專利名稱：一種大功率三相直流無刷電機控制模塊及其封裝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及直流無刷電機的控制領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電動機(以下簡稱電機)是將電能轉(zhuǎn)化為機械能的主要設(shè)備，全球80%以上的電能-機械能轉(zhuǎn)換都是通過電機完成的。電機作為風(fēng)機、水泵、壓縮機、機床等各種設(shè)備的動力源其應(yīng)用幾乎涵蓋了所有現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域，包括航空航天、軍事、汽車(尤其是電動汽車)、冶金、水利、石化、采掘、電廠、鋼廠等行業(yè)。提高電機效率的有效途徑是采用高效節(jié)能電機和電機控制系統(tǒng)。目前全球范圍內(nèi)大量使用的電機主要包括直流電機(DCMotor-簡稱DCM)、感應(yīng)電機GnductionMotor-簡稱IM)、永磁電機(Permanent Magnet Motor-簡稱PMM)和開關(guān)磁阻電機(SwitchedReluctance Motor-簡稱 SRM)。其中永磁電機和開關(guān)磁阻電機都屬于低能耗高效節(jié)能電機，正在被世界各國大力推廣使用。開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)較為簡單、轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性好，啟動轉(zhuǎn)矩高，但轉(zhuǎn)矩脈動大、噪聲大，控制系統(tǒng)復(fù)雜，其控制技術(shù)還處于研究發(fā)展時期。永磁電機又包括直流無刷(Brushless DC Motor-簡稱BLDC)禾口永磁同步(Permnent Magnet Synchronous Motor-簡稱PMSM)電機兩大類。永磁電機用永磁體(稀土)產(chǎn)生磁場，突出優(yōu)點是體積小，質(zhì)量輕(其質(zhì)量功率比為0. 5-1. Okg/Kw)、基本免維護、調(diào)速范圍廣，能達到更高的效率和功率密度。其中，永磁同步電機目前主要用于電動汽車等需要傳動的應(yīng)用中，而本發(fā)明針對的直流無刷電機的應(yīng)用遍及家電、內(nèi)燃機汽車、電動汽車(包括混合動力汽車)、飛機、直升機、重型機械等領(lǐng)域。節(jié)能電機要想實現(xiàn)高效節(jié)能的目的，除了電機本身以外，更重要的是還要有與之相配套的電機控制系統(tǒng)。目前先進的電機控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)、調(diào)速、調(diào)扭矩、無傳感器(Sensorless)控制等眾多功能，且具備過壓、過溫、過流等保護措施。應(yīng)用于航空航天及軍事領(lǐng)域的電機控制系統(tǒng)還要求能在_55°C至+150°C、高溫高濕、強震動、機械沖擊等復(fù)雜惡劣條件下長期穩(wěn)定工作?，F(xiàn)在國際上常用的電機控制理論包括1)空間矢量調(diào)制(Space vector modulation-簡稱 SVM)2)磁場定向(矢量)控制(Field-oriented(vector) control-簡稱 F0C)3)梯形控制(Trapizoidal Control-簡稱 TC)4)正弦控制(Sinusoidal Control-簡稱 SC)5)脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation-簡稱 PWM)6)無傳感器磁通矢量位置估算法(Sensorless flux vector positionestimation，簡稱 SFVPE)7)無傳感器速度估算法(Sensorless speed est" imation，簡稱 SSE)8)擴展 Kalman 估算法(Extended Kalman estimator-簡稱 EKE)
