CN106208836A - 一种智能集成高速无刷电机控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种智能集成高速无刷电机控制器，其包括中央处理模块、无刷电机控制电路、温度检测与控制电路、液位检测电路、按键电路、LED灯、蜂鸣器、电源电路，所述无刷电机控制电路、温度检测与控制电路、液位检测电路、按键电路、LED灯、蜂鸣器分别与中央处理模块电连接，所述电源电路用于对中央处理模块、无刷电机控制电路、温度检测与控制电路、液位检测电路、按键电路、LED灯、蜂鸣器供电。本发明具有高度集成化、智能化、总体成本低的优点。

Description

一种智能集成高速无刷电机控制器

技术领域

本发明涉及无刷电机控制技术领域，特别涉及一种智能集成高速无刷电机控制器。

背景技术

传统豆浆机一般使用直流有刷电机，直流有刷电机存在寿命短，难以高速运行等缺点。目前，随着电子技术的高速发展，尤其是功率器件（MOSFET, IGBT）技术的长足进步，使得高频率，大电流控制得以很好实现，而无刷电机，永磁同步电机则越来越多的应用于家电、工业、军事、汽车等领域。而随着电子器件的价格下降，使得一些对价格敏感的家电等产品，也越来越多的采用无刷电机。无刷电机由于不存在换向器，电刷等部件，所以无论从寿命、电磁干扰、高速能力、碳排放等都优于有刷电机。

传统豆浆机电机转向固定，虽然电机高速运转，但是由于液体带动豆子与切割刀同向运转，切割效率降低;同时，固定方向运转容易形成大的漩涡，造成液体溢出，而适当的反向搅刀可以减小漩涡，减少溢出，并能减少糊锅;豆浆机高速切割豆子可以提升切割效率，有利于打碎豆子，形成无渣豆浆;由于豆浆机存在重载启动的需求，所以带有霍尔传感器的无刷电机更有利于此种情况，但是，霍尔一旦发生故障，更换电机会降低豆浆机的使用寿命，增加用户成本，而无传感器模式驱动电机可以有效解决这一问题;传统豆浆机控制器通过继电器切换加热和电机驱动功能，虽然成本低廉，但是难于实现多功能智能化。将电机驱动、加热控制、液位检测等功能集成到一个单片机中，使得控制器具有更高的集成度，更容易实现智能控制。同时，电机的速度闭环控制可以保证在不同的负载情况下，电机匀速运转，在不超出电机外特性的情况下，实现切割效果一致。

有鉴于此，特提出本发明，以改正上述现有技术的不足之处。

发明内容

针对上述现有技术，本发明所要解决的技术问题是提供一种智能集成高速无刷电机控制器，该控制器具有高度集成化、智能化、总体成本低的优点。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种智能集成高速无刷电机控制器，其包括中央处理模块、无刷电机控制电路、温度检测与控制电路、液位检测电路、按键电路、LED灯、蜂鸣器、电源电路，所述无刷电机控制电路、温度检测与控制电路、液位检测电路、按键电路、LED灯、蜂鸣器分别与中央处理模块电连接，所述电源电路用于对中央处理模块、无刷电机控制电路、温度检测与控制电路、液位检测电路、按键电路、LED灯、蜂鸣器供电。

本发明的进一步改进为，所述无刷电机控制电路包括驱动电路、IGBT、霍尔传感器、反电势过零检测电路、电流检测电路，所述驱动电路分别与IGBT和中央处理模块电连接，所述IGBT还与无刷电机电连接，所述霍尔传感器分别与无刷电机和中央处理模块电连接，所述反电势过零检测电路分别与无刷电机和中央处理模块电连接，所述电流检测电路分别与无刷电机和中央处理模块电连接。

本发明的进一步改进为，所述温度检测与控制电路包括温度检测电路、可控硅、加热丝，所述温度检测电路与中央处理模块电连接，所述可控硅分别与加热丝和中央处理模块电连接。

本发明的进一步改进为，所述中央处理模块采用单片机控制。

与现有技术相比，本发明公开了一种高度集成化、智能化的无刷电机控制器。传统豆浆机将电机控制器和豆浆机功能控制部分分开，造成成本浪费。本发明有效地将二者结合，具有高度集成化、智能化、总体成本低的优点。本发明具备以下功能：速度可达3万转的无刷电机速度闭环控制、正反转控制，无刷电机电流检测及过流保护、无刷电机霍尔信号缺失检测及保护、无传感器应急无刷电机控制、加热及温度控制、液位检测、防干烧、时序控制、声光指示等功能。本发明控制电机可达3万转，高速可使豆浆无渣;使用霍尔传感器保证无刷电机在大负载下可靠启动，而一旦检测到霍尔传感器故障，本发明可以切换到无传感器模式，保证正常运行;本发明采用PWM调波方式控制加热功率，并通过温度传感器来检测和控制温度，并配合液位检测，达到防止干烧的目的;此外本发明通过按键接收指令，设置不同的工作模式;通过定时器轮询控制不同模式中各步骤的执行和等待时间;通过蜂鸣器和LED灯进行警报和指示。

