国内无刷电机品牌控制器加功率管

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2018-11-24 17:38 标签： 控制器加功率管

    电动车采用的电机分有刷电机和無刷电机两种由于无刷电机具有噪声低、寿命长的特点，因而在电动车中获得比较广泛应用无刷电机的控制器加功率管要比有刷电机控制器加功率管复杂得多，在维修上有一定的难度因此，本文从无刷控制器加功率管的原理入手介绍维修要点以期对广大维修爱好者囿所帮助。

    电动车无刷控制器加功率管主要由单片机主控电路、功率管前级驱动电路、电子换向器、霍尔信号检测电路、转把信号电路、欠电检测电路、限流/过流检测电路、刹车信号电路、限速电路、电源电路等部分组成其原理框图如图1所示，下面介绍主要电路的工作原悝

    无刷电机与有刷电机的根本区别就在于无刷电机用电子换向器代替了有刷电机的机械换向器，因而控制方法也就大不相同复杂程度奣显提高。在无刷电机控制器加功率管中用6个功率 MOSFET管组成电子换向器，其结构如图2所示图中MOSFET管VT1、VT4构成无刷电机A相绕组的桥臂，VT3、VT6 构成無刷电机B相绕组的桥臂VT5、 VT2构成无刷电机C相绕组的桥臂，在任何情况同一桥臂的上下两管不能 同时导通，否则要烧坏管子

     6只功率MOSFET管按┅定要求顺次导通，就可实现无刷电机A、B、C三相绕组的轮流通电完成换相要求，电机正常运转在电动车无刷电机控制器加功率管中，這 6只功率管有二二通电方式和三三通电方式的运用二二通电方式即每一瞬间有两只功率管同时通电，三三通电方式即每一瞬间有三只功率管同时通电对于二二通电方式，功率管须按 VT1、VT2；VT2、VT3；VT3、VT4； VT4、VT5；VT5、VT6；VT6、VT1； VT1、VT2??的通电顺序，电机才能 正常运转。对于三三通电方式，功率管须按VT1、VT2、VT3；VT2、VT3、

 的驱动电路是相同的因而功率管前级驱动电路是由3组相同结构的电路组成，图3所示的是一典型的功率管前级驱动電路对于一无刷控制器加功率管，有3个这样的电路分别驱动3个桥臂。

单片机主控电路是无刷电机控制器加功率管的核心部分电机的霍尔信号、转把信号、过流检测信号、刹车信号等都直接输入给单片机，由单片机进行处理并由单片机输出电子换向器三个桥臂的前级驅动信号，以控制电机的运转因而单片机主控电路是无刷电机控制器加功率管的心脏部分。单片机PIC16F72是目前电动车无刷电机控制器加功率管的主流控制芯片图4所示的是用PIC16F72构成的无刷控制器加功率管的典型应用电路，它包括了无刷电机控制器加功率管的各主要输入、输出信號如图 4中的SPSIG端信号，该信号经过电阻R69和R68组成的网络送入单片机的第5脚单片机根据该脚的电压信号变化，决定输出驱动信号的脉宽从洏决定电机的转速。目前市面上电动车的转把输出信号电压一般在1~4.2V

    它内部是由一个线性霍尔元件和一个磁 体组成，转动转把、磁体移动霍尔元 件感应变化的磁场而输出变化的电压。

    限速电路是通过分压电阻减小送入单片机的转把最高电压信号，从而限制了速度如图4Φ把SPLIMT端接地，则R67与R68即组成分压电路降低转把信号（SPSIG）送入单片机的5 脚的电压，从而限制了电动车的最高 转速

    在图4中，电阻R31~R36、电容 C16~C18组成霍尔信号检测输入电路电阻R34~R36形成上拉电位，电容C16~C18起滤波作用抑制干扰信号。单片机的15、16、17脚分别检测来自电机内的三路霍尔位置信号以决定换相时刻。 

    在图4中元件R70、R71、R72、 C23组成电池电压检测电路，检测值送入单片机的3脚当该脚检测值低于某一数值时，可强迫无刷电機控制器加功率管不工作从而起到保护电池的作用。

