CN107834913B - 一种太阳能无刷控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能无刷控制器，属于太阳能设备领域。针对现有技术中存在的以太阳能电池板为动力来源的用电设备就无法自启动，控制不方便的问题，本发明提供了一种太阳能无刷控制器，包括控制器外壳以及内部的控制电路，控制电路包括单片机主控电路，单片机主控电路输入无刷电机的霍尔信号、转速控制信号、限流过流检测信号、刹车信号，输出电子换向器的前级驱动信号控制无刷电机的运转，电源电路获取太阳能电池板的电进行变压后为控制器以及电机供电，还包括有自启电路，自启电路控制无刷电机的启动。它可以实现无需电池而直接用太阳能发的直流电驱动直流无刷电机，并且还可以利用现有手机信号实施远程监控，开启/关闭的功能。

Description

一种太阳能无刷控制器

技术领域

本发明涉及太阳能设备领域，更具体地说，涉及一种太阳能无刷控制器。

背景技术

现在市面上的曝气机主要是交流220V/380V的为主，需要直接通过电缆为曝气泵/机提供能量，这种供电方式有诸多不便。例如：耗能，布线繁琐，安全性差等弊端。而直接用太阳能电池板直接驱动曝气机/气泵的话会有很多优点，而用太阳能驱动曝气机/泵的话则需要用到直流无刷控制器，而市面上的无刷电机控制器需要外加信号才能使电机启动，因为在图一单片机主控电路中，在初始阶段，单片机会接收转速控制信号，而这个信号必须在单片机通电检测以后才能输入0～4.5v的速度信号。在户外，太阳只有在白天才会出现，它会周期性的出现和消失，有些用电设备是无法人为每天去复位速度给定信号的，比如说在湖中央的曝气设备。这样的话以太阳能电池板为动力来源的用电设备就无法自启动，大大降低了太阳能源的利用率。

中国专利申请，申请号201220469589，公开日2016年7月20日，公开了一种具有自启动功能的独立光伏供电系统。此实用新型技术方案通过系统控制及操控面板模块的控制，以及设置的电力电子电路实现的自动电力调控，使系统在异常停机后，在关断常规负载供电的电力路径，闭合导通应急供电路径的同时，导通光伏电力快速蓄电路径和光伏电力自启动电源电力路径，使光伏供电系统完成自启动进入正常运行状态。在偏远地区对于无技术能力和维护条件的用户而言，无需等待救援，系统通过自启动进入正常发电供电状态，为用户减少了系统使用与维护的投资并给用户使用带来极大便利，大大提高了光伏供电系统的使用效率，提高了设备与太阳能的资源利用率，增加用户的投资收益。但是此控制器控制复杂，且对于具体控制电路并没有进行阐述。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的以太阳能电池板为动力来源的用电设备就无法自启动，控制不方便的问题，本发明提供了一种太阳能无刷控制器。它可以实现无需电池而直接用太阳能发的直流电驱动直流无刷电机，并且还可以利用现有手机信号实施远程监控，开启/关闭的功能。

2.技术方案

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种太阳能无刷控制器，包括控制器外壳以及内部的控制电路，控制电路包括单片机主控电路，单片机主控电路输入无刷电机的霍尔信号、转速控制信号、限流过流检测信号、刹车信号，输出电子换向器的前级驱动信号控制无刷电机的运转，电源电路获取太阳能电池板的电进行变压后为控制器以及电机供电，还包括有自启电路，自启电路控制无刷电机的启动。

更进一步的，所述的电子换向器6个功率MOSFET管组成，MOSFET管VT1、VT4构成无刷电机A相绕组的桥臂，VT3、VT6构成无刷电机B相绕组的桥臂，VT5、VT2构成无刷电机C相绕组的桥臂，电压加载在三组MOSFET管的两端。根据电机实际功率大小可以选择相同不同型号的MOSFET管。

