一種工業用大功率方波無刷電機控制器的制作方法

本發明涉及一種工業用大功率方波無刷電機控制器，特別是涉及一種工業用大功率方波無刷電機控制器。

背景技術：

近年來，我國電力建設正以超常速度發展，工業中小電機產銷明顯增長。我國是亞洲第一大電力消耗國，同時也是目前缺電最為嚴重的發展中國家。電機是名副其實的“用電大戶”，60%以上的電能被用于驅動其運轉。在節能減排的大背景下，提高電機效率無疑是實現節能減排目標首要解決的問題。目前，我國電機產品種類繁多，但效率不高。電機系統效率低下，長期低效運行。一些用戶對電機系統所帶來的經濟效益缺乏認知，或對進行電機系統節能改造的技術題目存在障礙，機電業必須加強節能技術的研發和創新，使其真正發揮其基礎性產業的作用，帶動國民經濟持續健康發展。預計，未來幾年，節能電機設備占國內新增中小型機電設備的比例將達到60%以上，節能機電設備市場規模將達到五百億左右。在工業場所所用的異步機普遍存在效率低下，遠遠不能達到節能減排的目標，在工業場所也用到直流電機，直流電機有很多好處，但是由于換相時產生火花，容易引起事故，達不到安全生產的目標，在工業場所也用到大功率的無刷直流電機，無刷電機有諸多優點例如1.具有傳統直流電機的優點，同時又取消了碳刷、滑環結構；2.體積小、重量輕、出力大；3.轉矩特性優異，中、低速轉矩性能好，啟動轉矩大，啟動電流小；4.效率高，電機本身沒有勵磁損耗和碳刷損耗，消除了多級減速損耗，綜合節電率可達20%~60%；但是一般目前轉矩脈動較大，運行不太安全，且功率都在10kw以下，也有用到正弦波控制的無刷直流電機，但是其價格昂貴，難以大規模使用。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種工業用大功率方波無刷電機控制器，本發明解決了電機的轉矩脈動過大問題，且控制器的輸出功率能達到很大，能滿足大功率要求的場合，并其體積小能夠滿足工業各種場合對空間要求條件。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種工業用大功率方波無刷電機控制器，所述控制器包括380v交流電，整流模塊、穩壓模塊、三相全控橋模塊、弱電模塊、電壓檢測處理模塊、通信模塊、顯示模塊、數字信號放大模塊、電流檢測模塊、電流處理模塊、碼盤信號處理模塊、監控信號處理模塊、溫度檢測模塊和cpu模塊；穩壓模塊輸出端分別連接弱電模塊、電壓檢測處理模塊和三相全控橋模塊；三相全控橋模塊經數字信號放大模塊連接cpu模塊；電壓檢測處理模塊分別連接于穩壓模塊、cpu模塊和監控信號處理模塊；電流處理模塊分別連接于電流檢測模塊、碼盤信號處理模塊、監控信號處理模塊和cpu模塊模塊；溫度檢測模塊連接cpu模塊、碼盤信號處理模塊，并連接于電流處理模塊、電機霍爾傳感器和cpu模塊；監控信號處理模塊分別連接于電壓檢測處理模塊和電流處理模塊；cpu模塊連接通訊模塊、顯示模塊。

所述的一種工業用大功率方波無刷電機控制器，所述顯示模塊采用rs232通訊模塊。

所述的一種工業用大功率方波無刷電機控制器，所述通訊模塊采用rs485通訊模塊。

所述的一種工業用大功率方波無刷電機控制器，所述cpu模塊包括adc模塊、監控模塊、ecap模塊、碼盤信號處理、電流跟隨控制模塊、控制信號輸出模塊和通信模塊；adc模塊連接電壓檢測處理模塊、電流處理模塊和溫度檢測模塊；監控模連接監控信號處理模塊；碼盤信號處理模塊連接電流跟隨控制模塊；通信模塊內設置有sci通訊端口。

所述的一種工業用大功率方波無刷電機控制器，所述電流跟隨器控制模塊包括邏輯處理模塊、pid調節模塊、比較處理1模塊、比較處理2模塊、電流處理模塊、溫度處理模塊、扇區號處理模塊、電壓處理模塊、pwm模塊、sci模塊；邏輯處理模塊連接pwm模塊；pid調節模塊連接與sci模塊、比較處理1模塊和轉速；比較處理1模塊連接于pwm模塊、pid調節模塊和電流處理模塊；比較處理2模塊連接于溫度處理模塊和pwm模塊；扇區號處理模塊連接pwm模塊；電壓處理信號連接于sci模塊；sci模塊連接于通信模塊。

