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1、(10)申请公布号 CN 102497144 A (43)申请公布日 2012.06.13 C N 1 0 2 4 9 7 1 4 4 A *CN102497144A* (21)申请号 201110385741.2 (22)申请日 2011.11.28 H02P 7/28(2006.01) (71)申请人北京动力机械研究所 地址 100074 北京市丰台区北京7208信箱 18分箱 (72)发明人林建军 丁瑛玮 刘瑞杰 牛天华 谷中山 黄居锋 (74)专利代理机构北京清亦华知识产权代理事 务所(普通合伙) 11201 代理人张大威 (54) 发明名称 基于硬件比较采集过零点的直流无刷电机驱 动。
2、控制装置 (57) 摘要 本发明公开了一种基于硬件比较采集过零点 的直流无刷电机驱动控制装置，包括电源模块，用 于提供电压；电机控制模块，用于生成第一至第 六PWM波并根据过零点判断结果对第一至第六 PWM波进行调整以对直流无刷电机的换向和转速 进行控制；功率管驱动模块，用于根据第一至第 六PWM波生成第一至第六驱动信号；电机驱动功 率模块，用于驱动直流无刷电机；过零点判断模 块，用于对第一至第三相反电动势信号进行分压 并根据分压后的相电压信号生成中性点，将中性 点与分压后的相电压信号进行比较以生成直流无 刷电机是否过零点的判断结果。本发明可以降低 系统的生产成本和复杂性，并可以提高系统的可 。
3、靠性。 (51)Int.Cl. 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 3 页 1/2页 2 1.一种基于硬件比较采集过零点的直流无刷电机驱动控制装置，其特征在于，包括电 源模块、电机控制模块、功率管驱动模块、电机驱动功率模块和过零点判断模块，其中， 所述电源模块分别与所述电机控制模块、功率管驱动模块、电机驱动功率模块过零点 判断模块相连，用于根据输入电压为所述电机控制模块和过零点判断模块提供第一电压， 为所述功率管驱动模块提供第二电压和为所述电机驱动功率模块提供第三电压； 所述电机控制模块，用。
4、于根据上位机的电机转速指令生成第一至第六脉冲宽度调制 PWM波，并根据所述过零点判断模块的判断结果对所述第一至第六PWM波进行调整以对所 述直流无刷电机的换向和转速进行控制； 所述功率管驱动模块与所述电机控制模块相连，用于根据所述电机控制模块产生的所 述第一至第六PWM波生成第一至第六驱动信号； 所述电机驱动功率模块与所述功率管驱动模块相连，用于采用三相全桥形式根据所述 第一至第六驱动信号对所述直流无刷电机进行驱动，所述直流无刷电机在运行时产生第一 至第三相反电动势； 所述过零点判断模块与所述直流无刷电机相连，用于对所述第一至第三相反电动势信 号进行分压，并根据分压后的所述第一至第三相反电动势。
5、信号生成中性点，以及将所述中 性点与所述分压后的所述第一至第三相反电动势信号进行比较以生成所述直流无刷电机 是否过零点的判断结果。 2.如权利要求1所述的基于硬件比较采集过零点的直流无刷电机驱动控制装置，其特 征在于，所述电源模块进一步包括： 滤波子模块，用于对所述输入电压进行滤波，其中，所述滤波子模块滤波后的电压为第 三电压； 依次串联的开关电源子模块和第一线性电源子模块，所述开关电源子模块与所述滤波 子模块相连，所述第一线性电源子模块与所述电机控制模块相连，所述开关电源子模块与 所述滤波子模块用于将所述第三电压转换为所述第一电压；以及 第二线性电源子模块，所述第二线性电源子模块与所述滤波子。
6、模块相连，用于将所述 第三电压转换为所述第二电压。 3.如权利要求1-2任一项所述的基于硬件比较采集过零点的直流无刷电机驱动控制 装置，其特征在于，其中，所述第一电压约为5v，所述第二电压约为15v，所述第三电压约为 24-32v。 4.如权利要求1-3任一项所述的基于硬件比较采集过零点的直流无刷电机驱动控制 装置，其特征在于，所述电机驱动功率模块包括第一至第六功率管。 5.如权利要求1-4任一项所述的基于硬件比较采集过零点的直流无刷电机驱动控制 装置，其特征在于，第一至第六功率管包括所述第一至第三上桥臂功率管和第一至第三下 桥臂功率管，其中，所述第一至第三上桥臂功率管和第一至第三下桥臂功率管。