对于电动自行车当手把刹车时，单片机得到刹车信号无刷电机控制器加功率管停止输出控制信号，电机断电这称为刹车断电，对于有些无刷控制器加功率管当单片机得到刹车信号时，则输出控制信号强制电机菢住，使电机不能转动这称为电刹车。目前市面上电动车的刹车信号有高电平刹车信号和低电平刹车信号两种对于单片机一般只识别其中一种信号，如果采用电平转换电路则可识别两种电平的刹车信号。在图4中当BK信号端为低电平，则单片机第7 脚得到低电平刹车信号通知无刷控制器加功率管完成刹车过程。当HBK端为高电平时通过电阻R66、R81、R88及三极管VT20完成电平转换，三极管VT20 的集电极变为低电平单片机苐7脚为低，通知无刷控制器加功率管完成刹车动作

    在无刷电机控制器加功率管中，一般需两组电源一个是14V电源供功率MOSFET驱动用，另一个昰5V电源供单片机、电机霍尔、转把霍尔等电路用。14V电源一般由LM317调整管得到5V电源一般由78L05得到，电路程式如图5所示

    限流保护是控制无刷電机控制器加功率管 在某一最大限定电流值下工作，对于 36V控制器加功率管限流值一般在14±1A，对于48V控制器加功率管限流值一般在17±1A限流保护其实又是过载保护，当上坡、载重必然引起负载加重、电流增大但电流增大的极限就是限流值。如图4中IC6B（LM358）的运放与电阻R73、R74、R75、R76忣RT 构成限流信号检测电路。R T为串接于 MOSFET管上的电阻丝如图2所示，因为电机电流通过MOSFET管也就流  过R  T，当流过电机的电流变化反应在 R  T上就是R  T兩端电压的变化。当流过RT 的电流大到限定电流时此时IC6的第 7脚输出约3V的电压，单片机PIC16F72 的 2脚得到3V电压时则降低MOSFET 驱动输出信号的占空比，迫使流过电机 的电流下降即R  T上的电流下降，同时 R  T上的电压下降使得IC6的第7脚输出下降，如此动态调节保证无刷电机控制器加功率管工作於限流值以下。过流保护是当电机电流达到限定电流时无刷电机控制器加功率管电流仍在上升，则强迫停止电机供电IC6A的运放和R59、R61、R62及R T構成过流保护检测电路，见图4检测信号由IC6的1 脚输出，送入单片机的21脚

    根据笔者在实际工作中的经验， 要修好无刷控制器加功率管可按如下步骤进 行，将会收到事半功倍的效果

   第一步?正确判断无刷电机控制器加功率管的各引出线功能 无刷电机控制器加功率管一般具備如下引 出线。

    1.  电机线（图6中A线）无刷电机控制器加功率管电机线有3根称为A、B、C相线，一般黄线为A相蓝线为B相，绿线为C相但也有例外，这就要求维修者试着调换3根线的次序直到电机运转正常。

    2.  电源线（图6中B线）无刷电机控制器加功率管电源线一般用3根线其中一根細一些的线为锁线，它是给无刷电机控制器加功率管14V及 5V电源供电的另外 两根粗线（红、黑）给功率管供电。

    3. 限速线（图6中C线）国家标准規定电动车的最高限速 为20km/h因此各无刷电机控制器加功率管厂 家生产的控制器加功率管出厂时都留有如图7 中的D号线，当插头插上则电动車 限速为20km/h，符合国家标准如断 开，则电动车速度将大于20km/h方 便用户选择。

    4.  刹车线（图6中D线）刹车线连接到电动车的把手开关上当刹车時开关动作，刹车信号送入单片机执行刹车断电或刹车抱死动作。

    5.  速度线（图6中E线）速度线与电动车仪表盘中的速度表相连在无刷电機控制器加功率管内它通过一限流电阻与电机的某一根相线相连。电机速度变化反应在电机相线中电流变化，则在速度线中电流也变化反应在仪表盘中就是速度的变化。

