CN211981786U

CN211981786U - 一种正弦波驱动风机控制电路

Info

Publication number: CN211981786U
Application number: CN202021032889.9U
Authority: CN
Inventors: 黄其; 曹纪超; 王晟; 席唯
Original assignee: Guizhou Aerospace Linquan Motor Co Ltd
Current assignee: Guizhou Aerospace Linquan Motor Co Ltd
Priority date: 2020-06-08
Filing date: 2020-06-08
Publication date: 2020-11-20
Anticipated expiration: 2030-06-08

Abstract

本实用新型提供的一种正弦波驱动风机控制电路，包括接口、防反接电路、三相逆变电路、电源变换器、调速电路、速度反馈电路、时钟电路、Debug电路和单片机、电机，接口与防反接电路、电源变换器、调速电路、速度反馈电路分别连接，防反接电路与三相逆变电路连接，三相逆变电路与电机、单片机分别连接，单片机与电源变换器、调速电路、速度反馈电路、时钟电路、Debug电路分别连接，控制器可以将实际运行转速信号反馈到上位机，由上位机做出判断后再发送转速指令，有助于整个散热系统快速达到稳定状态。

Description

一种正弦波驱动风机控制电路

技术领域

本实用新型涉及一种正弦波驱动风机控制电路。

背景技术

电子设备在工作时会持续不断产生热量，热量会让电子元器件和电路板的温度上升，随着工作时间的延续，产生的热量与散热相等，温度会达到平衡。如果稳定后的温度超出设备元器件的工作温度范围，就会导致设备损坏。因此在发热量较大的设备中通常会安装强制散热系统，如空气冷却和液体冷却。空气冷却系统结构简单，往往只需要散热风机对发热体进行强制通风，带走热量。轴流风机具有体积小、风量大的特点，非常适用于紧凑结构机箱的散热。轴流风机是一个较为完整的冷却系统，主要部件包括扇叶、电机、控制器及机框等，如图2所示，为了方便安装，轴流风机都采用方框结构。

传统的散热风扇采用交流220V、50Hz电源供电，由单相异步电机驱动扇叶旋转，转速略小于同步转速n＝60f/p(p为电机极对数)，难以实现调速，在不同温度时都是额定转速运行，能量浪费严重。随着电力电子技术发展，永磁无刷直流电机驱动的风机开始应用，永磁无刷直流电机功率密度高，调速性能好。永磁无刷直流电机采用两相绕组导通六状态控制模式，需要安装位置传感器(常用Hall位置传感器)，逆变器根据转子位置信号来控制三相电能输出。由于输出的6个磁状态在空间上跳跃式的，永磁无刷直流电机输出的转矩不是一直恒定，存在波动，加速轴承磨损并使扇叶的噪声增加。同时安装位置传感器成本高、可靠性差。目前各类控制单片机都带有通信功能，可以接收上位机的输入信号同时反馈运行状态，但通信电路都需要额外的芯片，如RS485转换芯片、RS232通信芯片、或CAN总线通信芯片等，一方面增加芯片会使成本增加，另一方面使PCB面积增大，给一体化安装带来困难。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种正弦波驱动风机控制电路。

本实用新型通过以下技术方案得以实现。

本实用新型提供的一种正弦波驱动风机控制电路，包括接口、防反接电路、三相逆变电路、电源变换器、调速电路、速度反馈电路、时钟电路、Debug电路和单片机、电机，接口与防反接电路、电源变换器、调速电路、速度反馈电路分别连接，防反接电路与三相逆变电路连接，三相逆变电路与电机、单片机分别连接，单片机与电源变换器、调速电路、速度反馈电路、时钟电路、Debug电路分别连接。

所述防反接电路输出端与电容C1并联。

所述三相逆变电路包括电阻R1～R3、功率管Q1～Q6，电阻R1一端与电容C1的a端连接，电阻R1另一端与电阻R2一端连接，电阻R2另一端与电阻R3一端连接，电阻R3另一端与电容C1的b端连接。

所述单片机包括单片机芯片、6路PWM驱动电路，单片机芯片驱动接口与6路PWM驱动电路连接，6路PWM驱动电路分别与功率管Q1～Q6的门极连接。

所述调速电路(8)包括电阻R21、电阻R23、电阻R26、电阻R28，三极管Q8、二极管D3，三极管Q8的2脚与电阻R21一端连接，电阻R21另一端与电阻R23一端连接，电阻R23另一端与二极管D3阳极、电阻R26一端、电阻R28一端分别连接面电阻R26另一端与三极管Q8的1脚连接，电阻R28另一端与Q8的3脚、地分别连接，三极管Q8的1脚与单片机的PWMIN引脚连接，二极管D3的阴极与单片机的PWM引脚连接。

