CN109768744B - 一种直流电机控制装置及控制方法 - Google Patents

一种直流电机控制装置及控制方法 Download PDF

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本发明涉及一种直流电机控制装置及其控制方法,其中直流电机控制装置包括直流电机,驱动板,及与驱动板电连接的用于改变驱动板输出电压的模拟电位器,驱动板的两输出端与直流电机连接;其特征在于:还包括通信模块、微处理器、继电器、数字电位器和单刀双掷开关,其中通信模块与外部控制装置通信连接,通信模块与微处理器电连接,数字电位器与微处理器电连接;继电器与微处理器、数字电位器以及驱动板上的第一接入端相连,驱动板上的第二接入端与单刀双掷开关的中间引脚相连;单刀双掷开关的两边引脚分别与数字电位器的VW端和模拟电位器的VW端相连。与现有技术相比,本发明的优点在于:既能支持手动控制,也能支持部控制装置远程操控。

Description

一种直流电机控制装置及控制方法
技术领域
本发明涉及一种直流电机控制装置及控制方法。
背景技术
电动机,也称电机,是一种将电能转化为机械能的装置,在现代工商业、农林业、日常生活中被普遍采用。电机设备包括控制装置、电动机、被拖动装置、传动装置以及管网负荷等,是一个涉及多学科、多专业、多领域的复杂系统,其中控制装置用于控制电机的转速和运行时间等,是整个电动机设备的核心部分。直流电机由于具有良好的启动和调速性能,常应用于对启动和调速有较高要求的工业和日常生活领域,是日常生活和工作中很常见的一种动力装置,比如应用于电动自行车、厨房中的搅拌机、和面机和料理机等装置中的动力装置。传统的操控直流电机转速的方式主要是用模拟电位器手动改变直流电机驱动板的输出电压,从而达到控制电机转速的目的。随着微机控制技术的发展,目前也有了一些基于脉宽调制(PWM)控制方式的直流电机驱动模块,这些模块提供PWM信号输入接口,通过与微机板上的PWM输出接口相连,并通过微机上的嵌入式程序来控制驱动模块的输出电压,从而达到控制直流电机转速的目的。目前,用电位器手动控制方式可以支持的最高输出电压能够达到200V及以上,但是用PWM控制方式可以支持的最高输出电压为90V左右。所以目前PWM控制方式一般用于小型直流电机的转速控制,对安装有大功率的直流电机设备的转速控制一般还是采用传统的模拟电位器手动控制方式。因此,目前大多数的大功率直流电机设备的控制装置部分还是以模拟电路为主,只能支持设备使用人在本地对设备的转速和运行时间的控制,不能接入工业控制网络,无法支持远程操控,且无法对电机设备的疲劳寿命进行实时监控。
随着家电的智能化和制造流程的智能化的趋势不断推进,各种工业互联网平台和物联网云平台迅猛发展,“设备上云”成为当前加快制造企业转型升级的强大助力。因此,对于采用传统的电位器手动控制方式的直流电机设备进行改造升级的需求越来越强烈。然而,目前并没有适用的方法在不改变现有的直流电机控制装置模拟电路部分的前提下实现“设备上云”的目标,更无法实现远程用智能终端(如现在人们普遍使用的智能手机)对设备的转速和运行时间进行远程操控,以及对设备的疲劳寿命进行实时监测的目标。
发明内容
本发明所要解决的首要技术问题是针对上述现有技术提供一种既能手动控制也能支持外部控制装置远程操控的直流电机控制装置。
本发明进一步要解决的技术问题是供一种既能手动控制也能支持外部控制装置远程操控、同时最高输出电压能够达到200V及以上的直流电机控制装置的控制方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为:一种直流电机控制装置,包括直流电机,用于控制直流电机工作状态的驱动板,及与驱动板电连接的用于改变驱动板输出电压的模拟电位器,驱动板的两输出端与直流电机连接;其特征在于:还包括通信模块、微处理器、继电器、数字电位器和单刀双掷开关,其中通信模块与外部控制装置通信连接,通信模块与微处理器电连接,数字电位器的Vcc端与微处理器的5V电源接口相连,数字电位器的输入片选信号接口CS