其中空間矢量調(diào)整(SVM)在永磁同步電機、磁場定向(矢量)控制(FOC)在直流無刷電機控制系統(tǒng)中屬于控制精度、效率等綜合性能非常好的控制理論。電機控制系統(tǒng)主要硬件包括電機控制IC和功率輸出元件兩大類。電機控制IC包括以下兩大類1)智能控制IC 微控制單元(Micro Control Unit-簡稱MCU)、數(shù)字信號處理芯片(Digital Signal Processor-簡稱 DSP)、現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable GateArray-簡稱 FPGA)。2) 一般電機控制 IC (Motor Control IC)。功率輸出元件主要包括金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor,簡稱 M0SFET)和絕緣柵型雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor-簡稱 IGBT)。其中 MOSFET 元件一般應(yīng)用于電壓小于等于250V，電流小于等于50A、高轉(zhuǎn)速電機控制系統(tǒng)中。IGBT元件則可應(yīng)用于高壓(目前國外永磁電機最高電壓為1200V)和大電流((3600A)電機控制中。在跨入二十一世紀以后，國際先進電機控制系統(tǒng)主要向以下幾個方向發(fā)展(1)數(shù)字化由數(shù)字電路及軟件構(gòu)成控制單元、通過功率輸出器件控制電機可以極大地提高控制系統(tǒng)的靈活性和可控制性，用戶使用方便。在需要統(tǒng)一由計算機控制的設(shè)備如電動汽車、航空航天及軍事領(lǐng)域的裝備中應(yīng)用較廣。其缺點是成本較高、系統(tǒng)元件多、可控制的電機轉(zhuǎn)速較低。(2)集成模塊化隨著現(xiàn)代電動裝備對體積、重量及系統(tǒng)集成方便程度等方面提出日益嚴格的要求，電機控制系統(tǒng)不斷向高集成度、模塊化方向發(fā)展。尤其是采用大規(guī)模集成技術(shù)的通用電機控制模塊不但使電機控制系統(tǒng)構(gòu)成簡化、體積和重量顯著減少，而且系統(tǒng)功能和可靠性得到極大提高，因此電機控制模塊的發(fā)展日益成為主流。(3)智能化由智能控制IC如MCU、DSP、FPGA等為核心控制單元構(gòu)成的電機控制產(chǎn)品具有人機界面友好、一套控制系統(tǒng)可控制不同類型電機、通過軟件可根據(jù)實際電機及負載情況采用不同控制方法、可實時與上位控制系統(tǒng)通訊等諸多優(yōu)點，是目前電機控制發(fā)展的重要方向。智能化的另一種表現(xiàn)形式是將數(shù)字控制系統(tǒng)與通用模擬控制模塊相結(jié)合，發(fā)揮數(shù)字和模擬控制各自優(yōu)勢，極大地增加控制系統(tǒng)的靈活性、拓寬調(diào)速范圍并減小系統(tǒng)體積和重量、降低成本。(4)網(wǎng)絡(luò)化電機控制系統(tǒng)通過常用網(wǎng)絡(luò)通訊接口和協(xié)議(如TCP/IP協(xié)議)與上位主控系統(tǒng)(通常為主控計算機)直接或間接通訊、構(gòu)成電機網(wǎng)絡(luò)并實現(xiàn)近遠程控制是電機控制系統(tǒng)的最新發(fā)展趨勢。通過網(wǎng)絡(luò)控制各電機的運行可以簡化系統(tǒng)構(gòu)成、便于集中控制。這樣的網(wǎng)絡(luò)集成電機控制系統(tǒng)特別適合諸如飛機、直升機、航天飛行器、電動汽車、各種泵站、風(fēng)機群等內(nèi)含多臺電機的裝備。以飛機為例，一架大型民航客機內(nèi)部使用的直流無刷電機多達上百臺，主控系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)(內(nèi)部局域網(wǎng)絡(luò))直接對各部位電機進行控制，使得控制更直觀、更簡單、自動化水平更高。
