高功率密度低速大扭矩电机控制器的制作方法

本公开涉及一种高功率密度低速大扭矩电机控制器。

背景技术：

功率密度指驱动器输出的最大功率与电机控制器本身质量或体积的比值，效率是指电源输出功率到实际电机负载使用功率的转换率。低速大扭矩电机的特点是母线电压低即电机机械转速低，电机电流大即输出扭矩大。传统的低速大扭矩电机应用一般为电机经减速器后再驱动负载，其主要缺点是体积重量大，效率低。全电飞机的动力系统为电机直驱螺旋桨，由于飞机电池容量限制，同时考虑到减少飞机的重量，提高电机系统的效率即续航能力的实际需求，现阶段仍缺少一种可以兼顾高转换效率和高功率密度的低速大扭矩电机控制器。

技术实现要素：

为了解决至少一个上述技术问题，本公开提供一种高功率密度低速大扭矩电机控制器，可以显著提高低速大扭矩电机控制器的转换效率和功率密度。

根据本公开的一个方面，高功率密度低速大扭矩电机控制器包括：

控制电路板，输出脉宽调制信号至隔离型功率驱动装置；以及

隔离型功率驱动装置，与控制电路板连接，基于脉宽调制信号驱动电机运转；

其中，隔离型功率驱动装置包括全桥MOSFET装置和隔离驱动电路板；

隔离驱动电路板配置在全桥MOSFET装置内部；

隔离驱动电路板隔离放大脉宽调制信号，控制全桥MOSFET装置的导通和关断。

根据本公开的至少一个实施方式，

隔离驱动电路板包括板载连接器；

隔离驱动电路板通过板载连接器与控制电路板进行信号传递。

根据本公开的至少一个实施方式，

板载连接器的母端位于隔离驱动电路板上，板载连接器的公端位于控制电路板上。

根据本公开的至少一个实施方式，

隔离驱动电路板还包括隔离驱动芯片；

隔离驱动芯片的输出端配置电容，电容用于消除全桥MOSFET装置的米勒效应；

下桥臂隔离驱动芯片的输出端配置稳压二极管，稳压二极管用于保护全桥MOSFET装置。

根据本公开的至少一个实施方式，

控制电路板与全桥MOSFET装置共用电源输入与三相输出接线端子。

根据本公开的至少一个实施方式，

控制电路板包括信号采集调理装置、主控装置和电源转换装置；

电源转换装置将母线电压转换后为控制电路板和隔离型功率驱动装置供电；

信号采集调理装置采集并调理电机霍尔位置反馈信号、电机温度信号和控制器温度信号，将调理后的电机霍尔位置反馈信号、电机温度信号和控制器温度信号传输至主控装置；

主控装置基于调理后的电机霍尔位置反馈信号、电机温度信号和控制器温度信号控制电机的伺服系统，输出脉宽调制信号至隔离型功率驱动装置。

根据本公开的至少一个实施方式，

电源转换装置将母线电压转换为驱动电源和控制电源；

驱动电源部分和控制电源部分通过隔离电源模块实现隔离。

根据本公开的至少一个实施方式，

驱动电源部分第一级通过第一隔离电源模块将母线电压40-60V转换为15V，为全桥MOSFET装置的3个下桥臂驱动芯片供电；

驱动电源部分第二级通过3个第二隔离电源模块，分别将第一级输出的15V电压转换成15V1、15V2和15V3，分别为全桥MOSFET装置的3个上桥臂驱动芯片供电。

根据本公开的至少一个实施方式，

控制电源部分通过第三隔离电源模块将母线电压40-60V转换为5V。

根据本公开的至少一个实施方式，

控制器母线电压的输入端配置多个储能电解电容；

控制器母线电压的输入端并联2个双向瞬变电压抑制管，用于吸收母线上的瞬态尖峰电压。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是根据本公开的至少一个实施方式的高功率密度低速大扭矩电机控制器硬件结构组成关系和信号流向示意图。

图2是根据本公开的至少一个实施方式的一相隔离驱动电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。

本公开提供一种高功率密度低速大扭矩电机控制器，主要从小体积和高功率密度方面考虑，根据功能划分设置两个部分，分别为配置在顶层的控制电路板，以及配置在底层的隔离型功率驱动装置。该控制器具有功率密度高、输出功率大、效率高、安装简单和可靠性高的特点。

