CN106385207A - 一种防止意外启动的直流无刷电机控制系统 - Google Patents

一种防止意外启动的直流无刷电机控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种防止意外启动的直流无刷电机控制系统，包括微处理器以及分别与之连接的防止意外启动电路、电机桥式驱动电路、温度采集电路、电流采集电路、位置传感器采集电路、无位置传感器采集电路、电压采集电路和电源电路。通过设计的防止意外启动电路，系统只有在先通电情况下人为主动启动开关，电机才会工作，有效防止电机在意外启动下发生的危险，同时对电机运行中的电压、电流、温度进行控制，大大提高了无刷直流电机运行的可靠性、平稳性。

Description

一种防止意外启动的直流无刷电机控制系统
技术领域
本发明属于电机控制技术领域，特别涉及了一种防止意外启动的直流无刷电机控制系统。
背景技术
有刷电机通过电刷来换相使得电机持续的运转，直流无刷电机一般采用霍尔传感器或者反电动势过零比较来判断相位，开关相应MOS管，给电机通入对应的电流，使得电机持续运转。
由于有刷电机电刷长时间的磨损会损坏，使得有刷电机使用的寿命会缩短，也大大降低了有刷电机的可靠性。而直流无刷电机因其寿命长、可靠性高的特点被广泛的应用于电动工具、电动车、无人机等等领域。
在现如今，直流无刷电机控制器方面的专利要么是有感的无刷直流电机控制器，要么是无感的无刷直流电机控制器，并且都未带有防止意外启动的功能。电机的运行在很多情况下都需要很大的动力，动力大也伴随着危险，在电机意外启动的情况下，后果不堪设想。例如，角磨机、切割机一旦意外启动，非常的危险。
发明内容
为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种防止意外启动的直流无刷电机控制系统，设计了防止意外启动的功能，可以有效防止电机在意外启动下发生的危险，并可以有效地对电机运行中的电压、电流、温度进行控制，大大提高了无刷直流电机运行的可靠性、平稳性。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种防止意外启动的直流无刷电机控制系统，包括微处理器以及分别与之连接的防止意外启动电路、电机桥式驱动电路、温度采集电路、电流采集电路、位置传感器采集电路、无位置传感器采集电路、电压采集电路和电源电路；所述电源电路为微处理器供电，电压采集电路采集电源电路输出的电压信号并传送给微处理器，所述温度采集电路采集电机桥式驱动电路的温度信号并传送给微处理器，所述电流采集电路采集桥式驱动电路输出的电流信号并传送给微处理器，所述位置传感器采集电路采集电机的转子位置信号并传送给微处理器，所述无位置传感器采集电路采集电机各相的反电动势信号并传送给微处理器，所述微处理器根据防止意外启动电路、电机桥式驱动电路、温度采集电路、电流采集电路、位置传感器采集电路、无位置传感器采集电路和电压采集电路传送来的各种信号生成电机驱动指令，并通过电机桥式驱动电路控制电机的运转；
所述防止意外启动电路包括第一～第三三极管、第一～第二二极管、第一～第八电阻、第一～第三电容、稳压管和启动开关，所述第一三极管的发射极连接BAT+端，第一三极管的基极连接第一二极管的阳极，第一二极管的阴极依次串联第一电阻和第一电容后与VBAT端连接，第一三极管的基极经第二电阻与第一三极管的发射极连接，第一三极管的集电极依次串联第三电阻和第四电阻后与地线连接，BAT+端经第二电容与地线连接，所述第二三级管的发射极连接第一电阻与第一电容的公共端，第二三极管的基极经第五电阻与第二二极管的阳极连接，第二二极管的阴极连接BAT+端与第二电容的公共端，第三三极管的集电极经第六电阻与稳压管的阴极连接，稳压管的阳极与地线连接，第六电阻与稳压管阴极的公共端经第三电容与地线连接，所述第三三极管的集电极依次串联第七电阻和第八电阻后与VBAT端连接，第三三极管的发射极与地线连接，第三三极管的基极连接第三电阻与第四电阻的公共端，所述BAT+端接电源电路正极，VBAT端接负载通地，BAT+端与VBAT端之间通过启动开关连接，微处理器连接第六电阻与稳压管阴极的公共端；当BAT+端通电后，电源会对第一电容进行充电，并在极短时间内将第一电容冲满电，此时再闭合启动开关，VBAT端瞬间变为BAT+端的电压，由于第一电容两端电压不能突变的特性，第一电容正极板的电压将变为BAT+端的2倍 ，第二三极管的发射极电压比其基极的电压高，满足第二三极管的导通条件，第二三极管导通后，稳压管的阴极就会在第一电容放电的时间内存在一个高电平，当微处理器接收到该高电平后，判断系统为正常启动；若先闭合启动开关，然后BAT+端通电，第二三极管的发射极电压就不会比其基极的电压高，第二三极管不能导通，稳压管的阴极就不会有高电平，微处理器接收不到高电平，便判断系统为意外启动，微处理器不启动电机。
基于上述技术方案的优选方案，所述电压采集电路包括第九～第十三电阻以及第四～第五电容，所述第九电阻的一端经第四电容与地线连接，第九电阻的另一端经第十电阻与地线连接，第九电阻与第十电阻的公共端依次串联第十一电阻和第十二电阻后与第十三电阻的一端连接，第十三电阻的另一端经第五电容与地线连接，第九电阻与第四电容的公共端连接微处理器，第十三电阻与第五电容的公共端连接电源电路。
基于上述技术方案的优选方案，所述电流采样电路包括第十四～第十七电阻以及第六电容，所述第十四电阻的一端依次经第六电容、第十五电阻和第十六电阻后与第十四电阻的另一端连接，第十五电阻与第十六电阻的公共端与地线连接，第十四电阻与第十六电阻的公共端与电机桥式驱动电路的输出端连接，第十四电阻与第六电容的公共端经第十七电阻接入3.3V电压，第十四电阻与第六电容的公共端连接微处理器的一个端口，第六电容与第十五电阻的公共端连接微处理器的另一个端口。
基于上述技术方案的优选方案，所述温度采集电路包括温敏电阻、第十八～第十九电阻以及第七～第八电容，所述温敏电阻的一端连接地线，温敏电阻的另一端经第十八电阻与第七电容的一端连接，第七电容的另一端与地线连接，温敏电阻与第十八电阻的公共端经第八电容与地线连接，温敏电阻与第十八电阻的公共端经第十九电阻接入3.3V电压，第十八电阻与第七电容的公共端连接微处理器，所述温敏电阻设置在紧靠电机桥式驱动电路中开关管的位置。
基于上述技术方案的优选方案，所述位置传感器采集电路包括霍尔传感器和RC滤波电路，所述霍尔传感器采集电机转子的霍尔信号，并经RC滤波电路滤波后传送给微处理器。
采用上述技术方案带来的有益效果：
（1）本发明设计了防止意外启动电路，大大降低了高速旋转的电机启动时发生的危险性；
（2）本发明既有位置传感器采集电路，又有无位置传感器采集电路，即可以控制有感电机也可以控制无感电机，根据需要可以相互切换，灵活多变；
（3）本发明通过位置传感器采集电路和无位置传感器采集电路获取电机位置，实现电机的堵转保护；
（4）本发明设计了电压采集电路，用于实现过压和欠压保护，增强了电机运行的安全性；
（5）本发明设计了电流采集电路，设置了多级过流保护，使得电机运行更加安全稳定，不会因为电流过大而烧坏硬件；
（6）本发明设计了温度采集电路，实现温度保护，温敏电阻紧贴在驱动电路的MOS管旁边，对电机持续运行使得温度过高而烧坏硬件做了有效的控制；
（7）本发明采用单芯片控制，大大降低了成本，单芯片控制也增强了电机控制的稳定性。
附图说明
图1是本发明的基本结构框图。
图2是本发明的防止意外启动电路图。
图3是本发明的电压采集电路图。
图4是本发明的电流采集电路图。
图5是本发明的温度采集电路图。
图6是本发明的位置传感器采集电路图。
图7是本发明的无位置传感器采集电路图。
标号说明：
R1～R25：电阻；
C1～C11：电容；
Q1～Q3：三极管；
D1～D2：二极管；
ZD：稳压管；
