CN116780945A - 一种新风系统的电机控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新风系统的电机控制器，包括主控模块和功率模块，其中，功率模块包括供电电路、智能功率单元、过流保护电路、隔离调速电路，主控模块包括电机控制芯片以及与电机控制芯片连接的电流采集电路和电压采集电路；供电电路用于将输入交流电转换为智能功率单元、隔离调速电路以及主控模块所需的电压；过流保护电路用于将智能功率单元的驱动电压与阈值电压比较；隔离调速电路用于将调速电压信号转换为电流信号，经光耦合器隔离后将电流信号转换为电压信号输出至电机控制芯片；电机控制芯片用于根据采集的电压信号和电流信号控制输出至智能功率单元的PWM驱动信号的占空比。本方案能够适用于风机负载环境，提高新风系统运行的稳定性。

Description

一种新风系统的电机控制器

技术领域

本发明涉及新风系统控制技术领域，具体涉及一种新风系统的电机控制器。

背景技术

新风系统是由送风系统和排风系统组成的独立空气处理系统，其采用高风压、大流量风机、依靠机械强力由一侧向室内送风，另一侧用专门的排风风机向室外排出的方式强迫在系统内形成新风流动场。

大流量风机是新风系统的核心装置，为了维护整个新风系统的正常运行，需要对风机定期停机检修，导致整个系统的运营成本较高。现有的电机控制器对风机控制的整体稳定性较差，无法对风机速度进行精确控制和调节。例如，专利申请号为2021213218077的中国专利文件请求保护一种多功能新风系统控制器，设有主控MCU以及与主控MCU连接的NTC模块、外部时钟模块、液晶屏、触摸屏、WiFi模块、继电器控制板和用于与新风系统通讯的RS485模块，该控制器虽然在对交流风机的控制上增加了稳定度，但是其在集成化和智能化方面无法满足风机负载环境下的应用需求。

因此，需要提供一种用于新风系统的电机控制器，以解决以上现有技术中存在的问题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供了一种新风系统的电机控制器，采用全数字化和模块化结构设计，能够满足在风机负载环境下，电机输出功率和转速的精确控制，提高新风系统电机控制的自适应性和稳定性，降低新风系统的维护成本。

本发明提供的新风系统的电机控制器包括主控模块和功率模块，其中，功率模块包括供电电路、智能功率单元、过流保护电路、隔离调速电路，主控模块包括电机控制芯片以及与电机控制芯片连接的电流采集电路和电压采集电路；供电电路用于将输入交流电转换为智能功率单元、隔离调速电路以及主控模块所需的电压；过流保护电路用于将智能功率单元的驱动电压与阈值电压比较；隔离调速电路用于将调速电压信号转换为电流信号，经光耦合器隔离后将电流信号转换为电压信号输出至电机控制芯片；电机控制芯片用于根据采集的电压信号和电流信号控制输出至智能功率单元的PWM驱动信号的占空比。

可选地，在上述电机控制器中，供电电路包括电源输入电路和电压转换电路，电源输入电路包括防护电路、整流电路和缓启动电路，

防护电路包括保险丝、压敏电阻、第一安规电容和第二安规电容，保险丝串联在火线输入端，压敏电阻并联在火线和零线之间，第一安规电容并联在零线和地线之间，第二安规电容并联在火线和地线之间；

整流电路连接在防护电路和母线电路之间，包括第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管，火线连接在第一二极管和第三二极管之间，零线连接在第二二极管和第四二极管之间，用于将220V交流电转换为310V直流输入电压，母线电路包括第一母线电容、第二母线电容和与第二母线电容并联的第一电阻、第二电阻、第三电阻和电源指示灯；

缓启动电路包括串联在母线输入端的第一热敏电阻、第二热敏电阻、继电器和继电器控制电路，继电器控制电路包括第五二极管、第一电解电容、第二电解电容、开关管、第四电阻和第五电阻，当第一母线电容和第二母线电容充电电压达到预设值时，开关电源产生的15V电源电压给第一电解电容和第二电解电容充电，通过开关管控制继电器导通，使得第一热敏电阻和第二热敏电阻短接。

可选地，在上述电机控制器中，电压转换电路采用TMG0565作为开关电源控制芯片，用于将310V直流输入电压转换为15V电源电压和15V隔离电压，15V电源电压用于为智能功率单元供电并控制继电器导通。

