一种无刷直流电机调速系统的制作方法

本实用新型涉及的是一种无刷直流电机调速系统。

背景技术：

无刷直流电机调速控制是无刷直流电机传动系统中一个重要的环节，直接影响其运行特性，决定着一台电机能否发挥出最大效能以及一个机电系统能否满足于在某种环境下的使用等问题。所以设计科学的无刷直流电机调速系统，是提高生产率的重要前提。

目前，无刷直流电机控制策略中检测转子位置的方法主要为利用霍尔元件获取信号计算出转子位置。这种方式除了要在电机上装额外的传感器元件以外，还要考虑避免在电机工作中因震动、过热等现象产生的诸如精度下降，动态响应迟缓等问题。

技术实现要素：

为了上述问题，本实用新型提出了一种无刷直流电机调速系统，主要由控制电路、功率电路、信号处理等部分组成，以N+N MOS 架构为主，建立核心功率控制电路。其大大缩短了动态响应时间，提高了系统快速反应能力和控制精度。

该无刷直流电机调速系统，包括主控制单元MCU、电源、驱动电源、驱动电路、电流采集过流保护电路、位置检测单元、主电源、功率电路、速度设定电路、刹车设定电路、串行通信电路和指示灯，其中电源、驱动电源、驱动电路、电流采集过流保护电路、位置检测单元、速度设定电路、刹车设定电路、串行通信电路、指示灯分别和主控制单元MCU连接，主电源和驱动电源连接，功率电路分别和驱动电路、电流采集过流保护电路和位置检测电路连接。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

图1是根据本实用新型的一种无刷直流电机调速系统的结构框图。

图2是根据本实用新型的一种无刷直流电机调速系统的驱动电路的结构框图。

图3是根据本实用新型的一种无刷直流电机调速系统的电流采样过流保护电路的结构框图。

具体实施方式

为了更好的理解本实用新型的技术方案，下面结合附图详细描述本实用新型提供的实施例。

如图1所示为一种无刷直流电机调速系统的结构框图。该调速系统主要包括电源部分、功率开关部分、驱动部分、转子位置检测部分和电压电流采样部分。

在该系统中，外部电源经降压、稳压给系统主电源供电。系统主电源分别供给电机、驱动器、主控制单元MCU以三个不同等级的电压。STM8S903K3 作为系统的主控制单元MCU，主要作用是连接外部模块、处理和计算反馈信号控制转子正常运转、发出驱动脉冲、实现与各接口通讯。位置检测单元将转子位置实时采样信息送到主控制单元。电流采集单元不断采集母线上的电流信息，对于随时可能出现的过流信号采取处置措施。系统的外部显示是通过一台PC 来实现的，上位机通过PC 与控制系统交换信息，显示电机运行指标。通过串口通讯手段，来实现信息交换，包括各部分信号、速度设定、运行状态指示、刹车控制等。

以STM8S903K3 芯片为核心的硬件电路是一个多电压等级系统。工作电压的范围是3V到5V。这里采用的电压为5V。当电压波动过大时，会出现影响正常工作的多种问题，所以为了避免电机不能正常工作，必须将稳压电源的电压控制在4.09V 到5.10V 之间。STM8S903K3 的最小系统电路并不复杂，正确连接电源、接地、VCAP 引脚即可。

STM8 是意法半导体公司推出的高性能130nm 工艺的8 位CPU、是3 级流水线架构的控制内核。其不仅具有 S 系列芯片的传统优点，还专门为驱动电机而优化了一些新的功能。其特有的 PWM 输出端口，可以同时输出六路 PWM 波，并且其中两路是带有死区时间互补输出的功能。ADC 输入可以在配置字节中自行配置扩大了在电机驱动应用场合下的最大转换通道数。除此之外，该处理器还具有 21 个高吸收电流输出口，可以承受很强的倒灌电流。具有单线接口功能，调试方便并可以在线调试。其在控制设备里广泛被应用。使用STM8 集成开发环境ST TOOLSET 或IAR System 可以实现STM8 的安全高效的开发。

（1）2.95V 到5.5V 的工作电压。

（2）内部高速16MHz 时钟。

（3）FLASH 存储空间扩大到8KB。

（4）RAM 存储空间扩大到1KB。

（5）EEPROM 存储空间扩大到640 字节，可反复烧写内容30 万次，三级流水线架构。高达20MIPS 的处理性能。

（6）高达7 路的数模转换路数。

（7）特别为电机控制设计的16 位定时器。

（8）多达3*16 位定时器和8 位定时器。

（9）两个看门狗IWDG 和WWDG，可靠性大大提高。

（10）具备UART 通讯接口。

（11）具备10Mb/s 的SPI 接口。

（12）具备IIC 接口。

（13）具有单线烧录功能的SWIM 模块，烧写、调试方便。

驱动电路如图2所示，分为上桥和下桥驱动电路组成。下桥 MOSFET 管 V1A 使用意法半导体的STP75。这种 N 沟道增强型的 MOSFET 功率管，只要给 V1A 管子的栅极加 15V 的电压，就可以使其导通。下桥电路的V1A 的源极对地电压很小，近似等于 0V，所以只要给V1A 的栅极加 15V 电压，V1A 的栅源间电压就可以达到15V，要关断 V1A 管，只需给栅极加0V电压。STM8S903K3 输出的电压是3.3V，需要将这个信号升高到 15V 才能驱动V1A。Q3A、Q4A、Q5A 和周边器件共同组成了电压转换电路。当下桥臂的控制信号为低电平时，Q3A、Q4A 导通，Q5A 关闭。驱动电路通过 Q3A、R9A 为下管 V1A 的栅极快速充电，MOS 管栅源电压上升到 15V，于是 V1A 开通。当下桥臂的控制信号为高电平时，Q3A、Q4A 关闭，Q5A 导通。为下管 V1A 的栅极提供放电回路，使其栅源电压迅速下降到 0.7V左右，于是 V1A 关断。

上桥电路和下桥电路有很多相似点。当给 V0A 管的栅源间加 15V 电压时，才能保证V0A 顺利开通。C1A 的正极通过二极管 D0A 接到+15V 电源，负极接到电机的 A 相。与它所驱动的 MOSFET V0A 的源极接在一起。这种接法的电路称为自举升压电路。电机在不工作时，如果所有的 MOSFET 关闭，此时 C1A 通过二极管 D0A 和电阻 R5A 可充电至 14V 左右。也可以在启动前，通过程序控制，先打开下桥臂 MOS 管 V1A，让 C1A 通过二极管D0A 和 MOS 管 V1A 进行预充电。当上桥臂的控制信号为高电平时，Q1A、Q0A 导通，Q2A 关闭。电容 C1A 上的电压经过 Q0A、D1A、R4A 加到 V0A 的栅极，使 V0A 导通。V0A 靠 C1A 两端的电压来维持导通。当上桥壁的控制信号为低电平时，Q1A。Q0A 关闭，Q2A 导通，为 V0A 的栅极提供放电回路，从而关闭 V0A。当 V0A 关闭后，由于下管的二极管的续流作用，使得 A 相电压下降接近 0V。从而使 C1A 得以充电，为下一次导通做好准备。

设置位置检测单元的目的是为了测出转子在某一时刻所在位置。在三相绕组两两导通的过程中，始终有一相绕组处在不导通状态，通过非导通相绕组可以得到转子经过绕组的时刻。利用LM339 比较器，采用运动电势与模拟中性点的电压对比，检测过零点的方法检测位置。

电流采集过流保护电路主要由LM358 运算放大器和一路比较器构成，如图3所示。从三相桥下端的检测电阻R0 引出的信号，分别送进U3A、U3B、U5A 的输入端。LM358 运放组成的是电流检测运算放大电路，U3A 部分是瞬时电流检测。U3B 部分在输入端增加了一个C21 滤波电容，构成一路平均电流检测。U5A 是一路比较器，输出连接到STM8 的紧急停车输入引脚。STM8 的故障停车功能将在电流增大到一定程度时被翻转的比较器信号触发。R37 及R87 的取值决定了过流保护点。

该无刷直流电机调速系统大大缩短了动态响应时间，提高了系统快速反应能力和控制精度。