CN110601530A - 一种升压电路电机系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种升压电路电机系统及其控制方法，包括直流电机、BOOST升压电路和检测控制电路；通过设置有BOOST升压电路和检测控制电路，检测控制电路根据直流电机的电压信号、电流信号和转速信号，输出PWM调控信号改变BOOST升压电路的开关管的通断时间，实现电源输出端的电压调控，能够适用于恒速度、恒扭力、恒功率的工作场合，适用性强；而且控制电路板一体设置在电机底座中，使得整个电机系统更加紧凑，电机体积小。

Description

一种升压电路电机系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及电机领域，特别涉及一种升压电路电机系统及其控制方法。

背景技术

直流电动机由于具有优良的调速性能和启动性能在各个行业得到广泛的应用。但也有其显著的缺点，特别在一些特殊要求场合，如恒速度，恒扭力，恒功率工作等状态，直流永磁有刷电机和直流应用的串激电机等都不能实现，无刷永磁电机和开关磁阻电机系统虽然可以实现这些工况，但在电网不稳定和极低电压(如单电池条件下)不能正常工作，甚至不能工作，这些缺陷大大限制了直流电动机的使用。

发明内容

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种升压电路电机系统及其控制方法，能够适用于恒速度、恒扭力、恒功率的工作场合，适用性强。

本发明的第一方面，提供一种升压电路电机系统，包括直流电机、电源输入端、BOOST升压电路、检测控制电路和给所述直流电机供电的电源输出端，所述BOOST升压电路包括储能电感、二极管和开关管，所述电源输入端连接所述储能电感的一端，所述储能电感的另一端连接所述开关管的一个开关引脚和所述二极管的正极，所述开关管的另一个开关引脚接地，所述二极管的负极连接所述电源输出端，所述电源输出端连接所述直流电机，所述电源输出端还接入所述检测控制电路的电压检测端，所述直流电机内置有电流检测单元和转速检测单元，所述电流检测单元连接所述检测控制电路的电流检测端，所述转速检测单元连接所述检测控制电路的转速检测端，所述检测控制电路的PWM调控信号输出端连接所述开关管的控制端以控制所述开关管的通断。

上述升压电路电机系统至少具有如下有益效果：通过设置有BOOST升压电路和检测控制电路，检测控制电路根据直流电机的电压信号、电流信号和转速信号，输出PWM调控信号改变BOOST升压电路的开关管的通断时间，实现电源输出端的电压调控，能够适用于恒速度、恒扭力、恒功率的工作场合，适用性强。

根据本发明第一方面所述的一种升压电路电机系统，还包括电机底座，所述直流电机设置在所述电机底座的上部，所述电机底座的下部设置有控制电路板，所述电源输入端、BOOST升压电路、检测控制电路和电源输出端设置在所述控制电路板上。控制电路板一体设置在电机底座中，使得整个电机系统更加紧凑，电机体积小。

根据本发明第一方面所述的一种升压电路电机系统，所述二极管、开关管和检测控制电路采用BOOST升压IC替代。采用专用的BOOST升压IC替代二极管、开关管和检测控制电路，具有更高的电路集成度，电路工作的可靠性也更高。

根据本发明第一方面所述的一种升压电路电机系统，所述检测控制电路为MCU芯片、DSP芯片或者数字电路集成芯片。

根据本发明第一方面所述的一种升压电路电机系统，所述直流电机为直流有刷电机或者直流无刷电机。

根据本发明第一方面所述的一种升压电路电机系统，所述直流电机还包括前端盖、位于所述前端盖和所述直流电机底座之间的定子组件和转子组件，所述直流电机底座的中部设置有下轴承座，所述前端盖的中部设置有上轴承座，所述转子组件的转轴分别通过上轴承和下轴承安装在所述上轴承座和所述下轴承座上。

根据本发明第一方面所述的一种升压电路电机系统，所述前端盖和/或所述直流电机底座上设置有安装部，所述安装部上设置有安装孔。

本发明的第二方面，提供一种升压电路电机系统，包括直流电机、电源输入端、BOOST升压电路、检测控制电路和给所述直流电机供电的电源输出端，所述BOOST升压电路包括储能电感、二极管和开关管，所述电源输入端连接所述储能电感的一端，所述储能电感的另一端连接所述开关管的一个开关引脚和所述二极管的正极，所述开关管的另一个开关引脚接地，所述二极管的负极连接所述电源输出端，所述电源输出端连接所述直流电机，所述电源输出端还接入所述检测控制电路的电压检测端，所述直流电机设置有电流检测单元，所述电流检测单元连接所述检测控制电路的电流检测端，所述检测控制电路的PWM调控信号输出端连接所述开关管的控制端以控制所述开关管的通断。

