无刷马达驱动板PCB布局结构、无刷马达驱动板和无刷马达的制作方法

本发明涉及无刷马达技术领域，特别涉及一种无刷马达驱动板pcb布局结构、无刷马达驱动板和无刷马达。

背景技术：

现有无刷马达结构技术中，作为马达的驱动板，因尺寸问题，会被置于马达外部，且由于马达功率大电流大，电子元件的排布造成驱动板尺寸会远大于马达外径。现有无刷马达结构存在以下缺点：马达驱动板电子元件排布不合理，外形尺寸大，造成马达驱动需单独置于马达外部，占用产品其他部件例如吸尘器地刷机构的空间。

技术实现要素：

本发明的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种无刷马达驱动板pcb布局结构，该pcb布局结构中电子元件排布紧凑合理，有利于减小驱动板尺寸。

本发明的第二目的在于提供一种无刷马达驱动板，该驱动板尺寸小，有利于提高产品整体性。

本发明的第三目的在于提供一种无刷马达，其驱动板可内置于马达中，解决了现有无刷马达的驱动板尺寸大占空间的问题。

本发明的第一目的通过下述技术方案实现：一种无刷马达驱动板pcb布局结构，包括pcb板，安装在pcb板上的控制器防浪涌模块、逆变模块、mcu控制模块、控制器状态存储模块及马达温升检测模块；所述pcb板为双面板，控制器防浪涌模块布设在pcb板的左前方，其中，控制器防浪涌模块的第一mos芯片布设在pcb板的顶面；逆变模块相邻于控制器防浪涌模块，且逆变模块的第二mos芯片布设在pcb板的底面；mcu控制模块布设在控制器防浪涌模块和逆变模块的后方，且其mcu布设在pcb板的顶面；控制器状态存储模块布设在mcu控制模块的右侧，并且其存储器芯片布设在pcb板的底面；马达温升检测模块布设在pcb板的底面且相邻于存储器芯片。

优选的，mcu控制模块采用焊盘形式与控制器防浪涌模块、逆变模块、控制器状态存储模块、马达温升检测模块电连接，且还通过焊盘接入外部电源。

优选的，控制器防浪涌模块包括第一mos芯片v4、第一电阻r38、第二电阻r40、第三电阻r16、第一电容c1和保险管f1，第一mos芯片的栅极通过第一电阻接地和连接至第一焊盘，通过第二电阻连接至mcu，源极接地，漏极连接第一电容c1的一端，第一电容c1的一端还与第三电阻相连接，第一电容c1的另一端通过保险管f1连接至第二焊盘；

其中，保险管f1布设在pcb板的底面，第一mos芯片v4、第一电阻r38、第二电阻r40、第三电阻r16、第一电容c1、第一焊盘和第二焊盘均布设在pcb板的顶面，并且，第一mos芯片v4、第一电阻r38、第二电阻r40和第三电阻r16均布设在第一电容c1的同一侧，第三电阻r16布设在第一mos芯片v4的前方，第一电阻r38和第二电阻r40分别布设在第一mos芯片v4的后方，第一焊盘和第二焊盘布设在第一mos芯片v4、第一电阻r38、第二电阻r40、第三电阻r16、第一电容c1这些元件的周围，并且位于pcb板顶面的边缘，第一焊盘用于连接外部电源负极，第二焊盘用于连接外部电源正极。

更进一步的，逆变模块由3个并联且相同的逆变电路、第二电容c2、第八电阻r7、第三电容c4和电流采样电阻r15组成，每个逆变电路包括一个第二mos芯片、第四电阻、第五电阻、第六电阻第七电阻和第四电容，每个第二mos芯片具有2个场效应管，两个场效应管的栅极分别通过第四电阻和第五电阻连接至mcu的三相电压输出接口，同时分别通过第六电阻和第七电阻连接对应场效应管的源极，其中一个场效应管的源极和漏极均直接连接至外部电源，同时漏极还连接第一电容c1、外部电源和通过第二电容c2接地，并且3个第二mos芯片中的该场效应管的漏极连接在一起；另一个场效应管的源极通过电流采样电阻r15接地，以及通过第八电阻r7连接至mcu和第三电容c4，第三电容c4再接地，其漏极连接至第三焊盘，以及通过第四电容接地，通过第四电容连接第八电阻r7和连接mcu，并且3个第二mos芯片中的该场效应管的漏极通过第四电容连接在一起，3个第二mos芯片中的该场效应管的源极也连接在一起；

