一种数字化智能电机驱动器及驱动方法与流程

本发明涉及电机控制技术领域，涉及一种数字化智能电机驱动器及驱动方法，具体来说，主要涉及一种基于sicmosfet的三相全桥数字化智能驱动器及其驱动方法。

背景技术：

永磁无刷直流电机以其具有体积小、效率高、功率密度大、结构可靠、易用控制等诸多优点广泛应用于以无人机、航天器为代表的飞行器舵控系统中。目前，舵控系统主要采用舵机控制器+舵机执行机构的分体式设计方案。其中舵机控制器一般由信息处理电路和功率驱动电路及机构件构成，主要完成数字信号处理、算法解算及功率信号驱动放大等功能。舵机执行机构一般由电机、减速传动机构和反馈装置构成，用于最终执行舵控指令，输出所需的力矩、舵偏速度，并使舵面偏转至指定舵偏位置。根据舵机电气参数的不同，舵机控制器的输出电压变化范围很宽，从6v到400v以上均有应用。

随着无人机和多电飞机的发展，更高的功率和效率成了机载电机驱动器的主要研究方向之一。现有的simosfet开关速度虽快，但耐压和耐流能力有限，无法实现大功率输出，而igbt由于存在关断拖尾电流，开关速度较慢，开关损耗较大。sicmosfet的高耐压、高开关速度能有效提升电机驱动器的功率和效率，但更高的开关速度和更大的功率对驱动器的快速响应能力和故障快速保护能力提出了更高的要求。

此外，舵机控制器内部兼具功率驱动电路和信息处理电路，sicmosfet功率驱动电路高速开关带来的电磁干扰问题会影响信息处理电路部分工作，有甚者会影响到上级系统工作。这对舵机控制器信息处理电路及上级系统抗干扰设计提出了较高要求。如何突破舵机控制器设计瓶颈，解决sicmosfet驱动设计难题，提高舵系统可靠性和抗干扰性能成为业内探索的一个热门方向。

随着电子技术的发展，数字信号处理电路数字化、智能化、集成化设计以成为一种发展趋势，也为解决上述难题提供了一个新思路。

通过将si基功率器件替换为sicmosfet，可以有效提高功率电路的电压、电流等级，同时其较高的开关速度也能降低开关损耗，提高驱动器动态控制性能。然而，由于sicmosfet的高速开关行为，会给驱动电路引入桥臂串扰和高频电磁干扰，且开关频率提升后，死区时间占整个周期的比例变大，会增加电机的电压电流波形畸变，影响电机性能，同时高速开关要求控制电路有更高的动态响应能力，因此电机驱动器需要针对sicmosfet的特点进行优化。而数字化、智能化的设计思路可以有效解决sicmosfet带来的问题，实现整个电机驱动器系统的优化设计。

在这一设计中，功率驱动单元的优化设计是重要一环，如何实现功率驱动单元与数字信息处理单元的数据交互，如何在信息处理平台与功率驱动单元相距5～10米的远距离条件下实现两者长距传输通讯抗干扰，如何在不同负载条件下对驱动参数进行实时的自适应优化，如何在故障后尽快且尽量安全的对功率电路进行保护是重要的研究内容。

技术实现要素：

本发明的目的是针对基于sicmosfet的三相全桥电机驱动器应用场景，提供一种数字化智能电机驱动器及驱动方法，为解决sicmosfet智能驱动问题、数字电路与功率驱动电路数据交互抗干扰问题、桥臂串扰问题、死区时间自适应优化问题、功率驱动器过流过压保护问题、电机霍尔及位置传感器供电问题等提供一种行之有效的解决方案。

