CN115133815A - 一种高电压无刷电机驱动下的恒压水泵控制系统 - Google Patents

一种高电压无刷电机驱动下的恒压水泵控制系统 Download PDF

Info

Publication number
CN115133815A
CN115133815A CN202210678947.2A CN202210678947A CN115133815A CN 115133815 A CN115133815 A CN 115133815A CN 202210678947 A CN202210678947 A CN 202210678947A CN 115133815 A CN115133815 A CN 115133815A
Authority
CN
China
Prior art keywords
module
voltage
resistor
capacitor
processing chip
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210678947.2A
Other languages
English (en)
Inventor
殷建军
董伯涵
项祖丰
徐天宇
寿浙辉
王云杰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang University of Technology ZJUT
Original Assignee
Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhejiang University of Technology ZJUT filed Critical Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority to CN202210678947.2A priority Critical patent/CN115133815A/zh
Publication of CN115133815A publication Critical patent/CN115133815A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/08—Arrangements for controlling the speed or torque of a single motor
    • H02P6/085—Arrangements for controlling the speed or torque of a single motor in a bridge configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/08—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric motors
    • H02H7/0833—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric motors for electric motors with control arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/44—Circuits or arrangements for compensating for electromagnetic interference in converters or inverters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/02—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
    • H02M7/04—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/12—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/21—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/217—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/20—Arrangements for starting

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)

Abstract

