CN109474224A - 一种多路输出智能电机控制器 - Google Patents

一种多路输出智能电机控制器 Download PDF

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贾保康
邵和胜
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  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

本发明公开一种多路输出智能电机控制器，包括稳压电源系统、控制信号输入接口、信号处理器、微处理器MCU运算与控制系统、MOSFET驱动电路、MOSFET驱动器1、MOSFET驱动器2、故障信息输出端口、电流电压采集装置和蓄电池，MOSFET驱动器1和MOSFET驱动器2用于直接控制电机，通过设置电流电压采集装置、稳压电源系统、微处理器MCU运算与控制系统以及故障信息输出端口等模块，实现装置自检，具备过载保护和短路保护，再加上本控制器缓启动、缓停机还充分保护了电路及电池，同时当控制器的控制端无论是通电还是断电状态都不会启动，只有是由高电平到低电平切换产生的下降沿才可以触发控制器工作，具有很高安全性。

Description

一种多路输出智能电机控制器
技术领域
本发明涉及电机控制器领域，具体涉及一种多路输出智能电机控制器。
背景技术
目前市场大型洗地机的盘刷电机和吸风电机由两组继电器进行通断控制，在继电器接通的瞬间电流达到50A以上，电机加速度太大，经常导致与电机链接的机械部分损坏，并且瞬间电流太大，对蓄电池以及电机都带来一定的伤害，缩短了电池和电机的工作寿命，而且安全性较低。
中国专利申请号：201680079948.8公开了一种用于电机的控制系统，包括：用于接收需求电机电流作为输入并在输出处产生中间电压需求信号的控制器，被布置为生成电压需求校正信号的电压需求信号校正装置，以及结合装置，该结合装置被布置为结合中间电压需求信号和电压需求校正信号，以产生通过电机电桥驱动器的开关的脉宽调制施加于电机的实际电压需求信号。校正信号对由在电机电桥开关的开关内的互锁延迟引起的非期望的非线性进行补偿。该发明并没有有效解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多路输出智能电机控制器，通过设置电流电压采集装置、稳压电源系统、微处理器MCU运算与控制系统以及故障信息输出端口等模块，实现装置自检，具备过载保护和短路保护，再加上本控制器缓启动、缓停机还充分保护了电路及电池，同时当控制器的控制端无论是通电还是断电状态都不会启动，只有是由高电平到低电平切换产生的下降沿才可以触发控制器工作，具有很高安全性，本发明对电池和电路保护性好，使用安全性高，可多路输出，能耗低还具有节能模式。
一种多路输出智能电机控制器，包括稳压电源系统、控制信号输入接口、信号处理器、微处理器MCU运算与控制系统、MOSFET驱动电路、MOSFET驱动器1、MOSFET驱动器2、故障信息输出端口、电流电压采集装置和蓄电池；
所述电流电压采集装置连接在蓄电池上，稳压电源系统与蓄电池连接，所述稳压电源系统还分别与控制信号输入接口、信号处理器、微处理器MCU运算与控制系统、MOSFET驱动电路、MOSFET驱动器1和MOSFET驱动器2连接，同时控制信号输入接口还与信号处理器连接，信号处理器还与微处理器MCU运算与控制系统连接，微处理器MCU运算与控制系统还与控制信号输入接口、MOSFET驱动电路和故障信息输出端口连接，MOSFET驱动电路还与MOSFET驱动器1和MOSFET驱动器2连接。