其中，第二电容c2、第八电阻r7、第三电容c4均布设在pcb板的顶面，且第二电容相邻于第一电容c1，第八电阻r7、第三电容c4位于第一电容c1和mcu之间的空余区域；3个逆变电路的第三焊盘均布设在第一电容c1和第二电容前方，且3个第三焊盘分别用于电连接无刷马达三相绕组的对应相绕组；3个第二mos芯片并排设置于pcb板的底面，并位于保险管f1的左侧，3个第二mos芯片的第四电容和电流采样电阻r15均布设在底面，且第四电容位于对应的第二mos芯片的周围，电流采样电阻r15位于其中一个第二mos芯片的周围；3个第二mos芯片的第四电阻、第五电阻、第六电阻和第七电阻中，部分电阻布设在顶面且位于第一电容c1和mcu之间的空余区域，剩余电阻布设在底面且位于对应的第二mos芯片周围。

更进一步的，mcu控制模块包括mcu、电感l1、二极管d1、第五电容c3、第六电容c6、第七电容c7、第八电容c13和第十四电阻r35，mcu的用于连接外部电源的接口连接外部电源，该接口还通过第五电容c3接地；mcu的电源接口输出3.3v电压，该电源接口还通过第六电容c6接地；mcu的另外两个接口中，其中一个接口连接二极管d1的负极和通过电感l1输入3.3v电压，电感l1还通过第七电容c7和第八电容c13接地，二极管d1的正极接地；另一个接口通过第十四电阻r35连接逆变模块的第八电阻r7、第三电容c4；

其中，第六电容c6、mcu、电感l1、二极管d1、第八电容c13和第十四电阻r35布设在pcb板的顶面，并且第六电容c6位于mcu左侧，电感l1、二极管d1、第八电容c13位于mcu后方，第十四电阻r35位于mcu右侧，第五电容c3和第七电容c7均布设在pcb板的底面并位于第二mos芯片后方的空余区域；pcb板的顶面上还设置有连接mcu的第四焊盘和第五焊盘，第四焊盘位于mcu左侧的pcb板边缘，用于连接外部的烧录器；第五焊盘位于mcu右侧的pcb板边缘，其作为接地焊盘。

更进一步的，控制器状态存储模块包括存储器芯片u6、第九电阻r28、第十电阻r36、第十一电阻r37和第九电容c23，存储器芯片的输入输出接口通过第九电阻r28输入3.3v电压，通过第十一电阻r37连接第六焊盘，第十一电阻r37还通过第十电阻r36连接mcu，通过串联的第十电阻r36和第九电容c23接地；

其中，存储器芯片u6、第九电阻r28、第十电阻r36、第十一电阻r37和第九电容c23均布设在pcb板的底面，并且位于第二mos芯片后方的空余区域，第六焊盘布设在pcb板的顶面且位于mcu右侧的pcb板边缘。

更进一步的，马达温升检测模块包括第十二电阻r31、第十三电阻r29和第十电容c24，第十三电阻r29连接mcu和第十电容c24，以及通过第十二电阻r31输入3.3v电压，第十电容c24一端连接mcu，另一端接地；

其中，第十二电阻r31、第十三电阻r29和第十电容c24均设置在pcb板底面且相邻于存储器芯片u6；pcb板的顶面上还布设有用于外接ntc的第七焊盘，第七焊盘设置在mcu右侧的pcb板边缘，并相邻于第十二电阻r31、第十三电阻r29和第十电容c24，第十二电阻r31和第十三电阻r29均连接至第七焊盘。