附图说明

图1是本发明的智能集成高速无刷电机控制器的功能框图;

图2是本发明的电源电路原理图;

图3是本发明的驱动电路和电流检测电路原理图;

图4是本发明的反电势过零检测电路原理图;

图5是本发明的相电压和过零检测输出图;

图6是本发明的加速中转子位置判定图;

图7是本发明的霍尔和无传感器模式切换原理图;

图8是本发明的温度检测与控制电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明, 附图中类似的元件标号代表类似的元件。

如图1所示，一种智能集成高速无刷电机控制器，其包括中央处理模块、无刷电机控制电路、温度检测与控制电路、液位检测电路、按键电路、LED灯、蜂鸣器、电源电路，所述无刷电机控制电路、温度检测与控制电路、液位检测电路、按键电路、LED灯、蜂鸣器分别与中央处理模块电连接，所述电源电路用于对中央处理模块、无刷电机控制电路、温度检测与控制电路、液位检测电路、按键电路、LED灯、蜂鸣器供电。

具体地，如图1所示，所述无刷电机控制电路包括驱动电路、IGBT、霍尔传感器、反电势过零检测电路、电流检测电路，所述驱动电路分别与IGBT和中央处理模块电连接，所述IGBT还与无刷电机电连接，所述霍尔传感器分别与无刷电机和中央处理模块电连接，所述反电势过零检测电路分别与无刷电机和中央处理模块电连接，所述电流检测电路分别与无刷电机和中央处理模块电连接。所述温度检测与控制电路包括温度检测电路、可控硅、加热丝，所述温度检测电路与中央处理模块电连接，所述可控硅分别与加热丝和中央处理模块电连接。所述中央处理模块采用单片机控制。所述液位检测电路、按键电路、LED灯、蜂鸣器都为现有技术，在此不做详细说明。

本发明采用以下设计思路：

1.通过整流滤波电路将交流市电转变为高压直流，直流电供给IGBT以驱动无刷电机，同时，通过一个BUCK电源芯片，配合适当的电感和电阻，输出12V电压，同时保证该电源的电流输出能力大于500mA，以达到驱动IGBT和后续逻辑部分的能力；12V电源通过LDO输出5V电源，给逻辑部分供电。

2.单片机输出PWM信号给驱动电路，驱动电路由专用驱动芯片和自举电路组成，通过弱信号控制强电，也就是控制IGBT的开关，通过控制IGBT的开关有效时间的长短，达到控制施加到无刷电机的有效电压的目的，这也是电机调速的根本原理;通过大功率采样电阻将电流信号转换成电压信号，该电压信号通过运算放大电路和低通滤波电路，然后通过模数转换器将模拟的此电压信号转换为数字信号，用以实现控制器的电流检测和过流保护。

3.单片机读取无刷电机转子位置，以达到电机的自同步控制，而准确的转子位置信息是实现电机可靠控制的关键。该设计由两种方法获取转子位置信息：霍尔信号和通过反电势检测获得。两种信号优先使用霍尔信号，霍尔信号出现故障时，控制器自动切换为无传感器模式，通过反电势检，测电路获取转子位置，此冗余设计同时满足重载下依靠霍尔信号启动电机和霍尔故障时控制器依然可以实现驱动无刷电机的目的。

4.控制器通过光电耦合实现对可控硅的开关控制，可控硅的输入为交流市电，输出连接到电热丝上，通过控制可控硅的开关时间，控制施加到电热丝的有效电压，进而达到控制加热功率的目的;同时，通过负温度系数的热敏电阻（NTC）检测豆浆液体的温度，到达到温度的闭环控制。

5.通过液位开关检测液位大致位置，防止溢出；

6.控制器采用单片机，通过单片机读取按键电路，可设置不同的功能模式，并通过LED灯和蜂鸣器显示和报警;并通过上述1-5功能模块，配合单片机中定时器模块，实现不同选择功能下，无刷电机驱动，正反转，加热等功能的时序和作用时间的控制等。