本发明的第三方面，提供一种升压电路电机系统，包括直流电机、电源输入端、BOOST升压电路、检测控制电路和给所述直流电机供电的电源输出端，所述BOOST升压电路包括储能电感、二极管和开关管，所述电源输入端连接所述储能电感的一端，所述储能电感的另一端连接所述开关管的一个开关引脚和所述二极管的正极，所述开关管的另一个开关引脚接地，所述二极管的负极连接所述电源输出端，所述电源输出端连接所述直流电机，所述电源输出端还接入所述检测控制电路的电压检测端，所述直流电机设置有转速检测单元，所述转速检测单元连接所述检测控制电路的转速检测端，所述检测控制电路的PWM调控信号输出端连接所述开关管的控制端以控制所述开关管的通断。

本发明的第四方面，还提供一种应用于上述第一方面和第二方面所述的一种升压电路电机系统的恒扭矩或者恒功率控制方法，包括以下步骤：

根据实际的负载情况设定电压参考值和电流参考值，计算PWM调控信号输出端的占空比；

若电源输入端的电压升高引起电源输出端的电压也升高，此时系统的功率和输出扭矩也增大，通过检测控制电路对电源输出端的电压进行实施监控，根据电压检测端检测电源输出端的电压值，降低PWM调控信号输出端的占空比，直至电源输出端的电压值降低至电压参考值；从而实现电机系统的恒扭矩或者恒功率工作；

同理，若电源输入端的电压降低引起电源输出端的电压也降低，根据电压检测端检测电源输出端的电压值，升高PWM调控信号输出端的占空比，直至电源输出端的电压值提升至电压参考值；

同理，若系统负载增大，直流电机的工作电流值也增大，通过电流检测端检测直流电机的工作电流，降低PWM调控信号输出端的占空比，降低电源输出端的电压值，直至直流电机的工作电流和电源输出端的电压值的乘积等于电压参考值和电流参考值的乘积；

同理，若系统负载较小，直流电机的工作电流值也减小，通过电流检测端检测直流电机的工作电流，升高PWM调控信号输出端的占空比，增大电源输出端的电压值，直至直流电机的工作电流和电源输出端的电压值的乘积等于电压参考值和电流参考值的乘积。

本发明的第五方面，还提供一种应用于上述第一方面和第三方面所述的一种升压电路电机系统的恒转速控制方法，包括以下步骤：

根据实际的负载情况设定转速参考值，计算PWM调控信号输出端的占空比；

若电源输入端的电压升高引起电源输出端的电压也升高，此时直流电机的实际转速升高，通过转速检测端检测直流电机的实际转速，降低PWM调控信号输出端的占空比，降低电源输出端的电压值，直至直流电机的实际转速降低至转速参考值；以实现电机系统的恒转速工作；

同理，若负载增大引起直流电机的实际转速下降，通过转速检测端检测直流电机的实际转速，升高PWM调控信号输出端的占空比，增大电源输出端的电压值，直至直流电机的实际转速升高至转速参考值。

本发明的第六方面，还提供一种应用于上述任一所述的一种升压电路电机系统的恒压控制方法，包括以下步骤：

根据直流电机的工作电压等级设定电压参考值，计算PWM调控信号输出端的占空比；

若电源输出端的电压下降，根据电压检测端检测电源输出端的电压值，升高PWM调控信号输出端的占空比，直至电源输出端的电压值提升至电压参考值。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明；

图1为本发明实施例提供的一种升压电路电机系统的整体示意图；

图2为本发明实施例提供的一种升压电路电机系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种升压电路电机系统的剖视图；

图4为本发明实施例提供的一种升压电路电机系统的分解剖视图；

图5为本发明实施例提供的一种升压电路电机系统的控制电路板电路图；

图6为本发明另一个实施例提供的一种升压电路电机系统的控制电路板电路图；

图7为本发明又一个实施例提供的一种升压电路电机系统的控制电路板电路图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参照图5，本发明的一个实施例提供一种升压电路电机系统，包括直流电机20、电源输入端Vin、BOOST升压电路31、检测控制电路32和给直流电机20供电的电源输出端Vout，BOOST升压电路31包括储能电感L1、二极管D1和开关管T1，电源输入端Vin连接储能电感L1的一端，储能电感L1的另一端连接开关管T1的一个开关引脚和二极管D1的正极，开关管T1的另一个开关引脚接地，二极管D1的负极连接电源输出端Vout，电源输出端Vout连接直流电机20，电源输出端Vout还接入检测控制电路32的电压检测端，直流电机20内置有电流检测单元21和转速检测单元22，电流检测单元21连接检测控制电路32的电流检测端，转速检测单元22连接检测控制电路32的转速检测端，检测控制电路32的PWM调控信号输出端连接开关管T1的控制端以控制开关管T1的通断。