信号处理器主要负责将输入的信号进行滤波，将干扰信号滤除，提高控制器的抗干扰能力，并将输入的信号变成一个上升沿或下降沿输送给微处理器MCU，微处理器MCU运算与控制系统包括MCU芯片和芯片运行的基本电路。
优选的，所述控制信号输入接口包括使能信号端口、盘刷启动/停止端口、风机启动/停止端口、ECO模式开启/关闭端口和通讯端口，其中稳压电源系统与使能信号端口连接，信号处理器与盘刷启动/停止端口、风机启动/停止端口和ECO模式开启/关闭端口连接，微处理器MCU运算与控制系统与通讯端口连接。
优选的，所述电流电压采集装置和稳压电源系统都连接在蓄电池的正极上，MOSFET驱动器1连接电机1，MOSFET驱动器2连接电机2，电机1和电机2连接在蓄电池的负极上。
优选的，一种多路输出智能电机控制器的控制策略，具体如下：
第一步：蓄电池为稳压电源系统供电，稳压电源系统获得电能，进入待机状态，但并不工作；这样在非工作状态不消耗电能。
第二步：向控制信号输入端口的使能信号端口输入使能信号，稳压电源系统开始工作；
第三步：本控制器工作电路获得供电后整个系统开始自检，如果发现故障则向故障信息输出端口输出报警信息，如果自检正常，本控制器进入工作状态，等待用户工作指令；如果发现有短路、过压、欠压等情况，无论用户是否输入其他信号，控制器都无功率输出，如果自检正常，控制器进入工作状态，等待用户工作指令。
第四步：向控制信号输入端口的盘刷启动/停止端口或者风机启动/停止端口输入下降沿信号，完成启动命令输入，若输入的是上升沿信号，则停止命令输入；
第五步：输入信号后，信号处理器将输入的信号电平进行处理，完成处理后输出给微处理器MCU运算与控制系统；如果第四步采用的是上升沿或者下降沿命令控制，电平将输入信号处理电路，对输入的信号进行滤波整形，防止干扰波造成的误动作。
第六步：微处理器MCU运算与控制系统根据用户的输入命令以及当前整机的状态进行启动或停止的判定，根据不同判定结果执行不同程序；
第七步：当第六步中判定结果为启动后，MOSFET驱动电路启动MOSFET驱动器1和MOSFET驱动器2，MOSFET驱动器1和MOSFET驱动器2对电机1和电机2进行控制。
优选的，所述稳压电源系统工作后，将输入电压变换成15V与5V两路稳压电源，其中15V稳压电源为后端MOSFET驱动电源，5V稳压电源为数字电路工作电源。
优选的，所述微处理器MCU运算与控制系统进行判定后，如果判定为启动，则执行缓启动PWM输出程序，运算PWM的相关参数，输出相应的5V PWM波至MOSFET驱动电路，当完成启动后，自动转额定功率工作模式；
如果判定为停止，则启动缓停程序，计算和输出相应的PWM，并且实时监控电路的运行状态，如果发生故障，及时启动相应的处理程序。
优选的，所述MOSFET驱动电路在获得PWM波后将5V的PWM波进行功率放大，电压放大至15V，瞬间放电电流放大至10A，驱动MOSFET驱动器1和MOSFET驱动器2，MOSFET驱动器1和MOSFET驱动器2根据输入的PWM波进行对电机的控制。
优选的，所述电流电压采集装置实时采集当前系统的电流与电压值，监控运行状态，如果检测到异常，将触发微处理器MCU运算与控制系统的异常事件，微处理器MCU运算与控制系统启动异常情况处理程序，及时处理并向故障信息输出端口输出相应的报警信息。
本发明的优点在于：通过设置电流电压采集装置、稳压电源系统、微处理器MCU运算与控制系统以及故障信息输出端口等模块，实现装置自检，具备过载保护和短路保护，再加上本控制器缓启动、缓停机还充分保护了电路及电池，同时当控制器的控制端无论是通电还是断电状态都不会启动，只有是由高电平到低电平切换产生的下降沿才可以触发控制器工作，具有很高安全性，本发明对电池和电路保护性好，使用安全性高，可多路输出，能耗低还具有节能模式。
附图说明
图1为本发明的系统原理图；
