CN202721642U

CN202721642U - 一种直流无刷电机驱动系统

Info

Publication number: CN202721642U
Application number: CN 201220416008
Authority: CN
Inventors: 高勇
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-08-21
Filing date: 2012-08-21
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2022-08-21

Abstract

本实用新型提供一种直流无刷电机的驱动系统，其包括：顺序连接的操控面板、控制模块、功率驱动模块、直流无刷电机和监测模块；所述监测模块还与控制模块相连，所述功率驱动模块还与外电源相连；所述功率驱动模块包括三相逆变电桥、BUCK型开关电源和BUCK型开关电源控制电路；所述BUCK型开关电源的输入端与外电源相连，输出端与三相逆变电桥的输入端相连；所述三相逆变电桥的受控端与控制模块相连，输出端与直流无刷电机相连；所述BUCK型开关电源控制电路的输入端与控制模块相连，输出端与BUCK型开关电源的受控端相连；所述BUCK型开关电源的受控端为一场效应管。采用该系统控制直流无刷电机的转速，电机运转平稳，噪音小，稳定可靠。

Description

一种直流无刷电机驱动系统

技术领域

本发明涉及自动控制领域，尤其涉及一种直流无刷电机驱动系统。

背景技术

直流无刷电机驱动系统通过控制直流无刷电机的有效电压，对直流无刷电机的转速进行调节。

现有的直流无刷电机采用的是稳定输出的直流电源供电，然后通过控制直流无刷电机驱动系统的三相逆变电桥的占空比，实现加到直流无刷电机上的有效电压发生变化，进而实现对直流无刷电机的转速控制。

现有技术的直流无刷电机驱动系统在闭环条件下，三相逆变电桥既需对直流无刷电机的有效电压进行控制，同时又需要将单项直流电转变为三相交流电，这种调节的脉宽调制信号会在电机线上形成干扰杂波，导致直流无刷电机运转不平稳，噪音较大，闭环调速范围窄，稳定性差。

发明内容

为解决现有技术的直流无刷电机系统稳定性差，闭环调速范围窄，电机运转不平稳，噪音较大的缺陷，本发明提供一种直流无刷电机驱动系统。

本发明的直流无刷电机驱动系统的具体结构如下，其包括：顺序连接的操控面板、控制模块、功率驱动模块、直流无刷电机和监测模块；所述监测模块还与控制模块相连，所述功率驱动模块还与外电源相连；所述功率驱动模块包括三相逆变电桥、BUCK型开关电源和BUCK型开关电源控制电路；所述BUCK型开关电源的输入端与外电源相连，输出端与三相逆变电桥的输入端相连；所述三相逆变电桥的受控端与控制模块相连，输出端与直流无刷电机相连；所述BUCK型开关电源控制电路的输入端与控制模块相连，输出端与BUCK型开关电源的受控端相连；所述BUCK型开关电源的受控端为一场效应管。

优选的，所述BUCK型开关电源控制电路由电阻R11、R21、R22、R31、R32，三极管Q1、Q2、Q3和稳压二极管D7构成；所述控制模块的信号输出端接所述电阻R11，所述电阻R11的另一端接所述三极管Q1的基极，所述三极管Q1的射极通过电阻R21接地，所述三极管Q1的集电极通过电阻R22接BUCK型开关电源的输入端，所述三极管Q1的集电极同时接到所述三极管Q2和所述三极管Q3的基极；所述三极管Q2的集电极接地，射极通过所述电阻R32接到所述BUCK型开关电源场效应管Q4A的栅极；所述三极管Q3的集电极接到BUCK型开关电源的输入端，射极通过所述电阻R31接到所述BUCK型开关电源场效应管Q4A的栅极；所述稳压二极管D7的两端分别与所述场效应管Q4A的栅极和源极相接。

优选的，所述三极管Q1为NPN型，所述三极管Q2为PNP型，所述三极管Q3为NPN型。

优选的，所述场效应管Q4A为P型功率MOSFET。

优选的，所述R11阻值为1.6～2.4KΩ，所述R21阻值为4.48～6.72KΩ，所述R22阻值为24～36KΩ，所述R31阻值为80～120KΩ，所述R32阻值为1.2～1.8KΩ。