本发明公开了一种高电压无刷电机驱动下的恒压水泵控制系统，所述恒压水泵控制系统包括EMI滤波模块，整流滤波模块，电压转换模块，主处理器模块，电机驱动模块，故障检测与保护模块，压力检测模块及无刷电机接口模块，主处理器模块分别连接电压转换模块，电机驱动模块，故障检测与保护模块以及压力检测模块，本发明采用市电作为供电输入，并经过保护、整流、滤波电路后，转换为高压约310V直流电输出到无刷电机，使得系统的功率范围得到了较大提高，同时通过采用集成了高电压、无位置传感器电机驱动的处理芯片，并设计了相关的过流保护、过温保护电路，大大提升了系统的自保护能力。

Description

一种高电压无刷电机驱动下的恒压水泵控制系统
技术领域
本发明属于恒压水泵控制系统技术领域，具体涉及一种高电压无刷电机驱动下的恒压水泵控制系统。
背景技术
水泵，作为供水系统中的能耗设备，提高其运行效率是实现供水系统节能减排的关键。无论何类型的水泵，都需要由电机带动叶轮高速旋转，产生动力。传统的水泵采用感应电机或有刷电机作为动力来源，感应电机体积大，运转速度难以调整，会造成严重的能量浪费；有刷电机由于受到电刷的限制，在恶劣环境下使用具有显著劣势。
相比于传统的动力方案，无刷电机在诸多方面都有巨大优势。无刷电机由于没有电刷，在运行过程中减少了能量的损耗，这意味着无刷电机的噪声更小，发热更少，大大增加了电能的转换效率；同时，无刷电机既没有电刷造成尺寸上的约束，又不同于感应电机具有大尺寸的定子和转子，因此可以大大节约占用空间；更重要的是，无刷电机速度范围宽，可调速能力强，变频调速技术的使用能有效减少传统供水过程中的能量不必要的浪费，从而解决传统供水模式下的电能浪费。
目前，国内采用无刷电机作为动力来源的水泵系统相对较少，且市面上无刷电机驱动下的水泵大都只在小电压范围(48V以下)内使用，其功能上也存在一些不足之处，包括，功率低，智能化程度低，自保护能力差等。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种高电压无刷电机驱动下的恒压水泵控制系统，该系统具有功率范围大，集成度高，自保护能力强等优点。
采取如下技术方案：
一种高电压无刷电机驱动下的恒压水泵控制系统，包括：EMI(电磁干扰) 滤波模块，整流滤波模块，电压转换模块，主处理器模块，电机驱动模块，压力检测模块以及无刷电机接口模块。
EMI滤波模块，用于滤除交流输入端的电磁干扰，并起到对电源的保护作用。
整流滤波模块，与EMI滤波模块连接，用于将交流输入电压转为直流母线电压，交流输入电压为市电220V，转换为直流母线电压为310V；
主处理器模块，包括处理芯片电源模块U1A、处理芯片驱动脉冲发生模块U1B和处理芯片状态检测模块U1C，用于实现恒压水泵控制系统的状态监测与整体控制；
电压转换模块，一端与整流滤波模块连接，另一端与主处理器模块连接；将直流母线电压转换输出为直流电VCC后，给主处理器模块与压力检测模块供电，该电压转换模块以310V直流母线电压作为输入，该直流电由市电通过 EMI滤波模块，整流滤波模块后转换而来，以外接反馈电阻分压的形式，实现DC-DC转换，同时提供较大的电流，转换后的直流电VCC为24V，给恒压水泵控制系统供电；
电机驱动模块，包括三相场效应管驱动电路和采样电阻R32，所述三相场效应管驱动电路的每一相的组成结构均相同，其中一相的场效应管驱动电路包括上桥臂场效应管Q1、下桥臂场效应管Q2、栅极电阻R20和R21、电阻R22、R23、R24和R25、上桥臂滤波电容C17、相间滤波电解电容C16、快恢复二极管D3和D4，所述电压转换模块输出的直流母线电压输入到所述上桥臂场效应管Q1漏极，所述上桥臂场效应管Q1源极连接所述下桥臂场效应管Q2漏极；所述三相场效应管驱动电路下桥臂场效应管源极均连接到采样电阻R32一端，所述采样电阻的另一端连接到功率地，所述采样电阻R32将流过电机的电流信号转换为电压信号，输入到所述处理芯片状态检测模块 U1C的COM端，起到过流保护的作用；所述栅极电阻R20一端连接上桥臂场效应管Q1，另一端连接所述处理芯片驱动脉冲发生模块U1B的高侧栅极驱动脉冲输入端，所述栅极电阻R21一端连接下桥臂场效应管Q2，另一端连接所述处理芯片驱动脉冲发生模块U1B的低侧栅极驱动脉冲输入端；所述快恢复二极管D3的阴极连接处理芯片驱动脉冲发生模块U1B的高侧栅极驱动脉冲输入端，所述快恢复二极管D3的阳极连接所述电阻R22的一端，所述电阻R22的另一端与所述栅极电阻R20连接，所述快恢复二极管D4阴极连接处理芯片驱动脉冲发生模块U1B的低侧栅极驱动脉冲输入端，所述快恢复二极管 D4的阳极连接所述电阻R23的一端，所述电阻R23的另一端与所述栅极电阻 R21连接；所述上桥臂滤波电容C17为电解电容，正极与所述上桥臂场效应管Q1的漏极连接，负极连接到功率地，用于滤除上桥臂场效应管Q1漏端输入电压的纹波；所述相间滤波电解电容C16的正极与上桥臂场效应管Q1的漏极连接，负极与下桥臂场效应管Q2的源极连接，用于滤除三个下桥臂交汇处的电压纹波；所述电阻R24连接在上桥臂场效应管Q1的栅极与源极之间；所述电阻R25连接在下桥臂场效应管Q2的栅极与源极之间；在所述三相场效应管驱动电路的上桥臂场效应管源极与下桥臂场效应管漏极之间引出电机的三相连接线，该模块用于实现无刷电机的启动、换向与调速；
