A的2端口相连接；电阻R24的一端接+5V输出端口，电阻R25的一端接地；VoltageTest端口经电阻R26与运算放大器U3A的3端口相连接；运算放大器U3A的I端口标记为OVER_V端口；电阻R29 —端接运算放大器U3A的I端口，另一端接+5V输出端口 ；运算放大器U3A的8端口接+5V输出端口，运算放大器U3A的4端口接地；电阻R30、R31相互串联后构成分压网络，并与运算放大器U3B的5端口相连接；电阻R30的一端接+5V输出端口，电阻R31的一端接地；VoltageTest端口经电阻R32与运算放大器U3B的6端口相连接；运算放大器U3B的7端口标记为LACK_V端口 ；电阻R33 —端接运算放大器U3B的7端口，另一端接+5V输出端口 ；运算放大器U3B的8端口接+5V输出端口，运算放大器U3B的4端口接地；所述PWM波生成电路模块的连接结构如下:555芯片Ul的4、8端口接+5V输出端口，555芯片Ul的I端口接地，555芯片Ul的3端口标记为PWM端口 ；无极性电容C4 一端接555芯片Ul的5端口，另一端接地；二极管D20的正极接555芯片Ul的7端口，负极接555芯片Ul的2和6端口 ；电阻R23的一端接+5V输出端口，另一端接滑动变阻器R22的I端口 ；滑动变阻器R22的2端口接555芯片Ul的7端口 ；滑动变阻器R22的3端口接电阻R21的一端；电阻R21的另一端接二极管D19的负极；二极管D19的正极接555芯片Ul的2、6端口 ；无极性电容C3的一端接二极管D19的正极，另一端接地；所述人机接口模块的连接结构如下:无极性电容C5、C6和C8并联后接+5V输出端口 ；自锁按键S1-F/R的3端口接+5V输出端口，自锁按键S1-F/R的2端口接电阻R27的一端，自锁按键S1-F/R的I端口接地；电阻R27的另一端标记为F/R端口 ；无极性电容C9和Cll并联后，一端接地，另一端接人机接口模块的F/R端口 ；自锁按键S2-ST0P的3端口接+5V输出端口，自锁按键S2-ST0P的2端口接电阻R28的一端，自锁按键S2-ST0P的I端口接地；电阻R28的另一端标记为STOP端口 ；无极性电容ClO —端接地，另一端接STOP端口；电阻R38的一端标记为0VER_C端口，另外一端接发光二极管DSl的I端口，发光二极管DSl的2端口接地；电阻R39的一端标记为F/R端口，另外一端接发光二极管DS2的I端口，发光二极管DS2的2端口接地；电阻R40的一端标记为NOMAL端口，另外一端接发光二极管DS3的I端口，发光二极管DS3的2端口接地；电阻R41的一端标记为0VER_V端口，另外一端接发光二极管DS4的I端口，发光二极管DS4的2端口接地；电阻R42的一端标记为LACK_V0UT端口，另外一端接发光二极管DS5的I端口，发光二极管DS5的2端口接地；CPLD芯片U5的3端口接Protect端口 ；CPLD芯片U5的2端口接PWM端口 ；CPLD芯片U5的1、44、25、37、36端口分别接接人机接口模块的两个F/R、STOP、LACK_V0UT、0VER_C、NOMAL 端口 ；CPLD 芯片 U5 的 43、8 端口 分别接 0VER_V、LAVK_V 端口 ；CPLD 芯片 U5 的 35、34、33、32、31、30 端口分别接 U_Hin、U_Lin、V_Hin、V_Lin、W_Hin、W_Lin端口 ；CPLD芯片U5的其余端口悬空。
[0009]一种无刷直流电机控制器的实现方法:包括转子位置检测输出霍尔信号判断、输入PWM波判断、正反转判断及MOS管逻辑驱动信号处理、故障和制动信号判断以及根据加载信号的逻辑输出PWM信号等步骤。
[0010]作为对本发明所述的无刷直流电机控制器的实现方法的改进:所述的步骤如下:第一步:开机后系统先初始化，刷新LED显示状态；第二步:无刷直流电机的霍尔传感器给出转子位置的三相霍尔信号，以及PWM波生成电路模块给出的PWM波输入到CPLD芯片U5 ；CPLD芯片U5做出相应判断，并根据人机接口模块I中的正反转指令对MOS管逻辑驱动信号进行处理；并对输入的故障信号和制动信号进行判断，根据判断结果生成驱动MOS管的PWM信号，使得MOS管逻辑导通，最终实现无刷直流电机按指令运行；第三步:当判断MOS管过电流，LED会点亮警示，并关断相对应的MOS管以防止烧坏；当母线过电压、欠电压故障和制动信号输入时，相应的LED会点亮警示，并关断PWM信号输出，使得所有MOS管关断。
[0011]本发明具有的有益效果如下:
[0012]1.本发明设计的无刷直流电机控制器具有低压大电流、开环调速和成本较低的特点，适合于蓄电池供电、低压大电流驱动和对速度稳态精度不是很高的场合应用。
[0013]2由于采用基于CPLD芯片的控制器设计方案，其相比于基于DSP芯片的控制器性价比更高，而相比于基于专有集成电路(ASIC)的控制器设计灵活性更高。
[0014]3.控制器的过流保护电路采用逆变电路MOS管内阻进行设计，节省了一般控制器的高精密采样电阻，不仅成本更低，而且配合三端稳压器和二极管进行设计灵活性更高、过流保护响应更快，可有效防止MOS管因某种原因而过流烧毁。
[0015]4.控制器中采用555芯片及外围电路构造的PWM波生成电路，其通过调节电位器获得与目标转速相对应占空比的PWM波，使得没有AD接口的CPLD芯片能够识别目标转速这个模拟量。
【专利附图】

【附图说明】
[0016]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步详细说明。
[0017]图1是本发明的整体结构框图；
[0018]图2是本发明的CPLD及其外围电路模块5的电路原理图；
[0019]图3是本发明的二相桥逆变电路模块7的电路原理图；
[0020]图4是本发明的驱动电路模块6的电路原理图；
[0021 ]图5和图6是本发明的保护电路模块4的电路原理图；
[0022]图7是本发明的供电电源单元模块2的电路原理图；
[0023]图8是本发明的PWM波生成电路模块3的电路原理图；
[0024]图9是本发明的人机接口模块I的电机正反转及制动控制电路的电路原理图；
[0025]图10是本发明的人机接口模块I的系统状态显示电路的电路原理图；
[0026]图11是本发明软件实现流程图。
【具体实施方式】
[0027]实施例1、图1?图10给出了一种无刷直流电机控制器，包括与无刷直流电机8、CPLD及外围电路模块5、三相桥逆变电路模块7、驱动电路模块6、保护电路模块4、供电电源模块2、人机接口模块I和PWM波生成电路模块3。
[0028]CPLD及外围电路模块5与无刷直流电机8相互连接，由无刷直流电机8输出三相霍尔信号到CPLD及外围电路模块5，三相霍尔信号结合控制指令生成驱动信号，CPLD及外围电路模块5将驱动信号输出到驱动电路模块6，由驱动电路模块6将驱动信号生成实际有效的控制信号，并再将该控制信号输出到三相桥逆变电路模块7，由三相桥逆变电路模块7控制无刷直流电机8的运行。