具体地，本发明的设计方案如下：

1.由于豆浆机等电器为220V交流供电，而无刷电机为直流无刷电机，所以必须将交流电压转换为直流电压，同时，由于逻辑控制部分为直流低压，所以必须将直流高压转换为直流低压。交直流变换通过整流滤波电路即可实现，而若将高压直流变换通过LDO类型电压器件直接转换，由于压差过大，很难实现，为了降低成本和缩小控制器体积，不采用使用变压器将交流高压转换为交流低压再整流滤波处理的方式。采用专用Buck电源芯片可以有效解决上述问题，选择高频buck芯片，这样在相同功能和功率下，其需要配置的电感体积和电感值要小。整个电源电路结构图如图2所示，其中F1为保险丝，在加热时起到限流保护作用，同时也是整个电路的电流保护;RV1为压敏电阻，起保护作用;C1,C2为X电容，C3为Y电容，均为安规电容;L1为共模电感;D1为整流桥;C4为滤波电容;R1和R2共同为泄流电阻，经过上述整流滤波电路，可将交流电转换为直流电，假设输入为220V交流，则输出为310V高压直流，此电源供给电机。由于逻辑电路和驱动电路需要低压电源，所以需要将此高压电源转换为低压。如图2所示，U1为LNK306，为高频BUCK电源芯片，其频率可达66KHz，高频可以有效降低电感L2的感值和体积，R3和R4为反馈电阻，将输出的电压反馈到U1，根据此反馈电压，U1自动调节占空比，使得其输出稳定到期望值，U1的FB引脚即反馈的电压需要稳定到1.65V。经过U1将高压直流转换为12V电压，此电路结构简单，比采用变压器降压的方案体积小很多。12V电压在经过U2转换为5V输出，给逻辑电路供电。

2.经过整流滤波后的高压直流电直接驱动无刷电机，无刷电机调速的基本原理就是调压调速，通过控制IGBT的开通和关断的时间来控制施加到无刷电机的有效电压，达到调压调速的目的。图3为电机驱动电路和电流检测电路，其电路如图3所示，其中U5，U6, U7为集成驱动芯片，每个芯片负责驱动一个桥臂的上下两个IGBT，由于三个桥臂的驱动电路一致，下面以U7驱动的桥臂来分析：其中D5和C41组成自举电路，这样才能保证当Q1和Q4组成的桥臂中，上面的IGBT 的Q1可以开关控制；R47和R48为连接到IGBT栅极的电阻，此电阻大小直接影响驱动IGBT的电流大小，进而影响IGBT栅极充电速度的快慢，也就是开关速度;R59为大功率小阻值的采样电阻，通过它将通过无刷电机的电流转换为电压信号，经过下面的运算放大电路放大一定的倍数，再经过R64和C46组成的低通滤波网络，进行抗混叠滤波处理，然后送到单片机的AD端口进行采样，并将模拟信号转换为数字信号。

3.图4为反电势过零比较检测电路。无传感器模式一般通过无刷电机的反电势来判断电机转子位置。一般通过反电势和供电电压的一半进行比较来得到反电势过零点的位置，但是这种方法由于电阻会存在温漂和阻值偏差，所以造成过零比较基准值波动，检测到的转子位置不准确。本发明采用虚拟中点的方法得到过零比较基准值，该方法相对于直接和供电电压的一半进行比较来得到反电势过零点的位置来说，则三个电阻虚拟线圈中点的方法更准确。在任何通过反电势或端电压的过零比较获得转子位置的方法中，有两个最重要的因素：可以获取过零比较的最小值和获取后的滞后时间。因为电机的反电势和电机速度成正比，要想尽快获得转子位置，进入自同步状态，过零比较电路需要有很高的灵敏度，即很小的反电势即可得到过零点信号。获取反电势过零点信号不能滞后实际过零点太多，否则容易造成换向点不准，造成输出力矩或效率的损失。其中U9为比较器,R22和R23为分压电阻，将过高的端电压降至后续比较器U9输入允许范围;R24和C21组成低通滤波网络，滤除端电压中的PWM信号;R26,R31,R37组成虚拟分压网络，分别作为比较器U9的反向端输入;其中R21+R25的值可以改变比较器U9输出的灵敏度，其值越大，灵敏度越高，但是也更容易受到干扰。该比较器U9的输出经过上拉电阻即可送到单片机中，作为位置判断信号。相电压和过零检测输出如图5所示。

