专利名称：一体化无刷直流电机的驱动装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及无刷直流电机技术领域，具体地说是一种一体化无刷直流电机的驱动装置O
背景技术：
无刷直流电机是集交流电机和直流电机优点于一体的机电一体化产品，它既具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电机运行效率高、调速性能好的特点，同时无励磁损耗，因此近年来无刷直流电机的应用日益普及，而伴随着无刷直流电机的普及，对与其配套的驱动装置的设计也提出了更高的要求。经检索，CN201315560Y公开了一种直流无刷电机驱动装置的实用新型专利，其包括微处理器、IPM模块、整流模块、直流母线电压检测电路、电机转速检测电路、电机转子位置检测电路、DC/DC电源模块，三相交流电经整流模块分为三路输出，一路到IPM智能模块， 一路到电源模块的输入端，第三路到直流母线电压检测电路，直流母线电压检测电路的输出端到微处理器，电源模块的输出端到微处理器，IPM模块的输出接直流电机，电机转速检测电路、电机转子位置检测电路的输出接到微处理器，这种直流无刷电机驱动装置的不足是体积大、成本高、安装不方便。2010年6月，《黑龙江水专学报》第37卷第2期刊登了一篇名为“基于无位置传感器BLDCM控制系统的研究”一文，文中阐述通过检测反电势电压信号并经过鉴相处理后代替霍尔信号，同时对换相时刻进行软件补偿，实现BLDCM的近似准确换向。其不足是通过检测三相端电压，进行深度滤波后再与模拟中性点比较，生成转子位置信号，但在重载时由于电流很大，续流时间比较长，会影响“理想”的三相端电压波形，造成波形畸变，影响了检测到的位置信号的准确性，不能确保换向的正确进行，并且相角延时换相不有利于减小无刷直流电机的转矩脉动。
发明内容
本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种结构新颖、成本低、体积小、 安装方便的一体化无刷直流电机的驱动装置。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是
一种一体化无刷直流电机的驱动装置，设有端盖，其特征在于端盖上设有功率板和控制板，功率板上设有主回路、进线缺相检测电路、母线电流检测电路、欠压和过压检测电路、 反电势检测电路和开关电源电路，控制板上设有DSP控制系统电路和通讯模块电路， 其中
主回路中设有进线EMI滤波器、压敏电阻保护、使用了 X电容、Y电容和三相共模滤波器抑制差模和共模干扰，整流桥和逆变桥都集成在一个功率模块内，功率模块采用芯片 SEMIKR0N集成度高，所占面积小；直流母线上具有LC结构，实现功率因素校正(PFC)，
进线缺相检测电路是将送往功率模块的三相电经过由电阻、二极管和光耦组成的检测电路处理后送往DSP芯片读取，读取缺相检测电路的输出数字信号LHPl和LHP2的占空比判断是否缺相，具有进线缺项报警，过载、过热报警，过流和过压报警，功率因数校正等功能，
母线电流检测电路是通过母线上串联一个很小的电流检测电阻，通过线性光耦隔离放大电阻两端的电压信号，再经过一个调理电路把信号处理成控制芯片能够接收的范围，从而对电机电流进行反馈和监视，
欠压和过压检测电路是采用大电阻隔离的方法，通过一个简单的运放电路把母线电压转化为控制芯片输入的模拟信号，实现欠压和过压检测，此运放的输入为母线电压，输入电阻取很大，反馈电阻很小，从而使实际运放管脚的输入电压并不是很大，流过的电流也很小，实现了隔离的效果同时也实现了电压的检测，