[0029]以上所述的控制指令是指CPLD及外围电路模块5从PWM波生成电路模块3、人机接口模块I和保护电路模块4获得的控制信号。保护电路模块4检测三相桥逆变电路模块7和驱动电路模块6，当三相桥逆变电路模块7或者驱动电路模块6的电流或者电压出现异常时，就会发相应的控制信号给CPLD及外围电路模块5。PWM波生成电路模块3主要包括555芯片构成的施密特触发电路，施密特触发电路发相应的控制信号给CPLD及外围电路模块5。人机接口模块I包括电机正反转及制动控制电路和系统状态显示电路，由电机正反转及制动控制电路发相应的控制信号给CPLD及外围电路模块5，并由CPLD及外围电路模块5反馈相应的信号给系统状态显示电路。供电电源模块2将28V的总电压变换成5V和15V，并将5V或者15V电压输送到相应的CPLD及外围电路模块5、三相桥逆变电路模块7、驱动电路模块6、保护电路模块4、人机接口模块I和PWM波生成电路模块3中。
[0030]下面结合各模块的电路原理图来详细介绍控制器构成。
[0031]如图2所示，CPLD及外围电路模块5由一片CPLD芯片U5，5针接口 Pl，JTAG 口P2，有源晶振U6和电阻R34、R35、R36、R37、R44、R45和R46以及电容C15、C16和C17组成。以上所述的CPLD芯片U5可以采用例如Lattice公司的M4A5-32/32-10VC芯片，但不限于此。
[0032]电容C15、C16和C17为+5V电源的滤波电容，分别连接到+5V电源的正极和负极。CPLD芯片U5的16、38端口接+5V电源(+5V电源正极)；CPLD芯片U5的6、17、28、39端口接地。CPLD芯片U5的40、41、42端口(作为目标电机，即无刷直流电机8的三相霍尔信号输出的接入端口 )分别接5针接口 Pl的2、3、4端口，且这3个端口分别通过电阻R44、R45、R46上拉到+5V电源(+5V电源正极)；5针接口 Pl的I端口接+5V电源(+5V电源正极)，5针接口 Pl的5端口接地。CPLD芯片U5的TCK端口连接到JTAG 口 P2的I端口 ；CPLD芯片U5的TMS端口连接到JTAG 口 P2的3端口 ；CPLD芯片U5的TDI端口连接到JTAG 口 P2的5端口 ；CPLD芯片U5的TDO端口连接到JTAG 口 P2的7端口 ；其中JTAG 口 P2的1、3、
5、7端口分别经电阻R34、R35、R36和R37上拉到+5V电源(+5V电源正极)JTAG 口 P2的6端口接+5V电源(+5V电源正极)，4和8端口接地JTAG 口 P2的其余端口悬空。CPLD芯片U5的3端口接保护电路4的Protect端口(Protect端口为信号输出端)。CPLD芯片U5的2端口接PWM波生成电路模块3的HVM端口(PWM端口为信号输出端)。CPLD芯片U5的I端口接人机接口模块I的两个F/R端口(两个F/R端口包括为人机接口模块I的电机正反转及制动控制电路中的F/R端口以及系统状态显示电路中的F/R端口，而以上所述的两个F/R端口也同时相互连接，通过按钮来控制F/R的电平变化，这个F/R信号一方面反馈到CPLD芯片U5中，另一方面反馈给二极管DS2作状态显示；F/R端口为信号输出端)；CPLD芯片U5的44端口接人机接口模块I的STOP端口(STOP端口为信号输出端)；CPLD芯片U5的25端口接人机接口模块I的LACK_V0UT端口(LACK_V0UT端口为信号输入端)；CPLD芯片U5的37端口接人机接口模块I的0VER_C端口(0VER_C端口为信号输入端)；CPLD芯片U5的36端口接人机接口模块I的NOMAL端口(N0MAL端口为信号输入端)。CPLD芯片U5的43端口接供电电源模块2的0VER_V端口(0VER_V端口为信号输出端)；CPLD芯片U5的8端口接供电电源模块2的LAVK_V端口(LAVK_V端口为信号输出端)。CPLD芯片U5的35端口接驱动电路6的U_Hin端口(U_Hin端口为信号输出端)；CPLD芯片U5的34端口接驱动电路6的U_Lin端口(U_Lin端口为信号输出端)；CPLD芯片U5的33端口接驱动电路6的V_Hin端口(V_Hin端口为信号输出端)；CPLD芯片U5的32端口接驱动电路6的V_Lin端口(V_Lin端口为信号输出端)；CPLD芯片U5的31端口接驱动电路6的W_Hin端口(W_Hin端口为信号输出端)；CPLD芯片U5的30端口接驱动电路6的W_Lin端口(W_Lin端口为信号输出端)。CPLD芯片U5的5端口接有源晶振U6的3端口(有源晶振U6的3端口为时钟信号输出)，有源晶振U6的4端口接+5V电源(+5V电源正极)，有源晶振U6的2端口接地，有源晶振U6的I端口悬空，CPLD芯片U5的其余端口悬空。
[0033]所述的CPLD及外围电路模块5的工作过程如下:
[0034]首先在CPLD芯片U5内输入控制信号I，控制信号I包括逆变桥MOS管过流保护信号Protect (Protect端口)、调整成PWM波的目标转速信号PWM(PWM端口)、电机正反转控制信号F/R (F/R端口)、电机制动信号STOP (STOP端口)、总电源过压信号0VER_V (0VER_V端口)以及总电源过流信号LACK_V (LAVK_V端口)；
[0035]然后在控制信号I的基础上，再根据从目标无刷直流电机8输入的三相霍尔信号(CPLD芯片U5的40、41、42端口 )生成相应逆变桥各MOS管的控制信号II，控制信号II包括 U_Hin (U_Hin 端口)、U_Lin (U_Lin 端口)、V_Hin (V_Hin 端口)、V_Lin (V_Lin 端口)、W_Hin (ff_Hin 端口)和 W_Lin (ff_Lin 端口)；
[0036]同时，在上述过程中，CPLD芯片U5还相应生成0VER_C(0VER_C端口)、NOMAL (N0MAL 端口)和 LACK_V0UT (LACK_V0UT 端 口 )给人机接 口模块 I。
[0037]以上所述的JTAG 口 P2用于给CPLD芯片U5下载程序。由源晶振U6提供时钟信号给CPLD芯片U5。
[0038]如图3所示，三相桥逆变电路模块7采用了三相全桥结构，其中包括P3接口、N沟道 MOS 管 QU QU QU QU Ql 和 Q6,电阻 RU R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、RIO、Rll、R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18、R19 和 R20,电容 Cl 和 C2, 二极管 Dl、D2、D3、D4、D7、D8、D9、DIO、D13、D14、D15 和 D16，稳压二极管 D5、D6、Dll、D12、D17 和 D18。所述的 MOS 管采用型号为IRFP2907，但不限于此。其中P3接口为总电源接口，接口 P3的I端口接电源正极，接口 P3的2端口接电源负极，电源采用+28V电源，但不限于此。