优选的，所述操控面板包括显示单元和指令输入单元，所述显示单元和指令输入单元分别与控制模块相连。

优选的，所述指令输入单元包括启动或停止按键、正转或反转按键、档位按键和转速旋钮。

优选的，所述操控面板还包括第一单片机，所述显示单元和指令输入单元通过所述第一单片机与所述控制模块相连。

优选的，所述控制模块包括第二单片机，所述第二单片机一端与所述操控面板相连，另一端与所述功率驱动模块相连。

优选的，在所述监测模块与控制模块之间设置一放大电路。

与现有技术相比，本发明的直流无刷电机驱动系统采用一个与三相逆变电桥串联的BUCK型开关电源直接控制输入电压，使加在直流无刷电机上的电压跟随需要变化，这样最大限度的减少了逆变桥的开关变化，使得直流无刷电机的运转更加平稳，噪音小，闭环调速范围宽，稳定性好。

附图说明

图1是本发明直流无刷电机驱动系统的结构示意框图。

图2是发明直流无刷电机驱动系统中BUCK开关电源控制电路的电路图。

具体实施方式

为实现本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明直流无刷电机驱动系统的结构示意框图。

如图1所示，本发明的系统包括：操控面板1，用于录入指令信息、并将指令信息向控制模块2输出；监测模块3，一端与直流无刷电机4相连，另一端与控制模块2相连，用于监测直流无刷电机4的工作状态、并将监测信息向所控制模块2输出；控制模块2，与操控面板1和监测模块3连接，用于接收指令信息和监控信息，并根据指令信息和所述监测信息输出操作指令；功率驱动模块5，一端与控制模块2相连，一端与外电源相连，另一端与直流无刷电机4相连，用于接收控制模块2输出的操作指令，并根据操作指令对外电源进行变压和逆变处理，驱动直流无刷电机4运转。

所述操控面板1具有基本的输入和显示功能，对应的其包括指令输入单元和显示单元，其中，指令输入单元可以是话筒、触摸屏、按键或者旋钮等，本发明的指令输入单元为按键和旋钮形式，该指令输入单元包括启动或停止按键、正转或反转按键、档位按键和转速旋钮等；显示单元一般为屏幕显示，用于显示输入的指令信息和监测模块3反馈的直流无刷电机工4作状态信息，使客户能够及时了解直流无刷电机4的工作情况。

传统操控面板所有的指令输入单元和显示单元分别与控制模块2相连，导致接线数量多，如果操控面板1距离控制模块2较远，将会导致两者间接线混乱，成本升高，且由于控制模块2既要负担直流无刷电机的控制工作，又要负担指令信息和显示信息的处理工作，将会导致控制模块2实时性能降低，故障率提升。为解决这一问题，本发明在操控面板1上设置第一单片机，用于采集指令输入单元的指令信息并将其转变成数字信号后传送给控制模块2，同时接收控制模块2传送的监控信息并将其传送至显示单元，该方案中，操控面板1的指令输入单元和显示单元不需要分别与控制模块2相连，而只要就近连接到第一单片机即可，通过第一单片机与控制模块2之间的通信即可完成指令输入单元和显示单元与控制模块2之间的信号传递。采用该优选方案，简化了系统走线，降低了产品成本，且数字化后的信号抗干扰能力强，保证了信息传递的准确性；同时，第一单片机分担了一部分控制模块2的工作，从而可以使控制模块2实时性能提高，故障率降低，为后续控制模块2的功能升级提供了空间。

所述监测模块3一般包括用于感应电机转子所在位置的反电动势检测电路，用于监测直流无刷电机转速的速度传感器，用于监测直流无刷电机工作电流的电流检测电路，用于监测直流无刷电机工作电压的电压检测电路。上述监测装置一端安装在直流无刷电机4上，另一端与控制模块2相连，将在直流无刷电机4上采集的监测信号输出至控制模块2，具体的监测装置为本领域的常规选择。优选的，在监测模块3与控制模块2之间设置有放大电路，用于对监测信号厄电流值进行放大处理，使得监测信号的抗干扰能力增强，保证反馈过程的准确性。