4.一般无传感器启动无刷电机采用三段式启动方法：定位、加速和自同步。在定位阶段，任意给两相通电，使得转子位置固定到此位置，然后以此位置为初始，按固定相序给绕组通电，切换通电的频率逐渐增快，配合占空比的增加，使得无刷电机加速到一定的速度时，可以检测到反电势过零点，进入到自同步状态。但是该方法存在一定的缺陷，尤其是在加速阶段，若负载突然变化，仍然按照固定的加速频率和占空比变化，就会造成启动失败。为了克服以上开环加速算法的弊端，本发明采用在加速相邻两个换向向量之间加入短时检测脉冲，通过检测电流的方式检测转子是否到达预定位置。具体实现方法：在加速过程中每个换向向量完成后，注入此换向向量和下一个换向向量的短时脉冲，并检测电流，电流大的表明转子位置更靠近此位置，通过两个检测电流的差值，就可以判定转子更靠近哪个向量位置;检测两个电流的差值就可以判定转子位置更靠近哪个向量位置了。示意图如图6所示。

5.为了增加本发明的可靠性，本发明采用霍尔和无传感器模式并存的方法。当霍尔信号正常时，采用霍尔得到的转子位置进行控制;当霍尔信号出现0或7状态，或非正常相序时，采用反电势过零比较检测电路检测得到的转子位置进行控制无刷电机，其切换原理如图7所示，该方法简单可靠，易于实现，且使得本发明可靠性增强。

6.图8为温度控制原理图，如图8所示，温度控制是豆浆机必不可少的功能，加热部分通过220V，交流直接加热，交流电直接供给可控硅，通过控制可控硅的占空比来控制施加到加热丝上的功率。实际控制中PWM的频率为交流电频率，即50Hz，通过控制占空比控制施加到加热丝上的有效电压，即功率控制；通过NTC热敏电阻和普通精密电阻组成的简单分压网络，即可实现温度检测电路，通过该温度反馈，就可以闭环控制温度了。

本发明的优点在于，本发明公开了一种高度集成化、智能化的无刷电机控制器。传统豆浆机将电机控制器和豆浆机功能控制部分分开，造成成本浪费。本发明有效地将二者结合，具有高度集成化、智能化、总体成本低的优点。本发明具备以下功能：速度可达3万转的无刷电机速度闭环控制、正反转控制，无刷电机电流检测及过流保护、无刷电机霍尔信号缺失检测及保护、无传感器应急无刷电机控制、加热及温度控制、液位检测、防干烧、时序控制、声光指示等功能。本发明控制电机可达3万转，高速可使豆浆无渣;使用霍尔传感器保证无刷电机在大负载下可靠启动，而一旦检测到霍尔传感器故障，本发明可以切换到无传感器模式，保证正常运行;本发明采用PWM调波方式控制加热功率，并通过温度传感器来检测和控制温度，并配合液位检测，达到防止干烧的目的;此外本发明通过按键接收指令，设置不同的工作模式;通过定时器轮询控制不同模式中各步骤的执行和等待时间;通过蜂鸣器和LED灯进行警报和指示。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种智能集成高速无刷电机控制器，其特征在于：包括中央处理模块、无刷电机控制电路、温度检测与控制电路、液位检测电路、按键电路、LED灯、蜂鸣器、电源电路，所述无刷电机控制电路、温度检测与控制电路、液位检测电路、按键电路、LED灯、蜂鸣器分别与中央处理模块电连接，所述电源电路用于对中央处理模块、无刷电机控制电路、温度检测与控制电路、液位检测电路、按键电路、LED灯、蜂鸣器供电。

2.根据权利要求1所述的智能集成高速无刷电机控制器，其特征在于：所述无刷电机控制电路包括驱动电路、IGBT、霍尔传感器、反电势过零检测电路、电流检测电路，所述驱动电路分别与IGBT和中央处理模块电连接，所述IGBT还与无刷电机电连接，所述霍尔传感器分别与无刷电机和中央处理模块电连接，所述反电势过零检测电路分别与无刷电机和中央处理模块电连接，所述电流检测电路分别与无刷电机和中央处理模块电连接。

3.根据权利要求1所述的智能集成高速无刷电机控制器，其特征在于：所述温度检测与控制电路包括温度检测电路、可控硅、加热丝，所述温度检测电路与中央处理模块电连接，所述可控硅分别与加热丝和中央处理模块电连接。

4.根据权利要求1所述的智能集成高速无刷电机控制器，其特征在于：所述中央处理模块采用单片机控制。