    6.  转把线（图6中F线）转把线连接到电动车转把内的霍尔上转把线有3根线，分别为电源正、电源负和信號线一般红线为电源正，黑线为电源负信号线为蓝色。当转把转动时转把内磁铁相对霍尔运动，产生由低到高的感应电压信号该信号送入单片机，执行调速指令

    7.  电机霍尔线（图6中G线）电机霍尔线与电机内霍尔相连，以决定电机换相时刻霍尔线有5根线：红为正，嫼为负其余3根线为3 个霍尔信号，这3根线与电机相连必须次序正确，否则电机不能正常运转有时需反复调换这3根线与电机相连次序，矗到电机运转正常

   第二步?目视检查打开无刷电机控制器加功率管，如图7所示目视检查有无不良，重点检查各导线是否焊接良好功率MOS管、14V 稳压管、大电解电容、单片机、振荡器是否焊接良好，如图7中A、B、C、 D、E标注的所示要排除不良点。

    2. 分别测6个MOS管引脚间有无短路现潒此点较为重要，无刷电机控制器加功率管（如MOS管）较差过流保护控制不佳或散热做得不好，往往会引起MOS管击穿如图7中A部分。

    第四步?在通电情况下测直流工作点 测 LM317 输出 （ 应为 14V ）、 78L05输出（应为5V）、转把线霍尔线、助力线、红线与黑线间电源（应 为5V）

    1. 只连接电机线、霍尔线、转把线，保证正确连接后通电试着转动转把先慢慢转动一小段位置（低速），看电机运转状态是否正常如不正常，立即停机重新检查。只有电机低速正常方可逐渐提高速度，否则易损坏器件

    2.  在电机运转正常情况下，检查 刹车、助力、速度表、欠压、限流等功能是否正常

第六步?故障排除有时故障现象是多方面因素造成的，因此我们要善于透过现象看本质，逐一排除点最后问题便迎刃而解，附表是故障现象与原因的几点总结

   总之，在初步掌握无刷控制器加功率管基本原理的基础上按照以上所介绍的几点步骤维修，将会收到事半功倍的效果本文旨在抛砖引玉，许多维修技巧还要靠不断实践才能融会贯通

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无刷直流电机(以下简称BLDCM)用电子换楿器取代机械换向器根除了电刷和换向器接触磨损所导致的寿命周期短、电气绝缘低、火花干扰强等诸多缺陷;同时永磁材料的高磁性能使无刷直流电机具有起动转矩大、调速范围广、运行效率高等优点，在各个工业领域有着广泛应用

由于本系统有较高的可靠性要求，因此总体设计思路是采用主控、监控双DSP系统架构满足控制器加功率管的高可靠性要求;三相功率逆变器选用三菱公司的第五代智能功率模块PM15 0CLA120为核心采用光耦HCPL4506进行门极驱动信号隔离;采用多传感器进行系统状态监测并通过转速和电流双闭环控制策略进行电机转速精确控制，从而满足系统对无刷电机控制器加功率管的高可靠性运行和精确的转速控制以及宽范围转速调节等控制要求

BLDCM控制系统原理框图如图1所示，控制器加功率管通过RS422与上位机进行通信;无刷电机通过机械传动装置驱动系统运转;采用旋转变压器传感器作为BLDCM的转子位置和转速反馈元件

控制器加功率管采用高性能的数字信号处理器作为控制核心，其中主控DSP完成无刷直流电机的转速和电流双闭环控制满足无刷电机具有调速范圍宽、控制精度高的要求;监控DSP完成系统温度、电流、电压、转速等状态监控，通过传感器检测冗余(数量冗余、类型冗余、位置冗余)设置既可以实现关键参数的精确测量和控制策略的精细化操作，还可以确定功率开关及电机三相绕组故障状态监控DSP和主控DSP通过双口RAM(DPRAM)快速进行數据交换，便于控制系统工作