可选地，在上述电机控制器中，电压转换电路采用第一LDO稳压器将15V电源电压转换为3.3V电压为主控模块供电，采用第二LDO稳压器将15V隔离电压转换5V隔离电压为隔离调速电路供电，采用第三LDO稳压器将15V隔离电压转换10V隔离电压为隔离调速电路供电。

可选地，在上述电机控制器中，过流保护电路与智能功率单元连接，用于通过第一采样电阻、第二采样电阻和第三采样电阻将采集的电机电流转换为电机电压，通过电压比较器将电机电压与阈值电压比较，当电机电压超过阈值电压时，电压比较器输出过流信号至智能功率单元，使智能功率单元停止工作，并输出故障信号至主控模块，使主控模块停止输出PWM信号；智能功率单元内部集成有热敏电阻，与故障信号复用故障输出引脚。

可选地，在上述电机控制器中，隔离调速电路包括电压转换电路、第一光耦合器和电流转换电路，电压转换电路用于将调速电压信号经运算放大器转换为电流信号，第一光耦合器用于对电流信号进行电气隔离，电流信号经过反相放大器转换为电压信号输出至主控模块。

可选地，在上述电机控制器中，功率模块还包括风扇驱动电路，风扇驱动电路采用15V隔离电压供电，包括隔离电路和分压电路，隔离电路用于通过第二光耦合器对风扇驱动信号进行隔离，分压电路包括第一分压电阻和第二分压电阻，第一分压电阻和第二分压电阻用于对15V隔离电压进行分压。

可选地，在上述电机控制器中，主控模块采用IRMCF171作为电机控制芯片，电机控制芯片的外围电路包括4MHz晶振电路、6路PWM信号输出端口、故障检测端口、电流采集电路和电压采集电路，6路PWM信号输出端口连接至智能功率单元，电流采集电路用于采集电机电流实现电机的反馈控制，电压采集电路用于采集故障电压和母线电压。

可选地，在上述电机控制器中，电机控制芯片内部集成两路运算放大电路，通过外接电流采集电路组成差分放大电路采集电机电流。

可选地，在上述电机控制器中，电机控制器用于驱动新风系统的永磁同步电机，通过控制面板输出的0-10V控制信号控制电机的启停和转速大小。

根据本发明的方案，采用全数字化和模块化结构设计，能够满足在风机负载环境下，风机功率和转速的精确控制，提高风机控制的自适应性和稳定性，降低新风系统的维护成本。

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

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了根据本发明一个实施例的电机控制器总体架构图；

图2示出了根据本发明一个实施例的电源输入电路的结构示意图；

图3示出了根据本发明一个实施例的电压转换电路的结构示意图；

图4示出了根据本发明一个实施例的智能功率单元和过流保护电路的结构示意图；

图5示出了根据本发明一个实施例的隔离调速电路的结构示意图；

图6示出了根据本发明一个实施例的风扇驱动电路的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

新风系统的风机是整个系统的核心部件，控制器是新风系统中的智能控制部分，可以控制电机、散热风扇等部分的工作状态，实现自动化调节和控制，通过控制器可以设置系统的工作模式、风量、温度等参数。

为了实现新风系统风机的高精度数字化伺服控制，本方案采用永磁同步电机作为新风系统风机，提供了一种新风系统的电机控制器，用于驱动永磁同步电机，应用于风机负载环境下。电机的启停和调速可由新风系统控制面板输出的0-10V电压信号控制和电位计无极调速控制。

图1示出了根据本发明一个实施例的电机控制器总体架构图。如图1所示，该电机控制器包括主控模块和功率模块，其中，功率模块包括供电电路、智能功率单元、过流保护电路、隔离调速电路，主控模块包括电机控制芯片以及与电机控制芯片连接的电流采集电路和电压采集电路。

供电电路用于将输入交流电转换为智能功率单元、隔离调速电路以及主控模块所需的电压；过流保护电路用于将智能功率单元的驱动电压与阈值电压比较；隔离调速电路用于将调速电压信号转换为电流信号，经光耦合器隔离后将电流信号转换为电压信号输出至电机控制芯片；电机控制芯片用于根据采集的电压信号和电流信号控制输出至智能功率单元的PWM驱动信号的占空比。从而实现对电机的启停控制和调速控制。