所述速度反馈电路包括电阻R43～R46，三极管NQ2，电阻R43一端与电源连接，电阻R43另一端与电阻R44一端、三极管NQ2的集电极分别连接，电阻R44另一端接收接口电路的输出反馈信号，三极管NQ2的发射极与电阻R46一端连接，电阻R46另一端与三极管NQ2的基极、电阻R45一端分别连接，电阻R45另一端与单片机的PG引脚连接。

所述防反接电路包括电阻R20～R26、二极管ZD1、二极管D0、三极管Q7、电容C11～C13，电阻R21～R26一端短接后与电阻R20一端、二极管D0阴极分别连接，电阻R20另一端与三极管Q7的基极、二极管ZD1的阴极分别连接，电阻R21～R26另一端短接后与三极管Q7的集电极连接，二极管ZD1的阳极接地，电容C11～C13的一端短接后与三极管Q7的发射极连接，电容C11～C13的另一端短接后接地。

所述时钟电路与单片机的外部时钟引脚连接。

所述Debug电路与单片机的调试引脚连接。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型采用的电机控制专用芯片内部集成了驱动电路，6路PWM输出引脚能直接驱动6只功率管；采用调节脉冲波占空比和周期来进行数据交换，不需要安装通信芯片，减少了控制器的体积，且采用正弦波驱动方式，永磁电机的转矩脉动小，速度平稳，风机的噪声降低，控制器具有调速功能，根据实际需求输出转速，在低速时功率消耗较低，减少浪费，控制器可以将实际运行转速信号反馈到上位机，由上位机做出判断后再发送转速指令，有助于整个散热系统快速达到稳定状态。

附图说明

图1是本实用新型的连接示意图；

图2是本实用新型的OC运算单元原理图；

图3是本实用新型的防反接电路图；

图4是本实用新型的三相逆变器电路图；

图5是本实用新型的实施例母线电压检测电路图；

图6是本实用新型的调速电路图；

图7是本实用新型的速度信号反馈电路图；

图中：1-接口，2-防反接电路，4-三相逆变电路，7-电源变换器，8-调速电路，9-速度反馈电路，11-时钟电路，12-单片机电源，13-比较器，14-FOC运算单元，15-驱动电路，16-Debug电路。

具体实施方式

下面进一步描述本实用新型的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细描述。

一种正弦波驱动风机控制电路，包括接口1、防反接电路2、三相逆变电路4、电源变换器7、调速电路8、速度反馈电路9、时钟电路11、Debug电路16和单片机17、电机18，接口1与防反接电路2、电源变换器7、调速电路8、速度反馈电路9分别连接，防反接电路2与三相逆变电路4连接，三相逆变电路4与电机18、单片机17分别连接，单片机17与电源变换器7、调速电路8、速度反馈电路9、时钟电路11、Debug电路16分别连接，单片机17是电机控制器专用单片机内部包含单片机电源12、比较器13、磁场定向控制FOC运算单元和驱动电路15。例如采用FU6812电机控制的专用芯片，该芯片内部集成了功率器件驱动器predriver、电源变换LDO、内置VREF参考和4路模拟比较器、高速ADC，乘法器和除法器，及永磁同步电机FOC硬件运算器等。专用芯片内部集成了驱动电路，6路PWM输出引脚能直接驱动6只功率管。

防反接电路2输出端与电容C1并联。

三相逆变电路4包括电阻R1～R3、功率管Q1～Q6，电阻R1一端与电容C1的a端连接，电阻R1另一端与电阻R2一端连接，电阻R2另一端与电阻R3一端连接，电阻R3另一端与电容C1的b端连接。

其中在电阻R1件、电阻R2上进行母线电压检测，母线电压检测采用电阻分压测量方法，实测电压为R1/(R1+R2)倍的母线电压，电机控制程序运行时需要还原到实际母线电压。母线电压检测的目的：一方面实施过压、欠压保护功能，另一方面作为转子位置估算的电压输入变量(信号)。

在电阻R3上进行母线电流检测，检测精密电阻R3对地的电压，根据欧姆定律I＝U/R计算出母线电流。母线电流检测的目的：一方面实施过流、堵转保护功能，另一方面作为转子位置估算的相电流输入变量(信号)。永磁同步电机控制在进行坐标变换时需要检测三相绕组电流，通常采集两相电流再计算出另一相电流，所以控制器至少需要安装两个电流传感器。但采用两个或多个电流传感器,要求使用电机控制单片机的多路A/D转换，这会占用较多硬件接口资源并增加A/D转换的时间。也可以只采样母线电流，通过电流重建策略推导出电机的各相绕组电流。电机运行三相绕组的通电情况为：两相正一相负、一相正两相负，因此，可通过分时采用获得三相电流。虽然采集到的三相电流不是同一时刻，但由于采样频率远高于电机的运行频率，在极短的时间内电流没有发生很大变化，采样值与实际值的误差很小。