K：启动开关；
RT：温敏电阻。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示本发明的基本结构框图，一种防止意外启动的直流无刷电机控制系统，包括微处理器以及分别与之连接的防止意外启动电路、电机桥式驱动电路、温度采集电路、电流采集电路、位置传感器采集电路、无位置传感器采集电路、电压采集电路和电源电路。所述电源电路为微处理器供电，电压采集电路采集电源电路输出的电压信号并传送给微处理器。所述温度采集电路采集电机桥式驱动电路的温度信号并传送给微处理器。所述电流采集电路采集桥式驱动电路输出的电流信号并传送给微处理器。所述位置传感器采集电路采集电机的转子位置信号并传送给微处理器。所述无位置传感器采集电路采集电机各相的反电动势信号并传送给微处理器。所述微处理器根据防止意外启动电路、电机桥式驱动电路、温度采集电路、电流采集电路、位置传感器采集电路、无位置传感器采集电路和电压采集电路传送来的各种信号生成电机驱动指令，并通过电机桥式驱动电路控制电机的运转。
如图2所示本发明设计的防止意外启动电路，包括第一～第三三极管Q1～Q3、第一～第二二极管D1～D2、第一～第八电阻R1～R8、第一～第三电容C1～C3、稳压管ZD和启动开关K。第一三极管Q1的发射极连接BAT+端，第一三极管Q1的基极连接第一二极管D1的阳极，第一二极管D1的阴极依次串联第一电阻R1和第一电容C1后与VBAT端连接，第一三极管Q1的基极经第二电阻R2与第一三极管Q1的发射极连接，第一三极管Q1的集电极依次串联第三电阻R3和第四电阻R4后与地线连接，BAT+端经第二电容C2与地线连接。第二三级管Q2的发射极连接第一电阻R1与第一电容C1的公共端，第二三极管Q2的基极经第五电阻R5与第二二极管D2的阳极连接，第二二极管D2的阴极连接BAT+端与第二电容C2的公共端，第二三极管Q2的集电极经第六电阻R6与稳压管ZD的阴极连接，稳压管ZD的阳极与地线连接，第六电阻R6与稳压管ZD阴极的公共端经第三电容C3与地线连接。第三三极管Q3的集电极依次串联第七电阻R7和第八电阻R8后与VBAT端连接，第三三极管Q3的发射极与地线连接，第三三极管Q3的基极连接第三电阻R3与第四电阻R4的公共端。所述BAT+端接电源电路正极，VBAT端接负载通地，BAT+端与VBAT端之间通过启动开关K连接。微处理器的一个端口（即图2中的P1.0）连接第六电阻与稳压管阴极的公共端。
当BAT+端通电后，电源会对第一电容进行充电，并在极短时间内将第一电容冲满电，此时再闭合启动开关，VBAT端瞬间变为BAT+端的电压，由于第一电容两端电压不能突变的特性，第一电容正极板的电压将变为BAT+端的2倍 ，第二三极管的发射极电压比其基极的电压高，满足第二三极管的导通条件，第二三极管导通后，稳压管的阴极就会在第一电容放电的时间内存在一个高电平，当微处理器接收到该高电平后，判断系统为正常启动；若先闭合启动开关，然后BAT+端通电，第二三极管的发射极电压就不会比其基极的电压高，第二三极管不能导通，稳压管的阴极就不会有高电平，微处理器接收不到高电平，便判断系统为意外启动，微处理器不启动电机。
如图3所示本发明设计的电压采集电路，包括第九～第十三电阻R9～R13以及第四～第五电容C4～C5。第九电阻R9的一端经第四电容C4与地线连接，第九电阻R9的另一端经第十电阻R10与地线连接，第九电阻R9与第十电阻R10的公共端依次串联第十一电阻R11和第十二电阻R12后与第十三电阻R13的一端连接，第十三电阻R13的另一端经第五电容C5与地线连接，第九电阻R9与第四电容C4的公共端（即图3中的BV）连接微处理器的一个端口，第十三电阻R13与第五电容C5的公共端连接电源电路。
通过微处理器的AD采样功能对BV端电压进行实时地采样，一旦高于高压阈值或者低于低压阈值，则系统将停止电机转动，保护电路，同时对应的LED指示灯亮起。