该电机驱动器具有磁耦隔离、二次电源变换、霍尔换相控制、过压泄放抑制、过流限流保护、短路软关断保护、死区时间自适应优化、驱动参数智能调节、温度采样、电流采样等功能，能够根据数字信息处理平台传来的差分式pwm信号及方向信号，实现一路舵机的驱动控制，能够对舵机运行过程中反电动势造成的过压浪涌进行泄放抑制，能够对舵机工作电流进行限流，能够在短路故障时及时安全的关断功率电路，能够根据功率回路电流大小自适应调节死区时间，能够根据负载条件自动调节驱动参数，能够通过差分总线实时反馈舵机驱动器内部温度、电流，能够对can接口反馈位置传感器和电机霍尔进行供电，并完成反馈位置传感器与信息处理平台信息交互的中转。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案。第一方面，本发明提供一种基于sicmosfet的三相全桥数字化智能电机驱动器，所述三相电机驱动器主要由功率板、调理板及结构体构成，无内置软件。包括功率板、调理板及结构体构成；所述功率板采用铝基电路板，用于实现电能转换、功率驱动、能量泄放及电流采样功能，利用铝基电路板散热良好的优势，将铝基电路板与散热结构体固联，实现功率驱动器的良好散热；所述调理板用于实现接口信号处理、数字信号转换、状态监控、故障保护功能；所述结构体主要用于固联功率板和调理板，并为功率器件提供良好的散热载体。

进一步，所述功率板采用铝基电路板，主要用于实现电能转换、功率驱动、能量泄放及电流采样等功能，包含防倒灌电路、泄放电路、功率驱动电路、功率桥式电路、过流保护电路、电流隔离采样电路部分，利用铝基电路板散热良好的优势，将铝基电路板与散热结构体固联，实现功率驱动器的良好散热。所述调理板采用fr4环氧树脂板，用于实现接口信号处理、数字信号转换、状态监控、故障保护等功能，主要包含信号处理电路、差分接口电路、磁隔离接口电路、隔离电源变换电路、二次电源变换电路、霍尔接口电路、霍尔换相逻辑变换电路、电流采样转换电路、温度采样电路。所述结构体主要用于固联功率板和调理板，并为功率器件提供良好的散热载体。

所述防倒灌电路，针对功率电路和控制电路单独设计，功率电路部分选用1200v耐压，120a额定过电流能力的功率二极管，串入功率驱动器电源正线中，用于防止电机制动时功率母线vp的电流倒流至供电电源输入端；控制电路部分选用耐压250v，额定过电流能力6a的功率二极管，串入功率驱动器电源正线中用于防止控制母线vk的电流倒流至供电输入端；

所述泄放电路，采用pmos作为功率控制器件，采用功率电阻作为耗散负载，当防倒灌功率二极管后级电压大于二极管前级电压3v以上时，pmos器件导通，功率母线vp上的电流经电阻进行泄放，从而避免母线电压进一步上升，其中泄放电阻采用外置方式。

所述功率驱动电路，采用bm6104-fv作为驱动芯片，该芯片根据霍尔换相逻辑电路计算输出的pwm信号，将控制信号放大，输出用于三相桥式电路门极驱动信号。bm6104-fv内部集成了短路保护功能及有源篏位输出功能。短路保护功能可以检测sicmosfet漏源电流大小，在过流时会通过大电阻回路proout进行软关断，在缓冲时间内若电流恢复正常，则后续驱动芯片会恢复正常工作，若缓冲时间过后仍检测到过电流，则判定为短路，进行强制关断。软关断电路一方面可以及时限制过流，另一方面也留出缓冲，避免瞬间关断过电流功率回路导致瞬态电流变化率过高产生的极限尖峰电压将功率器件甚至整个驱动器击穿。有源篏位输出功能可以在驱动电路的正常工作中依时序在功率器件关断后将有源米勒篏位mosfet打开，通过米勒电容吸收高频开关及桥臂串扰对驱动回路产生的干扰电压，同时在功率器件开通前将有源米勒篏位mosfet关断，切断米勒电容与栅源极的连接，避免影响sicmosfet的高速开关。

所述三相功率桥式电路，由3个耐压不小于1200v，过电流能力不小于400a的sicmosfet半桥功率模块通过桥式连接方式构成，桥式电路母线上并联容值不小于100uf，耐压不小于1200v的无极性电容器。