(5)新電機控制理論不斷出現(xiàn)雖然目前電機控制理論已經(jīng)比較成熟，但新的控制理論和方法仍層出不窮。如磁場定向(矢量)控制(FOC)、擴展Kalman估算法(EKE)等都是近年來新采用的控制理論。根據(jù)電機不同應(yīng)用條件，各種控制理論和方法均有應(yīng)用，但空間矢量調(diào)整(SVM)控制在永磁同步電機中、磁場定向(矢量)控制(FOC)在永磁直流無刷電機控制系統(tǒng)中都是目前國外公認的控制精度高、效率好的控制方法。我國是亞洲第一大電力消耗國，電機用電量達到工業(yè)用電總量的80%以上，因此電機能源效率水平的提高對我國能源節(jié)約、環(huán)境保護以及資金節(jié)約均具有重要意義。雖然近年來中國電機行業(yè)整體發(fā)展迅速，產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高，但電機在使用壽命、可靠性、材料消耗、噪聲及振動消減等方面仍有缺陷。首先是電機控制系統(tǒng)的集成度不高、集成模塊非常少、采用的控制方法較簡單、甚至在系統(tǒng)散熱方面也存在問題。這種現(xiàn)狀造成電機控制方面的產(chǎn)品存在體積大、重量大、效率低等一系列問題。其次是電機控制系統(tǒng)廠家標準化、系列化的產(chǎn)品種類非常少，很少能夠提供全面的電機控制解決方案。其電機控制系統(tǒng)在電路設(shè)計、采用的控制方法、生產(chǎn)質(zhì)量控制、可靠性測試等諸多方面都不規(guī)范，造成產(chǎn)品質(zhì)量波動較大，在惡劣環(huán)境中的工作穩(wěn)定性不高，且使用壽命短。以上種種原因造成了電機控制系統(tǒng)整體水平較低的現(xiàn)狀，導(dǎo)致我國節(jié)能電機不能充分發(fā)揮其高效節(jié)能的特點，其實際效率只能達到85%左右，這也對電動產(chǎn)品的技術(shù)進步也造成了一定的阻力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種集功率、驅(qū)動和控制于一體的三相直流無刷電機集成模塊，可用于風(fēng)機、水泵、起重機、醫(yī)療設(shè)備、電動汽車以及各種大中小型直流無刷電機的速度或扭矩控制。與目前普遍使用的普通變頻器或工業(yè)電機控制器相比，該模塊具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、功能強大、用戶使用簡單靈活的特點，是航空航天、軍事、工業(yè)及醫(yī)療設(shè)備中理想的動力驅(qū)動模塊。本發(fā)明可驅(qū)動電流< 250A、電壓< 1200V的所有直流無刷電機，可用于兩象限或四象限運行模式。四象限模式適用于動態(tài)控制系統(tǒng)，兩象限模式適用于穩(wěn)態(tài)控制系統(tǒng)。它可以通過電壓控制模式對電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，通過電流控制模式對電機轉(zhuǎn)矩進行調(diào)節(jié)。電壓和電流控制模式也可以結(jié)合起來以實現(xiàn)某一特定的速度-轉(zhuǎn)矩控制需求。其特征是各外部指令包括速度、扭矩調(diào)節(jié)信號、軟啟動信號、驅(qū)動象限選擇信號、轉(zhuǎn)向信號、剎車信號分別與邏輯控制電路的輸入端相連；所述邏輯控制電路的輸出端與功率元件驅(qū)動電路的輸入端相連；所述功率元件驅(qū)動電路的輸出端與功率元件的輸入端相連；過熱、過電流、過電壓保護電路分別與所述邏輯控制電路和所述功率元件互連，為所述邏輯控制電路提供溫度、電流及電壓信號；所述功率元件的輸出端與三相直流無刷電機的輸入端相連；所述三相直流無刷電機安裝有霍爾傳感器；所述邏輯控制電路提供給所述霍爾傳感器+5VDC的參考電源；所述霍爾傳感器反饋給所述邏輯控制電路電機轉(zhuǎn)速信號。其中，