更进一步的，三组MOSFET管电路中取样限流过流检测信号至单片机中。具有电流检测功能，通过检测功率MOSFET的回流大小来判断电机是否过负荷。

更进一步的，所述的电源电路包括两组电源，一组为功率MOSFET驱动电源，为14V，另一组为单片机、电机霍尔供电电源，为5V。

更进一步的，所述的功率MOSFET驱动电源为14V，单片机、电机霍尔供电电源为5V。

更进一步的，所述的自启电路包括：取样可调电阻R4，取样可调电阻R4输入端取自电源总输入端，串联一个稳压二极管D1，再串联一个极性电容C7，电容两端并联一个2.2K的电阻R5，极性电容C7的负极取MOSFET管的供电电压，极性电容C7并联在光耦发光器件的两端，为输入端；光耦的发射极连接单片机供电电压，光耦的集电极连接分压电阻R6，R6取压端电阻加在无刷电机速度控制器的输入端。

更进一步的，还包括物联网终端和物联网接口电路。从而更好的监控设备的运行情况。

更进一步的，物联网终端包括外围感知接口，中央处理模块和外部通讯接口三个部分组成，通过外围感知接口与传感设备连接，将这些传感设备的数据进行读取并通过中央处理模块处理后，按照网络协议，通过外部通讯接口发送到以太网的指定中心处理平台。

更进一步的，物联网接口电路，包括为无刷电机霍尔输入线J1，霍尔输入线J1通过三相上的三个电阻R7、R8、R9，任取R7、R8、R9一点的电压信号送入自启电路的输入端，从霍尔元件取得的电压经过物联网终端电源电路的降压电路得到一个电源电压，电源电压为固态继电器供电，把固态继电器的闭合触点接到物联网终端的数字量输入端。

更进一步的，所述的控制器还包括显示驱动板，通过显示驱动板驱动控制器外壳上的显示屏进行显示。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

(1)本方案提供了一种无需电池而直接用太阳能发的直流电驱动直流无刷电机，并且还可以利用现有手机信号实施远程监控，开启/关闭的功能；

(2)本发明对与太阳能电池板的运用会起到促进和支持作用，整个控制系统，现有的太阳能电池板的运用还是需要和传统的储能电池配套使用，再加上相应的逆变器，才能给交流用电设备提供供电，这明显会增加成本投入，加大设备维护难道、而且也会增加设备总体的重量，本方案可以利用现有的太阳能光伏电池板通过本控制器实现直接驱动直流无刷电动机；

(3)本方案可以自己判断电池板发电的电能强度来自行启动电机或者关闭电机，外加电压比较电路实现无刷电机的自动电压判断，继而使用太阳能所发的直流电驱动直流电机；判断方式快捷，准确率高；

(4)本发明的电源指示电发光元件、电量强弱显示均采用发光二极管，发光二极管成本低廉，能有效降低本发明的制造成本，限流元件、降压元件均为电阻元件，结构简单，损坏率低，电阻元件同样成本低廉，因此能够进一步降低本发明的制造成本以及后期的维修成本；

(5)本发明的电压取样电路电压范围比较宽24V～60V，对太阳光的适应性强，能够很好的判断太阳光的强弱，从而精准的自动启动/关闭电机；准确度高；

(6)本控制器采用采用通用化设计，不同输入电压，不同电机功率的设备都可以采用相同的取样判断电路来实现控制器的自动启动/停止功能，本控制器不需要电池作为储备电源，节约了储备电源的成本，且整体设备重量减轻，电机会规律性的启动和停止；

(7)本控制器还具有双模特性，无论电机是否接入霍尔线，控制器都可以自动识别，从而取得电机转动；

(8)本控制器还有电流检测功能，通过检测功率MOSFET的回流大小来判断电机是否过负荷，如果电流过大，则会给单片机输入一个高电压，那么单片机主控机就会截止功率MOSFET管的输出，从而起到保护控制器与电机的作用，安全性好，寿命高；

