專利名稱：一種驅動信號分配模塊的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及ー種無刷直流電機驅動器的用于換相控制的驅動信號分配模塊，該驅動信號分配模塊用于將來自無刷直流電機的三路轉子位置信號轉換成6路驅動信號輸出。
技術背景。無刷直流電機取消了碳刷、換向器等機械裝置，利用相位檢測元件以及采用微處理器實現電流換相，該電流的換相是由微處理器內的程序來實現， 但計算機有時在強干擾的情況下程序會跑飛而導致不可預料的結果產生，所以換相可靠性不高；另外，現有的無刷直流電機驅動器往往采用專用的集成電路，換相和驅動都一井封裝在同一集成電路中，其換相為180°的控制方式，通電的初始30°和結束30°所產生的電機轉矩很小，導致效率非常低，而且，由于換相和驅動都在同一集成芯片內完成，這樣的驅動裝置只適合小功率驅動，驅動能力有限，不適應大功率的場合(大功率的解決方案將IGBT開關管、IGBT驅動電路和換相電路ー并集成到芯片中，有大的散熱裝置，這樣形成的功率模塊價格非常高)。
實用新型內容為了解決現有的無刷直流電機驅動器的上述問題，本實用新型提供ー種電流換相由硬件電路完成、換相可靠、效率高的無刷直流電機驅動器的驅動信號分配模塊。本實用新型采用以下的技術方案一種驅動信號分配模塊，包括三組由硬件電路構成的換相電路，各換相電路的輸出端連接可方便調節換相角度的延時電路，延時電路的輸出端連接可輸出陡峭上升和陡峭下降的方波信號的整形電路，整形電路的輸出端連接反相放大電路；每組換相電路和延時電路集成在一芯片上。進ー步，所述延時電路由串聯電阻和并聯電容構成。再進ー步，所述整形電路由芯片74LS14構成。本實用新型的有益效果是電機三相線圈的換相由硬件電路的邏輯運算來完成，硬件電路抗干擾能力強，具有實時性，能避免計算機有時在強干擾的情況下程序跑飛而產生不可預料的結果，所以換相的可靠性提高；另外驅動信號分配模塊中含有電容電阻的延時電路，可以方便的調節換相角度(一般延時20度導通)，提前截止由計算機的軟件算法完成(一般提前截止角度亦為20度)，各相線圈的實際導通角度為140度。該軟硬件結合的方法可簡單可靠的實現電機通電效率的提升。
圖I是本實用新型實施例的下橋欠驅動電壓保護模塊的電路圖。圖2是本實用新型實施例的過流檢測模塊的電路圖。圖3是本實用新型實施例的計算機模塊的功能圖。[0012]圖4是本實用新型實施例的相位濾波放大模塊的電路圖。圖5是本實用新型實施例的驅動信號分配模塊的電路圖。圖6是本實用新型實施例的驅動放大模塊的電路圖之一。圖6續是本實用新型實施例的驅動放大模塊的電路圖之ニ，其中，Linel、Line2是
圖6和圖6續的連接點。圖7是本實用新型實施例的三相橋模塊的電路圖。圖8是本實用新型實施例的無刷直流電機的示意圖。圖9是本實用新型實施例的高壓儲能模塊的電路圖。圖10是本實用新型實施例的上橋欠驅動電壓保護模塊的電路圖。圖11是本實用新型實施例的電源模塊的功能圖。圖12是驅動信號分配模塊中的芯片U5、U6、U7的原理圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進ー步說明。參照圖1-12 : —種無刷直流電機驅動器，包括用于換相控制的驅動信號分配模塊5，該驅動信號分配模塊5將來自無刷直流電機的三路轉子位置信號A、B、C轉換成6路驅動信號輸出，分別是3路上橋驅動信號和3路下橋驅動信號,3路上橋驅動信號和3路下橋驅動信號分別連接到驅動放大模塊6中的六路兩級晶體管放大電路，用以放大所述六路驅動輸出信號，所述驅動放大模塊6中的六路兩級晶體管放大電路的輸出UG+、UG-、VG+、VG-、WG+,WG-分別連接到三相橋模塊7中對應的6個IBGT開關管的柵極，所述三相橋模塊7中三個橋的中路輸出U、V、W分別連接到無刷直流電機的3輸入端U、V、W，無刷直流電機在U、V、W正確相序的通電情況下轉動，同時產生3路轉子位置信號A、B、C以維持U、V、W的正確相序。