所述邏輯控制電路中含有PWM電路，可根據(jù)各輸入信號(外部指令)、電機速度反饋信號、輸出功率器件的電流信號等確定提供給功率元件驅(qū)動電路的輸出信號，還可根據(jù)溫度信號、輸出功率器件的電流信號及電壓信號確定提供給過溫、過電流及過電壓保護電路的輸出信號，使得保護電路能觸發(fā)相應(yīng)的保護措施。所述功率元件驅(qū)動電路，由功率元件驅(qū)動IC及相關(guān)外設(shè)電路構(gòu)成，其主要作用為根據(jù)邏輯控制電路的輸入指令生產(chǎn)PWM信號以驅(qū)動功率元件，進而驅(qū)動電機按照正確的方式運轉(zhuǎn)。所述功率元件，直接與電機三相輸入連接，驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)。所述過溫、過電流及過電壓保護電路上設(shè)有電流、電壓及溫度傳感器，所述過溫、過電流及過電壓保護電路將其信號作為反饋信號，以實現(xiàn)過溫、過電流、過電壓自動剎車及自動恢復(fù)功能。所述霍爾傳感器安裝在電機軸上，為邏輯控制電路提供電機轉(zhuǎn)速反饋信號。本發(fā)明還提供了一種封裝方法，它包括金屬印刷電路板、功率輸出元件、PCB板、功率輸出管腳和控制管腳、塑料外殼、壓環(huán)。其中，金屬印刷電路板為整個模塊的底板，功率輸出元件通過焊錫焊接在金屬底板上并與控制及驅(qū)動PCB板連接。功率輸出管腳和控制管腳分別用焊錫焊接在PCB板上，并穿出塑料外殼構(gòu)成模塊的外部引腳。塑料外殼用壓環(huán)通過緊配合壓入底板固定。模塊的所有管腳均通過封裝樹酯與塑料外殼密封在一起。其中，功率輸出元件可以采用功率MOSFET或IGBT元件，數(shù)量為6個。本發(fā)明的主要特點有集功率、驅(qū)動和控制于一體，構(gòu)成了一套完整的三相直流無刷電機控制集成系統(tǒng)；輸出采用高速IGBT或MOSFET元件、平均相電流可達200A (峰值電流最大250A)，直流總線電壓可達1200V ；從零速度到全速度采用固定頻率PWM ；可選擇兩象限或四象限驅(qū)動；具有正反向控制和輸出反饋；帶內(nèi)部精準電流采集及反饋、閉合回路速度或扭矩控制、輸出和頻率與速度成正比等功能；具有剎車控制、有軟啟動選擇、過熱自動關(guān)閉及自動恢復(fù)等功能；具有過載保護、低、高壓保護及自動恢復(fù)功能；且可選擇金屬外殼封裝，確保元件經(jīng)久耐用。由于本發(fā)明集多種電機控制功能于一體，用戶可以非常方便地將其用于各種使用直流無刷電機的系統(tǒng)中。具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、功能強大、用戶使用簡單靈活的特點，是航空航天、軍事、工業(yè)及醫(yī)療設(shè)備中理想的動力驅(qū)動模塊。


圖1為電機控制模塊的電路框2為電機控制模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)裝配3為電機控制模塊封裝4為電機控制模塊電壓(轉(zhuǎn)速)控制模式連線圖
圖5為電機控制模塊電流(轉(zhuǎn)矩)控制模式連線6為電機控制模塊與電機的連接圖下面把附圖中的標號名稱歸納如下
權(quán)利要求
1.一種大功率三相直流無刷電機模擬控制及驅(qū)動集成模塊，其特征是各外部指令包括速度、扭矩調(diào)節(jié)信號、軟啟動信號、驅(qū)動象限選擇信號、轉(zhuǎn)向信號、剎車信號分別與邏輯控制電路的輸入端相連；所述邏輯控制電路的輸出端與功率元件驅(qū)動電路的輸入端相連；所述功率元件驅(qū)動電路的輸出端與功率元件的輸入端相連；過熱、過電流、過電壓保護電路分別與所述邏輯控制電路和所述功率元件互連，為所述邏輯控制電路提供溫度、電流及電壓信號；所述功率元件的輸出端與三相直流無刷電機的輸入端相連；所述三相直流無刷電機安裝有霍爾傳感器；所述邏輯控制電路提供給所述霍爾傳感器+5VDC的參考電源；所述霍爾傳感器反饋給所述邏輯控制電路速度信號。