压力检测模块，与所述主处理器模块连接，用于实现压力信号的模数转换与阻抗匹配；
无刷电机接口模块，与所述电机驱动模块连接。
进一步地，EMI滤波模块，包括Y电容组C22，C23与C29，C30、保险丝F1、热敏电阻TH2、压敏电阻RV1和RV2、X电容C25、共模电感L2、限流电阻R39、电容C31；所述保险丝F1连接市电火线，所述热敏电阻TH2 连接市电零线，所述压敏电阻RV1连接在市电输入火线和市电零线之间，压敏电阻RV2连接在交流输出两端之间，所述C22连接在市电火线和地线之间，所述C23连接在零线和地线之间，所述C29连接在交流输出一端与地线之间，所述C30连接在交流输出的另一端与地线之间，所述共模电感L2的第四端、第一端分别与C25两端相连，第三端、第二端分别与限流电阻R39两端相连，所述C31与压敏电阻RV2并联，从所述电容C31两端引出交流输出正负端。
进一步地，所述整流滤波模块包括整流桥D9、电感L1、电解电容C24 和C27、电容C26和C28，所述整流桥D9的B端与C端分别与所述EMI滤波模块交流输出的正端和负端相连，所述整流桥D9的A端与电感L1一端相连，D端与功率地相连，所述电感L1的另一端与所述电解电容C24、C27的正极相连；所述电解电容C24、C27的的负极与功率地相连；所述电容C26、C28分别并联在电解电容C24、C27之后，并从电解电容C27的正极引出VM 作为输出直流母线电压输出。
进一步地，所述电压转换模块包括电压转换芯片U3、旁路电容C32、反馈电阻R40和R41、电容C33、C34和C36、二极管D10和D11、电感L3、电解电容C35，所述电容C32的一端连接在电压转换芯片U3的旁路端与源端之间，所述反馈电阻R40连接在电压转换芯片U3的反馈端与源端之间，反馈电阻R41一端连接在电压转换芯片U3的反馈端，另一端经过二极管D11至直流电压输出端VCC；所述电容C33与反馈电阻R41并联，电容C34与反馈电阻R40并联，电容C36连接在直流电压输出端VCC与逻辑地之间，所述二极管D10阴极连接在电压转换芯片U3源端，阳极连接到逻辑地，所述电感L3一端连接在电压转换芯片的源端，另一端连接在二极管D11的阳极；所述直流母线电压输出至所述电解电容C36的正极，负极连接到逻辑地。
进一步地，所述处理芯片电源模块U1A包括电容C3、C5和C7，所述处理芯片电源模块的电源输入正端连接所述直流电压输出端VCC，电源输入负端连接逻辑地，电源输出端输出直流电压VDD，所述电容C3一端连接到逻辑地，另一端连接到所述处理芯片驱动脉冲发生模块U1B的第一参考端；所述电容C5连接在逻辑地和直流电压输入端VCC之间，所述电容C7连接在逻辑地和处理芯片驱动脉冲发生模块U1B的电源输出端；所述处理芯片驱动脉冲发生模块U1B包括电容C1、C2、C8、C9和C10，所述电容C1连接在逻辑地和处理芯片驱动脉冲发生模块U1B的第二参考端，所述电容C2连接在逻辑地和所述处理芯片驱动脉冲发生模块U1B的第三参考端，所述电容C8、 C9和C10分别连接在每一相的栅极驱动电源端和栅极驱动复位端间；所述处理芯片状态检测模块U1C包括直流母线过压检测电路、无刷电机过流电路和处理芯片过温检测电路，所述直流母线过压检测电路将采样得到的电压输入到处理芯片的电压检测端；所述无刷电机过流检测电路通过采样电阻R32将转化得到的电压值输入到处理芯片的过流检测端；所述处理芯片过温检测电路由热敏电阻与普通电阻分压后，将温度值转换为电压信号输入到过温检测端。
进一步地，所述栅极电阻R20和R21的取值为10-150Ω，须通过实验得到合适的栅极电阻阻值，使得场效应管既有较快的通断速度且浪涌电压超调量较小。
进一步地，所述压力检测模块连接到出水口处压力传感器，压力传感器输出4-20mA电流，通过压力检测电路将电流信号转换为不超过5V的电压信号，作为模拟量输入，主处理器模块通过处理该值来控制电机转速。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.通过采用大电压供电的无刷电机，在节能减耗的同时增加了水泵系统的功率，可以使水泵在较大功率范围内运行，避免出现由于功率不足而导致出水效果差，出水能力与压力不匹配等状况，保证了水泵出水的稳定性。
2.采用了集成度高的处理芯片，并且电机换向采用了无感(无位置传感器) 的控制方案，大大减小了整体控制系统的体积。主处理芯片既能作为栅极驱动器，又可以作为普通MCU(微处理器)接入外设进行数据处理，同时主处理器可以同时兼容有感与无感的控制方案，采用无位置传感器的控制技术，水泵系统的整体体积得到了有效控制。
3.采用的主处理器具有专用的过温、过流、过压故障检测电路，采样得到的信号可以有效地在主处理器内部进行分析处理，保障了水泵系统的可靠性，同时水泵系统的运行状况可通过外接设备进行实时反馈，可交互性强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的结构框图。
