CN110289794A - 一种直流电机电压控制电路及方法 - Google Patents

一种直流电机电压控制电路及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种直流电机电压控制电路及方法，属于电动牙刷技术领域，通过微控制单元；场效应管，所述场效应管的栅极与所述微控制单元的PWM引脚连接，其中，所述微控制单元输出PWM信号给所述场效应管的栅极；直流电机，所述直流电机的正极端与所述场效应管的漏极连接，且所述直流电机的负极端接地；第一电容，所述第一电容并联设置在所述直流电机的两端；二极管，所述二极管并联设置在所述第一电容的两端；其中，所述直流电机的正极端通过一引线连接至所述微控制单元的ADC引脚上，通过ADC检测所述直流电机两端的电压，从而达到了智能化程度高，可自动维持电机电压稳定，实现直流电机恒压驱动的技术效果。

Description

一种直流电机电压控制电路及方法
技术领域
本发明涉及电动牙刷技术领域，特别涉及一种直流电机电压控制电路及方法。
背景技术
使用直流电机的电动牙刷，其刷头的振动强度(或振动幅度、振动力度)是由直流电机两端的平均电压决定的。电机两端的平均电压越高，电机转速就越快，刷头的振动强度就越大。目前，驱动直流电机的方式，都是用一个脉冲宽度调制(PWM)信号来控制一个晶体管/场效应管的导通/截止，电池通过该晶体管/场效应管来对电机供电。通过调整PWM信号的占空比，可以控制一个周期内电池对电机的供电时间，从而调整电机两端的平均电压。PWM信号的占空比越高，电机两端的平均电压就越高，电机转速就越快。
但本发明申请人在实现本申请实施例中发现现有技术至少存在如下技术问题：
第一，电池在使用过程中，随着电量减少，其输出电压会逐步降低。虽然PWM信号的占空比没有改变，但随着电池电压的降低，电机两端的平均电压会同步降低，刷头的振动强度会越来越弱；第二，电动牙刷在使用时，必然要将刷头抵在牙齿上，此时由于电机的负载增大，在电池电压和PWM信号占空比不变的情况下，电机两端的平均电压会降低，导致刷头的振动强度不足。
发明内容
本发明提供了一种直流电机电压控制电路及方法，用以解决现有技术中的电机两端的平均电压会降低，导致刷头的振动强度不足，影响牙齿清洁效果的技术问题，达到了智能化程度高，可自动维持电机电压稳定，实现直流电机恒压驱动的技术效果。
第一方面，本发明提供了一种直流电机电压控制电路，所述控制电路包括：微控制单元；场效应管，所述场效应管的栅极与所述微控制单元的PWM引脚连接，其中，所述微控制单元输出PWM信号给所述场效应管的栅极；直流电机，所述直流电机的正极端与所述场效应管的漏极连接，且所述直流电机的负极端接地；第一电容，所述第一电容并联设置在所述直流电机的两端；二极管，所述二极管并联设置在所述第一电容的两端；其中，所述直流电机的正极端通过一引线连接至所述微控制单元的ADC引脚上，通过ADC检测所述直流电机两端的电压。
优选的，所述控制电路还包括：分压滤波网络，所述分压滤波网络包括第一电阻，其中，所述第一电阻串联在所述直流电机的正极端与所述微控制单元的ADC引脚之间。
优选的，所述分压滤波网络还包括：第二电阻和第二电容，所述第二电阻和所述第二电容并联之后与所述第一电阻串联。
优选的，所述场效应管为P沟道场效应管。
优选的，当所述PWM信号为高信号时，所述场效应管的漏极和源极截止；当所述PWM信号为低信号时，所述场效应管的漏极和源极导通。
优选的，当所述场效应管的漏极和源极截止时，所述直流电机两端的电压下降；当所述场效应管的漏极和源极导通时，所述直流电机两端的电压上升。
优选的，所述场效应管的源极与电池正极电压连接。
优选的，所述二极管为肖特基二极管。
第二方面，本发明还提供了一种直流电机电压控制方法，用于控制前述的直流电机电压控制电路，所述控制方法包括：微控制单元输出PWM信号给场效应管的栅极；当所述PWM信号为高信号时，所述场效应管的漏极和源极截止；当所述PWM信号为低信号时，所述场效应管的漏极和源极导通；将直流电机的正极电压连接至微控制单元的ADC引脚上，通过ADC检测所述直流电机两端的电压；根据直流电机的预设电压值，判断所述直流电机两端的电压是否满足预设条件；当不满足时，根据预设策略调整PWM信号低电平的占比，直至所述直流电机两端的电压和所述预设电压值一致。
