电机驱动器和基于电机驱动器的电路结构的制作方法

1.本发明涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种电机驱动器和基于电机驱动器的电路结构。


背景技术：

2.直流无刷电机具有寿命长、维护成本低、可靠性高、效率高、节能等优点，在各领域的应用越来越广泛，无刷电机驱动器是用于驱动和控制直流无刷电机转动、加速、减速、正转、反转等功能。随着技术发展，直流无刷电机驱动器向着小型化、高集成、高功率密度、智能化的方向发展，针对上述现状，一种小型化、高集成且高功率密度的电机驱动器是目前市场的急需产物。


技术实现要素：

3.本发明实施例提供一种电机驱动器，具有高功率密度，小型化设计，覆盖功率范围广，通用性好的功能，适应目前市场及工业要求。
4.本发明一方面，提供一种电机驱动器，用于驱动和控制电机转动，实现电机转速和转向的控制，包括：稳压电路、输入电路、逻辑控制电路、驱动电路、三相桥电路；所述稳压电路，用于将外部输入电源转换为所述电机驱动器的工作电压，为所述输入电路、所述逻辑控制电路和所述驱动电路供电，以及为所述电机的霍尔电路供电，所述霍尔电路用于检测所述电机的转速和转向，生成第一霍尔信号；所述输入电路，用于转换所述第一霍尔信号为第二霍尔信号，对所述第二霍尔信号进行滤波；所述逻辑控制电路，用于逻辑控制处理所述第二霍尔信号，输出控制所述三相桥电路的逻辑信号；所述驱动电路，用于将前级信号进行电流放大和实现开关管的栅极驱动；所述三相桥电路，用于将直流电压转换成电机的交流电压，输出到电机的三相绕组；所述稳压电路的一输出端分别与所述输入电路第一输入端、所述逻辑控制电路第一输入端、所述驱动电路第一输入端和所述霍尔电路输入端电连接，所述输入电路第二输入端与所述第一霍尔信号端电连接，所述输入电路输出端与所述逻辑控制电路第二输入端电连接，所述逻辑控制电路输出端与所述驱动电路第二输入端电连接，所述驱动电路一输出端与所述三相桥电路单元输入端电连接，所述三相桥电路输出端与电机电连接。
5.根据本发明的一个实施例，所述电机驱动器还包括：隔离电路，用于隔离所述调速信号、正反转控制信号和电机驱动器内部电路信号。所述隔离电路输入端分别与调速信号端、正反转控制信号端和控制信号地端电连接，所述隔离电路的输出端与所述逻辑控制电路的第三输入端电连接。
6.所述电机驱动器还包括：隔离电路，用于将调速信号和正反转控制信号的输出电平转化成与所述逻辑控制电路匹配的输入电平。
7.根据本发明的一个实施例，所述电机驱动器还包括：过流保护电路，用于限制所述电机驱动器的输出电流值在第一阈值范围内，所述过流保护电路的输入端与所述电机驱动
器的采样电路一端电连接，所述过流保护电路的输出端与所述逻辑控制电路第四输入端电连接，所述采样电路用于向所述过流保护电路提供采样电流。
8.所述过流保护电路通过检测所述电机驱动器的采样电阻电流值判断述电机驱动器的输出电流值是否过流，包括：当所述采样电阻电流值大于等于第一阈值，所述过流保护电路输出端输出低电平，当所述采样电阻电流值小于第一阈值，所述过流保护电路输出端输出高电平。
9.所述逻辑控制电路，还用于根据所述过流保护电流的输出电平和所述调速信号，输出控制所述三相桥电路的逻辑信号，包括：所述过流保护电流的输出电平和所述调速信号通过与逻辑门电路输出控制所述三相桥电路的逻辑信号。
10.本发明另一方面提供了一种基于电机驱动器的电路结构，所述电机驱动器包括以上所述的电机驱动器的所有元件，所述元件包括三相采样电路的功率管元件、所述采样电阻元件和所述稳压电路、输入电路、逻辑控制电路、驱动电路的元件，所述电路结构包括：所述第二载体基板、所述第一载体基板和金属外壳，所述第二载体基板、所述所述第一载体基板分别采用pcb板和陶瓷覆铜板表面贴装，平行分布于所述金属外壳壳体内部，所述所述第一载体基板与所述金属外壳壳体一底面焊接固定，所述金属外壳的其他底面灌胶平行缝焊封装，所述三相采样电路的功率管元件和所述采样电阻元件固定于所述所述第一载体基板上，所述稳压电路、输入电路、逻辑控制电路、驱动电路的元件固定于所述第二载体基板上。
11.根据本发明的一个实施例，所述所述第二载体基板与所述第一载体基板的板间距范围为(0
‑
10)mm。所述功率管真空焊接于陶瓷覆铜板。所述所第一载体基板与所述所述第二载体基板通过铜芯接线柱焊接，通过软高温导线互连。
12.本发明实现的有益效果为：本发明公开的电机驱动器采用高功率密度小型化设计，覆盖功率范围广，通用型号，且采用多功能集成，有效减少外围器件的同时，节约了成本，且本发明的电机驱动器，自带过流保护电路，适用于负载突变，频繁换向的恶劣工况，保证了电路工作可靠性，同时采用采用pcb板和陶瓷覆铜板表面贴装实现良好的散热，可用于高温环境，工作稳定性更有保障。