所述的一種工業用大功率方波無刷電機控制器，所述電流處理模塊包括電流采樣模塊、碼盤信號處理模塊、非換相電選擇模塊和絕對值處理模塊；電壓檢測處理模塊包括采樣電阻，信號處理器；整流模塊、穩壓模塊包括二極管整流橋和穩壓芯片，穩壓模塊連接三相全橋模塊和弱電模塊以及電壓檢測處理模塊；電流檢測模塊包括采樣電阻和信號處理器；溫度檢測模塊包括熱敏電阻和信號處理器；碼盤信號處理模塊包括信號處理器和電平轉化器；監控信號處理模塊包括過壓保護模塊，欠壓保護模塊和過流保護模塊；三相全控橋模塊由六個功率開關管組成三相橋式逆變器，六個功率開關管分別與數字信號放大模塊相連，并與無刷直流電機的三相繞組u、v、w相連。

所述的一種工業用大功率方波無刷電機控制器，所述六個功率開關管均采用igbt。

本發明的優點與效果是：

1、本發明采用的工業用大功率方波電機控制器包括380v交流電，整流模塊，穩壓模塊，三相全控橋模塊，弱電模塊，電壓檢測處理模塊，通信模塊，顯示模塊，數字信號放大模塊，電流檢測模塊，電流處理模塊，碼盤信號處理模塊，監控信號處理模塊，溫度檢測模塊和cpu模塊，其電流為完美的方波，這樣就解決了電機的轉矩脈動過大問題，且控制器的輸出功率能達到很大，能滿足大功率要求的場合，并其體積小能夠滿足工業各種場合對空間要求條件。

2、本發明采用的工業用大功率方波電機控制器在元器件選型上選用耐高溫元器件，并在結構設計上和布局環節保證抗震抗壓高散熱效率等高標準要求，保證了運行時的安全性和環境可靠性。

3、本發明的工業用大功率方波電機控制器具有功能豐富、效率高、過載能力強，轉矩脈動小，功率大等特點，實現了功能的完善性和系統的穩定性。本發明可以廣泛在工業場合應用。

附圖說明

圖1是本發明的整體結構示意圖；

圖2是本發明的cpu模塊結構示意圖；

圖3是電流跟隨器控制模塊結構示意圖；

圖4是電流處理模塊結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖所示實施例對本發明進行詳細說明。

本發明一種工業用大功率方波無刷直流電機控制器，包括380v交流電，整流模塊，穩壓模塊，三相全控橋模塊，弱電模塊，電壓檢測處理模塊，通信模塊，顯示模塊，數字信號放大模塊，電流檢測模塊，電流處理模塊，碼盤信號處理模塊，監控信號處理模塊，溫度檢測模塊和cpu模塊。穩壓模塊輸出端分別連接弱電模塊、電壓檢測處理模塊和三相全控橋模塊，弱電模塊將穩壓模塊輸出的高電壓轉換成低電壓后為數字信號放大模塊和cpu模塊供電；三相全控橋模塊經數字信號放大模塊連接cpu模塊；電壓檢測處理模塊分別連接于穩壓模塊，cpu模塊和監控信號處理模塊，用于處理和檢測母線電壓，并將檢測結果輸送至cpu模塊和監控信號處理模塊；電流檢測模塊用于檢測三相電流信號；電流處理模塊分別連接于電流檢測模塊，碼盤信號處理模塊，監控信號處理模塊和cpu模塊模塊，用于處理檢測得到的三相電流，并將結果輸送到cpu模塊和監控信號處理模塊；溫度檢測模塊用于檢測控制器溫度和電機溫度，檢測結果輸送到cpu模塊，碼盤信號處理模塊，連接于電流處理模塊，電機霍爾傳感器和cpu模塊，將霍爾傳感器中的信號進行處理，將結果輸送至cpu模塊和電流處理模塊；監控信號處理模塊分別連接于電壓檢測處理模塊和電流處理模塊，將對電流和電壓進行檢測監控處理，處理結果送到cpu模塊；cpu模塊根據接收到的無刷直流電機碼盤信號，母線電壓信號，電流處理信號，監控處理信號和溫度信號，向數字信號放大模塊輸入六路pwm控制信號，數字信號放大模塊將六路pwm控制信號處理后，控制三相全控橋模塊工作；cpu模塊連接有通訊模塊，方便接收指令，cpu模塊連接有顯示模塊，方便實時顯示用戶需要的變量。