图2是EMI滤波模块的电路图。
图3是整流滤波模块的电路图。
图4是电压转换模块的电路图。
图5是电机驱动模块的电路图。
图6是主控制器模块的电路图。
图7是压力检测模块的电路图。
图8是无刷电机接口模块的电路图。
具体的实施方式
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，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明包括EMI(电磁干扰)滤波模块a，整流滤波模块b，电压转换模块c，主处理器模块d，电机驱动模块e，压力检测模块f以及无刷电机接口模块g。
EMI滤波模块a：包括交流市电输入1，过流，过压保护电路2，EMI滤波电路3。
整流滤波电路b：包括整流桥模块4，LC滤波电路5。整流桥为四个二极管组成的桥式整流模块，其型号为GBU8A。
电压转换模块c：包括电压转换芯片6，输出端辅助电路7。其中电压转换芯片型号为LNK3204D。
主处理器模块d：包括处理芯片8，直流母线过压检测电路9，处理芯片过温检测电路10，无刷电机过流检测电路11。处理芯片8为专用无刷电机控制芯片，型号为IMD111T-6F040。
电机驱动模块e：包括栅极驱动电路12，三相逆变桥电路13，电容滤波电路14，电流采样电阻15。三相逆变桥电路13由6个场效应晶体管组成，型号为IPB65R660CFD。
压力检测模块f：包括压力传感器接口及其检测电路16。
无刷电机接口模块g:包括无位置传感器的无刷电机的接口电路17。
如图2所示，该图即EMI滤波电路图。包括市电交流输入、Y电容组(C22 和C23，C29和C30)、保险丝(F1)、热敏电阻(TH2)、压敏电阻(RV1,RV2)、X 电容(C25)、共模电感(L2)、限流电阻(R39)、电容(C31)。所述保险丝F1连接到市电火线；所述热敏电阻TH2连接到市电零线；所述压敏电阻RV1连接在市电火线、零线输入之间，压敏电阻RV2连接在交流输出两端之间；所述Y 电容组(C22和C23)分别连接在市电火线和地线、零线和地线之间，Y电容组 (C29和C30)连接在交流输出一端与地线，交流输出另一端与地线之间；所述共模电感L2的第四端与第一端与X电容C25两端相连，第三端与第二端与限流电阻R39相连；所述电容C31与压敏电阻RV2并联，并从电容两端引出交流输出正负端。
如图3所示，该图即为整流滤波电路图。包括整流桥(D9)、电感(L1)、电解电容(C24、C27)、电容(C26、C28)。所述整流桥D9的B端与C端分别与图1所示交流输出正端，负端相连，整流桥D9的A端与电感L1一端相连， D端与功率地相连；所述电感L1一端与整流桥D9的A端相连，另一端与电解电容C24的正极相连；所述电解电容C24、C27的正极与电感L1的一端相连，负极与功率地相连；所述电容C26、C28分别并联在电解电容C24、C27 之后，并从电解电容C27的正极引出VM作为直流母线电压输出。
如图4所示，该图即为电压转换模块的电路图。包括电压转换芯片(U3)、旁路电容(C32)、反馈电阻(R40、R41)、电容(C33、C34、C36)、二极管(D10、 D11)、电感(L3)、电解电容(C35)。其特征在于，所述电容C32的一端连接在电压转换芯片的旁路端与源端之间；所述反馈电阻R40一端连接在电压转换芯片的反馈端与源端之间，反馈电阻R41一端连接在电压转换芯片的反馈端，另一端经过二极管D11至直流电压输出端VCC；所述电容C33并联于反馈电阻R42，电容C34并联于反馈电阻R41，电容C36连接在直流电压输出端VCC 与逻辑地之间；所述二极管D10阴极连接在电压转换芯片源端，阳极连接到逻辑地，所述电感L3一端连接在电压转换芯片的源端，另一端连接在二极管 D11的阳极；所述电解电容C36的正极连接在直流电压输出端VCC，负极连接到逻辑地。
整个电压转换模块相比于常见的电压转换电路，运用更少的元器件与更低的成本获得较高的电压转换效率。电压转换芯片通过控制内部场效应管的通断将高压VM转换为低压VCC，电容C32提供采样和保持的功能，电阻 R40、R41用于实现不同的输出电压，电阻R40决定输出电压的变化率，电阻 R41为输出电压提供直流偏置，其输出电压计算式如下式1所示。
Figure BDA0003695645340000091
其中，VFB为芯片内部输出的参考电压，固定为2V，IFB为芯片内部输出的反馈电流，固定为49μA，VCC为输出直流电压值。
由于无刷电机启动需要一定时间，因此在电阻R41上并联电容C33以达到软启动功能。电感L3用于防止电流突变，并通过L3、C35、D10回路续流，同时L3、C35、C36用于滤除输出直流电压上的纹波。
如图5所示，该图为主控制器电路原理图，其中将处理芯片8分为三模块，(a)图为处理芯片电源模块，(b)图为处理芯片驱动脉冲发生模块，(c)图为处理芯片状态检测模块