無刷直流電機的三路轉子位置信號A、B、C還輸入到計算機模塊3中用以檢測該無刷直流電機的轉速，計算機模塊3產生的脈寬調制信號Pz輸入到驅動信號分配模塊5中用以控制無刷直流電機的轉速，電源模塊10提供所有模塊所需的電源，本實施例是13路電源Vcc, +15V、-10V、+500V、+20_U、_5_U、+20_V、_5_V、+20_W、-5JL US、VS、WS,該 13 路電源分別與對應的模塊相連接。另外，電源模塊10中設定，-5_U比US低5伏，-5_V比VS低5伏，-5_ff比WS低5伏，Vcc相對Gnd為5伏。所述驅動信號分配模塊5包括三組由硬件電路構成的換相電路，各換相電路的輸出端連接可方便調節換相角度的延時電路，延時電路的輸出端連接可輸出陡峭上升和陡峭下降的方波信號的整形電路，整形電路的輸出端連接反相放大電路；每組換相電路和延時電路集成在ー芯片jcdl上。所述驅動信號分配模塊5與驅動放大模塊6在連接點UU+、UU-、W+、VV_、WW+、WW-處連接。所述驅動放大模塊6與三相橋模塊7在連接點UG+、UG-、VG+、VG-、WG+、WG-處連接。三相橋模塊7與無刷直流電機在連接點U、V、W處連接。無刷直流電機的三路轉子位置信號A、B、C中，A與計算機模塊3輸入端的AF連接，B與計算機模塊3輸入端的BF連接，C與計算機模塊3輸入端的CF連接。所述無刷直流電機驅動器還包括與驅動信號分配模塊5相連的相位濾波放大模塊4，所述相位濾波放大模塊4將無刷直流電機輸出的三路轉子位置信號進行濾波、放大以更有效的驅動驅動信號分配模塊5。所述無刷直流電機與相位濾波放大模塊4在連接點A、B、C處連接，所述相位濾波放大模塊4與驅動信號分配模塊5在連接點AA、BB、CC處連接。所述無刷直流電機驅動器還包括與驅動信號分配模塊5相連的下橋欠驅動電壓保護模塊I，所述下橋欠驅動電壓保護模塊I用于檢測所述電源模塊10提供的低壓電源(+15V)，該低壓電源用于三相橋模塊7中下橋IGBT的柵極與發射極之間的驅動電壓(當UU-為高電平，導致光耦P2導通，驅動放大模塊6的Q28截止、Q29導通吋，UG-等于+15V，這樣，下橋IGBT的柵極與發射極之間的驅動電壓就為+15V減G);當該低壓電源低于設定值(如12V)時，使驅動信號分配模塊5無對應的下橋驅動信號輸出。所述下橋欠驅動電壓保護模塊I與驅動信號分配模塊5在連接點LL處連接。具體的，所述下橋欠驅動電壓保護模塊I用于檢測+15V (+15V是指連接點而非實際電壓)到G之間的電壓，當其低于設定值時(如12V)，LL將為高電平輸出，驅動信號分配模塊5的三個下橋驅動信號(UU-、VV-、ffff-)輸出數字零電平(GND)，驅動放 大模塊6輸出的三個下橋驅動信號(UG-、VG-、WG_)輸出-IOV低壓截止電平，于是三相橋模塊7的三個下橋IGBT (Q17、Q19、Q21)的柵極為-IOV低壓截止電平，從而無刷直流電機無電流流過。同吋，可以對三相橋模塊7的三個下橋IGBT實現低驅動電壓保護，理由是當三相橋模塊7中的下橋IGBT需要導通時，其柵極與發射極之間的驅動電壓(UG-減G)必須高于12V，否則會因導通不良而燒毀，于是當柵極和發射極之間檢測的電壓低于12V時，就干脆讓下橋IGBT不導通而起到保護作用。