7、中每一个功 率管的栅极与源极之间连接有电阻。 6.如权利要求5所述的基于硬件比较采集过零点的直流无刷电机驱动控制装置，其 特征在于，所述第一至第三上桥臂功率管中每一个功率管的栅极与地之间连接有快速二极 管。 7.如权利要求1-6任一项所述的基于硬件比较采集过零点的直流无刷电机驱动控制 权 利 要 求 书CN 102497144 A 2/2页 3 装置，其特征在于，所述直流无刷电机采用三角形接法，则所述过零点判断模块进一步包 括： 采样分压子模块，用于对所述第一至第三相反电动势信号进行分压，并根据分压后的 所述第一至第三相反电动势信号生成中性点； 比较子模块，用于将所述中性点与所述分压后的所述第。
8、一至第三相反电动势信号进行 比较以生成所述直流无刷电机是否过零点的判断结果。 8.如权利要求1-6任一项所述的基于硬件比较采集过零点的直流无刷电机驱动控制 装置，其特征在于，所述直流无刷电机采用驱动星形接法，则所述过零点判断模块进一步包 括： 采样分压子模块，用于对所述第一至第三相反电动势信号进行分压； 比较子模块，用于将星形接法的中性点与所述分压后的所述第一至第三相反电动势信 号进行比较以生成所述直流无刷电机是否过零点的判断结果。 权 利 要 求 书CN 102497144 A 1/5页 4 基于硬件比较采集过零点的直流无刷电机驱动控制装置 技术领域 0001 本发明涉及电机控制技术领域，特。
9、别涉及一种基于硬件比较采集过零点的直流无 刷电机驱动控制装置。 背景技术 0002 直流无刷电机的换向电路通常包括驱动和控制两部分。其中，驱动电路输出电功 率，驱动电动机的电枢绕组，并受控于控制电路。目前驱动电路已从线性放大状态转成脉宽 调制的开关状态，相应电路组成也从晶体管分立电路转成模块化集成电路。控制电路用于 控制电机的转速、转向、电流(或转矩)以及保护电机的过流、过压、过热等。 0003 直流无刷电机的转子的转速和产生的反电动势是成正比的，即直流无刷电机的转 速越快，则产生的反电动势越大，在它作用下电机随速度的增大而相电流减小，从而导致力 矩变小。如果控制不好反电动势，则会损坏电气元件。
10、。 0004 传统的直流无刷电机驱动控制采用霍尔元件等传感器检测电机位置，从而可以根 据传感器检测到的位置信号获得电机转动产生的反电动势，以实现对电机的换向控制和转 速换算。但是采用位置传感器会不仅增加系统的成本、复杂性以及占用系统的空间位置，并 且还会导致系统可靠性、环境适应性和抗干扰能力等方面的降低。 发明内容 0005 本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的在于 提出一种基于硬件比较采集过零点的直流无刷电机驱动控制装置，该装置可以降低系统的 生产成本和复杂性，并可以提高系统的可靠性。 0006 为实现上述目的，本发明实施例提供了一种基于硬件比较采集过零点的直流。
11、无刷 电机驱动控制装置，包括：电源模块、电机控制模块、功率管驱动模块、电机驱动功率模块和 过零点判断模块，其中，所述电源模块分别与所述电机控制模块、功率管驱动模块、电机驱 动功率模块和过零点判断模块相连，用于根据输入电压为所述电机控制模块和过零点判断 模块提供第一电压，为所述功率管驱动模块提供第二电压和为所述电机驱动功率模块提供 第三电压；所述电机控制模块，用于根据上位机的电机转速指令生成第一至第六脉冲宽度 调制PWM波，并根据所述过零点判断模块的判断结果对所述第一至第六PWM波进行调整以 对所述直流无刷电机的换向和转速进行控制；所述功率管驱动模块与所述电机控制模块相 连，用于根据所述电机控制。