控制器加功率管选用的TMS320F2812是美国TJ公司推出的32位定点数字信号处理器，专门针对电机和运动控制主控DSP具备6路PWM 輸出模块、功率驱动及逆变模块、旋变位置传感器激励及解算模块、模拟量转换模块、SCI通信等主要模块，具有很强的实时数据运算能力;监控DSP进行模拟信号采集、外部通讯、系统运行工况监控等非实时信息处理

由于DSP嵌入式系统的特点在于高速数据处理，因此实现主DSP与从DSP之间嘚数据通信成为主从式硬件系统的一个设计关键本系统利用DPRAM作为共享存储器进行通信，其优点是实时性好可靠性高，数据传输效率高接口电路简单。DPRAM的每个端口都有各自的数据、地址、控制总线允许处理器对存储器的任何地址执行随机读写操作。DPRAM与两个DSP之间的硬件連接关系如图2所示

2.2 功率逆变电路及驱动设计

根据控制器加功率管负载需求及功率开关器件的应用场合，设计选用三菱公司第五代智能功率模块PM150CLA120(以下简称IPM)为功率逆变电路其主要设计参数为耐压1200V、最大负载电流150A;该IPM模块内部集成了6个IGBT开关管逆变电路、优化门极驱动电路以及快速保护电路，其内部框图如图3所示并其具有以下突出优点：1)开关管导通压降低、开关损耗低;2)集成过流、过热、欠压等保护功能;3)内置自举电蕗实现单电源供电;4)采用优化设计抑制浪涌、噪声等引起的干扰问题

主控DSP输出6路PWM信号用于驱动功率逆变电路过程中，为防止控制信号受功率驱动电路的干扰采用“光耦+隔离电源”的方式用于逆变桥功率开关的门极驱动。设计使用光耦HCPL4506作为隔离驱动电路的核心芯片其最大驅动电流2.5A，可满足功率模块PM150CLA120的驱动电流要求;原副边之间瞬态隔离电压10kV/μs可以确保各功率开关之间的隔离强度;使用隔离电源DC/DC模块PWF2415D作为IGBT功率開关门极驱动电源，隔离强度为1500VAC同时具有输出短路保护(自恢复)功能。

控制系统设计选用隔离型电流传感器GCBC100进行电流采样其灵敏度为40mV/A，非线性度为±1%符合控制系统的精度要求。采样电路将电流传感器输出电压信号经过运算放大器及滤波电路，转换为DSP的AD通道能够接收的電压范围(0～3.3V)使控制器加功率管能够实时监控电流的变化，进行电流环 PID调节

旋变解算芯片采用AD公司的AD2S82A芯片，其可以将旋转变压器输出的模拟位置信号转换成数字位置信号而且同时还可以得到高精度的速度信号，能够很好地满足位置及速度反馈信号的要求并设置为12位解算精度，对应跟踪转换速度最高可达15600r/min满足设计要求;使用由运算放大器、电阻和电容构成的文氏桥正弦波激励发生电路产生旋变激励信号，结构简单可靠性高。

AD2S82A内部结构如图4所示旋转变压器输出的正、余弦信号经滤波、放大后输入至AD2S82A的sin和cos引脚，在合适的外围配置电路配匼下AD2S82A即可完成12位数字量输出。AD2S82外围配置电路由电阻和电容构成以实现引脚电平上拉、下拉、高频滤波、增益设定、最大跟踪速率设定囷闭环带宽等设定功能，设计严格参考相应的数据手册及相关软件进行选取保证AD2S82能够可靠工作。

图5为无刷电机匀速旋转时旋转变压器(RVDT)的噭励信号、正弦输出信号和余弦输出信号的测试波形从图中可以看出两路输出信号正交，输出信号与激励信号过零点重合未出现相位偏移现象。输出信号经旋变结算芯片AD2S82A解算输出12位数字量(0～8191对应转子位置角度0～360°)DSP使用数据总线在PWM中断程序中连续4次读取RVDT的解算信号如图6所示。以上分析可知RVDT解算电路实现了无刷电机转子位置的解算，能够准确的反映电机转子的实际位置为电机调速控制提高可靠的硬件基础。

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