双BLDC电机四象限运行的PWM控制系统的制作方法

本实用新型属于机电控制领域，具体涉及一种双BLDC电机四象限运行的PWM控制系统。

背景技术：

无刷直流电机(BLDC)具有调速性能好、功率密度大、过载能力强、启动转矩大、效率高、性能稳定、结构简单等优点，克服了有刷直流电机的先天性缺陷，以电子换向器取代了机械换向器，在机电控制领域有广泛的发展前景。目前，对于单个BLDC的控制比较成熟，可轻松实现转速闭环和电流闭环控制，但是，对于两个BLDC的控制，多采用两套控制驱动电路，成本较高，单片机占用资源多，电路和控制相对复杂。

发明专利CN1700585A介绍了带传感器的无刷直流电机双驱动单片机PWM控制装置，虽然可以通过PWM分时控制实现对双驱动无刷电机的换相、转速及启动电流的控制，但是每个BLDC都使用了一套驱动电路，PWM信号和霍尔信号都占用单片机(MCU)I/O口，占用系统资源较多，电路复杂，控制程序相对复杂。

技术实现要素：

鉴于现有技术的不足，本实用新型提出一种双BLDC电机四象限运行的PWM控制系统。

一种双BLDC电机四象限运行的PWM控制系统，包括电源模块、单片机控制模块、驱动模块、电流检测电路模块、光耦隔离放大电路模块、霍尔切换模块、三相输出切换电路模块、两个BLDC电机，其特征在于：由所述所有模块构成的一套驱动电路来控制所述两个BLDC电机的四象限运行。

进一步，所述单片机控制模块包括PWM控制模块、AD采样模块、双BLDC电机检测与切换控制、霍尔序列检测、计数器模块、供电电源；所述驱动模块包括PWM信号调理电路、功率管驱动电路和三相桥式逆变电路。

进一步，所述PWM控制模块包括6路PWM输出信号，所述AD采样模块为一路AD采样，所述双BLDC电机检测与切换控制包括一路I/O控制口，所述霍尔序列检测包括3个用于霍尔信号检测的I/O口，单片机控制模块通过控制一路I/O口的高低电平对双BLDC进行片选，根据采集的所片选的BLDC的霍尔信号的相序输出6路PWM控制信号，所述控制信号经信号调理后传输到所述功率管驱动电路，通过控制所述功率管驱动电路的6个开关管的导通和关断来实现所述双BLDC的四象限运行。

进一步，所述控制6个开关管的导通和关断的方式包括上管调制、下管调制和双管调制。

进一步，所述片选包括双BLDC霍尔信号的片选和三相输出的片选，且片选的霍尔信号和三相输出对象必须为同一BLDC。

进一步，通过所述AD采样模块采样所述BLDC电机的电流，可实现其电流的闭环控制；通过所述计数器模块可实现BLDC电机的转速闭环控制。

进一步，光耦隔离放大电路模块通过所述一路I/O口控制光耦隔离电路和三极管放大电路实现继电器的动作。

进一步，三相输出切换电路模块采用大功率继电器实现两个BLDC 的切换控制。

本实用新型的系统利用单驱动电路驱动双BLDC控制系统，可以降低驱动电路成本，简化电路和控制程序，减少对MCU资源的占用，提高可靠性。

附图说明

图1为本实用新型的双BLDC电机四象限运行的PWM控制系统结构框图；

图2为本实用新型的双BLDC电机四象限运行的PWM控制系统的三相桥式逆变电路简图；

图3为本实用新型的双BLDC电机四象限运行的PWM控制系统的电流检测电路；

图4为本实用新型的双BLDC电机四象限运行的PWM控制系统的三相输出切换电路；

图5为本实用新型的双BLDC电机四象限运行的PWM控制系统的霍尔信号切换电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。

本实用新型提出一种双BLDC电机四象限运行的PWM控制系统，图1 示出了其结构框图。该系统包括电源模块、单片机控制模块、驱动模块、电流检测电路模块、光耦隔离放大电路模块、霍尔切换模块、三相输出切换电路模块和电机1和电机2。下面分别进行介绍。

1.电源模块

电源模块主要由DC-DC转换电路、滤波电路和保护电路组成，主要作用是为双BLDC提供驱动电源(12V-84V)以及为其它模块提供辅助电源(3V-36V)。

2.单片机控制模块

单片机控制模块包括PWM控制模块、AD采样模块、双BLDC电机检测与切换控制、霍尔序列检测、计数器模块、供电电源等。PWM控制模块包括6路PWM输出信号，AD采样模块为一路AD采样，双BLDC电机检测与切换控制包括一路I/O控制口，霍尔序列检测包括3个用于霍尔信号检测的I/O口。根据霍尔信号的位置信息，单片机可通过控制算法对PWM进行控制，可以导通和关断相应开关管，实现BLDC的正转、反转、正转制动和反转制动等功能；一路控制I/O口可实现双BLDC霍尔信号和三相输出的切换；通过AD采样模块采样BLDC电流可以实现电机的电流闭环控制；通过计数器模块可实现BLDC的转速闭环控制。此外，单片机控制模块通过对BLDC电流和霍尔信号的检测，实现保护功能。

3.驱动模块

驱动模块主要由PWM信号调理电路、功率管驱动电路和三相桥式逆变电路组成。PWM信号经过信号收发器提高了带载能力，同时保护脆弱单片机控制芯片，然后经过驱动芯片输出6路PWM信号，控制6个功率开关管的导通和关断。三相桥式逆变电路简图如图2所示，主要包括6个开关管及其保护电路，UVW为三相电路的输出端。通过对6路 PWM的控制，可以实现上桥臂开关管(Q1、Q3、Q5)和下桥臂开关管 (Q2、Q4、Q6)的导通，从而控制UVW的输出，也可通过控制上下桥臂实现上管调制、下管调制和双管调制。为了节约成本，两个BLDC 共用一套控制驱动电路，通过对三相输出和霍尔信号的控制实现两个 BLDC的控制。

