CN107707170A - 过载能力强的电镐用开关磁阻调速电机控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种过载能力强的电镐用开关磁阻调速电机控制器，其特征是：包括主电路电源及控制电源供电部分、功率开关桥及驱动电路、电流采样与隔离放大电路、位置信号处理电路、逻辑控制电路及保护电路。本发明结构合理，工作性能好。

Description

过载能力强的电镐用开关磁阻调速电机控制器

本申请是申请号：201610039257.7、申请日：2016.1.21、名称“电镐用开关磁阻调速电机控制器”的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种电镐用开关磁阻调速电机控制器。

背景技术

为了提高电机的功率密度，减小操作者的劳动强度，手持式电动工具需要小巧而轻便，故多采用高转速的电机来驱动，当前绝大部分使用单相串励电动机，也有少量使用单相中频感应电机和永磁无刷直流电机。单相串励电机负载特性很软，在空载或轻载时转速很高，噪音大，且由于电刷和换向器的存在，实际使用中常常因电刷或换向器的磨损或烧毁导致故障。感应式中频电机的调速困难，低速时转矩很小，调速性能不佳。永磁无刷电机虽效率较高，但因电机内永磁体的性能受温度、振动的影响较大，该电机在高温、高震动的使用场合受到限制，特别不适用电镐这种高冲击强度的电动工具。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构合理，工作性能好的电镐用开关磁阻调速电机控制器。

本发明的技术解决方案是：

一种电镐用开关磁阻调速电机控制器，其特征是：包括主电路电源及控制电源供电部分、功率开关桥及驱动电路、电流采样与隔离放大电路、位置信号处理电路、逻辑控制电路及保护电路；所述主电路电源及控制电源供电部分包括与交流电源连接的整流电路及控制变压器，整流电路与滤波电路连接，起动限流电路接在整流电路与滤波电路之间，控制变压器与整流滤波电路连接；所述功率开关桥及驱动电路包括驱动控制电路，驱动控制电路与功率开关及吸收电路连接，驱动控制电路与主电路电源及控制电源供电部分的整流滤波电路连接，功率开关及吸收电路与主电路电源及控制电源供电部分的滤波电路连接，功率开关及吸收电路与开关磁阻电机连接；所述电流采样与隔离放大电路包括接在率开关及吸收电路与开关磁阻电机之间的电流采样电路，电流采样电路与隔离放大电路连接；所述位置信号处理电路包括与开关磁阻电机连接的位置检测电路，位置检测电路与斯密特整形电路连接，斯密特整形电路与位置译码电平转换电路连接；所述逻辑控制电路及保护电路包括与斯密特整形电路连接的测速及频压转换电路连接，测速及频压转换电路与PWM控制电路、电机软启动电路连接，PWM控制电路、电机软启动电路与逻辑处理电路连接，短路保护及复位电路、电流斩波控制电路与电流采样与隔离放大电路的隔离放大电路连接，短路保护及复位电路、电流斩波控制电路与逻辑处理电路连接，逻辑处理电路与功率开关桥及驱动电路的驱动控制电路连接，逻辑处理电路与位置信号处理电路的位置译码电平转换电路连接，测速及频压转换电路与散热风扇起停控制电路连接。

起动限流电路采用功率电阻限制涌流峰值，当电压达到预定值后，该电阻由开关管自动切除。

电流采样电路中采样电阻的电流为多相绕组电流之和，为电流斩波和短路保护提供参考电流；隔离放大电路电路采用差分输入放大的高压线性光耦。

检测开关磁阻电机转子位置的位置检测电路采用光电传感元件，元件之间相距一定的角度呈扇形排列，其输出电压经比较器电路后输出相差一定时间延迟的电平信号，经过斯密特电路整形，再经过由逻辑器件组成的译码电路、电平转换电路。

电流斩波控制电路采用比较器构成的正反馈电路，其输入是采用电阻的采样电流并经过隔离放大处理的电压信号，与其相比较的是斩波电流的设定值对应的电压，其输出与PWM电路的输出、转子位置信号三者相与，与门的输出通过驱动电路来控制功率开关管的导通，从而实现电流斩波功能。

短路保护及复位电路是将采样电阻的采样电流并经过隔离放大器的电压信号与设定的电路电流值对应的电压相比较，再经过D触发器及其外围功能电路，短路保护一旦动作，需要手动复位，复位的方法为重新插拔交流电源。

电机软启动电路及PWM控制电路由脉宽调制控制功能芯片及其外围电路构成，通过改变脉宽调制控制芯片死区时间引脚的电阻、电容值调整软启动时间。

散热风扇起停控制电路在当电机转速小于额定转速的10%时，散热风扇将自动切断电源；控制方法是将转子测速信号经过压频转换电路后，与设定值相比较，小于设定值时，比较器输出低电平，风扇停止；大于设定值时，比较器输出高电平，散热风扇运行。

