CN106067743A - 无刷直流电机控制装置 - Google Patents

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李霖
张�杰
黄建根
周贤勇
谌文思
刘长运
舒伟才
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Wanxiang Qianchao Co Ltd
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/08—Arrangements for controlling the speed or torque of a single motor
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Abstract

本发明公开了一种无刷直流电机控制装置，其特征在于，包括：ECU控制器、直流无刷电机，所述ECU控制器连接直流无刷电机。本发明通过将无刷直流电机位置传感器从传统的内置在电机内部的霍尔传感器去掉，在控制器ECU电路板上适当位置固定安装位置采样检测电路以实现BLDC电机的位置信号采集。大大降低了直流无刷电机的成本并提高了可靠性和稳定性，也十分便于BLDC无刷直流电机同控制器的整体集成。

Description

无刷直流电机控制装置
技术领域
本发明涉及一种控制装置，具体涉及一种无刷直流电机（英文简称BLDC，Brushless DC Motor）控制装置。本发明属于电机设计领域。
背景技术
无刷直流电机控制现有技术方案通常有以下两种。
第一种：采用带霍尔位置传感器的直流无刷电机，控制器读取霍尔位置信号实现换相和电机调速控制。
这种方案中，霍尔传感器内置在电机内部，使得电机的内部结构复杂，成本增加，对电机生产要求比较高，同时由于电机长期工作内部温度比较高时会造成霍尔传感器不稳定，可靠性下降，影响电机控制。而且这种方案增加了导线和连接器同传感器相连。
第二种：采用不带霍尔位置传感器的直流无刷电机，控制器软件算法实现换相和电机调速控制。
这种方案中，虽然电机结构简单成本降低，但是利用控制器软件算法进行换相控制难度大、启动过程复杂实现困难，而且会降低电机的调速范围和动态响应性能。此外，增加了控制器软件的成本，目前许多诸如起动和换相控制算法也并纯熟，用在汽车电子上安全性和可靠性无法保障。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种无刷直流电机控制装置，以解决现有技术难以可靠性低、电机内部结构或者软件的成本高等技术问题。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
无刷直流电机控制装置，其特征在于，包括：ECU控制器、直流无刷电机，所述ECU控制器连接直流无刷电机。
前述的无刷直流电机控制装置，其特征在于，还包括直流稳压电源，直流稳压电源分别连接ECU控制器、直流无刷电机。
前述的无刷直流电机控制装置，其特征在于，所述ECU控制器包括直流母线、三相驱动桥、功率管驱动模块、位置与电流反馈电路模块、微处理器，微处理器分别连接功率管驱动模块、位置与电流反馈电路模块，功率管驱动模块连接，直流稳压电源连接直流母线，直流母线连接三相驱动功率电桥三相驱动桥连接直流无刷电机。
前述的无刷直流电机控制装置，其特征在于，所述ECU控制器包括支撑电容，支撑电容并联在直流母线上。
前述的无刷直流电机控制装置，其特征在于，所述三相驱动桥由三对相同的高频功率开关管组成，输入为直流母线直流电压，输出为UVW三相，直接接入直流无刷电机的三相线圈。
前述的无刷直流电机控制装置，其特征在于，ECU控制器设置在ECU控制器PCB板上，直流无刷电机与三相驱动桥同直流母线、功率驱动模块、直流无刷电机均直接在电路板上实现连接。
前述的无刷直流电机控制装置，其特征在于，微处理器与功率驱动模块、位置与电流反馈电路之间均各自在ECU电路板上实现连接。
