[發(fā)明專利]一種直流無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)波形設(shè)計(jì)系統(tǒng)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201911290035.2
• 申請(qǐng)日: 2019-12-16
• 公開（公告）號(hào): CN110971157A
• 公開（公告）日: 2020-04-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張?jiān)?/a>;咸宏偉;宮迎嬌;賈海生;丁明超;楊賀;葛志鵬;李澤新;胡寧
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H02P6/28
• 分類號(hào): H02P6/28
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 關(guān)慧貞

1.一種直流無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)波形設(shè)計(jì)系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)以微控制器為核心，由電源管理模塊，隔離模塊，數(shù)模轉(zhuǎn)換控制模塊，運(yùn)算放大模塊，三相六橋驅(qū)動(dòng)模塊，電流檢測(cè)模塊組成；電源管理模塊的數(shù)字輸出端與微控制器和隔離模塊相連，模擬輸出端分別與隔離模塊，數(shù)模轉(zhuǎn)換控制模塊，運(yùn)算放大模塊，三相六橋驅(qū)動(dòng)模塊，電流檢測(cè)模塊相連；微控制器的輸出端與隔離模塊的輸入端相連，輸入端與隔離模塊的輸出端相連；隔離模塊的輸出端與數(shù)模轉(zhuǎn)換控制模塊的輸入端相連；數(shù)模轉(zhuǎn)換控制模塊的輸出端與運(yùn)算放大模塊的輸入端相連；運(yùn)算放大模塊的輸出端與三相六橋驅(qū)動(dòng)模塊的輸入端相連；電流檢測(cè)模塊輸出端與隔離模塊的輸入端相連；

所述的電源管理模塊用于將單一開關(guān)電源+24V通過隔離電源DC-DC產(chǎn)生數(shù)字電源部分和模擬電源部分，分別為主控部分和模擬驅(qū)動(dòng)部分供電；數(shù)字電源部分進(jìn)一步降壓為微控制器+3.3V供電與隔離模塊+5V供電，模擬電源部分進(jìn)一步降壓為DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片+5V供電，運(yùn)算放大器+15V供電，半橋驅(qū)動(dòng)芯片+15V供電，電流檢測(cè)芯片+5V供電；

微控制器為系統(tǒng)核心，其片內(nèi)具有定時(shí)器模塊，中斷響應(yīng)模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊；首先使用其中通用定時(shí)器產(chǎn)生三路頻率為F的上橋臂方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)，對(duì)于無刷直流電機(jī)，其理論轉(zhuǎn)速n與極對(duì)數(shù)P，每秒換向頻率f的關(guān)系為：

而由于無刷直流電機(jī)采用三相霍爾位置反饋，所以上橋臂方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率F與其轉(zhuǎn)速n的關(guān)系為：

微控制器根據(jù)外部中斷反饋的三相霍爾信號(hào)HA,HB,HC判斷當(dāng)前轉(zhuǎn)子的位置，同時(shí)需要根據(jù)這三相霍爾信號(hào)產(chǎn)生三路上橋臂調(diào)制信號(hào)和下橋臂方波控制信號(hào)，其頻率F由上述公式(1)和(2)得到；由于三相霍爾信號(hào)HA,HB,HC相互之間的相位差為120°，可根據(jù)這三相霍爾信號(hào)產(chǎn)生三路相位差為120°的上橋臂調(diào)制信號(hào)和下橋臂方波控制信號(hào)。并且微控制器通過片內(nèi)數(shù)模轉(zhuǎn)換控制器結(jié)合外圍電流檢測(cè)模塊，來采集當(dāng)前實(shí)時(shí)速度和實(shí)時(shí)電流，以監(jiān)控電機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。