本发明的第二目的通过下述技术方案实现：一种无刷马达驱动板，所述无刷马达驱动板具有本发明第一目的所述的无刷马达驱动板pcb布局结构。

本发明的第三目的通过下述技术方案实现：一种无刷马达，所述无刷马达内置有无刷马达驱动板，所述驱动板具有本发明第一目的所述的无刷马达驱动板pcb布局结构。

优选的，所述无刷马达还包括电机主体、电路板、电机底座、第一线缆、第二线缆和ntc，电机底座的顶面设有中心柱，电机主体和电路板套设于中心柱外，电路板位于电机主体和电机底座的顶面之间，并且电机主体的三相绕组与电路板电连接；电机底座的背面设有卡固件，驱动板通过卡固件安装至电机底座的底面，驱动板连接ntc，且通过3根第一线缆电连接电路板，进而电连接电机主体的三相绕组，以及通过2根第二线缆连接外部电源。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本发明无刷马达驱动板pcb布局结构中，pcb板采用双面板，选择性地将控制器防浪涌模块、逆变模块、mcu控制模块、控制器状态存储模块及马达温升检测模块中的电子元件设置在pcb板的顶面或底面，从而使得电子元件排布紧凑合理，有利于减小驱动板尺寸，达到侦测马达温升、快速驱动无霍尔无刷马达要求。

(2)本发明无刷马达驱动板尺寸小，可内置于无刷马达中，因此解决了现有无刷马达的驱动板尺寸大占空间的问题，有利于提高产品整体性。

(3)本发明无刷马达中，电机主体的三相绕组与电路板安装在电机底座的顶面，驱动板安装在在电机底座的底面，电机主体的三相绕组与电路板电连接，电路板再通过3根第一线缆电连接驱动板，驱动板通过2根第二线缆连接外部电源。本发明无刷马达结构简单合理，安装方便，连接牢固紧凑，可以节省无刷马达结构空间，且通过此种布线方式，可以避免漆包线穿过电机底座而造成短路隐患，减少了短路风险。

附图说明

图1是本发明无刷马达驱动板pcb布局结构的示意图。

图2是图1驱动板的顶层丝印层电子元件示意图。

图3是图1驱动板的底层丝印层电子元件示意图。

图4是控制器防浪涌模块的电路图。

图5是逆变模块的电路图。

图6是马达温升检测模块的电路图。

图7是mcu控制模块的电路图。

图8是控制器状态存储模块的电路图。

图9是内置有图1驱动板的无刷马达的分解示意图。

图10是图9无刷马达的剖视图。

其中，pcb板100，控制器防浪涌模块200，逆变模块300，mcu控制模块400，控制器状态存储模块500，马达温升检测模块600，无刷马达驱动板1，电机主体2，电路板3，电机底座4，锁紧螺栓5，第一线缆6，第二线缆7，ntc8，让位缺口1-1，三相绕组2-1，第一通孔3-1，中心柱4-1，卡固件4-2，穿线孔4-3，第二通孔4-4。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例公开了一种无刷马达驱动板pcb布局结构，如图1和图9所示，所述无刷马达驱动板1包括pcb板100，安装在pcb板上的控制器防浪涌模块200、逆变模块300、mcu控制模块400、控制器状态存储模块500及马达温升检测模块600。

如图1所示为各模块在驱动板上的大致位置。所述pcb板为双面板，图2是俯视角度下的驱动板顶面，图3是仰视角度下的驱动板底面。控制器防浪涌模块布设在pcb板的左前方，其中，控制器防浪涌模块的第一mos芯片v4布设在pcb板的顶面；逆变模块相邻于控制器防浪涌模块，且逆变模块的第二mos芯片v1/v2/v3布设在pcb板的底面；mcu控制模块布设在控制器防浪涌模块和逆变模块的后方，且其mcu(即u4)布设在pcb板的顶面；控制器状态存储模块布设在mcu控制模块的右侧，并且其存储器芯片u6布设在pcb板的底面；马达温升检测模块布设在pcb板的底面且相邻于存储器芯片。

mcu控制模块采用焊盘形式与控制器防浪涌模块、逆变模块、控制器状态存储模块、马达温升检测模块电连接，且还通过焊盘(b+、b-)接入外部电源。本实施例的mcu的型号选用stspin32f0。

