CN101917153B - 智能电机控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种智能电机控制系统，主要是为了解决现有电机控制器存在的问题而设计。本发明包括电源，直流电机，所述直流电机的电流输入端与电源相连，或经直流-三相交流转换模块与电源相连；还包括：储能电感，其设置在所述电源与所述直流电机，或所述电源与所述直流-三相交流转换模块之间；继流电路，该电路的两端分别与电源的两端相连；以及调速开关，与所述电源的一端相连。本发明能够减小电路对电机的冲击，降低电机运行过程中的温升，有效的提高了电机的工作效率，进而达到了节能的效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种电机调速控制领域，尤其涉及直流有刷电机和直流无刷电机的调速控制系统。
背景技术
随着科技的不断发展，直流电机在工业自动化控制领域应用的非常广泛，如各种自动测试分选设备，各种流水线送料控制系统等等。除此之外，在人们的日常生活中，如家用电器、小孩电动玩具、电动自行车、电动汽车以及各种需要有运动控制的场合均会用到直流电机。
直流电机分为有刷直流电机与无刷直流电机两种，定子产生的磁场与转子产生的磁场具有相同的频率。直流无刷电动机的电机本身是机电能量转换部分，它除了电机电枢、永磁励磁两部分外，还带有位置传感器和控制器。控制器是直流无刷电机的核心，它不仅关系到性能指标、噪声振动、可靠性和使用寿命等，还涉及制造费用及产品成本。
但目前由于电机定子本身产生的电磁场高频响应能力差，一般最大只能在1KHz左右，而电机在调速时，调速控制的频率要远大于电机的磁场旋转频率，频率高给电机带来的损耗就会增加，电机的能量转换效率也就会大大降低。
市场上常用的直流有刷电机控制器的调速是通过改变PWM(Pulse WidthModulation，脉冲宽度调制)宽度来实现的。一般PWM控制频率在10K到30KHz之间。Ra、Rb、Rc为电机内阻，La、Lb、Lc为电机等效电感，其感抗很小，高频响应能力差。图3为直流-三相交流转换模块的示意图。图中当开关管Q1，Q2和Q3或开关管Q4，Q5和Q6按电机位置传感器输出的位置信号分别导通时，导能电流较大，其值为：电源电压/(开关管的等效内阻+电机等效内阻)；在电机等效电感La、Lb、Lc及内阻Ra、Rb、Rc产生的损耗也就越大。
发明内容
为了克服上述的缺陷，本发明提供一种对电机的冲击电流小的，并能够有效降低电机运行中的温升的，且具有节能效果的智能电机控制系统。
为达到上述目的，本发明智能电机控制系统，包括电源，直流电机，所述直流电机的电流输入端与电源相连，或经直流-三相交流转换模块与电源相连，还包括：
一储能电感，其设置在所述电源与所述直流电机，或所述电源与所述直流-三相交流转换模块之间；
一继流电路，该电路的两端分别与电源的两端相连；以及，
一调速开关，与所述电源的一端相连。
进一步地，所述继流电路由快速二极管构成，所述的快速二极管具有足够的电流大小，且工作频率在5K以上。
进一步地，所述调速开关由至少一个P沟道或N沟道MOS管构成，或由至少一个三极管构成，或由至少一个可控硅构成。
进一步地，所述智能电机控制系统还包括一滤波电容，所述滤波电容设置在所述直流电机的两端，或设置在所述直流-三相交流转换模块的输入端。
进一步地，所述直流-三相交流转换模块由三个上开关管和三个下开关管构成；其中，所述的三个上开关管的公共极均与辅助电源的负极相连，所述的三个上开关管的控制极均与辅助电源的正极相连；所述的三个下开关管的公共极均与另一辅助电源的负极相连，所述的三个下开关管的控制极均与另一辅助电源的正极相连。
