CN205304653U - 一种基于无刷直流电机的双面式通风机控制系统 - Google Patents

Abstract

一种基于无刷直流电机的双面式通风机控制系统，包括交流电源、无刷直流电机BLDCM、微控制芯片、驱动电路和逆变电路，其技术要点是：所述微控制芯片通过隔离电路连接驱动电路，驱动电路通过逆变电路连接无刷直流电机BLDCM，交流电源通过整流电路分别连接隔离电路、驱动电路和逆变电路，逆变电路通过电流采样与保护电路连接微控制芯片，无刷直流电机BLDCM通过反电势检测电路连接微控制芯片。本实用新型适用于通风机的使用，并采用反电势检测电路来取代位置传感器对电机运行的调控，达到调速性能的稳定、节能高效、高精度的效果，实现了通风机双面式通风的目的。

Description

一种基于无刷直流电机的双面式通风机控制系统

技术领域：

本实用新型涉及通风机驱动控制系统技术领域，具体涉及一种基于无刷直流电机的双面式通风机控制系统。

背景技术：

随着经济和工业的快速发展，通风机广泛应用于工厂、矿井、冷却塔、车辆、船舶、建筑物的通风、排尘、冷却等工业领域。由于无刷直流电机既拥有普通直流电机的运行效率高、调速性能好等一系列优点，又具备交流电机的结构简单、维护方便、使用寿命长、运行可靠等优势，若将无刷直流电机用作通风机的驱动电机，则会提高通风机的各项工作性能。然而，无刷直流电机中的有位置传感器控制方法有其不可避免的缺点，位置传感器的安装使电机结构复杂，增大电机体积，且在一些潮湿、高温、高压、强电磁干扰情况下会影响位置传感器的精度。此外，由于电机运动中的抖动，可能导致位置传感器的脱落，降低系统的安全可靠性，且维修困难。

发明内容：

本实用新型为克服现有技术的不足，提供了一种基于无刷直流电机的双面式通风机控制系统，其适用于通风机的使用，并采用反电势检测电路来取代位置传感器对电机运行的调控，克服位置传感器存在的上述缺陷。

本实用新型的基于无刷直流电机的双面式通风机控制系统，包括交流电源、无刷直流电机BLDCM、微控制芯片、驱动电路和逆变电路，为实现上述目的所采用的技术方案在于：所述微控制芯片通过隔离电路连接驱动电路，驱动电路通过逆变电路连接无刷直流电机BLDCM，交流电源通过整流电路分别连接隔离电路、驱动电路和逆变电路，逆变电路通过电流采样与保护电路连接微控制芯片，无刷直流电机BLDCM通过反电势检测电路连接微控制芯片。

作为本实用新型的进一步改进，所述整流电路分别通过两块电源转换模块连接隔离电路和驱动电路，分别将交流电源降为5V和15V的直流电源供给隔离电路和驱动电路，以提供适于两者应用的电源电压。

作为本实用新型的进一步改进，所述微控制芯片连接复位电路，控制无刷直流电机BLDCM复位。

作为本实用新型的进一步改进，所述微控制芯片连接调速电路，微控制芯片通过调速电路能够根据用户需要很方便地调节转速控制通风机风量大小。

作为本实用新型的进一步改进，所述微控制芯片连接时钟电路，通过时钟电路为微控制芯片的内核和外设模块提供时钟输入信号。

作为本实用新型的进一步改进，所述微控制芯片连接启停按键和正反转按键，通过启停按键控制通风机的启动与停止，通过正反转按键实现压入式通风和抽出式通风的双面通风功能。

作为本实用新型的进一步改进，所述微控制芯片连接RS485通信模块，通过RS485通信模块方便与上位机相连接进行调试。

作为本实用新型的进一步改进，所述微控制芯片连接LED显示模块，通过LED显示模块显示转速、转向等信息。

本实用新型的有益效果是：本实用新型通过电流采样与保护电路将电流信号传送给微控制芯片，通过反电动势检测电路检测反电势信号传给微控制芯片处理为转子位置信号和转速信号，并与给定速度设定值进行比较，比较后微控制芯片将输出的六路PWM信号经过隔离电路后传送给驱动电路控制逆变电路中的功率开关管的开通关断，进而实时地调控无刷直流电机BLDCM运行时的转速，在无位置传感器条件下达到调速性能的稳定、节能高效、高精度、正反转的效果，实现了通风机双面式通风的目的。且本实用新型中无刷直流电机BLDCM具有过载能力强、调速范围宽等优点，可实现无级调速，操作控制方便。