cpu模塊包括adc模塊、監控模塊、ecap模塊、碼盤信號處理、電流跟隨控制模塊、控制信號輸出模塊和通信模塊；adc模塊連接電壓檢測處理模塊，電流處理模塊和溫度檢測模塊，將模塊濾波輸出的穩定模擬信號進行模數轉換，生成的數字量送入電流跟隨控制模塊中；監控模連接監控信號處理模塊，將監控信號處理模塊得到的信號放大處理后送到電流跟隨控制模塊；ecap模塊根據相鄰兩次碼盤信號值計算出轉速值，將計算得到的轉速也輸入到電流跟隨控制；碼盤信號處理模塊利用碼盤信號處理模塊輸出的位置信號，判斷當前所述無刷直流電機空間位置，將位置信號編碼處理后得到扇區號，送給電流跟隨控制模塊；電流跟隨控制模塊利用的adc模塊輸出的電流，電壓和電機溫度和ecap輸出的轉速，以及監控模塊輸出的過流過壓欠壓信號，通過電流跟隨控制模塊處理后，輸出pwm控制信號和顯示信號；控制信號輸出模塊利用電流跟隨控制模塊輸出的pwm控制信號，輸出相應的六路控制信號；通信模塊內設置有sci通訊端口，用于通訊模塊和顯示模的數據進行傳輸。

電流跟隨器控制模塊包括邏輯處理模塊、pid調節模塊、比較處理1模塊、比較處理2模塊，電流處理模塊、溫度處理模塊、扇區號處理模塊，電壓處理模塊，pwm模塊，sci模塊；邏輯處理模塊連接pwm模塊，其將過流過壓欠壓信號進行邏輯處理后輸給pwm模塊，來決定pwm控制信號的開通與管段；pid調節模塊連接與sci模塊，比較處理1模塊和轉速，其將實際轉速與通過sci傳送的速度進行pid調節，生成目標電流傳給比較處理1模塊；比較處理1模塊連接于pwm模塊，pid調節模塊和電流處理模塊，其將pid處理模塊的輸出電流與經過電流處理模塊的電流相比較，這樣實際電流就會一直跟隨目標電流，進而形成方波電流，其將比較結果送給pwm模塊，進而來控制pwm控制信號的占空比；比較處理2模塊連接于溫度處理模塊和pwm模塊，其將溫度與設定溫度相比較，將得到的結果送給pwm模塊，來控制pwm的開通與否；扇區號處理模塊連接pwm模塊，其將扇區號做相應的處理后送給pwm模塊，pwm要根據其所提供的扇區號來產生不同的pwm控制信號；電壓處理信號連接于sci模塊，其將電壓電壓信號做相應的處理后，送給sci模塊；sci模塊連接于通信模塊，將相應的數據傳輸出去和傳進來。pwm模塊根據其他輸入產生6路pwm控制信號，將6路信號傳到外邊相應的模塊。

電流處理模塊包括電流采樣，碼盤處理信號，非換相電選擇模塊和絕對值處理模塊；電流采樣來源于電流采樣模塊；碼盤處理信號來源于碼盤信號處理模塊；非換相電選擇模塊根據碼盤處理信號對三相采樣電流處理，選出不進行換相的采樣電流，將選出的電流經過絕對值處理模塊的處理后得到全為正的采樣電流，將結果送到后續相應模塊。

電壓檢測處理模塊包括采樣電阻，信號處理器，采樣電阻用于檢測從穩壓模塊出來的電壓，將該電壓模塊輸送至信號處理模塊內，信號處理器將電壓信號濾波放大處理后，輸入至cpu模塊內和監控信號處理模塊。

