專利名稱：一種無刷直流電機控制器通用子板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種電動汽車的控制裝置，具體地說涉及一種電動汽車的無刷直流 電機控制器的子板。
背景技術(shù)：
隨著環(huán)境與能源問題的日益突出，油價不斷創(chuàng)出新高，零污染、高效的電動汽車已 成為當前汽車領(lǐng)域研究和發(fā)展的熱點。適合電動汽車應(yīng)用的驅(qū)動系統(tǒng)類型主要有交流三 相感應(yīng)電動機、開關(guān)磁阻電動機、普通直流電動機和永磁無刷直流電動機四種。其中永 磁無刷直流電動機與其它電動機系統(tǒng)相比具有更高的能量密度和更高的效率，尤其在中 小功率電動汽車中有著很好的應(yīng)用前景。
永磁無刷直流電動機最大特點就是具有普通直流電動機的外特性而沒有轉(zhuǎn)向器和 電刷組成的機械接觸結(jié)構(gòu)。加之，它采用永磁體轉(zhuǎn)子，沒有勵磁損耗；發(fā)熱的電樞繞組 又裝在外面的定子上，散熱容易，因此，永磁無刷直流電動機沒有轉(zhuǎn)向火花、沒有無線 電干擾、壽命長、運行可靠、維修簡便。此外，它的轉(zhuǎn)速不受機械轉(zhuǎn)向的限制。
永磁無刷直流電機控制器是電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一，其主要作用是控制電機轉(zhuǎn) 速、提高電機效率以及在一定的情況下保護電機和電池。永磁無刷直流電機控制器是電 動汽車運行質(zhì)量的關(guān)鍵，電機控制器執(zhí)行駕駛員指令、監(jiān)測電機運行狀況、控制電機動 作。目前永磁無刷電機控制器主要有三大類 一是采用專用集成電路制作的控制器；二 是專業(yè)控制器廠商開發(fā)的控制器；三是采用單片機制作的控制器。以專用集成電路制作 的控制器以安森美、飛思卡爾MC33035和MC33033為代表，它的技術(shù)成熟，但其設(shè)計的 驅(qū)動功率有限，在電動汽車領(lǐng)域應(yīng)用有限；專業(yè)控制器廠商如美國的GE公司、CURTIS 公司，以及國內(nèi)的康丘樂公司生產(chǎn)的大功率控制器，其售價均比較昂貴，如4KW電機控 制器售價平均在六千元以上。而采用單片機自行開發(fā)制作的電機控制器則具有成本低， 靈活性、自由度大等特點。目前電動汽車行業(yè)的競爭相當激烈，開發(fā)具有優(yōu)質(zhì)、高效、 低價的無刷電機控制器對于推動我國電動汽車向產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展具有重要意義，同時也 具有潛在的商業(yè)價值。
無刷直流電機控制器一般包括控制電路、開關(guān)電源、檢測反饋電路和功率驅(qū)動?，F(xiàn) 有的不同的無刷直流電機控制器都有各自的驅(qū)動電路母板和其相對應(yīng)的數(shù)字部分子板，
4各母板與子板的設(shè)計一一對應(yīng)，不能調(diào)換，缺少通用性，導(dǎo)致開發(fā)難度大、效率低。 糊綱贈
本實用新型的目的是提供一種對于各種不同的驅(qū)動電路均能使用的無刷直流電機 控制器通用子板。
本實用新型的原理是在電機控制器設(shè)計中，控制電路、開關(guān)電源和檢測反饋電路 部分結(jié)構(gòu)變化不大，主要差別在于功率驅(qū)動部分電路設(shè)計如開關(guān)管是采用M0SFET還 是IGBT，開關(guān)管驅(qū)動電路是采用分離元器件還是采用集成元器件搭建。因此，如果將數(shù) 字核心部分與功率驅(qū)動電路分開設(shè)計，設(shè)計出一種通用子板來配合不同驅(qū)動電路的母 板，這樣不僅使電機控制器整體開發(fā)難度降低，避免重復(fù)設(shè)計，提高開發(fā)效率，同時還 提高了系統(tǒng)的散熱能力、增強了電磁兼容性。
實現(xiàn)本實用新型目的的技術(shù)方案是一種無刷直流電機控制器通用子板，包括數(shù)字核 心模塊、信號調(diào)理模塊、通訊模塊、電源模塊和模塊擴展接口；所述數(shù)字核心模塊包括 具有CAN端口的單片機；所述信號調(diào)理模塊通過AD采集端口、 Hall輸入端口與數(shù)字核 心模塊相連接；所述通訊模塊為CAN模塊，通過CAN收發(fā)端口與數(shù)字核心模塊相連接； 電源模塊為各部分供電，通過+48V、 +12V、 +5V端口與數(shù)字核心模塊相連接。