12、模块产生的所述第一至第六PWM波生成第一至第六驱动信号； 所述电机驱动功率模块与所述功率管驱动模块相连，用于采用三相全桥形式根据所述第一 至第六驱动信号对所述直流无刷电机进行驱动，所述直流无刷电机在运行时产生第一至第 三相反电动势；所述过零点判断模块与所述直流无刷电机相连，用于对所述第一至第三相 反电动势信号进行分压，并根据分压后的所述第一至第三相反电动势信号生成中性点，以 及将所述中性点与所述分压后的所述第一至第三相反电动势信号进行比较以生成所述直 流无刷电机是否过零点的判断结果。 说 明 书CN 102497144 A 2/5页 5 0007 根据本发明实施例的基于硬件比较采集过零点的直流。
13、无刷电机驱动控制装置，采 用硬件比较电路对反电动势进行检测，从而可以确定电机转子位置以及转动速度，可以减 小系统成本和复杂性，增强系统可靠性、环境适应性和抗干扰能力，并减小安装空间需求。 0008 在本发明的一个实施例中，所述电源模块进一步包括：滤波子模块，用于对所述输 入电压进行滤波，其中，所述滤波子模块滤波后的电压为第三电压；依次串联的开关电源子 模块和第一线性电源子模块，所述开关电源子模块与所述滤波子模块相连，所述第一线性 电源子模块与所述电机控制模块相连，所述开关电源子模块与所述滤波子模块用于将所述 第三电压转换为所述第一电压；以及第二线性电源子模块，所述第二线性电源子模块与所 述滤波。
14、子模块相连，用于将所述第三电压转换为所述第二电压。 0009 在本发明的一个实施例中，其中，所述第一电压约为5v，所述第二电压约为15v， 所述第三电压约为24-32v。 0010 在本发明的一个实施例中，所述电机驱动功率模块包括第一至第六功率管。 0011 在本发明的一个实施例中，所述第一至第三上桥臂功率管和第一至第三下桥臂功 率管，其中，所述第一至第三上桥臂功率管和第一至第三下桥臂功率管中每一个功率管的 栅极与源极之间连接有电阻。 0012 在本发明的一个实施例中，所述第一至第三上桥臂功率管中每一个功率管的栅极 与地之间连接有快速二极管。 0013 在本发明的一个实施例中，所述直流无刷电机。
15、采用三角形接法，则所述过零点判 断模块进一步包括：采样分压子模块，用于对所述第一至第三相反电动势信号进行分压，并 根据分压后的所述第一至第三相反电动势信号生成中性点；比较子模块，用于将所述中性 点与所述分压后的所述第一至第三相反电动势信号进行比较以生成所述直流无刷电机是 否过零点的判断结果。 0014 在本发明的一个实施例中，所述直流无刷电机采用驱动星形接法，则所述过零点 判断模块进一步包括：采样分压子模块，用于对所述第一至第三相反电动势信号进行分压； 比较子模块，用于将星形接法的中性点与所述分压后的所述第一至第三相反电动势信号进 行比较以生成所述直流无刷电机是否过零点的判断结果。 0015 。
16、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变 得明显，或通过本发明的实践了解到。 附图说明 0016 本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变 得明显和容易理解，其中： 0017 图1根据本发明实施例的基于硬件比较采集过零点的直流无刷电机驱动控制装 置的结构框图； 0018 图2为根据本发明实施例的电源模块的示意图； 0019 图3为根据本发明实施例的功率管驱动模块的电路原理图； 0020 图4为根据本发明实施例的功率管桥电路原理图； 0021 图5为根据本发明实施例的过零点判断模块的结构框图；以及 0022 图6为根据本发明实施例的过零点。
17、判断模块的电路原理图。 说 明 书CN 102497144 A 3/5页 6 具体实施方式 0023 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。 0024 下面参考图1至图5描述根据本发明实施例的基于硬件比较采集过零点的直流无 刷电机驱动控制装置。 0025 如图1所示，本发明实施例提供的基于硬件比较采集过零点的直流无刷电机驱动 控制装置包括电源模块110、电机控制模块120、功率管驱动模块130、电机驱动功率模块。
