CN107086826A - 一种工业用大功率方波无刷电机控制器 - Google Patents
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Abstract
一种工业用大功率方波无刷电机控制器，涉及一种电机控制器，包括380V交流电，整流模块，稳压模块，三相全控桥模块，弱电模块，电压检测处理模块，通信模块，显示模块，数字信号放大模块，电流检测模块，电流处理模块，码盘信号处理模块，监控信号处理模块，温度检测模块和CPU模块。稳压模块输出端分别连接弱电模块、电压检测处理模块和三相全控桥模块，弱电模块将稳压模块输出的高电压转换成低电压后为数字信号放大模块和CPU模块供电；三相全控桥模块经数字信号放大模块连接CPU模块；本发明解决了电机的转矩脉动过大问题，且控制器的输出功率能达到很大，能满足大功率要求的场合，并其体积小能够满足工业各种场合对空间要求条件。
Description
技术领域
本发明涉及一种工业用大功率方波无刷电机控制器，特别是涉及一种工业用大功率方波无刷电机控制器。
背景技术
近年来，我国电力建设正以超常速度发展，工业中小电机产销明显增长。我国是亚洲第一大电力消耗国，同时也是目前缺电最为严重的发展中国家。电机是名副其实的“用电大户”，60%以上的电能被用于驱动其运转。在节能减排的大背景下，提高电机效率无疑是实现节能减排目标首要解决的问题。目前，我国电机产品种类繁多，但效率不高。电机系统效率低下，长期低效运行。一些用户对电机系统所带来的经济效益缺乏认知，或对进行电机系统节能改造的技术题目存在障碍，机电业必须加强节能技术的研发和创新，使其真正发挥其基础性产业的作用，带动国民经济持续健康发展。预计，未来几年，节能电机设备占国内新增中小型机电设备的比例将达到60%以上，节能机电设备市场规模将达到五百亿左右。在工业场所所用的异步机普遍存在效率低下，远远不能达到节能减排的目标，在工业场所也用到直流电机，直流电机有很多好处，但是由于换相时产生火花，容易引起事故，达不到安全生产的目标，在工业场所也用到大功率的无刷直流电机，无刷电机有诸多优点例如1. 具有传统直流电机的优点，同时又取消了碳刷、滑环结构；2. 体积小、重量轻、出力大；3. 转矩特性优异，中、低速转矩性能好，启动转矩大，启动电流小；4. 效率高，电机本身没有励磁损耗和碳刷损耗，消除了多级减速损耗，综合节电率可达20%~60%；但是一般目前转矩脉动较大，运行不太安全，且功率都在10KW以下，也有用到正弦波控制的无刷直流电机，但是其价格昂贵，难以大规模使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工业用大功率方波无刷电机控制器，本发明解决了电机的转矩脉动过大问题，且控制器的输出功率能达到很大，能满足大功率要求的场合，并其体积小能够满足工业各种场合对空间要求条件。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种工业用大功率方波无刷电机控制器，所述控制器包括380V交流电，整流模块、稳压模块、三相全控桥模块、弱电模块、电压检测处理模块、通信模块、显示模块、数字信号放大模块、电流检测模块、电流处理模块、码盘信号处理模块、监控信号处理模块、温度检测模块和CPU模块；稳压模块输出端分别连接弱电模块、电压检测处理模块和三相全控桥模块；三相全控桥模块经数字信号放大模块连接CPU模块；电压检测处理模块分别连接于稳压模块、CPU模块和监控信号处理模块；电流处理模块分别连接于电流检测模块、码盘信号处理模块、监控信号处理模块和CPU模块模块；温度检测模块连接CPU模块、码盘信号处理模块，并连接于电流处理模块、电机霍尔传感器和CPU模块；监控信号处理模块分别连接于电压检测处理模块和电流处理模块；CPU模块连接通讯模块、显示模块。
