一种数字化智能电机驱动器及驱动方法技术

本发明专利技术涉及数字化智能电机驱动器及驱动方法，该电机驱动器具有磁耦隔离、二次电源变换、霍尔换相控制、过压泄放抑制、过流限流保护、短路软关断保护、死区时间自适应优化、驱动参数智能调节等功能，能够根据数字信息处理平台传来的差分式PWM信号及方向信号，实现一路舵机的驱动控制，能够对舵机运行过程中反电动势造成的过压浪涌进行泄放抑制，能够对舵机工作电流进行限流，能够在短路故障时及时安全的关断功率电路，能够根据功率回路电流大小自适应调节死区时间，能够根据负载条件自动调节驱动参数，能够通过差分总线实时反馈舵机驱动器内部温度、电流，能够对CAN接口反馈位置传感器和电机霍尔进行供电。

【技术实现步骤摘要】
一种数字化智能电机驱动器及驱动方法
本专利技术涉及电机控制
，涉及一种数字化智能电机驱动器及驱动方法，具体来说，主要涉及一种基于SiCMOSFET的三相全桥数字化智能驱动器及其驱动方法。
技术介绍
永磁无刷直流电机以其具有体积小、效率高、功率密度大、结构可靠、易用控制等诸多优点广泛应用于以无人机、航天器为代表的飞行器舵控系统中。目前，舵控系统主要采用舵机控制器+舵机执行机构的分体式设计方案。其中舵机控制器一般由信息处理电路和功率驱动电路及机构件构成，主要完成数字信号处理、算法解算及功率信号驱动放大等功能。舵机执行机构一般由电机、减速传动机构和反馈装置构成，用于最终执行舵控指令，输出所需的力矩、舵偏速度，并使舵面偏转至指定舵偏位置。根据舵机电气参数的不同，舵机控制器的输出电压变化范围很宽，从6V到400V以上均有应用。随着无人机和多电飞机的发展，更高的功率和效率成了机载电机驱动器的主要研究方向之一。现有的SiMOSFET开关速度虽快，但耐压和耐流能力有限，无法实现大功率输出，而IGBT由于存在关断拖尾电流，开关速度较慢，开关损耗较大。SiCMOSFET的高耐压、高开关速度能有效提升电机驱动器的功率和效率，但更高的开关速度和更大的功率对驱动器的快速响应能力和故障快速保护能力提出了更高的要求。此外，舵机控制器内部兼具功率驱动电路和信息处理电路，SiCMOSFET功率驱动电路高速开关带来的电磁干扰问题会影响信息处理电路部分工作，有甚者会影响到上级系统工作。这对舵机控制器信息处理电路及上级系统抗干扰设计提出了较高要求。如何突破舵机控制器设计瓶颈，解决SiCMOSFET驱动设计难题，提高舵系统可靠性和抗干扰性能成为业内探索的一个热门方向。随着电子技术的发展，数字信号处理电路数字化、智能化、集成化设计以成为一种发展趋势，也为解决上述难题提供了一个新思路。通过将Si基功率器件替换为SiCMOSFET，可以有效提高功率电路的电压、电流等级，同时其较高的开关速度也能降低开关损耗，提高驱动器动态控制性能。然而，由于SiCMOSFET的高速开关行为，会给驱动电路引入桥臂串扰和高频电磁干扰，且开关频率提升后，死区时间占整个周期的比例变大，会增加电机的电压电流波形畸变，影响电机性能，同时高速开关要求控制电路有更高的动态响应能力，因此电机驱动器需要针对SiCMOSFET的特点进行优化。而数字化、智能化的设计思路可以有效解决SiCMOSFET带来的问题，实现整个电机驱动器系统的优化设计。在这一设计中，功率驱动单元的优化设计是重要一环，如何实现功率驱动单元与数字信息处理单元的数据交互，如何在信息处理平台与功率驱动单元相距5～10米的远距离条件下实现两者长距传输通讯抗干扰，如何在不同负载条件下对驱动参数进行实时的自适应优化，如何在故障后尽快且尽量安全的对功率电路进行保护是重要的研究内容。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对基于SiCMOSFET的三相全桥电机驱动器应用场景，提供一种数字化智能电机驱动器及驱动方法，为解决SiCMOSFET智能驱动问题、数字电路与功率驱动电路数据交互抗干扰问题、桥臂串扰问题、死区时间自适应优化问题、功率驱动器过流过压保护问题、电机霍尔及位置传感器供电问题等提供一种行之有效的解决方案。