如图5(a)所示，处理芯片电源模块包括处理芯片的电源部分U1A、电容(C3、 C5、C7)。其特征在于，所述处理芯片的电源输入正端连接到图4所示直流电压输出端VCC，处理芯片的电源输入负端连接到逻辑地，处理芯片的电源输出端输出直流电压VDD；所述电容C3一端连接到逻辑地，另一端连接到处理芯片U1B的第一参考端；所述电容C5连接在逻辑地和直流电压输入端VCC 之间，电容C7连接在逻辑地和处理芯片的的电源输出端。
如图5(b)所示，处理芯片驱动脉冲发生模块U1B包括处理芯片的驱动脉冲发生部分U1B、电容(C1、C2、C8、C9、C10)。其特征在于，所述电容C1 连接在逻辑地和处理芯片U1B的第二参考端，电容C2连接在逻辑地和处理芯片U1B的第三参考端；驱动脉冲发生模块用于产生PWM波驱动三相场效应管，每一相的高侧栅极驱动脉冲输入端通过上桥臂栅极电阻输入到上桥臂场效应管的栅极；每一相的栅极驱动电源端分别通过电容(C8、C9、C10)连接到每一相的栅极驱动复位端，并由复位端引出信号输入到栅极驱动电路的上下桥臂场效应管交汇处。
如图5(c)所示,处理芯片状态检测模块包括处理芯片过温检测电路①、直流母线过压检测电路②、无刷电机过流检测电路③。其特征在于，所述处理芯片过温检测电路由热敏电阻与普通电阻分压后，将温度值转换为电压信号输入到过温检测端，所述直流母线过压检测电路将采样得到的电压输入到处理芯片的电压检测端；所述无刷电机过流检测电路由所述采样电阻R32将转化得到的电压值经过分压电路处理后输入到处理芯片的过流检测端；
所述处理芯片过温检测电路①包括发光二极管D1、电阻R3、热敏电阻 TH1、电容C11。电阻R3的一端连接到直流电压VDD，另一端连接热敏电阻 TH1，其交汇处引出到处理芯片过温监测端，热敏电阻的另一端连接到逻辑地；发光二极管D1与热敏电阻TH1并联，且阴极连接到逻辑地；电容C11与热敏电阻TH1并联。由于温度升高会使得热敏电阻的阻值降低，导致输入到过温检测端的电压降低，当其低于所设定的阈值时，处理芯片进行过温保护；发光二极管D1用于指示此时芯片的工作状态，随着处理芯片温度的升高由亮变暗，此为处理芯片过温检测电路10；
所述处理芯片直流母线过压检测电路②包括电阻R10、R11、R12，电容 C12。电阻R10一端连接到直流母线电压VM，另一端连接到R11，由其交汇处引出到处理芯片的过压检测端，电阻R11的另一端连接到逻辑地；电容C12 与电阻R11并联；电阻R12为0Ω电阻一端连接在逻辑地，另一端连接到功率地。通过选择合适的R10与R11的阻值，电压检测端可准确采集到直流母线的电压值，当直流母线电压值过大时，处理芯片可实现自我保护，此为过压检测电路9；
如图6所示，该图为电机驱动模块的电路图。六个N沟道场效应管构成三相逆变桥电路10，上下同桥臂的场效应管构成一相，六个场效应管两两组合构成无刷电机的U，V，W三相并按照Q1Q4——Q1Q6——Q3Q6——Q3Q2 ——Q5Q2——Q5Q4的顺序导通，完成六步换向，实现电机的旋转。每一相上的栅极驱动电路与电容滤波电路均相同，下面以U相为例进行说明：
U相包括上桥臂场效应管(Q1)、三相下桥臂场效应管(Q2)、电阻(R20、 R21、R22、R23、R24、R25)、上桥臂滤波电容(C17)、相间滤波电解电容(C16)、二极管(D3、D4)。其特征在于，直流母线电压输入到上桥臂场效应管漏极，源极连接到下桥臂场效应管漏极，下桥臂场效应管源极通过采样电阻R32连接到功率地；栅极电阻R20、R21一端分别连接到上下桥臂场效应管的栅极，另一端分别连接到权利5所述脉冲发生模块U1B的高、低侧栅极驱动脉冲输出端；二极管D3、D4的阴极分别连接到权利5所述脉冲发生模块U1B的高、低侧栅极驱动脉冲输出端，阳极分别连接到电阻R22、R23电阻的一端；电阻 R22、R23的一端连接到二极管D3、D4的阳极，另一端分别连接到上下桥臂场效应管的栅极；上桥臂滤波电容的正极连接到上桥臂场效应管的漏极，负极连接到功率地；相间滤波电容C16正极连接到上桥臂场效应管漏极，负极连接到下桥臂场效应管源极。
三相下桥臂场效应管的源极汇聚到采样电阻R32的一端，并连接到处理芯片状态检测模块C电流检测端口，采样电阻的另一端接入功率地。采样电阻R32将流过电机的电流信号转换为电压信号，电压信号输入到图5所示处理芯片状态检测模块电流检测端口；如图5过流检测电路③所示，包括COM 端信号来源，电阻R17、R18、R19，电容C14。COM端信号由采样电阻R32 的上端引入，COM端信号经过电阻R17、R18、R19进行分压输入到处理芯片的过流检测端，电阻R17、R18、R19的一端连接在一起，电阻R17的另一端连接到处理芯片的过流检测端，电阻R18的另一端连接到图5(a)所示VDD，电阻R19的另一端连接到处理芯片采样端口，其过流检测原理如式2所示；
Figure BDA0003695645340000121