在本实施例中，通过设置有BOOST升压电路31和检测控制电路32，检测控制电路32根据直流电机20的电压信号、电流信号和转速信号，输出PWM调控信号改变BOOST升压电路31的开关管T1的通断时间，实现电源输出端Vout的电压调控，能够适用于恒速度、恒扭力、恒功率的工作场合，适用性强；而且控制电路板30一体设置在电机底座10中，使得整个电机系统更加紧凑，电机体积小。

参照图1-图4，本发明的另一个实施例还提供一种升压电路电机系统，其中，还包括电机底座10，直流电机20设置在电机底座10的上部，电机底座10的下部设置有控制电路板30，电源输入端Vin、BOOST升压电路31、检测控制电路32和电源输出端Vout设置在控制电路板30上。

在本实施中，控制电路板30一体设置在电机底座10中，使得整个电机系统更加紧凑，电机体积小。

本发明的另一个实施例还提供一种升压电路电机系统，其中，二极管D1、开关管T1和检测控制电路32采用BOOST升压IC替代。

在本实施例中，采用专用的BOOST升压IC替代二极管D1、开关管T1和检测控制电路32，具有更高的电路集成度，电路工作的可靠性也更高。

本发明的另一个实施例还提供一种升压电路电机系统，其中，检测控制电路32为MCU芯片、DSP芯片或者数字电路集成芯片。

优选地，直流电机20为直流有刷电机或者直流无刷电机。

参照图1-图4，本发明的另一个实施例还提供一种升压电路电机系统，其中，直流电机20还包括前端盖23、位于前端盖23和直流电机20底座10之间的定子组件24和转子组件25，直流电机20底座10的中部设置有下轴承座26，前端盖23的中部设置有上轴承座27，转子组件25的转轴分别通过上轴承28和下轴承29安装在上轴承座27和下轴承座26上。

参照图1-图4，本发明的另一个实施例还提供一种升压电路电机系统，其中，前端盖23和/或直流电机20底座10上设置有安装部50，安装部50上设置有安装孔51。

在本实施例中，设置安装部50和安装孔51便于电机的安装个固定。

参照图6，本发明的另一个实施例还提供一种升压电路电机系统，包括直流电机20、电源输入端Vin、BOOST升压电路31、检测控制电路32和给直流电机20供电的电源输出端Vout，BOOST升压电路31包括储能电感L1、二极管D1和开关管T1，电源输入端Vin连接储能电感L1的一端，储能电感L1的另一端连接开关管T1的一个开关引脚和二极管D1的正极，开关管T1的另一个开关引脚接地，二极管D1的负极连接电源输出端Vout，电源输出端Vout连接直流电机20，电源输出端Vout还接入检测控制电路32的电压检测端，直流电机20设置有电流检测单元21，电流检测单元21连接检测控制电路32的电流检测端，检测控制电路32的PWM调控信号输出端连接开关管T1的控制端以控制开关管T1的通断。

本实施例为和图5所示的实施例相比，减少了转速检测单元22的设置，适用于无需进行转速检测的场景。

参照图7，本发明的另一个实施例还提供一种升压电路电机系统，包括直流电机20、电源输入端Vin、BOOST升压电路31、检测控制电路32和给直流电机20供电的电源输出端Vout，BOOST升压电路31包括储能电感L1、二极管D1和开关管T1，电源输入端Vin连接储能电感L1的一端，储能电感L1的另一端连接开关管T1的一个开关引脚和二极管D1的正极，开关管T1的另一个开关引脚接地，二极管D1的负极连接电源输出端Vout，电源输出端Vout连接直流电机20，电源输出端Vout还接入检测控制电路32的电压检测端，直流电机20设置有转速检测单元22，转速检测单元22连接检测控制电路32的转速检测端，检测控制电路32的PWM调控信号输出端连接开关管T1的控制端以控制开关管T1的通断。