所述过流保护电路，利用sicmosfet的输出特性，结合功率驱动芯片bm6104-fv内置的去饱和检测电路，通过调节分压电阻的值来确定过流电流对应的漏源电压，由于去饱和电压与功率电流存在对应关系，因此可以通过sicmosfet的负载特性确定限流电流的大小，例案中的设计值为120a。

所述电流隔离采样电路，采用acs712隔离电流采样芯片，对电源输入的电流进行采样，并经过pwm调制电路，调制成pwm波，经差分接口电路输出，用于数字处理平台对电流进行实时监控。

所述信号处理电路主控芯片采用dsp控制，接收差分电路发出的pwm形式的电流采样信号和温度采样信号以及指令信号，通过运算得出相应的pwm控制信号及f/r方向信号给驱动电路。由于sicmosfet的开关特性与负载电流大小存在较大的关系，因此在不同的电流下开关时间会出现较大的变化，若采用一般的固定死区占比的驱动方式，则需要根据最大的开关时间来设计死区时间，当负载电流变化时，这一死区时间在高开关频率下的占比过大，会影响电机驱动器电流的谐波大小，影响电机工作性能。因此基于sicmosfet特性的自适应死区时间驱动技术与一般驱动方式的区别在于，采用创新的死区时间自适应控制方式，通过将死区时间与采样电流建立联系，根据负载动态控制死区时间大小，最大化利用sicmosfet高开关速度的优势并减小其对电机性能的影响。

所述差分接口电路采用am26ls31和am26ls32作为差分接口芯片，该器件兼容rs422接口电平形式，其中am26ls31用于发送pwm形式电流采样信号和pwm形式温度采样信息，将ttl电平信号转换成rs422a差分信号。am26ls32用于接收差分舵机控制pwm信号和fr方向控制信号，将rs422a差分信号转换成ttl信号。

所述磁隔离转换电路，采用adum1401器件，该器件具有三路接收和1路发送通道，能够接收差分接口电路传来的舵控pwm信号和fr方向信号。

所述隔离电源变换电路用于将二次电源变换电路变换出来的12v电压信号转换成5v隔离电压信号用于为磁隔离转换电路、差分接口电路及反馈位置传感器供电。

所述二次电源变换电路用于将功率母线电压转换成12v控制电源，具备不小于5w的功率输出能力，为功率驱动器及霍尔传感器供电，并通过ldo转换出非隔离5v信号用于磁隔离芯片功率端供电。

所述霍尔接口电路用于接收电机霍尔信号，采用rc滤波电路进行滤波，并使用齐纳二极管对端口进行保护，霍尔接口电路输入端上拉10k欧姆电阻至霍尔电源。

所述霍尔换相逻辑变换电路，根据将霍尔信号、pwm信号及方向信号，进行逻辑运算，按照受限单极性驱动方式输出6路pwm控制信号。

所述电流采样转换电路，将电流采样电路输出的电压信号转换成2khz的pwm波，并输出给差分接口电路。

所述温度采样电路，采用pwm接口形式温度传感器，该传感器采用隔离5v供电，温度采样范围-55℃～150℃。pwm输出的温度信号经差分转换后输出。

第二方面，本发明提供一种基于sicmosfet的数字化智能三相全桥电机驱动器驱动方法，所述驱动方法主要是根据位置传感器位置反馈信号、温度反馈信号、电流采样信号，按照一定的逻辑顺序输出方向信号以及pwm驱动信号，具体步骤如下：

步骤一,输入电源上电后，信息处理平台读取舵反馈位置信号，上电50ms内，pwm驱动信号需保持为低电平。50ms后，可以根据舵控需求输出pwm信号。

步骤二，若舵机需要正向旋转，则fr信号输出高电平；若舵机需要负向旋转，则fr信号输出低电平。舵机输出占空比由pwm信号占空比决定，pwm信号载波周期可以通过信息处理平台进行配置其可配置区间为(2k～20khz)，占空比范围为(0～100％)。在舵机控制过程中，信息处理平台实时判读舵反馈位置信息、过流保护信号、温度信号及电流采样信号，通过这些信号进行舵机工作状态诊断，实时调节pwm信号的占空比及死区时间，并输出相应的舵控pwm信号和方向信号。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见的得到的技术方案的简单变化或等效替换均属于本发明保护范围以内。

