CN109921701B - 一种直流电动机控制电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及直流电动机控制技术领域，具体涉及一种直流电动机控制电路及其控制方法，包括可控电子开关K1、MCU、熔断器、整流桥、阻容、电容C5、电容C6、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q11、三极管Q12、三端稳压管U1、三端稳压管U2、继电器RL01和继电器RL02，可控电子开关K1、继电器RL01和继电器RL02均由MCU控制导通，避免继电器闭合大电流。

Description

一种直流电动机控制电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及直流电动机控制技术领域，具体涉及一种直流电动机控制电路及其控制方法。

背景技术

直流有刷电机因结构简单、开发时间久技术成熟、工作可靠，而在家电行业中被广泛使用。直流有刷电机采用机械换向，磁极不动，线圈旋转。市场普遍的驱动方式是使用驱动芯片外加MOS管以及PWM波的配合控制、单半导体控制、单继电器机械控制等，由于整流后的电是假交流，地是浮地，这几种方式对继电器的选型以及MOS管等都有很高的要求，并且单继电器控制失效风险很高，拉弧短路后直接桥接烧坏保险管，造成电源断电。在选型上也需要选择性能参数较高的元器件，势必增加原材料的成本，并且虽然元器件的性能参数会提高，但会增加管耗，依然无法避免此种方式带来的风险。电磁铁在使用时，直接接通或开断较高电压，会引起触点间放电，导致触点表面氧化，长时间使用会导致触点间接触不良。电动机通电瞬间产生的电流冲击也会对元件造成损坏。因而需要研制出新的廉价可靠的直流电动机控制电路。

中国专利CN101331315A，公开日2008年12月24日，一种起动电动机控制电路，能够容易地防止有大电流流过的起动电动机的电源线由于接地而产生短路电流。在电池上连接电键开关，在电键开关的起动上经由起动继电器连接起动电动机的起动电动机起动信号线。在电池和起动电动机之间的电池线中设有保护继电器。在电池线和控制器之间，设有对电池线的接地进行检测的接地检测线。控制器具有以下功能：通过接地检测线检测到电池线接地时，即使将电键开关切换到起动，也对起动继电器和保护继电器的连接动作进行限制。其技术方案能够避免电动机启动瞬间产生的大电流导致元件受损，但其采用的技术手段复杂，元件要求高，不适合小型家电使用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：目前缺乏有效的小型化的直流电动机控制电路的技术问题。提出了一种能够可靠控制直流电动机的直流电动机控制电路及其控制方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：一种直流电动机控制电路，包括可控电子开关K1、MCU、熔断器PT01、整流桥B11、阻容RC01、继电器RL01、继电器RL02、二极管D1、二极管D2、三极管Q12和三极管Q11，整流桥B11的第一输入端与入户零线连接，整流桥B11的第二输入端与熔断器PT01第二端连接，熔断器PT01第一端与可控电子开关K1第一端连接，可控电子开关K1第二端与入户火线连接，可控电子开关K1控制端与MCU的IO端连接，整流桥B11输出端正极与继电器RL01的常闭触点、继电器RL02的常闭触点以及阻容RC01第一端连接，整流桥B11输出端负极与继电器RL01的常开触点、继电器RL02的常开触点以及阻容RC01第二端连接，继电器RL01的线圈第一端与直流电源Vcc1以及二极管D2阴极连接，继电器RL02的线圈第一端与直流电源Vcc2以及二极管D1阴极连接，二极管D1阳极与三极管Q12集电极以及继电器RL02的线圈第二端连接，二极管D2阳极与三极管Q11集电极以及继电器RL01的线圈第二端连接，继电器RL01的动触点与电动机M正极连接，继电器RL02的动触点与电动机M负极连接，三极管Q11基极以及三极管Q12基极均与MCU的IO端连接，三极管Q11以及三极管Q12发射极均接地。

本方案的工作方法为：首先控制可控电子开关K1断开，而后通过MCU的IO端口使P3端口为高电平，使三极管Q12导通，继电器RL02线圈得电导通，继电器RL02动触点3由与静触点5接触变动为与静触点4接触，而后MCU的IO端口控制可控电子开关K1导通，电动机M正向旋转，当需要停止电动机M时，首先控制三极管Q12截止，继电器RL02动触点3恢复与常闭触点5的接触。由于电动机M存在无功功率，继电器RL02的动触点3处的电压不会发生瞬变，因而继电器RL02断开期间，触点之间的电压不足以击穿空气间隙，不会造成电火花引起氧化，而后控制可控电子开关K1断开。如果通过MCU的IO端口首先使P2端口为高电平，使三极管Q12导通，而后使可控电子开关K1导通，会使电动机M反转。在继电器RL01、RL02动作时，可控电子开关K1均处于断开状态，从而避免了继电器触点出现电火花，避免了触点表面的氧化，提高了继电器的寿命和可靠性。