所述數(shù)字核心模塊的單片機為16位電機控制專用數(shù)字信號處理器dsPIC30F4012。
所數(shù)字核心模塊的單片機的外圍電路包括數(shù)字電源濾波電路、模擬電源濾波電路以 及由并聯(lián)的電容組成的旁路電容電路。
所述信號調(diào)理模塊包括對動力電池電壓、加速踏板、制動踏板和Hall信號的采集 與調(diào)理電路。
所述信號調(diào)理模塊還包括過流、欠壓保護電路；過流、欠壓保護電路包括軟件過流 保護電路和硬件過流保護和電池欠壓保護電路；所述軟件過流保護電路由一級n型濾 波器與雙運算放大器LM358構(gòu)成，并與單片機對應(yīng)的電流采集通道連接；所述軟件過流 保護電路還包括連接在其輸出端的齊納二極管。所述硬件過流保護和電池欠壓保護電路 包括雙路比較器LM393和輸出二極管，驅(qū)動電流和電池電壓信號分別與LM393的同向端 和反向端連接，其對應(yīng)的比較輸出分別與二極管連接后并聯(lián)；
所述CAN模塊包括CAN總線收發(fā)器PCA82C250和跳線電路。
所述CAN模塊的CAN總線收發(fā)器PCA82C250的CAN信號輸出端連接有共模電感L2。 所述電源模塊包括DC-DC降壓電路；DC-DC降壓電路包括三級線性電源芯片LM317。 所述電源模塊的DC-DC降壓電路包括連接在電源的輸出端及負載的電源輸入端的數(shù) 個4. 7—100uF的電解電容；每個電解電容兩端分別并聯(lián)一只容量為0. 001——0. lpF的電容。
所述電源模塊的DC-DC降壓電路還包括雙極性TVS管1. 5KE68A和串接在輸入端的 二極管1N5804。
本實用新型具有以下的積極效果(1)本實用新型采用模塊化思想，將通用子板由 單片機、通訊模塊、信號調(diào)理模塊、電源模塊、模塊擴展接口五部分組成。通過簡單的 接插件配合與各種不同的驅(qū)動板連接，可滿足不同功率電機驅(qū)動的要求。
(2) 本實用新型采用的單片機dsPIC30F4012低價且具有CAN端口 ，通過集成的CAN 控制器可實現(xiàn)多電機之間、電機控制器與整車控制器之間的通訊。
(3) 本實用新型的單片機的外圍電路包括濾波電路和旁路電容電路，旁路電容電 路在具體布線時設(shè)置在每一個芯片邊，可以提高芯片工作的穩(wěn)定性。
(4) 本實用新型的信號調(diào)理模塊可實現(xiàn)電機霍爾信號、驅(qū)動電流，以及電動汽車 加速踏板、方向盤轉(zhuǎn)角等信號的采集。
(5) 本實用新型從硬件設(shè)計上綜合考慮了無刷電機控制中的過流、欠壓等保護功 能，使無刷直流電機的運行更加穩(wěn)定和完全。
(6) 本實用新型采用CAN總線收發(fā)器PCA82C250作為CAN控制器與物理總線間的 接口器件，并通過跳線端口實現(xiàn)與BDM編程對應(yīng)接口的互用。
(7) 本實用新型在CAN信號輸出端增加了一個共模電感，提高了信號的抗干擾性。
(8) 本實用新型的電源模塊中在電源的輸出端及負載的電源輸入端介入了電解電 容，以防止電路各部分供電電壓因負載變化而產(chǎn)生變化，保證電路電壓的穩(wěn)定。
(9) 本實用新型考慮到電解電容具有一定的電感，因此在電解電容的兩端并聯(lián)普 通電感以有效濾除高頻及脈沖干擾信號。
(10) 本實用新型采用雙極性TVS管，從而能夠抵抗尖峰脈沖電壓的沖擊，同時在 輸入端串聯(lián)二極管來確保不會反接。
(11) 本實用新型具通用性強，功能完善；通過簡單的參數(shù)調(diào)整即可滿足不同電池 電壓、不同驅(qū)動功率的要求，使用中具有很高的靈活性和實用性。同時使無刷直流電機 控制器整體設(shè)計難度降低，避免了重復(fù)設(shè)計，大大提高了開發(fā)效率。


為了使本實用新型的內(nèi)容更容易被清楚的理解，下面根據(jù)的具體實施例并結(jié)合附 圖，對本實用新型作進一步詳細的說明，其中
圖1為無刷直流電機控制器通用子板結(jié)構(gòu)框圖。 圖2為數(shù)字核心模塊的單片機及外圍電路原理圖。圖3為信號調(diào)理模塊的AD信號和HALL信號調(diào)理電路原理圖。 圖4為信號調(diào)理模塊的過流、欠壓保護電路原理圖。 圖5為通訊模塊的CAN通訊接口電路及跳線電路原理圖。 圖6為電源模塊的DC-DC降壓電路原理圖。 圖7是接插件電路圖。