该电机驱动器具有磁耦隔离、二次电源变换、霍尔换相控制、过压泄放抑制、过流限流保护、短路软关断保护、死区时间自适应优化、驱动参数智能调节、温度采样、电流采样等功能，能够根据数字信息处理平台传来的差分式PWM信号及方向信号，实现一路舵机的驱动控制，能够对舵机运行过程中反电动势造成的过压浪涌进行泄放抑制，能够对舵机工作电流进行限流，能够在短路故障时及时安全的关断功率电路，能够根据功率回路电流大小自适应调节死区时间，能够根据负载条件自动调节驱动参数，能够通过差分总线实时反馈舵机驱动器内部温度、电流，能够对CAN接口反馈位置传感器和电机霍尔进行供电，并完成反馈位置传感器与信息处理平台信息交互的中转。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案。第一方面，本专利技术提供一种基于SiCMOSFET的三相全桥数字化智能电机驱动器，所述三相电机驱动器主要由功率板、调理板及结构体构成，无内置软件。包括功率板、调理板及结构体构成；所述功率板采用铝基电路板，用于实现电能转换、功率驱动、能量泄放及电流采样功能，利用铝基电路板散热良好的优势，将铝基电路板与散热结构体固联，实现功率驱动器的良好散热；所述调理板用于实现接口信号处理、数字信号转换、状态监控、故障保护功能；所述结构体主要用于固联功率板和调理板，并为功率器件提供良好的散热载体。进一步，所述功率板采用铝基电路板，主要用于实现电能转换、功率驱动、能量泄放及电流采样等功能，包含防倒灌电路、泄放电路、功率驱动电路、功率桥式电路、过流保护电路、电流隔离采样电路部分，利用铝基电路板散热良好的优势，将铝基电路板与散热结构体固联，实现功率驱动器的良好散热。所述调理板采用FR4环氧树脂板，用于实现接口信号处理、数字信号转换、状态监控、故障保护等功能，主要包含信号处理电路、差分接口电路、磁隔离接口电路、隔离电源变换电路、二次电源变换电路、霍尔接口电路、霍尔换相逻辑变换电路、电流采样转换电路、温度采样电路。所述结构体主要用于固联功率板和调理板，并为功率器件提供良好的散热载体。所述防倒灌电路，针对功率电路和控制电路单独设计，功率电路部分选用1200V耐压，120A额定过电流能力的功率二极管，串入功率驱动器电源正线中，用于防止电机制动时功率母线VP的电流倒流至供电电源输入端；控制电路部分选用耐压250V，额定过电流能力6A的功率二极管，串入功率驱动器电源正线中用于防止控制母线VK的电流倒流至供电输入端；所述泄放电路，采用PMOS作为功率控制器件，采用功率电阻作为耗散负载，当防倒灌功率二极管后级电压大于二极管前级电压3V以上时，PMOS器件导通，功率母线VP上的电流经电阻进行泄放，从而避免母线电压进一步上升，其中泄放电阻采用外置方式。所述功率驱动电路，采用BM6104-FV作为驱动芯片，该芯片根据霍尔换相逻辑电路计算输出的PWM信号，将控制信号放大，输出用于三相桥式电路门极驱动信号。BM6104-FV内部集成了短路保护功能及有源篏位输出功能。短路保护功能可以检测SiCMOSFET漏源电流大小，在过流时会通过大电阻回路PROOUT进行软关断，在缓冲时间内若电流恢复正常，则后续驱动芯片会恢复正常工作，若缓冲时间过后仍检测到过电流，则判定为短路，进行强制关断。软关断电路一方面可以及时限制过流，另一方面也留出缓冲，避免瞬间关断过电流功率回路导致瞬态电流变化率过高产生的极限尖峰电压将功率器件甚至整个驱动器击穿。有源篏位输出功能可以在驱动电路的正常工作中依时序在功率器件关断后将有源米勒篏位MOSFET打开，通过米勒电容吸收高频开关及桥臂串扰对驱动回路产生的干扰电压，同时在功率器件开通前将有源米勒篏位MOSFET关断，切断米勒电容与栅源极的连接，避免影响SiCMOSFET的高速开关。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种数字化智能电机驱动器，其特征是：包括功率板、调理板及结构体构成；/n所述功率板采用铝基电路板，用于实现电能转换、功率驱动、能量泄放及电流采样功能，利用铝基电路板散热良好的优势，将铝基电路板与散热结构体固联，实现功率驱动器的良好散热；/n所述调理板用于实现接口信号处理、数字信号转换、状态监控、故障保护功能；/n所述结构体主要用于固联功率板和调理板，并为功率器件提供良好的散热载体。/n