优选的，所述预设策略具体为：当检测到的所述直流电机两端的电压高于所述预设电压值时，降低PWM信号低电平的占比；当检测到的所述直流电机两端的电压低于所述预设电压值时，增大PWM信号低电平的占比。
本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：
本发明实施例提供的一种直流电机电压控制电路及方法，所述控制电路包括：微控制单元、场效应管、直流电机、第一电容和二极管，其中，场效应管的栅极与微控制单元的PWM引脚连接，其中，微控制单元输出PWM信号给所述场效应管的栅极；直流电机的正极端与场效应管的漏极连接，且直流电机的负极端接地，然后将第一电容并联设置在直流电机的两端，将二极管并联设置在第一电容的两端；其中，将直流电机正极的电压接回到微控制单元的模数转换器(ADC)引脚上，通过ADC来实时检测直流电机正极对地的电压。具体的检测逻辑为：当检测到的电压高于所需的电压值时，减小PWM信号低电平的占比；当检测到的电压低于所需的电压值时，增大PWM信号低电平的占比；直至检测到的电压和所需的电压一致，以此实现对直流电机的恒压驱动，从而解决了现有技术中的电机两端的平均电压会降低，导致刷头的振动强度不足，影响牙齿清洁效果的技术问题，达到了智能化程度高，可自动维持电机电压稳定，实现直流电机恒压驱动的技术效果。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
图1为本发明实施例中一种直流电机电压控制电路的原理图；
图2为本发明实施例中一种直流电机电压控制方法的流程示意图。
附图标记说明：场效应管1，二极管2，第一电容3，直流电机4，微控制单元5，第一电阻6，第二电阻7，第二电容8。
具体实施方式
本申请实施例通过提供了一种直流电机电压控制电路及方法，解决了现有技术中的电机两端的平均电压会降低，导致刷头的振动强度不足，影响牙齿清洁效果的技术问题。
本发明实施例中的技术方案，总体思路如下：
本发明实施例提供的一种直流电机电压控制电路及方法，通过微控制单元；场效应管，所述场效应管的栅极与所述微控制单元的PWM引脚连接，其中，所述微控制单元输出PWM信号给所述场效应管的栅极；直流电机，所述直流电机的正极端与所述场效应管的漏极连接，且所述直流电机的负极端接地；第一电容，所述第一电容并联设置在所述直流电机的两端；二极管，所述二极管并联设置在所述第一电容的两端；其中，所述直流电机的正极端通过一引线连接至所述微控制单元的ADC引脚上，通过ADC检测所述直流电机两端的电压，从而达到了智能化程度高，可自动维持电机电压稳定，实现直流电机恒压驱动的技术效果。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
实施例一
图1为本发明实施例中一种直流电机电压控制电路的原理图，如图1所示，所述控制电路包括：微控制单元5。
具体而言，微控制单元5的英文名为Microcontroller Unit，简称MCU，又称单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)或者单片机，是把中央处理器的频率与规格做适当缩减，并将内存、计数器、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口，甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。本实施例中的微控制单元5具有一PWM引脚和一ADC引脚，其中，PWM为Pulse Width Modulation(脉冲宽度调制)的缩写，它是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，等效出所需要的波形(包含形状以及幅值)，对模拟信号电平进行数字编码，也就是说通过调节占空比的变化来调节信号、能量等的变化，占空比就是指在一个周期内，信号处于高电平的时间占据整个信号周期的百分比，即，通过本实施例中的微控制单元5能够输出PWM信号。