所述的一种工业用大功率方波无刷电机控制器，所述显示模块采用 RS232通讯模块。
所述的一种工业用大功率方波无刷电机控制器，所述通讯模块采用 RS485 通讯模块。
所述的一种工业用大功率方波无刷电机控制器，所述CPU模块包括 ADC 模块、监控模块、eCAP模块、码盘信号处理、电流跟随控制模块、控制信号输出模块和通信模块；ADC模块连接电压检测处理模块、电流处理模块和温度检测模块；监控模连接监控信号处理模块；码盘信号处理模块连接电流跟随控制模块；通信模块内设置有 SCI 通讯端口。
所述的一种工业用大功率方波无刷电机控制器，所述电流跟随器控制模块包括逻辑处理模块、PID调节模块、比较处理1模块、比较处理2模块、电流处理模块、温度处理模块、扇区号处理模块、电压处理模块、PWM模块、SCI模块；逻辑处理模块连接PWM模块；PID调节模块连接与SCI模块、比较处理1模块和转速；比较处理1模块连接于PWM模块、PID调节模块和电流处理模块；比较处理2模块连接于温度处理模块和PWM模块；扇区号处理模块连接PWM模块；电压处理信号连接于SCI模块；SCI模块连接于通信模块。
所述的一种工业用大功率方波无刷电机控制器，所述电流处理模块包括电流采样模块、码盘信号处理模块、非换相电选择模块和绝对值处理模块；电压检测处理模块包括采样电阻，信号处理器；整流模块、稳压模块包括二极管整流桥和稳压芯片，稳压模块连接三相全桥模块和弱电模块以及电压检测处理模块；电流检测模块包括采样电阻和信号处理器；温度检测模块包括热敏电阻和信号处理器；码盘信号处理模块包括信号处理器和电平转化器；监控信号处理模块包括过压保护模块，欠压保护模块和过流保护模块；三相全控桥模块由六个功率开关管组成三相桥式逆变器，六个功率开关管分别与数字信号放大模块相连，并与无刷直流电机的三相绕组 U、 V、 W相连。
所述的一种工业用大功率方波无刷电机控制器，所述六个功率开关管均采用IGBT。
本发明的优点与效果是：
1、本发明采用的工业用大功率方波电机控制器包括380V交流电，整流模块 ，稳压模块，三相全控桥模块，弱电模块，电压检测处理模块，通信模块，显示模块，数字信号放大模块，电流检测模块，电流处理模块，码盘信号处理模块，监控信号处理模块，温度检测模块和CPU模块，其电流为完美的方波，这样就解决了电机的转矩脉动过大问题，且控制器的输出功率能达到很大，能满足大功率要求的场合，并其体积小能够满足工业各种场合对空间要求条件。
2、本发明采用的工业用大功率方波电机控制器在元器件选型上选用耐高温元器件， 并在结构设计上和布局环节保证抗震抗压高散热效率等高标准要求， 保证了运行时的安全性和环境可靠性。
3、本发明的工业用大功率方波电机控制器具有功能丰富、效率高、过载能力强，转矩脉动小，功率大等特点， 实现了功能的完善性和系统的稳定性。 本发明可以广泛在工业场合应用。
附图说明
图 1 是本发明的整体结构示意图 ；
图 2 是本发明的CPU模块结构示意图；
图3是电流跟随器控制模块结构示意图；
图4是电流处理模块结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图所示实施例对本发明进行详细说明。
本发明一种工业用大功率方波无刷直流电机控制器，包括380V交流电，整流模块 ，稳压模块，三相全控桥模块，弱电模块，电压检测处理模块，通信模块，显示模块，数字信号放大模块，电流检测模块，电流处理模块，码盘信号处理模块，监控信号处理模块，温度检测模块和CPU模块。