根据本发明的一个实施例，控制器采用220V交流电源供电，供电电路可以包括电源输入电路和电压转换电路，其中，电源输入电路包括防护电路、整流电路和缓启动电路。

图2示出了根据本发明一个实施例的电源输入电路的结构示意图。如图2所示，防护电路包括保险丝F1、压敏电阻VAR1、第一安规电容CY1和第二安规电容CY2。保险丝F1串联在火线输入端L，压敏电阻VAR1并联在火线L和零线N之间，第一安规电容CY1并联在零线N和地线PE之间，第二安规电容CY2并联在火线L和地线PE之间。

整流电路为第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4组成的桥式整流电路BR1，用于将220V交流电转换为310V直流输入电压，其中火线L接在D1和D3之间，零线接在D2和D4之间。

缓启动电路包括串联在母线输入端的第一热敏电路RT1、第二热敏电阻RT2、继电器RLY1和继电器控制电路，继电器控制电路包括第五二极管D5、第一电解电容EC2、第二电解电容EC3、开关管Q1、第四电阻R21和第五电阻R22。

母线电路包括并联在母线输入端的第一母线电容CAP1、第二母线电容CAP2以及与第二母线电容CAP2并联的第六电阻R9、第七电阻R11、第八电阻R15和电源指示灯LED1。在第一母线电容CAP1、第二母线电容CAP2充电到预设电压值时，由开关电源VCC给第一电解电容EC2和第二电解电容EC3充电，从而控制继电器RLY1导通，使得第一热敏电阻RT1和第二热敏电阻RT2短接，而不影响系统正常工作。

缓启动电路可以防止母线电容充电电流过大损坏整流桥。上电时，电流首先经第一热敏电阻RT1和第二热敏电阻RT2给母线电容缓慢充电，当母线电容达到一定值时满足开关电源工作条件，由开关电源产生15V电源电压，给电解电容EC3充电，从而控制继电器导通，再使第一热敏电阻RT1和第二热敏电阻RT2短接，从而达到缓启动的效果。

由于控制器内部需要VCC、15V_ISO、+10V_ISO、5V_ISO、+3.3V五路供电电源。因此需要电压转换电路对电源输入电路输出的310V直流输入电压进行电压变换。

图3示出了根据本发明一个实施例的电压转换电路的结构示意图。如图3所示，内部电源电压主要有VCC、15V_ISO、+10V_ISO、5V_ISO、+3.3V五路。其中，VCC和15V_ISO采用开关电源芯片产生，例如开关电源U4采用TMG0565作为开关电源控制芯片，输入为310V直流输入电压，经变压器U2将310V直流输入电压转换为15V电源电压和15V隔离电压15V_ISO两路电压。15V电源电压VCC用于为智能功率单元供电，并控制缓启动电路中继电器导通。

其后15V_ISO还需要转换为+10V_ISO、5V_ISO，用于调速电路的供电，VCC还需要转换为+3.3V为主控模块供电。可以通过第一LDO稳压器U1采用AMS1117-3.3将15V电源电压转换为3.3V电压、第二LDO稳压器U3采用78L05三端集成稳压器将15V隔离电压转换为5V隔离电压，第三LDO稳压器U6采用78L10三端集成稳压器将15V隔离电压转换为10V隔离电压。

智能功率单元可以采用英飞凌IKCM20F60GA功率驱动器模块，该模块自带温度检测、故障输出功能。但是智能功率单元本身不具有电流采集功能，可以通过第一采样电阻、第二采样电阻和第三采样电阻将采集的三相电机电流转换为电机电压，通过电压比较器将电机电压与阈值电压比较，当电机电压超过阈值电压时，电压比较器输出过流信号至智能功率单元，使智能功率单元停止工作，并输出故障信号至主控模块，使主控模块停止输出PWM信号。

图4示出了根据本发明一个实施例的智能功率单元和过流保护电路的结构示意图。如图4所示，其中，智能功率单元采用IKCM20F60GA，其内部集成了功率半导体和控制芯片，控制芯片内部集成有NTC热敏电阻和故障信号复用VFO故障输出引脚，可以根据主控模块的低电平触发实现硬件过温保护。HIN1、HIN2、HIN3、LIN1、LIN2、LIN3分别接收主控模块输出的PWMUH、PWMVH、PWMWH、PWMUL、PWMVL、PWMWL驱动信号。