进一步的，ADC为Analog-to-Digital Converter(模/数转换器或者模数转换器)的缩写，是指将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号的器件。真实世界的模拟信号，例如温度、压力、声音或者图像等，需要转换成更容易储存、处理和发射的数字形式。ADC最早用于对无线信号向数字信号转换，如电视信号，长短播电台发接收等。在本实施例中，通过ADC能够对直流电机的电压进行实时检测。
所述控制电路还包括：场效应管1，所述场效应管1的栅极与所述微控制单元5的PWM引脚连接，其中，所述微控制单元5输出PWM信号给所述场效应管1的栅极。
进一步的，所述场效应管1为P沟道场效应管。
进一步的，所述场效应管1的源极与电池正极电压连接。
进一步的，当所述PWM信号为高信号时，所述场效应管1的漏极和源极截止；当所述PWM信号为低信号时，所述场效应管1的漏极和源极导通。
具体而言，场效应管是较为新型的半导体材料，利用电场效应来控制晶体管的电流，它的外型也是一个三极管，因此又称场效应三极管。场效应管是只有一种载流子参与导电的半导体器件，是一种用输入电压控制输出电流的半导体器件。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件。本实施例中所选择的场效应管1为P沟道场效应管，P沟道场效应管包括栅极、源极和漏极，其中，栅极为G(gate)；源极为S(source)；漏极为D(drain)。P沟道场效应管的电源一般接在S，输出D。因此，场效应管1的源极与电池正极电压VCC连接，其中，VCC是Volt Current Condenser的简写，意思是电路的供电电压；场效应管1的栅极与微控制单元5的PWM引脚连接，通过微控制单元5输出一个脉冲宽度调制(PWM)信号到场效应管1的栅极，当该PWM信号为高时，场效应管1的漏极和源极截止；当该PWM信号为低时，场效应管1的漏极和源极导通，电池电压VCC通过场效应管1对直流电机4供电。
所述控制电路还包括：直流电机4，所述直流电机4的正极端与所述场效应管1的漏极连接，且所述直流电机4的负极端接地。其中，所述直流电机4的正极端通过一引线连接至所述微控制单元的ADC引脚上，通过ADC检测所述直流电机两端的电压。
具体而言，直流电机4为电动牙刷的主要动力元件，通过直流电机4为电动牙刷提供动力，进而满足用户的牙齿清洁需求。直流电机4是指能将直流电能转换成机械能(直流电动机)或将机械能转换成直流电能(直流发电机)的旋转电机。它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。进一步的，直流电机4的正极端与场效应管1的漏极连接，且直流电机4的负极端接至GND，其中，GND为控制电路的地。将直流电机4正极的电压接回到MCU5的模数转换器(ADC)引脚上，通过ADC来实时检测直流电机4正极对地的电压。具体的检测逻辑为：当检测到的电压高于所需的电压值时，减小PWM信号低电平的占比；当检测到的电压低于所需的电压值时，增大PWM信号低电平的占比；直至检测到的电压和所需的电压一致，以此实现对直流电机4的恒压驱动。
进一步的，调整PWM信号低电平的占比，可以调节直流电机4两端的平均电压。PWM信号低电平占比越高，单位时间内电池对直流电机4的供电时间越长，直流电机4两端的平均电压就越高。
第一电容3，所述第一电容3并联设置在所述直流电机4的两端。
进一步的，当所述场效应管1的漏极和源极截止时，所述直流电机4两端的电压下降；当所述场效应管1的漏极和源极导通时，所述直流电机4两端的电压上升。
具体而言，当P沟道场效应管1的漏极和源极导通时，直流电机4两端的电压上升；当P沟道场效应管1的漏极和源极截止时，直流电机4两端的电压下降。此时，并联在直流电机4两端的第一电容3的作用是让这个电压上升和下降的过程变的更加平缓，从而使得直流电机4两端的电压更接近稳定的直流电压。
二极管2，所述二极管2并联设置在所述第一电容3的两端。
进一步的，所述二极管2为肖特基二极管。