单片机17包括单片机芯片、6路PWM驱动电路，单片机芯片驱动接口与6路PWM驱动电路连接，6路PWM驱动电路分别与功率管Q1～Q6的门极连接，三相全桥逆变电路的6个功率管Q1～Q6可以全是PNP沟道的MOSFET，也可以由上桥臂Q1～Q3为NPN沟道MOSFET、下桥臂Q3～Q6为PNP沟道MOSFET组成，且单片机17内部设有单片机电源12、比较器13、FOC运算单元14、驱动电路15，其中，单片机电源12是内部集成电源变换，给单片机内核供电；比较器13用于AD采集信号滤波、放大处理，使采集信号的电压在单片机内核引脚的承受范围内；驱动电路15用于控制6个可控功率管的开通和关断，因为单片机内核引脚的驱动电流有限，不足以控制可控功率管开关，需要通过驱动电路将电流信号进行放大。单片机内部集成磁场定向控制FOC运算单元14，通过硬件单元解算出转子位置信号，减少程序运行时间，提高单片机运行效率。

调速电路8包括电阻R21、电阻R23、电阻R26、电阻R28，三极管Q8、二极管D3，三极管Q8的2脚与电阻R21一端连接，电阻R21另一端与电阻R23一端连接，电阻R23另一端与二极管D3阳极、电阻R26一端、电阻R28一端分别连接面电阻R26另一端与三极管Q8的1脚连接，电阻R28另一端与Q8的3脚、地分别连接，三极管Q8的1脚与单片机17的PWMIN引脚连接，二极管D3的阴极与单片机17的PWM引脚连接，调速电路8用于接收上位机发来的转速命令，固定频率脉冲波，控制器根据脉冲波的占空比计算出给定转速。

速度反馈电路9包括电阻R43～R46，三极管NQ2，电阻R43一端与电源连接，电阻R43另一端与电阻R44一端、三极管NQ2的集电极分别连接，电阻R44另一端接收接口电路的输出反馈信号，三极管NQ2的发射极与电阻R46一端连接，电阻R46另一端与三极管NQ2的基极、电阻R45一端分别连接，电阻R45另一端与单片机(17)的PG引脚连接，速度反馈电路9是给上位机发送电机实际速度信号，固定占空比不同频率的脉冲波，即电机的运行频率。

防反接电路2包括电阻R20～R26、二极管ZD1、二极管D0、三极管Q7、电容C11～C13，电阻R21～R26一端短接后与电阻R20一端、二极管D0阴极分别连接，电阻R20另一端与三极管Q7的基极、二极管ZD1的阴极分别连接，电阻R21～R26另一端短接后与三极管Q7的集电极连接，二极管ZD1的阳极接地，电容C11～C13的一端短接后与三极管Q7的发射极连接，电容C11～C13的另一端短接后接地，在电源正负极反接时不会损坏风机。例如，采用三个肖特基二极管并联后串联到电源正极，实现防反接功能，同时三个二极管并联具有良好的散热效果。

时钟电路11与单片机17的外部时钟引脚连接。

Debug电路16与单片机17的调试引脚连接。

电阻R3上的压降来测量母线电流，来实现电流闭环和过流保护功能，电阻R3为电流采样电阻(采用康铜丝线绕电阻0.05Ω/2W，额定电流3.5A时压降为0.165V，根据欧姆定理可以算出电流值)，检测采样电阻对地的电压信号，经过放大、滤波电路后送到单片机的AD模块中。

本系统通过电阻分压法来测量母线电源电压，系统根据实时监测母线电压和电流，判断永磁电机是否处于过压、欠压、过流、短路、堵转状态，对电机进行限电流或停机保护。

本系统省去了现有控制器采用的驱动芯片和通信芯片，成本降低，控制器的PCB板面积减少。

无位置传感器正弦波驱动永磁电机控制原理，控制器根据检测到的母线电压和三相绕组电流，通过硬件解算内核计算出转子位置角度θ和实时转速_ω。实时转速n和参考转速n*经过速度PI调节器得到i_q*；基速以下i_d*＝0，基速以上增加i_d*进行弱磁调速。实时检测的相电流经过CLARK变换和PARK变换得到实时id和i_q，分别对d轴和q轴电流进行闭环控制，得到U_d和U_q，再经过PARK逆变换得到Ua和Ub，最后经过SVPWM算法模块驱动三相逆变器，控制永磁电机运转。