稳压模块输出端分别连接弱电模块、电压检测处理模块和三相全控桥模块， 弱电模块将稳压模块输出的高电压转换成低电压后为数字信号放大模块和CPU模块供电；三相全控桥模块经数字信号放大模块连接CPU模块；电压检测处理模块分别连接于稳压模块，CPU模块和监控信号处理模块，用于处理和检测母线电压，并将检测结果输送至CPU模块和监控信号处理模块；电流检测模块用于检测三相电流信号；电流处理模块分别连接于电流检测模块，码盘信号处理模块，监控信号处理模块和CPU模块模块，用于处理检测得到的三相电流，并将结果输送到CPU模块和监控信号处理模块；温度检测模块用于检测控制器温度和电机温度，检测结果输送到CPU模块，码盘信号处理模块，连接于电流处理模块，电机霍尔传感器和CPU模块，将霍尔传感器中的信号进行处理，将结果输送至CPU模块和电流处理模块；监控信号处理模块分别连接于电压检测处理模块和电流处理模块，将对电流和电压进行检测监控处理，处理结果送到CPU模块；CPU模块根据接收到的无刷直流电机码盘信号，母线电压信号，电流处理信号，监控处理信号和温度信号， 向数字信号放大模块输入六路 PWM 控制信号， 数字信号放大模块将六路 PWM 控制信号处理后， 控制三相全控桥模块工作；CPU模块连接有通讯模块，方便接收指令，CPU模块连接有显示模块，方便实时显示用户需要的变量。
CPU模块包括 ADC 模块、监控模块、eCAP模块、码盘信号处理、电流跟随控制模块、控制信号输出模块和通信模块；ADC 模块连接电压检测处理模块，电流处理模块和温度检测模块， 将模块滤波输出的稳定模拟信号进行模数转换，生成的数字量送入电流跟随控制模块中；监控模连接监控信号处理模块，将监控信号处理模块得到的信号放大处理后送到电流跟随控制模块；eCAP模块根据相邻两次码盘信号值计算出转速值，将计算得到的转速也输入到电流跟随控制；码盘信号处理模块利用码盘信号处理模块输出的位置信号，判断当前所述无刷直流电机空间位置，将位置信号编码处理后得到扇区号，送给电流跟随控制模块；电流跟随控制模块利用的ADC 模块输出的电流，电压和电机温度和eCAP输出的转速，以及监控模块输出的过流过压欠压信号，通过电流跟随控制模块处理后，输出 PWM 控制信号和显示信号；控制信号输出模块利用电流跟随控制模块输出的 PWM 控制信号，输出相应的六路控制信号；通信模块内设置有 SCI 通讯端口， 用于通讯模块和显示模的数据进行传输。
电流跟随器控制模块包括逻辑处理模块、PID调节模块、比较处理1模块、比较处理2模块，电流处理模块、温度处理模块、扇区号处理模块，电压处理模块，PWM模块，SCI模块；逻辑处理模块连接PWM模块，其将过流过压欠压信号进行逻辑处理后输给PWM模块，来决定PWM控制信号的开通与管段；PID调节模块连接与SCI模块，比较处理1模块和转速，其将实际转速与通过SCI传送的速度进行PID调节，生成目标电流传给比较处理1模块；比较处理1模块连接于PWM模块，PID调节模块和电流处理模块，其将PID处理模块的输出电流与经过电流处理模块的电流相比较，这样实际电流就会一直跟随目标电流，进而形成方波电流，其将比较结果送给PWM模块，进而来控制PWM控制信号的占空比；比较处理2模块连接于温度处理模块和PWM模块，其将温度与设定温度相比较，将得到的结果送给PWM模块，来控制PWM的开通与否；扇区号处理模块连接PWM模块，其将扇区号做相应的处理后送给PWM模块，PWM要根据其所提供的扇区号来产生不同的PWM控制信号；电压处理信号连接于SCI模块，其将电压电压信号做相应的处理后，送给SCI模块；SCI模块连接于通信模块，将相应的数据传输出去和传进来。PWM模块根据其他输入产生6路PWM控制信号，将6路信号传到外边相应的模块。
电流处理模块包括电流采样，码盘处理信号，非换相电选择模块和绝对值处理模块；电流采样来源于电流采样模块；码盘处理信号来源于码盘信号处理模块；非换相电选择模块根据码盘处理信号对三相采样电流处理，选出不进行换相的采样电流，将选出的电流经过绝对值处理模块的处理后得到全为正的采样电流，将结果送到后续相应模块。