本发明的有益之处在于：本发明通过将无刷直流电机位置传感器从传统的内置在电机内部的霍尔传感器去掉，在控制器ECU电路板上适当位置固定安装位置采样检测电路以实现BLDC电机的位置信号采集。大大降低了直流无刷电机的成本并提高了可靠性和稳定性，也十分便于BLDC无刷直流电机同控制器的整体集成。
附图说明
图1是本发明无刷直流电机控制装置的结构示意图；
图2是本发明无刷直流电机控制装置中ECU控制器PCB板示意图；
图3是本发明无刷直流电机控制装置运行状态示意图；
图4是本发明无刷直流电机控制装置换相流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
参照图1所示，本发明提供了一种电机位置采样检测电路直接固定在无刷直流电机ECU控制器电路板上，通过控制器同电机位置的适当安装，可以实现电机控制换相位置信号的采样和检测，其效果同带霍尔传感器的无刷直流电机一样。同时电机同ECU控制器整体集成，实现了无刷直流电机总成的整体结构简化、无需连接导线和接插件，有利于实现安装空间紧凑和较高的安全可靠性能的应用。
如图2是本发明的ECU控制器电路板与无刷直流电机的集成安装位置示意图，图中控制器电路板预留U、W、W焊接孔，是无刷直流电机三相电源端子焊接位置，无刷直流电机的三相接线直接焊接在电路板上，这样电机同控制器就固定成一个整体—电机总成，无需额外通过导线和接插件连接。而图中A位置区域是位置信号采样电流的区域，此区域用于固定位置与电流反馈电路模块（又称位置采样电路模块），通过电机位置校准后实现对电机转子位置信号的输出，由于转子位置信号采样电路是直接焊接的电路板上的如图2中A区域，因此采样的位置信号可以直接传输到电路板上的微处理器中，减少了内置霍尔传感器的导线和接插件，同时由于位置采样检测电路的外置，电子元器件散热效果也强于内置电机内部的结构。
图1是本发明的硬件原理框图，由直流稳压电源、直流母线、直流母线上的直流母线支撑电容、三相驱动桥、直流无刷电机本体、微处理器、功率驱动模块和位置与电流反馈电路组成。其中直流稳压电源给直流母线供电，提供稳定的直流电源，同时给ECU控制器电子元器件供电。而直流母线及支撑电容、三相驱动功率电桥（简称三相驱动桥）、功率管驱动模块、位置与电流反馈电路模块和微处理器属于ECU控制器，实现对电机的转动、换相、故障保护处理等控制功能。直流无刷电机BLDC是电机本体，不带内置霍尔传感器，直接通过UVW三相接线端子焊接到控制器电路板上，无需连接线和接插件连接。
直流母线支撑电容主要作用是对直流母线进行滤波，保证直流母线电压的稳定，吸收三相电桥和电机的脉动电流，同时防止电压过冲对功率管的影响。支撑电容并联在直流母线上。三相驱动桥由三对相同的高频功率开关管组成，输入为直流母线直流电压，输出为UVW三相，直接接入直流无刷电机三相线圈。三相驱动桥同直流母线、功率驱动模块和电机本体均无导线连接，直接在电路板上实现连接，其工作原理是通过三对6个功率管的不同开关状态使得直流母线电流到UVW三相线圈的电流方向和大小不断变化以实现对电机的换相和转动速度控制。微处理器是ECU控制器的核心，控制直流无刷电机。微处理器同功率驱动模块，特别是位置与电流反馈电路均无需导线或接插件连接，其信号连接直接在ECU电路板上实现；功率驱动模块将微处理器的控制逻辑放大驱动三相驱动电桥功率管开关，位置与电流反馈电路检测直流无刷电机的转子位置信号和电流控制反馈。一个无刷直流电机闭环控制过程为位置与电流反馈电路检测电机本体当前的转子位置和电流大小，并将数据送至微处理器，微处理器根据位置数据查表得到当前的换相逻辑数值并发送到功率驱动模块，功率驱动模块驱动三相电桥按照换相逻辑控制改变电机UVW三相电流，这样就实现了一次换相控制；同时微处理器计算电流的偏差得到当前电流值，通过改变PWM占空比实现三相功率管的开关时间控制，这样完成一次电机电流控制闭环。微处理器同功率驱动模块之间信号双向通道，微处理器将换相控制和PWM调节信号输出至功率驱动模块，功率驱动模块也不断检测三相驱动桥的开关状态和电压情况，同时输入到微处理器，微处理器结合电流反馈信号判断是否出现故障，一旦某个参数出现异常故障，微处理器将及时关闭功率驱动模块，保护功率管和电机本体。