、输入滑阻信号接口INC和输入指示滑动方向信号接口U/D端分别与微处理器的D1、D2和D3引脚电连接;继电器的Vcc端与微处理器的Vcc端电连接,继电器的GND端与微处理器的GND共享接地,继电器的IN端为继电器模组的信号触发端与微处理器的D4引脚电连接,继电器的COM端与数字电位器的VH端相连,继电器的NC端与驱动板上的第一接入端相连,驱动板上的第二接入端与单刀双掷开关的中间引脚相连;单刀双掷开关的两边引脚分别与数字电位器的VW端和模拟电位器的VW端相连,模拟电位器的VH端也与驱动板上的第一接入端相连,数字电位器的VL端接地;通信模块将外部控制装置发来的直流电机控制信号转发给微处理器后,微处理器根据直流电机控制信号改变数字电位器的阻值,从而使驱动板的输出电压发生改变,进而控制直流电机。
较好的,所述通信模块和微处理器共用集成有wifi通信芯片的微处理器。
作为改进,还包括贴合在直流电机外的振动传感器,振动传感器的输出端与微处理器的D5引脚连接。
再改进,数字电位器的阻值范围和每档的阻值与模拟电位器相同。
本发明解决上述进一步技术问题所采用的技术方案为:一种具有上述结构的直流电机控制装置的控制方法,其特征在于:包括如下步骤:
步骤1、通信模块将外部控制装置发来的直流电机控制信号转发给微处理器;
步骤2、微处理器收到直流电机控制信号后,改变微处理器D1至D4引脚的输出电平,进而改变数字电位器的阻值;当数字电位器的CS端为低电平,U/D端为高电平,INC端每输入一个从高电平到低电平的下降沿信号,就会使数字电位器的阻值减小一档;当数字电位器的CS端为低电平,U/D端为低电平,INC端每输入一个从高电平到低电平的下降沿信号,就会使数字电位器的阻值增加一档;当INC端输入高电平,CS端输入一个从低电平到高电平的上升沿信号,就会将当前的阻值保存起来;
当数字电位器的阻值发生变化后,可以进一步使驱动板的输出电压发生改变,从而控制直流电机。
作为改进,包括贴合在直流电机外的振动传感器,振动传感器的输出端与微处理器的D5引脚连接;当微处理器检测到振动传感器的数据后,发现振动传感器的输出值超过预设阈值,微处理器通过D4引脚输出一个从高电平到低电平的阶跃信号或从低电平到高电平的阶跃信号,从而导通或关闭继电器COM与NC之间的电路连接,使继电器中的触点断开,从而使直流电机停止。
与现有技术相比,本发明的优点在于:通过微处理器控制数字电位器的阻值变化,而不是通过调节控制板的驱动电压来控制电机的运转档位,无需对现有的直流电机控制装置的模拟电路部分进行修改,就可以将大功率直流电机改造为支持远程操控的智能化设备,且最高输出电压能够达到200V及以上。
附图说明
图1为本发明实施例中直流电机控制装置的电路原理图。
图2为本发明实施例中电机的转速增加1档时微处理器的D1-D4数字外设接口的输出电位时序变化图。
图3为本发明实施例中电机的转速减小1档时微处理器的D1-D4数字外设接口的输出电位时序变化图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明提供的直流电机控制装置,包括直流电机,用于控制直流电机工作状态的驱动板,及与驱动板电连接的用于改变驱动板输出电压的模拟电位器,驱动板的两输出端与直流电机连接;另外,还包括集成有wifi通信芯片的微处理器、继电器、数字电位器和单刀双掷开关和振动传感器,其中通信模块与外部控制装置通信连接,通信模块与微处理器电连接,数字电位器的Vcc端与微处理器的5V电源接口相连,数字电位器的输入片选信号接口CS、输入滑阻信号接口INC和输入指示滑动方向信号接口U/D端分别与微处理器的D1、D2和D3引脚电连接;继电器的Vcc端按与微处理器的Vcc端电连接,继电器的GND端与微处理器的GND共享接地,继电器的IN端为继电器模组的信号触发端与微处理器的D4引脚电连接,继电器的COM端与数字电位器的VH端相连,继电器的NC端与驱动板上的第一接入端相连,驱动板上的第二接入端与单刀双掷开关的中间引脚相连;单刀双掷开关的两边引脚分别与数字电位器的VW端和模拟电位器的VW端相连,模拟电位器的VH端也与驱动板上的第一接入端相连;振动传感器的输出端与微处理器的D5引脚连接。