本发明的有益效果：

1、本发明开关磁阻电机为动力的电镐，可以克服传统电镐单相串激电机的缺点，采用电力电子开关控制，不需要易发生故障的电刷和换向装置，大大提高了电镐的使用寿命；在轻载时采用闭环控制，大大降低了轻载时的高噪音。

2、本发明开关磁阻电机电镐，电机结构简单、合理，加工成本低，用铜量少。电机及系统的容错能力好，具有电机功率密度高和效率高，起动转矩大，起动电流小，过载能力强等优点。

3、本发明开关磁阻电机电镐，转子上没有绕组，仅仅由硅钢片叠压而成，不会出现传统串激电机转子绕组绝缘故障而使工作件出现带电的可能，减少了设备的故障率，提高了操作者的安全性。

4、本发明所述开关磁阻电机电镐的开关采用5V电平控制，而非传统电镐的直接电流通断控制，消除了大电流通断时对开关的烧损的可能，同时5V的安全电压确保了操作者的安全。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明一个实施例的结构示意图。

图2是起到限流电路示意图。

图3是短路保护及复位电路示意图。

图4是散热风扇起停控制电路示意图。

图1标记说明：

主电路电源及控制电源供电部分1、功率开关桥及驱动电路2、电流采样与隔离放大电路3、开关磁阻电机4、位置信号处理电路5、逻辑控制电路及保护电路6、位置检测电路51、斯密特整形电路52、位置译码电平电路53、逻辑处理电路61、电流斩波控制电路62、短路保护及复位电路63、PWM控制电路64、电机软启动电路65、测速及频压转换电路66、散热风扇起停控制电路67、电流采样电路31、隔离放大电路32、功率开关及吸收电路21、驱动控制电路22、220V交流电源11、整流电路12、起动限流电路13、滤波电路14、控制变压器15、整流滤波电路16。

图2标记说明：

电阻R11-R13、发光二极管LED、稳压二极管Dwen、电容C17、C16、C110、功率开关管V7。

图3标记说明：

D触发器CD4013、电容C116-C117、电阻R119、电源+9V。

图4标记说明：

电阻R101-R105、比较器U12B、功率晶体管Q1。

具体实施方式

一种电镐用开关磁阻调速电机控制器，包括主电路电源及控制电源供电部分1、功率开关桥及驱动电路2、电流采样与隔离放大电路3、位置信号处理电路5、逻辑控制电路及保护电路6；所述主电路电源及控制电源供电部分1包括与交流电源连接的整流电路及控制变压器，整流电路与滤波电路连接，起动限流电路接在整流电路与滤波电路之间，控制变压器与整流滤波电路连接；所述功率开关桥及驱动电路2包括驱动控制电路，驱动控制电路与功率开关及吸收电路连接，驱动控制电路与主电路电源及控制电源供电部分1的整流滤波电路连接，功率开关及吸收电路与主电路电源及控制电源供电部分1的滤波电路连接，功率开关及吸收电路与开关磁阻电机连接；所述电流采样与隔离放大电路3包括接在率开关及吸收电路与开关磁阻电机之间的电流采样电路，电流采样电路与隔离放大电路连接；所述位置信号处理电路5包括与开关磁阻电机连接的位置检测电路，位置检测电路与斯密特整形电路连接，斯密特整形电路与位置译码电平转换电路连接；所述逻辑控制电路及保护电路6包括与斯密特整形电路连接的测速及频压转换电路连接，测速及频压转换电路与PWM控制电路、电机软启动电路连接，PWM控制电路、电机软启动电路与逻辑处理电路连接，短路保护及复位电路、电流斩波控制电路与电流采样与隔离放大电路3的隔离放大电路连接，短路保护及复位电路、电流斩波控制电路与逻辑处理电路连接，逻辑处理电路与功率开关桥及驱动电路2的驱动控制电路连接，逻辑处理电路与位置信号处理电路5的位置译码电平转换电路连接，测速及频压转换电路与散热风扇起停控制电路连接。

起动限流电路用于防止电镐接通交流电源瞬间，大电容充电的涌流使插头烧伤。起动限流电路采用功率电阻限制涌流峰值，设定值的大小取决于R12和R13的阻值；当电压达到预定值后，该电阻由开关管V7自动切除，预定时间取决于R13和C47大小。

电流采样电路中采样电阻的电流为多相绕组电流之和，为电流斩波和短路保护提供参考电流；隔离放大电路电路采用差分输入放大的高压线性光耦，提高抗干扰能力和确保设备及人身安全。