所述控制模块2包括第二单片机，所述第二单片机接收操控面板1的指令信号，并根据指令信号控制功率驱动模块5工作，使直流无刷电机4在指定的工作状态下工作；同时，第二单片机接收监测模块3输出的监测信息，并将监测信息与指令信息进行对比，判断监测信息与指令信息是否相符，若判断结果为否，则调整对功率驱动模块5的控制，改变功率驱动模块5的输出；另外，控制模块2用于判断监测信息是否为直流无刷电机4工作异常值，若监测信息为直流无刷电机4工作异常值，则控制模块2将该异常情况输出至操控面板1的显示单元，指示客户系统处于异常状态。

所述功率驱动模块5包括依次相连的BUCK型开关电源53和三相逆变电桥51，第二单片机对BUCK型开关电源53进行控制，使BUCK型开关电源53的输出电压幅值符合直流无刷电机4的转速要求。在这里需要注意，由于BUCK型开关电源53的输入电压较第二单片机电源电压高很多，第二单片机欲控制BUCK型开关电源53就必须在第二单片机与BUCK型开关电源53之间加设BUCK型开关电源控制电路52，来控制BUCK型开关电源的输出。

图2为BUCK开关电源控制电路52的电路图，如图2所示，电阻R11一端接控制模块2的第二单片机指令信号的输出端，另一端接三极管Q1的基极；三极管Q1的射极通过电阻R21接地，三极管Q1的集电极通过电阻R22接BUCK型开关电源51的输入端，三极管Q1的集电极同时接到三极管Q2和三极管Q3的基极，其中，三极管Q1可防止BUCK型开关电源的高压对单片机I/O接口的损害；三极管Q2的集电极接地，射极通过电阻R32接到BUCK型开关电源51场效应管Q4A的栅极G；三极管Q3的集电极接到BUCK型开关电源51的输入端，射极通过电阻R31接到BUCK型开关电源51场效应管Q4A的栅极G；BUCK型开关电源51场效应管Q4A的栅极G和源极S分别接稳压二极管D1的两端，同时，源极S接外电源，其中，稳压二极管D1用于使场效应管Q4A的栅极G和源极S之间的电压稳定在某一数值。

本发明中，三极管Q1为NPN型，三极管Q2为PNP型，三极管Q3为NPN型；场效应管Q4A为P型功率MOSFET；所述R11阻值为1.6～2.4KΩ，所述R21阻值为4.48～6.72K Ω，所述R22阻值为24～36KΩ，所述R31阻值为80～120KΩ，所述R32阻值为1.2～1.8KΩ，优选的，R11阻值为2KΩ，所述R21阻值为5.6KΩ，所述R22阻值为30KΩ，所述R31阻值为100KΩ，所述R32阻值为1.5KΩ。

当第二单片机控制信号为高电平时，三极管Q1导通，此时，三极管Q1的集电极电压降低，从而三极管Q3的基极电压低于发射极电压，三极管Q3反向偏置不导通，三极管Q2由于基极电压低于发射极电压，三极管Q2正向偏置导通，三极管Q2发射极电压降低，场效应管Q4A导通，外电源向直流无刷电机供电。

当第二单片机控制信号为低电平时，三极管Q1截止，三极管Q3的基极通过偏置电阻R22接外电源，在集电极与射极之间形成正向压降，三极管Q7导通，而三极管Q2因为电阻R22与外电源连接，导致三极管Q2反偏截止；由于三极管Q3导通，场效应管Q4A的栅极G电压与源极S的电压接近，从而截止，这时通过BUCK型开关电源51中的储能向直流无刷电机供电。

