CN107800329A - 电机驱动电路及其应用设备、电机制动方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电机驱动电路及其应用设备、电机制动方法，所述驱动电路包括一逆变器、一电机、一制动单元和一微处理器，其中，所述制动单元包括一采样电路、一加热电路及一连锁开关组，所述连锁开关组包括一指示电机状态的连锁开关，所述加热电路包括一控制开关、一加热元件、以及一切换开关，通过切换开关在正常工作状态及紧急状态之间切换及控制开关的断通状态，而使得加热元件利用外接电源正常加热或者利用电机紧急制动时惯性继续旋转而产生的再生能量进行加热。本发明电机驱动电路采用现有的加热元件用于电机的紧急制动，既能够使得电路过压风险减小或消除，而且能量利用率高，产品结构简单、反应灵敏、成本较低。

Description

电机驱动电路及其应用设备、电机制动方法

技术领域

本发明涉及电机控制领域，尤其涉及能够使电机快速制动的电机驱动电路，使用该电机驱动电路的应用设备及电机制动方法。

背景技术

食物加工机如榨汁机、料理机，是人们日常生活中经常使用的器具。食物加工机多采用电机带动刀具高速旋转，将食物进行切削。但这种加工方式会带来安全方面的隐患，如果使用过程中不小心打开上盖，电机及刀具不能及时停止，可能会对使用者造成伤害。国际电工委员会(IEC)安全要求标准中要求紧急情况下，如食物加工机的上盖被打开或移开时，食物加工机的刀片需要在1.5秒内停止。目前市场上使用的很多食物加工机无法满足IEC的安全要求标准，另外有些食物加工机通过特别的机械设置使电机停止前，盖子无法打开，但这将增加食物加工机的成本。

并且在食物加工机上盖被突然打开而致使电机突然停止运行的过程中，电机因惯性继续旋转而产生的再生能量会使电容器及逆变器有过压的危险，长此以往将损害电机驱动电路内元件的寿命。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种能够减小或消除其内元件如电容器、逆变器的过压危险及能够利用电机的再生能量进行加热的电机驱动电路且所述电路具有相对较低的成本、结构简单、反应灵敏、制动迅速的特点，还有必要提供一种具有该电机驱动电路的的应用设备以及电机制动方法。

本发明提供一种电机驱动电路，所述电机驱动电路包括一逆变器、一电机、一制动单元和一微处理器；所述逆变器具有分别连接至一直流电源两端的正极输入端和负极输入端，其特征在于，所述制动单元包括一采样电路、一加热电路及一连锁开关组，所述微处理器分别与所述采样电路、所述加热电路、所述连锁开关组连接，所述加热电路包括一控制开关、一加热元件、以及一切换开关，所述切换开关在第一状态及第二状态间切换，第一状态下，所述切换开关将所述加热元件与一外部交流电源接通；第二状态下，所述切换开关将所述加热元件连接至所述控制开关，使所述加热元件与所述控制开关串联于所述逆变器的正极输入端和负极输入端之间，所述微处理器依据所述连锁开关组的通断状态，相应发送控制信号控制所述切换开关的切换以及所述控制开关的导通及截止。

本发明另提供一种具有如上所述电机的应用设备。

本发明另提供一种用于如上所述的电机驱动电路的电机制动方法

本发明实施例提供的电机驱动电路采用现有的加热元件，所述加热元件用以利用电机因惯性继续旋转而产生的再生能量进行加热操作，使电容器及逆变器的过压风险减小或消除，而且结构简单、反应灵敏、成本较低。

附图说明

附图中：

图1示出本发明一实施例的食物加工机；

图2示出本发明一实施例的电机驱动电路的电路图；

图3示出食物加工机在紧急情况下电机驱动电路的工作流程图。

主要元件符号说明

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。可以理解，附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。附图中显示的连接仅仅是为便于清晰描述，而并不限定连接方式。

需要说明的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

图1示出本发明一实施例的食物加工机。如图1所示，一种食品加工机包括上盖10、刀具12、台座14及开关16。其中，所述上盖10联动控制电机驱动电路中的连锁开关161(见图2所示)；根据工作类型不同，所述刀具12可包括片切刀、孔切刀、绞刀、十字刀、面条轧刀及搅拌器等；所述台座14内部安装有电机及其驱动电路；所述开关16被设定为可供用户进行命令选择。