在本公开的一个可选实施方式中，如图1所示，高功率密度低速大扭矩电机控制器，包括配置在顶层的控制电路板，以及配置在底层的隔离型功率驱动装置。隔离型功率驱动装置包括配置在底层2的全桥MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,金氧半场效晶体管)装置，以及配置在底层1的隔离驱动电路板，隔离驱动电路板嵌入在全桥MOSFET装置内部。

其中，控制电路板包括信号采集调理装置、主控装置、电源转换装置和通信装置。具体的，电源转换装置用于将母线的40-60V电压转换成功率驱动所需电源和控制电源，为控制电路板和隔离型功率驱动装置供电，电源转换装置还可用于上电时序控制。信号采集调理装置用于采集并调理伺服电机霍尔位置反馈信号、电机温度信号和控制器温度信号，将调理后的电机霍尔位置反馈信号、电机温度信号和控制器温度信号传输至主控装置。主控装置可以基于上位机发送的信号、结合调理后的电机霍尔位置反馈信号、电机温度信号和控制器温度信号，通过伺服运算完成位置环、速度环的控制，控制电机的伺服系统，输出PWM(Pulse Width Modulation，脉宽调制)信号至隔离型功率驱动装置，进一步驱动电机运转。通信装置包括CAN(Controller Area Network,控制器局域网络)通信和RS485通信。上位机通过CAN总线和RS485总线与主控装置相连。

隔离型功率驱动装置包括全桥MOSFET装置和嵌入在全桥MOSFET装置内部的隔离驱动电路板。优选的，全桥MOSFET装置的型号为FM600TU-07A，额定电流300A，峰值电流600A，最高工作电压75V，可持续输出15KW以上功率；全桥MOSFET装置采用沟槽工艺，其体积和重量都较小，从而可以使整个控制器具有高功率密度。优选的，去掉全桥MOSFET装置出厂原装的接口电路板，用隔离驱动电路板替换该接口电路板，原接口电路板上的接口替换为隔离驱动电路板上的板载连接器。优选的，隔离驱动电路板所用的隔离驱动芯片的型号为1EDI20N12AF。嵌入在全桥MOSFET装置内部的隔离驱动电路板用于隔离放大控制电路板输出的PWM信号，控制全桥MOSFET装置的导通和关断。

在本公开的一个可选实施方式中，控制电路板与隔离型功率驱动装置连接。具体的，控制电路板通过板载连接器与隔离驱动电路板之间进行信号传递，这样既可以减小控制器整体的体积重量，也可以避免信号长距离传输造成的电磁干扰。控制电路板与全桥MOSFET装置共用电源输入与三相输出接线端子，例如，可以使用螺钉将控制电路板固定安装在全桥MOSFET装置上方来实现。

在本公开的一个可选实施方式中，控制电路板的主控装置包括DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)芯片，优选的，DSP芯片的型号为TMS20F28335，主频为150MHz，支持浮点运算，是适合电机控制的专用芯片。DSP芯片可以完成伺服运算，通过特定的控制算法完成高速的位置环、速度环的控制和PWM信号输出控制。DSP芯片还承担部分接口工作和CAN总线通信数据处理。DSP芯片利用的接口包括：ADC接口、PWM输出接口、Flash存储接口的SPI接口(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)、外部事件捕获接口ECAP、仿真器接口、通用IO接口和复位电路接口。其中，ADC接口可用于电机、供电等电流及模拟控制接口的模拟信号采集转换。PWM输出接口可在PWM信号输出后用于隔离型功率驱动装置，优选的，采用DSP的PWM信号包括PWM1、PWM2、PWM3和PWM6四路，其中PWM1、PWM2和PWM3可用于隔离型功率驱动装置，PWM6预留。ECAP接口是位置反馈信息接口，可用于霍尔位置反馈信号采集。作为优选方案，CAN总线通信选择ISO1050收发器。CAN总线主要用于和上位机通信，包括实时控制和控制参数修改两方面内容。控制参数存储于SPI接口的FLASH中，用于控制器控制参数的存储和读取。实时控制主要为DSP主程序中变量的修改和信息反馈。复位电路接口可用于掉电复位。优选的，采用微处理器电源监控芯片作为DSP复位芯片，当电源电压低于2.32V时可产生复位信号。此外，JTAG(Joint Test Action Group，联合测试工作组)接口可用于调试及程序烧录。时钟电路可采用3.3V供电的25MHZ的有源晶振电路。