其中，邏輯控制電路可根據(jù)各輸入信號(外部指令)、電機速度反饋信號、輸出功率器件的電流信號等確定提供給功率元件驅(qū)動電路的輸出信號，還可根據(jù)溫度信號、輸出功率器件的電流信號及電壓信號確定提供給過溫、過電流及過電壓保護電路的輸出信號，使得保護電路能觸發(fā)相應(yīng)的保護措施；功率元件驅(qū)動電路由功率元件驅(qū)動IC及相關(guān)外設(shè)電路構(gòu)成，其主要作用為根據(jù)邏輯控制電路的輸入指令生成PWM信號以驅(qū)動功率元件，進而驅(qū)動電機按照正確的方式運轉(zhuǎn)；功率元件直接與電機三相輸入連接，驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)；過溫、過電流及過電壓保護電路上設(shè)有電流、電壓及溫度傳感器，所述過溫、過電流及過電壓保護電路將其信號作為反饋信號，以實現(xiàn)過溫、過電流、過電壓自動剎車及自動恢復(fù)功能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率三相直流無刷電機控制及驅(qū)動集成模塊，其特征為，所述功率元件驅(qū)動電路中含有PWM電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率三相直流無刷電機模擬控制及驅(qū)動集成模塊，其特征為，所述的功率輸出元件可以采用功率MOSFET或IGBT元件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求3所述的大功率三相直流無刷電機模擬控制及驅(qū)動集成模塊，其特征為，所述功率元件數(shù)量為6個。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率三相直流無刷電機模擬控制及驅(qū)動集成模塊，其特征為，所述過溫、過電流及過電壓保護電路上設(shè)置有電流、電壓及溫度傳感器。
6.一種大功率三相直流無刷電機控制及驅(qū)動集成模塊的封裝方法，它包括金屬印刷電路板、功率輸出元件、PCB板、功率輸出管腳和控制管腳、塑料外殼、壓環(huán)。其特征是，金屬印刷電路板為整個模塊的底板，功率輸出元件通過焊錫焊接在金屬底板上并與控制及驅(qū)動PCB板連接。功率輸出管腳和控制管腳分別用焊錫焊接在PCB板上，并穿出塑料外殼構(gòu)成模塊的外部引腳。塑料外殼用壓環(huán)通過緊配合壓入金屬印刷電路底板固定，模塊的所有管腳均通過封裝樹酯與塑料外殼密封在一起。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種集功率、驅(qū)動和控制于一體的三相直流無刷電機集成電路模塊，可用于風(fēng)機、水泵、起重機、醫(yī)療設(shè)備、電動汽車以及各種大中小型直流無刷電機的速度或扭矩控制。它包括邏輯控制電路、功率元件驅(qū)動電路、功率元件、過溫、過電流及過壓保護電路。本發(fā)明還提供了該模塊的封裝方法，包括金屬印刷電路板、功率元件、PCB板、功率輸出管腳和控制管腳、塑料外殼、壓環(huán)。其特征是，金屬印刷電路板為整個模塊的底板，功率元件通過焊錫焊接在金屬底板上并與控制和驅(qū)動PCB板連接。功率輸出管腳和控制管腳分別用焊錫焊接在PCB板上，這些管腳穿出塑料外殼構(gòu)成模塊的外部引腳，塑料外殼用壓環(huán)通過緊配合壓入金屬印刷電路底板固定。模塊的所有管腳均通過封裝樹酯與塑料外殼密封在一起。
文檔編號H02P6/08GK102594229SQ201110005658
公開日2012年7月18日 申請日期2011年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月7日
發(fā)明者劉立東 申請人:北京統(tǒng)合萬方科技有限公司