电压检测处理模块包括采样电阻，信号处理器，采样电阻用于检测从稳压模块出来的电压，将该电压模块输送至信号处理模块内，信号处理器将电压信号滤波放大处理后，输入至CPU模块内和监控信号处理模块。
电流检测模块包括采样电阻和信号处理器；采样电阻用于检测所述无刷直流电机定子绕组电流信号， 并将该电流信号传输至所述电流处理模块。
温度检测模块包括热敏电阻和信号处理器；热敏电阻用于检测无刷直流电机和控制器的温度， 并将该温度信号传输至CPU模块。
码盘信号处理模块包括信号处理器和电平转化器；电平转化器用于将高电压的码盘信号转化为低电压的码盘信号， 并将该低电压的码盘信号传输至电流处理模块和CPU模块。
监控信号处理模块包括过压保护模块，欠压保护模块和过流保护模块；过压保护模块，欠压保护模块用于对母线电压的监控，电压过高过低都会发出错误信号给CPU模块；过流保护模用于对电流的限幅，当电流过大就会才生错误信号给CPU模块。
三相全控桥模块由六个功率开关管组成三相桥式逆变器，六个功率开关管分别由数字信号放大模块输出的控制信号控制其通断， 最终输出电压至无刷直流电机的三相绕组 U、 V、 W。六个功率开关管均采用IGBT；通讯模块采用 RS485 通讯模块；显示模块采用RS232通讯模块。
实施例
如图 1 所示， 本发明包括包括380V交流电，整流模块 ，稳压模块，三相全控桥模块，弱电模块，电压检测处理模块，通信模块，显示模块，数字信号放大模块，电流检测模块，电流处理模块，码盘信号处理模块，监控信号处理模块，温度检测模块和CPU模块。
380V交流电通过整流模块变为直流电，然后输入到稳压模块，通过稳压模块得到恒定的直流电压，稳压模块输出端分别连接弱电模块和三相全控桥模块，弱电模块将稳压模块输出的高电压转换成低电压（正负15V/24V/5V/3. 3V） 后， 为数字信号放大模块和CPU模块供电。三相全控桥模块经数字信号放大模块连接CPU模块，根据CPU模块传输至的控制信号将稳压模块输出的高电压经整流逆变后，输入至无刷直流电机的三相绕组。电压检测处理模块用于处理和检测母线电压，并将检测结果输送至CPU模块和监控信号处理模块；电流检测模块用于检测三相电流信号，并将检测结果输送至电流处理模块；电流处理模利用码盘信号处理模块的输出来处理检测得到的三相电流，并将结果输送到CPU模块和监控信号处理模块；温度检测模块用于检测控制器温度和电机温度，检测结果输送到CPU模块；码盘信号处理模块将霍尔传感器中的信号进行处理，将结果输送至CPU模块和电流处理模块；监控信号处理模块对电流和电压进行检测监控处理，主要看电流是否过流以及电压是否过压欠压，并将处理结果送到CPU模块；CPU模块根据接收到的无刷直流电机码盘信号，母线电压信号，电流处理信号，监控处理信号和温度信号，向数字信号放大模块输入六路 PWM控制信号，数字信号放大模块将六路 PWM 控制信号处理后，控制三相全控桥模块工作 ；CPU模块连接有通讯模块，方便接收指令，CPU模块连接有显示模块，方便实时显示用户需要的变量。
上述实施例中，三相全控桥模块 由六个功率开关管组成三相桥式逆变器， 六个功率开关管分别由数字信号放大模块输出的六路 PWM 控制信号控制其通断， 最终输出电压至无刷直流电机的三相绕组 U、 V、 W。其中六个功率开关管均采用IGBT。