检测开关磁阻电机转子位置的位置检测电路采用光电传感元件，元件之间相距一定的角度呈扇形排列，其输出电压经比较器电路后输出相差一定时间延迟的电平信号，经过斯密特电路整形，再经过由逻辑器件组成的译码电路、电平转换电路。

电流斩波控制电路采用比较器构成的正反馈电路，其输入是采用电阻的采样电流并经过隔离放大处理的电压信号，与其相比较的是斩波电流的设定值对应的电压，其输出与PWM电路的输出、转子位置信号三者相与，与门的输出通过驱动电路来控制功率开关管的导通，从而实现电流斩波功能。

短路保护及复位电路是将采样电阻的采样电流并经过隔离放大器的电压信号与设定的电路电流值对应的电压相比较，再经过D触发器及其外围功能电路，短路保护一旦动作，需要手动复位，复位的方法为重新插拔交流电源。

电机软启动电路及PWM控制电路由脉宽调制控制功能芯片及其外围电路构成，通过改变脉宽调制控制芯片死区时间引脚的电阻、电容值调整软启动时间。

电镐待机时，为了消除控制器散热风扇噪音，减小待机功率，本发明控制器设置了散热风扇起停控制电路，散热风扇起停控制电路在当电机转速小于额定转速的10%时，散热风扇将自动切断电源；控制方法是将转子测速信号经过压频转换电路后，与设定值相比较，小于设定值时，比较器输出低电平，风扇停止；大于设定值时，比较器输出高电平，散热风扇运行。

Claims (3)

1.一种过载能力强的电镐用开关磁阻调速电机控制器，其特征是：包括主电路电源及控制电源供电部分（1）、功率开关桥及驱动电路（2）、电流采样与隔离放大电路（3）、位置信号处理电路（5）、逻辑控制电路及保护电路（6）；所述主电路电源及控制电源供电部分（1）包括与交流电源连接的整流电路及控制变压器，整流电路与滤波电路连接，起动限流电路接在整流电路与滤波电路之间，控制变压器与整流滤波电路连接；所述功率开关桥及驱动电路（2）包括驱动控制电路，驱动控制电路与功率开关及吸收电路连接，驱动控制电路与主电路电源及控制电源供电部分（1）的整流滤波电路连接，功率开关及吸收电路与主电路电源及控制电源供电部分（1）的滤波电路连接，功率开关及吸收电路与开关磁阻电机连接；所述电流采样与隔离放大电路（3）包括接在率开关及吸收电路与开关磁阻电机之间的电流采样电路，电流采样电路与隔离放大电路连接；所述位置信号处理电路（5）包括与开关磁阻电机连接的位置检测电路，位置检测电路与斯密特整形电路连接，斯密特整形电路与位置译码电平转换电路连接；所述逻辑控制电路及保护电路（6）包括与斯密特整形电路连接的测速及频压转换电路连接，测速及频压转换电路与PWM控制电路、电机软启动电路连接，PWM控制电路、电机软启动电路与逻辑处理电路连接，短路保护及复位电路、电流斩波控制电路与电流采样与隔离放大电路（3）的隔离放大电路连接，短路保护及复位电路、电流斩波控制电路与逻辑处理电路连接，逻辑处理电路与功率开关桥及驱动电路（2）的驱动控制电路连接，逻辑处理电路与位置信号处理电路（5）的位置译码电平转换电路连接，测速及频压转换电路与散热风扇起停控制电路连接；

电流采样电路中采样电阻的电流为多相绕组电流之和，为电流斩波和短路保护提供参考电流；隔离放大电路电路采用差分输入放大的高压线性光耦；

电流斩波控制电路采用比较器构成的正反馈电路，其输入是采用电阻的采样电流并经过隔离放大处理的电压信号，与其相比较的是斩波电流的设定值对应的电压，其输出与PWM电路的输出、转子位置信号三者相与，与门的输出通过驱动电路来控制功率开关管的导通，从而实现电流斩波功能。

2.根据权利要求1所述的过载能力强的电镐用开关磁阻调速电机控制器，其特征是：起动限流电路采用功率电阻限制涌流峰值，当电压达到预定值后，该电阻由开关管自动切除。

3.根据权利要求1或2所述的过载能力强的电镐用开关磁阻调速电机控制器，其特征是：检测开关磁阻电机转子位置的位置检测电路采用光电传感元件，元件之间相距一定的角度呈扇形排列，其输出电压经比较器电路后输出相差一定时间延迟的电平信号，经过斯密特电路整形，再经过由逻辑器件组成的译码电路、电平转换电路。