[0039]两个极性电容Cl和C2并联后接到总电源上，用于防止电源波动；两个电阻Rl和R2串联后接到总电源上，构成分压网络，输出总电源电压的采样信号VoltageTeSt(标记为VoltageTest端口)。MOS管Ql和Q2、Q3和Q4以及Q5和Q6分别构成三相全桥的三个桥臂；M0S管Ql的源极输出标记为VSl端口，MOS管Q3的源极输出标记为VS2端口，MOS管Q5的源极输出标记为VS3端口。
[0040]两个二极管D1、D3同向串联后，负极接MOS管Ql漏极，正极标记为FAULT_1端口 ；电阻R5 —端接MOS管Ql栅极，另一端标记为HOl端口 ；稳压管D5负极接MOS管Ql栅极，正极接MOS管Ql源极；电阻R7并联在稳压管D5上；FAULT_1端口与HOl端口间用电阻R3连接。
[0041]两个二极管D2、D4同向串联后，负极接MOS管Q2漏极，正极标记为FAULT_2端口 ；电阻R6 —端接MOS管Q2栅极，另一端标记为LOl端口 ；稳压管D6负极接MOS管Q2栅极，正极接MOS管Q2源极，电阻R8并联在稳压管D6上；FAULT_2端口与LOl端口间用电阻R4连接。
[0042]两个二极管D7、D9同向串联后，负极接MOS管Q3漏极，正极标记为FAULT_3端口 ；电阻Rll —端接MOS管Q3栅极，另一端标记为H02端口 ；稳压管Dll负极接MOS管Q3栅极，正极接MOS管Q3源极，电阻R13并联在稳压管Dll上；FAULT_3端口与H02端口间用电阻R9连接。
[0043]两个二极管D8、DlO同向串联后，负极接MOS管Q4漏极，正极标记为FAULT_4端口 ；电阻R12 —端接MOS管Q4栅极，另一端标记为L02端口 ；稳压管D12负极接MOS管Q4栅极，正极接MOS管Q4源极，电阻R14并联在稳压管D12上；FAULT_4端口与L02端口间用电阻RlO连接。
[0044]两个二极管D13、D15同向串联后，负极接MOS管Q5漏极，正极标记为FAULT_5端口 ；电阻R17 —端接MOS管Q5栅极，另一端标记为H03端口 ；稳压管D17负极接MOS管Q5栅极，正极接MOS管Q5源极，电阻R19并联在稳压管D17上；FAULT_5端口与H03端口间用电阻R15连接。
[0045]两个二极管D14、D16同向串联后，负极接MOS管Q6漏极，正极标记为FAULT_6端口 ；电阻R18 —端接MOS管Q6栅极，另一端标记为L03端口 ；稳压管D18负极接MOS管Q6栅极，正极接MOS管Q6源极，电阻R20并联在稳压管D17上；FAULT_6端口与L03端口间用电阻R16连接。
[0046]所述的三相桥逆变电路模块7的工作过程如下:
[0047]当由HOl端口输入一个电压为15V左右的驱动信号时(驱动电路模块6的HOl端口输出)，MOS管Ql的栅极与源极电压降大约为5V，使得Ql导通，从而VSl端口获得28V电压；M0S管Ql的栅源极击穿电压Ves = ±20V，由于稳压二极管D5的稳压作用，故可防止由于MOS管Ql的驱动电路故障或环境静电而损坏MOS管Ql ;其中二极管Dl，D3和电阻R3组成MOS管Ql的电流采样电路，Dl和D3 —直处于死区，产生一个死区电压，MOS管Ql导通时的内阻产生导通压降，从而一起构成FAULT_1电压信号；流过MOS管Ql电流变大时，FAULT,I电压值也会变大，当达到一定值时，会触发保护电路来保护MOS管Ql。MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4、MOS管Q5和MOS管Q6的工作原理与MOS管Ql完全一致。
[0048]如图4所示，驱动电路模块6包括集成驱动芯片U13、U14和U15，电容C24、C25、C26、C27、C28、C29、C30、C31、C32、C33、C34 和 C35, 二极管 D29、D30、D31、D32、D33 和 D34。集成驱动芯片U13采用IR1281芯片，但不限于此。
[0049]集成驱动芯片U13的I端口标记为U_Hin端口，集成驱动芯片U13的2端口标记为U_Lin端口，集成驱动芯片U13的4端口标记为LOl端口(并与三相桥逆变电路模块7的LOl端口相连)，集成驱动芯片U13的6端口标记为VSl端口(并与三相桥逆变电路模块7的VSl端口相连)，集成驱动芯片U13的7端口标记为HOl端口(并与三相桥逆变电路模块7的HOl端口相连)，集成驱动芯片U13的8端口标记为V_HB1端口。集成驱动芯片U13的3端口接地，集成驱动芯片U13的5端口接+15V电源正极(+15V电源正极)，集成驱动芯片U13的6和8端口直接并联两个无极性电容C24和C27 ;二极管D29负极接集成驱动芯片U13的6端口，正极接地，二极管D32负极接集成驱动芯片U13的端口 8，正极接+15V电源正极(+15V电源正极)。极性电容C30和无极性电容C33并联后串联在+15V电源(+15V电源正极)上。
[0050]集成驱动芯片U14的I端口标记为V_Hin端口，集成驱动芯片U14的2端口标记为V_Lin端口，集成驱动芯片U14的4端口标记为L02端口(并与三相桥逆变电路模块7的L02端口相连)，集成驱动芯片U14的6端口标记为VS2端口(并与三相桥逆变电路模块7的VS2端口相连)，集成驱动芯片U14的7端口标记为H02端口(并与三相桥逆变电路模块7的H02端口相连)，集成驱动芯片U14的8端口标记为V_HB2端口。集成驱动芯片U14的3端口接地，集成驱动芯片U14的5端口接+15V电源正极(+15V电源正极)，集成驱动芯片U14的6和8端口直接并联两个无极性电容C25和C28 ;二极管D30负极接集成驱动芯片U14的6端口，正极接地；二极管D33负极接集成驱动芯片U14的8端口，正极接+15V电源正极(+15V电源正极)。极性电容C31和无极性电容C34并联后串联在+15V电源(+15V电源正极)上。
[0051]集成驱动芯片U15的I端口标记为W_Hin端口，集成驱动芯片U15的2端口标记为W_Lin端口，集成驱动芯片U15的4端口标记为L03端口(并与三相桥逆变电路模块7的L03端口相连)，集成驱动芯片U15的6端口标记为VS3端口(并与三相桥逆变电路模块7的VS3端口相连)，集成驱动芯片U15的7端口标记为H03端口(并与三相桥逆变电路模块7的H03端口相连)，集成驱动芯片U15的8端口标记为V_HB3端口。集成驱动芯片U15的3端口接地，集成驱动芯片U15的5端口接+15V电源正极(+15V电源正极)，集成驱动芯片U15的6和8端口这件直接并联两个无极性电容C26和C29 ;二极管D31负极接集成驱动芯片U15的6端口，正极接地；二极管D34负极接集成驱动芯片U15的8端口，正极接+15V电源正极(+15V电源正极)。极性电容C32和无极性电容C35并联后串联在+15V电源(+15V电源正极)上。