所述無刷直流電機驅動器還包括與驅動信號分配模塊5相連的上橋欠驅動電壓保護模塊9，所述上橋欠驅動電壓保護模塊9用于檢測電源模塊10提供的三對高壓電源(+20_U與US之差、+20_V與VS之差、+20_W與WS之差)，該三對高壓電源用于三相橋模塊7中上橋IGBT的柵極與發射極之間的驅動電壓(當UU+為高電平，導致光耦Pl導通，驅動放大模塊6的Q22截止、Q23導通吋，UG+等于+20_U，這樣，上橋IGBT的柵極與發射極之間的驅動電壓就為+20_U減US)。電源模塊10在設計的時候，設定+20_U與US之差為15伏，但由于某些干擾會導致+20_U與US之差可能會瞬時過低的情況，而導致IGBT導通不良，使其發熱而燒毀，所以要増加上述上橋欠驅動電壓保護模塊9起保護作用。當上橋欠驅動電壓保護模塊9中的某一高壓電源低于設定值(如12V)吋，驅動信號分配模塊5無對應的上橋驅動信號輸出。具體的，以其中的一路信號為例，上橋欠驅動電壓保護模塊9中，當+20_U與US之差低于設定值(如12V)時，上橋欠驅動電壓保護模塊9中的光耦P7的左側無電流流過，光耦P7的右側截止，運算放大器的負輸入端的電壓為零(Gnd)，低于正輸入端的電壓(由R71、R72、D32決定)，由于該運放電路的放大倍數為無窮大，LU+會迅速上升到Vcc電平，當LU+為數字高電平時，驅動信號分配模塊5中的等同于或非門電路將使其對應的UU+輸出數字低電平，低電平的UU+不能使驅動放大模塊6中光耦Pl導通，這樣，Q22導通、Q23截止，UG+端的電平被拉低到_5_U電平，從而使三相橋模塊7中上橋IGBT截止。這里的高壓是指三相橋模塊7中上橋IGBT的柵極與發射極之間的高導通電壓，當三相橋模塊7中上橋IGBT需要導通時，其柵極與發射極之間的驅動電壓必須高于12V，否則會因導通不良而燒毀，上橋欠驅動電壓保護模塊9正是用于檢測三相橋模塊7中上橋IGBT的柵極與發射極之間的驅動電壓，若檢測該驅動電源的電壓低于12V時，就干脆讓上橋IGBT不導通而起到保護作用。所述上橋欠驅動電壓保護模塊9與驅動信號分配模塊5在連接點LU+、LV+、Lff+處連接。所述無刷直流電機驅動器還包括與驅動信號分配模塊5相連的過流檢測模塊2，所述過流檢測模塊2用于檢測流過無刷直流電機的電流，當該電流超過設定值時，使驅動信號分配模塊5無信號輸出。所述過流檢測模塊2與驅動信號分配模塊5在連接點II處連接。所述無刷直流電機驅動器還包括與三相橋模塊7相連的高壓儲能模塊8，所述高壓儲能模塊8用于儲存無刷直流電機線圈截止時線圈中的能量，限制電路中的電壓波動，以降低三相橋模塊7中IGBT開關管的電壓，保護三相橋模塊中的IGBT開關管。所述三相
橋模塊7與高壓儲能模塊8在連接點+550V處連接。所述的驅動放大模塊6采用兩級晶體管放大電路。本實施例的工作原理相位濾波放大模塊4接收無刷直流電機輸出的轉子位置信號A、B、C進行電阻電容高頻濾波和晶體管放大后輸出AA、BB、CC到驅動信號分配模塊5，所述驅動信號分配模塊5產生正確相序的六路驅動信號，作為驅動放大模塊6的六路放大電路的輸入，所述驅動放大模塊6中的放大電路由光電隔離電路Pl和兩級晶體管放大電路組成，其輸出UG+、VG+、WG+分別連接三相橋模塊7的上橋IBGT的柵極，其輸出UG_、VG-、WG-分別連接三相橋模塊7的下橋IBGT的柵極，三相橋模塊7的三橋的中部輸出U、V、W分別連接無刷直流電機的三相輸入，高壓儲能模塊8還與三相橋模塊7通過ニ極管D12、D15、D18相連，所述高壓儲能模塊8中的電容C19用于存儲當下橋IGBT (Q17、Q19、Q21)截止時無刷直流電機線圈中的能量，由于C19的負極接電源的正極(+500V)，C19可以采用低壓大容量電解電容，從而起到良好的儲能穩壓的作用，無刷直流電機的轉速由計算機模塊3輸出的脈寬調制信號Pz來控制，Pz被輸入到驅動信號分配模塊5，當Pz為高電平時，驅動信號分配模塊5的三個上橋驅動信號(UU+、VV+、ffff+)輸出數字零電平(Gnd)，驅動放大模塊6的三個上橋驅動信號(UG+、VG+、WG+)分別對應輸出_5_U、-5_V、_5_W低壓截止電平，由于電源模塊10中設定_5_U、-5_V、-5_ff相對US、VS、WS為-5伏，于是三相橋模塊7中的三個上橋IGBT (QU Q18、Q20)截止，從而無刷直流電機無電流流過；下橋欠驅動電壓保護模塊I的LL輸入到驅動信號分配模塊5，所述下橋欠驅動電壓保護模塊I用于檢測+15V到G之間的電壓，當其低于設定值時(如12V)，LL將為高電平輸出，驅動信號分配模塊5的三個下橋驅動信號(UU-、VV-、Wff-)輸出數字零電平(Gnd)，驅動放大模塊6的三個下橋驅動信號(UG-、VG-、WG-)輸出-IOV低壓截止電平，于是三相橋模塊7的三個下橋IGBT (Q17、Q19、Q21)的柵極為-IOV低壓截止電平，三個下橋IGBT截止，從而無刷直流電機無電流流過，并且對三相橋模塊7的下橋IGBT進行低壓保護，上橋欠驅動電壓保護模塊9中的三路電路類似下橋欠驅動電壓保護模塊I中的電路，只是檢測的電平分別為+20_U與US之差、+20_V與VS之差、+20_ff與WS之差；過流檢測模塊2的輸出II連接到驅動信號分配模塊5，起過流保護作用，當流過無刷直流電機的電流過大時，+500V與+550V間的電壓加大到使其II有高電平輸出，類似于Pz，會使驅動信號分配模塊5的三個上橋驅動信號(UU+、W+、Wff+)無輸出，導致三相橋模塊7中的三個上橋IGBT (QU Q18、Q20)截止，從而無刷直流電機無電流流過，同時，所述過流檢測模塊2輸出I_int到計算機模塊3，產生中斷信號，計算機模塊通過中斷程序及時進行響應，通過拉高Pz而讓三相橋模塊7中3個上橋IGBT不導通，從而使無刷直流電機斷電。[0035]圖12是本實施例的驅動信號分配模塊5中芯片U5、U6、U7的原理圖，從圖中可以看出芯片U5、U6、U7的數字邏輯。結合圖12以及圖5中U5、U6、U7的引腳連接關系，可以得出下面的換相和延時的邏輯關系對于U5路HKlH = Pz (LU- ) II + (K-) + HB 一 CC = Pz -I- (JM..;); !I + LOW + BB + CCU+ = UP = HIGH(\-e°~"n),其中，て是時間常數low = LL +A一 + JW + ('( = LL + HIGH + BB+ CCU-= DN = LOW{\-eil-'；T})，其中，て是時間常數
對于U6路HIGH = Pz - (Λ V+) -I- II 冬(K-) + AA + BB = Pz - (Λ V ) + Il LOW AA ニ BBV+= UP = NKiHO -e[X~!:T))，其中，τ 是時間常數LOW = I-Ι. + (K+) + AA + BB = LL + HIGH + AA + BBV-=DN =Τδ ν(\-^-<；τ)),ル中，τ 是時間常數對于U7路HIGH = Pz + (Λ W+) + Ii+ (K-)+ ('C + = Pz+ (LW+) +Il + LOW + ('(' + UW+ = UP = HIGH(]-ea~, r))，其中，て是時間常數IO W = U」+K^ +W' + AA = LI, + HIdH + CC'十 AAW- = DN = LOlV(l-eil~rr})，其中，て是時間常數上述公式中，(l-e(1_t/T))表示延時，τ由延時電路的電阻和電容值相乘得到。