图2示出本发明一种实施例的电机驱动电路的电路图。如图2所示，所述电机驱动电路包括：一逆变器110、一电机120、一制动单元及一微处理器170。所述逆变器110被设定为将直流电能转换为三相交流电能；所述制动单元被设定为发生紧急情况时结合所述微处理器170，以使所述电机120停止运作并对所述电机120停止前产生的再生能量进行重复利用；所述电机120比如是一个无刷直流(BLDC)电机。

所述电机驱动电路还包括一交直流转换电路，所述交直流转换电路包括一整流器103、一开关部件104、以及一电容器105。所述整流器103被设定为将来自一交流电源101的交流电整合成直流电，所述交流电源101用于提供交流电，所述交流电可以是商业交流电(110V/220V)，所述整流器103可以是一二极管桥式整流器；所述开关部件104是一单刀双掷继电器，所述单刀双掷继电器具有一与所述整流器103相连接的第一触点104a、一第二触点104b、以及一与所述交流电源101的输出端相连接的第三触点104c。所述电容器105连接于所述整流器的输出端；所述交直流转换电路另还包括一保险丝102。

所述逆变器110为一三相桥式逆变器，所述逆变器110被设定为将来自所述电容器105的直流电转换成具有三相和多种频率的交流电；所述逆变器110包括三个分别与所述电容器105并联的逆变电路111；每一逆变电路111包括串联的两个逆变元件112以及一输出端，所述输出端连接至串联的所述逆变元件112之间。每一逆变元件112包括并联连接的晶体管112a和二极管112b。

所述电机120包括一三相交流电能接入端121，所述三相交流电能接入端121分别连接在每个逆变电路111的输出端，从而使所述电机120接受来自所述逆变器110的交流三相电。

所述制动单元包括一采样电路、一加热电路及一连锁开关组。所述采样电路包括至少两个电阻，本实施例中电阻数为三个，分别为电阻R3、电阻R4和电阻R5，所述电阻R3-R5以串联的方式连接组成电阻组，所述电阻组并联连接于所述电容器105的两端。所述加热电路包括在第一状态下的加热回路及在第二状态下的加热回路，在食物加工机正常运作且产品终端用户已下达加热指令的情况下，使用所述第一状态下的加热回路进行加热操作；在食物加工机在紧急情况发生时，使所述第二状态下的加热回路导通，从而快速消耗电机因惯性继续旋转而产生的再生能量，使得电机快速停止。所述加热电路包括一控制开关152、一加热元件154、以及一切换开关153，所述切换开关153可以是一双刀双掷继电器，所述加热电路还包括一三极交流开关电路，所述三极交流开关电路包括一三极交流开关151与一闸极触发电路180，所述闸极触发电路180用于根据所述微处理器170的控制导通所述三极交流开关151。所述三极交流开关151可以是一个双向晶体管，其中，所述双向晶体管的控制端G与所述闸极触发电路180相连接，第一导通端T1与所述交流电源101的一输出端相连接，第二导通端T2与所述双刀双掷继电器的第一触点153a相连接，所述双刀双掷继电器的第二触点153b与所述交流电源101的另一输出端相连接，所述双刀双掷继电器的第三触点153c和所述双刀双掷继电器的第四触点153d分别连接于所述加热元件154的两端，此时，当所述双刀双掷继电器的第三触点153c和所述双刀双掷继电器的第四触点153d分别与所诉双刀双掷继电器的第一触点153a和所述双刀双掷继电器的第二触点153b接触且所述双向晶体管为导通状态时，构成所述第一状态下的加热回路；所述控制开关152可以是一个IGBT，所述双刀双掷继电器的第五触点153e与所述IGBT的集电极相连接，所述双刀双掷继电器的第六触点153f与所述逆变器110的一输入端相连接，所述IGBT的发射极与所述逆变器110的另一输入端相连接，此时，当所述双刀双掷继电器的第三触点153c和所述双刀双掷继电器的第四触点153d分别与所诉双刀双掷继电器的第五触点153e和所述双刀双掷继电器的第六触点153f接触且所述控制开关152为导通状态时，构成所述第二状态下的加热回路。连锁开关组包括连锁开关161、单刀双掷继电器线圈162及电阻R1和电阻R2，所述连锁开关161与所述单刀双掷继电器线圈162串联连接于一电源端与一接地端之间，所述电阻R1和所述电阻R2串联后再并联连接于所述单刀双掷继电器线圈162的两端。