18、 140和过零点判断模块150。 0026 具体地，电源模块110分别与电机控制模块120、功率管驱动模块130、电机驱动功 率模块140、过零点判断模块150相连，用于根据输入电压为电机控制模块120和过零点判 断模块150提供第一电压，为功率驱动模块130提供第二电压，并且为电机驱动功率模块 140提供第三电压。电机控制模块120用于根据上位机的电机转速指令生成第一至第六脉 冲宽度调制PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)波，并根据过零点判断模块150 的判断结果对第一至第六PWM波进行调制以对直流无刷电机的换向和转速进行控制。功率 管驱动模块130与电机控制。
19、模块120相连，用于根据电机控制模块120产生的第一至第六 PWM波生成第一至第六驱动信号。电机驱动功率模块140与功率管驱动模块130相连，用 于采用三相全桥形式根据第一至第六驱动信号对直流无刷电机进行驱动，直流无刷电机产 生第一至第三相反电动势信号。过零点判断模块150与直流无刷电机160相连，用于对第 一至第三相反电动势信号进行分压，并根据分压后的第一至第三相反电动势信号生成中性 点，并将中性点与分压后第一至第三相反电动势信号进行比较以生成直流无刷电机是否过 零点的判断结果。 0027 如图2所示，电源模块110进一步包括滤波子模块111、开关电源子模块112、第一 线性电源子模块113。
20、和第二线性电源子模块114。滤波子模块111用于对输入电压进行滤 波，滤波后的电压为第三电压VCC。开关电源子模块112和第一线性电源子模块113依次串 联，开关电源子模块112与滤波子模块111相连，第一线性电源子模块113与电机控制模块 120相连。开关电源子模块112和滤波子模块111用于将第三电压转换为第一电压。第二 线性电源子模块与滤波子模块相连，用于将第三电压转换为第二电压。 0028 由于如果只使用线性电源会在线性电源两端形成较大压差，而电机驱动需要大电 流，从而会导致其发热严重，造成电源芯片的损坏。而如果只使用开关电源会存在较大的开 关纹波，从而影响信号质量，降低电路工作可靠性。
21、。因此，在转换得到第一电压的同时，采用 关电源子模块112和第一线性电源子模块113进行两次转换，而不是单一地只使用二者中 的一种。具体地，第一电压可以通过开关电源子模块112将滤波子模块111输出的VCC进 过一次转换得到VCC0，再经过第一线性电源子模块113的转换得到第一电压VCC1。其中， 第一电压约为5V。通过先使用开关电源再使用线性电源可以达到减少发热和降低开关纹波 的目的。 0029 第三电压可以通过由外部电源输入后经过滤波子模块111的滤波后直接使用，即 VCC。其中，第三电压约为24-32V。优选地，第三电压为28V。 说 明 书CN 102497144 A 4/5页 7 0。
22、030 第二电压VCC2可以通过将第三电压VCC经过第二线性电源子模块114的转换得 到。其中，第二电压约为15V。 0031 如图3所示，由晶振G1、电容C2和电容C 3共同组成的晶振电路为电机控制模块 120提供工作所需要的频率信号。硬件复位芯片D2电容C1、电阻R1和电阻R2共同组成 的硬件复位电路在上电时为电机控制模块120提供复位信号。电机控制模块120在接收上 位机电机转速指令ORDER后，输出六路PWM波，分别为第一PWM波PWM0、第二PWM波PWM1、 第三PWM波PWM2、第四PWM波PWM3、第五PWM波PWM4以及第六PWM波PWM5。 0032 功率管驱动模块130将。
23、来自电机控制模块120的第一至第六PWM波转换成可以驱 动电机驱动功率模块140的控制信号。其中，电机驱动功率模块140根据第一至第六PWM 波生成第一至第六驱动信号以对直流无刷电机160进行驱动。直流无刷电机160在运行时 产生第一至第三相反电动势。 0033 如图4所示，电机驱动功率模块140包括第一至第六功率管，分别为第一上桥臂功 率管V1、第二上桥臂功率管V2、第三上桥臂功率管V3、第一下桥臂功率管V4、第二下桥臂功 率管V5和第三下桥臂功率管V6。其中，功率管采用三相全桥形式。第一至第三上桥臂功率 管和第一至第三下桥臂功率管中每一个功率管的栅极和源极之间连接有电阻。并且，第一 至第三。