反电动势检测电路是一低通滤波器，采用“端电压法”实现无传感器控制，通过对电机三相UVW的对地电压的处理，经DSP处理器生成转子位置信号，将端电压分成反电动势信号和电流续流干扰信号，电机三相电压首先通过低通滤波器滤除高频干扰信号和降压，再通过一个电容去除直流部分，然后把处理过的信号和由三相构造出来的虚拟中性点电压进行比较，并对两种信号进行相位和幅值的计算，得到由电流续流造成的转子位置信号的相位超前角度，经过检测电流、转速、占空比、母线电压和电机参数确定出电流续流影响的偏移角度进行补偿，从而得到反电动势过零点的信号，使换相时刻接近最佳换相时刻，确保换向的正确进行，大大拓展了无刷直流电机无位置传感器的应用范围，
开关电源电路采用反激式变换器，输入为母线电压，输出3路隔离的直流电压，分别用于DSP控制系统电路和通讯模块电路，
DSP控制系统电路的控制核心芯片为DSP，具有6路模拟信号输入，3对PWM输出， 通讯模块电路包括RS232和RS485两种一步串行通讯方式，其中RS232用于对程序的维护等操作，RS485用于工业控制，可进行RS232、RS485总线通讯输入和模拟量速度给定电路，模拟量速度给定电路通过向控制器输入电压来调节电机转速，
控制板上设有三组端子排接口，分别为三相功率进线接口、驱动器报警输出接口、串口 RS232、串口 RS485和模拟量给定接口，三组长分别为12个端子、3个端子和5个端子，通过控制板上的三组端子排接口分别将通讯或和模拟量调速、保护报警和三相交流电输入连接好。本发明可把驱动电路和主回路的“地线”和控制电路的“地线”隔离开，以增加系统的稳定性。本发明可在驱动板上设有温度检测电路，温度检测电路是由普通电阻、电容、热敏电阻和运放组成，对整流和逆变模块、功率板、电动机的温度进行实时检测，防止由于温度过高或过低而造成工作不稳定和异常情况的发生。本发明中的反电动势检测电路的补偿计算方法可经下述具体步骤实现为了分析使电机在重载时位置检测信号的相位偏移现象，下面对重载下的端电压进行分析
因为反电动势检测电路是一低通滤波器，高频分量经过检测电路将被滤除，因此可做如下简化
1)因为PWM调制频率远大于反电动势检测电路的低通滤波器的截止频率，高频的PWM 斩波电压可以用其电压平均值近似；2)同样，电机中性点电压波动也被滤除，可以用其平均值近似；
3)相反电动势为120°平顶宽，等效幅值为母线电压的PWM波；
在采用上桥臂调制，下桥臂导通方式(PWM-ON)时端电压可以简化成如图6所示的模
型，其中，为理想线反电动势与理想中性点的电压之和，％为电流续流引起的电压畸变，端电压U1■等于％与％之和，即CTr = Us + Ui (电压参考点为母线负极)； 图6中端电压t/r可以分成6个状态，分别为
Di1和~时刻该相下桥臂导通，端电压LZj■与CZi相等，为母线负极电压，标记为0， U1也为0，此时Uj不影响位置信号的检测；
2)t2时间段电机换相，电流经过上桥臂反并联二极管续流，电压被钳位为母线电压 Ud , Ue随相反电动势的增大而线性上升；Ui为Ut与Ue之差，即Ui =Ut - Ue ；
3)Z3时间段该相悬空，相端电压为相反电动势与中性点电压之和。中性点电压为直流偏置，反电动势线性上升，端电压CTr与『/0线性上升；C^为0，不起作用；
4)Z4时间段该相上桥臂调制，占空比2)与母线电压CJi的乘积与ITs的关系为
UdxD = Us，端电压等〒Ue ,有= Ue = Ue ； U1为0，不影响位置信号的检测；
5)Z5时间段电机换相，电流经过下桥臂反并联二极管续流，端电压被钳位为母线地电压ο, Ue随反电动势的减小而线性下降，Ui为U7之差，即
U1=U7-Ue ;
6)Z6时间段该相悬空，相端电压为相反电动势与中性点电压之和，中性点电压为直
流偏置，反电动势线性下降，端电压t/y与？Tg线性下降，LJi为0，不影响位置信号的检测；
通过对端电压的分解，Ue在轻载和重载时一样，而则有很大的差别，轻载时，电流小， 2和/5很短，U1的作用时间很短，其伏秒积很小，有F = U1 Xtx-O ( tx =t2 , t5 )，因此对位置信号检测只造成微弱的影响，可以忽略不计；重载时，电流大，/2和t5持续较长的时间，伏秒积|7不可忽略，它对位置检测信号的影响严重，产生的相位
超前角度过大，图7为端电压Ut和其分解的电压Ue和U!经过低通滤波器后的生成的
