一种无刷电机驱动电路及其调速方法与流程
【】本发明涉及电机驱动领域，特别涉及一种无刷电机驱动电路及其调速方法。
背景技术
0、
背景技术：
1、近年来，随着技术发展，在小功率段，无刷电机本体加驱动控制板的成本大幅降低，因此，在家电行业，直流无刷电机将逐步取代传统的单相交流异步电机，尤其是在风扇、浴霸、风扇灯、排气扇、散热器等产品中，直流无刷电机的应用非常广泛。
2、传统的单相交流异步电机成本较低，但是传统的单相交流异步电机存在噪音大、效率低、体积大、不容易调速等缺陷；而对于同等输出功率的直流无刷电机其电机本体的成本与单相交流异步电机相差较小，但是由于直流无刷电机必须额外配置驱动器，才能完成直流无刷电机的驱动和控制，相对于通过抽头调速方式的交流电机，无刷电机本体加上驱动器的成本还是高于交流电机。因此，如何降低无刷电机驱动器的成本，就成了直流无刷电机在家电行业普及应用的关键。
3、在小功率家电行业，所用到的大多数是小功率低电压的无刷电机，针对这类电机的驱动器，现有的驱动器通常包括两部分：其一是用于将输入的ac220v市电转成恒定的低压直流电的开关电源；其二是用于驱动和控制直流无刷电机运行的电机驱动电路；开关电源一般是通过专门的开关电源芯片来完成ac-dc转换，电机驱动电路一般是通过专用的电机驱动芯片或者带电机驱动资源的单片机来完成；现有的驱动器电路中两部分电路独立设计，运用芯片较多，成本较高且浪费了电路中的芯片资源。
4、传统的开关电源加无刷电机驱动架构，其调控原理如下：开关电源负责将ac220v市电转换成通常为24v的低压直流电；无刷电机驱动电路通过调整三相全桥中上臂或下臂mos管的pwm占空比，进而调整电机转速；在一个换相周期内，无刷电机驱动芯片输出一个基波频率为16k或20k的pwm信号给上臂mos管进行高频斩波，同时输出一个高电平给相对应的下臂mos管进行导通；通过a/b/c三相对应mos管的通断来完成无刷电机的换相，通过调整高频斩波mos管的pwm信号占空比来进行调速。这种方案，电路板的成本较高，而且在电机端高频斩波，会导致电机积聚很多高能量的高次谐波，从而导致电机涡流损耗、产生电磁噪音。
5、因此，在传统无刷电机驱动方案中，普通方波控制很难消除电磁噪音，往往采取弦波控制或foc控制，这就需要电机驱动芯片花费大量的资源用于电机控制计算，对驱动芯片的资源要求很高，导致电机驱动电路所用的成本居高不下；尤其在当前的家电行业，若对家电产品进行智能控制，则需要采用无线遥控、手机控制、wifi控制等方式，所以在无刷电机的控制电路上，还需要增加无线信号接收部分。
6、由于传统方案对无刷电机驱动芯片的资源要求很高，这种单片机基本不会内置无线接收功能，因此，在传统方案中至少需要开关电源芯片、电机驱动芯片、无线接收芯片等三颗以上的专用芯片，使得电路整体很难整合。
7、为了迎合市场需求、解决现有无刷电机驱动方案的不足，本发明专利提出了一种优化的无刷电机驱动电路，以及更为简易的调速方法，采用一颗低成本的mcu即可完成ac-dc电源转换、无刷电机驱动、甚至无线接收等各种功能，满足无刷电机驱动和智能控制等需求，取消了专用的开关电源芯片和无刷电机驱动芯片，使驱动成本大幅下降，适合在家电行业普及应用。
技术实现思路
0、
技术实现要素：
1、为了解决现有无刷电机驱动方案电路结构复杂、制造成本高、电磁噪音大、调速麻烦等缺陷，本发明提供了一种无刷电机驱动电路及其调速方法。
2、本发明是通过以下技术方案实现的：
3、一种无刷电机驱动电路，其特征在于：包括有电源模块、控制模块、信号接收模块及驱动模块，其特征在于：电源模块包括有用于将交流电转化为高压直流电的整流滤波电路以及用于将高压直流电转化为低压直流电的辅助电源电路，控制模块包括有用于处理控制信号的主控芯片、用于调控输出电压占空比的高压开关管、用于驱动所述高压开关管的开关管驱动电路、用于调整输出电压波形的lc滤波电路以及用于检测并反馈输出电压信号的电压检测电路，驱动模块包括有用于驱动电机运转的电机驱动电路，信号接收模块包括有用于接收外部调控信号的信号接收电路。