图2为本发明的稳压电源系统电路原理图；
图3为本发明的控制信号输入接口图；
图4为本发明的信号处理器电路图；
图5为本发明的MOSFET驱动电路图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
实施例一：
如图1-5所示，一种多路输出智能电机控制器，包括稳压电源系统、控制信号输入接口、信号处理器、微处理器MCU运算与控制系统、MOSFET驱动电路、MOSFET驱动器1、MOSFET驱动器2、故障信息输出端口、电流电压采集装置和蓄电池；
所述电流电压采集装置连接在蓄电池上，稳压电源系统与蓄电池连接，所述稳压电源系统还分别与控制信号输入接口、信号处理器、微处理器MCU运算与控制系统、MOSFET驱动电路、MOSFET驱动器1和MOSFET驱动器2连接，同时控制信号输入接口还与信号处理器连接，信号处理器还与微处理器MCU运算与控制系统连接，微处理器MCU运算与控制系统还与控制信号输入接口、MOSFET驱动电路和故障信息输出端口连接，MOSFET驱动电路还与MOSFET驱动器1和MOSFET驱动器2连接。
稳压电源系统为一个宽电压输入，两路输出，具有使能端控制的电源模块；
控制信号输入接口通讯端口1～4分别有SPI、串口、CAN、LAN四个通讯模块，集成了目前的主流通讯方式，用户根据自己实际情况进行切换，用户直接向通讯端口发送相关控制指令，即可完成对控制器的所有控制；
信号处理器包含信号处理电路主要负责将输入的信号进行滤波，将干扰信号滤除，提高控制器的抗干扰能力，并将输入的信号变成一个上升沿或下降沿输送给微处理器MCU；
微处理器MCU运算与控制系统主要包括MCU芯片和芯片运行的基本电路，控制逻辑如下：
当用户向MCU发送通讯控制指令时，MCU根据指令执行相关程序；
当用户利用开关向MCU发送通断控制信号时，MCU通过中断系统捕获上升沿或下降沿，而判断出用户操作意图，这样做的目的是无论用户开关处于开还是关的状态，刚通电是不会执行动作的，防止人为误操作；
当MUC捕获到启动电机信号时，MCU根据记忆程序判断出当前电机是在运行状态还是在停止状态，如果是停止状态，将输出设定的初始占空比PWM，然后在1S内逐渐递增至99％占空比，实现电机的匀加速至满功率工作；
如果判断出到电机已经运行，则再判断当前运行的占空比，如果已经达到99％，则输出99％占空比，如果当前工作在小于99％，即还在加速过程中，根据当前占空比逐渐递增至99％占空比；
当检测到停止信号，将判断当前运行的占空比，根据当前占空比逐渐降低至0％，实现匀减速停机；
当运行过程中，检测到水满信号，则停止吸风电机，并输出报警信号，防止水被吸入风机；
当ECO模式信号输入进MCU，MCU输出PWM占空比会逐渐调整至设定的值运行，使电机降速，达到省电目的。
本发明使电机转速由0到额定转速的缓慢增加，无过载现象，解决了启动电机对机械的冲击，控制电流由额定工作电流到0的缓慢下降，充分降低反电势电压，并且在控制器内部设计了反电势释放电路，充分解决反电势带来的危害，当负载超过设定值会发出报警，启动相应的保护措施，控制器在给电机供电前会做短路检测，一旦发现短路，控制器自动禁止输出，并发出报警，若在工作过程中发生短路，控制器的过载保护机制和短路保护机制同时起作用，及时切断电源，保护电路；
本发明可多路输出，实现一个控制器控制多个电机独立工作，能耗低，工作能耗只有0.4W，并带防误操作设计，当控制器的控制端无论是通电还是断电状态都不会启动，只有是由高电平到低电平切换产生的下降沿才可以触发控制器工作，还具有调速和节能工作模式(ECO模式)。
信号处理器主要负责将输入的信号进行滤波，将干扰信号滤除，提高控制器的抗干扰能力，并将输入的信号变成一个上升沿或下降沿输送给微处理器MCU，微处理器MCU运算与控制系统包括MCU芯片和芯片运行的基本电路。