进一步地，所述的直流电机包括直流有刷电机和直流无刷电机。
电机的调速PWM频率一般在5K以上，开关管在导通时电流会从0急速地增加到最大值，对于电源来说就是冲击性负载。本发明通过在所述电源与 所述直流电机之间设置一储能电感，这样就增加了电源整体负载的电感量，在调速过程中，储能电感在开关管导通时储存能量，同时也让导通时负载电流上升速度下降，最大电流不能到达最大值时就关断，把对电机的冲击能量储存在电感中，这样对负载电机的冲击电流就会大大减少；在开关管关闭时再释放能量。
传统的控制器因为上三只开关管和下三只开关管是在电机调速PWM频率控制下工作的，开关管导通时给电机供电，关闭时利用开关管内部反向并接的快速二极管的续流作用，可将电机内部等效电感储存能量重新释放给电机，所以说传统的电机控制器在不加电感的情况下也能使用，但电机在使用的过程中容易发热，且耗能。而本发明在所述电源的负极端连接了一调速开关，使得上下开关管不再按电机调速PWM的频率进行开关，而是按电机工作时序进行开关。电机调速PWM控制由调速开关来实现。致使上下开关管的开关损耗就会大大减小，只是一只调速开关的开关损耗，进而达到了节能的目的，且控制简单。
本发明所述智能电机控制系统具有以下几点有益的效果：
1、本发明解决了直流三相或其他多相无刷电机的节能问题，且电路简单，可靠性强，便于批量生产。
2、本发明减少了对电机的冲击电流，降低了电机运行中的温升，提高了电机使用寿命。
附图说明
图1为本发明所述智能电机控制系统的直流有刷电机的控制系统电路图；
图2为本发明所述智能电机控制系统的直流无刷电机的控制系统电路图；
图3为传统直流-三相交流转换模块的原理图；
图4为本发明所述智能电机控制系统的直流-三相交流转换模块接入四路辅助电源的电路图；
图5为本发明所述智能电机控制系统的直流-三相交流转换模块接入两路辅助电源的电路图；
图6为本发明所述智能电机控制系统的一实施例原理图；
图7为本发明所述智能电机控制系统的另一实施例原理图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细描述。
如图1所示，本发明所述智能电机控制系统的直流有刷电机的控制系统电路图。储能电感L1的一端与电源的正极相连，另一端与直流有刷电机相连，图中La为电机的等效电感，Ra为电机的内阻；电源的负极连接有调速开关Q7；在电源的正极和负极之间并联一快速二极管，起继流作用；在储能电感后，连接有一与直流有刷电机并联的滤波电容C0。另外，图中电阻R4为输出电源取样电阻(以下图中均相同)。
其中，所述的储存电感L1的能量为0.5*L*I*I，其中L为电感量大小，I为电感的电流；电感的电感量是确定的，但其感抗的大小与频率有关为：
XL＝2*π*f*L
其中，f为电感工作频率，所以在不同的调速开关控制下可以通过调节频率来改变XL值，从而改变调速开关的电流上升速度，进而改变了电感储存的能量。
如图2所示，本发明所述智能电机控制系统的直流无刷电机的控制系统电路图。图中，电源后面设置了一个储能电感，电感与负载是串连关系。而传统控制器上下开关管是按电机调速PWM控制的频率开关的，开关管Q1，Q2，Q3，Q4，Q5和Q6开通时所加电感是串连关系，但开关管Q1，Q2，Q3，Q4，Q5和Q6关闭时就不是串连关系。例如，假设开关管Q1和Q5导通，电流从电 源正极流出，电流经开关管Q1流经电机后到开关管Q5，然后再经开关管Q7流入电源负极。假设开关管Q1导通，而开关管Q5关闭，则所加电感就不能构成续流回路，电感的两端就会产生高压，进而损坏直流-三相交流转换模块(DC-AC转换模块)的功率开关管。为了保证电机的位置更改时开关管的正常切换瞬间不产生高压，在直流-三相交流转换模块(DC-AC模块)的输入端连接一只滤波电容C0。