其中，Viss为处理芯片过流检测端所得电压，Ishunt为采样得到的电流，VDD为+5V输入电压。Viss可接收最大5V电压，通过配比R17与R18的值，将采样电流Ishunt转化为电压信号，当Viss得到的值大于5V时，处理芯片内部完成过流保护。
整个电机驱动电路采用高压输入供电，由于无刷电机是感性元件，当其电流变化率过快时，会产生较大的浪涌电压，因此需要采取一些措施防止场效应管被击穿。电解电容C17用于滤除场效应管Q1漏端输入电压的纹波；栅极电阻R20的值会影响场效应管的开关时间、开关损耗以及浪涌电压，需要选取合适的电阻值使得场效应管具有较好的动态特性；为保证场效应管关断时栅源极的寄生电容快速放电，在场效应管的栅极电阻上反并联快恢复二极管与限流电阻(R22与D3、R23与D4)，其中快恢复二极管能够缩短MOSFET 关断时间并降低关断损耗，限流电阻防止关断时主处理器电流过大烧坏；；电阻R24起到泄放静电的作用，少量的静电即可在场效应管的栅端和源端产生很高的电压，若不及时泄放，可能会击穿场效应管，因此需要电阻R24来保护场效应管；电解电容C16用于滤除三个下桥臂交汇处的电压纹波，防止其电压过低从而导致处理芯片损坏。
如图7所示，该图为压力检测模块电路图。包括运算放大器(U2)、电阻(R4、 R8)、电解电容(C13)、电容(C15)。其特征在于，所述运算放大器(U2)的电源正极输入端连接到权利4所述直流电压输出端VCC，电源负极输入端连接到逻辑地，其同相输入端与其输出端相连，其输出端连接到权利5所述处理芯片检测模块U1C的电压检测端，其反向输入端通过电阻R8连接到外部压力输入端；电阻R4连接在外部压力输入与逻辑地之间；电解电容C13的正极连接到运算放大器的输出端，另一端连接到逻辑地；电容C15与电容C13并联。
外接压力传感器通过J2端口输入4～20mA的电流以表示压力值的大小，电流信号经过电阻R4转化为1～5V的电压信号，再经过由电阻R8、运算放大器LM321组成的电压跟随器完成阻抗匹配，最后经过电解电容C13、电容C15 后完成滤波，输入到图5(c)处理芯片的压力采集端，处理芯片的压力采集端可以采集得到的模拟量信号并作出相应转换来调节无刷电机转速，实现压力匹配，即可实现水泵出水端恒压力。
如图8所示，该图为无刷电机三相接口电路。无刷电机的三相分别引出三根铜线到接口电路中，每一相线均连接到图5所示对应相的上下桥臂之间，完成电气连接。
工作原理：
恒压供水控制系统主要由供水管道、泵组、电机、稳压罐和阀门等构成。恒压水泵控制系统作为恒压供水控制系统的子系统同时作为其动力来源，可通过调节水泵无刷电机的转速，改变系统的流量，实现出水口压力恒定。系统采用市电作为供电输入，市电经过EMI滤波，整流滤波后得到310V直流电输出到电机驱动模块，在高电压下，系统的功率得到了有效提升；同时， 310V直流电通过电压转换模块转换为24V直流电用于处理芯片供电，模块中的电压转换芯片可使输出端保持较大电流，保证系统稳定运行。
恒压水泵控制系统工作时，压力传感器将出水口测量得到的压力值以 4～20mA电流信号输入到控制系统的压力接收端口，控制系统将电流信号通过采样电阻转换为电压信号并进行阻抗匹配与滤波，最终输入到处理芯片的压力采集端。处理芯片根据得到表示压力的电压值后，再经过换算得到对应的压力值，并根据压力误差调整输出到电机驱动电路中场效应管栅极上的PWM 信号，进而调整场效应管的通断，控制输出到无刷电机上的电压，从而控制电机的转速。在无刷电机运转时，采样电阻会对流过电机的电流进行检测，若处理芯片获取到的电流值超过额定电流值，将会作出保护反应以避免造成危害；热敏电阻会对处理芯片的温度进行检测，若处理芯片温度过高，将会发出警示并进行自保护，防止水泵控制系统的损坏。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种高电压无刷电机驱动下的恒压水泵控制系统，其特征在于，包括：
EMI滤波模块，用于滤除交流输入端的电磁干扰和保护电源；
整流滤波模块，与EMI滤波模块连接，用于将交流输入电压转换为直流母线电压；
主处理器模块，包括处理芯片电源模块U1A、处理芯片驱动脉冲发生模块U1B和处理芯片状态检测模块U1C；
电压转换模块，一端与整流滤波模块连接，另一端与主处理器模块连接；将直流母线电压转换输出为直流电VCC后，给主处理器模块与压力检测模块供电；