具体而言，二极管是在电子元件当中，一种具有两个电极的装置，只允许电流由单一方向流过，许多的使用是应用其整流的功能。大部分二极管所具备的电流方向性通常称之为“整流(Rectifying)”功能。二极管最普遍的功能就是只允许电流由单一方向通过(称为顺向偏压)，反向时阻断(称为逆向偏压)。而肖特基二极管是以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管。在本实施例中，肖特基二极管2并联设置在第一电容3的两端，该二极管2为直流电机4的续流二极管，由于直流电机4的电感特性，当P沟道场效应管1的漏极和源极由导通变为截止时，若无肖特基二极管2，则直流电机4的电流突变产生的电压可能损坏其它电子元器件，因此，通过二极管2能够对电路中的其他电子元件起到保护作用。
进一步的，所述控制电路还包括：分压滤波网络，所述分压滤波网络包括第一电阻6，其中，所述第一电阻6串联在所述直流电机4的正极端与所述微控制单元5的ADC引脚之间。
进一步的，所述分压滤波网络还包括：第二电阻7和第二电容8，所述第二电阻7和所述第二电容8并联之后与所述第一电阻7串联。
具体而言，分压滤波网络包括第一电阻6、第二电阻7和第二电容8，由于直流电机4两端的电压并不是一个稳定的直流电压，而是一个类似三角波的电压(P沟道场效应管1的漏极和源极导通时，直流电机4两端的电压上升；P沟道场效应管1的漏极和源极截止时，直流电机4两端的电压下降)，而如果直接用MCU5的ADC来检测直流电机4的正极对地的电压可能会出现误差，因此，在电路中引入滤波网络第一电阻6和第二电容8，其中，第一电阻6串联在直流电机4的正极端与ADC引脚之间，第二电阻7和第二电容8并联之后再与第一电阻6串联，其中，第二电容8的另一端接地，这样，直流电机4正极对地的电压经过第一电阻6和第二电容8滤波后，会更接近稳定的直流信号。进一步的，MCU5的ADC在采样时，也可采取多次采样取平均值的方法，使采样值更接近直流电机4两端的平均电压值。
进一步的，当MCU5的ADC量程不足以测量直流电机4正极对地的电压，则可以在反馈网络中引入分压电阻，即为第二电阻7。这样使得第二电阻7和第一电阻6构成分压网络，可以将直流电机4正极对地的电压分压后再输入到MCU5的ADC引脚，从而避免了超量程情况的出现。
因此，通过本实施例中的控制电路，可以检测直流电机两端电压的变化，自动调整PWM信号占空比，以实现直流电机恒压驱动，。
实施例二
图2为本发明实施例中一种直流电机电压控制方法的流程示意图，如图2所示，所述方法用于控制前述的直流电机电压控制电路，所述控制方法包括：
步骤110：微控制单元5输出PWM信号给场效应管1的栅极。
步骤120：当所述PWM信号为高信号时，所述场效应管1的漏极和源极截止；当所述PWM信号为低信号时，所述场效应管1的漏极和源极导通。
具体而言，微控制单元5输出一个脉冲宽度调制(PWM)信号到场效应管1的栅极，当该PWM信号为高时，场效应管1的漏极和源极截止；当该PWM信号为低时，场效应管1的漏极和源极导通，此时电池电压VCC通过场效应管1对直流电机4供电。
步骤130：将直流电机4的正极电压连接至微控制单元5的ADC引脚上，通过ADC检测所述直流电机4两端的电压。
具体而言，将直流电机4正极的电压接回到MCU5的模数转换器(ADC)引脚上，通过ADC来实时检测直流电机4正极对地的电压。具体的检测逻辑为：当检测到的电压高于所需的电压值时，减小PWM信号低电平的占比；当检测到的电压低于所需的电压值时，增大PWM信号低电平的占比；直至检测到的电压和所需的电压一致，以此实现对直流电机4的恒压驱动。调整PWM信号低电平的占比，可以调节直流电机4两端的平均电压。PWM信号低电平占比越高，单位时间内电池对直流电机4的供电时间越长，直流电机4两端的平均电压就越高。
步骤140：根据直流电机4的预设电压值，判断所述直流电机4两端的电压是否满足预设条件。
步骤150：当不满足时，根据预设策略调整PWM信号低电平的占比，直至所述直流电机4两端的电压和所述预设电压值一致。
进一步的，所述预设策略具体为：当检测到的所述直流电机4两端的电压高于所述预设电压值时，降低PWM信号低电平的占比；当检测到的所述直流电机4两端的电压低于所述预设电压值时，增大PWM信号低电平的占比。
具体而言，对比直流电机4的电压预设值和直流电机4两端的电压，判断两者大小是否一致，当不一致的时候，即可按照预设要求进行调节，其中，具体的调节方法为：当检测到的直流电机4两端的电压高于所需的电压值时，减小PWM信号低电平的占比；当检测到的直流电机4两端的电压低于所需的电压值时，增大PWM信号低电平的占比；直至检测到的电压和所需的电压一致，以此实现对直流电机4的恒压驱动。