所述控制信号输入接口包括使能信号端口、盘刷启动/停止端口、风机启动/停止端口、ECO模式开启/关闭端口和通讯端口，其中稳压电源系统与使能信号端口连接，信号处理器与盘刷启动/停止端口、风机启动/停止端口和ECO模式开启/关闭端口连接，微处理器MCU运算与控制系统与通讯端口连接。
所述电流电压采集装置和稳压电源系统都连接在蓄电池的正极上，MOSFET驱动器1连接电机1，MOSFET驱动器2连接电机2，电机1和电机2连接在蓄电池的负极上。
实施例二：
如图1-5所示，一种多路输出智能电机控制器的控制策略，具体如下：
第一步：蓄电池为稳压电源系统供电(DC18V～DC48V)，稳压电源系统获得电能，进入待机状态，但并不工作；这样在非工作状态不消耗电能。
第二步：向控制信号输入端口的使能信号端口输入使能信号(DC18V～DC48V)稳压电源系统开始工作；
第三步：本控制器工作电路获得供电后整个系统开始自检，如果发现故障则向故障信息输出端口输出报警信息，如果自检正常，本控制器进入工作状态，等待用户工作指令；如果发现有短路、过压、欠压等情况，无论用户是否输入其他信号，控制器都无功率输出，如果自检正常，控制器进入工作状态，等待用户工作指令。自检过程耗时10ms以内，让用户不存在等待感。
第四步：向控制信号输入端口的盘刷启动/停止端口或者风机启动/停止端口输入下降沿信号(下降沿的高为DC18V～DC48V低为0V)，完成启动命令输入，若输入的是上升沿信号(低为0V高为DC18V～DC48V)，则停止命令输入；也可以直接向通讯端口输入相应的启动或停止指令到微处理器MCU运算与控制系统完成对各个电机的启动或停止控制。
第五步：输入信号后，信号处理器将输入的信号电平进行处理，完成处理后输出给微处理器MCU运算与控制系统；如果第四步采用的是上升沿或者下降沿命令控制，电平将输入信号处理电路，对输入的信号进行滤波整形，防止干扰波造成的误动作。
当用户接通或关断开关时，由于电路的自身电感与电容效益，在开关切换的瞬间会产生大量干扰波，如果直接将信号输送给MCU，会造成误判情况，而该电路通过R1、R2、C1构成一个滤波网络，将杂波滤除，这样当控制信号输入端输入一个含有杂波的高电平信号过来，杂波被滤波网络滤除，保留了控制信号，开通了Q1三极管，那么输出至MCU的IO信号就会产生一个5V至0V的下降沿跳变信号。相反，当用户断开开关时，Q1截止，输出至MCU的IO信号就会产生一个0V至5V的上升沿跳变信号。
第六步：微处理器MCU运算与控制系统根据用户的输入命令以及当前整机的状态进行启动或停止的判定，根据不同判定结果执行不同程序；
第七步：当第六步中判定结果为启动后，MOSFET驱动电路启动MOSFET驱动器1和MOSFET驱动器2，MOSFET驱动器1和MOSFET驱动器2对电机1和电机2进行控制。
MOSFET驱动电路包含驱动芯片A1，该款驱动芯片具有高侧驱动和低侧驱动，具有使能端；非工作状态时，使能端为高电平，这样无论高低侧控制信号是高电平还是低电平都不会输出，保证安全，工作时使能端为低电平，A1的HO端口会跟随HIN端口电平变化，LO端口跟随LIN端口电平变化，分别驱动高低侧N-MOSFET。高侧的N-MOSFET根据输入栅极的PWM控制电机调速和运行，低侧N-MOSFET负责释放反电势，在高侧PWM的下降沿，电机会产生高压反电势，那么在高侧下降沿阶段开启低侧N-MOSFET，构建出一个电机的回路，释放反电势。
所述稳压电源系统工作后，将输入电压变换成15V与5V两路稳压电源，其中15V稳压电源为后端MOSFET驱动电源，5V稳压电源为数字电路工作电源。
