一种数字隔离式大功率三相无刷电机驱动模块制造技术

本发明专利技术属于机电伺服驱动领域，具体公开一种数字隔离式大功率三相无刷电机驱动模块，光耦隔离单元的信号输出端和过流保护单元的信号输出端均与逻辑单元的信号输入端连接，逻辑单元的信号输出端和过流保护单元的信号输出端均与H桥驱动控制单元的信号输入端连接，H桥驱动控制单元的信号输出端与场效应管输出单元的信号输入端相连，场效应管输出单元的信号输出端分别连接过流保护单元的信号输入端和外部电机绕组U、V、W；光耦隔离单元、逻辑单元和H桥驱动控制单元均连接工作电源Vcc，过流保护单元和场效应管输出单元均连接动力电源Vs。本发明专利技术的驱动模块可靠性高、集成度高、工作电流大、功率密度高、生产周期短。

【技术实现步骤摘要】
一种数字隔离式大功率三相无刷电机驱动模块
本专利技术属于机电伺服驱动领域，具体涉及一种数字隔离式大功率三相无刷电机驱动模块。
技术介绍
无刷直流电机的运动控制需要采用驱动直流电机运动的驱动电路，为实现电机的运动通常需要采用桥式驱动电路进行驱动。另外为了防止电机堵转时产生的大电流烧毁电机、电源或者其他部件，需要进行过流保护设计。采用分离元器件进行构建实现这些功能，电路结构比较复杂，电路体积较大，难以满足航天伺服产品小型化要求。目前市场上1-2Kw的驱动模块性能较优的，主要采用PCB+DBC的工艺的集成模块，但价格较高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种数字隔离式大功率三相无刷电机驱动模块，该驱动模块可靠性高、集成度高、工作电流大、功率密度高、生产周期短，可满足功率电工作范围20V-70V和功率2Kw以下的无刷直流电机的驱动模块选型，可满足航天机电伺服等使用要求。实现本专利技术目的的技术方案：一种数字隔离式大功率三相无刷电机驱动模块，该模块包括光耦隔离单元、逻辑单元、H桥驱动控制单元、过流保护单元和场效应管输出单元，光耦隔离单元的信号输入端连接模块的外部管脚，接收脉宽调制信号PWM信号、方向信号F/R信号和信号地G端直接进行电机的转速和正反转控制，光耦隔离单元的信号输出端和过流保护单元的信号输出端均与逻辑单元的信号输入端连接，逻辑单元的信号输出端和过流保护单元的信号输出端均与H桥驱动控制单元的信号输入端连接，H桥驱动控制单元的信号输出端与场效应管输出单元的信号输入端相连，场效应管输出单元的信号输出端分别连接过流保护单元的信号输入端和外部电机绕组U、V、W；光耦隔离单元、逻辑单元和H桥驱动控制单元均连接工作电源Vcc，过流保护单元和场效应管输出单元均连接动力电源Vs；光耦隔离单元将由模块外部管脚输入的脉宽调制信号PWM信号、方向信号F/R信号和信号地G进行光物理隔离分别输出功率放大后的脉宽调制信号PWM信号、方向信号F/R信号和功率输出地GND，逻辑单元接收光耦隔离单元输出的脉宽调制信号PWM信号、方向信号F/R信号；逻辑单元分别接收由光耦隔离单元输出的脉宽调制信号PWM信号、方向信号F/R信号，由过流保护单元输出的过流使能信号SD和由外部管脚输入的三相霍尔信号SA、SB、SC，依照PWM_ON斩波调制方式进行组合逻辑，并向H桥驱动控制单元输出六路逻辑信号；H桥驱动控制单元分别接收由逻辑单元输入的六路脉逻辑信号和由过流保护单元输出的过流使能信号SD，并经过其驱动控制单元向场效应管输出单元输出六路脉宽调制信号；场效应管输出单元接收H桥驱动控制单元输出的脉冲宽度调制信号，来控制场效应管输出单元中三相桥驱动电路的六个场效应管轮流开关，并输出三相脉冲宽度调制信号U、V、W；模块外部管脚U、V、W分别接收场效应管输出单元的三相脉宽调制信号U、V、W，并分别连接无刷直流电机的三相绕组U、V、W来控制直流无刷电机的转速和正反转。所述的过流保护单元通过接收场效应管输出单元中检测母线电流得到的电压信号Vsence信号，并判定此时的Vsence信号是否大于设定值，若大于设定值，向逻辑单元和H桥驱动控制单元输出过流使能信号SD为高电平；若小于设定值，向逻辑单元和H桥驱动控制单元输出过流使能信号SD为低电平。所述的光耦隔离单元由电阻R1、电阻R2、电容C1和双通道光耦U1构成，电阻R1的一端连接模块的输入信号PWM引脚，电阻R1的另一端连接双通道光耦U1的源边引脚4，电阻R2的一端连接模块的输入信号F/R引脚，电阻R2的另一端连接双通道光耦U1的源边引脚1，双通道光耦U1的源边引脚2、引脚3接地G；双通道光耦U1的副边引脚8连接VH＝+15V电平、电容C1的一端，双通道光耦U1的副边引脚5和电容C1的另一端均接地，双通道光耦U1的副边引脚6、引脚7分别为F/R信号输出端和PWM信号输出端。