【技术特征摘要】
1.一种数字化智能电机驱动器，其特征是：包括功率板、调理板及结构体构成；
所述功率板采用铝基电路板，用于实现电能转换、功率驱动、能量泄放及电流采样功能，利用铝基电路板散热良好的优势，将铝基电路板与散热结构体固联，实现功率驱动器的良好散热；
所述调理板用于实现接口信号处理、数字信号转换、状态监控、故障保护功能；
所述结构体主要用于固联功率板和调理板，并为功率器件提供良好的散热载体。


2.如权利要求1所述的一种数字化智能电机驱动器，其特征是：所述功率板包含防倒灌电路、泄放电路、功率驱动电路、功率桥式电路、过流保护电路、电流隔离采样电路，用于实现电能转换、功率驱动、能量泄放及电流采样功能；
所述防倒灌电路，针对功率电路和控制电路单独设计，功率电路部分选用1200V耐压，120A额定过电流能力的功率二极管，串入功率驱动器电源正线中，用于防止电机制动时功率母线VP的电流倒流至供电电源输入端；控制电路部分选用耐压250V，额定过电流能力6A的功率二极管，串入功率驱动器电源正线中用于防止控制母线VK的电流倒流至供电输入端；
所述泄放电路，采用PMOS作为功率控制器件，采用功率电阻作为耗散负载，当防倒灌功率二极管后级电压大于二极管前级电压3V以上时，PMOS器件导通，功率母线VP上的电流经电阻进行泄放，从而避免母线电压进一步上升，其中泄放电阻采用外置方式；
所述功率驱动电路，采用BM6104-FV作为驱动芯片，该芯片根据霍尔换相逻辑电路计算输出的PWM信号，将控制信号放大，输出用于三相桥式电路门极驱动信号；
所述功率桥式电路为三相功率桥式电路，由3个耐压≥1200V，过电流能力≥400A的SiCMOSFET半桥功率模块通过桥式连接方式构成，桥式电路母线上并联容值≥100uF，耐压≥1200V的无极性电容器；
所述过流保护电路，利用SiCMOSFET的输出特性，结合功率驱动芯片BM6104-FV内置的去饱和检测电路，通过调节分压电阻的值来确定过流电流对应的漏源电压；
所述电流隔离采样电路，采用ACS712隔离电流采样芯片，对电源输入的电流进行采样，并经过PWM调制电路，调制成PWM波，经差分接口电路输出，用于数字处理平台对电流进行实时监控。


3.如权利要求2所述的一种数字化智能电机驱动器，其特征是：所述BM6104-FV内部集成了短路保护功能及有源篏位输出功能，短路保护功能可以检测SiCMOSFET漏源电流大小，在过流时会通过大电阻回路PROOUT进行软关断，在缓冲时间内若电流恢复正常，则后续驱动芯片会恢复正常工作，若缓冲时间过后仍检测到过电流，则判定为短路，进行强制关断；软关断电路一方面及时限制过流，另一方面也留出缓冲，避免瞬间关断过电流功率回路导致瞬态电流变化率过高产生的极限尖峰电压将功率器件甚至整个驱动器击穿；有源篏位输出功能在驱动电路的正常工作中依时序在功率器件关断后将有源米勒篏位MOSFET打开，通过米勒电容吸收高频开关及桥臂串扰对驱动回路产生的干扰电压，同时在功率器件开通前将有源米勒篏位MOSFET关断，切断米勒电容与栅源极的连接，避免影响SiCMOSFET的高速开关。


4.如权利要求3所述的一种数字化智能电机驱动器，其特征是：所述调...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋凯，毋蒙，张伟，杨健，霍红梅，刘亭剑，计旭，
申请(专利权)人：上海航天控制技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31