因此，本实施例中的控制方法通过检测直流电机两端电压的变化，自动调整PWM信号占空比，以实现直流电机恒压驱动，该控制方法是一种智能的，基于逻辑算法的，通过固件自动控制直流电机电压的方法。
本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：
本发明实施例提供的一种直流电机电压控制电路及方法，所述控制电路包括：微控制单元、场效应管、直流电机、第一电容和二极管，其中，场效应管的栅极与微控制单元的PWM引脚连接，其中，微控制单元输出PWM信号给所述场效应管的栅极；直流电机的正极端与场效应管的漏极连接，且直流电机的负极端接地，然后将第一电容并联设置在直流电机的两端，将二极管并联设置在第一电容的两端；其中，将直流电机正极的电压接回到微控制单元的模数转换器(ADC)引脚上，通过ADC来实时检测直流电机正极对地的电压。具体的检测逻辑为：当检测到的电压高于所需的电压值时，减小PWM信号低电平的占比；当检测到的电压低于所需的电压值时，增大PWM信号低电平的占比；直至检测到的电压和所需的电压一致，以此实现对直流电机的恒压驱动，从而解决了现有技术中的电机两端的平均电压会降低，导致刷头的振动强度不足，影响牙齿清洁效果的技术问题，达到了智能化程度高，可自动维持电机电压稳定，实现直流电机恒压驱动的技术效果。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种直流电机电压控制电路，其特征在于，所述控制电路包括：
微控制单元；
场效应管，所述场效应管的栅极与所述微控制单元的PWM引脚连接，其中，所述微控制单元输出PWM信号给所述场效应管的栅极；
直流电机，所述直流电机的正极端与所述场效应管的漏极连接，且所述直流电机的负极端接地；
第一电容，所述第一电容并联设置在所述直流电机的两端；
二极管，所述二极管并联设置在所述第一电容的两端；
其中，所述直流电机的正极端通过一引线连接至所述微控制单元的ADC引脚上，通过ADC检测所述直流电机两端的电压。
2.如权利要求1所述的直流电机电压控制电路，其特征在于，所述控制电路还包括：
分压滤波网络，所述分压滤波网络包括第一电阻，其中，所述第一电阻串联在所述直流电机的正极端与所述微控制单元的ADC引脚之间。
3.如权利要求2所述的直流电机电压控制电路，其特征在于，所述分压滤波网络还包括：
第二电阻和第二电容，所述第二电阻和所述第二电容并联之后与所述第一电阻串联。
4.如权利要求1所述的直流电机电压控制电路，其特征在于，所述场效应管为P沟道场效应管。
5.如权利要求1所述的直流电机电压控制电路，其特征在于，当所述PWM信号为高信号时，所述场效应管的漏极和源极截止；当所述PWM信号为低信号时，所述场效应管的漏极和源极导通。
6.如权利要求5所述的直流电机电压控制电路，其特征在于，当所述场效应管的漏极和源极截止时，所述直流电机两端的电压下降；当所述场效应管的漏极和源极导通时，所述直流电机两端的电压上升。
7.如权利要求1所述的直流电机电压控制电路，其特征在于，所述场效应管的源极与电池正极电压连接。
8.如权利要求1所述的直流电机电压控制电路，其特征在于，所述二极管为肖特基二极管。
9.一种直流电机电压控制方法，用于控制如权利要求1-8任一项所述的直流电机电压控制电路，其特征在于，所述控制方法包括：
微控制单元输出PWM信号给场效应管的栅极；
当所述PWM信号为高信号时，所述场效应管的漏极和源极截止；当所述PWM信号为低信号时，所述场效应管的漏极和源极导通；
将直流电机的正极电压连接至微控制单元的ADC引脚上，通过ADC检测所述直流电机两端的电压；
根据直流电机的预设电压值，判断所述直流电机两端的电压是否满足预设条件；
当不满足时，根据预设策略调整PWM信号低电平的占比，直至所述直流电机两端的电压和所述预设电压值一致。
10.如权利要求9所述的直流电机电压控制方法，其特征在于，所述预设策略具体为：
当检测到的所述直流电机两端的电压高于所述预设电压值时，降低PWM信号低电平的占比；当检测到的所述直流电机两端的电压低于所述预设电压值时，增大PWM信号低电平的占比。
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