[0052]如图5和图6所示，保护电路模块4包括MOS管过流保护电路和母线电压过欠压保护电路。
[0053]图5为MOS管过流保护电路(由MOS管导通电流检测电路和光耦隔离保护电路组成)，包括光耦 U7、U8、U9、U10、Ull 和 U12,电阻 R47、R48、R49、R50、R51、R52、R53、R54、R55、R56、R57、R58 和 R59,电容 C18、C19、C20、C21、C22 和 C23，三端可调稳压管 D23、D24、D25、D26、D27和D28。光耦采用型号为TLP281，三端可调稳压管采用型号为LM431，但不限于此。
[0054]电阻R47的一端接光耦U7的I端口，另一端标记为V_HB1端口(并与驱动电路模块6的V_HB1端口相连)；电阻R48的一端接三端可调稳压管D23的2端口，另一端标记为FAULT_1端口(并与三相桥逆变电路模块7的FAULT_1端口相连);三端可调稳压管D23的3端口与三相桥逆变电路模块7的VSl端口相连；无极性电容C18并联在三端可调稳压管D23的端口 2、3上；三端可调稳压管D23的I端口连接光耦U7的2端口。
[0055]电阻R49的一端接光耦U8的I端口，另一端接+15V电源(+15V电源正极)；电阻R50的一端接三端可调稳压管D24的2端口，另一端标记为FAULT_2端口(并与三相桥逆变电路模块7的FAULT_2端口相连);三端可调稳压管D24的3端口接地；无极性电容C19并联在三端可调稳压管D24的端口 2、3上；三端可调稳压管D24的I端口连接光耦U8的2端口。
[0056]电阻R51的一端接光耦U9的I端口，另一端标记为V_HB2端口(并与驱动电路模块6的V_HB2端口相连)；电阻R52的一端接三端可调稳压管D25的2端口，另一端标记为FAULT_3端口(并与三相桥逆变电路模块7的FAULT_3端口相连);三端可调稳压管D25的3端口与三相桥逆变电路模块7的VS2端口相连；无极性电容C20并联在三端可调稳压管D25的2、3端口上；三端可调稳压管D25的I端口连接光耦U9的2端口。
[0057]电阻R53的一端接光耦UlO的I端口，另一端接+15V电源(+15V电源正极)；电阻R54的一端接三端可调稳压管D26的2端口，另一端标记为FAULT_4端口(并与三相桥逆变电路模块7的FAULT_4端口相连);三端可调稳压管D26的3端口接地；无极性电容C21并联在三端可调稳压管D26的2、3端口上；三端可调稳压管D27的I端口连接光耦UlO的2端口。
[0058]电阻R55的一端接光耦Ul I的I端口，另一端标记为V_HB3端口(并与驱动电路模块6的V_HB3端口相连)；电阻R56的一端接三端可调稳压管D27的2端口，另一端标记为FAULT_5端口(并与三相桥逆变电路模块7的FAULT_5端口相连);三端可调稳压管D27的3端口与三相桥逆变电路模块7的VS3端口相连；无极性电容C22并联在三端可调稳压管D27的2、3端口上；三端可调稳压管D27的端口 I连接光耦Ull的2端口。
[0059]电阻R57的一端接光耦U12的I端口，另一端接+15V电源；电阻R58的一端接三端可调稳压管D28的2端口，另一端标记为FAULT_6端口(并与三相桥逆变电路模块7的FAULT_6端口相连);三端可调稳压管D28的端口 3接地；无极性电容C23并联在三端可调稳压管D28的2、3端口上；三端可调稳压管D28的I端口连接光耦U12的2端口。
[0060]*—U7、U8、U9、U10、Ull以及U12的3端口都接地，端口 4都连接在一起，标记为端口 Protect，且此端口 4电平通过电阻R59上拉到+5V。
[0061]如图6为母线过电压和欠电压保护电路(母线欠过压检测子模块，通过运算放大器来检测总电源电压是否小于或大于某个值，而触发相应的控制信号)；包括运算放大器U3 (运算放大器 U3 包括 U3A 和 U3B)，电阻 R24、R25、R26、R29、R30、R31、R32 和 R33。所述运算放大器采用LM358双运算放大器，但不限于此。
[0062]电阻R24、R25构成分压网络，并把获得的电压信号传递给运算放大器U3A的2端口(电阻R24—端由+5V电源正极获得电压信号)；来自三相桥逆变电路模块7的VoltageTest信号(从VoltageTest端口输出)经电阻R26后传递给运算放大器U3A的3端口。运算放大器U3A的I端口作为过压控制信号输出端标记为0VER_V端口。电阻R29一端接运算放大器U3A的I端口，另一端接+5V电源(+5V电源正极);运算放大器U3A的8端口接+5V电源(+5V电源正极)，运算放大器U3A的4端口接地。
[0063]电阻R30、R31构成分压网络，并把获得的电压信号传递给运算放大器U3B的5端口(电阻R30—端由+5V电源正极获得电压信号)；来自三相桥逆变电路模块7的VoltageTest信号(从VoltageTest端口输出)经电阻R32后传递给运算放大器U3B的端口 6。运算放大器U3B的端口 7作为欠压控制信号输出端标记为LACK_V端口。电阻R33 —端接运算放大器U3B的7端口，另一端接+5V电源(+5V电源正极);运算放大器U3B的8端口接+5V电源(+5V电源正极)，运算放大器U3B的4端口接地。
[0064]所述保护电路模块4的MOS管过流保护电路工作过程如下:
[0065]MOS管(M0S管Q1-Q6)过流会表现在FAULT_N(其中N为1_6，相对应于MOS管Q1-Q6)信号的电压上，当FAULT_N信号达到设定值时，会触发三端可调稳压管(三端可调稳压管D23-D28，对应于MOS管Q1-Q6)导通，从而使得光耦(光耦U7-U12)导通，并产生Protect信号传输给CPLD芯片U5的3端口，最终关断MOS管(M0S管Q1-Q6)形成保护。
[0066]如图7所示，供电电源模块2的+5V和+15V电源生成子模块，分别采用了输出为+5V和+15V这两种电压的集成开关稳压芯片来构造这两个电源子模块，其包括电源芯片U2、U4，极性电容C7、C12、C13和C14, 二极管D21和D22,电感LI和L2。电源芯片U2、U4可分别采用LM2575-15和LM2575-5.0芯片，但不限于此。
[0067]电源芯片U2的I端口接总电源+28V，电源芯片U2的3和5端口接地；其中极性电容C7的正极接电源芯片U2的I端口，负极接地；功率电感LI 一端接电源芯片U2的端口 2，另一端作为+15V电源输出，并标记此端口为+15V电源正极。极性电容C12的正极接+15V电源正极，负极接地；肖特基二极管D21的负极接电源芯片U2的2端口，正极接地，电源芯片U2的4端口悬空。