控制器防浪涌模块的功能为：当初始上电，外部电源给第一电容c1充电，为了防止冲击电流过大，损坏c1，串联第三电阻r16以起到限流作用。当第一电容c1缓慢充电之后，栅极输出高电平，第一mos芯片对第五电阻r1/r2/r3进行短路，这样整个马达电路系统可以正常的工作。

如图2～图4所示，控制器防浪涌模块包括第一mos芯片v4、第一电阻r38、第二电阻r40、第三电阻r16、第一电容c1和保险管f1。第一mos芯片的栅极通过第一电阻r38接地和连接至第一焊盘b-，通过第二电阻r40连接至mcu的pf1接口，源极接地，漏极连接第一电容c1的一端，第一电容c1的一端还与第三电阻相连接，第一电容c1的另一端通过保险管f1连接至第二焊盘b+。

其中，保险管f1布设在pcb板的底面，第一mos芯片v4、第一电阻r38、第二电阻r40、第三电阻r16、第一电容c1、第一焊盘和第二焊盘均布设在pcb板的顶面，并且，第一mos芯片v4、第一电阻r38、第二电阻r40和第三电阻r16均布设在第一电容c1的同一侧，第三电阻r16布设在第一mos芯片v4的前方，第一电阻r38和第二电阻r40分别布设在第一mos芯片v4的后方。第一焊盘和第二焊盘布设在第一mos芯片v4、第一电阻r38、第二电阻r40、第三电阻r16、第一电容c1这些元件的周围，并且位于pcb板顶面的边缘，第一焊盘用于连接外部电源负极，第二焊盘用于连接外部电源正极。

逆变模块的功能为：利用6路mosfet逆变桥(3个第二mos芯片)产生出u、v、w三相驱动波形，驱动马达运行，其中电流采样电阻r15负责监控整机电流。

如图2、图3和图5所示，逆变模块由3个并联且相同的逆变电路、第二电容c2、第八电阻r7、第三电容c4和电流采样电阻r15组成，每个逆变电路包括一个第二mos芯片v1/v2/v3、第四电阻r4/r5/r6、第五电阻r1/r2/r3、第六电阻r8/r9/r10、第七电阻r11/r12/r13和第四电容c18/c19/c20。

本实施例的第二mos芯片采用stl50dn6f7，每个第二mos芯片具有2个场效应管。对于第二mos芯片v1，两个场效应管的栅极分别通过第四电阻r4和第五电阻r1连接至mcu的三相电压输出接口hsu、lsu，同时分别通过第六电阻r8和第七电阻r11连接对应场效应管的源极。其中一个场效应管的源极和漏极均直接连接至外部电源，同时漏极还连接第一电容c1、外部电源和通过第二电容c2接地；另一个场效应管的源极通过电流采样电阻r15接地，以及通过第八电阻r7连接至mcu的oc-comp接口和第三电容c4，第三电容c4再接地，其漏极连接至第三焊盘p1，以及通过第四电容c18接地和连接第八电阻r7、mcu的opip接口。

同样，对于第二mos芯片v2，两个场效应管的栅极分别通过第四电阻r5和第五电阻r2连接至mcu的三相电压输出接口hsv、lsv，同时分别通过第六电阻r9和第七电阻r12连接对应场效应管的源极，其中一个场效应管的源极和漏极均直接连接至外部电源，同时漏极还连接第一电容c1、外部电源和通过第二电容c2接地；另一个场效应管的源极通过电流采样电阻r15接地，以及通过第八电阻r7连接至mcu和第三电容c4，第三电容c4再接地，其漏极连接至第三焊盘p2，以及通过第四电容c19接地和连接第八电阻r7、mcu的opip接口。

对于第二mos芯片v3，两个场效应管的栅极分别通过第四电阻r6和第五电阻r3连接至mcu的三相电压输出接口hsw、lsw，同时分别通过第六电阻r10和第七电阻r13连接对应场效应管的源极，其中一个场效应管的源极和漏极均直接连接至外部电源，同时漏极还连接第一电容c1、外部电源和通过第二电容c2接地，并且3个第二mos芯片中的该场效应管的漏极连接在一起；另一个场效应管的源极通过电流采样电阻r15接地，以及通过第八电阻r7连接至mcu和第三电容c4，第三电容c4再接地，其漏极连接至第三焊盘p3，以及通过第四电容c20接地和连接第八电阻r7、mcu的opip接口，并且3个第二mos芯片中的该场效应管的漏极通过第四电容连接在一起，3个第二mos芯片中的该场效应管的源极也连接在一起。