在本公开的一个可选实施方式中，控制电路板的电源转换装置可以将母线电压40-60V转换为功率驱动电源和控制电源，两个电源部分实现隔离。驱动电源部分第一级可以使用型号为村田NCS3S4815SC的隔离电源模块(第一隔离电源模块)，将母线电压转换为15V，此15V电压用以给全桥MOSFET装置的下桥臂驱动芯片(例如型号为1EDI20N12AF)供电，3个下桥臂驱动芯片共用此15V电压。驱动电源部分第二级使用第一级输出的15V电压，经过3个15V转15V的型号为NME1515SC的隔离电源模块(第二隔离电源模块)分别转换成15V1,15V2,15V3，这3个15V电源分别给3个全桥MOSFET装置的上桥臂驱动芯片(例如型号为1EDI20N12AF)供电。所有15V电源均可以接1个3K欧姆的负载电阻。控制电源可以通过型号为NCS3S4805SC的隔离电源模块(第三隔离电源模块)将母线电压转换为5V。优选的，母线电压输入端可以使用多个(例如12个)储能电解电容和2个双向TVS管(Transient Voltage Suppressor，瞬变电压抑制二极管)，优选的，储能电解电容的型号为EEUFR1J821，可以安装在控制电路板的底面，节省安装体积；双向TVS管的型号可以选择SMBJ64CA。

在本公开的一个可选实施方式中，如图2所示，隔离驱动电路板所用的隔离驱动芯片可以选择型号为1EDI20N12AF。隔离驱动芯片的输出端均可以接一个小电容，用于消除MOSFET开关的米勒效应。其中，下桥臂驱动芯片的输出端还可以接1个稳压二极管(下图)，用以保护MOSFET。

在本公开的一个可选实施方式中，全桥MOSFET装置可以选择型号为FM600TU-07A，其额定电流大，MOSFET导通内阻低。一般的，全桥MOSFET装置出厂时默认安装接口电路板，接口电路作用是信号转接，不适合电路板级的安装，而且会导致MOSFET驱动信号线变长。因此，优选的，用隔离驱动电路板替换全桥MOSFET装置中原装的接口电路板，隔离驱动电路板与全桥MOSFET装置的安装孔不变，原接口电路板上的接口用隔离驱动电路板上的板载连接器实现。

在本公开的一个可选实施方式中，高功率密度低速大扭矩电机控制器的安装方式简单，最上层安装控制电路板，下层安装全桥MOSFET装置和嵌入在MOSFET装置内部的隔离功率驱动板。优选的，在使用控制器时，可以直接用4个M6螺钉把MOSFET装置的4个安装孔装在散热器上，与散热器接触面可以涂抹导热硅胶。MOSFET装置可以通过自带的信号插针与隔离驱动电路板交互信息，隔离驱动电路板则可以通过板载连接器与控制电路板交互信息。优选的，板载连接器母端位于隔离驱动电路板上，板载连接器公端位于控制电路板上。

本公开的高功率密度低速大扭矩电机控制器，可以持续输出大电流即大扭矩，使得低速大扭矩电机在驱动螺旋桨类的负载时可省去电机减速器，在减少重量的同时大幅度提高整个电动机系统的效率。MOSFET装置采用沟槽工艺，常温下，MOSFET导通内阻只有0.5毫欧，因此由大电流造成的MOSFET导通损耗低，从而可以提高控制器效率。此外，控制器的控制部分与功率部分全部隔离，其中PWM信号使用MOSFET驱动芯片隔离，电源部分可以使用隔离DC/DC电源模块，功率部分MOSFET高频的开关不会干扰控制部分，从而可以提高整个控制器的可靠性。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。