具體實施方式(實施例1)
見圖l，本實施例的無刷直流電機控制器通用子板包括五個部分數(shù)字核心模塊l、 信號調(diào)理模塊2、通訊模塊、電源模塊4和模塊擴展接口 (圖1中未表示，請參見圖7)。、 數(shù)字核心模塊1包括具有CAN端口的單片機1-1;信號調(diào)理模塊2通過AD采集端口 、Hal 1 輸入端口與數(shù)字核心模塊l相連接；通訊模塊為CAN模塊3，通過CAN收發(fā)端口與數(shù)字 核心模塊l相連接；電源模塊4為各部分供電，通過+48V、 "K12V、 +57端口與數(shù)字核心 模塊1相連接。模塊擴展接口使本實用新型能配合各種驅(qū)動母板使用。
數(shù)字核心模塊1采用的是Microchip公司生產(chǎn)的16位電機控制專用數(shù)字信號處理 器dsPIC30F4012單片機l-l，它是一款電機控制專用芯片，其主要功能特點如下具有 6路PWM輸出通道——PWM1H/1L~PWM3H/3L，可以分別控制電機3相電路的高、低邊開 關(guān)管，并且具有互補或獨立的輸出模式，PWM模塊允許編程兩個不同的死區(qū)用于互補模 式的死區(qū)控制；有5個獨立的16位定時器，其中T2、 T3; T4、 T5可以聯(lián)合使用組成32 位定時器；具有10位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，可實現(xiàn)最大1Msps的采樣速率。具有1 個CAN模塊，實現(xiàn)了 CAN協(xié)議CAN 1. 2、 CAN 2. OA和CAN 2. 0B。 CAN模塊支持標準和擴 展數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)長度可以為0 8個字節(jié)；可編程比特率，最高為l Mbps。
見圖2，本實施例中的單片機1-1的28個引腳作用如下:引腳1為編程和復(fù)位使用； 引腳2 4分別為電池電壓、加速踏板和制動踏板信號輸入端口；引腳5 7分別為電機 Hall信號輸入端口；引腳8、 13為邏輯和I/0引腳的電源和地；引腳9為晶振輸出； 引腳10 12為數(shù)字輸入端口；引腳14、 15用于配置不同車輪的位置，通過撥碼開關(guān)來 配置不同車輪的位置，使得四輪的電機控制在軟件上一致；引腳17、 18作為CAN和BDM 的復(fù)用端口；引腳12輸入過流保護信號，在電流過大時通過單片機1-1軟件將電流關(guān) 斷；弓I腳16為PWM信號的故障輸入端口；引腳20、 28分別為數(shù)字信號、模擬信號的電 源輸入，采用的都是經(jīng)DC/DC降壓后的5V電源。
單片機l-l的外圍電路包括數(shù)字電源濾波電路(電容C9、 C8)、模擬電源濾波電路 (電容C1、 C2和電感L1)以及旁路電容電路。旁路電容電路有3個，分別為C4、 C5、C6， C15、 C16， C12、 C13、 C14在具體布線時在每一個芯片邊放置以提高芯片工作的穩(wěn) 定性。
見圖3，信號調(diào)理模塊2具有豐富輸入輸出端口，通過AD采集端口、 Hall輸入端 口和數(shù)字核心模塊1相連接。信號調(diào)理模塊2包括對動力電池電壓、加速踏板、制動踏 板和Hall信號的采集與調(diào)理。圖3中左上是對動力電池電壓電池信號采集與調(diào)理電路， 電壓信號先通過電阻將輸入48V電壓分壓、限幅后，最后再經(jīng)一級RC濾波后輸出至單 片機1-1第2引腳AN0。圖3中右上是加速踏板信號采集與調(diào)理電路，加速踏板信號通 過濾波、限幅后輸送至單片機1-1第3引腳AN1。圖3的右下是對制動踏板信號采集與 調(diào)理電路，制動踏板信號通過濾波、限幅后輸送至單片機1-1第4引腳AN2。圖3左下 是Hall信號的采集與調(diào)理電路，Hall傳感器由子板提供5V電源，電機輸入的三相Hall 信號HALL A、 HALL B及HALL C經(jīng)一級上拉電阻，再經(jīng)n型濾波再輸出給單片機l-l 的第5、 6、 7引腳AN3、 AN4、 AN5。