上述各实施例中， 如图 2 所示， CPU模块包括 ADC 模块、监控模块、eCAP模块、码盘信号处理、电流跟随控制模块、控制信号输出模块和通信模块 ；所述ADC 模块连接电压检测处理模块，电流处理模块和温度检测模块， 将模块滤波输出的稳定模拟信号进行模数转换， 生成的数字量送入电流跟随控制模块中；监控模连接所述监控信号处理模块，将监控信号处理模块得到的信号放大处理后送到电流跟随控制模块；eCAP模块根据相邻两次码盘信号值计算出转速值，将计算得到的转速也输入到电流跟随控制；码盘信号处理模块利用所述码盘信号处理模块输出的位置信号， 判断当前无刷直流电机空间位置，将位置信号编码处理后得到扇区号，送给电流跟随控制模块；电流跟随控制模块利用所述的ADC 模块输出的电流，电压和电机温度和eCAP输出的转速，码盘信号处理模块的扇区，以及监控模块输出的过流过压欠压信号，通过电流跟随控制模块处理后， 输出 PWM 控制信号和显示信号；控制信号输出模块利用电流跟随控制模块输出的 PWM 控制信号，输出相应的六路控制信号；通信模块内设置有 SCI 通讯端口，用于通讯模块和显示模的数据进行传输。
上述各实施例中，如图 3所示，电流跟随器控制模块包括逻辑处理模块、PID调节模块、比较处理1模块、比较处理2模块，电流处理模块、温度处理模块、扇区号处理模块，电压处理模块，PWM模块，SCI模块 ；逻辑处理模块连接所述PWM模块，其将过流过压欠压信号进行逻辑处理后输给PWM模块，来决定PWM控制信号的开通与管段；PID调节模块连接与所述SCI模块，比较处理1模块和转速，其将实际转速与通过SCI传送的速度进行PID调节，生成目标电流传给比较处理1模块；比较处理1模块连接于PWM模块，PID调节模块和电流处理模块，其将PID处理模块的输出电流与经过电流处理模块的电流相比较，这样实际电流就会一直跟随目标电流，进而形成方波电流，其将比较结果送给PWM模块，进而来控制PWM控制信号的占空比；比较处理2模块连接于温度处理模块和PWM模块，其将温度与设定温度相比较，将得到的结果送给PWM模块，来控制PWM的开通与否；扇区号处理模块连接PWM模块，其将扇区号做相应的处理后送给PWM模块，PWM要根据其所提供的扇区号来产生不同的PWM控制信号；电压处理信号连接于SCI模块，其将电压电压信号做相应的处理后，送给SCI模块；SCI模块连接于通信模块，将相应的数据传输出去和传进来。PWM模块根据其他输入产生6路PWM控制信号，将6路信号传到外边相应的模块。
上述各实施例中，如图 4 所示，电流处理模块包括电流采样，码盘处理信号，非换相电选择模块和绝对值处理模块；电流采样来源于电流采样模块；码盘处理信号来源于码盘信号处理模块；非换相电选择模块根据码盘处理信号对三相采样电流处理，选出不进行换相的采样电流，将选出的电流经过绝对值处理模块的处理后得到全为正的采样电流，将结果送到后续相应模块。
上述各实施例中，电压检测处理模块包括采样电阻，信号处理器，采样电阻用于检测从稳压模块出来的电压，将该电压模块输送至信号处理模块内，信号处理器将电压信号滤波放大处理后，输入至CPU模块内和监控信号处理模块。
上述各实施例中，电流检测模块包括采样电阻和信号处理器；采样电阻用于检测所述无刷直流电机定子绕组电流信号， 并将该电流信号传输至所述电流处理模块。
上述各实施例中，温度检测模块包括热敏电阻和信号处理器；热敏电阻用于检测无刷直流电机和控制器的温度，并将该温度信号传输至CPU模块。
上述各实施例中，码盘信号处理模块包括信号处理器和电平转化器；电平转化器用于将高电压的码盘信号转化为低电压的码盘信号，并将该低电压的码盘信号传输至电流处理模块和CPU模块。
上述各实施例中，监控信号处理模块包括过压保护模块，欠压保护模块和过流保护模块；过压保护模块，欠压保护模块用于对母线电压的监控，电压过高过低都会发出错误信号给CPU模块；过流保护模用于对电流的限幅，当电流过大就会才生错误信号给CPU模块。
上述各实施例中，通讯模块采用 RS485 通讯模块，显示模块采用 RS232通讯模块。
综上所述，本发明在使用中， 使用工业380V交流电，经过整流变换能够有效地完成工业中无刷直流电机的功能控制，并且能够输出大功率，利用电流跟随控制算法得到的电流为完美的方波，能有效解决无刷直流电机转矩脉动的问题， 满足工业场所功能性需求；同时发明设计的无刷直流电机控制器耐高温、耐高压能够满足工业场所安全可靠性需求。