[0068]电源芯片U4的I端口接总电源+28V，电源芯片U4的3和5端口接地；其中极性电容C13的正极接电源芯片U4的I端口，负极接地；功率电感L2 —端接电源芯片U4的端口2，另一端作为+5V电源输出，并标记此端口为+5V电源正极。极性电容C14的正极接+5V电源正极，负极接地；肖特基二极管D22的负极接电源芯片U4的2端口，正极接地，电源芯片U4的4端口悬空。
[0069]如图8所示，PWM波生成电路模块3包括555芯片Ul，电阻R21、R23，滑动变阻器R22,电容C3和C4, 二极管D19和D20。
[0070]555芯片Ul的4和8端口接+5V电源正极(由+5V电源正极输入电源)，555芯片Ul的I端口接地，555芯片Ul的3端口作为PWM波输出端口，标记为PWM端口(与CPLD芯片U5的2端口相接);无极性电容C4 一端接555芯片Ul的5端口，另一端接地；二极管D20的正极接555芯片Ul的7端口，负极接555芯片Ul的2和6端口；电阻R23的一端接+5V电源，另一端接滑动变阻器R22的I端口 ；滑动变阻器R22的2端口接555芯片Ul的7端口 ；滑动变阻器R22的3端口接电阻R21的一端；电阻R21的另一端接二极管D19的负极。二极管D19的正极接555芯片Ul的2和6端口。无极性电容C3的一端接二极管D19的正极，另一端接地。
[0071 ] 所述PWM波生成电路模块3的工作过程如下:
[0072]由555芯片的结构可知，其构成一个施密特触发器；由施密特触发器的电压传输特性知，输出的PWM波占空比与线性电位器R22(即滑动变阻器R22)转过的角度基本呈正比例关系变化。由于转速信号是一个模拟量，一般需要转化为相对应的模拟电压信号，并采用AD芯片将信号传递给控制核心；而采用PWM波的形式把目标转速信号转递给CPLD芯片U5，就可以直接实现无刷直流电机的无极调速，避免了控制器采取AD芯片，从而节约成本。
[0073]如图9所示，为人机接口模块I的电机正反转及制动控制电路；包括自锁按键S1-F/R 和 S2-ST0P，无极性电容 C5、C6、C8、C9、ClO 和 C11，电阻 R27 和 R28。
[0074]无极性电容C5、C6和C8并联后接在+5V电源(+5V电源正极)上，用于滤除电源噪声；自锁按键S1-F/R的3端口接+5V电源(+5V电源正极)，自锁按键S1-F/R的2端口接电阻R27的一端，自锁按键S1-F/R的I端口接地；电阻R27的另一端作为正反转控制信号输出端，标记为F/R端口 ；无极性电容C9和Cl I并联后，一端接地，另一端接F/R端口，用于滤除按键产生的输出信号噪声；自锁按键S2-ST0P的3端口接+5V电源(+5V电源正极)，自锁按键S2-ST0P的2端口接电阻R28的一端，自锁按键S2-ST0P的I端口接地；电阻R28的另一端作为制动控制信号输出端，标记为STOP端口 ；无极性电容ClO —端接地，另一端接STOP端口，用于滤除按键产生的输出信号噪声。
[0075]实现的步骤如下:
[0076]自锁按键S1-F/R的3端口与自锁按键S1-F/R的2端口连接的时候，输出F/R信号;
[0077]自锁按键S1-F/R的I端口与自锁按键S1-F/R的2端口连接的时候，无输出信号；
[0078]自锁按键S2-ST0P的3端口与自锁按键S2-ST0P的2端口连接的时候，输出STOP
信号;
[0079]自锁按键S2-ST0P的I端口与自锁按键S2-ST0P的2端口连接的时候，无输出信号。
[0080]如图10所示，为人机接口模块I的系统状态显示电路；包括电阻R38、R39、R40、R41和R42，发光二极管DS1、DS2、DS3、DS4和DS5。电阻R38的一端标记为0VER_C端口，另外一端接发光二极管DSl的I端口，发光二极管DSl的2端口接地；电阻R39的一端标记为F/R端口，另外一端接发光二极管DS2的I端口，发光二极管DS2的2端口接地；电阻R40的一端标记为NOMAL端口，另外一端接发光二极管DS3的I端口，发光二极管DS3的2端口接地；电阻R41的一端标记为0VER_V端口，另外一端接发光二极管DS4的I端口，发光二极管DS4的2端口接地；电阻R42的一端标记为LACK_V0UT端口，另外一端接发光二极管DS5的I端口，发光二极管DS5的2端口接地；来自CPLD芯片U5的0VER_C信号经电阻R38 ( S卩，电阻R38 —端的0VER_C端口与CPLD芯片U5的37端口相连接)传递给发光二极管DSl正极，发光二极管DSl的负极接地；来自电机正反转及制动控制电路的F/R信号经电阻R39(即，电阻R39 —端的F/R端口与CPLD芯片U5的I端口相连接)传递给发光二极管DS2正极，发光二极管DS2的负极接地。来自CPLD芯片U5的NOMAL信号经电阻R40 (即，电阻R40 —端的NOMAL端口与CPLD芯片U5的36端口相连接)传递给发光二极管DS3正极，发光二极管DS3的负极接地。来自保护电路模块4的0VER_V信号经电阻R41 (即，电阻R41 —端的0VER_V端口与CPLD芯片U5的43端口相连接)传递给发光二极管DS4正极，发光二极管DS4的负极接地。来自CPLD芯片U5的的LACK_V0UT信号经电阻R42 ( S卩，电阻R42 —端的LACK_V0UT端口与CPLD芯片U5的25端口相连接)传递给发光二极管DS5正极，发光二极管DS5的负极接地。
[0081]本发明的实际工作步骤如图11所示，包括转子位置检测输出霍尔信号判断、输入PWM波判断、正反转判断及MOS管逻辑驱动信号处理、故障和制动信号判断以及根据加载信号的逻辑输出PWM信号，实际的步骤如下:
[0082]第一步:开机后系统先初始化，刷新LED显示状态；
[0083]第二步:无刷直流电机8的霍尔传感器给出转子位置的三相霍尔信号，以及PWM波生成电路模块3给出的PWM波输入到CPLD芯片U5 ；CPLD芯片U5做出相应判断，并根据人机接口模块I中的正反转指令(即，电机正反转控制信号F/R)对MOS管逻辑驱动信号(此时的MOS管逻辑驱动信号指的是从CPLD芯片U5的PWM信号输入的信号)进行处理；并对输入的故障信号(M0S管过流、母线过压或者母线欠压，即，逆变桥MOS管过流保护信号Protect)和制动信号(STOP端口输出)进行判断，根据判断结果生成驱动MOS管的PWM信号(U_Hin、U_Lin、V_Hin、V_Lin、ff_Hin和W_Lin)，使得MOS管逻辑导通，最终实现无刷直流电机按指令运行。