电机驱动模块，包括三相场效应管驱动电路和采样电阻R32，所述三相场效应管驱动电路的每一相的组成结构均相同，其中一相的场效应管驱动电路包括上桥臂场效应管Q1、下桥臂场效应管Q2、栅极电阻R20和R21、电阻R22、R23、R24和R25、上桥臂滤波电容C17、相间滤波电解电容C16、快恢复二极管D3和D4，所述电压转换模块输出的直流母线电压输入到所述上桥臂场效应管Q1漏极，所述上桥臂场效应管Q1源极连接所述下桥臂场效应管Q2漏极；所述三相场效应管驱动电路下桥臂场效应管源极均连接到采样电阻R32一端，所述采样电阻的另一端连接到功率地，所述采样电阻R32将流过电机的电流信号转换为电压信号，输入到所述处理芯片状态检测模块U1C的COM端，起到过流保护的作用；所述栅极电阻R20一端连接上桥臂场效应管Q1，另一端连接所述处理芯片驱动脉冲发生模块U1B的高侧栅极驱动脉冲输入端，所述栅极电阻R21一端连接下桥臂场效应管Q2，另一端连接所述处理芯片驱动脉冲发生模块U1B的低侧栅极驱动脉冲输入端；所述快恢复二极管D3的阴极连接处理芯片驱动脉冲发生模块U1B的高侧栅极驱动脉冲输入端，所述快恢复二极管D3的阳极连接所述电阻R22的一端，所述电阻R22的另一端与所述栅极电阻R20连接，所述快恢复二极管D4阴极连接处理芯片驱动脉冲发生模块U1B的低侧栅极驱动脉冲输入端，所述快恢复二极管D4的阳极连接所述电阻R23的一端，所述电阻R23的另一端与所述栅极电阻R21连接；所述上桥臂滤波电容C17为电解电容，正极与所述上桥臂场效应管Q1的漏极连接，负极连接到功率地，用于滤除上桥臂场效应管Q1漏端输入电压的纹波；所述相间滤波电解电容C16的正极与上桥臂场效应管Q1的漏极连接，负极与下桥臂场效应管Q2的源极连接，用于滤除三个下桥臂交汇处的电压纹波；所述电阻R24连接在上桥臂场效应管Q1的栅极与源极之间；所述电阻R25连接在下桥臂场效应管Q2的栅极与源极之间；在所述三相场效应管驱动电路的上桥臂场效应管源极与下桥臂场效应管漏极之间引出电机的三相连接线；
压力检测模块，与所述主处理器模块连接；
无刷电机接口模块，与所述电机驱动模块连接。
2.根据权利要求1所述的一种高电压无刷电机驱动下的恒压水泵控制系统，其特征在于，所述EMI滤波模块，包括Y电容组C22，C23与C29，C30、保险丝F1、热敏电阻TH2、压敏电阻RV1和RV2、X电容C25、共模电感L2、限流电阻R39、电容C31；所述保险丝F1连接市电火线，所述热敏电阻TH2连接市电零线，所述压敏电阻RV1连接在市电输入火线和市电零线之间，压敏电阻RV2连接在交流输出两端之间，所述C22连接在市电火线和地线之间，所述C23连接在市电零线和地线之间，所述C29连接在交流输出一端与地线之间，所述C30连接在交流输出的另一端与地线之间，所述共模电感L2的第四端、第一端分别与C25两端相连，第三端、第二端分别与限流电阻R39两端相连，所述C31与压敏电阻RV2并联，从所述电容C31两端引出交流输出正负端。
3.根据权利要求1所述的一种高电压无刷电机驱动下的恒压水泵控制系统，其特征在于，所述整流滤波模块包括整流桥D9、电感L1、电解电容C24和C27、电容C26和C28，所述整流桥D9的B端与C端分别与所述EMI滤波模块交流输出的正端和负端相连，所述整流桥D9的A端与电感L1一端相连，D端与功率地相连，所述电感L1的另一端与所述电解电容C24、C27的正极相连；所述电解电容C24、C27的的负极与功率地相连；所述电容C26、C28分别并联在电解电容C24、C27之后，并从电解电容C27的正极引出VM作为输出直流母线电压输出。
4.根据权利要求1所述的一种高电压无刷电机驱动下的恒压水泵控制系统，其特征在于，所述电压转换模块包括电压转换芯片U3、旁路电容C32、反馈电阻R40和R41、电容C33、C34和C36、二极管D10和D11、电感L3、电解电容C35，所述电容C32的一端连接在电压转换芯片U3的旁路端与源端之间，所述反馈电阻R40连接在电压转换芯片U3的反馈端与源端之间，反馈电阻R41一端连接在电压转换芯片U3的反馈端，另一端经过二极管D11至直流电压输出端VCC；所述电容C33与反馈电阻R41并联，电容C34与反馈电阻R40并联，电容C36连接在直流电压输出端VCC与逻辑地之间，所述二极管D10阴极连接在电压转换芯片U3源端，阳极连接到逻辑地，所述电感L3一端连接在电压转换芯片的源端，另一端连接在二极管D11的阳极；所述直流母线电压输出至所述电解电容C36的正极，负极连接到逻辑地。
5.根据权利要求4所述的一种高电压无刷电机驱动下的恒压水泵控制系统，其特征在于，所述处理芯片电源模块U1A包括电容C3、C5和C7，所述处理芯片电源模块的电源输入正端连接所述直流电压输出端VCC，电源输入负端连接逻辑地，电源输出端输出直流电压VDD，所述电容C3一端连接到逻辑地，另一端连接到所述处理芯片驱动脉冲发生模块U1B的第一参考端；所述电容C5连接在逻辑地和直流电压输入端VCC之间，所述电容C7连接在逻辑地和处理芯片驱动脉冲发生模块U1B的电源输出端；所述处理芯片驱动脉冲发生模块U1B包括电容C1、C2、C8、C9和C10，所述电容C1连接在逻辑地和处理芯片驱动脉冲发生模块U1B的第二参考端，所述电容C2连接在逻辑地和所述处理芯片驱动脉冲发生模块U1B的第三参考端，所述电容C8、C9和C10分别连接在驱动脉冲发生模块U1B每一相的栅极驱动电源端和栅极驱动复位端之间；所述处理芯片状态检测模块U1C包括直流母线过压检测电路、无刷电机过流电路和处理芯片过温检测电路，所述直流母线过压检测电路将采样得到的电压输入到处理芯片的电压检测端；所述无刷电机过流检测电路通过采样电阻R32将转化得到的电压值输入到处理芯片的过流检测端；所述处理芯片过温检测电路由热敏电阻与普通电阻分压后，将温度值转换为电压信号输入到过温检测端。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种高电压无刷电机驱动下的恒压水泵控制系统，其特征在于，所述栅极电阻R20和R21的取值为10-150Ω。