本发明在所述电源的负极端连接了一调速开关Q7，该调速开关可由至少一个P沟道或N沟道MOS管，或至少一个三极管，或至少一个可控硅等等。本发明通过设置一调速开关Q7，使得开关管Q1，Q2，Q3，Q4，Q5和Q6不再按电机调速PWM的频率进行开关，而是按电机工作时序进行开关。电机调速PWM控制由调速开关Q7来实现。致使开关管Q1，Q2，Q3，Q4，Q5和Q6的开关损耗就会大大减小，只是一只调速开关管Q7的开关损耗。
若要提高输出电流可以并联多个调速开关管，图2中调速开关由三个并联的调速开关Q7，Q7A和Q7B组成。本发明控制方便，电路简单，解决了三相电机的连接复杂问题。
如图4所示，本发明所述智能电机控制系统的直流-三相交流转换模块接入四路辅助电源的电路。图4即为传统的直流-三相交流转换模块的连接方式。上开关管Q1，Q2和Q3分别连接3路独立辅助电源进行控制，而下开关管Q4，Q5和Q6连接一路独立辅助电源进行控制。而本发明由于接入了调速开关管Q7，直流-三相交流转换模块(DC-AC转换模块)的功率开关管控制也不再需要电机调速PWM驱动。因此，本发明将上开关管Q1，Q2和Q3采用1路辅助电源进行控制，降低了控制系统的复杂性(如图5所示)。
本发明还可以灵活放置电感位置，及调速开关的位置。如图6和图7所示。图6，所述储能电感L1连接在电源的负极，调速开关Q7连接也连接在电源的负极。图7，所述储能电感L1连接在电源的正极，调速开关Q7连接也连接在电源的正极。
本发明利用开关电源的BUCK降压斩波器方式应用到传统的控制器上，只需要在电路中串联一只储能电感，储能电感L1位置可放在传统控制器的开关输入之前(如图4与图5所示)或放在之后(如图6与图7所示)。调速开关管Q7可与电源负极相连(如图4，图5和图6所示)，也可与电源正极相连(如图7所示)。所述直流-三相交流转换模块可连接4路独立辅助电源(如图4所示)，或2路独立辅助电源(如图5所示)。更改电感位置、调速开关管位置、更改独立辅助电源的个数可得到多种不种的电路图(如图4，图5，图6和图7所示)。
以上，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种智能电机控制系统，包括电源，直流电机，所述直流电机的电流输入端经直流-三相交流转换模块与电源相连，所述直流-三相交流转换模块由三个上开关管和三个下开关管构成；其中，所述的三个上开关管的公共极均与辅助电源的负极相连，所述的三个上开关管的控制极均与辅助电源的正极相连；所述的三个下开关管的公共极均与另一辅助电源的负极相连，所述的三个下开关管的控制极均与另一辅助电源的正极相连；其特征在于，还包括：
一储能电感，其设置在所述电源与所述直流-三相交流转换模块之间；
一继流电路，该电路的一端与电源的一端相连；以及，
一调速开关，串设在继流电路的另一端与电源另一端之间，用以实现电机调速PWM控制；使得上下开关管不再按电机调速PWM的频率进行开关，而是按电机工作时序进行开关。
2.根据权利要求1所述智能电机控制系统，其特征在于，所述继流电路由快速二极管构成。
3.根据权利要求1所述智能电机控制系统，其特征在于，所述调速开关由至少一个P沟道或N沟道MOS管构成，或由至少一个三极管构成，或由至少一个可控硅构成。
4.根据权利要求1所述智能电机控制系统，其特征在于，所述智能电机控制系统还包括一滤波电容，所述滤波电容设置在所述直流电机的两端，或设置在所述直流-三相交流转换模块的输入端。
5.根据权利要求1所述智能电机控制系统，其特征在于，所述的直流电机包括直流有刷电机和直流无刷电机。
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