所述微处理器MCU运算与控制系统进行判定后，如果判定为启动，则执行缓启动PWM输出程序，运算PWM的相关参数，输出相应的5V PWM波至MOSFET驱动电路，当完成启动后，自动转额定功率工作模式；
如果判定为停止，则启动缓停程序，计算和输出相应的PWM，并且实时监控电路的运行状态，如果发生故障，及时启动相应的处理程序。
所述MOSFET驱动电路在获得PWM波后将5V的PWM波进行功率放大，电压放大至15V，瞬间放电电流放大至10A，驱动MOSFET驱动器1和MOSFET驱动器2，MOSFET驱动器1和MOSFET驱动器2根据输入的PWM波进行对电机的控制。
所述电流电压采集装置实时采集当前系统的电流与电压值，监控运行状态，如果检测到异常，将触发微处理器MCU运算与控制系统的异常事件，微处理器MCU运算与控制系统启动异常情况处理程序，及时处理并向故障信息输出端口输出相应的报警信息。
具体实施方式及原理：
首先，蓄电池为稳压电源系统供电(DC18V～DC48V)，稳压电源系统获得电能，进入待机状态进入待机状态；
然后向控制信号输入端口的使能端口输入使能信号稳压电源系统开始工作，将输入电压变换成15V与5V两路稳压电源，其中15V为后端MOSFET驱动电源，5V数字电路工作电源；
再然后控制器工作电路获得供电后整个系统开始自检，如果发现故障则向故障信息输出端口输出报警信息，如果自检正常，本控制器进入工作状态，等待用户工作指令；如果发现有短路、过压、欠压等情况，无论用户是否输入其他信号，控制器都无功率输出，如果自检正常，控制器进入工作状态，等待用户工作指令；
再然后向控制信号输入端口的盘刷启动/停止端口或者风机启动/停止端口输入下降沿信号，完成启动命令输入，若输入的是上升沿信号，则停止命令输入；也可以直接向通讯端口输入相应的启动或停止指令到微处理器MCU运算与控制系统完成对各个电机的启动或停止控制。
上述过程中，在输入信号后，信号处理器将输入的信号电平进行处理，完成处理后输出给微处理器MCU运算与控制系统；如果采用的是上升沿或者下降沿命令控制，电平将输入信号处理电路，对输入的信号进行滤波整形，防止干扰波造成的误动作；
同时，微处理器MCU运算与控制系统根据用户的输入命令以及当前整机的状态进行判定，如果判定为启动，则执行缓启动PWM输出程序，运算PWM的相关参数，输出相应的5VPWM波至MOSFET驱动电路，当完成启动后，自动转额定功率工作模式，如果判定为停止则启动缓停程序，计算和输出相应的PWM。并且实时监控电路的运行状态，如果发生故障，及时启动相应的处理程序；
最后，MOSFET驱动电路在获得PWM波后将5V的PWM波进行功率放大，电压放大至15V，瞬间放电电流放大至10A，驱动MOSFET驱动器1和MOSFET驱动器2，MOSFET驱动器1和MOSFET驱动器2根据输入的PWM波进行对电机的控制。
基于上述，本发明通过设置电流电压采集装置、稳压电源系统、微处理器MCU运算与控制系统以及故障信息输出端口等模块，实现装置自检，具备过载保护和短路保护，再加上本控制器缓启动、缓停机还充分保护了电路及电池，同时当控制器的控制端无论是通电还是断电状态都不会启动，只有是由高电平到低电平切换产生的下降沿才可以触发控制器工作，具有很高安全性，本发明对电池和电路保护性好，使用安全性高，可多路输出，能耗低还具有节能模式。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (8)

1.一种多路输出智能电机控制器，其特征在于，包括稳压电源系统、控制信号输入接口、信号处理器、微处理器MCU运算与控制系统、MOSFET驱动电路、MOSFET驱动器1、MOSFET驱动器2、故障信息输出端口、电流电压采集装置和蓄电池；