4、如上所述的无刷电机驱动电路，其特征在于：所述整流滤波电路的高压输出端vbus与所述辅助电源电路、所述高压开关管电连接，所述辅助电源电路的输出端vcc1与所述主控芯片电连接、输出端vcc2与所述开关管驱动电路电连接，所述高压开关管的输出端与所述lc滤波电路电连接，所述lc滤波电路的输出端与所述电压检测电路、电机驱动电路电连接，所述主控芯片与所述辅助电源电路、信号接收电路、开关管驱动电路、电压检测电路以及信号接收电路电连接。
5、如上所述的无刷电机驱动电路，其特征在于：所述整流滤波电路包括有整流电桥d，所述整流电桥d的引脚①、引脚②分别连接市电的火线l和零线n，所述整流电桥d的引脚④接地、引脚③为高压直流电的输出端vbus，滤波电容c1的正极与所述高压输出端vbus电连接、负极接地，所述辅助电源电路的输入端电连接于所述整流滤波电路的高压输出端vbus，所述高压开关管串联在所述整流滤波电路的高压输出端或低压接地端，所述高压开关管的引脚②与所述开关管驱动电路电连接。
6、如上所述的无刷电机驱动电路，其特征在于：所述主控芯片u81的引脚与所述电压检测电路电连接、引脚与所述开关管驱动电路电连接、引脚与所述信号接收电路电连接、引脚电连接于所述辅助电源电路的输出端vcc1、引脚①接地、引脚②至引脚均与所述电机驱动电路电连接。
7、如上所述的无刷电机驱动电路，其特征在于：所述lc滤波电路为单级lc滤波电路，所述lc滤波电路包括有电感l32、极性电容c33，所述极性电容c33与二极管d31并联在所述电感l32两端，所述电感l32与所述高压开关管的引脚③电连接，二极管d31的负极、极性电容c33的正极电连接于所述整流滤波电路的高压输出端，所述极性电容c33的正极与所述电机驱动电路电连接，所述极性电容c33的负极接地。
8、如上所述的无刷电机驱动电路，其特征在于：所述电机驱动电路包括有功率器件m1、m2、m3，功率器件m1、m2、m3的引脚③均电连接于所述lc滤波电路的输出端，所述功率器件m1的引脚⑤、引脚⑥、引脚⑦、引脚⑧串联后形成驱动输出端a，所述功率器件m2的引脚⑤、引脚⑥、引脚⑦、引脚⑧串联后形成驱动输出端b，所述功率器件m3的引脚⑤、引脚⑥、引脚⑦、引脚⑧串联后形成驱动输出端c；
9、所述功率器件m1的引脚①分别电连接于电阻r5和制动电阻rb1的一端，电阻r5的另一端电连接于所述主控芯片的引脚制动电阻rb1的另一端分别串联制动电阻rb3后接地、串联电阻r6后电连接于所述主控芯片的引脚m1的引脚②电连接于所述主控芯片的引脚⑩，m1的引脚④电连接于所述主控芯片的引脚⑨；
10、所述功率器件m2的引脚①分别电连接于电阻r7和制动电阻rb2的一端，电阻r7的另一端电连接于所述主控芯片的引脚⑦，制动电阻rb2的另一端分别串联制动电阻rb3后接地、串联电阻r8后电连接于所述主控芯片的引脚⑧，m2的引脚②电连接于所述主控芯片的引脚⑥，m2的引脚④电连接于所述主控芯片的引脚⑤；
11、所述功率器件m3的引脚①分别连接于电阻r4和制动电阻rb3的一端，电阻r4的另一端分别电连接于所述主控芯片的引脚④、串联电容c6后接地，m3的引脚②电连接于所述主控芯片的引脚③，m3的引脚④电连接于所述主控芯片的引脚②。
12、如上所述的无刷电机驱动电路，其特征在于：所述电压检测电路包括有采样电阻r41、r42，所述采样电阻r41和r42串联，所述采样电阻r41的一端电连接于所述lc滤波电路的高压输出端，所述采样电阻r41的另一端与所述采样电阻r42的一端、所述主控芯片的引脚电连接，所述采样电阻r42的另一端接地。
13、如上所述的无刷电机驱动电路，其特征在于：所述信号接收电路所用的芯片与所述主控芯片为同一枚芯片。
