CN201766544U

CN201766544U - 直流电机调速控制器

Info

Publication number: CN201766544U
Application number: CN2010205026240U
Authority: CN
Inventors: 李玉增
Original assignee: NANJING XINYUENENG ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: NANJING XINYUENENG ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2010-08-24
Filing date: 2010-08-24
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2020-08-24

Abstract

本实用新型公开了一种直流电机调速控制器，包括电源和电机控制电路，电源直接串联连接高频开关，高频开关采用高频PWM制式进行调速，电机控制电路部分不再进行调速；高频开关与电机控制电路之间串联有电感，电感两端还分别连接有续流元件和滤波元件。本实用新型的直流电机调速控制器，通过将高频开关直接与电源串联连接，可以将频率提高的更高，从而减小储能续流器件体积；通过滤波元件可以把频率和电感调整到最佳的匹配状态；通过在高频开关与电机控制电路之间串联电感，可以使开关电源的高频电流不再通过电机硅钢片的绕组，不会形成任何涡流，不产生多余热量。本实用新型电路结构简单，元器件少，容易实现，可以大大降低成本，有利于扩大生产。

Description

直流电机调速控制器

技术领域

本实用新型涉及一种直流电机调速控制器，具体涉及一种可以大大降低电路损耗，并且能够有效解决冲击和发热问题从而极大地提高电路效率的直流电机调速控制器。

背景技术

目前，随着“绿色环保”观念的普及和深入人心，电动车作为一种零排放、无污染的清洁环保交通工具，得到了广泛应用。但是，现有的电动车普遍存在以下问题：充电后，使用时间不长；而且在使用过程中，电机发热量非常大，极易损坏电器元件，电池的使用寿命也随之降低。

众所周知，直流电机调速控制器是电动车的核心部件之一。为了提高电动车的性能，就要提高直流电机调速控制器的性能。

现有的直流电机调速控制器，基本都是由斩波器演化而来，而直流无刷电机的调速控制器又最为常见。如图1所示，在现有的直流无刷电机的调速控制原理图中，开关管G₁、G₂、G₃组成上桥，轮流导通完成换相，由低频方波驱动；开关管g₁、g₂、g₃组成下桥，由高频方波驱动。该电路中，上桥的开关管由霍尔给出低频信号控制，在电机最高速度下也只有250Hz左右；下桥的开关管由霍尔低频信号与PWM(约16kHz)组成与门控制，因此是高频信号。电机中由硅钢片与线圈组成的电抗系统，在高频信号的作用下产生两种效果：一是高频信号包络线所形成的反电动势ε(与转速成正比)；二是由于硅钢片(响应频率为10～400Hz)无法响应高频信号而形成的涡流。反电动势ε是做功，而涡流却会产生热量，即(E-ε)I。因此，电路效率与占空比成正比。

为了提高电路效率，人们通常从以下两方面考虑：

其一，将线圈硅钢片改为高频响应好的铁氧体。但是铁氧体的Bm很小，即力矩很小。其二，将PWM改为低频，比如1kHz以内。但是，低速时很容易就会发生磁饱和，当反电动势很小时，会对电池和场管形成巨大冲击。所以，以上两种解决途径都不足取。

发明专利“直流电机调速控制器”(公布号CN101753082A)公开的技术方案，如图2所示，在直流无刷电机的调速控制原理图中，开关管T₁、T₃、T₅组成上桥，轮流导通完成换相，由低频方波驱动；开关管T₂、T₄、T₆组成下桥，由高频方波驱动。开关管T₅通过电感L_a连接在直流电机的A’点，同样，开关管T₁通过电感L_c连接在直流电机的C’点，开关管T₃通过电感L_b连接在直流电机的B’点。该方案从理论上可以解决PWM调整时能量储存的问题。但是，电路中的高频信号仍然会通过电机绕组电抗，仍然会形成涡流，只有剩余的能量才能存储在电感上。此外，该方案还存在以下缺点：第一，由于电感串接在桥臂开关管与电机之间，所以要有三个电感才能满足续流需要，但是三个电感不但会增加成本，而且体积较大，在实际生产和运用中很难与普通直流电机调速控制器相容，不利于扩大生产和降低成本；第二，由于桥臂仍然采用上桥低频驱动，下桥高频驱动的方案，导致下桥开关管的负荷远比上桥开关管重，不对称；第三，要想达到较高的效率，下桥的三个开关管各自的波形都必须调整得非常好，而这在实际运用中是很难实现的。