4.电流检测电路模块

电流检测电路如图3所示。电流检测电阻Rs连接在电源的输入端，通过运算放大器对Rs两端的电压进行采集，输入端电压差Vin+减去 Vin-等于Rs*Is，它与输出端电压Vo成一定的比例关系，通过单片机对Vo电压进行采样，便可知道电机电流大小。如果出现轻微过流的情况，可通过单片机算法程序调节开关管的PWM占空比，调整电机电流的大小；在开关管发生直通等严重过流情况时，单片机将直接关闭6 个开关管，防止驱动板因为过热而烧毁。除了通过单片机算法程序实现过流保护，还增加了硬件保护功能，能够在过流后更快的关闭6个开关管，切断电流回路，只需调整RL电阻大小或者通过电阻分压，将 Vo电压反馈到驱动芯片的过流关断引脚即可。

5.光耦隔离放大电路模块

光耦隔离放大电路模块是通过I/O口控制光耦隔离电路和三极管放大电路实现继电器的动作，如图4所示，同时保证高电压和大电流不会窜入控制模块中。

6.三相输出切换电路模块

三相输出切换电路如图4所示。为了实现大电流切换的功能，采用大功率继电器实现两个BLDC的切换控制，而且这种控制方法避免了两个BLDC同时导通的可能，保证每次运行只有一个BLDC工作。

7.霍尔切换模块

双BLDC霍尔信号切换电路如图5所示。模拟开关具有功耗低、速度快、无机械触点、体积小和使用寿命长等优点。采用模拟开关完成信号链路中的信号切换功能，用于接通和断开电流较小的霍尔信号。

本实用新型的系统的控制方法主要是，由电源模块对整个系统进行供电，单片机控制模块通过控制I/O口的高低电平对双BLDC进行片选，包括双BLDC霍尔信号的片选和三相输出的片选(片选的霍尔信号和三相输出对象必须为同一BLDC)，然后采集片选BLDC的霍尔信号，根据霍尔信号的相序输出6路PWM控制信号，PWM信号经过信号调理，传输给功率管驱动电路，控制6个开关管的导通和关断，采用的控制方式包括上管调制、下管调制和双管调制，可实现BLDC的四象限运行，能够实现电机的正转、反转、快速启动、加速和快速制动(包括能耗制动、回馈制动或反接制动)等功能。当需要另一路BLDC工作时，可通过快速制动功能停止当前BLDC的转动，并通过控制I/O口的高低电平对另一路BLDC进行片选，然后根据实际情况选择合适的控制方式、转动方向以及启动、加速、制动等功能。通过设置BLDC相电流检测电路，有效防止驱动电路和双BLDC过流现象；通过设置光耦隔离放大电路，避免大电流窜入控制系统；从而提高了整个系统的可靠性。通过对霍尔信号计数和对电流进行采样，可以实现相应BLDC的转速闭环和电流闭环控制。

下面将结合双BLDC变速箱换档测试台架，对本实用新型技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

对于PWM控制部分，采用英飞凌XC2000系列的XC2267M单片机，利用CCU6模块输出6路PWM信号，其特点是PWM占空比可调，死区时间可调。根据BLDC三个霍尔元件的摆放位置(60°或者120°)，确定6 路PWM信号的输出状态，通过74HC245芯片对PWM信号进行调理，传递给驱动芯片。驱动芯片采用6ED003L06-F2，最大阻断电压达到600V，并具有过流和低电压检测功能。电流检测电阻采用BVS-I-R002，运放采用INA139芯片。霍尔信号切换采用三组两路模拟开关CD4053芯片，内部含有三组单刀双掷模拟开关，可由地址码ABC来实现具体的接通和关断功能；通过对ABC给全0(低电平)或者全1(高电平)信号，实现霍尔信号的片选，然后将相应BLDC的霍尔信号进行滤波处理，然后传递到单片机的霍尔序列检测和计数器端口，进而实现PWM的控制和BLDC的速度闭环控制。BLDC三相输出采用40A三刀双掷继电器进行切换，继电器的机械寿命为5000万次，在24V/10A的条件下，电气寿命可达到200万次。

将本技术应用于双BLDC变速箱换档测试台架，一个BLDC控制一二档，另一个BLDC控制三四档，双BLDC共用一套控制驱动电路，在进行不同档位切换时，只需控制一个I/O口切换霍尔信号和三相输出电路，并调用相同的驱动程序模块(正转加速/制动程序模块或反转加速/ 制动程序模块)，即可实现一二档和三四档的切换，简化了电路结构和驱动程序。由于每次运行只有一个BLDC运行，因此在换档执行机构中即使没有互锁机构也不会出现一二档和三四档同时挂挡的错误，保证了测试换档的可靠性。双BLDC档位控制方法如表1所示，其中包括 I/O口控制切换状态、BLDC旋转方向、BLDC加速与制动状态及调用程序模块。

表1双BLDC档位控制方法

本实用新型实施例，通过对两个BLDC霍尔信号和三相输出电路的切换控制，实现了双BLDC四象限运行的PWM控制方法。双BLDC共用一套控制驱动电路和霍尔信号采集电路，电路简单，对单片机的资源占用少，控制四个档位时，只需控制一个I/O口的高低电平，通过调用相同的正反转程序来实现双BLDC的四象限运行，简化了算法程序，提高了可靠性。