附图说明
13.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
14.图1为本发明实施例公开的电机驱动器结构方框图；
15.图2为本发明实施例公开的三相桥电路原理图；
16.图3为本发明实施例公开的又一电机驱动器结构方框图；
17.图4为本发明实施例公开的又一电机驱动器结构方框图；
18.图5为本发明实施例公开的过流保护电路原理图；
19.图6为本发明实施例公开的过流保护波形图；
20.图7为本发明实施例公开的电机驱动器内部结构剖面示意图；
21.图8为本发明实施例公开的电机驱动器正面所述第一载体基板结构图；
22.图9为本发明实施例公开的电机驱动器正面所述第二载体基板结构图。
23.通过上述附图，已示出本公开明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图
和文字描述并不是为了通过任何方式限制本公开构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本公开的概念。
具体实施方式
24.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
25.本发明公开的电机驱动器，用于驱动和控制电机转动，通过控制mos管的开通和关断，改变流过电机绕组电流大小和方向，实现电机转速和转向的控制，包括实现电机加速、减速、正转、反转和制动功能，包括：稳压电路、输入电路、逻辑控制电路、驱动电路和三相桥电路；所述稳压电路，用于将外部输入电源转换为所述电机驱动器的工作电压，为所述输入电路、所述逻辑控制电路和所述驱动电路供电，以及为所述电机的霍尔电路供电，所述霍尔电路用于检测所述电机的转速和转向，生成第一霍尔信号；所述输入电路，用于转换所述第一霍尔信号为第二霍尔信号，对所述第二霍尔信号进行滤波；所述逻辑控制电路，用于逻辑控制处理所述第二霍尔信号，输出控制所述三相桥电路的逻辑信号；所述驱动电路，用于将前级信号进行电流放大和实现开关管的栅极驱动；所述三相桥电路，用于将直流电压转换成电机的交流电压，输出到电机的三相绕组。所述稳压电路的一输出端分别与所述输入电路第一输入端、所述逻辑控制电路第一输入端、所述驱动电路第一输入端和所述霍尔电路输入端电连接，所述输入电路第二输入端与所述第一霍尔信号端电连接，所述输入电路输出端与所述逻辑控制电路第二输入端电连接，所述逻辑控制电路输出端与所述驱动电路第二输入端电连接，所述驱动电路一输出端与所述三相桥电路输入端电连接，所述三相桥电路单元输出端与电机电连接。
26.电机驱动器内部结构采用上下板叠焊方式，功率部分采用si3n4覆铜基板结构，控制部分采用pcb板结构。
27.产品均采用微电路模块工艺，pcb板和si3n4覆铜板表面贴装，金属外壳封装。
28.电路有两路电源供电，一路为功率电源v+(56v)，一路为控制电源v cc(15v)；五路输入信号，其中三路霍尔信号输入，一路调速控制信号输入，一路正反转控制信号输入；一路输出电源vout(12v)是为电机的霍尔供电；三路功率电源输出，分别是u、v、w三相。
29.电路原理框图设计，如图1所示。图1中的稳压电路、输入电路、逻辑控制电路、驱动电路和三相桥电路分别为与其对应的电路单元。
30.稳压电路的一输出端分别与所述输入电路第一输入端、所述逻辑控制电路第一输入端、所述驱动电路第一输入端和所述霍尔电路输入端电连接，所述输入电路第二输入端与所述霍尔信号电连接，所述输入电路输出端与所述逻辑控制电路第二输入端电连接，所述逻辑控制电路输出端与所述驱动电路第二输入端电连接，所述驱动电路一输出端与所述三相桥电路单元输入端电连接，所述三相桥电路输出端与电机电连接。
31.稳压电路功能是将外部输入的电源转换为工作电压，相关电路工作电压可跟根据具体工程或作业需要自行设定，为相关的电路提供电压，同时为无刷电机的霍尔电路进行供电。主要元件有三极管、稳压二极管、电阻，电容。
32.输入电路功能是将电机产生的霍尔信号进行转换处理，对霍尔信号进行滤波。所述霍尔电路用于检测所述电机的转速和转向，生成第一霍尔信号，输入电路，用于转换所述第一霍尔信号为第二霍尔信号，对所述第二霍尔信号进行滤波；主要元件有电阻、电容、二极管组成。电阻为上拉电阻，是为电机霍尔器件提供电流，阻容元件是对外部输入的霍尔信号进行滤波，滤除尖峰毛刺。二极管是做防静电保护，以及引出端口的抗静电设计。