集成WiFi无线通信芯片的微处理器具有计算和通信功能,可以采用如ESP8266EX微处理器芯片,内置有内存储器,微处理器芯片时钟高达100MHz以上,支持嵌入式操作系统,如RIOT、RTOS、uCoS、Contiki等和WiFi协议栈,提供了标准数字外设接口、天线开关、射频balun、功率放大器、低噪放大器、过滤器和电源管理模块等。本实用新型采用了微处理器芯片提供的标准数字外设接口中的4个接口,D1~D4和5V电压输出,同时提供的WiFi协议栈,支持AP(接入点)模式和STA(终端)模式;
本实施例中,数字电位器亦称数控可编程电阻器,是一种具有传统机械电位器功能的新型CMOS数字、模拟混合信号处理的集成电路,本实用新型可以采用型号为XicorX9C102/103/104/503数字电位器,根据与原来直流电机驱动板相配套的模拟电位器的阻值范围和每档的阻值来选用相应的数字电位器。数字电位器的Vcc端与微处理器的5V电源接口相连,数字电位器的CS接口、INC接口和U/D接口分别与微处理器的D1、D2和D3相连,其中数字电位器的CS接口是输入片选信号的接口,INC是输入滑阻信号的接口,U/D是输入指示滑动方向(向上或向下)信号的接口;Xicor X9C103数字电位器,当CS端输入低电平,U/D端输入高电平,INC端每输入一个从高电平到低电平的下降沿信号,就会使数字电位器的阻值减小一档(100欧姆);当CS端输入低电平,U/D端输入低电平,INC端每输入一个从高电平到低电平的下降沿信号,就会使数字电位器的阻值增加一档(100欧姆);当INC端输入高电平,CS端输入一个从低电平到高电平的上升沿信号,就会将当前的阻值保存起来;继电器当作数字开关,器件里面的触点处于常开或常闭状态,Vcc端按继电器电压供电接电源正极,可直接取用微处理器的Vcc端的电压,GND端与微处理器的GND共享接地,IN端为继电器模组的信号触发端,可以是高电平触发有效或低电平触发有效,与微处理器的D4端相连,即用微处理器的D4端的1或0输出来控制继电器的触点状态,从而导通或关闭COM与NC之间的电路连接。继电器的COM端与数字电位器的VH端相连,继电器的NC端与直流电机驱动板上的其中一个电位器接入端相连。直流电机驱动板上的另一个电位器接入端与单刀双掷开关SPDT的中间引脚相连。单刀双掷开关SPDT它的两边引脚分别与数字电位器的VW端和模拟电位器的VW端相连。模拟电位器的VH端也与驱动板上的第一接入端相连。当SPDT闸刀上拨的时候,模拟电位器生效,这样就可以用手动的方式控制电机的转速;相反,当SPDT闸刀下拨的时候,数字电位器生效,可以用远程控制装置如手机等智能终端来控制直流电机的转速和运行时间。
上述直流电机控制装置的控制方法,其特征在于:包括如下步骤:
步骤1、通信模块将外部控制装置发来的直流电机控制信号转发给微处理器;
步骤2、微处理器收到直流电机控制信号后,改变微处理器D1至D4引脚的输出电平,进而改变数字电位器的阻值;当数字电位器的CS端为低电平,U/D端为高电平,INC端每输入一个从高电平到低电平的下降沿信号,就会使数字电位器的阻值减小一档;当数字电位器的CS端为低电平,U/D端为低电平,INC端每输入一个从高电平到低电平的下降沿信号,就会使数字电位器的阻值增加一档;当INC端输入高电平,CS端输入一个从低电平到高电平的上升沿信号,就会将当前的阻值保存起来;
当数字电位器的阻值发生变化后,可以进一步使驱动板的输出电压发生改变,从而控制直流电机。
振动传感器用于采集电机运转时的振动数据,可以采用DFRobot柔性压电振动传感器,它由一片柔性压电薄膜和一块转接板组成,压电薄膜内包括一层28μm厚的压电PVDF聚合物膜,铺有丝网印刷的Ag墨水电极;当压电薄膜受到外界的作用力时,会产生机械性位移,从而产生一股非常小的高压交流电(约±90V),它与微处理器的D5接口相连,微处理通过连续获得振动的波形信息,从而获得直流电机的振动频率和幅度等信息,从而对直流电机是否疲劳工作进行判断;当微处理器检测到振动传感器的数据后,发现振动传感器的输出值超过预设阈值,即直流电机疲劳工作,微处理器通过D4引脚输出一个从高电平到低电平的阶跃信号或从低电平到高电平的阶跃信号,从而导通或关闭继电器COM与NC之间的电路连接,使继电器中的触点断开,从而使直流电机停止。