(9)本控制器将物联网融入其中，直接从控制器内部连接电源信号和控制信号，从而更好的监控设备的运行情况，可以大范围进行监控，维护方便快捷。

附图说明

图1为本发明的单片机控制电路图；

图2为电子换向器电路结构图；

图3为控制器电源电路结构图；

图4为控制器自启电路结构图；

图5为物联网接口电路结构图；

图6为物联网终端电源电路结构图；

图7为控制器外壳结构图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。

实施例1

本发明的太阳能无刷电机控制器是在针对太阳能无刷控制器加入了自启动设置以及相应的控制设置进行调整，完成整体的控制，特别是对于应用在河内以及远距离的设备上，对于人员无法快速到达的设备上的无刷电机控制器，进行改进和设计。图7中，控制器与物联网控制器集成在一个盒子之中，外部引脚有天线发送接口、电源输入接口、无刷电机输出接口。面板为数字显示，显示电池电压、电量、GPRS信号强度等信息。

如图1所示：单片机主控电路是无刷电机控制器的核心部分，电机的霍尔信号、转速信号、过流检测信号、刹车信号等都直接输入给单片机，由单片机进行处理，并由单片机输出电子换向器三个桥臂的前级驱动信号，以控制电机的运转，因而单片机主控电路是无刷电机控制器的心脏部分。可以选取合适型号的芯片进行控制，本实施例选用单片机PIC16F72，此单片机是目前电动车无刷电机控制器的主流控制芯片，用PIC16F72构成的无刷控制器的典型应用电路，它包括了无刷电机控制器的各主要输入、输出信号，单片机根据该脚的电压信号变化，决定输出驱动信号的脉宽，从而决定电机的转速。

主电路：电子换向器无刷电机与有刷电机的根本区别就在于无刷电机用电子换向器代替了有刷电机的机械换向器，因而控制方法也就大不相同，复杂程度明显提高。在无刷电机控制器中，用6个功率MOSFET管(根据电机实际功率大小)组成电子换向器，其结构如图2所示。功率MOSFET与双极型功率相比具有如下特点：

1.MOSFET是电压控制型器件(双极型是电流控制型器件)，因此在驱动大电流时无需推动级，电路较简单；

2.输入阻抗高，可达108Ω以上；

3.工作频率范围宽，开关速度高(开关时间为几十纳秒到几百纳秒)，开关损耗小；

4.有较优良的线性区，并且MOSFET的输入电容比双极型的输入电容小得多，所以它的交流输入阻抗极高；

5.功率MOSFET可以多个并联使用，增加输出电流而无需均流电阻。

图中MOSFET管VT1、VT4构成无刷电机A相绕组的桥臂，VT3、VT6构成无刷电机B相绕组的桥臂，VT5、VT2构成无刷电机C相绕组的桥臂，在任何情况，同一桥臂的上下两管不能同时导通，否则要烧坏管子。6只功率MOSFET管按一定要求顺次导通，就可实现无刷电机A、B、C三相绕组的轮流通电，完成换相要求，电机正常运转。在本无刷电机控制器中，这6只功率管有二二通电方式和三三通电方式的运用，二二通电方式即每一瞬间有两只功率管同时通电，三三通电方式即每一瞬间有三只功率管同时通电。对于二二通电方式，功率管须按VT1、VT2；VT2、VT3；VT3、VT4；VT4、VT5；VT5、VT6；VT6、VT1；VT1、VT2的通电顺序，电机才能正常运转，此顺序通过。对于三三通电方式，功率管须按VT1、VT2、VT3；VT2、VT3、VT4；VT3、VT4、VT5；VT4、VT5、VT6；VT5、VT6、VT1；VT6、VT1、VT2；VT1、VT2、VT3的次序通电，电机才能正常运转。

功率管前级驱动电路：功率管前级驱动电路用来驱动电子换向器的6个MOSFET管，由于6个MOSFET管组成3个相同的桥臂，对这3个相同的桥臂的驱动电路是相同的，因而功率管前级驱动电路是由3组相同结构的电路组成。此处可用现有MOS管进行驱动或者其他现有驱动电路进行驱动，在此不做太多阐述。

电源电路：在本无刷电机控制器中，一般需两组电源，一个是14V电源供功率MOSFET驱动用，另一个是5V电源，供单片机、电机霍尔、转把霍尔等电路用。14V电源一般由LM317调整管得到，5V电源一般由78L05得到，电路如图3所示。当然也会有不同电压的输出需求电路，针对于不同的电压的MOSFET可以选取不同参数的集成稳压器。选择不同型号的稳压器都可，只要可以实现需求的电压即可。