見圖4，信號調(diào)理模塊2還包括過流、欠壓保護電路。過流保護分為軟件過流保護 和硬件過流保護。軟件過流保護電路見圖4的上半部分，是將從驅(qū)動板采集的信號 Current—in經(jīng)過一級n型濾波后得到信號0!1^61^++并送至雙運算放大器LM358的同 向輸入端進行兩級放大，第一級的放大倍數(shù)為4倍，第二級的放大倍數(shù)為5倍，即總的 放大倍數(shù)為20。驅(qū)動電流信號經(jīng)兩級同相比例運算放大電路再經(jīng)過限幅后輸入單片機 l-ll-l對應(yīng)的電流采集ADC0—ADC2通道。其中兩級放大倍數(shù)可以根據(jù)實際驅(qū)動電流大 小分別調(diào)整其對應(yīng)電阻的比值。為防止電壓過高對單片機1-1的電流采集通道ADC損壞， 在輸出后端增加一齊納二極管Zener。
硬件過流保護和電池欠壓保護電路見圖4的下半部分，它通過雙比較器LM393實現(xiàn)， 其中一路作為電機驅(qū)動電路的過流保護，電流信號0^1"如{++輸入同相端，電流過載時 輸出高電平；另一路作為動力電池的欠壓保護，電池電壓信號BAT—V輸入反向端，電池 電壓低于設(shè)定值時輸出高電平。當電機驅(qū)動產(chǎn)生過流或是動力電池電壓下降至限值時， LM393的兩路輸出分別經(jīng)過兩二極管D2、 D3實現(xiàn)線或邏輯功能，高電平導(dǎo)通SHUT—DOWN 使驅(qū)動板的MOSFET驅(qū)動器如IR2110自行關(guān)斷，實現(xiàn)電機的硬件電路保護。通過調(diào)節(jié)比 較電路中電阻的分壓值，可靈活配置過流、欠壓保護的限值。
見圖5，通訊模塊是具有CAN通訊能力的CAN模塊3。本實施例采用CAN總線收發(fā) 器PCA82C250作為CAN控制器與物理總線間的接口器件，對CAN總線差分方式發(fā)送。在 CAN信號輸出端的共模電感L2用于提高信號的抗干擾性。CAN網(wǎng)絡(luò)終端連接兩個120歐
8姆的電阻R10和Rll。 CAN模塊3還包括圖4上半部分表示的跳線電路以使端口互用， 單片機1-1的引腳17CANTX、引腳18CANRX分別作為BDM和CAN的調(diào)試口 。當工作在仿 真和編程模式時，分別對應(yīng)PGD和PGC;當CAN節(jié)點工作在CAN網(wǎng)絡(luò)的端點時，分別對 應(yīng)CAN_TX和CAN_RX。
見圖6，電源模塊4包括DC-DC降壓電路。+48V輸入電池電壓經(jīng)過三級線性電源芯 片LM317分別降為+15V、 +12V、 +5V。 C41、 C43、 C46、 C53和C56為數(shù)十至數(shù)百微法 (4.7—100uF)的電解電容，每個電解電容兩端分別并聯(lián)一只容量為0.001——O.lpF 的電容C44、 C42、 C47、 C53和C55。雙極性TVS管1. 5KE68A用于抵抗尖峰脈沖電壓(浪 涌電壓)的沖擊，其保護作用。在輸入端串入保護二極管1N5804以防止反接。
本實施例的模塊擴展接口見圖7，采用的是簡單的接插件，主要包括Hall、電源、 AD、 BDM、 CAN以及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)標號構(gòu)成的連接。其中，Jl的1 5電機霍爾信號輸入與供 電，6為電機硬件保護；J2為CAN信號插頭，與其它電機控制器或整車控制器實現(xiàn)CAN 通訊；J3為單片機1-1編程器器的BDM接頭；J94為電機控制器的三相信號輸出；J5 為+48V、 +12V、 +5￥電源插頭；J6為制動踏板、加速踏板、方向盤轉(zhuǎn)角和電池電壓信號 的輸入接頭，以及給相應(yīng)傳感器的供電。
應(yīng)當理解，以上所描述的具體實施例僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。由 本發(fā)明的精神所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之中。
權(quán)利要求1、一種無刷直流電機控制器通用子板，其特征在于包括數(shù)字核心模塊(1)、信號調(diào)理模塊(2)、通訊模塊、電源模塊(4)和模塊擴展接口；所述數(shù)字核心模塊(1)包括具有CAN端口的單片機(1-1)；所述信號調(diào)理模塊(2)通過AD采集端口、Hall輸入端口與數(shù)字核心模塊(1)相連接；所述通訊模塊為CAN模塊(3)，通過CAN收發(fā)端口與數(shù)字核心模塊(1)相連接；電源模塊(4)為各部分供電，通過+48V、+12V、+5V端口與數(shù)字核心模塊(1)相連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無刷直流電機控制器通用子板，其特征在于所述數(shù)字 核心模塊(1)的單片機(1-1)為16位電機控制專用數(shù)字信號處理器dsPIC30F4012。