如图4所示本发明设计的电流采样电路，包括第十四～第十七电阻R14～R17以及第六电容C6，第十四电阻R14的一端依次串联第六电容C6、第十五电阻R15、第十六电阻R16后与第十四电阻R14的另一端连接，第十五电阻R15与第十六电阻R16的公共端与地线连接，第十四电阻R14与第十六电阻R16的公共端与电机桥式驱动电路的输出端连接，第十四电阻R14与第六电容C6的公共端经第十七电阻R17接入3.3V电压，第十四电阻R14与第六电容C6的公共端连接微处理器的一个端口（即图4中的P1.1），第六电容C6与第十五电阻R15的公共端连接微处理器的另一个端口（即图4中的P1.2）。
电流采样电路采用差分采样，R17为采样电阻。差分采集R17两端的电压，通过微处理器中自带的放大器对电压信号进行处理，再通过比较器实现对系统中工作电流的控制，实现过流保护功能。流过采样电阻R17的电流即为桥式驱动电路的输出电流，当电流达到阈值I且持续时间达到设定时间，控制器会停止电机转动并进入一级过流保护状态，当电流达到阈值II且持续时间达到设定的时间，控制器会停止电机转动并进入二级过流保护状态，当电流达到阈值III且持续时间达到设定的时间，控制会停止电机转动并进入三级过流保护状态。进入保护状态，系统停止电机转动，同时对应的LED指示灯亮起。
如图5所示本发明设计的温度采集电路，包括温敏电阻RT、第十八～第十九电阻R18～R19以及第七～第八电容C7～C8。温敏电阻RT的一端连接地线，温敏电阻RT的另一端经第十八电阻R18与第七电容C7的一端连接，第七电容C7的另一端与地线连接，温敏电阻RT与第十八电阻R18的公共端经第八电容C8与地线连接，温敏电阻RT与第十八电阻R18的公共端经第十九电阻R19接入3.3V电压，第十八电阻R18与第七电容C7的公共端连接微处理器的一个端口，温敏电阻RT设置在紧靠电机桥式驱动电路中开关管的位置。
温度越高，温敏电阻RT的阻值越小，RT上所对应的电压就越低。通过电阻分压控制采集的电压在0V到ADC参考电压之间。温敏电阻RT位于驱动电路的开关管处，RT上的电压实时反应了开关管温度的变化，微处理器通对RT上电压的控制实现系统过温保护功能。当开关管处温度达到保护温度时，系统停止电机转动，保护电路，同时对应的LED指示灯亮起。当开关管处温度降低到工作温度时，电机才能重新工作。
如图6所示本发明设计的位置传感器采集电路，该电路适用于有感电机。利用霍尔传感器采集电机转子的霍尔信号HS1_IN、HS2_IN、HS3_IN ，并经过RC滤波电路滤波后送给微处理器，微处理器根据霍尔信号的高低来判断电机所处的相位，从而控制桥式驱动电路中相应的开关管，将电机中对应的线圈通上对应的电流。
如图7所示本发明设计的无位置传感器采集电路，该电路适用于无感电机。通过微处理器的AD采样功能对电机三相U/V/W采样，采用反电动势过零点比较方法来实现换相。在电机线圈中通电流，相比较离磁场越近的线圈上面电流最先达到最大值。以此方法可以实现初启动相位的判定，实现电机的初启动。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种防止意外启动的直流无刷电机控制系统，其特征在于：包括微处理器以及分别与之连接的防止意外启动电路、电机桥式驱动电路、温度采集电路、电流采集电路、位置传感器采集电路、无位置传感器采集电路、电压采集电路和电源电路；所述电源电路为微处理器供电，电压采集电路采集电源电路输出的电压信号并传送给微处理器，所述温度采集电路采集电机桥式驱动电路的温度信号并传送给微处理器，所述电流采集电路采集桥式驱动电路输出的电流信号并传送给微处理器，所述位置传感器采集电路采集电机的转子位置信号并传送给微处理器，所述无位置传感器采集电路采集电机各相的反电动势信号并传送给微处理器，所述微处理器根据防止意外启动电路、电机桥式驱动电路、温度采集电路、电流采集电路、位置传感器采集电路、无位置传感器采集电路和电压采集电路传送来的各种信号生成电机驱动指令，并通过电机桥式驱动电路控制电机的运转；