33.逻辑控制电路功能是将三路霍尔信号ha、hb、hc、调速信号pwm和正反转切换信号f/r进行逻辑控制处理。最终输出六路可控制三相桥mos管导通的逻辑信号(aho、bho、cho、alo、blo、clo)。通过改变f/r信号信号，实现对电机正反转控制，通过改变pwm信号占空比大小实现电机调速控制，gl信号为过流保护信号。主要元件有电容、以及门电路组成。正反转控制实现原理：当f/r端引脚为高电平时电机顺时针旋转，当f/r端引脚为低电平时电机逆时针旋转。pwm调速实现原理：当pwm端输入信号的占空比越大时，电机转速加快；当pwm端输入信号的占空比越小时，电机转速减慢。
34.驱动电路的功能是将前级信号进行电流放大和实现mos管栅极驱动。这里的可以根据实际需要实现高端mos管栅极驱动或者低端mos管栅极驱动。以高端mos管栅极驱动为例，由于逻辑控制电路输出六路信号提供电流有限，且高端mos管驱动电压低，不能直接驱动三相桥电路，所以需要经过驱动电路将前级输出信号进行放大和电平提升处理。电路高端侧驱动采用成熟的自举电路实现。
35.三相桥电路单元，用于将直流电压转换成电机可识别的交流电压，输出到电机的三相绕组。如图2所示，主要元件有6个功率mos管，q1、q2构成u相桥臂，q3、q4构成v相桥臂，q5、q6构成w相桥臂。上桥臂高端功率mos管的d极连接到功率电源正端，下桥臂低端功率mos管的s极通过采样电阻连接到功率电源负端。
36.根据本发明的一个实施例，如图3所示，所述电机驱动器还包括：隔离电路，用于隔离调速信号、正反转控制信号和电机驱动器内部电路信号，所述隔离电路输入端分别与调速信号端、正反转控制信号端和控制信号地端电连接，所述隔离电路的输出端与所述逻辑控制电路的第三输入端电连接。
37.所述电机驱动器还包括：隔离电路，用于将所述调速信号和正反转控制信号的输出电平转化成与所述逻辑控制电路匹配的输入电平。
38.隔离电路的功能是将pwm调速信号和f/r正反转控制信号与电机驱动器内部功率电路隔离开，防止功率电路对外部输入的pwm和f/r信号干扰，防止电机误动作，提高控制系统的可靠性。隔离电路还用于将所述调速信号和正反转控制信号的输出电平转化成与所述逻辑控制电路匹配的输入电平。无刷电机驱动器方向控制信号f/r、pwm信号为整机系统输出信号，输出信号为ttl信号，而逻辑处理电路供电vcc为12v,因此隔离电路不仅是为了隔离，同时还起到电平转换的功能。所述逻辑控制电路，还用于控制处理所述调速信号和正反转切换信号，输出控制所述三相桥电路的逻辑信号。
39.隔离电路的功能是将pwm调速信号和f/r正反转控制信号与电机驱动器内部功率电路隔离开，防止功率电路对外部输入的pwm和f/r信号干扰，防止电机误动作，提高控制系统的可靠性。
40.根据本发明的一个实施例，如图4所示，所述电机驱动器还包括：过流保护电路，用于限制所述电机驱动器的输出电流值在第一阈值范围内。图4中各个引出端符号表示的功
能如表1，且与图1和图3中的符号表示功能一致，具体如下：
41.表1
[0042][0043]
过流保护电路，用于限制所述电机驱动器的输出电流值在第一阈值范围内。过流保护电路的功能是将电机驱动器输出电流限制在最大值。其原理是将采样电阻上的电流进行滤波、比较，然后输出电平信号到逻辑控制电路。
[0044]
过流保护电路，用于限制所述电机驱动器的输出电流值在第一阈值范围内，所述过流保护电路的输入端与所述电机驱动器的采样电路一端电连接，所述过流保护电路的输出端与所述逻辑控制电路第四输入端电连接，所述采样电路用于向所述过流保护电路提供采样电流。过流保护电路通过检测所述电机驱动器的采样电阻电流值判断述电机驱动器的输出电流值是否过流，包括：当所述采样电阻电流值大于等于第一阈值，所述过流保护电路输出端输出低电平，当所述采样电阻电流值小于第一阈值，所述过流保护电路输出端输出高电平。
[0045]
逻辑控制电路根据所述过流保护电流的输出电平和所述调速信号，输出控制所述三相桥电路的逻辑信号，包括：所述过流保护电流的输出电平和所述调速信号通过与逻辑门电路输出控制所述三相桥电路的逻辑信号。
[0046]
如图5所示，电路中u8
‑
a为比较器，工作电压为12v。r19、r20和c16构成基准源。c15为比较器的滤波电容。r17为比较器的上拉电阻。r18为比较器的反馈电阻。c14为输出滤波电容。r46为电流采样电阻。r33与c23构成rc滤波电路。当电路未出现过流时，在r46两端的电压与比较器u8
‑
a的3脚基准电压进行比较，比较器未翻转，1脚输出为高电平12v，电路仅
对输入的pwm波进行斩波。当电路中出现过流时，在r46两端的电压与比较器u8
‑
a的3脚基准电压进行比较，比较器翻转，1脚输出为低电平，低电平与pwm信号通过“与逻辑”门电路后输出信号为低电平。驱动电路输出端输出低电平信号，mos管关断，输出电流减小，如此循环形成一种闭合控制，比较器u8
‑
a 1脚、比较器u8
‑
a 2脚和比较器u8
‑