信号，续流干扰信号超前反电动势信号，使得它们叠加合成的端电压信号超前于反电动势信号，续流干扰信号的幅值越大，端电压信号的超前角度越大，端电压相位超前使端电压的过零点时刻提前到来，检测得到的过零点偏离真实的反电动势过零点，当随着负载电流的增大，相位超前角度随之增大，当超前角度过大时，换相情况变恶劣，引起电流畸变，反过来影响到端电压波形和位置检测信号，造成换相的进一步恶化，最终导致换相失败；
通过上述模型的建立，对端电压的分解分析，我们可以得到轻载和重载时的反电动势
检测信号相位关系其实就是t/与U。+ U1的相位关系，由于与周期一样，
权利要求
1.一种一体化无刷直流电机的驱动装置，设有端盖，其特征在于端盖上设有功率板和控制板，功率板上设有主回路、进线缺相检测电路、母线电流检测电路、欠压和过压检测电路、反电势检测电路和开关电源电路，控制板上设有DSP控制系统电路、通讯模块电路和模拟量速度给定电路，其中主回路中设有进线EMI滤波器、压敏电阻保护、使用了 X电容、Y电容和三相共模滤波器抑制差模和共模干扰，整流桥和逆变桥都集成在一个功率模块内，功率模块采用芯片 SEMIKRON集成度高，直流母线上具有LC结构，实现功率因素校正(PFC)，进线缺相检测电路是将送往功率模块的三相电经过由电阻、二极管和光耦组成的检测电路处理后送往DSP芯片读取，读取缺相检测电路的输出数字信号LHPl和LHP2的占空比判断是否缺相，母线电流检测电路是通过母线上串联电流检测电阻，通过线性光耦隔离放大电阻两端的电压信号，再经过调理电路把信号处理成控制芯片能够接收的范围，从而对电机电流进行反馈和监视，欠压和过压检测电路是采用大电阻隔离的方法，通过一个简单的运放电路把母线电压转化为控制芯片输入的模拟信号，实现欠压和过压检测，此运放的输入为母线电压，输入电阻取很大，反馈电阻很小，从而使实际运放管脚的输入电压并不是很大，流过的电流也很小，实现了隔离的效果同时也实现了电压的检测，反电动势检测电路是一低通滤波器，采用“端电压法”实现无传感器控制，通过对电机三相UVW的对地电压的处理，经DSP处理器生成转子位置信号，将端电压分成反电动势信号和电流续流干扰信号，电机三相电压首先通过低通滤波器滤除高频干扰信号和降压，再通过一个电容去除直流部分，然后把处理过的信号和由三相构造出来的虚拟中性点电压进行比较，并对两种信号进行相位和幅值的计算，得到由电流续流造成的转子位置信号的相位超前角度，经过检测电流、转速、占空比、母线电压和电机参数确定出电流续流影响的偏移角度进行补偿，从而得到反电动势过零点的信号，开关电源电路采用反激式变换器，输入为母线电压，输出3路隔离的直流电压，分别用于DSP控制系统电路、通讯模块电路和模拟量速度给定电路，DSP控制系统电路的控制核心芯片为DSP，具有6路模拟信号输入，3对PWM输出，通讯模块电路包括RS232和RS485两种一步串行通讯方式，其中RS232用于对程序的维护等操作，RS485用于工业控制，进行RS232、RS485总线通讯和模拟量速度给定输入，模拟量速度给定电路通过向控制器输入电压来调节电机转速，控制板上设有三组端子排接口，分别为三相功率进线接口、驱动器报警输出接口、串口 RS232、串口 RS485和模拟量给定接口，通过控制板上的三组端子排接口分别与通讯和模拟量调速、保护报警和三相交流电输入相连接。
2.根据权利要求1所述的一种一体化无刷直流电机的驱动装置，其特性在于把驱动电路和主回路的“地线”和控制电路的“地线”隔离开。
3.根据权利要求1所述的一种一体化无刷直流电机的驱动装置，其特性在于驱动板上设有温度检测电路，对整流和逆变模块、功率板、电动机的温度进行实时检测。