其中，第二电容c2、第八电阻r7、第三电容c4均布设在pcb板的顶面，且第二电容c2相邻于第一电容c1，第八电阻r7、第三电容c4位于第一电容c1和mcu之间的空余区域；3个逆变电路的第三焊盘p1/p2/p3均布设在第一电容c1和第二电容c2前方，且3个第三焊盘分别用于电连接无刷马达三相绕组的对应相绕组(u相/v相/w相)。如图2所示，第二电容c2是贴片，第一电容c1是插件电解电容，故c2可以叠在c1下面。

本实施例pcb板顶面上还布设有接口电路，所述接口电路设置在第三电容c4右侧，可用于数据存储和信号识别。

如图3所示，3个第二mos芯片并排设置于pcb板的底面，并位于保险管f1的左侧，3个第二mos芯片的第四电容c18/c19/c20和电流采样电阻r15均布设在底面，且第四电容c18/c19/c20位于对应的第二mos芯片的周围，电流采样电阻r15位于其中一个第二mos芯片的周围，本实施例r15是位于第二mos芯片v1后方。如图2所示，3个第二mos芯片的第四电阻r4/r5/r6、第五电阻r1/r2/r3、第六电阻r8/r9/r10和第七电阻r11/r12/r13中，部分电阻布设在顶面且位于第一电容c1和mcu之间的空余区域，剩余电阻布设在底面且位于对应的第二mos芯片周围，可根据顶面和底面的空余位置灵活布设。

mcu控制模块的功能为：利用内部ldo输出12v给集成驱动模块供电；利用内部dc-dc电路输出3.3v给mcu和外设供电；利用反电动波形，产生驱动波形让马达正常运行；利用内部运放，实时监测电流波形，让系统能够在安全电流内运行；利用内部a/d，实时监测马达的温升，通过控制输出功率，保证马达在可靠温升范围内运行。

如图2、图3和图6所示，mcu控制模块包括mcu(u4)、电感l1、二极管d1、第五电容c3、第六电容c6、第七电容c7、第八电容c13和第十四电阻r35。mcu的用于连接外部电源的接口vm连接外部电源，该接口还通过第五电容c3接地；mcu的电源接口vdd输出3.3v电压，该电源接口还通过第六电容c6接地；mcu的sw接口连接二极管d1的负极和通过电感l1输入3.3v电压，电感l1还通过第七电容c7和第八电容c13接地，二极管d1的正极接地。mcu的opip接口通过第十四电阻r35连接逆变模块的第八电阻r7、第三电容c4。

其中，第六电容c6、mcu、电感l1、二极管d1、第八电容c13和第十四电阻r35布设在pcb板的顶面，并且第六电容c6位于mcu左侧，电感l1、二极管d1、第八电容c13位于mcu后方，二极管d1与mcu的缺角相对应，第十四电阻r35位于mcu右侧。第五电容c3和第七电容c7均布设在pcb板的底面并位于第二mos芯片后方的空余区域。pcb板的顶面上还设置有连接mcu的第四焊盘pa13、pa14和第五焊盘gnd。第四焊盘pa13、pa14位于mcu左侧的pcb板边缘，用于连接外部的烧录器，便于后期开发和测试。第五焊盘gnd位于mcu右侧的pcb板边缘，其作为接地焊盘。

mcu控制模块还包括有连接对应mcu接口的其他电子元件，这些电子元件可根据实际pcb板的空余区域灵活布设，其中，布设在顶面的电子元件基本分布在mcu的周围，布设在底面的电子元件基本分布在第二mos芯片后方的空余区域。