[0084]第三步:当判断MOS管过电流，LED会点亮警示，并关断相对应的MOS管以防止烧坏；当母线过电压、欠电压故障和制动信号输入时，相应的LED会点亮警示，并关断PWM信号输出，使得所有MOS管关断。[0085]最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
【权利要求】
1.无刷直流电机控制器，包括无刷直流电机(8)、CPLD及外围电路模块(5)、三相桥逆变电路模块(7)、驱动电路模块(6)、保护电路模块(4)、供电电源模块(2)、人机接口模块(I)和PWM波生成电路模块(3);其特征是:所述CPLD及外围电路模块(5)分别接收人机接口模块(I)、PWM波生成电路模块⑶和保护电路模块⑷发出的控制指令，以及无刷直流电机(8)发出的三相霍尔信号后,产生驱动信号； 驱动电路模块(6)接收CPLD及外围电路模块(5)的驱动信号，并将驱动信号生成控制信号; 三相桥逆变电路模块(7)接收驱动电路模块(6)的控制信号，并控制无刷直流电机(8)的运行； 保护电路模块(4)检测三相桥逆变电路模块(7)和驱动电路模块(6)，并将检测结果以控制指令的形式反馈到CPLD及外围电路模块(5)； 所述供电电源模块(2)将28V总电压变换成5V和15V，并将5V或者15V电压输送到相应的CPLD及外围电路模块(5)、三相桥逆变电路模块(7)、驱动电路模块(6)、保护电路模块(4)、人机接口模块⑴以及PWM波生成电路模块(3)中。
2.根据权利要求1所述的无刷直流电机控制器，其特征是:所述PWM波生成电路模块(3)包括555芯片构成的施密特触发电路，该施密特触发电路发出相应的控制指令给CPLD及外围电路|旲块( 5)。
3.根据权利要求2所述的无刷直流电机控制器，其特征是:所述人机接口模块(I)包括电机正反转及制动控制电路和系统状态显示电路，电机正反转及制动控制电路发出相应的控制指令给CPLD及外围电路模块(5)； 所述CPLD及外围电路模块(5)反馈相应的信号给系统状态显示电路。
4.根据权利要求3所述的无刷直流电机控制器，其特征是:所述CPLD及外围电路模块(5)由CPLD 芯片 U5、5 针接口 PU JTAG 口 P2、有源晶振 U6、电阻 R34、R35、R36、R37、R44、R45、R46 以及电容 C15、C16、C17 组成； 所述驱动电路模块(6)由集成驱动芯片U13、U14、U15，电容C24、C25、C26、C27、C28、C29、C30、C31、C32、C33、C34、C35, 二极管 D29、D30、D31、D32、D33、D34 组成； 所述三相桥逆变电路模块(7)采用三相全桥结构，由P3接口，N沟道MOS管Q1、Q1、Ql、Ql、Ql、Q6，电阻 Rl、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、RIO、Rll、R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18、R19、R20，电容 Cl、C2，二极管 Dl、D2、D3、D4、D7、D8、D9、DIO、D13、D14、D15、D16，稳压二极管 D5、D6、D11、D12、D17、D18 组成； 所述保护电路模块(4)包括MOS管过流保护电路和母线电压过欠压保护电路；所述MOS 管过流保护电路由光耦 U7、U8、U9、U10、UlU U12,电阻 R47、R48、R49、R50、R51、R52、R53、R54、R55、R56、R57、R58、R59,电容 C18、C19、C20、C21、C22、C23，三端可调稳压管 D23、D24、D25、D26、D27、D28组成；所述母线电压过欠压保护电路由运算放大器U3A、U3B,电阻R24、R25、R26、R29、R30、R31、R32、R33 组成； 所述HVM波生成电路模块(3)由555芯片Ul，电阻R21、R23，滑动变阻器R22，电容C3、C4，二极管D19、D20组成； 所述人机接口模块(I)包括电机正反转及制动控制电路和系统状态显示电路；所述电机正反转及制动控制电路由自锁按键Sl-F/R、S2-ST0P，无极性电容C5、C6、C8、C9、C10、Cll,电阻R27、R28 ;所述系统状态显示电路包括电阻R38、R39、R40、R41和R42，发光二极管DS1、DS2、DS3、DS4 和 DS5 组成； 供电电源模块⑵包括+15V输出端口和+5V输出端口，由电源芯片U2、U4，极性电容C7、C12、C13、C14，二极管 D21、D22，电感 L1、L2 组成； 所述供电电源模块(2)的连接结构如下: 所述电源芯片U2的I端口为总电源端口 ；电源芯片U2的3、5端口接地；极性电容C7的正极接电源芯片U2的I端口，负极；功率电感LI 一端接电源芯片U2的2端口，另一端作为+15V输出端口 ；极性电容C12的正极接+15V输出端口，负极接地；肖特基二极管D21的负极接电源芯片U2的2端口，正极接地，电源芯片U2的4端口悬空； 所述电源芯片U4的I端口为总电源端口；电源芯片U4的3和5端口接地；极性电容C13的正极接电源芯片U4的I端口，负极接地；功率电感L2 —端接电源芯片U4的端口 2，另一端作为+5V输出端口 ；极性电容C14的正极接+5V输出端口，负极接地；肖特基二极管D22的负极接电源芯片U4的2端口，正极接地，电源芯片U4的4端口悬空； 所述CPLD及外围电路模块(5)的连接结构如下: 所述电容C15、C16和C17分别连接到+5V输出端口的正极和负极；CPLD芯片U5的16、38端口接+5V输出端口 ；CPLD芯片U5的6、17、28、39端口接地；CPLD芯片U5的40、41、42端口分别接5针接口 Pl的2、3、4端口，5针接口 Pl的2、3、4端口分别通过电阻R44、R45、R46上拉到+5V输出端口 ；5针接口 Pl的I端口接+5V输出端口，5针接口 Pl的5端口接地；CPLD芯片U5的 7端口连接到JTAG 口 P2的I端口，CPLD芯片U5的26端口连接到JTAG口 P2的3端口 ；CPLD芯片U5的4端口连接到JTAG 口 P2的5端口 ；CPLD芯片U5的29端口连接到JTAG 口 P2的7端口 ；所述JTAG 口 P2的1、3、5、7端口分别经电阻R34、R35、R36和R37上拉到+5V输出端口 JTAG 口 P2的6端口接+5V输出端口，4、8端口接地JTAG 口P2的其余端口悬空；CPLD芯片U5的5端口接有源晶振U6的3端口，有源晶振U6的4端口接+5V输出端口，有源晶振U6的2端口接地，有源晶振U6的I端口悬空； 所述驱动电路模块(6)的连接结构如下: 集成驱动芯片U13的I端口标记为U_Hin端口，并与CPLD芯片U5的35端口相连接；集成驱动芯片U13的2端口标记为U_Lin端口，并与CPLD芯片U5的34端口相连接；集成驱动芯片U13的4端口标记为LOl端口 ；集成驱动芯片U13的6端口标记为VSl端口 ；集成驱动芯片U13的7端口标记为HOl端口 ；集成驱动芯片U13的8端口标记为V_HB1端口 ；集成驱动芯片U13的3端口接地；集成驱动芯片U13的5端口接+15V电源正极；集成驱动芯片U13的6和8端口直接并联两个无极性电容C24和C27 ;二极管D29负极接集成驱动芯片U13的6端口，正极接地；二极管D32负极接集成驱动芯片U13的8端口，正极接+15V电源正极；极性电容C30和无极性电容C33并联后串联在+15V电源上； 集成驱动芯片U14的I端口标记为V_Hin端口，并与CPLD芯片U5的33端口相连接；集成驱动芯片U14的2端口标记为V_Lin端口，并与CPLD芯片U5的32端口相连接；集成驱动芯片U14的4端口标记为L02端口 ；集成驱动芯片U14的6端口标记为VS2端口 ；集成驱动芯片U14的7端口标记为H02端口 ；集成驱动芯片U14的8端口标记为V_HB2端口 ；集成驱动芯片U14的3端口接地；集成驱动芯片U14的5端口接+15V电源正极；集成驱动芯片U14的6和8端口直接并联两个无极性电容C25和C28 ;二极管D30负极接集成驱动芯片U14的6端口，正极接地；二极管D33负极接集成驱动芯片U14的8端口，正极接+15V电源正极；极性电容C31和无极性电容C34并联后串联在+15V电源上； 集成驱动芯片U15的I端口标记为W_Hin端口，并与CPLD芯片U5的31端口相连接；集成驱动芯片U15的2端口标记为W_Lin端口，并与CPLD芯片U5的30端口相连接；集成驱动芯片U15的4端口标记为L03端口 ；集成驱动芯片U15的6端口标记为VS3端口 ；集成驱动芯片U15的7端口标记为H03端口 ；集成驱动芯片U15的8端口标记为V_HB3端口 ；集成驱动芯片U15的3端口接地；集成驱动芯片U15的5端口接+15V电源正极；集成驱动芯片U15的6和8端口直接并联两个无极性电容C26和C29 ;二极管D31负极接集成驱动芯片U15的6端口，正极接地；二极管D34负极接集成驱动芯片U15的8端口，正极接+15V电源正极；极性电容C32和无极性电容C35并联后串联在+15V电源上； 所述三相桥逆变电路模块(7)的连接结构如下: 所述接口 P3的I端口接总电源正极，接口 P3的2端口接总电源负极；极性电容Cl和C2并联后接到总电源上；两个电阻Rl和R2串联后接到总电源上；MOS管Ql和Q2、Q3和Q4以及Q5和Q6分别构成三相全桥的三个桥臂；MOS管Ql的源极输出标记为VSl端口，并与集成驱动芯片U13的VSl端口相连接；MOS管Q3的源极输出标记为VS2端口，并与集成驱动芯片U14的VS2端口相连接；MOS管Q5的源极输出标记为VS3端口，并与集成驱动芯片U15的VS3端口相连接； 两个二极管D1、D3同向串联后，负极接MOS管Ql漏极，正极标记为FAULT_1端口 ；电阻R5 一端接MOS管Ql栅极，另一端标记为HOl端口，并与集成驱动芯片U13的HOl端口相连接；稳压管D5负极接MOS管Ql栅极，正极接MOS管Ql源极；电阻R7并联在稳压管D5上；三相桥逆变电路模 块(7)的FAULT_1端口与三相桥逆变电路模块(7)的HOl端口之间用电阻R3连接； 两个二极管D2、D4同向串联后，负极接MOS管Q2漏极，正极标记为FAULT_2端口 ；电阻R6 一端接MOS管Q2栅极，另一端标记为LOl端口，并与集成驱动芯片U13的LOl端口相连接；稳压管D6负极接MOS管Q2栅极，正极接MOS管Q2源极，电阻R8并联在稳压管D6上；三相桥逆变电路模块(7)的FAULT_2端口与三相桥逆变电路模块(7)的LOl端口之间用电阻R4连接； 两个二极管D7、D9同向串联后，负极接MOS管Q3漏极，正极标记为FAULT_3端口；电阻Rll —端接MOS管Q3栅极，另一端标记为H02端口，并与集成驱动芯片U14的H02端口相连接；稳压管Dll负极接MOS管Q3栅极，正极接MOS管Q3源极，电阻R13并联在稳压管Dll上；三相桥逆变电路模块(7)的FAULT_3端口与三相桥逆变电路模块(7)的H02端口间用电阻R9连接； 两个二极管D8、DlO同向串联后，负极接MOS管Q4漏极，正极标记为FAULT_4端口；电阻R12 —端接MOS管Q4栅极，另一端标记为L02端口，并与集成驱动芯片U14的L02端口相连接；稳压管D12负极接MOS管Q4栅极，正极接MOS管Q4源极，电阻R14并联在稳压管D12上；三相桥逆变电路模块(7)的FAULT_4端口与三相桥逆变电路模块(7)的L02端口间用电阻RlO连接； 两个二极管D13、D15同向串联后，负极接MOS管Q5漏极，正极标记为FAULT_5端口；电阻R17 —端接MOS管Q5栅极，另一端标记为H03端口，并与集成驱动芯片U15的H03端口相连接；稳压管D17负极接MOS管Q5栅极，正极接MOS管Q5源极，电阻R19并联在稳压管D17上；三相桥逆变电路模块(7)的FAULT_5端口与三相桥逆变电路模块(7)的H03端口间用电阻R15连接； 两个二极管D14、D16同向串联后，负极接MOS管Q6漏极，正极标记为FAULT_6端口；电阻R18 —端接MOS管Q6栅极，另一端标记为L03端口，并与集成驱动芯片U15的L03端口相连接；稳压管D18负极接MOS管Q6栅极，正极接MOS管Q6源极，电阻R20并联在稳压管D17上；三相桥逆变电路模块(7)的FAULT_6端口与三相桥逆变电路模块(7)的L03端口间用电阻R16连接； 所述保护电路模块(4)的连接结构如下: 电阻R47的一端接光耦U7的I端口，另一端标记为V_HB1端口，并与集成驱动芯片U13的V_HB1端口相连接；电阻R48的一端接三端可调稳压管D23的2端口，另一端标记为FAULT_1端口，并与三相桥逆变电路模块(7)的FAULT_1端口相连接；三端可调稳压管D23的3端口标记为VSl端口，并与三相桥逆变电路模块(7)的VSl端口相连接；无极性电容C18并联在三端可调稳压管D23的2、3端口上；三端可调稳压管D23的I端口连接光耦U7的2端口 ； 电阻R49的一端接光耦U8的I端口，另一端接+15V输出端口；电阻R50的一端接三端可调稳压管D24的2端口，另一端标记为FAULT_2端口，并与三相桥逆变电路模块(7)的FAULT_2端口相连接；三端可调稳压管D24的3端口接地；无极性电容C19并联在三端可调稳压管D24的2、3端口上；三端可调稳压管D24的I端口连接光耦U8的2端口； 电阻R51的一端接光耦U9的I端口，另一端标记为V_HB2端口，并与集成驱动芯片U14的V_HB2端口相连接；电阻R52的一端接三端可调稳压管D25的2端口，另一端标记为FAULT_3端口，并与三相桥逆变电路模块(7)的FAULT_3端口相连接；三端可调稳压管D25的3端口标记为VS2端口，并与三相桥逆变电路模块(7)的VS2端口相连接；无极性电容C20并联在三端可调稳压管D25的2、3端口上；三端可调稳压管D25的I端口连接光耦U9的2端口 ； 电阻R53的一端接光耦UlO的I端口，另一端接+15V输出端口；电阻R54的一端接三端可调稳压管D26的2端口，另一端标记为FAULT_4端口，并与三相桥逆变电路模块(7)的FAULT_4端口相连接；三端可调稳压管D26的3端口接地；无极性电容C21并联在三端可调稳压管D26的2、3端口上；三端可调稳压管D27的I端口连接光耦UlO的2端口； 电阻R55的一端接光耦Ull的I端口，另一端标记为V_HB3端口，并与集成驱动芯片U15的V_HB3端口相连接；电阻R56的一端接三端可调稳压管D27的2端口，另一端标记为FAULT_5端口，并与三相桥逆变电路模块(7)的FAULT_5端口相连接；三端可调稳压管D27的3端口标记为 VS3端口，并与三相桥逆变电路模块(7)的VS3端口相连接；无极性电容C22并联在三端可调稳压管D27的2、3端口上；三端可调稳压管D27的端口 I连接光耦Ull的2端口 ； 电阻R57的一端接光耦U12的I端口，另一端接+15V输出端口；电阻R58的一端接三端可调稳压管D28的2端口，另一端标记为FAULT_6端口，并与三相桥逆变电路模块(7)的FAULT_6端口相连接；三端可调稳压管D28的端口 3接地；无极性电容C23并联在三端可调稳压管D28的2、3端口上；三端可调稳压管D28的I端口连接光耦U12的2端口；光耦 U7、U8、U9、U10、U11 以及 U12 的 3 端口都接地;光耦 U7、U8、U9、U10、U11 以及 U12的端口 4相互连接后，标记为端口 Protect ;且光耦U7、U8、U9、U10、U11以及U12相互连接后的端口 4电平通过电阻R59上拉到+5V输出端口 ；电阻Rl和R2之间设置VoltageTest端口 ； 电阻R24、R25相互串联后构成分压网络，并与运算放大器U3A的2端口相连接；电阻R24的一端接+5V输出端口，电阻R25的一端接地；VoltageTest端口经电阻R26与运算放大器U3A的3端口相连接；运算放大器U3A的I端口标记为0VER_V端口 ；电阻R29 —端接运算放大器U3A的I端口，另一端接+5V输出端口 ；运算放大器U3A的8端口接+5V输出端口，运算放大器U3A的4端 口接地； 电阻R30、R31相互串联后构成分压网络，并与运算放大器U3B的5端口相连接；电阻R30的一端接+5V输出端口，电阻R31的一端接地；VoltageTest端口经电阻R32与运算放大器U3B的6端口相连接；运算放大器U3B的7端口标记为LACK_V端口 ；电阻R33 —端接运算放大器U3B的7端口，另一端接+5V输出端口 ；运算放大器U3B的8端口接+5V输出端口，运算放大器U3B的4端口接地； 所述PWM波生成电路模块(3)的连接结构如下: .555芯片Ul的4、8端口接+5V输出端口，555芯片Ul的I端口接地，555芯片Ul的3端口标记为PWM端口 ；无极性电容C4 一端接555芯片Ul的5端口，另一端接地；二极管D20的正极接555芯片Ul的7端口，负极接555芯片Ul的2和6端口；电阻R23的一端接+5V输出端口，另一端接滑动变阻器R22的I端口 ；滑动变阻器R22的2端口接555芯片Ul的7端口 ；滑动变阻器R22的3端口接电阻R21的一端；电阻R21的另一端接二极管D19的负极；二极管D19的正极接555芯片Ul的2、6端口 ；无极性电容C3的一端接二极管D19的正极，另一端接地； 所述人机接口模块(I)的连接结构如下: 无极性电容C5、C6和C8并联后接+5V输出端口 ；自锁按键S1-F/R的3端口接+5V输出端口，自锁按键S1-F/R的2端口接电阻R27的一端，自锁按键S1-F/R的I端口接地；电阻R27的另一端标记为F/R端口 ；无极性电容C9和Cll并联后，一端接地，另一端接人机接口模块(I)的F/R端口 ；自锁按键S2-ST0P的3端口接+5V输出端口，自锁按键S2-ST0P的2端口接电阻R28的一端，自锁按键S2-ST0P的I端口接地；电阻R28的另一端标记为STOP端口 ；无极性电容ClO —端接地，另一端接STOP端口 ；电阻R38的一端标记为0VER_C端口，另外一端接发光二极管DSl的I端口，发光二极管DSl的2端口接地；电阻R39的一端标记为F/R端口，另外一端接发光二极管DS2的I端口，发光二极管DS2的2端口接地；电阻R40的一端标记为NOMAL端口，另外一端接发光二极管DS3的I端口，发光二极管DS3的2端口接地；电阻R41的一端标记为0VER_V端口，另外一端接发光二极管DS4的I端口，发光二极管DS4的2端口接地；电阻R42的一端标记为LACK_V0UT端口，另外一端接发光二极管DS5的I端口，发光二极管DS5的2端口接地； CPLD芯片U5的3端口接Protect端口 ；CPLD芯片U5的2端口接PWM端口 ；CPLD芯片U5 的 1、44、25、37、36 端口分别接接人机接口模块(I)的两个 F/R、STOP、LACK_V0UT、0VER_C,NOMAL 端口 ；CPLD 芯片 U5 的 43、8 端口分别接 0VER_V、LAVK_V 端口 ；CPLD 芯片 U5 的 35、.34、33、32、31、30 端口分别接 U_Hin、U_Lin、V_Hin、V_Lin、W_Hin、W_Lin 端口 ；CPLD 芯片 U5的其余端口悬空。
5.无刷直流电机控制器的实现方法，其特征是:包括转子位置检测输出霍尔信号判断、输入PWM波判断、正反转判断及MOS管逻辑驱动信号处理、故障和制动信号判断以及根据加载信号的逻辑输出PWM信号等步骤。
6.根据权利要求5所述的无刷直流电机控制器的实现方法，其特征是:所述的步骤如下: 第一步:开机后系统先初始化，刷新LED显示状态； 第二步:无刷直流电机(8)的霍尔传感器给出转子位置的三相霍尔信号，以及PWM波生成电路模块⑶给出的PWM波输入到CPLD芯片U5 ；CPLD芯片U5做出相应判断，并根据人机接口模块I中的正反转指令对MOS管逻辑驱动信号进行处理；并对输入的故障信号和制动信号进行判断，根据判断结果生成驱动MOS管的PWM信号，使得MOS管逻辑导通，最终实现无刷直流电机按指令运行；第三步:当判断MOS管过电流，LED会点亮警示，并关断相对应的MOS管以防止烧坏；当母线过电压、欠电压故障和制动信号输入时，相应的LED会点亮警示，并关断PWM信号输出 ，使得所有MOS管关断。
【文档编号】H02P6/08GK104009682SQ201410253909
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年6月9日 优先权日:2014年6月9日
【发明者】鲁文其, 王玮, 史伟民, 胡旭东 申请人:浙江理工大学