无位置传感器风机在起动时刻速度_ω为零，此时电流为零，无法计算转子位置，因此需要其它方法判断位置进行起动。常用的起动方法有：三段式、预定位法、升压升频法。针对风机负载转矩与转速平方成正比、起动阶段负载转矩低的特点，该风机控制器采用以下起动方法：首先给定起动电流i_q*和强制角度θ以配合坐标变换进行SVPWM运算，拖动电机开环运行，通过单片机磁场定向控制FOC运算单元计算出当前速度_ω，当速度低于起动限制转速时，仍然以强制角度θ运算。当电机转速增加到预定转速时，参考电流i_q*和角度信号θ切换到无位置传感器闭环控制算法，角度信息θ和转速_ω都由单片机磁场定向控制FOC运算单元计算出。

Claims

1.一种正弦波驱动风机控制电路，其特征在于：包括接口(1)、防反接电路(2)、三相逆变电路(4)、电源变换器(7)、调速电路(8)、速度反馈电路(9)、时钟电路(11)、Debug电路(16)和单片机(17)、电机(18)，接口(1)与防反接电路(2)、电源变换器(7)、调速电路(8)、速度反馈电路(9)分别连接，防反接电路(2)与三相逆变电路(4)连接，三相逆变电路(4)与电机(18)、单片机(17)分别连接，单片机(17)与电源变换器(7)、调速电路(8)、速度反馈电路(9)、时钟电路(11)、Debug电路(16)分别连接。

2.如权利要求1所述的一种正弦波驱动风机控制电路，其特征在于：所述防反接电路(2)输出端与电容C1(3)并联。

3.如权利要求1所述的一种正弦波驱动风机控制电路，其特征在于：所述三相逆变电路(4)包括电阻R1～R3、功率管Q1～Q6，电阻R1一端与电容C1的a端连接，电阻R1另一端与电阻R2一端连接，电阻R2另一端与电阻R3一端连接，电阻R3另一端与电容C1的b端连接。

4.如权利要求1所述的一种正弦波驱动风机控制电路，其特征在于：所述单片机(17)包括单片机芯片、6路PWM驱动电路，单片机芯片驱动接口与6路PWM驱动电路连接，6路PWM驱动电路分别与功率管Q1～Q6的门极连接。

5.如权利要求1所述的一种正弦波驱动风机控制电路，其特征在于：所述调速电路(8)包括电阻R21、电阻R23、电阻R26、电阻R28，三极管Q8、二极管D3，三极管Q8的2脚与电阻R21一端连接，电阻R21另一端与电阻R23一端连接，电阻R23另一端与二极管D3阳极、电阻R26一端、电阻R28一端分别连接面电阻R26另一端与三极管Q8的1脚连接，电阻R28另一端与Q8的3脚、地分别连接，三极管Q8的1脚与单片机(17)的PWMIN引脚连接，二极管D3的阴极与单片机(17)的PWM引脚连接。

6.如权利要求1所述的一种正弦波驱动风机控制电路，其特征在于：所述速度反馈电路(9)包括电阻R43～R46，三极管NQ2，电阻R43一端与电源连接，电阻R43另一端与电阻R44一端、三极管NQ2的集电极分别连接，电阻R44另一端接收接口电路的输出反馈信号，三极管NQ2的发射极与电阻R46一端连接，电阻R46另一端与三极管NQ2的基极、电阻R45一端分别连接，电阻R45另一端与单片机(17)的PG引脚连接。

7.如权利要求1所述的一种正弦波驱动风机控制电路，其特征在于：所述防反接电路(2)包括电阻R20～R26、二极管ZD1、二极管D0、三极管Q7、电容C11～C13，电阻R21～R26一端短接后与电阻R20一端、二极管D0阴极分别连接，电阻R20另一端与三极管Q7的基极、二极管ZD1的阴极分别连接，电阻R21～R26另一端短接后与三极管Q7的集电极连接，二极管ZD1的阳极接地，电容C11～C13的一端短接后与三极管Q7的发射极连接，电容C11～C13的另一端短接后接地。

8.如权利要求1所述的一种正弦波驱动风机控制电路，其特征在于：时钟电路(11)与单片机(17)的外部时钟引脚连接。

9.如权利要求1所述的一种正弦波驱动风机控制电路，其特征在于：所述Debug电路(16)与单片机(17)的调试引脚连接。