与现有技术相比，本发明有以下优点：

1)该电机驱动器接收rs422差分形式舵控pwm指令和方向信号，并实时通过rs422接口电平输出pwm形式的电流信号和温度采样信号，上述信号均通过磁隔离技术与一次电源进行了隔离，并对接口进行了抗干扰设计，传输距离可以达到10米，具有较好的抗干扰性能；

2)该电机驱动器针对无人机、航天器等飞行器平台应用场合设计，具备电机功率驱动功能，同时具备过压、过流、欠压保护和防倒灌功能，以及在18～400v电压范围内40a额定电流功率驱动能力，瞬态耐压不小于1200v，瞬态电流能力不小于120a，具有温度和过流状态遥测输出接口，工作电压范围宽，过电流能力强，集成度高，性能优良。

3)该电机驱动器针对sicmosfet的输出特性及开关特性设计，具备死区时间自适应调节功能，智能驱动及软关断功能，有源篏位抗串扰功能，能够保证sicmosfet高功率、高频性能的有效实现。

4)该电机驱动器能够为位置传感器供电、霍尔传感器供电，实现了对电机电气接口和位置传感器电气接口的信号整合，接口形式简单，拓扑连接得到简化。

附图说明

以下将结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例基于sicmosfet的三相全桥数字化智能驱动器结构及接口布局图。

图2是本发明实施例基于sicmosfet的三相全桥数字化智能驱动器功能框图。

图3是本发明实施例隔离差分转换、温度和电流采样以及电源变换电路原理框图。

图4是本发明实施例泄放电路原理图。

图5是本发明实施例过流采样及保护电路原理图。

图6是本发明实施例有源篏位抗串扰电路原理图。

图7是本发明实施例功率桥式电路框图。

图8是基于sicmosfet的三相全桥数字化智能电机驱动器图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施方案进行说明：

参考图1，基于sicmosfet的三相全桥数字化智能驱动器结构及接口布局图，电机驱动器由功率板和调理板两块电路板和壳体构成，其中功率板采用铝基板，背面与散热结构体固联，具有安装孔可以与舵机结构体进行机械装配。调理板采用fr4环氧树脂板，与功率板通过板间连接器实现信号互联。驱动器共有供电口、通讯口、舵机接口3个对外接口分别置于驱动器两侧，其中供电口与通讯口分离，避免供电口对通讯接口的电磁干扰；舵机接口采用甩出外接电缆接口形式，与电机、反馈位置传感器及泄放电阻连接，其中位置传感器信号线采用屏蔽线缆包覆形式，避免功率信号带来的电磁干扰。该驱动器结构形式简单，对外接口简单，适用于无人机载、航天器等应用场景。

参考图2，基于sicmosfet的三相全桥数字化智能驱动器功能框图，数字化智能驱动器采用基于差分电平接口的通讯接口设计方案，具有防倒灌、电机驱动、能量泄放电路，霍尔换相、过流保护、温度采集、电流采集、二次电源变换、霍尔及位置传感器供电、磁耦隔离等综合功能，能够完成对一路舵机的驱动控制。信息处理平台采集驱动器输出的位置传感器信号、温度信号和电流信号，根据控制算法输出舵机pwm信号及方向信号，驱动舵机运动；过程中驱动器会实时监控电流和温度情况，在负载电流大于驱动器限流值时，过流保护电路会工作，使得驱动器工作能够安全运行在最大限流输出模式下。工作工程中，对于电机换相、舵机制动带来的母线电压波动，泄放电路会根据实时判读母线电压波动情况，通过泄放电阻，控制母线电压维持在安全工作电压范围内。本发明中将针对驱动器几个重点电路组成部分进一步说明。