14、如上所述的无刷电机驱动电路，其特征在于：所述lc滤波电路为多级lc滤波电路，所述信号接收电路内设有单独的信号接收芯片u82；所述多级lc滤波电路包括有电感l32、电感l34以及极性电容c33、极性电容c35，二极管d31、所述极性电容c33及所述极性电容c35并联，所述电感l32连接于所述二极管d31和所述极性电容c33之间、所述电感l34连接于所述极性电容c33和所述极性电容c35之间，所述二极管d31的负极、极性电容c33的正极、极性电容c35的正极电连接于所述整流滤波电路的高压输出端，所述二极管d31的正极、极性电容c33的负极、极性电容c35的负极电连接于所述整流滤波电路的低压接地端，所述电感l32与所述电感l34串联且所述电感l32的一端与所述高压开关管的引脚③电连接；
15、所述信号接收电路包括有信号接收芯片u82和天线ant1，所述天线ant1串联电感l4后与所述信号接收芯片u82的引脚②电连接，所述信号接收芯片u82的引脚④电连接于所述辅助电源电路的输出端vcc1、引脚⑤接地、引脚⑥电连接于所述主控芯片的引脚引脚⑦电连接于所述主控芯片的引脚
16、一种采用上述无刷电机驱动电路的调速方法，其特征在于：在所述主控芯片的内部存储器eeprom中设定有对应不同档位调速信号的理论转速vi、以及与理论转速vi对应的理论占空比di和理论电压值ui；
17、当所述信号接收电路接收到调速信号并传输到所述主控芯片后，所述主控芯片根据调速信号读取存储器eeprom中对应设定的理论转速vi、理论占空比di和理论电压值ui，将理论占空比di和当前的占空比d0进行比较，若理论占空比di大于当前占空比d0，则所述主控芯片控制所述开关管驱动电路按照(di-d0)/n的步长逐步增加所述高压开关管输出的电压占空比，若理论占空比di小于当前占空比d0，则按照(di-d0)/n的步长逐步减少所述高压开关管输出的占空比，调节精度与n相关且n大于2，n越大调节精度越高、调节后的实际转速越接近理论转速vi，n越小调速时循环的调节次数越少、调速时间越短；
18、所述高压开关管按照步长调节输出相应的电压波形，所述lc滤波电路对输出电压进行滤波后，将对应大小的电压输出到所述电机驱动电路，所述电机驱动电路根据调节后的电压信号驱动电机调节转速；
19、同时，所述电压检测电路将所述电机驱动电路两端的驱动电压值u反馈到所述主控芯片内，所述主控芯片检测并记录所述电机驱动电路驱动电机运转时的变相信号，并根据变相信号计算出电机的实际转速v；
20、所述主控芯片将驱动电压值u与对应的理论电压值ui进行比较，用以判断电机是否过载、防止电机受外力影响导致电压过高，从而保护电路；当驱动电压值u小于k倍的理论电压值ui时，电路正常工作，再通过所述主控芯片比较实际转速v与理论转速vi，若实际转速v大于理论转速vi，则所述主控芯片控制所述开关管驱动电路按照(di-d0)/n的步长逐步减少所述高压开关管输出的电压占空比，若实际转速v小于理论转速vi，则按照(di-d0)/n的步长逐步增加所述高压开关管输出的占空比；
21、电压占空比的调节过程逐步循环进行，驱动电压值u和实际转速v在设定的理论电压值ui和理论转速vi附近微调波动，调节的精度、波动的大小与调节步长有关，调节步长越小则调节精度越高、波动范围越小；
22、当驱动电压值u大于k倍的理论电压值ui，此时，电机负载过大或受到外力影响，电路电压异常，所述主控芯片迅速控制所述开关管驱动电路按照(di-d0)/n的步长逐步减小所述高压开关管输出的电压占空比，从而降低输出电压、保护电路，其中k为设定的保护范围值，k的取值范围在1.1到2.0之间；
23、该无刷电机驱动电路的具体调控步骤如下：
24、步骤一：所述信号接收电路接收调速信号并传输到所述主控芯片；
25、步骤二：所述主控芯片根据调速信号读取内部存储器eeprom中对应设定的理论转速vi、理论占空比di和理论电压值ui；
26、步骤三：所述主控芯片将理论占空比di和当前占空比d0进行比较，判断调节方向；
27、步骤四：所述主控芯片控制所述开关管驱动电路按照(di-d0)/n的步长逐步调节所述高压开关管输出的电压占空比；
28、步骤五：所述lc滤波电路对所述高压开关管的输出电压进行滤波，输出到所述电机驱动电路，所述电机驱动电路根据调节后的电压信号驱动电机，从而逐步调节转速；