a 3脚各点的输入与输出波形图详见图6所示。只有当驱动器处于非过流情况下，输出过流保护电路不在工作。图中取样电路为图1、图3和图4中接地端的电阻器。电路中u8
‑
b为备用比较器，当u8
‑
a比较器出现故障，将其及时替换，避免影响后续电路以及整个电机驱动器的正常输出。电压出现斩波现象有效电流降低，使得采样电阻两端电路下降。
[0047]
为避免驱动模块烧毁，降低脉冲尖峰电流是一个方面，另外一个方面是通过材料的选取及结构优化设计实现良好的散热，进一步提高功率密度，本设计采用pcb板和陶瓷覆铜板表面贴装，金属外壳702灌胶平行缝焊封装，采用高压大电流低导通电阻功率管，在结构和工艺设计时采用了多次层布线技术以提高组装和布线密度，在结构上分为功率部分和非功率部分，功率部分(功率管，采样电阻)采用氮化硅陶瓷覆铜基板放置元件(散热导热性非常好)，非功率部分采用pcb板放置信号处理类的元件，为了减小产品体积，实现高密度组装，产品内部采用上、下层结构设计，内部结构图如图7所示。电机驱动器的元件包括三相采样电路的功率管元件、所述采样电阻元件和所述稳压电路、输入电路、逻辑控制电路、驱动电路的元件，所述电路结构包括：所述第二载体基板703、所述第一载体基板701和金属外壳702，所述所述第二载体基板703、所述所述第一载体基板701分别采用pcb板和陶瓷覆铜板表面贴装，平行分布于所述金属外壳壳体内部，所述所述第一载体基板701与所述金属外壳702壳体一底面灌胶平行缝焊固定，所述金属外壳702的其他底面灌胶平行缝焊封装，所述三相采样电路的功率管元件和所述采样电阻元件固定于所述第一载体基板701上，所述稳压电路、输入电路、逻辑控制电路、驱动电路的元件固定于所述第二载体基板703上。
[0048]
功率管真空焊接于陶瓷覆铜板。第一载体基板与所述所述第二载体基板通过铜芯接线柱焊接，通过软高温导线互连。
[0049]
其中，所述第一载体基板701和所述第二载体基板703之间的距离范围为(0
‑
10)mm，所述第一载体基板701和所述第二载体基板703的板材长度范围分别为(40
‑
42)mm，所述第一载体基板701和所述第二载体基板703的板材宽度范围分别为(35
‑
40)mm，所述第一载体基板701和所述第二载体基板703的板材高度范围分别为(30
‑
35)mm。不仅仅局限于以上给出尺寸范围，可根据实际工程需要自行匹配设定。
[0050]
如图8所示，所述第一载体基板701用来安置功率引脚701(a)和功率mos管701(b)。
[0051]
如图9所示，所述第二载体基板703用来安置控制引脚703(a)，以及用来安置驱动电路、隔离电路和逻辑控制电路的元件703(b)。
[0052]
本发明实现的有益效果为：本发明公开的电机驱动器采用高功率密度小型化设计，覆盖功率范围广，通用型号，且采用多功能集成，有效减少外围器件的同时，节约了成本，且本发明的电机驱动器，自带过流保护电路，适用于负载突变，频繁换向的恶劣工况，保证了电路工作可靠性，同时采用采用pcb板和陶瓷覆铜板表面贴装实现良好的散热，可用于高温环境，工作稳定性更有保障。
[0053]
显然，上述具体实施案例仅仅是为了说明本方法应用所作的举例，而非对实施方式的限定，对于该领域的一般技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形
式的变化和变动，用以研究其他相关问题。因此，本发明的保护范围都应以权利要求的保护范围。
[0054]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0055]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0056]
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
[0057]
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
[0058]
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
[0059]
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
[0060]
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本发明旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求书指出。
[0061]
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求书来限制。