4.一种一体化无刷直流电机的驱动装置中的反电动势检测电路的相位补偿计算方法，其特征在于具体步骤如下为了分析使电机在重载时位置检测信号的相位偏移现象，下面对重载下的端电压进行分析因为反电动势检测电路是一低通滤波器，高频分量经过检测电路将被滤除，因此可做如下简化1)因为PWM调制频率远大于反电动势检测电路的低通滤波器的截止频率，高频的PWM 斩波电压可以用其电压平均值近似；2)同样，电机中性点电压波动也被滤除，可以用其平均值近似；3)相反电动势为120°平顶宽，等效幅值为母线电压的PWM波； 在采用上桥臂调制，下桥臂导通方式(PWM-ON)时端电压可以简化成如图6所示的模型，其中，％为理想线反电动势与理想中性点的电压之和，i/j为电流续流引起的电压畸变，端电压等于;Tg与乙％之和，即CZr = Us + LJj (电压参考点为母线负极)； 图6中端电压CTr可以分成6个状态，分别为1)I1和/7时刻该相下桥臂导通，端电压 与相等，为母线负极电压，标记为0， U1也为0，此时U1不影响位置信号的检测；2)I2时间段电机换相，电流经过上桥臂反并联二极管续流，电压被钳位为母线电压 Ud , Us随相反电动势的增大而线性上升；U1为Ut与Us之差，即U1 =Ut -Ue ；3) 3时间段该相悬空，相端电压为相反电动势与中性点电压之和，中性点电压为直流偏置，反电动势线性上升，端电压Ut与Ue线性上升； 为0，不起作用；4)Z4时间段该相上桥臂调制，占空比1J母线电压Uii的乘积与ITg的关系为UdXD = Us ,端电压Ut等于CZg ,有Ut =Us = Ue ; Ui为0，不影响位置信号的检测；5)t5时间段电机换相，电流经过下桥臂反并联二极管续流，端电压被钳位为母线地电压0，Ue随反电动势的减小而线性下降，Ui为Ur与Ue之差，即U1 =Ut-Ue ;6)Z6时间段该相悬空，相端电压为相反电动势与中性点电压之和，中性点电压为直流偏置，反电动势线性下降，端电压t/y与Ug线性下降，为0，不影响位置信号的检测；通过对端电压的分解，Ue在轻载和重载时一样，而R则有很大的差别，轻载时，电流小，t2和t5很短，U1的作用时间很短，其伏秒积很小，有F = U1Xtx - O ( tx =t2 , t5 )，因此对位置信号检测只造成微弱的影响，可以忽略不计；重载时，电流大，/2 和I5持续较长的时间，伏秒积J7不可忽略，它对位置检测信号的影响严重，产生的相位超前角度过大，图7为端电压Ut和其分解的电压CJe和U1经过低通滤波器后的生成的信号，续流干扰信号超前反电动势信号，使得它们叠加合成的端电压信号超前于反电动势信号，续流干扰信号的幅值越大，端电压信号的超前角度越大，端电压相位超前使端电压的过零点时刻提前到来，检测得到的过零点偏离真实的反电动势过零点，当随着负载电流的增大，相位超前角度随之增大，当超前角度过大时，换相情况变恶劣，引起电流畸变，反过来影响到端电压波形和位置检测信号，造成换相的进一步恶化，最终导致换相失败；通过上述模型的建立，对端电压的分解分析，我们可以得到轻载和重载时的反电动势检测信号相位关系其实就是Lre与Ue + U1的相位关系，由于Us与Ui周期一样，经过低通滤波器的相角滞后相等，因此轻载和重载下的位置信号相角之差取决于Ue和U1的夹角和幅值，由此，得出重载下的相位补偿计算方法阶跃电压下，低通滤波器零状态响应计算公式为 TT其中
全文摘要
本发明涉及无刷直流电机技术领域，具体地说是一种一体化无刷直流电机的驱动装置，设有端盖，其特征在于端盖上设有功率板和控制板，功率板上设有主回路、进线缺相检测电路、母线电流检测电路、欠压和过压检测电路、反电势检测电路和开关电源电路，控制板上设有DSP控制系统电路、通讯模块电路和模拟量速度给定电路，本发明由于采用上述结构，使本发明嵌入到电机中，集控制电路和功率电路于一体，大大减小了体积，省去了连接电机和驱动器的线路，具有结构新颖、体积小、可靠性高、结构紧凑、功率密度高、安装方便、维修方便、易于操作和移动等优点。
文档编号H02P6/18GK102307034SQ201110273550
公开日2012年1月4日 申请日期2011年9月15日 优先权日2011年9月15日
发明者孟凡民, 徐殿国, 曹何金生, 杨明, 王公旺 申请人:威海克莱特机电有限公司