作为优选，所述直流电源Vcc1包括二极管D4、电容C6、三极管Q3、三端稳压管U2，所述直流电源Vcc2包括二极管D3、电容C5、三极管Q2、三端稳压管U1，所述二极管D3阳极、二极管D4阳极、三极管Q2发射极以及三极管Q3发射极均与整流桥B11输出端正极连接，二极管D3阴极与三极管Q2集电极、电容C5第一端以及三端稳压管U1输入端连接，三端稳压管U1输出端与二极管D1阴极以及继电器RL02线圈第一端连接，二极管D4阴极与三极管Q3集电极、电容C6第一端以及三端稳压管U2输入端连接，三端稳压管U2输出端与二极管D2阴极以及继电器RL01线圈第一端连接，电容C5第二端以及电容C6第二端均与整流桥B11输出端负极连接，三极管Q2基极以及三极管Q3基极均与MCU的IO端口连接。

本优选电路方案的工作原理为：MCU控制可控电子开关K1断开，当需要正转启动时，MCU控制三极管Q12导通，继电器RL02动作，动触点3动作并与静触点4接触，MCU控制三极管Q3导通，此时电容C6通过三极管Q3、继电器RL01常闭触点对、电动机M和继电器RL02常开触点对，形成电流回路，使电动机M的线圈内出现电流，进而产生磁场和阻抗，由于电容C6的容量有限，不足以使电动机M产生明显的转动，而后MCU控制可控电子开关K1接通，由市电驱动电动机M旋转，由于电动机M的线圈已经产生了阻抗，因而不会在市电接通瞬间，产生大的电流冲击，保护电路中各个元件，提高电动机控制电路的安全性。市电接通后，MCU控制三极管Q3截止，此时市电通过二极管D2给电容C6充电，使其蓄满电量，市电同时给电容C5充电，并经三端稳压管U1稳压后为继电器RL02的线圈供电，市电接通前，继电器RL02的线圈由电容C5供电。当需要停止电动机M时，MCU控制三极管Q12截止即可，三极管Q12截止后，继电器RL02动作，由于电动机M线圈两端的电压不会突变，因而继电器RL02触点之间的电压不足以产生电火花危害，而后MCU控制可控电子开关K1断开即可完成电动机M的停止。当反转启动电动机M时，MCU控制三极管Q11以及三极管Q2导通，而后控制可控电子开关K1导通，而后控制三极管Q2截止，既可以完成电动机M的反转启动，当需要停止电动机M时，控制三极管Q11截止，而后控制可控电子开关K1截止即可。

作为优选，所述可控电子开关K1包括双向可控硅TR01、电阻R1、电阻R4、电阻R5、电阻R51、电阻R108、电阻R109、电容C4、电容C3和三极管Q1，双向可控硅TR01第一端与入户火线、电阻R4第一端以及电阻R51第一端连接，电阻R51第二端与电容C3第一端连接，电容C3第二端与双向可控硅TR01第二端以及熔断器PT01第一端连接，电阻R4第二端与电阻R5第一端连接，双向可控硅TR01控制端与电阻R5第二端以及电阻R1第一端连接，电阻R1第二端与三极管Q1集电极连接，三极管Q1发射极、电阻R108第二端以及电容C4第二端均接地，三极管Q1基极与电阻R108第一端、电容C4第一端以及电阻R109第一端连接，电阻R109第二端与MCU的IO端连接。通过MCU的IO在P1端口输入高电平时，三极管Q1将导通，入户火线在正弦波的电压会引起电流，经过电阻R4、电阻R5、电阻R1以及三极管Q1的集电极和发射极，在电阻R1以及电阻R5连接处产生脉冲电压，触发双向可控硅TR01导通，双向可控硅TR01导通后，既可以使P1端口处于低电平。当需要停止电动机M时，MCU的IO端口使P4端口为低电平，三极管Q12截止，继电器RL02的线圈失电，继电器RL02的动触点3动作，重新与静触点5接触，期间由于电动机存在无功功率，触点间的电压不足以造成电火花放电，避免触点表面的氧化损耗。