本实施例中,外部控制装置可以与物联网云服务平台无线连接的用户手机。因此,微处理器首先需要与物联网云服务平台建立无线连接。微处理器将WiFi无线通信芯片设置为STA(终端)模式,并以Flash中保存的WiFi热点设置信息连接WiFi热点;WiFi无线通信芯片通过运行TCP或UDP协议栈,采用它们提供的IP层及其下层协议,通过这些协议栈接入互联网,通过TX数据接口将接收到的数据传递给微处理器,通过RX数据接口接收微处理器传递给它的待发送数据。在此基础上实现与物联网云服务平台的服务接口相一致的服务接口协议,如HTTP、HTTPS、EBHTTP、CoAP、MQTT、TCP Socket服务接口。微处理器通过HTTP或HTTPS或EBHTTP或CoAP或MQTT或TCP Socket服务接口与物联网云服务平台建立连接。微处理器以一定的时间间隔,如100次/秒,将从D5端口读到的振动数值数据以字节流的格式定义,如#设备号#振动数值#,通过已经建立的HTTP或HTTPS或EBHTTP或CoAP或MQTT或TCP Socket连接发送到物联网云服务平台,云服务平台接收到字节流数据后,对其进行数据解析,并以#设备号#为Key进行哈希映射后,将#设备号#振动数值#暂存在振动数值哈希表(SensorHashMap)中,同时也将解析后的数据存储到云服务平台的数据库中。微处理器以一定的时间间隔,如1/10秒,通过已经建立的HTTP或HTTPS或EBHTTP或CoAP或MQTT或TCPSocket连接从物联网云服务平台轮询是否有电机操控指令发送给它,指令也是以字节流的格式定义,如#设备号#转速档位#,或#设备号#转速档位#运行时长#;微处理器接收来自物联网云服务器的操控指令,一旦接收到操控指令,就进行解析执行,以改变D1-D4接口的输出,从而实现直流电机的转速和运行时间的控制,比如当前设备的设备号为CH-Z-N-NU5918:84.0d.8e.81.da.35,运转的档位为1档,接收到的操控指令为#CH-Z-N-NU5918:84.0d.8e.81.da.35#2#120s#,即要使电机的转速增加1档,微处理器的D1-D4数字外设接口的输出电位时序变化如附图2所示,具体如下:
1、将D1端(数字电位器的片选信号端CS)置为低电平输出;
2、将D3端(数字电位器的VW端的滑动方向控制端U/D)置为低电平输出,表示VH与VW之间的电阻将增大;
3、将D2端(数字电位器的增量信号INC)输出一个从高电平到低电平的阶跃信号,表示数字电位器的阻值增加1个档位(如Xicor X9C103数字电位器,每档100欧姆),从而使得附图2中所示的直流电机驱动板上原接入模拟电位器的端子上的阻值增加1个档位,其结果与原采用模拟电位器的效果一样,即使电机的转速增加1个档位;
这样,电机的当前转速为2档。
如果接下来,微处理器接收到的操控指令为#CH-Z-N-NU5918:84.0d.8e.81.da.35#1#120s#,即要使电机的转速降低1档,微处理器的D1-D4数字外设接口的电位输出逻辑时序如附图3示,具体如下:
a,将D1端(数字电位器的片选信号CS)被置于低电平输出;
b,将D3端(数字电位器的VW端的滑动方向控制信号U/D)被置于高电平输出,表示VH与VW之间的电阻将减少;
c,将D2端(数字电位器的增量信号INC)输出一个从高电平到低电平的阶跃信号,表示数字电位器的VH与VW两端之间的阻值降低1个档位(如Xicor X9C103数字电位器,每档100欧姆),从而使得附图3中所示的直流电机驱动板上原接入模拟电位器的端子上的阻值减少1个档位,其结果与原采用模拟电位器的效果一样,即使电机的转速降低1个档位;