所述电流电压采集装置连接在蓄电池上，稳压电源系统与蓄电池连接，所述稳压电源系统还分别与控制信号输入接口、信号处理器、微处理器MCU运算与控制系统、MOSFET驱动电路、MOSFET驱动器1和MOSFET驱动器2连接，同时控制信号输入接口还与信号处理器连接，信号处理器还与微处理器MCU运算与控制系统连接，微处理器MCU运算与控制系统还与控制信号输入接口、MOSFET驱动电路和故障信息输出端口连接，MOSFET驱动电路还与MOSFET驱动器1和MOSFET驱动器2连接。
2.根据权利要求1所述的一种多路输出智能电机控制器，其特征在于：所述控制信号输入接口包括使能信号端口、盘刷启动/停止端口、风机启动/停止端口、ECO模式开启/关闭端口和通讯端口，其中稳压电源系统与使能信号端口连接，信号处理器与盘刷启动/停止端口、风机启动/停止端口和ECO模式开启/关闭端口连接，微处理器MCU运算与控制系统与通讯端口连接。
3.根据权利要求2所述的一种多路输出智能电机控制器，其特征在于：所述电流电压采集装置和稳压电源系统都连接在蓄电池的正极上，MOSFET驱动器1连接电机1，MOSFET驱动器2连接电机2，电机1和电机2连接在蓄电池的负极上。
4.根据权利要求3所述的一种多路输出智能电机控制器的控制策略，其特征在于，具体如下：
第一步：蓄电池为稳压电源系统供电，稳压电源系统获得电能，进入待机状态，但并不工作；
第二步：向控制信号输入端口的使能信号端口输入使能信号，稳压电源系统开始工作；
第三步：本控制器工作电路获得供电后整个系统开始自检，如果发现故障则向故障信息输出端口输出报警信息，如果自检正常，本控制器进入工作状态，等待用户工作指令；
第四步：向控制信号输入端口的盘刷启动/停止端口或者风机启动/停止端口输入下降沿信号，完成启动命令输入，若输入的是上升沿信号，则停止命令输入；
第五步：输入信号后，信号处理电路将输入的信号电平进行处理，完成处理后输出给微处理器MCU运算与控制系统；
第六步：微处理器MCU运算与控制系统根据用户的输入命令以及当前整机的状态进行启动或停止的判定，根据不同判定结果执行不同程序；
第七步：当第六步中判定结果为启动后，MOSFET驱动电路启动MOSFET驱动器1和MOSFET驱动器2，MOSFET驱动器1和MOSFET驱动器2对电机1和电机2进行控制。
5.根据权利要求4所述的一种多路输出智能电机控制器的控制策略，其特征在于：所述稳压电源系统工作后，将输入电压变换成15V与5V两路稳压电源，其中15V稳压电源为后端MOSFET驱动电源，5V稳压电源为数字电路工作电源。
6.根据权利要求4所述的一种多路输出智能电机控制器的控制策略，其特征在于：所述微处理器MCU运算与控制系统进行判定后，如果判定为启动，则执行缓启动PWM输出程序，运算PWM的相关参数，输出相应的5V PWM波至MOSFET驱动电路，当完成启动后，自动转额定功率工作模式；
如果判定为停止，则启动缓停程序，计算和输出相应的PWM，并且实时监控电路的运行状态，如果发生故障，及时启动相应的处理程序。
7.根据权利要求6所述的一种多路输出智能电机控制器的控制策略，其特征在于：所述MOSFET驱动电路在获得PWM波后将5V的PWM波进行功率放大，电压放大至15V，瞬间放电电流放大至10A，驱动MOSFET驱动器1和MOSFET驱动器2，MOSFET驱动器1和MOSFET驱动器2根据输入的PWM波进行对电机的控制。
8.根据权利要求4所述的一种多路输出智能电机控制器的控制策略，其特征在于：所述电流电压采集装置实时采集当前系统的电流与电压值，监控运行状态，如果检测到异常，将触发微处理器MCU运算与控制系统的异常事件，微处理器MCU运算与控制系统启动异常情况处理程序，及时处理并向故障信息输出端口输出相应的报警信息。
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