作为优选，二极管D1以及二极管D2均为稳压二极管。稳压二级管可以保护继电器RL01以及继电器RL02的线圈，不被电动机M启停瞬间产生的高电压的损坏。

作为优选，继电器RL01以及继电器RL02的触点均覆盖有石墨层。石墨层被氧化后不会覆盖在触点上，且具有润滑作用，可以延缓触点之间的摩擦损耗。

一种直流电动机控制电路的控制方法，适用于如前述的一种直流电动机控制电路，正转启停控制包括以下步骤：A1）MCU所有IO端口输出低电平，MCU与三极管Q12基极以及三极管Q3连接的IO端口输出高电平，等待继电器RL02动作完成；A2）MCU与可控电子开关K1控制端连接的IO端口输出导通信号，使可控电子开关K1导通；A3）MCU与三极管Q3连接的IO端口输出低电平，正转启动完成；A4）MCU与三极管Q12连接的IO端口输出低电平，MCU与可控电子开关K1控制端连接的IO端口输出截止信号，正转停止完成；反转启停控制包括以下步骤：B1）MCU所有IO端口输出低电平，MCU与三极管Q11基极以及三极管Q2连接的IO端口输出高电平，等待继电器RL01动作完成；B2）MCU与可控电子开关K1控制端连接的IO端口输出导通信号，使可控电子开关K1导通；B3）MCU与三极管Q2连接的IO端口输出低电平，反转启动完成；B4）MCU与三极管Q11连接的IO端口输出低电平，MCU与可控电子开关K1控制端连接的IO端口输出截止信号，反转停止完成。

本发明的实质性效果是：通过可控电子开关与继电器配合，避免继电器触点之间产生电火花，提高控制电路的可靠性，接通电源前使用电容给电动机线圈供电，使其产生阻抗，避免电源接通瞬间电动机产生大电流。

附图说明

图1为实施例一直流电动机控制电路原理图。

图2为实施例二直流电动机控制电路原理图。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步具体说明。

实施例一：

一种直流电动机控制电路，如图1所示，本实施例包括可控电子开关K1、MCU、熔断器PT01、整流桥B11、阻容RC01、继电器RL01、继电器RL02、二极管D1、二极管D2、三极管Q12和三极管Q11，整流桥B11的第一输入端与入户零线连接，整流桥B11的第二输入端与熔断器PT01第二端连接，熔断器PT01第一端与可控电子开关K1第一端连接，可控电子开关K1第二端与入户火线连接，可控电子开关K1控制端与MCU的IO端连接，整流桥B11输出端正极与继电器RL01的常闭触点、继电器RL02的常闭触点以及阻容RC01第一端连接，整流桥B11输出端负极与继电器RL01的常开触点、继电器RL02的常开触点以及阻容RC01第二端连接，继电器RL01的线圈第一端与直流电源Vcc1以及二极管D2阴极连接，继电器RL02的线圈第一端与直流电源Vcc2以及二极管D1阴极连接，二极管D1阳极与三极管Q12集电极以及继电器RL02的线圈第二端连接，二极管D2阳极与三极管Q11集电极以及继电器RL01的线圈第二端连接，继电器RL01的动触点与电动机M正极连接，继电器RL02的动触点与电动机M负极连接，三极管Q11基极以及三极管Q12基极均与MCU的IO端连接，三极管Q11以及三极管Q12发射极均接地。

二极管D1以及二极管D2均为稳压二极管。稳压二级管可以保护继电器RL01以及继电器RL02的线圈，不被电动机M启停瞬间产生的高电压的损坏。

继电器RL01以及继电器RL02的触点均覆盖有石墨层。石墨层被氧化后不会覆盖在触点上，且具有润滑作用，可以延缓触点之间的摩擦损耗。

可控电子开关K1包括双向可控硅TR01、电阻R1、电阻R4、电阻R5、电阻R51、电阻R108、电阻R109、电容C4、电容C3和三极管Q1，双向可控硅TR01第一端与入户火线、电阻R4第一端以及电阻R51第一端连接，电阻R51第二端与电容C3第一端连接，电容C3第二端与双向可控硅TR01第二端以及熔断器PT01第一端连接，电阻R4第二端与电阻R5第一端连接，双向可控硅TR01控制端与电阻R5第二端以及电阻R1第一端连接，电阻R1第二端与三极管Q1集电极连接，三极管Q1发射极、电阻R108第二端以及电容C4第二端均接地，三极管Q1基极与电阻R108第一端、电容C4第一端以及电阻R109第一端连接，电阻R109第二端与MCU的IO端连接。通过MCU的IO在P1端口输入高电平时，三极管Q1将导通，入户火线在正弦波的电压会引起电流，经过电阻R4、电阻R5、电阻R1以及三极管Q1的集电极和发射极，在电阻R1以及电阻R5连接处产生脉冲电压，触发双向可控硅TR01导通，双向可控硅TR01导通后，既可以使P1端口处于低电平。当需要停止电动机M时，MCU的IO端口使P4端口为低电平，三极管Q12截止，继电器RL02的线圈失电，继电器RL02的动触点3动作，重新与静触点5接触，期间由于电动机存在无功功率，触点间的电压不足以造成电火花放电，避免触点表面的氧化损耗。