自启电路：因为阳光是有时间限制的，一般北半球的光照是有时间段的，在夏季日出一般在5点左右，日落在6：50左右。冬季日出时间会相应延迟、日落时间会提前。既然阳光不是24小时，那么太阳能电池板提供的能量是断续的。因为本控制器是不需要电池作为储备电源的，所以电机会规律性的启动和停止。那么现有的无刷直流控制器是不具备自启动的能力的。所以本控制器在以往直流无刷控制器的基础上进行了改进。图4所示，取样可调电阻R4输入端取自电源总输入端，串联一个稳压二极管D1，再串联一个极性电容C7，电容两端并联一个2.2K的电阻R5，极性电容C7的负极取LM317端的+14伏。极性电容C7并联在光耦发光器件的两端，为输入端；光耦的发射极连接单片机供电电压，光耦的集电极连接分压电阻R6，R6取压端电阻加在无刷电机速度控制器的输入端。因为太阳光伏板的电压随着光线的增强而增强，所以极性电容的正极的电压在0～2.5V之间变化，当太阳在一天中的光照强度达到最大时，那么光耦817C的输入端就会导通，因为光耦817C的导通电压在0～3V之间，所以当光耦817C导通之后，光耦817C的输出端的集电极就会把取自78L05的+5V输送到分压电阻R6上，分压电阻R6的取压端就会得到0～4.5V的电压，这个电压会加在速度控制器的输入端，继而驱动电机转动。这个电路的好处就在于太阳能板发出的电是不稳定的，那么欠压检测电路就会保护，如果光线的强度恢复。那么经过这个自启电路就会让电机在黑夜与白天之间无需人为干预而自己启动。

本控制器采用采用通用化设计，不同输入电压，不同电机功率的设备都可以采用相同的取样判断电路来实现控制器的自动启动/停止功能，本控制器不需要电池作为储备电源，节约了储备电源的成本，且整体设备重量减轻，电机会规律性的启动和停止，那么现有的无刷直流控制器是不具备自启动的能力的，所以本控制器在以往直流无刷控制器的基础上进行了改进，保证没有储备电源的情况下进行顺利和正常工作。

本控制器还具有双模特性，无论电机是否接入霍尔线，控制器都可以自动识别，从而取得电机转动。本控制器在电压输入范围上比较宽。输入电压在48V到60V之间都可以正常工作，因为本身太阳的光照就是时强时弱，电压波动比较大，特别是多云的天气电压波动就更频繁，所以本控制器能更好的适应太阳能电池板的电压波动。

实施例2

实施例2与实施例1基本相同，还包括，本控制器还有电流检测功能，三组MOSFET管电路中取样限流过流检测信号至单片机中。通过检测功率MOSFET的回流大小来判断电机是否过负荷，如果电流过大，则会给单片机输入一个高电压，那么单片机主控机就会截止功率MOSFET管的输出，从而起到保护控制器与电机的作用。

实施例3

实施例3与实施例1基本相同，还包括远程监控功能，远程监控：本方案还设置有物联网终端。物联网终端是物联网中连接传感网络层和传输网络层，实现采集数据及向网络层发送数据的设备。物联网终端基本由外围感知(传感)接口，中央处理模块和外部通讯接口三个部分组成，通过外围感知接口与传感设备连接，如RFID读卡器，红外感应器，环境传感器等，将这些传感设备的数据进行读取并通过中央处理模块处理后，按照网络协议，通过外部通讯接口，如：GPRS模块、以太网接口、WIFI等方式发送到以太网的指定中心处理平台。为了更好的维护曝气机，本控制器还将当今物联网设备融入到本控制器之中，从而对设备进行远程控制。如图5所示：J1为无刷电机霍尔输入线，从电阻R7、R8、R9上任取一点的电压信号送入图4的输入端，这个从霍尔元件取得的0～31V的电压经过图6的7805降压电路得到一个+5V电源。用这个+5V的电源带动一个5V的固态继电器，当电机正常启动以后，固态继电器的常开点就会闭合，这样就取得了一个开关量的信号。把固态继电器的闭合触点接到物联网终端的数字量输入端，物联网终端就会把这个启动信号通过移动运营商的网络发送到物联网接受设备，我们就可以在远程监控到设备的运行情况了。