所述的双通道光耦U1输入端接入电阻R1、电阻R2进行限流，双通道光耦U1副边引脚8接+15V电平，驱动模块将由模块外部引脚输入的控制指令信号F/R、PWM通过电阻R1、电阻R2传输至双通道光耦U1的源边，双通道光耦U1导通，双通道光耦U1的副边输出对应的功率放大的隔离信号F/R信号、PWM信号到逻辑单元，从而实现输入控制地和功率输出地隔离。所述的电容C1为高频滤波电容，去除信号F/R、PWM的毛刺。所述的过流保护单元由一个基准电压电路和一个比较电路组成，基准电压电路由基准源U9、电阻R24、电阻R14、电阻R17、电容C17和电容C18组成。电容C17的一端和电阻R24的一端串联，并连接供电电源VH，C17的另一端接功率输出地；电阻R24的另一端分别和基准源U9的负端和电阻R14的一端连接；基准源U9的正端和电阻R17、电容C18的一端相连并连接功率输出地；电阻R17和电容C18的另一端和电阻R14的另一端相连并连接到比较器U11的引脚4上；比较电路由比较器U11、电阻R19、电阻R22、电容C22和电容C23组成，电阻R22的一端连接比较器U11的引脚3并连接工作电源VH，另一端连接比较器U11的引脚2，电容C22的一端与比较器U11的引脚3连通并连接工作电源VH，另一端连接功率输出地，电阻R19的一端接场效应输出单元的Vsence信号端，另一端与电容C23的一端连通，并与连接比较器U11的引脚5连通，电容C23的另一端连接功率输出地，比较器U11的引脚2连接逻辑单元的非门参与逻辑运算，并连接H桥驱动控制单元中控制芯片IR2113的引脚8进行控制使能，比较器U11的引脚12连接功率输出地。所述的基准源U9的基电压值为1.2V，R24为限流电阻，电阻R14和电阻R17为分压电阻，为基准电压电路提供Vcom-＝0.06V的基准电压值。本专利技术的有益技术效果在于：本专利技术的无刷电机驱动模块通过一个驱动模块即可代替原有的功率电路和驱动电路，可以实现输入控制地与功率输出地隔离、过流保护功能，显著增加产品组装密度、缩短互连长度、减少信号延迟时间、减轻重量、提高可靠性、大大缩小了模块的体积、具有集成度高、工作电流大、功率密度高等优点。光耦隔离单元实现输入控制地和功率输出地隔离。逻辑单元采用PWM_ON斩波调制方式可实现同侧上、下场效应管(MOSFET)同时截止时对母线电压波动最小、转矩脉动方式最小，并可实现六个场效应管(MOSFET)轮流开管，发热均匀，可提高驱动模块的效率。过流保护单元设计了一种全新的过流输出限制电路，该电路所需元器件少，成本低、占用空间小、不受应用功率等级限制，可实现采样电阻检测的电流值高于触发电流阈值时关断PWM，在检测到电流值低于触发电流阈值时打开PWM，从而实现瞬时过流输出保护。(1)集成度高。数字隔离式大功率三相无刷电机驱动模块包括光耦隔离单元、逻辑单元、H桥驱动控制单元、过流保护单元和场效应管输出单元。(2)采用厚膜混合电路立体组装工艺。将功率器件及驱动电路高度集成在陶瓷基板上，通过一个驱动模块即可代替原有的功率电路和驱动电路，显著增加产品组装密度、缩短互连长度、减少信号延迟时间、减轻重量、提高可靠性、大大缩小了控制器驱动器的体积。(3)体积小、重量轻。该模块内部芯片选择裸芯片和厚膜电阻，大大减小了芯片尺寸对模块大小的限制；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种数字隔离式大功率三相无刷电机驱动模块，其特征在于：该模块包括光耦隔离单元(101)、逻辑单元(102)、H桥驱动控制单元(103)、过流保护单元(104)和场效应管输出单元(105)，光耦隔离单元(101)的信号输入端连接模块的外部管脚，接收脉宽调制信号PWM信号、方向信号F/R信号和信号地G端直接进行电机的转速和正反转控制，光耦隔离单元(101)的信号输出端和过流保护单元(104)的信号输出端均与逻辑单元(102)的信号输入端连接，逻辑单元(102)的信号输出端和过流保护单元(104)的信号输出端均与H桥驱动控制单元(103)的信号输入端连接，H桥驱动控制单元(103)的信号输出端与场效应管输出单元(105)的信号输入端相连，场效应管输出单元(105)的信号输出端分别连接过流保护单元(104)的信号输入端和外部电机绕组U、V、W；光耦隔离单元(101)、逻辑单元(102)和H桥驱动控制单元(103)均连接工作电源Vcc，过流保护单元(104)和场效应管输出单元(105)均连接动力电源Vs；光耦隔离单元(101)将由