实用新型内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型提供一种可以大大降低电路损耗，并且能够有效解决冲击和发热问题从而极大地提高电路效率的直流电机调速控制器。

技术方案：为实现上述目的，本实用新型的直流电机调速控制器，包括电源和电机控制电路，所述电源直接串联连接高频开关，所述高频开关采用高频PWM制式进行调速，电机控制电路部分不再进行调速；高频开关与电机控制电路之间串联有电感，电感两端还分别连接有续流元件和滤波元件。高频开关直接与电源串联连接，而不是设置在桥臂上，可以将频率提高的更高，从而减小储能续流元件的体积；滤波元件把频率和电感调整到最佳的匹配状态；开关电源的高频电流，不再通过电机硅钢片的绕组，不会形成任何涡流，不产生多余热量。

作为优选，所述续流元件为二极管，所述滤波元件为电容。二极管和电容的个数分别为一个，可以减小体积，降低成本。

作为优选，所述电机控制电路包括电机和开关管，所述电机为直流无刷电机，所述开关管均在低频下工作。开关管组成上桥和下桥，各个桥臂都在低频下工作，状态是对称的，因此发热小；同时，各个桥臂始终工作在100％导通角下，没有(E-ε)I的冲击和发热问题。

作为优选，所述直流无刷电机为采用硅钢片作磁芯绕制的直流无刷电机。

作为优选，所述电机控制电路包括电机，所述电机为直流有刷电机。

作为优选，所述直流有刷电机为采用硅钢片作磁芯绕制的直流有刷电机。

作为优选，所述高频开关与SG3524芯片或其它具有类似功能的芯片连接并由其提供高频信号进行驱动。

作为优选，所述开关管与33035芯片或其它具有类似功能的芯片连接并由其提供在PWM占空比为100％时的低频信号进行驱动。

有益效果：本实用新型的直流电机调速控制器，通过将高频开关直接与电源串联连接，并对高频开关采用高频PWM制式进行调速，而电机控制电路部分不再进行调速，可以将频率提高的更高，从而减小储能续流器件体积；通过滤波元件可以把频率和电感调整到最佳的匹配状态；通过在高频开关与电机控制电路之间串联电感，可以使开关电源的高频电流不再通过电机硅钢片的绕组，不会形成任何涡流，不产生多余热量。本实用新型电路结构简单，元器件少，容易实现，可以大大降低成本，有利于扩大生产。

附图说明

图1为现有的直流无刷电机的调速控制原理图；

图2为公布号为CN101753082A的发明专利公开的技术方案原理图；

图3为本实用新型实施例公开的直流无刷电机的调速控制原理图；

图4为本实用新型实施例公开的直流无刷电机或直流有刷电机调速控制电路的等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作更进一步的说明。

本实用新型的直流电机调速控制器，可以大大降低电路损耗，并且能够有效解决冲击和发热问题从而极大地提高电路效率。本实用新型的直流电机调速控制器，可以广泛应用于电动自行车、电动摩托车以及电动汽车等多种设备。

如图3所示，本实用新型的直流电机调速控制器，包括电源和电机控制电路，电源直接串联连接高频开关K，高频开关K采用高频PWM制式进行调速，频率范围为20～70KHz，优选频率为50KHz；而电机控制电路部分不再进行调速；高频开关K与电机控制电路之间串联有电感L，电感L两端还分别连接有续流元件和滤波元件。续流元件为二极管，滤波元件为电容C。电感L一端与二极管一端连接，二极管另一端与电源一端连接；电感L另一端与电容C一端连接，电容C另一端与电源连接。本实用新型只用一个二极管和一个电容C，就可以实现续流和滤波的作用，可以减小直流电机调速控制器的体积，能够降低成本。电机控制电路包括电机和开关管，电机为直流无刷电机，开关管均在低频下工作，频率范围为20～400Hz，优选频率为250Hz，且每个开关管内部都包含二极管元件。开关管组成上桥和下桥，各个桥臂都在低频下工作，状态是对称的，因此发热小；开关管与33035芯片连接并由其提供在PWM占空比为100％时的低频信号进行驱动，各个桥臂始终工作在100％导通角下，没有(E-ε)I的冲击和发热问题。高频开关与SG3524芯片连接并由其提供高频信号进行驱动。