附图说明：

图1是本实用新型的结构原理图；

图2是本实用新型的控制策略图；

图3是本实用新型中的隔离电路图；

图4是本实用新型中的驱动电路图；

图5是本实用新型中的电流检测与过流保护电路图；

图6是本实用新型中的反电动势检测电路图。

具体实施方式：

参照图1，该基于无刷直流电机的双面式通风机控制系统，包括交流电源4、无刷直流电机BLDCM1、微控制芯片2、驱动电路7和逆变电路8，所述微控制芯片2通过隔离电路6连接驱动电路7，驱动电路7通过逆变电路8连接无刷直流电机BLDCM1，交流电源4通过整流电路3分别连接隔离电路6、驱动电路7和逆变电路8，逆变电路8通过电流采样与保护电路9连接微控制芯片2，无刷直流电机BLDCM1通过反电势检测电路10连接微控制芯片2的CAP模块，通过控制程序把反电势检测信号处理为反电势过零点信号，计算出换相信号和转速输送给微控制芯片2的PWM模块，所述整流电路3分别通过两块电源转换模块5连接隔离电路6和驱动电路7，所述微控制芯片2分别连接复位电路11、调速电路12、时钟电路16、启停按键14、正反转按键15、RS485通信模块13及LED显示模块17，复位电路11连接微控制芯片的MCLB模块，调速电路12连接微控制芯片2的A/D模块、RS485通信模块13连接微控制芯片2的I²C模块，启停按键14、正反转按键15连接微控制芯片2的I/O模块，时钟电路16连接微控制芯片2的OSC模块，LED显示模块17连接微控制芯片2的SPI模块。

所述整流电路3为三相桥式整流电路，三相桥式整流电路将220V交流电源转换为直流电源供给逆变电路8，整流电路3输出的直流电源通过其中一个电源转换模块5降为5V供给隔离电路6，通过另一个电源转换模块5降为15V供给驱动电路7，微控制芯片2内的PWM模块将六路PWM信号经过隔离电路6和驱动电路7后驱动逆变电路8中的功率开关管，进而驱动控制通风机中的无刷直流电机BLDCM1。电流采样与保护电路9将逆变电路8输给无刷直流电极BLDCM1的电流信号采集后反馈给微控制芯片2中的A/D模块，再输送给PWM模块，形成电流闭环；反电势检测电路10将电压检测信号输送给微控制芯片2中的CAP模块转换为反电势过零点信号，计算出换相信号和电机转速信号输送给PWM模块，形成转速闭环。双闭环控制能够很好地控制电机转矩大小，减小转矩脉动，无位置传感器的控制方式使电机稳定可靠运行，提高工作效率。微控制芯片2通过调速电路12能够根据用户需要很方便地调节转速控制通风机风量大小，通过启停按键14控制通风机的启动与停止，通过正反转按键15实现压入式通风和抽出式通风的双面通风功能，通过LED显示模块17显示转速、转向等信息，通过RS485通信模块13方便与上位机相连接进行调试。

参见图2，本实用新型的控制方式采用双闭环控制方式，电流采样与保护电路9中的电路检测部分采集到逆变电路8输给无刷直流电机BLDCM1的电流信号后与给定电流进行比较，形成电流闭环，将电流信号输送给微控制芯片2的PWM模块；反电势检测电路10将电压检测信号处理为反电势过零点信号，进而计算出换相信号和电机转速，换相信号输送给微控制芯片2的PWM模块，电机转速与给定速度比较，形成速度闭环，即PID调节。

参见图3，隔离电路6采用高速光耦隔离器件6N137实现输入输出信号的电气隔离，能够在高频应用场合中很好地消除干扰。当控制电路送来高电平信号时，光耦6N137导通，驱动电路7向MOSFET提供+15V电压；当控制电路送来低电平信号时，光耦6N137截止，驱动电路7向MOSFET提供－5V电压，使MOSFET关闭。隔离电路6具有短路保护、过流保护的功能。

参见图4，逆变电路8采用三相桥式逆变电路，由微控制芯片2产生六路的PWM脉冲经过隔离电路6后，其中PWM1H和PWM1L分别送到IR2110S的HIN、LIN管脚，经IR2110S内部处理产生两个驱动信号驱动一个桥臂的两个功率管MOSFET。其中C8是自举电容，为上桥臂功率驱动的悬浮电源存储能量，D1的作用防止上桥臂导通时的直流母线的电压到IR2110S的电源上而使器件损坏，因此应有足够的反向耐压，当然由于D1与C8串联，为了满足主电路功率管开关频率的要求，D1选用快速恢复二极管，而且自举电容取决于被驱动功率器件的开关频率、占空比以及充电回路电阻，必须保证电容充电到足够的电压。在电路中，自举电容选用电解电容。R13、R14、R15和R16作为限流电阻，防止驱动信号电流过大，损坏器件。图4中仅为连接电动机A相绕组桥臂的驱动电路。同理，连接另外两相绕组的桥臂驱动电路类似。

参见附图5，为了获得电机的电流反馈，在DC母线负电压与地之间连接了一个低阻值的电流检测电阻R21，由此电阻产生的电压被一个外部运放LM358放大并反馈到U1B中的5引脚。电流采样与保护电路中的保护电路部分，其目的是当发生过流时，可以保护电机。微控制芯片2有一个FLTA脚，当得到低电平输出时，可以关断PWM的有效输出，使之成为无效。这是一个硬件处理的机制，因此可以快速处理故障事件，以实现安全操作。通过与电流反馈电路相连接的比较器电路U1B可以获得故障输入信号，且比较器门限值可通过R26和R28分压调节，即通过U1B对应的参考电流大小，就可以确定保护电流的大小。

参见附图6，无刷直流电机BLDCM1不使用位置传感器，需要检测到转子的位置以准确换相。本控制系统通过反电势法检测转子位置，即通过检测反向电动势来确定电机转子磁极的位置。在电机实际运行中不能直接检测反电势，必须利用间接方法才能检测到反电势。三相反电动势检测电路如图6所示，图中画出了3个检测通道，分别是U、V、W三相反电动势的检测，其电路原理其实是简单的电阻分压网络，主要是为了将较高的信号电压降低，满足微控制芯片2的A/D转换输入要求。R29和C13构成低通滤波器，R29与R31构成U相端电压网络，由于芯片只在一定的电压范围内0-3.3V才能进行采样，U相端电压经过两电阻分压之后进行采样，R30起限流的作用。三相电压经过R29和R31的分压后，再经过R30进入微控制芯片2的CAP模块的AN0、AN1、AN2这3个管脚，用AN0、AN1、AN2实现电机端电压检测，得到反电动势过零点。在PWM开通期间，检测处于不通电相绕组的端电压，其值等于电源电压的一半时为反电动势过零点信号。

Claims (8)

1.一种基于无刷直流电机的双面式通风机控制系统，包括交流电源(4)、无刷直流电机BLDCM(1)、微控制芯片(2)、驱动电路(7)和逆变电路(8)，其特征在于：所述微控制芯片(2)通过隔离电路(6)连接驱动电路(7)，驱动电路(7)通过逆变电路(8)连接无刷直流电机BLDCM(1)，交流电源(4)通过整流电路(3)分别连接隔离电路(6)、驱动电路(7)和逆变电路(8)，逆变电路(8)通过电流采样与保护电路(9)连接微控制芯片(2)，无刷直流电机BLDCM(1)通过反电势检测电路(10)连接微控制芯片(2)。

2.如权利要求1所述的一种基于无刷直流电机的双面式通风机控制系统，其特征在于：所述整流电路(3)分别通过两块电源转换模块(5)连接隔离电路(6)和驱动电路(7)。

3.如权利要求1所述的一种基于无刷直流电机的双面式通风机控制系统，其特征在于：所述微控制芯片(2)连接复位电路(11)。

4.如权利要求1所述的一种基于无刷直流电机的双面式通风机控制系统，其特征在于：所述微控制芯片(2)连接调速电路(12)。

5.如权利要求1所述的一种基于无刷直流电机的双面式通风机控制系统，其特征在于：所述微控制芯片(2)连接时钟电路(16)。

6.如权利要求1所述的一种基于无刷直流电机的双面式通风机控制系统，其特征在于：所述微控制芯片(2)连接启停按键(14)和正反转按键(15)。

7.如权利要求1所述的一种基于无刷直流电机的双面式通风机控制系统，其特征在于：所述微控制芯片(2)连接RS485通信模块(13)。

8.如权利要求1所述的一种基于无刷直流电机的双面式通风机控制系统，其特征在于：所述微控制芯片(2)连接LED显示模块(17)。