29、步骤六：所述电压检测电路将所述电机驱动电路两端的驱动电压值u反馈到所述主控芯片内，所述主控芯片检测并记录所述电机驱动电路驱动电机运转时的变相信号，并根据变相信号计算出电机的实际转速v；
30、步骤七：所述主控芯片将驱动电压值u与对应的理论电压值ui进行比较，用以判断电机是否过载、防止电机受外力影响导致电压过高，从而保护电路；
31、步骤八：所述主控芯片将实际转速v与理论转速vi进行比较，用以校准电机的实际转速；
32、步骤九：所述步骤四至所述步骤八循环进行，使所述电机驱动电路两端的驱动电压值u和电机的实际转速v在设定的理论电压值ui和理论转速vi附近微调波动，以保持调节后的转速并等待下一次的调速信号。
33、与现有技术相比，本发明具有以下优点：
34、1、本发明无刷电机驱动电路，设有主控芯片且通过一颗主控芯片即可实现调速信号接收、buck降压和电机控制等功能，相比于传统方案，减去了专用开关电源芯片、电机驱动芯片的使用，简化了电路的整体结构、电路成本大大降低。
35、2、本发明无刷电机驱动电路，对主控芯片的资源要求较低，只需要一颗普通8位机即可完成，可以节省主控芯片的成本；在传统电机控制电路中，电机驱动芯片需要侦测反电动势波形以判断转子位置、完成切换相，需要输出高频pwm信号进行调速控制，需要侦测工作电流以完成闭环控制，还需要进行死区控制以避免短路，使得电机驱动芯片内需要烧写复杂的控制算法、完成大量运算，对芯片资源要求很高；而采用本发明所述的无刷电机驱动电路进行驱动控制，通过前级的高压开关管进行调速，后级只需要侦测转子位置进行切换相，控制方法简单，对主控芯片的资源要求较低。
36、3、本发明采用该无刷电机驱动电路的调速方法，能够降低高次谐波和电磁脉动，电磁噪音小；传统的无刷电机调速方式是通过基波频率为16k或20k的pwm信号进行高频斩波调速，调速时会产生高次谐波，造成emc问题和涡流损耗、引发电磁噪音；本发明专利的调速方式为电压调速，电机驱动电路不需要进行高频斩波，只需要根据电机转速进行低频换相，能够有效降低高次谐波和电磁脉动，使电机运行更静音，效率更高。
37、4、本发明采用该无刷电机驱动电路的调速方法，简单可行、不需要进行复杂运算，使用较低运行速度和较少资源的单片机即可完成驱动控制以及调速控制，而且电路整体结构简单、元器件少，能够大幅降低电路成本，还能够实现对无刷电机的智能控制，使得该电路的适用范围更广、更容易普及。
技术特征：
1.一种无刷电机驱动电路，包括有电源模块、控制模块、信号接收模块及驱动模块，其特征在于：电源模块包括有用于将交流电转化为高压直流电的整流滤波电路(1)以及用于将高压直流电转化为低压直流电的辅助电源电路(6)，控制模块包括有用于处理控制信号的主控芯片(8)、用于调控输出电压占空比的高压开关管(2)、用于驱动所述高压开关管(2)的开关管驱动电路(7)、用于调整输出电压波形的lc滤波电路(3)以及用于检测并反馈输出电压信号的电压检测电路(4)，驱动模块包括有用于驱动电机运转的电机驱动电路(5)，信号接收模块包括有用于接收外部调控信号的信号接收电路(9)。
2.根据权利要求1所述的无刷电机驱动电路，其特征在于：所述整流滤波电路(1)的高压输出端vbus与所述辅助电源电路(6)、所述高压开关管(2)电连接，所述辅助电源电路(6)的输出端vcc1与所述主控芯片(8)电连接、输出端vcc2与所述开关管驱动电路(7)电连接，所述高压开关管(2)的输出端与所述lc滤波电路(3)电连接，所述lc滤波电路(3)的输出端与所述电压检测电路(4)、电机驱动电路(5)电连接，所述主控芯片(8)与所述辅助电源电路(6)、信号接收电路(9)、开关管驱动电路(7)、电压检测电路(4)以及信号接收电路(9)电连接。
3.根据权利要求2所述的无刷电机驱动电路，其特征在于：所述整流滤波电路(1)包括有整流电桥d，所述整流电桥d的引脚①、引脚②分别连接市电的火线l和零线n，所述整流电桥d的引脚④接地、引脚③为高压直流电的输出端vbus，滤波电容c1的正极与所述高压输出端vbus电连接、负极接地，所述辅助电源电路(6)的输入端电连接于所述整流滤波电路(1)的高压输出端vbus，所述高压开关管(2)串联在所述整流滤波电路(1)的高压输出端或低压接地端，所述高压开关管(2)的引脚②与所述开关管驱动电路(7)电连接。