模块外部管脚输入的脉宽调制信号PWM信号、方向信号F/R信号和信号地G进行光物理隔离分别输出功率放大后的脉宽调制信号PWM信号、方向信号F/R信号和功率输出地GND，逻辑单元(102)接收光耦隔离单元(101)输出的脉宽调制信号PWM信号、方向信号F/R信号；逻辑单元(102)分别接收由光耦隔离单元(101)输出的脉宽调制信号PWM信号、方向信号F/R信号，由过流保护单元(104)输出的过流使能信号SD和由外部管脚输入的三相霍尔信号SA、SB、SC，依照PWM_ON斩波调制方式进行组合逻辑，并向H桥驱动控制单元(103)输出六路逻辑信号；H桥驱动控制单元(103)分别接收由逻辑单元(102)输入的六路脉逻辑信号和由过流保护单元(104)输出的过流使能信号SD，并经过其驱动控制单元向场效应管输出单元(105)输出六路脉宽调制信号；场效应管输出单元(105)接收H桥驱动控制单元(103)输出的脉冲宽度调制信号，来控制场效应管输出单元(105)中三相桥驱动电路的六个场效应管轮流开关，并输出三相脉冲宽度调制信号U、V、W；模块外部管脚U、V、W分别接收场效应管输出单元(105)的三相脉宽调制信号U、V、W，并分别连接无刷直流电机的三相绕组U、V、W来控制直流无刷电机的转速和正反转。...

【技术特征摘要】
1.一种数字隔离式大功率三相无刷电机驱动模块，其特征在于：该模块包括光耦隔离单元(101)、逻辑单元(102)、H桥驱动控制单元(103)、过流保护单元(104)和场效应管输出单元(105)，光耦隔离单元(101)的信号输入端连接模块的外部管脚，接收脉宽调制信号PWM信号、方向信号F/R信号和信号地G端直接进行电机的转速和正反转控制，光耦隔离单元(101)的信号输出端和过流保护单元(104)的信号输出端均与逻辑单元(102)的信号输入端连接，逻辑单元(102)的信号输出端和过流保护单元(104)的信号输出端均与H桥驱动控制单元(103)的信号输入端连接，H桥驱动控制单元(103)的信号输出端与场效应管输出单元(105)的信号输入端相连，场效应管输出单元(105)的信号输出端分别连接过流保护单元(104)的信号输入端和外部电机绕组U、V、W；光耦隔离单元(101)、逻辑单元(102)和H桥驱动控制单元(103)均连接工作电源Vcc，过流保护单元(104)和场效应管输出单元(105)均连接动力电源Vs；光耦隔离单元(101)将由模块外部管脚输入的脉宽调制信号PWM信号、方向信号F/R信号和信号地G进行光物理隔离分别输出功率放大后的脉宽调制信号PWM信号、方向信号F/R信号和功率输出地GND，逻辑单元(102)接收光耦隔离单元(101)输出的脉宽调制信号PWM信号、方向信号F/R信号；逻辑单元(102)分别接收由光耦隔离单元(101)输出的脉宽调制信号PWM信号、方向信号F/R信号，由过流保护单元(104)输出的过流使能信号SD和由外部管脚输入的三相霍尔信号SA、SB、SC，依照PWM_ON斩波调制方式进行组合逻辑，并向H桥驱动控制单元(103)输出六路逻辑信号；H桥驱动控制单元(103)分别接收由逻辑单元(102)输入的六路脉逻辑信号和由过流保护单元(104)输出的过流使能信号SD，并经过其驱动控制单元向场效应管输出单元(105)输出六路脉宽调制信号；场效应管输出单元(105)接收H桥驱动控制单元(103)输出的脉冲宽度调制信号，来控制场效应管输出单元(105)中三相桥驱动电路的六个场效应管轮流开关，并输出三相脉冲宽度调制信号U、V、W；模块外部管脚U、V、W分别接收场效应管输出单元(105)的三相脉宽调制信号U、V、W，并分别连接无刷直流电机的三相绕组U、V、W来控制直流无刷电机的转速和正反转。2.根据权利要求1所述的一种数字隔离式大功率三相无刷电机驱动模块，其特征在于：所述的过流保护单元(104)通过接收场效应管输出单元(105)中检测母线电流得到的电压信号Vsence信号，并判定此时的Vsence信号是否大于设定值，若大于设定值，向逻辑单元(102)和H桥驱动控制单元(103)输出过流使能信号SD为高电平；若小于设定值，向逻辑单元(102)和H桥驱动控制单元(103)输出过流使能信号SD为低电平。3.根据权利要求2所述的一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：岳宗帅，仲悦，徐志书，李光学，赵絮，张艳红，
申请(专利权)人：北京精密机电控制设备研究所，中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11