所述防止意外启动电路包括第一～第三三极管、第一～第二二极管、第一～第八电阻、第一～第三电容、稳压管和启动开关，所述第一三极管的发射极连接BAT+端，第一三极管的基极连接第一二极管的阳极，第一二极管的阴极依次串联第一电阻和第一电容后与VBAT端连接，第一三极管的基极经第二电阻与第一三极管的发射极连接，第一三极管的集电极依次串联第三电阻和第四电阻后与地线连接，BAT+端经第二电容与地线连接，所述第二三级管的发射极连接第一电阻与第一电容的公共端，第二三极管的基极经第五电阻与第二二极管的阳极连接，第二二极管的阴极连接BAT+端与第二电容的公共端，第二三极管的集电极经第六电阻与稳压管的阴极连接，稳压管的阳极与地线连接，第六电阻与稳压管阴极的公共端经第三电容与地线连接，所述第三三极管的集电极依次串联第七电阻和第八电阻后与VBAT端连接，第三三极管的发射极与地线连接，第三三极管的基极连接第三电阻与第四电阻的公共端，所述BAT+端接电源电路正极，VBAT端接负载通地，BAT+端与VBAT端之间通过启动开关连接，微处理器连接第六电阻与稳压管阴极的公共端；当BAT+端通电后，电源会对第一电容进行充电，并在极短时间内将第一电容冲满电，此时再闭合启动开关，VBAT端瞬间变为BAT+端的电压，由于第一电容两端电压不能突变的特性，第一电容正极板的电压将变为BAT+端的2倍 ，第二三极管的发射极电压比其基极的电压高，满足第二三极管的导通条件，第二三极管导通后，稳压管的阴极就会在第一电容放电的时间内存在一个高电平，当微处理器接收到该高电平后，判断系统为正常启动；若先闭合启动开关，然后BAT+端通电，第二三极管的发射极电压就不会比其基极的电压高，第二三极管不能导通，稳压管的阴极就不会有高电平，微处理器接收不到高电平，便判断系统为意外启动，微处理器不启动电机。
2.根据权利要求1所述一种防止意外启动的直流无刷电机控制系统，其特征在于：所述电压采集电路包括第九～第十三电阻以及第四～第五电容，所述第九电阻的一端经第四电容与地线连接，第九电阻的另一端经第十电阻与地线连接，第九电阻与第十电阻的公共端依次串联第十一电阻和第十二电阻后与第十三电阻的一端连接，第十三电阻的另一端经第五电容与地线连接，第九电阻与第四电容的公共端连接微处理器，第十三电阻与第五电容的公共端连接电源电路。
3.根据权利要求1所述一种防止意外启动的直流无刷电机控制系统，其特征在于：所述电流采样电路包括第十四～第十七电阻以及第六电容，所述第十四电阻的一端依次串联第六电容、第十五电阻和第十六电阻后与第十四电阻的另一端连接，第十五电阻与第十六电阻的公共端与地线连接，第十四电阻与第十六电阻的公共端与电机桥式驱动电路的输出端连接，第十四电阻与第六电容的公共端经第十七电阻接入3.3V电压，第十四电阻与第六电容的公共端连接微处理器的一个端口，第六电容与第十五电阻的公共端连接微处理器的另一个端口。
4.根据权利要求1所述一种防止意外启动的直流无刷电机控制系统，其特征在于：所述温度采集电路包括温敏电阻、第十八～第十九电阻以及第七～第八电容，所述温敏电阻的一端连接地线，温敏电阻的另一端经第十八电阻与第七电容的一端连接，第七电容的另一端与地线连接，温敏电阻与第十八电阻的公共端经第八电容与地线连接，温敏电阻与第十八电阻的公共端经第十九电阻接入3.3V电压，第十八电阻与第七电容的公共端连接微处理器，所述温敏电阻设置在紧靠电机桥式驱动电路中开关管的位置。
5.根据权利要求1所述一种防止意外启动的直流无刷电机控制系统，其特征在于：所述位置传感器采集电路包括霍尔传感器和RC滤波电路，所述霍尔传感器采集电机转子的霍尔信号，并经RC滤波电路滤波后传送给微处理器。
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