参考图3，隔离差分转换、温度和电流采样以及电源变换电路原理框图，数字化智能驱动器采用磁隔离差分接口设计方案，二次电源变换电路将电源输入转换成12v控制电源，由磁隔离转换芯片dcr021205u和ldo转换成隔离5v和非隔离5v电源。其中隔离5v电源为隔离转换电路和位置传感器供电，非隔离5v为磁隔离芯片功率端供电。温度采样芯片选用pwm接口形式传感器，采用隔离5v供电，测温范围-55℃～150℃。电流采样芯片选用acs712系列磁隔离采样芯片，采用隔离5v供电，并通过pwm转换芯片转换成pwm接口形式。针对驱动器的两路输入信号(舵控pwm、舵控fr信号)和两路输出信号(温度tmp、电流i)采用差分接收和发送芯片完成rs422电平与ttl电平之间的转换。并在输入端口端接120ω匹配电阻，在所有差分接口并联双向防静电二极管进行保护。对于位置传感器，其can总线信号由位置传感器输出，驱动器只进行转接过路，并在其端口并联防静电二极管进行接口保护，驱动器采用隔离5v直接为位置传感器供电，解决了采用信息处理平台长距离供电时，线路压降导致传感器供电电压偏低的问题。驱动器与信息处理平台采用差分总线通信方式，传输距离可以达到10米，抗干扰性能好，信号传输质量较高，有利于提高系统可靠性和稳定性。

参考图4，泄放电路原理图，数字化智能驱动器泄放电路以规格为1200v/10a的pmos器件作为开关器件，该电路以防倒灌二极管前后的电压作为判读门限，当功率母线电压高压前级电压3v以上时，泄放电路开始工作。此外功率母线并联1200v瞬态抑制二极管，当母线瞬时电压高于1200v时，瞬态抑制二极管工作，将瞬态电压吸收，从而对功率桥电路进行保护。

参考图5，过流采样及保护电路原理图，数字化智能驱动器过流检测电路通过去饱和检测方式检测过电流，由于输出特性中负载电流对应漏源电压，因此可以通过检测漏源电压值来间接测量电流值，驱动芯片内置的scp电路检测到过流后，会通过proout引脚进行软关断，由于proout引脚串联的关断电阻阻值较大，因此过流时的软关断过程比正常关断慢，避免因关断过快导致功率回路中电流迅速变化，在功率回路的寄生电感上产生巨大的感应电压导致功率器件或驱动器击穿，同时驱动芯片内置有缓冲时间，当过电流时间超出缓冲时间时，也会直接切换到硬关断，避免长时间大电流烧毁功率器件或驱动器。

参考图6，有源篏位抗串扰的电路原理图，数字化智能驱动器由于采用了sicmosfet器件作为功率器件，其极短的开关时间导致开关过程中功率回路电流迅速变化，会在功率回路的寄生电感上产生感应电动势，这一电动势通过sicmosfet的栅极电容传递，会影响sicmosfet的栅源极电压，导致误开通和误关断，严重者甚至导致桥臂直通。因此需要采用有源篏位电路来抑制由于sicmosfet高速开关引起的桥臂串扰问题，数字化智能驱动器采用的驱动芯片内置有源篏位驱动功能，能根据桥臂开关时序自动驱动有源米勒篏位电路的辅助mosfet开关，通过在功率开关关断过程中在栅源极间并入米勒电容来抑制串扰电压，保护驱动电路不受干扰。

参考图7，功率桥式电路框图，数字化智能驱动器通过三相桥式电路实现最终能量转换。

参考表1，表1是本发明实施例霍尔换相解算及保护输出逻辑表。

霍尔换相解算及输出逻辑表，数字化智能驱动器的功率驱动的核心，由霍尔换相解算及输出电路实现，该电路部分采用基于门电路的硬件逻辑设计方案，根据逻辑表中所述逻辑关系，输出舵机驱动的pwm信号，实现对舵机的驱动控制。该逻辑表基于受限单极性无刷电机驱动、上桥pwm调制方式，两两导通逻辑。

图8是基于sicmosfet的三相全桥数字化智能电机驱动器图。