電流檢測模塊包括采樣電阻和信號處理器；采樣電阻用于檢測所述無刷直流電機定子繞組電流信號，并將該電流信號傳輸至所述電流處理模塊。

溫度檢測模塊包括熱敏電阻和信號處理器；熱敏電阻用于檢測無刷直流電機和控制器的溫度，并將該溫度信號傳輸至cpu模塊。

碼盤信號處理模塊包括信號處理器和電平轉化器；電平轉化器用于將高電壓的碼盤信號轉化為低電壓的碼盤信號，并將該低電壓的碼盤信號傳輸至電流處理模塊和cpu模塊。

監控信號處理模塊包括過壓保護模塊，欠壓保護模塊和過流保護模塊；過壓保護模塊，欠壓保護模塊用于對母線電壓的監控，電壓過高過低都會發出錯誤信號給cpu模塊；過流保護模用于對電流的限幅，當電流過大就會才生錯誤信號給cpu模塊。

三相全控橋模塊由六個功率開關管組成三相橋式逆變器，六個功率開關管分別由數字信號放大模塊輸出的控制信號控制其通斷，最終輸出電壓至無刷直流電機的三相繞組u、v、w。六個功率開關管均采用igbt；通訊模塊采用rs485通訊模塊；顯示模塊采用rs232通訊模塊。

實施例

如圖1所示，本發明包括包括380v交流電，整流模塊，穩壓模塊，三相全控橋模塊，弱電模塊，電壓檢測處理模塊，通信模塊，顯示模塊，數字信號放大模塊，電流檢測模塊，電流處理模塊，碼盤信號處理模塊，監控信號處理模塊，溫度檢測模塊和cpu模塊。

380v交流電通過整流模塊變為直流電，然后輸入到穩壓模塊，通過穩壓模塊得到恒定的直流電壓，穩壓模塊輸出端分別連接弱電模塊和三相全控橋模塊，弱電模塊將穩壓模塊輸出的高電壓轉換成低電壓（正負15v/24v/5v/3.3v）后，為數字信號放大模塊和cpu模塊供電。三相全控橋模塊經數字信號放大模塊連接cpu模塊，根據cpu模塊傳輸至的控制信號將穩壓模塊輸出的高電壓經整流逆變后，輸入至無刷直流電機的三相繞組。電壓檢測處理模塊用于處理和檢測母線電壓，并將檢測結果輸送至cpu模塊和監控信號處理模塊；電流檢測模塊用于檢測三相電流信號，并將檢測結果輸送至電流處理模塊；電流處理模利用碼盤信號處理模塊的輸出來處理檢測得到的三相電流，并將結果輸送到cpu模塊和監控信號處理模塊；溫度檢測模塊用于檢測控制器溫度和電機溫度，檢測結果輸送到cpu模塊；碼盤信號處理模塊將霍爾傳感器中的信號進行處理，將結果輸送至cpu模塊和電流處理模塊；監控信號處理模塊對電流和電壓進行檢測監控處理，主要看電流是否過流以及電壓是否過壓欠壓，并將處理結果送到cpu模塊；cpu模塊根據接收到的無刷直流電機碼盤信號，母線電壓信號，電流處理信號，監控處理信號和溫度信號，向數字信號放大模塊輸入六路pwm控制信號，數字信號放大模塊將六路pwm控制信號處理后，控制三相全控橋模塊工作；cpu模塊連接有通訊模塊，方便接收指令，cpu模塊連接有顯示模塊，方便實時顯示用戶需要的變量。

上述實施例中，三相全控橋模塊由六個功率開關管組成三相橋式逆變器，六個功率開關管分別由數字信號放大模塊輸出的六路pwm控制信號控制其通斷，最終輸出電壓至無刷直流電機的三相繞組u、v、w。其中六個功率開關管均采用igbt。

上述各實施例中，如圖2所示，cpu模塊包括adc模塊、監控模塊、ecap模塊、碼盤信號處理、電流跟隨控制模塊、控制信號輸出模塊和通信模塊；所述adc模塊連接電壓檢測處理模塊，電流處理模塊和溫度檢測模塊，將模塊濾波輸出的穩定模擬信號進行模數轉換，生成的數字量送入電流跟隨控制模塊中；監控模連接所述監控信號處理模塊，將監控信號處理模塊得到的信號放大處理后送到電流跟隨控制模塊；ecap模塊根據相鄰兩次碼盤信號值計算出轉速值，將計算得到的轉速也輸入到電流跟隨控制；碼盤信號處理模塊利用所述碼盤信號處理模塊輸出的位置信號，判斷當前無刷直流電機空間位置，將位置信號編碼處理后得到扇區號，送給電流跟隨控制模塊；電流跟隨控制模塊利用所述的adc模塊輸出的電流，電壓和電機溫度和ecap輸出的轉速，碼盤信號處理模塊的扇區，以及監控模塊輸出的過流過壓欠壓信號，通過電流跟隨控制模塊處理后，輸出pwm控制信號和顯示信號；控制信號輸出模塊利用電流跟隨控制模塊輸出的pwm控制信號，輸出相應的六路控制信號；通信模塊內設置有sci通訊端口，用于通訊模塊和顯示模的數據進行傳輸。