所述的隔離模塊采用多通道高速磁耦隔離，既保證了高頻信號(hào)在隔離時(shí)不會(huì)產(chǎn)生失真，又實(shí)現(xiàn)了控制器信號(hào)與驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換。用于將微制；用于將微控制器的信號(hào)源與模擬驅(qū)動(dòng)信號(hào)源進(jìn)行隔離，以保證微控制器不受前級(jí)模擬驅(qū)動(dòng)部分的干擾；隔離模塊包括輸出隔離部分和輸入隔離部分，輸出隔離部分既包括三路上橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和調(diào)制信號(hào)，也包括三路下橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；輸入隔離部分既包括三路相位差為120°的霍爾電平信號(hào)，也包括電流采集模塊轉(zhuǎn)化后的電壓信號(hào)；

所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換控制模塊用于根據(jù)微控制器產(chǎn)生的三路具有120°相位差的上橋臂調(diào)制信號(hào)對(duì)原本的三路上橋臂載波控制信號(hào)分別進(jìn)行調(diào)制，采用的調(diào)制方法為幅值調(diào)制，最終生成三路具有120°相位差的上橋臂調(diào)制波信號(hào)；為得到信號(hào)相乘后的波形，選擇數(shù)模轉(zhuǎn)換控制器，并控制其參考電壓V_REF以上橋臂載波控制信號(hào)的頻率F來改變；由于數(shù)模轉(zhuǎn)換控制器最終輸出為電流信號(hào)，因此需要結(jié)合運(yùn)算放大器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；結(jié)合其數(shù)據(jù)手冊(cè)，得到轉(zhuǎn)換電壓值Vout和輸入數(shù)字量D的關(guān)系為：

其中n為數(shù)模轉(zhuǎn)換控制器的轉(zhuǎn)換精度，D的大小由其數(shù)字輸入端接口電平來決定；

所述的運(yùn)算放大模塊有兩個(gè)部分組成，一個(gè)部分為同相放大器，另一個(gè)部分為電壓跟隨器，其用于將三路具有120°相位差的上橋臂調(diào)制波信號(hào)和下橋臂控制信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步放大，得到三路具有120°相位差的上橋臂與下橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)后級(jí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)與前級(jí)控制信號(hào)之間的隔離；

所述的電流檢測(cè)模塊，該模塊通過將采樣電路采集到的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)過放大與模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳回微控制器處理；電流檢測(cè)模塊包括采樣電路，電壓基準(zhǔn)源電路，差分放大電路，電壓比較電路，AD模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；

所述的三相六橋驅(qū)動(dòng)模塊用于根據(jù)運(yùn)算放大后的三路具有120°相位差的上橋臂與下橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)來進(jìn)行功率放大，最終產(chǎn)生三相驅(qū)動(dòng)波形，實(shí)現(xiàn)對(duì)無刷電機(jī)的換向與轉(zhuǎn)速控制；該模塊還包括半橋驅(qū)動(dòng)波形控制模塊和功率放大模塊；半橋驅(qū)動(dòng)波形控制模塊包括快恢復(fù)二極管，泄流電阻和自舉電容；快恢復(fù)二極管既用于當(dāng)上橋臂場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)斷時(shí)為自舉電容充電提供正向電流通道，又用于當(dāng)上橋臂場(chǎng)效應(yīng)管開通時(shí)，阻止電流反向流入控制端電壓；泄流電阻既用于使上橋臂能夠快速關(guān)斷，減少開關(guān)損耗，縮短場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)斷時(shí)的不穩(wěn)定過程，又用于避免上橋臂快速開通時(shí)上橋臂的柵極電壓耦合上升而導(dǎo)致上下橋臂穿通的現(xiàn)象；自舉電容，其參數(shù)直接影響著最后輸出的驅(qū)動(dòng)波形的穩(wěn)定性，其最小容量C由以下公式得出：

其中，Q_G為上橋臂場(chǎng)效應(yīng)管的柵極電荷，I_QBS為上橋臂驅(qū)動(dòng)電路的靜態(tài)電流，Q_LS為驅(qū)動(dòng)IC中電平轉(zhuǎn)換電路的電荷要求，I_CBS為自舉電容的漏電流，V_CC為負(fù)載上下橋壓降，V_F為快恢復(fù)二極管正向壓降，V_LS為下橋臂器件壓降或上橋臂負(fù)載壓降，f為工作頻率。