控制器状态存储模块的功能为：利用存储器芯片u6对mcu的信息以及当前运行状态进行存储，方便生产和售后追踪。

如图2、图3和图7所示，控制器状态存储模块包括存储器芯片u6、第九电阻r28、第十电阻r36、第十一电阻r37和第九电容c23，存储器芯片的输入输出接口si/o通过第九电阻r28输入3.3v电压，通过第十一电阻r37连接第六焊盘p4，第十一电阻r37还通过第十电阻r36连接mcu的pb6接口，通过串联的第十电阻r36和第九电容c23接地。存储器芯片型号可选用at21cs01。

其中，存储器芯片u6、第九电阻r28、第十电阻r36、第十一电阻r37和第九电容c23均布设在pcb板的底面，并且位于第二mos芯片后方的空余区域，第六焊盘p4(图2中的id)布设在pcb板的顶面且位于mcu右侧的pcb板边缘。

马达温升检测模块的功能为：通过ntc8实时监测马达温升，根据马达的温升情况，对马达的输出功率做出调整。

如图2、图3和图8所示，马达温升检测模块包括第十二电阻r31、第十三电阻r29和第十电容c24，第十三电阻r29连接mcu的pb1a接口和第十电容c24，以及通过第十二电阻r31输入3.3v电压，第十电容c24一端连接mcu，另一端接地。

其中，第十二电阻r31、第十三电阻r29和第十电容c24均设置在pcb板底面且相邻于存储器芯片u6；pcb板的顶面上还布设有用于外接ntc的第七焊盘t+、t-，第七焊盘t+、t-分别对应连接ntc的正极和负极。第七焊盘t+、t-设置在mcu右侧的pcb板边缘，并相邻于第十二电阻r31、第十三电阻r29和第十电容c24，可参见图2，该位置形成一勾状结构，ntc可卡固在该勾状结构两端的勾部中，第七焊盘t+、t-布设于勾部，如此可方便将ntc焊接于第七焊盘t+、t-及与第七焊盘形成电连接，第十二电阻r31和第十三电阻r29均连接至第七焊盘t+、t-。

本实施例还公开了一种无刷马达驱动板，所述无刷马达驱动板1具有上述无刷马达驱动板pcb布局结构。

本实施例还公开了一种无刷马达，所述无刷马达内置有上述无刷马达驱动板1，且还包括电机主体2、电路板3、电机底座4、第一线缆6，第二线缆7和ntc8。

如图9和图10所示，电机底座的顶面设有中心柱4-1，电机主体和电路板套设于中心柱外，电路板位于电机主体和电机底座的顶面之间，并且电机主体的三相绕组2-1通过漆包线与电路板电连接。驱动板的外径不超出电机底座的外径。

电机底座的背面设有卡固件4-2，驱动板通过卡固件安装至电机底座的底面，具体来说，卡固件为设于电机底座背面的凸起，卡固件4-2上设有螺栓孔，驱动板对应螺栓孔设有固定孔，锁紧螺栓5通过固定孔和螺栓孔将驱动板与卡固件固定，通过锁紧螺栓将驱动板固定至电机底座上的卡固件，操作简单，固定牢靠。

电路板设置有第一通孔3-1，电机底座设置有与第一通孔3-1对齐的第二通孔4-4，ntc可穿过第一通孔和第二通孔连接至驱动板，使得ntc无需绕过电机底座，其两个连接端就可直接焊接于驱动板，电机电路连接更加方便。驱动板通过3根第一线缆6电连接电路板，进而电连接电机主体的三相绕组。驱动板通过2根第二线缆7连接外部电源。在本实施例中，电机底座上贯穿设置穿线孔4-3，穿线孔位于中心柱的外侧，三根第一线缆的一端分别与电路板电连接，另一端分别穿过穿线孔与驱动板电连接。通过设置穿线孔供三根第一线缆穿过，无需绕过电机底座，避免增加电机的横向尺寸，也避免漆包线穿过电机底座以造成短路隐患，减少了短路风险。

另外，还可以根据无刷马达所应用产品中需要与驱动板配合的其他元件，适应性地在驱动板上设置让位缺口1-1，比如，对于吸尘器产品，在驱动板的两侧分别开设有让位缺口，使得吸尘器地刷机构可穿过驱动板锁附于马达底座上，从而固定马达。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。