所述微处理器170包括一第一连接端口170a、一第二连接端口170b、一第三连接端口170c、一第四连接端口170d及一第五连接端口170e，所述第一连接端口170a与所述闸极触发电路180相连接，以使所述微处理器170可通过所述第一连接端口170a向所述闸极触发电路180发送驱动信号，所述第二连接端口170b与所述连锁开关组中的电阻R1、R2的串接点相连接，以使所述微处理器170能通过所述连锁开关组检测紧急情况是否发生。具体而言，通过检测所述电阻R1及R2的电位来判断连锁开关161的断通状态，从而检测紧急情况是否发生。所述第三连接端口170c连接于所述采样电路中的任意两个电阻之间，以使所述微处理器170能通过所述采样电路获得紧急情况发生时所述逆变器两端电压的检测值，所述第四连接端口170d与所述双刀双掷继电器相连接，以使微处理器170可依据连锁开关161的位置状态对所述双刀双掷继电器发送控制信号以使双刀双掷继电器在第一状态及第二状态间切换，所述第五连接端口170e与所述加热电路中的所述IGBT的基极相连接，以在所述检测值超过所述预设电压值或预设电压范围时控制所述控制开关152导通。

所述食物加工机的加热功能与电机旋转功能单独运作。

食物加工机处于正常运作时电机驱动电路工作状态为：首先，食物加工机上盖10关闭，连锁开关161保持连接状态，此时单刀双掷继电器的第三触点104c与单刀双掷继电器的第一触点104a接触以使从交流电源101提供的交流电能可经由整流器103整流后形成直流电能输送至逆变器110，并且进入电容器105使其充电。同时，第二连接端口170b检测到连锁开关161开启后输送高电平至微处理器170，所述微处理器170输送运转PWM信号至逆变器110使其将直流电能转换为三相交流电能，从而向电机120提供所诉三相交流电能，并使所述电机120转动。同时，在高电平下，微处理器170通过第四连接端口170d将控制信号输送至双刀双掷继电器，使得所述双刀双掷继电器的第三触点153c和所述双刀双掷继电器的第四触点153d分别与所诉双刀双掷继电器的第一触点153a和所述双刀双掷继电器的第二触点153b接触。当接触到外部命令时，例如使用者按下加热按钮时，所述微处理器170将驱动信号通过第一连接端口170a输送至闸极触发电路180，再经闸极触发电路180将驱动信号输送至双向晶体管以使加热电路在第一状态下工作。

其中，第二连接端口170b对逆变器两端电压进行实时检测并将检测到的采样电压值(检测值)输送至微处理器170，所述微处理器170将所述检测值与一预设电压值与预设电压范围进行比较以判断电容器105及逆变器110是否处于过压的危险状态。

食物加工机在紧急情况下电机驱动电路的工作状态为：如果在食物加工机工作过程中，其上盖10被突然打开或移开时，连锁开关161被触发至断开状态，此时单刀双掷继电器的第三触点104c将与单刀双掷继电器的第二触点104b接触，电机120的输入电源被切断。同时，第二连接端口170b检测到连锁开关161断开后输送低电平至微处理器170，所述微处理器170输送制动PWM信号至逆变器110以控制电机120停止运行，同时，所述微处理器170通过第四连接端口170d将控制信号输送至双刀双掷继电器，使得所述双刀双掷继电器的第三触点153c和所述双刀双掷继电器的第四触点153d分别与所诉双刀双掷继电器的第五触点153e和所述双刀双掷继电器的第六触点153f接触。由第三连接端口170c将检测到的逆变器两端的采样电压值(检测值)输送至所述微处理器170并与其中的预设电压值或预设电压范围作比较，当所述检测值大于所述预设电压值或超出所述预设电压范围时，所述微处理器170通过第五连接端口170e向控制开关152发送控制信号使加热电路在第二状态下工作。此时所述电机120通过惯性继续旋转而产生的再生能源通过加热元件154而被消耗，使得电容器105和逆变器110的过压风险减小或消除。

图3示出食物加工机在紧急情况下电机驱动电路的工作流程图。参见附图3，在食物加工机工作过程中，发生食物加工机上盖10被突然打开或移开的状况时，电机驱动电路执行以下步骤：

步骤S301：侦测到所述连锁开关161被触发至断开状态。在本实施方式中，食物加工机的上盖10联动控制所述连锁开关161，所述连锁开关161在正常工作状态下为闭合状态，当发生紧急情况如食物加工机上盖10被突然打开或移开时，连锁开关161被触发至断开状态；

