本實(shí)用新型涉及的是一種無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速控制是無(wú)刷直流電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，直接影響其運(yùn)行特性，決定著一臺(tái)電機(jī)能否發(fā)揮出最大效能以及一個(gè)機(jī)電系統(tǒng)能否滿足于在某種環(huán)境下的使用等問(wèn)題。所以設(shè)計(jì)科學(xué)的無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，是提高生產(chǎn)率的重要前提。

目前，無(wú)刷直流電機(jī)控制策略中檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的方法主要為利用霍爾元件獲取信號(hào)計(jì)算出轉(zhuǎn)子位置。這種方式除了要在電機(jī)上裝額外的傳感器元件以外，還要考慮避免在電機(jī)工作中因震動(dòng)、過(guò)熱等現(xiàn)象產(chǎn)生的諸如精度下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)遲緩等問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了上述問(wèn)題，本實(shí)用新型提出了一種無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，主要由控制電路、功率電路、信號(hào)處理等部分組成，以N+N MOS 架構(gòu)為主，建立核心功率控制電路。其大大縮短了動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，提高了系統(tǒng)快速反應(yīng)能力和控制精度。

該無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，包括主控制單元MCU、電源、驅(qū)動(dòng)電源、驅(qū)動(dòng)電路、電流采集過(guò)流保護(hù)電路、位置檢測(cè)單元、主電源、功率電路、速度設(shè)定電路、剎車設(shè)定電路、串行通信電路和指示燈，其中電源、驅(qū)動(dòng)電源、驅(qū)動(dòng)電路、電流采集過(guò)流保護(hù)電路、位置檢測(cè)單元、速度設(shè)定電路、剎車設(shè)定電路、串行通信電路、指示燈分別和主控制單元MCU連接，主電源和驅(qū)動(dòng)電源連接，功率電路分別和驅(qū)動(dòng)電路、電流采集過(guò)流保護(hù)電路和位置檢測(cè)電路連接。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

圖1是根據(jù)本實(shí)用新型的一種無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2是根據(jù)本實(shí)用新型的一種無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)框圖。

圖3是根據(jù)本實(shí)用新型的一種無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的電流采樣過(guò)流保護(hù)電路的結(jié)構(gòu)框圖。

具體實(shí)施方式

為了更好的理解本實(shí)用新型的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述本實(shí)用新型提供的實(shí)施例。

如圖1所示為一種無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。該調(diào)速系統(tǒng)主要包括電源部分、功率開(kāi)關(guān)部分、驅(qū)動(dòng)部分、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)部分和電壓電流采樣部分。

在該系統(tǒng)中，外部電源經(jīng)降壓、穩(wěn)壓給系統(tǒng)主電源供電。系統(tǒng)主電源分別供給電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、主控制單元MCU以三個(gè)不同等級(jí)的電壓。STM8S903K3 作為系統(tǒng)的主控制單元MCU，主要作用是連接外部模塊、處理和計(jì)算反饋信號(hào)控制轉(zhuǎn)子正常運(yùn)轉(zhuǎn)、發(fā)出驅(qū)動(dòng)脈沖、實(shí)現(xiàn)與各接口通訊。位置檢測(cè)單元將轉(zhuǎn)子位置實(shí)時(shí)采樣信息送到主控制單元。電流采集單元不斷采集母線上的電流信息，對(duì)于隨時(shí)可能出現(xiàn)的過(guò)流信號(hào)采取處置措施。系統(tǒng)的外部顯示是通過(guò)一臺(tái)PC 來(lái)實(shí)現(xiàn)的，上位機(jī)通過(guò)PC 與控制系統(tǒng)交換信息，顯示電機(jī)運(yùn)行指標(biāo)。通過(guò)串口通訊手段，來(lái)實(shí)現(xiàn)信息交換，包括各部分信號(hào)、速度設(shè)定、運(yùn)行狀態(tài)指示、剎車控制等。

以STM8S903K3 芯片為核心的硬件電路是一個(gè)多電壓等級(jí)系統(tǒng)。工作電壓的范圍是3V到5V。這里采用的電壓為5V。當(dāng)電壓波動(dòng)過(guò)大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)影響正常工作的多種問(wèn)題，所以為了避免電機(jī)不能正常工作，必須將穩(wěn)壓電源的電壓控制在4.09V 到5.10V 之間。STM8S903K3 的最小系統(tǒng)電路并不復(fù)雜，正確連接電源、接地、VCAP 引腳即可。

STM8 是意法半導(dǎo)體公司推出的高性能130nm 工藝的8 位CPU、是3 級(jí)流水線架構(gòu)的控制內(nèi)核。其不僅具有 S 系列芯片的傳統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)，還專門為驅(qū)動(dòng)電機(jī)而優(yōu)化了一些新的功能。其特有的 PWM 輸出端口，可以同時(shí)輸出六路 PWM 波，并且其中兩路是帶有死區(qū)時(shí)間互補(bǔ)輸出的功能。ADC 輸入可以在配置字節(jié)中自行配置擴(kuò)大了在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)合下的最大轉(zhuǎn)換通道數(shù)。除此之外，該處理器還具有 21 個(gè)高吸收電流輸出口，可以承受很強(qiáng)的倒灌電流。具有單線接口功能，調(diào)試方便并可以在線調(diào)試。其在控制設(shè)備里廣泛被應(yīng)用。使用STM8 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境ST TOOLSET 或IAR System 可以實(shí)現(xiàn)STM8 的安全高效的開(kāi)發(fā)。

（1）2.95V 到5.5V 的工作電壓。

（2）內(nèi)部高速16MHz 時(shí)鐘。

（3）FLASH 存儲(chǔ)空間擴(kuò)大到8KB。

（4）RAM 存儲(chǔ)空間擴(kuò)大到1KB。

（5）EEPROM 存儲(chǔ)空間擴(kuò)大到640 字節(jié)，可反復(fù)燒寫內(nèi)容30 萬(wàn)次，三級(jí)流水線架構(gòu)。高達(dá)20MIPS 的處理性能。

（6）高達(dá)7 路的數(shù)模轉(zhuǎn)換路數(shù)。

（7）特別為電機(jī)控制設(shè)計(jì)的16 位定時(shí)器。

（8）多達(dá)3*16 位定時(shí)器和8 位定時(shí)器。

（9）兩個(gè)看門狗IWDG 和WWDG，可靠性大大提高。

（10）具備UART 通訊接口。

（11）具備10Mb/s 的SPI 接口。

（12）具備IIC 接口。

（13）具有單線燒錄功能的SWIM 模塊，燒寫、調(diào)試方便。

驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示，分為上橋和下橋驅(qū)動(dòng)電路組成。下橋 MOSFET 管 V1A 使用意法半導(dǎo)體的STP75。這種 N 溝道增強(qiáng)型的 MOSFET 功率管，只要給 V1A 管子的柵極加 15V 的電壓，就可以使其導(dǎo)通。下橋電路的V1A 的源極對(duì)地電壓很小，近似等于 0V，所以只要給V1A 的柵極加 15V 電壓，V1A 的柵源間電壓就可以達(dá)到15V，要關(guān)斷 V1A 管，只需給柵極加0V電壓。STM8S903K3 輸出的電壓是3.3V，需要將這個(gè)信號(hào)升高到 15V 才能驅(qū)動(dòng)V1A。Q3A、Q4A、Q5A 和周邊器件共同組成了電壓轉(zhuǎn)換電路。當(dāng)下橋臂的控制信號(hào)為低電平時(shí)，Q3A、Q4A 導(dǎo)通，Q5A 關(guān)閉。驅(qū)動(dòng)電路通過(guò) Q3A、R9A 為下管 V1A 的柵極快速充電，MOS 管柵源電壓上升到 15V，于是 V1A 開(kāi)通。當(dāng)下橋臂的控制信號(hào)為高電平時(shí)，Q3A、Q4A 關(guān)閉，Q5A 導(dǎo)通。為下管 V1A 的柵極提供放電回路，使其柵源電壓迅速下降到 0.7V左右，于是 V1A 關(guān)斷。

上橋電路和下橋電路有很多相似點(diǎn)。當(dāng)給 V0A 管的柵源間加 15V 電壓時(shí)，才能保證V0A 順利開(kāi)通。C1A 的正極通過(guò)二極管 D0A 接到+15V 電源，負(fù)極接到電機(jī)的 A 相。與它所驅(qū)動(dòng)的 MOSFET V0A 的源極接在一起。這種接法的電路稱為自舉升壓電路。電機(jī)在不工作時(shí)，如果所有的 MOSFET 關(guān)閉，此時(shí) C1A 通過(guò)二極管 D0A 和電阻 R5A 可充電至 14V 左右。也可以在啟動(dòng)前，通過(guò)程序控制，先打開(kāi)下橋臂 MOS 管 V1A，讓 C1A 通過(guò)二極管D0A 和 MOS 管 V1A 進(jìn)行預(yù)充電。當(dāng)上橋臂的控制信號(hào)為高電平時(shí)，Q1A、Q0A 導(dǎo)通，Q2A 關(guān)閉。電容 C1A 上的電壓經(jīng)過(guò) Q0A、D1A、R4A 加到 V0A 的柵極，使 V0A 導(dǎo)通。V0A 靠 C1A 兩端的電壓來(lái)維持導(dǎo)通。當(dāng)上橋壁的控制信號(hào)為低電平時(shí)，Q1A。Q0A 關(guān)閉，Q2A 導(dǎo)通，為 V0A 的柵極提供放電回路，從而關(guān)閉 V0A。當(dāng) V0A 關(guān)閉后，由于下管的二極管的續(xù)流作用，使得 A 相電壓下降接近 0V。從而使 C1A 得以充電，為下一次導(dǎo)通做好準(zhǔn)備。

設(shè)置位置檢測(cè)單元的目的是為了測(cè)出轉(zhuǎn)子在某一時(shí)刻所在位置。在三相繞組兩兩導(dǎo)通的過(guò)程中，始終有一相繞組處在不導(dǎo)通狀態(tài)，通過(guò)非導(dǎo)通相繞組可以得到轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)繞組的時(shí)刻。利用LM339 比較器，采用運(yùn)動(dòng)電勢(shì)與模擬中性點(diǎn)的電壓對(duì)比，檢測(cè)過(guò)零點(diǎn)的方法檢測(cè)位置。

電流采集過(guò)流保護(hù)電路主要由LM358 運(yùn)算放大器和一路比較器構(gòu)成，如圖3所示。從三相橋下端的檢測(cè)電阻R0 引出的信號(hào)，分別送進(jìn)U3A、U3B、U5A 的輸入端。LM358 運(yùn)放組成的是電流檢測(cè)運(yùn)算放大電路，U3A 部分是瞬時(shí)電流檢測(cè)。U3B 部分在輸入端增加了一個(gè)C21 濾波電容，構(gòu)成一路平均電流檢測(cè)。U5A 是一路比較器，輸出連接到STM8 的緊急停車輸入引腳。STM8 的故障停車功能將在電流增大到一定程度時(shí)被翻轉(zhuǎn)的比較器信號(hào)觸發(fā)。R37 及R87 的取值決定了過(guò)流保護(hù)點(diǎn)。

該無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)大大縮短了動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，提高了系統(tǒng)快速反應(yīng)能力和控制精度。