產生上橋信號UP的上橋電路中，R1，C1組成延時電路，該延時電路的系數τ由Rl和Cl相乘得到。產生下橋信號DN的下橋電路中，R3、C2組成延時電路，該延時電路的系數τ由R3和C2相乘得到，這樣就可以通過電阻、電容調節交流信號的相位來達到延時的作用。上橋與下橋電路中的K+和K-起互鎖作用，互鎖的目的是為了保證UP和DN不能同時為I或者同時為零，從而只允許有一路輸出高的驅動電平，保證其后面對應的三相橋模塊7的上、下橋IGBT開關管不會同時導通而導致其短路燒毀。由于K+和K-是同步輸入輸出，當產生UP信號的驅動信號分配模塊5的上橋的輸入Pz、LH、II>K-均為低電平零，同時,產生DN信號的驅動信號分配模塊5的下橋的輸入LL、K+均為低電平零的情況下，UP和DN同時輸出高電平1，這樣會導致三相橋模塊7的上、下橋同時導通；為了防止上述情況下的三相橋模塊7的上、下橋同時導通，將驅動信號分配模塊5的上橋延時電路中的R1、Cl數值設置的很小，這樣該驅動信號分配模塊5的上橋延時電路只起到了微弱的延時導通的作用，其主要作用是起防止三相橋模塊7的上、下橋同時導通。而電機線圈電流的延時導通(調節換相角度)的作用主要由驅動信號分配模塊5的下橋延時電路(由R3、C2構成)來實現。本實施例的相位濾波放大模塊4，還起到電機線圈電流的延時導通的作用,例如對于A相而言,延時導通由相位濾波放大模塊4中的R43和C15解決。這樣,相位濾波放大模塊4和驅動信號分配模塊5內的集成電路的下橋延時電路，協同起延時導通的作用。有相位濾波放大模塊4的存在，驅動信號分配模塊5內的集成電路的下橋延時電路的時間常數就不需要設置得太大。驅動信號分配模塊5中，芯片U5、U6、U7的輸出端U+，U-, V+，V-, W+，W-分別連接74LS14構成的整形電路，整形電路的輸出端再連接放大電路。圖12中，或門和非門邏輯電路實現三相電流的換相，而延時電路是將換相角度由0-180度改為20-180度(延時了 20度，該20度可調);經過延時電路后，電平由Gnd到Vcc是緩慢上升的，此時再經過由74LS14
構成的整形電路，其電平變成陡峭上升的方波驅動信號，最后經放大電路將信號反相放大輸出，陡峭上升的方波信號是三相橋模塊7的上、下橋IGBT高效率導通的必要條件。
權利要求1.一種驅動信號分配模塊，其特征在于包括三組由硬件電路構成的換相電路，各換相電路的輸出端連接可方便調節換相角度的延時電路，延時電路的輸出端連接可輸出陡峭上升和陡峭下降的方波信號的整形電路，整形電路的輸出端連接反相放大電路；每組換相電路和延時電路集成在一芯片上。
2.如權利要求I所述的驅動信號分配模塊，其特征在于所述延時電路由串聯電阻和并聯電容構成。
3.如權利要求I或2所述的驅動信號分配模塊，其特征在于所述整形電路由芯片74LS14 構成。
專利摘要本實用新型涉及一種驅動信號分配模塊，包括三組由硬件電路構成的換相電路，各換相電路的輸出端連接可方便調節換相角度的延時電路，延時電路的輸出端連接可輸出陡峭上升和陡峭下降的方波信號的整形電路，整形電路的輸出端連接反相放大電路；每組換相電路和延時電路集成在一芯片上。本實用新型提供一種電流換相由硬件電路完成、換相可靠、效率高的無刷直流電機驅動器的驅動信號分配模塊。
文檔編號H02P6/14GK202586847SQ20122017698
公開日2012年12月5日 申請日期2012年4月24日 優先權日2012年4月24日
發明者李繡峰 申請人:溫嶺市三木機電有限公司, 臺州學院