步骤S303：发送控制信号至所述双刀双掷继电器，使所述双刀双掷继电器的第三触点153c和所述双刀双掷继电器的第四触点153d分别与所诉双刀双掷继电器的第五触点153e和所述双刀双掷继电器的第六触点153f接触。在本实施方式中，通过微处理器170向所述双刀双掷继电器发送控制信号以控制双刀双掷继电器在第一状态及第二状态间切换，所述双刀双掷继电器的第四触点153d分别与所诉双刀双掷继电器的第五触点153e和所述双刀双掷继电器的第六触点153f接触时，还需等待一段空白时间直至所述双刀双掷继电器达到稳定状态；

步骤S305：断开开关部件104，使所述直流电源停止给所述电机120供电。在本实施方式中，通过控制所述单刀双掷继电器线圈162失电，所述连锁开关161控制所述开关部件104断开所述整流器103与交流电源101之间的电连接，使电机120断电；

步骤S307：检测所述逆变器110两端电压值以获得一检测值。在本实施方式中，通过微处理器170检测逆变器两端电压值；

步骤S309：将所述检测值与一预设电压值或预设电压范围进行比较并判断是否大于所述预设电压值或超过所述预设电压范围。在本实施方式中，若所述检测值大于所述预设电压值或超过所述预设电压范围时，继续执行步骤S311；若所述检测值小于或等于所述预设电压值或未超过所述预设电压范围时，则执行步骤S313；

步骤S311：设定一个合适的PWM占空比参数并发送所述PWM占空比参数的PWM控制信号至所述控制开关152，以导通放电电路放电。在本实施方式中，所述微处理器170发送所述PWM控制信号至所述控制开关152的通断，所述PWM占空比参数与马达的停机能量、所需要的停机时间以及加热电阻的峰值功率和峰值电流相关。马达的停机能量与马达的转速、转子惯量以及负载惯量成正比。可以理解，当马达停机能量越大、要求的停机时间越短、加热电阻的峰值功率和峰值电流越小时，需要更大占空比的PWM控制信号，即在单位时间内使所述控制开关152导通的时间更长；

步骤S313：判断电机是否已经停止运作。若电机已停止运作，则流程结束；若电机还在继续运作，则返回继续操作步骤S309。

在本实施例中，电机120的电源由驱动电路自动切断，无需经过微处理器170控制，以确保即使微处理器170失常，所述电机120也不会继续运作，提高了使用者的安全保障。并且，执行所述流程的时间很短，可将所述电机120的停止时间缩减至1.0s或以内，完全满足IEC的安全要求标准。

如上所述，本发明提供的一种电机驱动电路，其中，与利用功率电阻器消耗电机120因惯性运动所产生的再生能量相比，本发明采用加热元件154用于对电机120的再生能量的重复利用，即节省了空间，同时也改善了因功率电阻器工作而使得其他电子元件高温的问题。通过本发明的实施例可以明显看出，本发明提供的电路驱动元件具有电路元件简单、结构简洁且无需用到复杂且昂贵的锁臂等额外装置作为食物加工机的安全保护装置，从而使产品的成本相对降低的优点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (21)

1.一种电机驱动电路，包括：

一逆变器、一电机、一制动单元和一微处理器；所述逆变器具有分别连接至一直流电源两端的正极输入端和负极输入端，其特征在于，所述制动单元包括一采样电路、一加热电路及一连锁开关组，所述微处理器分别与所述采样电路、所述加热电路、所述连锁开关组连接，所述加热电路包括一控制开关、一加热元件、以及一切换开关，所述切换开关在第一状态及第二状态间切换，第一状态下，所述切换开关将所述加热元件与一外部交流电源接通；第二状态下，所述切换开关将所述加热元件连接至所述控制开关，使所述加热元件与所述控制开关串联于所述逆变器的正极输入端和负极输入端之间，所述微处理器依据所述连锁开关组的通断状态，相应发送控制信号控制所述切换开关的切换以及所述控制开关的导通及截止。

2.如权利要求1所述的电机驱动电路，其特征在于，所述电机驱动电路包括一个交直流转换电路，所述交直流转换电路包含一开关部件、一整流器及一电容器；所述开关部件用于控制整流器与外部交流电源的连接，所述整流器被设定为将来自外部交流电源的电能进行整流并提供所述直流电源；所述电容器连接于所述整流器的输出端。

3.如权利要求2所述的电机驱动电路，其特征在于，所述开关部件为一个单刀双掷继电器，它包括一线圈以及一第一触点、一第二触点、一第三触点，所述第三触点连接所述交流电源，导通所述第三触点与第一触点，使所述交流电源与所述整流器间的电路导通，导通所述第三触点与第二触点使所述交流电源与所述整流器间的电路断开。