一种直流电动机控制电路的控制方法，适用于如前述的一种直流电动机控制电路，正转启停控制包括以下步骤：A1）MCU所有IO端口输出低电平，MCU与三极管Q12基极以及三极管Q3连接的IO端口输出高电平，等待继电器RL02动作完成；A2）MCU与可控电子开关K1控制端连接的IO端口输出导通信号，使可控电子开关K1导通；A3）MCU与三极管Q3连接的IO端口输出低电平，正转启动完成；A4）MCU与三极管Q12连接的IO端口输出低电平，MCU与可控电子开关K1控制端连接的IO端口输出截止信号，正转停止完成；反转启停控制包括以下步骤：B1）MCU所有IO端口输出低电平，MCU与三极管Q11基极以及三极管Q2连接的IO端口输出高电平，等待继电器RL01动作完成；B2）MCU与可控电子开关K1控制端连接的IO端口输出导通信号，使可控电子开关K1导通；B3）MCU与三极管Q2连接的IO端口输出低电平，反转启动完成；B4）MCU与三极管Q11连接的IO端口输出低电平，MCU与可控电子开关K1控制端连接的IO端口输出截止信号，反转停止完成。

实施例二：

本实施例对实施例的直流电源Vcc1和直流电源Vcc2做了具体的改进。如图2所示，在本实施例中，直流电源Vcc1包括二极管D4、电容C6、三极管Q3、三端稳压管U2，直流电源Vcc2包括二极管D3、电容C5、三极管Q2、三端稳压管U1，二极管D3阳极、二极管D4阳极、三极管Q2发射极以及三极管Q3发射极均与整流桥B11输出端正极连接，二极管D3阴极与三极管Q2集电极、电容C5第一端以及三端稳压管U1输入端连接，三端稳压管U1输出端与二极管D1阴极以及继电器RL02线圈第一端连接，二极管D4阴极与三极管Q3集电极、电容C6第一端以及三端稳压管U2输入端连接，三端稳压管U2输出端与二极管D2阴极以及继电器RL01线圈第一端连接，电容C5第二端以及电容C6第二端均与整流桥B11输出端负极连接，三极管Q2基极以及三极管Q3基极均与MCU的IO端口连接。

本实施例的工作原理为：MCU控制可控电子开关K1断开，当需要正转启动时，MCU控制三极管Q12导通，继电器RL02动作，动触点3动作并与静触点4接触，MCU控制三极管Q3导通，此时电容C6通过三极管Q3、继电器RL01常闭触点对、电动机M和继电器RL02常开触点对，形成电流回路，使电动机M的线圈内出现电流，进而产生磁场和阻抗，由于电容C6的容量有限，不足以使电动机M产生明显的转动，而后MCU控制可控电子开关K1接通，由市电驱动电动机M旋转，由于电动机M的线圈已经产生了阻抗，因而不会在市电接通瞬间，产生大的电流冲击，保护电路中各个元件，提高电动机控制电路的安全性。市电接通后，MCU控制三极管Q3截止，此时市电通过二极管D2给电容C6充电，使其蓄满电量，市电同时给电容C5充电，并经三端稳压管U1稳压后为继电器RL02的线圈供电，市电接通前，继电器RL02的线圈由电容C5供电。当需要停止电动机M时，MCU控制三极管Q12截止即可，三极管Q12截止后，继电器RL02动作，由于电动机M线圈两端的电压不会突变，因而继电器RL02触点之间的电压不足以产生电火花危害，而后MCU控制可控电子开关K1断开即可完成电动机M的停止。当反转启动电动机M时，MCU控制三极管Q11以及三极管Q2导通，而后控制可控电子开关K1导通，而后控制三极管Q2截止，既可以完成电动机M的反转启动，当需要停止电动机M时，控制三极管Q11截止，而后控制可控电子开关K1截止即可。其余结构同实施例一。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (6)