物联网是新一代信息技术的重要组成部分。物联网的英文名称是“The Internetof things”。顾名思义，物联网就是“物物相连的互联网”。随着国际物联网业的快速发展，大量的信息技术被采用，并且信息技术提高了监控系统的准确性和实时性，现代的物联网发展趋势：物联网的系统化趋势，物联网的信息化趋势，物联网与商业流，信息流一体化趋势等等。并且，物联网可以提高经济发展，大大降低成本，物联网将广泛应用于智能交通，环境保护，公共安全的领域。本控制器将物联网融入其中，直接从控制器内部连接电源信号和控制信号，从而更好的监控设备的运行情况，这是本控制器的一大优势所在。

以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，在不背离本发明的精神或者基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此，权利要求中的任何附图标记不应限制所涉及的权利要求。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。此外，“包括”一词不排除其他元件或步骤，在元件前的“一个”一词不排除包括“多个”该元件。产品权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (7)

1.一种太阳能无刷控制器，包括控制器外壳以及内部的控制电路，其特征在于：控制电路包括单片机主控电路，单片机主控电路输入无刷电机的霍尔信号、转速控制信号、限流过流检测信号、刹车信号，输出电子换向器的前级驱动信号控制无刷电机的运转，电源电路获取太阳能电池板的电进行变压后为控制器以及无刷电机供电，还包括有自启电路，自启电路控制无刷电机的启动；

所述的电子换向器由6个功率MOSFET管组成，MOSFET管VT1、VT4构成无刷电机A相绕组的桥臂，VT3、VT6构成无刷电机B相绕组的桥臂，VT5、VT2构成无刷电机C相绕组的桥臂，电压加载在三组MOSFET管的两端；

所述的电源电路包括两组电源，一组为功率MOSFET驱动电源，另一组为单片机、电机霍尔供电电源；

所述的自启电路包括：取样可调电阻R4，取样可调电阻R4输入端取自电源总输入端，串联一个稳压二极管D1，再串联一个极性电容C7，电容两端并联一个电阻R5，极性电容C7的负极取MOSFET管的供电电压，极性电容C7并联在光耦发光器件的两端，为输入端；光耦的发射极连接单片机供电电压，光耦的集电极连接分压电阻R6，分压电阻R6取压端加在无刷电机速度控制器的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能无刷控制器，其特征在于：三组MOSFET管电路中取样限流过流检测信号至单片机中。

3.根据权利要求1所述的一种太阳能无刷控制器，其特征在于：所述的功率MOSFET驱动电源为14V，单片机、电机霍尔供电电源为5V。

4.根据权利要求1所述的一种太阳能无刷控制器，其特征在于：还包括物联网终端和物联网接口电路。

5.根据权利要求4所述的一种太阳能无刷控制器，其特征在于：物联网终端包括外围感知接口，中央处理模块和外部通讯接口三个部分组成，通过外围感知接口与传感设备连接，将这些传感设备的数据进行读取并通过中央处理模块处理后，按照网络协议，通过外部通讯接口发送到以太网的指定中心处理平台。

6.根据权利要求5所述的一种太阳能无刷控制器，其特征在于：物联网接口电路，包括为无刷电机霍尔输入线J1，霍尔输入线J1通过三相上的三个电阻R7、R8、R9，任取R7、R8、R9一点的电压信号送入自启电路的输入端，从霍尔输入线J1取得的电压经过物联网终端电源电路的降压电路得到一个电源电压，电源电压为固态继电器供电，把固态继电器的闭合触点接到物联网终端的数字量输入端。

7.根据权利要求1所述的一种太阳能无刷控制器，其特征在于：所述的控制器还包括显示驱动板，通过显示驱动板驱动控制器外壳上的显示屏进行显示。