上述各實施例中，如圖3所示，電流跟隨器控制模塊包括邏輯處理模塊、pid調節模塊、比較處理1模塊、比較處理2模塊，電流處理模塊、溫度處理模塊、扇區號處理模塊，電壓處理模塊，pwm模塊，sci模塊；邏輯處理模塊連接所述pwm模塊，其將過流過壓欠壓信號進行邏輯處理后輸給pwm模塊，來決定pwm控制信號的開通與管段；pid調節模塊連接與所述sci模塊，比較處理1模塊和轉速，其將實際轉速與通過sci傳送的速度進行pid調節，生成目標電流傳給比較處理1模塊；比較處理1模塊連接于pwm模塊，pid調節模塊和電流處理模塊，其將pid處理模塊的輸出電流與經過電流處理模塊的電流相比較，這樣實際電流就會一直跟隨目標電流，進而形成方波電流，其將比較結果送給pwm模塊，進而來控制pwm控制信號的占空比；比較處理2模塊連接于溫度處理模塊和pwm模塊，其將溫度與設定溫度相比較，將得到的結果送給pwm模塊，來控制pwm的開通與否；扇區號處理模塊連接pwm模塊，其將扇區號做相應的處理后送給pwm模塊，pwm要根據其所提供的扇區號來產生不同的pwm控制信號；電壓處理信號連接于sci模塊，其將電壓電壓信號做相應的處理后，送給sci模塊；sci模塊連接于通信模塊，將相應的數據傳輸出去和傳進來。pwm模塊根據其他輸入產生6路pwm控制信號，將6路信號傳到外邊相應的模塊。

上述各實施例中，如圖4所示，電流處理模塊包括電流采樣，碼盤處理信號，非換相電選擇模塊和絕對值處理模塊；電流采樣來源于電流采樣模塊；碼盤處理信號來源于碼盤信號處理模塊；非換相電選擇模塊根據碼盤處理信號對三相采樣電流處理，選出不進行換相的采樣電流，將選出的電流經過絕對值處理模塊的處理后得到全為正的采樣電流，將結果送到后續相應模塊。

上述各實施例中，電壓檢測處理模塊包括采樣電阻，信號處理器，采樣電阻用于檢測從穩壓模塊出來的電壓，將該電壓模塊輸送至信號處理模塊內，信號處理器將電壓信號濾波放大處理后，輸入至cpu模塊內和監控信號處理模塊。

上述各實施例中，電流檢測模塊包括采樣電阻和信號處理器；采樣電阻用于檢測所述無刷直流電機定子繞組電流信號，并將該電流信號傳輸至所述電流處理模塊。

上述各實施例中，溫度檢測模塊包括熱敏電阻和信號處理器；熱敏電阻用于檢測無刷直流電機和控制器的溫度，并將該溫度信號傳輸至cpu模塊。

上述各實施例中，碼盤信號處理模塊包括信號處理器和電平轉化器；電平轉化器用于將高電壓的碼盤信號轉化為低電壓的碼盤信號，并將該低電壓的碼盤信號傳輸至電流處理模塊和cpu模塊。

上述各實施例中，監控信號處理模塊包括過壓保護模塊，欠壓保護模塊和過流保護模塊；過壓保護模塊，欠壓保護模塊用于對母線電壓的監控，電壓過高過低都會發出錯誤信號給cpu模塊；過流保護模用于對電流的限幅，當電流過大就會才生錯誤信號給cpu模塊。

上述各實施例中，通訊模塊采用rs485通訊模塊，顯示模塊采用rs232通訊模塊。

綜上所述，本發明在使用中，使用工業380v交流電，經過整流變換能夠有效地完成工業中無刷直流電機的功能控制，并且能夠輸出大功率，利用電流跟隨控制算法得到的電流為完美的方波，能有效解決無刷直流電機轉矩脈動的問題，滿足工業場所功能性需求；同時發明設計的無刷直流電機控制器耐高溫、耐高壓能夠滿足工業場所安全可靠性需求。