本实施例为和图5所示的实施例相比，减少了电流检测单元21的设置，适用于无需进行电流检测的场景。

本发明的另一方面，还提供一种应用于图5或者图6所示的一种升压电路电机系统的恒扭矩或者恒功率控制方法，包括以下步骤：

根据实际的负载情况设定电压参考值和电流参考值，计算PWM调控信号输出端的占空比；

若电源输入端Vin的电压升高引起电源输出端Vout的电压也升高，此时系统的功率和输出扭矩也增大，通过检测控制电路32对电源输出端Vout的电压进行实施监控，根据电压检测端检测电源输出端Vout的电压值，降低PWM调控信号输出端的占空比，直至电源输出端Vout的电压值降低至电压参考值；从而实现电机系统的恒扭矩或者恒功率工作；

同理，若电源输入端Vin的电压降低引起电源输出端Vout的电压也降低，根据电压检测端检测电源输出端Vout的电压值，升高PWM调控信号输出端的占空比，直至电源输出端Vout的电压值提升至电压参考值；

同理，若系统负载增大，直流电机20的工作电流值也增大，通过电流检测端检测直流电机20的工作电流，降低PWM调控信号输出端的占空比，降低电源输出端Vout的电压值，直至直流电机20的工作电流和电源输出端Vout的电压值的乘积等于电压参考值和电流参考值的乘积；

同理，若系统负载减小，直流电机20的工作电流值也减小，通过电流检测端检测直流电机20的工作电流，升高PWM调控信号输出端的占空比，增大电源输出端Vout的电压值，直至直流电机20的工作电流和电源输出端Vout的电压值的乘积等于电压参考值和电流参考值的乘积。

本发明的又一方面，还提供一种应用于图5或者图7的一种升压电路电机系统的恒转速控制方法，包括以下步骤：

根据实际的负载情况设定转速参考值，计算PWM调控信号输出端的占空比；

若电源输入端Vin的电压升高引起电源输出端Vout的电压也升高，此时直流电机20的实际转速升高，通过转速检测端检测直流电机20的实际转速，降低PWM调控信号输出端的占空比，降低电源输出端Vout的电压值，直至直流电机20的实际转速降低至转速参考值；以实现电机系统的恒转速工作；

同理，若负载增大引起直流电机20的实际转速下降，通过转速检测端检测直流电机20的实际转速，升高PWM调控信号输出端的占空比，增大电源输出端Vout的电压值，直至直流电机20的实际转速升高至转速参考值。

本发明的又一方面，还提供一种应用于上述任一的一种升压电路电机系统的恒压控制方法，主要适用于单节锂电池直流永磁无刷电机系统，单节锂电池一般都在3.7V左右，放电截止电压为2.75V，甚至更低些；由于直流永磁无刷电机的控制系统的功率器件及驱动电路都需要一定的电压一般要大于6V才能正常工作，单节锂电池供电基本不可能，升压电路电机系统可以通过BOOST升压电路31，使得电源输出端Vout的电压升高，如达到可以使直流永磁无刷电机的控制系统可靠地工作的12V，根据直流电机20的工作电压等级设定电压参考值，计算PWM调控信号输出端的占空比；若电源输出端Vout的电压随着电池不断放电导致电压下降，根据电压检测端检测电源输出端Vout的电压值，升高PWM调控信号输出端的占空比，直至电源输出端Vout的电压值提升至12V，确保直流永磁无刷电机的控制系统正常可靠地工作。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种升压电路电机系统，其特征在于，包括直流电机、电源输入端、BOOST升压电路、检测控制电路和给所述直流电机供电的电源输出端，所述BOOST升压电路包括储能电感、二极管和开关管，所述电源输入端连接所述储能电感的一端，所述储能电感的另一端连接所述开关管的一个开关引脚和所述二极管的正极，所述开关管的另一个开关引脚接地，所述二极管的负极连接所述电源输出端，所述电源输出端连接所述直流电机，所述电源输出端还接入所述检测控制电路的电压检测端，所述直流电机设置有电流检测单元和转速检测单元，所述电流检测单元连接所述检测控制电路的电流检测端，所述转速检测单元连接所述检测控制电路的转速检测端，所述检测控制电路的PWM调控信号输出端连接所述开关管的控制端以控制所述开关管的通断。

2.根据权利要求1所述的一种升压电路电机系统，其特征在于，还包括电机底座，所述直流电机设置在所述电机底座的上部，所述电机底座的下部设置有控制电路板，所述电源输入端、BOOST升压电路、检测控制电路和电源输出端设置在所述控制电路板上。