1.一种直流电动机控制电路，其特征在于，

包括可控电子开关K1、MCU、熔断器PT01、整流桥B11、阻容RC01、继电器RL01、继电器RL02、二极管D1、二极管D2、三极管Q12和三极管Q11，整流桥B11的第一输入端与入户零线连接，整流桥B11的第二输入端与熔断器PT01第二端连接，熔断器PT01第一端与可控电子开关K1第一端连接，可控电子开关K1第二端与入户火线连接，可控电子开关K1控制端与MCU的IO端连接，整流桥B11输出端正极与继电器RL01的常闭触点、继电器RL02的常闭触点以及阻容RC01第一端连接，整流桥B11输出端负极与继电器RL01的常开触点、继电器RL02的常开触点以及阻容RC01第二端连接，继电器RL01的线圈第一端与直流电源Vcc1以及二极管D2阴极连接，继电器RL02的线圈第一端与直流电源Vcc2以及二极管D1阴极连接，二极管D1阳极与三极管Q12集电极以及继电器RL02的线圈第二端连接，二极管D2阳极与三极管Q11集电极以及继电器RL01的线圈第二端连接，继电器RL01的动触点与电动机M正极连接，继电器RL02的动触点与电动机M负极连接，三极管Q11基极以及三极管Q12基极均与MCU的IO端连接，三极管Q11以及三极管Q12发射极均接地；

所述直流电源Vcc1包括二极管D4、电容C6、三极管Q3、三端稳压管U2，所述直流电源Vcc2包括二极管D3、电容C5、三极管Q2、三端稳压管U1，所述二极管D3阳极、二极管D4阳极、三极管Q2发射极以及三极管Q3发射极均与整流桥B11输出端正极连接，二极管D3阴极与三极管Q2集电极、电容C5第一端以及三端稳压管U1输入端连接，三端稳压管U1输出端与二极管D1阴极以及继电器RL02线圈第一端连接，二极管D4阴极与三极管Q3集电极、电容C6第一端以及三端稳压管U2输入端连接，三端稳压管U2输出端与二极管D2阴极以及继电器RL01线圈第一端连接，电容C5第二端以及电容C6第二端均与整流桥B11输出端负极连接，三极管Q2基极以及三极管Q3基极均与MCU的IO端口连接。

2.根据权利要求1所述的一种直流电动机控制电路，其特征在于，

所述可控电子开关K1包括双向可控硅TR01、电阻R1、电阻R4、电阻R5、电阻R51、电阻R108、电阻R109、电容C4、电容C3和三极管Q1，双向可控硅TR01第一端与入户火线、电阻R4第一端以及电阻R51第一端连接，电阻R51第二端与电容C3第一端连接，电容C3第二端与双向可控硅TR01第二端以及熔断器PT01第一端连接，电阻R4第二端与电阻R5第一端连接，双向可控硅TR01控制端与电阻R5第二端以及电阻R1第一端连接，电阻R1第二端与三极管Q1集电极连接，三极管Q1发射极、电阻R108第二端以及电容C4第二端均接地，三极管Q1基极与电阻R108第一端、电容C4第一端以及电阻R109第一端连接，电阻R109第二端与MCU的IO端连接。

3.根据权利要求1所述的一种直流电动机控制电路，其特征在于，

二极管D1以及二极管D2均为稳压二极管。

4.根据权利要求1所述的一种直流电动机控制电路，其特征在于，

继电器RL01以及继电器RL02的触点均覆盖有石墨层。

5.根据权利要求2所述的一种直流电动机控制电路，其特征在于，

继电器RL01以及继电器RL02的触点均覆盖有石墨层。

6.一种直流电动机控制电路的控制方法，适用于如权利要求1-5任一项所述的一种直流电动机控制电路，其特征在于，

正转启停控制包括以下步骤：

A1）MCU所有IO端口输出低电平，MCU与三极管Q12基极以及三极管Q3连接的IO端口输出高电平，等待继电器RL02动作完成；

A2）MCU与可控电子开关K1控制端连接的IO端口输出导通信号，使可控电子开关K1导通；

A3）MCU与三极管Q3连接的IO端口输出低电平，正转启动完成；

A4）MCU与三极管Q12连接的IO端口输出低电平，MCU与可控电子开关K1控制端连接的IO端口输出截止信号，正转停止完成；

反转启停控制包括以下步骤：

B1）MCU所有IO端口输出低电平，MCU与三极管Q11基极以及三极管Q2连接的IO端口输出高电平，等待继电器RL01动作完成；

B2）MCU与可控电子开关K1控制端连接的IO端口输出导通信号，使可控电子开关K1导通；

B3）MCU与三极管Q2连接的IO端口输出低电平，反转启动完成；

B4）MCU与三极管Q11连接的IO端口输出低电平，MCU与可控电子开关K1控制端连接的IO端口输出截止信号，反转停止完成。

Images