24、上桥臂功率管中每一个功率管的栅极和地之间连接有快速二极管。具体地，第一上 桥臂功率管V1的栅极和地之间连接有快速二极管V7、第二上桥臂功率管V2的栅极和地之 间连接有快速二极管V8、第三上桥臂功率管V3的栅极和地之间连接有快速二极管V9。通 过在每个上桥臂功率管的栅极和地之间连接有快速二极管，可以实现对功率管的栅极的保 护。 0034 在本发明的一个实施例中，直流无刷电机可以采用三角形接法。此时，如图5所 示，过零点判断模块150包括采样分压子模块151和比较子模块152。其中，采样分压子模 块151用于对第一至第三相反电动势信号生成中性点。比较子模块152用于将上述中性点 与分压后的第一至第。
25、三相反电动势信号进行比较以生成直流无刷电机是否过零点的判断 结果。 0035 具体地，采样分压子模块151对第一相电压U、第二相电压V和第三相电压W进行 分压，分别生成第一相U_DIV、第二相电压V_DIV和第三相电压W_DIV。采用分压子模块151 将上述第一至第三相反电动势分别输送至比较子模块152的正输入端。其中，比较子模块 152包括第一比较器N1A、第二比较器N2A和第三比较器N3A。对于采用三角形接法的直流 无刷电机，由于这类型的直流无刷电机没有中性点，需要将三相分压后的信号经过三个电 阻后接在一起形成中性点。将第一相U_DIV、第二相电压V_DIV和第三相电压W_DIV经过电 阻。
26、R7、R8和R9后形成中性点，将中性点输入到比较子模块152的负输入端，作为参考信号。 0036 在本发明的又一个实施例中，直流无刷电机还可以采用驱动星形接法。对于采用 星形接法的直流无刷电机，采样分压子模块151对第一至第三相反电动势信号进行分压。 比较子模块直接采用该类型的直流无刷电机的中性点作为参考信号，并将星形接法的中性 点与分压后的第一至第三相反电动势信号进行比较以生成直流无刷电机160是否过零点 的判断结果。 0037 当分压后的相电压与参考信号有交点时，比较子模块152输出信号跳变，则说明 有直流无刷电机160过零点。电机控制模块120根据比较子模块152的判断结果对第一至 说 。
27、明 书CN 102497144 A 5/5页 8 第六PWM波进行调整以对直流无刷电机的换向和转速进行控制。具体地，电机控制模块120 可以根据该信号计算电机位置，从而进行相应的换向操作。同时，电机控制模块120也可以 根据相邻的过零点时间间隔得到电机转速以进行转速控制。 0038 根据本发明实施例的基于硬件比较采集过零点的直流无刷电机驱动控制装置，采 用硬件比较电路对反电动势进行检测，从而可以确定电机转子位置以及转动速度，可以减 小系统成本和复杂性，增强系统可靠性、环境适应性和抗干扰能力，并减小安装空间需求。 0039 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“。
28、具体示 例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特 点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不 一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何 的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。 0040 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不 脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本 发明的范围由权利要求及其等同物限定。 说 明 书CN 102497144 A 1/3页 9 图1 图2 说 明 书 附 图CN 102497144 A 2/3页 10 图3 图4 说 明 书 附 图CN 102497144 A 10 3/3页 11 图5 图6 说 明 书 附 图CN 102497144 A 11 。