同理，当电机控制电路中的电机为直流有刷电机时，在电源上串联连接有高频开关，高频开关与电机控制电路之间串联有电感，电感两端还分别连接有续流元件和滤波元件。续流元件为二极管，滤波元件为电容。电感一端与二极管一端连接，二极管另一端与电源一端连接；电感另一端与电容一端连接，电容另一端与电源连接。

综上，无论是采用直流无刷电机还是直流有刷电机，本实用新型的直流电机调速控制器的调速控制电路的等效电路图都是一样的，如图4所示，其中ε为电机做功时的反电动势。高频开关K直接与电源串联连接，而不是设置在桥臂上，可以将频率提高的更高，从而减小储能续流；滤波元件把频率和电感调整到最佳的匹配状态；开关电源的高频电流，不再通过电机硅钢片的绕组，不会形成任何涡流。

本实用新型的直流电机调速控制器适用于所有采用硅钢片作磁芯绕制的直流电机，包括单相有刷直流电机、三相无刷直流电机和五相无刷直流电机等。

电机运行时温度的升高，直接影响到控制器和电机的寿命和运行可靠性。电机各部分的温度成为电机设计和运行中重要的性能指标之一。在新的国家标准中，详细规定了不同绝缘等级的电机绕组对应的不同的绕组温度。超过此温度，电机寿命将会受到影响，甚至造成电机烧毁。本实用新型的直流电机调速控制器能有效降低电机的升温，不仅可以保证电机的安全性能，而且对提高控制器的使用寿命、节约原材料和电能具有重要的现实意义。

下面通过对比实验证明本实用新型确实具有以上优越性能。

取三辆普通电动车甲、乙、丙，在保证三辆电动车其他性能完全相同的情况下，甲采用图1所示的直流电机调速控制器，乙采用图2所示的直流电机调速控制器，丙采用本实用新型的直流电机调速控制器。在路况相同，电量充足，外界空气温度为20℃的情况下，甲车能行驶30公里，电机温度升高60°～80°；乙车能行驶50公里，电机温度升高20°～40°；而丙车能行驶68公里，电机温度升高10°～20°。

由此可见，本实用新型的直流电机调速控制器的优越性能，不但从理论上可以实现，而且在具体的使用过程中也是可以得到保证的。

直流无刷电机主要由钕铁硼永磁体与硅钢片绕组组成。本实用新型可以有效避免高频电流通过电机硅钢片的绕组形成涡流的不利因素，可以扩大硅钢片的使用范围。永磁体的主要元素为钕铁硼(NdFeB)，钕铁硼是目前性价比最佳的稀土永磁材料：钕铁硼具有体积小、重量轻和磁性强的特点，预计在未来20～30年内不可能出现替代钕铁硼的磁性材料。钕铁硼作为节能环保的朝阳产业，广泛用于信息技术、汽车、核磁共振、风力发电和电机等领域，预计未来3～5年的复合增长率在20％左右。由于中国具有明显的资源、成本和市场优势，世界钕铁硼产业正在向中国转移，本实用新型也必将为钕铁硼更广泛的应用扫除障碍，为中国乃至世界的科技发展做出重大贡献。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种直流电机调速控制器，包括电源和电机控制电路，其特征在于：所述电源直接串联连接高频开关，所述高频开关采用高频PWM制式进行调速，高频开关与电机控制电路之间串联有电感，电感两端还分别连接有续流元件和滤波元件。

2.根据权利要求1所述的直流电机调速控制器，其特征在于：所述续流元件为二极管，所述滤波元件为电容。

3.根据权利要求1所述的直流电机调速控制器，其特征在于：所述电机控制电路包括电机和开关管，所述电机为直流无刷电机，所述开关管均在低频下工作。

4.根据权利要求3所述的直流电机调速控制器，其特征在于：所述直流无刷电机为采用硅钢片作磁芯绕制的直流无刷电机。

5.根据权利要求1所述的直流电机调速控制器，其特征在于：所述电机控制电路包括电机，所述电机为直流有刷电机。

6.根据权利要求5所述的直流电机调速控制器，其特征在于：所述直流有刷电机为采用硅钢片作磁芯绕制的直流有刷电机。

7.根据权利要求1至6任一项所述的直流电机调速控制器，其特征在于：所述高频开关与SG3524芯片连接并由其提供高频信号进行驱动。

8.根据权利要求3或4所述的直流电机调速控制器，其特征在于：所述开关管与33035芯片连接并由其提供在PWM占空比为100％时的低频信号进行驱动。