[发明专利]一体化无刷直流电机的驱动装置

权利要求书

1.一种一体化无刷直流电机的驱动装置，设有端盖，其特征在于端盖上设有功率板和控制板，功率板上设有主回路、进线缺相检测电路、母线电流检测电路、欠压和过压检测电路、反电势检测电路和开关电源电路，控制板上设有DSP控制系统电路、通讯模块电路和模拟量速度给定电路，

其中：

主回路中设有进线EMI滤波器、压敏电阻保护、使用了X电容、Y电容和三相共模滤波器抑制差模和共模干扰，整流桥和逆变桥都集成在一个功率模块内，功率模块采用芯片SEMIKRON集成度高，直流母线上具有LC结构，实现功率因素校正（PFC），

进线缺相检测电路是将送往功率模块的三相电经过由电阻、二极管和光耦组成的检测电路处理后送往DSP芯片读取，读取缺相检测电路的输出数字信号LHP1和LHP2的占空比判断是否缺相，

母线电流检测电路是通过母线上串联电流检测电阻，通过线性光耦隔离放大电阻两端的电压信号，再经过调理电路把信号处理成控制芯片能够接收的范围，从而对电机电流进行反馈和监视，

欠压和过压检测电路是采用大电阻隔离的方法，通过一个简单的运放电路把母线电压转化为控制芯片输入的模拟信号，实现欠压和过压检测，此运放的输入为母线电压，输入电阻取很大，反馈电阻很小，从而使实际运放管脚的输入电压并不是很大，流过的电流也很小，实现了隔离的效果同时也实现了电压的检测，

反电动势检测电路是一低通滤波器，采用“端电压法”实现无传感器控制，通过对电机三相UVW的对地电压的处理，经DSP处理器生成转子位置信号，将端电压分成反电动势信号和电流续流干扰信号，电机三相电压首先通过低通滤波器滤除高频干扰信号和降压，再通过一个电容去除直流部分，然后把处理过的信号和由三相构造出来的虚拟中性点电压进行比较，并对两种信号进行相位和幅值的计算，得到由电流续流造成的转子位置信号的相位超前角度，经过检测电流、转速、占空比、母线电压和电机参数确定出电流续流影响的偏移角度进行补偿，从而得到反电动势过零点的信号，

开关电源电路采用反激式变换器，输入为母线电压，输出3路隔离的直流电压，分别用于DSP控制系统电路、通讯模块电路和模拟量速度给定电路，

DSP控制系统电路的控制核心芯片为DSP，具有6路模拟信号输入，3对PWM输出，

通讯模块电路包括RS232和RS485两种一步串行通讯方式，其中RS232用于对程序的维护等操作，RS485用于工业控制，进行 RS232、RS485总线通讯和模拟量速度给定输入，模拟量速度给定电路通过向控制器输入电压来调节电机转速，

控制板上设有三组端子排接口，分别为三相功率进线接口、驱动器报警输出接口、串口RS232、串口RS485和模拟量给定接口，通过控制板上的三组端子排接口分别与通讯和模拟量调速、保护报警和三相交流电输入相连接。

2.根据权利要求1所述的一种一体化无刷直流电机的驱动装置，其特性在于把驱动电路和主回路的“地线”和控制电路的“地线”隔离开。

3.根据权利要求1所述的一种一体化无刷直流电机的驱动装置，其特性在于驱动板上设有温度检测电路，对整流和逆变模块、功率板、电动机的温度进行实时检测。

4.一种一体化无刷直流电机的驱动装置中的反电动势检测电路的相位补偿计算方法，其特征在于具体步骤如下：为了分析使电机在重载时位置检测信号的相位偏移现象，下面对重载下的端电压进行分析：

因为反电动势检测电路是一低通滤波器，高频分量经过检测电路将被滤除，因此可做如下简化：

1）因为PWM调制频率远大于反电动势检测电路的低通滤波器的截止频率，高频的PWM斩波电压可以用其电压平均值近似；

2）同样，电机中性点电压波动也被滤除，可以用其平均值近似；

3）相反电动势为120°平顶宽，等效幅值为母线电压的PWM波；

在采用上桥臂调制，下桥臂导通方式（PWM-ON）时端电压可以简化成如图6所示的模型， 其中， 为理想线反电动势与理想中性点的电压之和，为电流续流引起的电压畸变，端电压等于与之和，即=+(电压参考点为母线负极)；