3.根据权利要求1所述的一种升压电路电机系统，其特征在于，所述二极管、开关管和检测控制电路采用BOOST升压IC替代。

4.根据权利要求1所述的一种升压电路电机系统，其特征在于，所述直流电机还包括前端盖、位于所述前端盖和所述直流电机底座之间的定子组件和转子组件，所述直流电机底座的中部设置有下轴承座，所述前端盖的中部设置有上轴承座，所述转子组件的转轴分别通过上轴承和下轴承安装在所述上轴承座和所述下轴承座上。

5.根据权利要求4所述的一种升压电路电机系统，其特征在于，所述前端盖和/或所述直流电机底座上设置有安装部，所述安装部上设置有安装孔。

6.一种升压电路电机系统，其特征在于，包括直流电机、电源输入端、BOOST升压电路、检测控制电路和给所述直流电机供电的电源输出端，所述BOOST升压电路包括储能电感、二极管和开关管，所述电源输入端连接所述储能电感的一端，所述储能电感的另一端连接所述开关管的一个开关引脚和所述二极管的正极，所述开关管的另一个开关引脚接地，所述二极管的负极连接所述电源输出端，所述电源输出端连接所述直流电机，所述电源输出端还接入所述检测控制电路的电压检测端，所述直流电机设置有电流检测单元，所述电流检测单元连接所述检测控制电路的电流检测端，所述检测控制电路的PWM调控信号输出端连接所述开关管的控制端以控制所述开关管的通断。

7.一种升压电路电机系统，其特征在于，包括直流电机、电源输入端、BOOST升压电路、检测控制电路和给所述直流电机供电的电源输出端，所述BOOST升压电路包括储能电感、二极管和开关管，所述电源输入端连接所述储能电感的一端，所述储能电感的另一端连接所述开关管的一个开关引脚和所述二极管的正极，所述开关管的另一个开关引脚接地，所述二极管的负极连接所述电源输出端，所述电源输出端连接所述直流电机，所述电源输出端还接入所述检测控制电路的电压检测端，所述直流电机设置有转速检测单元，所述转速检测单元连接所述检测控制电路的转速检测端，所述检测控制电路的PWM调控信号输出端连接所述开关管的控制端以控制所述开关管的通断。

8.一种应用于权利要求1-5任一所述的一种升压电路电机系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据负载设定电压参考值和电流参考值，计算PWM调控信号输出端的占空比；

若电源输入端的电压升高引起电源输出端的电压也升高，根据电压检测端检测电源输出端的电压值，降低PWM调控信号输出端的占空比，直至电源输出端的电压值降低至电压参考值；

若电源输入端的电压降低引起电源输出端的电压也降低，根据电压检测端检测电源输出端的电压值，升高PWM调控信号输出端的占空比，直至电源输出端的电压值提升至电压参考值；

若系统负载增大，直流电机的工作电流值也增大，通过电流检测端检测直流电机的工作电流，降低PWM调控信号输出端的占空比，降低电源输出端的电压值，直至直流电机的工作电流和电源输出端的电压值的乘积等于电压参考值和电流参考值的乘积；

若系统负载较小，直流电机的工作电流值也减小，通过电流检测端检测直流电机的工作电流，升高PWM调控信号输出端的占空比，增大电源输出端的电压值，直至直流电机的工作电流和电源输出端的电压值的乘积等于电压参考值和电流参考值的乘积。

9.一种应用于权利要求1-5任一所述的一种升压电路电机系统的恒转速控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据负载设定转速参考值，计算PWM调控信号输出端的占空比；

若电源输入端的电压升高引起电源输出端的电压也升高，直流电机的实际转速升高，通过转速检测端检测直流电机的实际转速，降低PWM调控信号输出端的占空比，降低电源输出端的电压值，直至直流电机的实际转速降低至转速参考值；

若负载增大引起直流电机的实际转速下降，通过转速检测端检测直流电机的实际转速，升高PWM调控信号输出端的占空比，增大电源输出端的电压值，直至直流电机的实际转速升高至转速参考值。

10.一种应用于权利要求1-7任一所述的一种升压电路电机系统的恒电压控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据直流电机的工作电压等级设定电压参考值，计算PWM调控信号输出端的占空比；

若电源输出端的电压下降，根据电压检测端检测电源输出端的电压值，升高PWM调控信号输出端的占空比，直至电源输出端的电压值提升至电压参考值。