过流保护电路与智能功率单元连接，用于通过第一采样电阻R32、第二采样电阻R33和第三采样电阻R34采集三相电机电流后将电机电流转换为电机电压，通过电压比较器LM393DR2G与阈值电压比较，当电机电压超过阈值电压时，电压比较器LM393DR2G输出过流信号至智能功率单元的ITRIP引脚，使智能功率单元停止工作，同时输出故障信号至主控模块的VFO引脚，使主控模块接收到VFO信号后停止输出PWM信号。

为了使外部调速信号与内部电路电气隔离，可以通过隔离调速电路放置外部信号的干扰。图5示出了根据本发明一个实施例的隔离调速电路的结构示意图。如图5所示，隔离调速电路包括电压转换电路、第一光耦合器HCNR200和电流转换电路。其中，电压转换电路用于将调速电压信号（SPEED，VIN0V-10V）经运算放大器U19A和U19B组成的恒流源电路转换为电流信号，然后经第一光耦合器HCNR200实现电流信号的电气隔离，电流信号经过反相放大器U18A和U18B转换为电压信号输出至主控模块的AIN2引脚。

电机控制器采用风冷散热，位于电机控制器底部的散热风扇还需要风扇驱动电路为其提供驱动电压，风扇驱动电路采用15V隔离电压供电，包括隔离电路和分压电路，隔离电路用于通过第二光耦合器对风扇驱动信号进行隔离，分压电路包括第一分压电阻和第二分压电阻，第一分压电阻和第二分压电阻用于对15V隔离电压进行分压。

图6示出了根据本发明一个实施例的风扇驱动电路的结构示意图。如图6所示，风扇驱动电路包括第二光耦合器EL8175、第一分压电阻R98和第二分压电阻R99。

风扇额定供电电压为12V，为了防止15V隔离电源电压过高损坏风扇，可以在风扇驱动电路中串联第一分压电阻R98和第二分压电阻R99，用于对15V隔离电压进行分压后为散热风扇供电。两个分压电阻需要分压3V，经过计算得到其分压电阻值为75欧姆。

主控模块采用IRMCF171作为电机控制芯片，该芯片具有独立的运动控制引擎实现电机控制算法，内嵌8051内核，只需输入简单参数即可对电机进行控制。

其外围电路包括4MHz晶振电路、电流采集电路、电压采集电路等。内部集成有两路运算放大电路可输出6路PWM信号用于驱动智能功率单元，还具有故障检测端口，用于接收VFO信号，在VFO信号为低电平时触发信号停机。

IRMCF171内部集成两路运算放大电路，通过外接电流采集电路组成差分放大电路采集电机电流，采集结果直接输出到内部寄存器。电压采集电路用于采集故障电压和母线电压对电机进行过压、欠压和过温保护。在主控模块的驱动控制下，电机功率可以输出300W/550W/750W/1.5kW，通过控制面板输出的0-10V控制信号控制电机的启停和转速大小，电机转速可以在0-1500r/min。

根据本发明提供的电机控制器，能够对新风系统中的永磁同步电机实现过流、堵转、过压、欠压和过温保护，提高风机运行的稳定性，降低维护成本。通过数字化驱动能够实现风机转速的高精度调节，使电机更加适用于新风系统负载环境下。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员应当理解在本文所公开的示例中的设备的模块或单元或组件可以布置在如该实施例中所描述的设备中，或者可替换地可以定位在与该示例中的设备不同的一个或多个设备中。前述示例中的模块可以组合为一个模块或者此外可以分成多个子模块。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书（包括伴随的权利要求、摘要和附图）中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书（包括伴随的权利要求、摘要和附图）中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。此外，所述实施例中的一些在此被描述成可以由计算机系统的处理器或者由执行所述功能的其它装置实施的方法或方法元素的组合。因此，具有用于实施所述方法或方法元素的必要指令的处理器形成用于实施该方法或方法元素的装置。此外，装置实施例的在此所述的元素是如下装置的例子：该装置用于实施由为了实施该发明的目的的元素所执行的功能。

如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (10)

1.一种新风系统的电机控制器，其特征在于，包括主控模块和功率模块，所述功率模块包括供电电路、智能功率单元、过流保护电路、隔离调速电路，所述主控模块包括电机控制芯片以及与电机控制芯片连接的电流采集电路和电压采集电路；