设备使用人的手机也用当前环境中可用的WiFi热点或3G/4G移动网络接入互联网,并通过与物联网云服务平台的服务接口相一致的服务接口协议,如HTTP、HTTPS、EBHTTP、CoAP、MQTT、TCP Socket,建立连接。也可以通过手机上的操控和监测设备的软件(如APP)来发送电机的操控指令,指令也是以字节流的格式定义,如#设备号#转速档位#,或#设备号#转速档位#运行时长#。云服务平台接收到字节流数据后,对其进行数据解析,并以#设备号#为Key进行哈希映射后,将#设备号#转速档位#或#设备号#转速档位#运行时长#暂存在操控指令哈希表(UserOrderHashMap)中。手机上的操控和监测设备的软件以一定的时间间隔,如100次/秒,通过已经建立的HTTP或HTTPS或EBHTTP或CoAP或MQTT或TCP Socket连接,向物联网云服务平台轮询是否有振动数值数据发送给它,轮询的方法是以#设备号#为Key进行哈希映射后,在哈希表中找到#设备号#振动数值#,如找到,就将该数值读取到手机软件并进行解析后显示出来,否则进入下一轮轮询的等待。

Claims (6)

1.一种直流电机控制装置,包括直流电机,用于控制直流电机工作状态的驱动板,及与驱动板电连接的用于改变驱动板输出电压的模拟电位器,驱动板的两输出端与直流电机连接;其特征在于:还包括通信模块、微处理器、继电器、数字电位器和单刀双掷开关,其中通信模块与外部控制装置通信连接,通信模块与微处理器电连接,数字电位器的Vcc端与微处理器的5V电源接口相连,数字电位器的输入片选信号接口CS、输入滑阻信号接口INC和输入指示滑动方向信号接口U/D端分别与微处理器的D1、D2和D3引脚电连接;继电器的Vcc端与微处理器的Vcc端电连接,继电器的GND端与微处理器的GND共享接地,继电器的IN端为继电器模组的信号触发端与微处理器的D4引脚电连接,继电器的COM端与数字电位器的VH端相连,继电器的NC端与驱动板上的第一接入端相连,驱动板上的第二接入端与单刀双掷开关的中间引脚相连;单刀双掷开关的两边引脚分别与数字电位器的VW端和模拟电位器的VW端相连,模拟电位器的VH端也与驱动板上的第一接入端相连,数字电位器的VL端接地;通信模块将外部控制装置发来的直流电机控制信号转发给微处理器后,微处理器根据直流电机控制信号改变数字电位器的阻值,从而使驱动板的输出电压发生改变,进而控制直流电机。
2.根据权利要求1所述的直流电机控制装置,其特征在于:所述通信模块和微处理器共用集成有wifi通信芯片的微处理器。
3.根据权利要求1所述的直流电机控制装置,其特征在于:还包括贴合在直流电机外的振动传感器,振动传感器的输出端与微处理器的D5引脚连接。
4.根据权利要求1所述的直流电机控制装置,其特征在于:数字电位器的阻值范围和每档的阻值与模拟电位器相同。
5.一种如权利要求1所述的直流电机控制装置的控制方法,其特征在于:包括如下步骤:
步骤1、通信模块将外部控制装置发来的直流电机控制信号转发给微处理器;
步骤2、微处理器收到直流电机控制信号后,改变微处理器D1至D4引脚的输出电平,进而改变数字电位器的阻值;当数字电位器的CS端为低电平,U/D端为高电平,INC端每输入一个从高电平到低电平的下降沿信号,就会使数字电位器的阻值减小一档;当数字电位器的CS端为低电平,U/D端为低电平,INC端每输入一个从高电平到低电平的下降沿信号,就会使数字电位器的阻值增加一档;当INC端输入高电平,CS端输入一个从低电平到高电平的上升沿信号,就会将当前的阻值保存起来;
当数字电位器的阻值发生变化后,可以进一步使驱动板的输出电压发生改变,从而控制直流电机。
6.根据权利要求5所述的控制方法,其特征在于:包括贴合在直流电机外的振动传感器,振动传感器的输出端与微处理器的D5引脚连接;当微处理器检测到振动传感器的数据后,发现振动传感器的输出值超过预设阈值,微处理器通过D4引脚输出一个从高电平到低电平的阶跃信号或从低电平到高电平的阶跃信号,从而导通或关闭继电器COM与NC之间的电路连接,使继电器中的触点断开,从而使直流电机停止。
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