图6中端电压可以分成6个状态，分别为：

1）和时刻：该相下桥臂导通，端电压与相等，为母线负极电压，标记为0， 也为0，此时不影响位置信号的检测；

2）时间段：电机换相，电流经过上桥臂反并联二极管续流，电压被钳位为母线电压，随相反电动势的增大而线性上升；为与之差，即；

3）时间段：该相悬空，相端电压为相反电动势与中性点电压之和，

中性点电压为直流偏置，反电动势线性上升，端电压与线性上升；为0，不起作用；

4）时间段：该相上桥臂调制，占空比与母线电压的乘积与的关系为，端电压等于，有；为0，不影响位置信号的检测；

5）时间段：电机换相，电流经过下桥臂反并联二极管续流，端电压被钳位为母线地电压0，随反电动势的减小而线性下降，为与之差，即；

6）时间段：该相悬空，相端电压为相反电动势与中性点电压之和，中性点电压为直流偏置，反电动势线性下降，端电压与线性下降，为0，不影响位置信号的检测；

通过对端电压的分解，在轻载和重载时一样，而则有很大的差别，轻载时，电流小，和很短，的作用时间很短，其伏秒积很小，有(=,)，因此对位置信号检测只造成微弱的影响，可以忽略不计；重载时，电流大，和持续较长的时间，伏秒积不可忽略，它对位置检测信号的影响严重，产生的相位超前角度过大，图7为端电压和其分解的电压和经过低通滤波器后的生成的信号，续流干扰信号超前反电动势信号，使得它们叠加合成的端电压信号超前于反电动势信号，续流干扰信号的幅值越大，端电压信号的超前角度越大，端电压相位超前使端电压的过零点时刻提前到来，检测得到的过零点偏离真实的反电动势过零点，当随着负载电流的增大，相位超前角度随之增大，当超前角度过大时，换相情况变恶劣，引起电流畸变，反过来影响到端电压波形和位置检测信号，造成换相的进一步恶化，最终导致换相失败；

通过上述模型的建立，对端电压的分解分析，我们可以得到轻载和重载时的反电动势检测信号相位关系其实就是与+的相位关系，由于与周期一样，经过低通滤波器的相角滞后相等，因此轻载和重载下的位置信号相角之差取决于和的夹角和幅值，由此，得出重载下的相位补偿计算方法：

阶跃电压下，低通滤波器零状态响应计算公式为

                             (1)

其中，、和如附图3所示，

经过低通滤波器的电压与模拟中性点电压比较，从而得到反电动势的过零点，忽略中性点电压的波动，则为的平均值，因此，只考虑的交流分量，有

                      (2)

附图3所示反电动势检测电路中，选择适当的电阻和电容，使得，得到

                            (3)

将作近似等效的阶跃信号处理，带入式(3)得到经过低通滤波器后输出电压的交流振幅有

                         (4)

其中，为续流角度，是电流续流时间折算的电角度，为电机反电动势的频率，为修正比例因子，这里取=1，

同理经过低通滤波器后输出电压的交流振幅有

                            (5)

与的相位基本上与和的基波相位一致，

与有关，其关系式可表示为

                            (6)

而且满足，

的求解是非线性的，计算复杂，但由于波动范围较小，采用工程近似的方法，可认为其为常值近似计算

根据式(4)和式(5)，如图8所示， 与的相角满足

                        (7)

当取20°时，可求得

                         (8)

式中：为补偿角度，

     为反电动势信号经过低通滤波器后的交流振幅，

     为电流干扰信号经过低通滤波器后的交流振幅，

利用微处理器计算出上述公式推得的相位超前的角度，在测得电流续流角度和电流大小的关系后，只需检测电机相电流，控制器即可实时确定超前的相位角度。