4.如权利要求3所述的电机驱动电路，其特征在于，第一状态下，所述开关部件的第三触点和第一触点闭合，第二状态下，所述开关部件的第三触点和第二触点闭合。

5.如权利要求2所述的电机驱动电路，其特征在于，所述逆变器包含多个分别与所述电容器并联的逆变电路，每一所述逆变电路具有多个逆变元件，每一所述逆变元件包括并联连接的晶体管和二极管，所述电机具有一三相交流电能接入端，所述电机的三相交流电能接入端分别连接所述多个逆变电路的输出端，每一所述逆变电路的输出端连接于所述逆变电路的所述逆变元件之间。

6.如权利要求5所述的电机驱动电路，其特征在于，所述采样电路包括至少两个串联电阻，所述串联电阻并联于所述电容器的两端。

7.如权利要求6所述的电机驱动电路，其特征在于，所述加热电路还包括一三极交流电路，所述三极交流电路包括一三极交流开关与一闸极触发电路，所述闸极触发电路用于根据所述微处理器的控制导通所述三极交流开关。

8.如权利要求7所述的电机驱动电路，其特征在于，所述三极交流开关为一双向晶闸管，包括一控制端与两导通端，所述控制端与所述闸极触发电路连接，所述导通端分别与交流电源以及切换开关连接。

9.如权利要求1所述的电机驱动电路，其特征在于，所述控制开关为一IGBT，用于接收所述微处理器的控制信号以实现所述第二状态下所述加热电路的通断。

10.如权利要求9所述的电机驱动电路，其特征在于，所述切换开关为一双刀双掷继电器，所述双刀双掷继电器具有六个触点，分别是：与所述双向晶闸管的第二导通端相连接的第一触点和与所述交流电源正极输出端相连接的第二触点、连接于所述加热元件两端的第三触点和第四触点、与所述IGBT的集电极相连接的第五触点及与所述逆变器的正极输入端相连接的第六触点。

11.如权利要求3所述的电机驱动电路，其特征在于，所述连锁开关组包括一连锁开关及两串联电阻，所述连锁开关与所述单刀双掷继电器线圈串联连接于一电源端与一接地端之间，所述两串联电阻并联于所述单刀双掷继电器线圈的两端。

12.如权利要求11所述的电机驱动电路，其特征在于，所述微处理器通过检测所述两串联电阻的电位来判断连锁开关的通断状态。

13.如权利要求1所述的电机驱动电路，其特征在于，所述微处理器通过所述采样电路检测紧急情况发生时所述逆变器两端电压的大小并获得一检测值，将所述检测值与一预设电压值或预设电压范围作比较，在所述检测值大于所述预设电压值或超出所述预设电压范围时，控制所述控制开关导通。

14.一种具有如权利要求1-13中任一项所述电机驱动电路的应用设备。

15.如权利要求14所述的应用设备，其特征在于，所述应用设备为食物加工机。

16.一种应用如权利要求1所述的电机驱动电路的电机制动方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

侦测到所述制动单元内的连锁开关被触发至断开状态；

发送控制信号至所述切换开关使所述切换开关由第一状态切换至第二状态

在所述连锁开关处于断开状态时，使所述直流电源停止给所述逆变器供电；

检测所述逆变器两端电压值以获得一检测值；

将所述检测值与一预设电压值或预设电压范围进行比较；

在所述检测值大于所述预设电压值或超过所述预设电压范围时，发送控制信号至所述控制开关使其导通。

17.如权利要求16所述的电机制动方法，其特征在于，在所述检测值小于或等于所述预设电压值或未超过所述预设电压范围时，返回所述检测步骤。

18.如权利要求16所述的电机制动方法，其特征在于，所述检测步骤、比较步骤以及发送控制信号的步骤由所述微处理器执行。

19.如权利要求18所述的电机制动方法，其特征在于，还包括步骤：所述双刀双掷继电器的第三触点和第四触点分别与所述双刀双掷继电器的第五触点和第六触点接触时，还需等待一段空白时间直至所述双刀双掷继电器达到稳定状态。

20.如权利要求19所述的电机制动方法，其特征在于，还包括步骤：在所述连锁开关被触发时，发送制动PWM信号至所述逆变器，以对所述电机制动。

21.如权利要求20所述的电机制动方法，其特征在于，所述发送制动PWM信号的步骤由所述微处理器执行。