4.根据权利要求2所述的无刷电机驱动电路，其特征在于：所述主控芯片u81的引脚与所述电压检测电路(4)电连接、引脚与所述开关管驱动电路(7)电连接、引脚与所述信号接收电路(9)电连接、引脚电连接于所述辅助电源电路(6)的输出端vcc1、引脚①接地、引脚②至引脚均与所述电机驱动电路(5)电连接。
5.根据权利要求2所述的无刷电机驱动电路，其特征在于：所述lc滤波电路(3)为单级lc滤波电路，所述lc滤波电路(3)包括有电感l32、极性电容c33，所述极性电容c33与二极管d31并联在所述电感l32两端，所述电感l32与所述高压开关管(2)的引脚③电连接，二极管d31的负极、极性电容c33的正极电连接于所述整流滤波电路(1)的高压输出端，所述极性电容c33的正极与所述电机驱动电路(5)电连接，所述极性电容c33的负极接地。
6.根据权利要求2所述的无刷电机驱动电路，其特征在于：所述电机驱动电路(5)包括有功率器件m1、m2、m3，功率器件m1、m2、m3的引脚③均电连接于所述lc滤波电路(3)的输出端，所述功率器件m1的引脚⑤、引脚⑥、引脚⑦、引脚⑧串联后形成驱动输出端a，所述功率器件m2的引脚⑤、引脚⑥、引脚⑦、引脚⑧串联后形成驱动输出端b，所述功率器件m3的引脚⑤、引脚⑥、引脚⑦、引脚⑧串联后形成驱动输出端c；
7.根据权利要求2所述的无刷电机驱动电路，其特征在于：所述电压检测电路(4)包括有采样电阻r41、r42，所述采样电阻r41和r42串联，所述采样电阻r41的一端电连接于所述lc滤波电路(3)的高压输出端，所述采样电阻r41的另一端与所述采样电阻r42的一端、所述主控芯片(8)的引脚电连接，所述采样电阻r42的另一端接地。
8.根据权利要求2所述的无刷电机驱动电路，其特征在于：所述信号接收电路(9)所用的芯片与所述主控芯片(8)为同一枚芯片。
9.根据权利要求2所述的无刷电机驱动电路，其特征在于：所述lc滤波电路(3)为多级lc滤波电路，所述信号接收电路(9)内设有单独的信号接收芯片u82；所述多级lc滤波电路包括有电感l32、电感l34以及极性电容c33、极性电容c35，二极管d31、所述极性电容c33及所述极性电容c35并联，所述电感l32连接于所述二极管d31和所述极性电容c33之间、所述电感l34连接于所述极性电容c33和所述极性电容c35之间，所述二极管d31的负极、极性电容c33的正极、极性电容c35的正极电连接于所述整流滤波电路(1)的高压输出端，所述二极管d31的正极、极性电容c33的负极、极性电容c35的负极电连接于所述整流滤波电路(1)的低压接地端，所述电感l32与所述电感l34串联且所述电感l32的一端与所述高压开关管(2)的引脚③电连接；
10.一种采用权利要求1至9任一项所述无刷电机驱动电路的调速方法，其特征在于：在所述主控芯片(8)的内部存储器eeprom中设定有对应不同档位调速信号的理论转速vi、以及与理论转速vi对应的理论占空比di和理论电压值ui；
技术总结
本发明提供了一种无刷电机驱动电路及其调控方法，其技术方案的要点是：该无刷电机驱动电路的电源模块包括有整流滤波电路及辅助电源电路，控制模块包括有主控芯片、高压开关管、开关管驱动电路、LC滤波电路以及电压检测电路，该无刷电机驱动电路还设有电机驱动电路和信号接收电路；其调速方法的步骤包括有接收调速信号、读取设定值、判断调节方向、按照设定步长调节占空比、滤波、调节转速、检测驱动电压值并计算实际转速、过载保护判断、实际转速校准、循环校准转速并等待下一次的调速信号；本发明电路结构简单实用、电磁噪音小、生产成本低、适用范围广，调速过程简单且具备电路保护机制。
技术研发人员：李琦
受保护的技术使用者：中山市嘉科电子有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23