CN202210678947.2A 2022-06-15 2022-06-15 一种高电压无刷电机驱动下的恒压水泵控制系统 Pending CN115133815A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210678947.2A CN115133815A (zh) 2022-06-15 2022-06-15 一种高电压无刷电机驱动下的恒压水泵控制系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210678947.2A CN115133815A (zh) 2022-06-15 2022-06-15 一种高电压无刷电机驱动下的恒压水泵控制系统

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115133815A true CN115133815A (zh) 2022-09-30

Family

ID=83377658

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210678947.2A Pending CN115133815A (zh) 2022-06-15 2022-06-15 一种高电压无刷电机驱动下的恒压水泵控制系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115133815A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116760332A (zh) * 2023-06-08 2023-09-15 青岛云集控制技术有限公司 一种用于屏蔽泵的电机控制器

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116760332A (zh) * 2023-06-08 2023-09-15 青岛云集控制技术有限公司 一种用于屏蔽泵的电机控制器

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN206096314U (zh) 一种掉电检测系统及电表系统
CN106160592A (zh) 一种小型化大功率无刷直流电机控制器及布局结构
CN102201701A (zh) 控制电路、电机装置及使用该电机装置的风扇
CN109713949A (zh) 一种无刷直流电机转矩脉动的抑制方法及系统
CN104184111B (zh) 一种高压输电线路地线取电的过压保护电路
CN115133815A (zh) 一种高电压无刷电机驱动下的恒压水泵控制系统
CN103515979A (zh) 低成本的单相一体化能量回馈系统
CN203871274U (zh) 节能型阻容降压继电器控制电路
CN207427014U (zh) 一种无刷直流电机用的集成控制电路
CN108667316A (zh) 交流输入型开关电源
CN102290788B (zh) 一种潜水泵电动机的测量保护装置
CN202750021U (zh) 一种将交流电转换成直流电的转换器
CN209562148U (zh) 一种ipm过电流及过温保护电路
CN207382216U (zh) 一种新型的永磁同步电机电动势检测结构
CN103475074B (zh) 空载低损耗电池充电电路
CN214591177U (zh) 一种交变信息检测电路、功率控制电路和饮水机
CN205245462U (zh) 一种变频空调压缩机控制装置
CN201674458U (zh) 高频斩波及逆变串极调速装置
CN102201767A (zh) 电机装置及使用该电机装置的风扇
CN103391042A (zh) 避免突波电流的马达驱动装置
CN209488160U (zh) 一种输入过欠压保护电路及电器电源
CN206309576U (zh) 一种异步恒压变频控制水泵
CN208874468U (zh) 一种无桥pfc充电电路
CN107086798B (zh) 开关电源电路
CN218570122U (zh) 一种数字化节能ec风机控制器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination