CN208539813U - 一种电机转速闭环控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种电机转速闭环控制系统，其不仅可有效实现闭环控制，且无需依靠霍尔元件或编码器等外部传感器，操作简单，成本低；其包括顺序闭环连接的供电电源、直流调速控制电路结构、电机，其还包括电流检测电路结构、隔直放大电路结构、处理比较电路结构，直流调速控制电路结构、电流检测电路结构、隔直放大电路结构、处理比较电路结构顺序闭环电连接，电流检测电路结构电连接于直流调速控制电路结构、电机之间。

Description

一种电机转速闭环控制系统

技术领域

本实用新型涉及电机控制技术领域，具体为一种电机转速闭环控制系统。

背景技术

在电机控制系统中，任何一台需要调控转速的设备，都会对其调速性能有一定的要求，如稳态运行时允许的速度波动的范围、负载突变时的转速波动大小等，一般在转速开环的直流调速系统中，直流电机的转速变换是由直流电机的参数和电机两端所加电压决定的，当系统电压固定后，系统负载的波动对转速影响很大；直流电机如果需要得到更好的静态和动态性能，就需要构成转速闭环的控制系统，转速闭环的控制系统具有减小转速降落、减小静差率、扩大调速范围等优点，市场上常见的转速反馈方式为采用霍尔元件或编码器等传感器来反馈转速，从而实现转速闭环控制，但采用传感器来反馈转速的系统对霍尔元件或编码器的安装位置有具体的要求，安装方式相对复杂，从而会增加电机的生产制造成本，且霍尔元件或编码器等传感器的成本相对较高，会进一步增加整个电机系统的成本。

发明内容

针对现有依靠霍尔元件或编码器等外部传感器来检测转速，从而实现转速闭环控制的方案，不仅安装结构复杂，且成本较高的问题,本实用新型提供了一种电机转速闭环控制系统，其不仅可有效实现闭环控制，且无需依靠霍尔元件或编码器等外部传感器，操作简单，成本低。

其技术方案是这样的：其包括顺序闭环连接的供电电源、直流调速控制电路结构、电机，其特征在于：其还包括电流检测电路结构，对控制系统进行电流检测，将电流信号转变为电压信号；

隔直放大电路结构，滤除所述电流检测电路结构的电流检测信号中的直流电压量，并将转变来的脉动电压信号放大；

处理比较电路结构，将放大后的脉动电压信号处理成为所述控制系统可处理的方波信号，从而得到速度反馈信号，将处理后的速度信号反馈给所述直流调速控制电路结构，实现转速闭环控制；

所述直流调速控制电路结构、电流检测电路结构、隔直放大电路结构、处理比较电路结构顺序闭环电连接，所述电流检测电路结构电连接于所述直流调速控制电路结构、电机之间。

其进一步特征在于：

所述电流检测电路结构包括采样电阻R_SENSE，所述采样电阻R_SENSE接于所述直流调速控制电路结构和参考地之间；所述直流调速控制电路结构包括单片机MCU、电阻R11、R12、R13、二极管D1、NPN型三极管Q1、Q3、PNP型三极管Q4、可控开关Q2，所述三极管Q1基极接入所述单片机MCU中，所述三极管Q1集电极经所述电阻R12后接电源VCC、且与所述三极管Q3、Q4的基极均相连接，所述三极管Q1、Q4的发射极相连后接地，所述三极管Q3的集电极接所述电源VCC，所述三极管Q3的发射极、三极管Q4 的集电极相连后与所述电阻R13的一端电连接，所述电阻R13的另一端与所述电阻R11的一端、可控开关Q2的1脚均电连接，所述电阻R11的另一端与所述采样电阻R_SENSE、可控开关Q2的3脚均电连接，所述可控开关Q2的2脚与所述二极管D1正向连接后接所述电机的电源V_BUS，所述电机对应接于所述二极管D1两端；

所述隔直放大电路结构包括去直电路结构、放大电路结构，所述去直电路结构包括电阻 R1、R2、R3、R4、电容C1，所述电阻R1、R3的一端均与所述采样电阻R_SENSE电连接，所述电阻R1的另一端经所述电阻R2后接地，且所述电阻R2两端并联连接所述电容 C1，所述电阻R3的另一端经所述电阻R4后接地；所述放大电路结构包括电阻R5、R6、 R7、放大器U1，所述电阻R1的另一端经所述电阻R5接于所述放大器U1的正输入端，所述电阻R3的另一端经所述电阻R6接于所述放大器U1的负输入端，且所述放大器U1的负输入端经所述电阻R7连接所述放大器U1的输出端；

所述电阻R1的阻值与电阻R3的阻值相同，所述电阻R2的阻值与电阻R4的阻值相同；

在所述放大器U1的正输入端设置有偏置电压V_BLAS，所述偏置电压V_BLAS的电压范围是0V～VCC；

所述处理比较电路结构包括电阻R8、R9、R10、电容C2、比较器U2，所述所述放大器U1的输出端与所述比较器U2的负输入端连接，与所述电源VCC连接的所述电阻R8经所述电阻R9后接地、且与所述比较器U2的正输入端连接，所述电阻R9两端并联连接所述电容C2，所述比较器U2的输出端经所述电阻R10接所述电源VCC。

本实用新型的有益效果是，该控制系统首先通过电流检测电路结构检测电流，将电流信号转变为电压信号；然后通过隔直放大电路结构，滤除电流检测电路结构的电流检测信号中的直流电压量，并将转变来的脉动电压信号放大；随后通过处理比较电路结构，保留脉动电压信号，将放大后的脉动电压信号处理成为控制系统可处理的方波信号，从而得到速度反馈信号，最后将处理后的速度信号反馈给直流调速控制电路结构，实现转速闭环控制，避免了现有转速反馈技术中依靠霍尔元件或编码器等外部编码器，操作简单，成本低。

附图说明

图1是本实用新型的组成框图；

图2是本实用新型的电路原理图。

具体实施方式

如图1、图2所示，本实用新型包括顺序闭环连接的供电电源1、直流调速控制电路结构2、电机M，其中，供电电源1采用直流电源VCC，电机M为直流有刷电机；直流调速控制电路结构2连接在供电电源1和直流有刷电机之间，根据接收到外界的控制信号，控制直流有刷电机运转；

其还包括电流检测电路结构3，利用采样电阻R_SENSE对控制系统进行电流检测，将脉动的电流信号转变为脉动的电压信号；

隔直放大电路结构4，滤除电流检测电路结构3的电流检测信号中的直流电压量，并将转变来的脉动电压信号放大；

处理比较电路结构5，将放大后的脉动电压信号处理成为控制系统可处理的方波信号，从而得到速度反馈信号，将处理后的速度信号反馈给直流调速控制电路结构2，实现转速闭环控制；

直流调速控制电路结构2、电流检测电路结构3、隔直放大电路结构4、处理比较电路结构5顺序闭环电连接，电流检测电路结构3电连接于直流调速控制电路结构2、电机M之间。

电流检测电路结构3包括采样电阻R_SENSE，采样电阻R_SENSE接于直流调速控制电路结构2和参考地之间；直流调速控制电路结构2包括单片机MCU、电阻R11、R12、 R13、二极管D1、NPN型三极管Q1、Q3、PNP型三极管Q4、可控开关Q2，三极管Q1基极接入单片机MCU中，三极管Q1集电极经电阻R12后接电源VCC、且与三极管Q3、Q4 的基极均相连接，三极管Q1、Q4的发射极相连后接地，三极管Q3的集电极接电源VCC，三极管Q3的发射极、三极管Q4的集电极相连后与电阻R13的一端电连接，电阻R13的另一端与电阻R11的一端、可控开关Q2的1脚均电连接，电阻R11的另一端与采样电阻 R_SENSE、可控开关Q2的3脚均电连接，可控开关Q2的2脚与二极管D1正向连接后接电机的电源V_BUS，电机对应接于二极管D1两端。

隔直放大电路结构4包括去直电路结构、放大电路结构，去直电路结构包括电阻R1、R2、R3、R4、电容C1，电阻R1、R3的一端均与采样电阻R_SENSE电连接，电阻R1 的另一端经电阻R2后接地，且电阻R2两端并联连接电容C1，电阻R3的另一端经电阻R4 后接地；放大电路结构包括电阻R5、R6、R7、放大器U1，放大器U1采用型号为LM285D 运算放大器；电阻R1的另一端经电阻R5接于放大器U1的正输入端，电阻R3的另一端经电阻R6接于放大器U1的负输入端，且放大器U1的负输入端经电阻R7连接放大器U1的输出端；在放大器U1的正输入端设置有偏置电压V_BLAS，偏置电压V_BLAS的电压范围是0V～VCC；电阻R1的阻值与电阻R3的阻值相同，电阻R2的阻值与电阻R4的阻值相同。

处理比较电路结构5包括电阻R8、R9、R10、电容C2、比较器U2，比较器U2采用型号LM339差动比较器；放大器U1的输出端与比较器U2的负输入端连接，与电源VCC 连接的电阻R8经电阻R9后接地、且与比较器U2的正输入端连接，电阻R9两端并联连接电容C2，比较器U2的输出端经电阻R10接电源VCC。

本实用新型不需要依靠霍尔元件或编码器等外部传感器，其是利用直流有刷电机的脉动电流，并根据脉动电流的频率来判断电机的转速，尤其适用于需要有速度反馈信号来进行闭环控制的系统；具体地，电流检测电路结构3中，由欧姆定律可得到： U_{R_SENSE}：＝I×R_SENSE，当采样电阻R_SENSE数值选定后，该电阻两端电压U_{R_SENSE}可直接反映流过电机M的电流；

为检测到转速，控制系统只需要检测到系统电流I中的脉动量，直流电流量是无法检测到转速的，然而随着直流有刷电机负载的变化，流过电机的电流也随之变化，直流有刷电机在电刷换相时其电流为直流电流叠加一脉动电流，则采样电阻R_SENSE检测到的电流为直流量和脉动量叠加后的的波形，由于电机自身电感的作用，脉动量的幅值及受负载的影响相对较小，因此需要滤除直流量对系统的影响，本实用新型利用去直电路结构中，由电阻R1、 R2、R3、R4、电容C1构成的电阻分压电容积分的方式来滤除直流量，其可得到一相对稳定的参考电压，R1＝R3，R2＝R4，则放大器U1的输入端电压为滤除直流量后的脉动电压量，且放大器U1的正输入端设置输出的偏置电压V_BLAS，可实现对信号的差分放大；放大器U1的输出端连接比较器U2的负输入端，比较器U2的正输入端利用电阻分压得到一相对稳定的电平，该电平与放大器U1输出的脉动信号和得到的稳定的参考电压进行比较，从而实现对信号的整形，可以得到一个直接反映电机转速的方波，该方波信号SPEED反馈至单片机MCU，从而可判断电机转速，有效实现闭环控制。

Claims (5)

1.一种电机转速闭环控制系统，其包括顺序闭环连接的供电电源、直流调速控制电路结构、电机，其特征在于：其还包括电流检测电路结构，对控制系统进行电流检测，将电流信号转变为电压信号；

隔直放大电路结构，滤除所述电流检测电路结构的电流检测信号中的直流电压量，并将转变来的脉动电压信号放大；

处理比较电路结构，将放大后的脉动电压信号处理成为所述控制系统可处理的方波信号，从而得到速度反馈信号，将处理后的速度信号反馈给所述直流调速控制电路结构，实现转速闭环控制；

所述直流调速控制电路结构、电流检测电路结构、隔直放大电路结构、处理比较电路结构顺序闭环电连接，所述电流检测电路结构电连接于所述直流调速控制电路结构、电机之间；

所述电流检测电路结构包括采样电阻R_SENSE，所述采样电阻R_SENSE接于所述直流调速控制电路结构和参考地之间；所述直流调速控制电路结构包括单片机MCU、电阻R11、R12、R13、二极管D1、NPN型三极管Q1、Q3、PNP型三极管Q4、可控开关Q2，所述三极管Q1基极接入所述单片机MCU中，所述三极管Q1集电极经所述电阻R12后接电源VCC、且与所述三极管Q3、Q4的基极均相连接，所述三极管Q1、Q4的发射极相连后接地，所述三极管Q3的集电极接所述电源VCC，所述三极管Q3的发射极、三极管Q4的集电极相连后与所述电阻R13的一端电连接，所述电阻R13的另一端与所述电阻R11的一端、可控开关Q2的1脚均电连接，所述电阻R11的另一端与所述采样电阻R_SENSE、可控开关Q2的3脚均电连接，所述可控开关Q2的2脚与所述二极管D1正向连接后接所述电机的电源V_BUS，所述电机对应接于所述二极管D1两端。

2.根据权利要求1所述的一种电机转速闭环控制系统，其特征在于：所述隔直放大电路结构包括去直电路结构、放大电路结构，所述去直电路结构包括电阻R1、R2、R3、R4、电容C1，所述电阻R1、R3的一端均与所述采样电阻R_SENSE电连接，所述电阻R1的另一端经所述电阻R2后接地，且所述电阻R2两端并联连接所述电容C1，所述电阻R3的另一端经所述电阻R4后接地；所述放大电路结构包括电阻R5、R6、R7、放大器U1，所述电阻R1的另一端经所述电阻R5接于所述放大器U1的正输入端，所述电阻R3的另一端经所述电阻R6接于所述放大器U1的负输入端，且所述放大器U1的负输入端经所述电阻R7连接所述放大器U1的输出端。

3.根据权利要求2所述的一种电机转速闭环控制系统，其特征在于：所述电阻R1的阻值与电阻R3的阻值相同，所述电阻R2的阻值与电阻R4的阻值相同。

4.根据权利要求2所述的一种电机转速闭环控制系统，其特征在于：在所述放大器U1的正输入端设置有偏置电压V_BLAS，所述偏置电压V_BLAS的电压范围是0V~VCC。

5.根据权利要求2所述的一种电机转速闭环控制系统，其特征在于：所述处理比较电路结构包括电阻R8、R9、R10、电容C2、比较器U2，所述放大器U1的输出端与所述比较器U2的负输入端连接，与所述电源VCC连接的所述电阻R8经所述电阻R9后接地、且与所述比较器U2的正输入端连接，所述电阻R9两端并联连接所述电容C2，所述比较器U2的输出端经所述电阻R10接所述电源VCC。