所述供电电路用于将输入交流电转换为智能功率单元、隔离调速电路以及主控模块所需的电压；

所述过流保护电路用于将智能功率单元的驱动电压与阈值电压比较；

所述隔离调速电路用于将调速电压信号转换为电流信号，经光耦合器隔离后将电流信号转换为电压信号输出至电机控制芯片；

所述电机控制芯片用于根据采集的电压信号和电流信号控制输出至智能功率单元的PWM驱动信号的占空比。

2.根据权利要求1所述的电机控制器，其特征在于，所述供电电路包括电源输入电路和电压转换电路，所述电源输入电路包括防护电路、整流电路和缓启动电路，

所述防护电路包括保险丝、压敏电阻、第一安规电容和第二安规电容，所述保险丝串联在火线输入端，所述压敏电阻并联在火线和零线之间，所述第一安规电容并联在零线和地线之间，所述第二安规电容并联在火线和地线之间；

所述整流电路连接在所述防护电路和母线电路之间，包括第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管，所述火线连接在第一二极管和第三二极管之间，所述零线连接在第二二极管和第四二极管之间，用于将220V交流电转换为310V直流输入电压，所述母线电路包括第一母线电容、第二母线电容和与所述第二母线电容并联的第一电阻、第二电阻、第三电阻和电源指示灯；

所述缓启动电路包括串联在母线输入端的第一热敏电阻、第二热敏电阻、继电器和继电器控制电路，所述继电器控制电路包括第五二极管、第一电解电容、第二电解电容、开关管、第四电阻和第五电阻，当所述第一母线电容和第二母线电容充电电压达到预设值时，开关电源产生的15V电源电压给所述第一电解电容和第二电解电容充电，通过所述开关管控制所述继电器导通，使得所述第一热敏电阻和第二热敏电阻短接。

3.根据权利要求2所述的电机控制器，其特征在于，所述电压转换电路采用TMG0565作为开关电源芯片，用于将310V直流输入电压转换为15V电源电压和15V隔离电压，所述15V电源电压用于为所述智能功率单元供电并控制所述继电器导通。

4.根据权利要求3所述的电机控制器，其特征在于，所述电压转换电路采用第一LDO稳压器将所述15V电源电压转换为3.3V电压为所述主控模块供电，采用第二LDO稳压器将15V隔离电压转换5V隔离电压为所述隔离调速电路供电，采用第三LDO稳压器将15V隔离电压转换10V隔离电压为所述隔离调速电路供电。

5.根据权利要求1所述的电机控制器，其特征在于，所述过流保护电路与所述智能功率单元连接，用于通过第一采样电阻、第二采样电阻和第三采样电阻将采集的电机电流转换为电机电压，通过电压比较器将电机电压与阈值电压比较，当电机电压超过阈值电压时，电压比较器输出过流信号至智能功率单元，使所述智能功率单元停止工作，并输出故障信号至所述主控模块，使所述主控模块停止输出PWM信号；

所述智能功率单元内部集成有热敏电阻，与所述故障信号复用故障输出引脚。

6.根据权利要求1所述的电机控制器，其特征在于，所述隔离调速电路包括电压转换电路、第一光耦合器和电流转换电路，所述电压转换电路用于将调速电压信号经运算放大器转换为电流信号，所述第一光耦合器用于对所述电流信号进行电气隔离，所述电流信号经过反相放大器转换为电压信号输出至所述主控模块。

7.根据权利要求3所述的电机控制器，其特征在于，所述功率模块还包括风扇驱动电路，所述风扇驱动电路采用15V隔离电压供电，包括隔离电路和分压电路，所述隔离电路用于通过第二光耦合器对风扇驱动信号进行隔离，所述分压电路包括第一分压电阻和第二分压电阻，所述第一分压电阻和第二分压电阻用于对所述15V隔离电压进行分压。

8.根据权利要求1所述的电机控制器，其特征在于，所述主控模块采用IRMCF171作为电机控制芯片，所述电机控制芯片的外围电路包括4MHz晶振电路、6路PWM信号输出端口、故障检测端口、电流采集电路和电压采集电路，所述6路PWM信号输出端口连接至所述智能功率单元，所述电流采集电路用于采集电机电流，所述电压采集电路用于采集故障电压和母线电压。

9.根据权利要求8所述的电机控制器，其特征在于，所述电机控制芯片内部集成两路运算放大电路，通过外接所述电流采集电路组成差分放大电路采集电机电流。

10.根据权利要求1所述的电机控制器，其特征在于，所述电机控制器用于驱动新风系统的永磁同步电机，通过控制面板输出的0-10V控制信号控制电机的启停和转速大小。