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的無刷直流電機控制器通用子板，其特征在于所數(shù)字核 心模塊(1)的單片機(1-1)的外圍電路包括數(shù)字電源濾波電路、模擬電源濾波電路以 及由并聯(lián)的電容組成的旁路電容電路。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無刷直流電機控制器通用子板，其特征在于所述信號 調(diào)理模塊(2)包括對動力電池電壓、加速踏板、制動踏板和Hall信號的采集與調(diào)理電 路。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的無刷直流電機控制器通用子板，其特征在于所述信號 調(diào)理模塊(2)還包括過流、欠壓保護電路；過流、欠壓保護電路包括軟件過流保護電 路和硬件過流保護和電池欠壓保護電路；所述軟件過流保護電路由一級n型濾波器與 雙運算放大器LM358構(gòu)成，并與單片機(1-1)對應(yīng)的電流采集通道連接；所述軟件過 流保護電路還包括連接在其輸出端的齊納二極管。所述硬件過流保護和電池欠壓保護電 路包括雙路比較器LM393和輸出二極管，驅(qū)動電流和電池電壓信號分別與LM393的同向 端和反向端連接，其對應(yīng)的比較輸出分別與二極管連接后并聯(lián)；
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無刷直流電機控制器通用子板，其特征在于所述CAN 模塊(3)包括CAN總線收發(fā)器PCA82C250和跳線電路。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的無刷直流電機控制器通用子板，其特征在于所述CAN 模塊(3)的CAN總線收發(fā)器PCA82C250的CAN信號輸出端連接有共模電感L2。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無刷直流電機控制器通用子板，其特征在于所述電源模塊(4)包括DC-DC降壓電路；DC-DC降壓電路包括三級線性電源芯片LM317。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的無刷直流電機控制器通用子板，其特征在于所述電源 模塊(4)的DC-DC降壓電路包括連接在電源的輸出端及負載的電源輸入端的數(shù)個4.7 ——lOOuF的電解電容；每個電解電容兩端分別并聯(lián)一只容量為0.001——0. lpF的電 容。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的無刷直流電機控制器通用子板，其特征在于所述電源 模塊(4)的DC-DC降壓電路還包括雙極性TVS管1. 5KE68A和串接在輸入端的二極管 1N5804。
專利摘要本實用新型公開了一種無刷直流電機控制器通用子板，包括數(shù)字核心模塊、信號調(diào)理模塊、通訊模塊、電源模塊和模塊擴展接口；數(shù)字核心模塊包括具有CAN端口的單片機；所述信號調(diào)理模塊通過AD采集端口、Hall輸入端口與數(shù)字核心模塊相連接；通訊模塊為CAN模塊，通過CAN收發(fā)端口與數(shù)字核心模塊相連接；電源模塊為各部分供電，通過+48V、+12V、+5V端口與數(shù)字核心模塊相連接。本實用新型采用模塊化思想，通過簡單的接插件配合與各種不同的驅(qū)動板連接，可滿足不同功率電機驅(qū)動的要求；通過簡單的參數(shù)調(diào)整即可滿足不同電池電壓、不同驅(qū)動功率的要求，具有通用性強、功能完善、配置靈活的優(yōu)點，大大提高了開發(fā)效率。
文檔編號H02P6/00GK201323547SQ20082021462
公開日2009年10月7日 申請日期2008年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月24日
發(fā)明者劉志賢, 孟慶然, 李建秋, 歐陽明高, 斌 王, 瑛 王 申請人:常州麥科卡電動車輛科技有限公司