根据上述的设置，即可以实现对本发明无刷直流电机控制装置的运行。
本发明ECU控制器的核心是由初始态、就绪态、运行态和故障态4个状态组成的有限状态机结构，如图3所示。当完成各种初始化工作后进入主循环控制入口，即进入有限状态机的轮询调度，这是一个无限循环，只有在断电的情况下才能强迫退出此循环。其中初始态进行电机控制的相关变量、参数的初始化，有限状态机全程变量传递的原始值赋值等工作；就绪态进行电机控制进入任务就绪阶段，电流、转速PI控制器的参数、边界条件赋值，运行状态前的故障确认；运行态完成电机的正常运行控制功能，同时监控电机运行的各项边界条件判断是否发生故障并及时处理故障；故障态将进行关闭***功率电源、通过CAN总线向通信网络发布故障信息，同时根据不同的故障等级进行相应的处理。以上四个状态的转换关系如图3所示，初始态完成即进入就绪态，就绪态正常即进入运行态，出现非正常情况就跳过运行态直接进入故障态，运行态出现故障即终止正常工作进入故障态，运行态可以返回初始态接收新的数据信息，同时故障态得到修复后也可返回初始态重新开始以进入运行态回归正常工作流程。
无刷直流电机BLDC控制需要获取电机转子的位置信号，通过转子当前位置来决定UVW三相线圈的供电逻辑关系，所以转子位置信号是无刷直流电机BLDC控制的关键。本发明无刷直流电机的转子位置信号采样检测不是通过电机内置的霍尔传感器模块来获得的，如图1所示，转子位置信号采样电路直接焊接在ECU电路板上。因此微处理可以直接读取获得转子位置信号。如图4所示，采用微处理器GPIO（通用输入/输出接口）的捕获功能，实时监测位置信号的电平变化，当电机转子每转过一个60度机械角度时，位置信号即发生一次变化，当电机转子转动一周时位置信号发生6次改变，对应位置信号输出的6个逻辑数值。因此当微处理GPIO捕获到一次上升沿或者下降沿的变化时触发一次换相中断。由于换相是无刷直流电机BLDC控制的关键，因此通过微处理的中断任务处理来进行位置检测和换相控制。进入中断处理程序后，首先读取GPIO口的位置信号逻辑数据，每个逻辑数值对应了UVW三相功率管驱动电路开关编码逻辑，通过查表得到当前三相驱动桥功率管的开关控制状态，然后将功率管开关逻辑数值送至驱动电路控制三相桥的电流方向来实现电机的换相控制。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.无刷直流电机控制装置，其特征在于，包括：ECU控制器、直流无刷电机，所述ECU控制器连接直流无刷电机。
2.根据权利要求1所述的无刷直流电机控制装置，其特征在于，还包括直流稳压电源，直流稳压电源分别连接ECU控制器、直流无刷电机。
3.根据权利要求2所述的无刷直流电机控制装置，其特征在于，所述ECU控制器包括直流母线、三相驱动桥、功率管驱动模块、位置与电流反馈电路模块、微处理器，微处理器分别连接功率管驱动模块、位置与电流反馈电路模块，功率管驱动模块连接，直流稳压电源连接直流母线，直流母线连接三相驱动功率电桥三相驱动桥连接直流无刷电机。
4.根据权利要求3所述的无刷直流电机控制装置，其特征在于，所述ECU控制器包括支撑电容，支撑电容并联在直流母线上。
5.根据权利要求4所述的无刷直流电机控制装置，其特征在于，所述三相驱动桥由三对相同的高频功率开关管组成，输入为直流母线直流电压，输出为UVW三相，直接接入直流无刷电机的三相线圈。
6.根据权利要求5所述的无刷直流电机控制装置，其特征在于，ECU控制器设置在ECU控制器PCB板上，直流无刷电机与三相驱动桥同直流母线、功率驱动模块、直流无刷电机均直接在电路板上实现连接。
7.根据权利要求6所述的无刷直流电机控制装置，其特征在于，微处理器与功率驱动模块、位置与电流反馈电路之间均各自在ECU电路板上实现连接。
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