Claims (7)
1.一种工业用大功率方波无刷电机控制器，其特征在于，所述控制器包括380V交流电，整流模块、稳压模块、三相全控桥模块、弱电模块、电压检测处理模块、通信模块、显示模块、数字信号放大模块、电流检测模块、电流处理模块、码盘信号处理模块、监控信号处理模块、温度检测模块和CPU模块；稳压模块输出端分别连接弱电模块、电压检测处理模块和三相全控桥模块；三相全控桥模块经数字信号放大模块连接CPU模块；电压检测处理模块分别连接于稳压模块、CPU模块和监控信号处理模块；电流处理模块分别连接于电流检测模块、码盘信号处理模块、监控信号处理模块和CPU模块模块；温度检测模块连接CPU模块、码盘信号处理模块，并连接于电流处理模块、电机霍尔传感器和CPU模块；监控信号处理模块分别连接于电压检测处理模块和电流处理模块；CPU模块连接通讯模块、显示模块。
2.根据权利要求1所述的一种工业用大功率方波无刷电机控制器，其特征在于，所述显示模块采用 RS232通讯模块。
3.根据权利要求1所述的一种工业用大功率方波无刷电机控制器，其特征在于，所述通讯模块采用 RS485 通讯模块。
4.根据权利要求1所述的一种工业用大功率方波无刷电机控制器，其特征在于，所述CPU模块包括 ADC 模块、监控模块、eCAP模块、码盘信号处理、电流跟随控制模块、控制信号输出模块和通信模块；ADC 模块连接电压检测处理模块、电流处理模块和温度检测模块；监控模连接监控信号处理模块；码盘信号处理模块连接电流跟随控制模块；通信模块内设置有 SCI 通讯端口。
5.根据权利要求1所述的一种工业用大功率方波无刷电机控制器，其特征在于，所述电流跟随器控制模块包括逻辑处理模块、PID调节模块、比较处理1模块、比较处理2模块、电流处理模块、温度处理模块、扇区号处理模块、电压处理模块、PWM模块、SCI模块；逻辑处理模块连接PWM模块；PID调节模块连接与SCI模块、比较处理1模块和转速；比较处理1模块连接于PWM模块、PID调节模块和电流处理模块；比较处理2模块连接于温度处理模块和PWM模块；扇区号处理模块连接PWM模块；电压处理信号连接于SCI模块；SCI模块连接于通信模块。
6.根据权利要求1所述的一种工业用大功率方波无刷电机控制器，其特征在于，所述电流处理模块包括电流采样模块、码盘信号处理模块、非换相电选择模块和绝对值处理模块；电压检测处理模块包括采样电阻，信号处理器；整流模块、稳压模块包括二极管整流桥和稳压芯片，稳压模块连接三相全桥模块和弱电模块以及电压检测处理模块；电流检测模块包括采样电阻和信号处理器；温度检测模块包括热敏电阻和信号处理器；码盘信号处理模块包括信号处理器和电平转化器；监控信号处理模块包括过压保护模块，欠压保护模块和过流保护模块；三相全控桥模块由六个功率开关管组成三相桥式逆变器，六个功率开关管分别与数字信号放大模块相连，并与无刷直流电机的三相绕组 U、 V、 W相连。
7.根据权利要求6所述的一种工业用大功率方波无刷电机控制器，其特征在于，所述六个功率开关管均采用IGBT。
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Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN110676840A (zh) * | 2019-08-30 | 2020-01-10 | 合肥学院 | 一种电力系统控制设备和电力系统控制方法 |
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2017
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