本发明的直流无刷电机驱动系统的工作原理如下：工作时，首先根据直流无刷电机工作需要在操控面板调节转速旋钮录入直流无刷电机目标转速值，并用启动或停止按键启动该系统；控制模块接收操控面板的命令，根据录入的直流无刷电机转速信息输出操作指令，控制BUCK型开关电源控制电路工作，BUCK型开关电源控制电路控制BUCK型开关电源的导通和截止时间；外电源经BUCK型开关电源和三相逆变电桥处理后，驱动直流无刷电机运转；监测模块监测直流无刷电机的实际转速，并将其反馈至控制模块；控制模块接收直流无刷电机的实际转速信息并将其与直流无刷电机目标转速值进行比较，若直流无刷电机的实际转速大于直流无刷电机的目标转速值，则控制BUCK型开关电源的导通时间减小，若直流无刷电机的实际转速大于直流无刷电机目标转速值，则控制BUCK型开关电源的导通时间增大，若直流无刷电机的实际转速等于直流无刷电机目标转速值，则控制BUCK型开关电源的导通时间不变。

本发明的直流无刷电机驱动系统采用一个与三相逆变电桥串联的BUCK型开关电源直接控制输入电压，使加在直流无刷电机上的电压跟随需要变化，这样最大限度的减少了逆变桥的开关变化，使得直流无刷电机的运转更加平稳，噪音小，闭环调速范围宽，稳定性好。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种直流无刷电机驱动系统，其包括：顺序连接的操控面板、控制模块、功率驱动模块、直流无刷电机和监测模块；所述监测模块还与控制模块相连，所述功率驱动模块还与外电源相连；

其特征在于：所述功率驱动模块包括三相逆变电桥、BUCK型开关电源和BUCK型开关电源控制电路；所述BUCK型开关电源的输入端与外电源相连，输出端与三相逆变电桥的输入端相连；所述三相逆变电桥的受控端与控制模块相连，输出端与直流无刷电机相连；所述BUCK型开关电源控制电路的输入端与控制模块相连，输出端与BUCK型开关电源的受控端相连；所述BUCK型开关电源的受控端为一场效应管。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述BUCK型开关电源控制电路由电阻R11、R21、R22、R31、R32，三极管Q1、Q2、Q3和稳压二极管D7构成；

所述控制模块的信号输出端接所述电阻R11，所述电阻R11的另一端接所述三极管Q1的基极，所述三极管Q1的射极通过电阻R21接地，所述三极管Q1的集电极通过电阻R22接BUCK型开关电源的输入端，所述三极管Q1的集电极同时接到所述三极管Q2和所述三极管Q3的基极；

所述三极管Q2的集电极接地，射极通过所述电阻R32接到所述BUCK型开关电源场效应管Q4A的栅极；

所述三极管Q3的集电极接到BUCK型开关电源的输入端，射极通过所述电阻R31接到所述BUCK型开关电源场效应管Q4A的栅极；

所述稳压二极管D7的两端分别与所述场效应管Q4A的栅极和源极相接。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于：所述三极管Q1为NPN型，所述三极管Q2为PNP型，所述三极管Q3为NPN型。

4.如权利要求2所述的系统，其特征在于：所述场效应管Q4A为P型功率MOSFET。

5.如权利要求2所述的系统，其特征在于：所述R11阻值为1.6～2.4KΩ，所述R21阻值为4.48～6.72KΩ，所述R22阻值为24～36KΩ，所述R31阻值为80～120KΩ，所述R32阻值为1.2～1.8KΩ。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述操控面板包括显示单元和指令输入单元，所述显示单元和指令输入单元分别与控制模块相连。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于：所述指令输入单元包括启动或停止按键、正转或反转按键、档位按键和转速旋钮。

8.如权利要求6所述的系统，其特征在于：所述操控面板还包括第一单片机，所述显示单元和指令输入单元通过所述第一单片机与所述控制模块相连。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述控制模块包括第二单片机，所述第二单片机一端与所述操控面板相连，另一端与所述功率驱动模块相连。

10.如权利要求1所述的系统，其特征在于：在所述监测模块与控制模块之间设置一放大电路。