智能型小功率电机控制器的控制电路和控制方法
【专利摘要】本发明涉及电机【技术领域】，特别是一种智能型小功率电机控制器的控制电路和控制方法。它包括直流无刷电机驱动电路、直流有刷电机驱动电路、与直流无刷电机驱动电路和直流有刷电机驱动电路连接的MCU单片机、与MCU单片机连接的检测电路和电源电路。直流无刷电机驱动电路和直流有刷电机驱动电路通过MCU单片机集中控制，它根据检测电路反馈的温度信号调节输入到两个驱动电路的脉冲调制信号，从而控制直流无刷电机和直流有刷电机的转速。本发明将直流无刷电机和直流有刷电机同时采用一个控制模块进行控制，控制过程更为简单，用直流无刷电机和直流有刷电机分别根据水温自动调节电动水泵和冷凝风扇的电机转速，有效地节约了能源、降低了噪音。
【专利说明】智能型小功率电机控制器的控制电路和控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电机【技术领域】，特别是一种智能型小功率电机控制器的控制电路和控制方法。
【背景技术】
[0002]直流有刷电动机以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用，但普通的直流有刷电动机由于需要机械换相和电刷，可靠性差，需要经常维护；换相时产生电磁干扰，噪声大，影响了直流有刷电动机在控制系统中的进一步应用。为了克服机械换相带来的缺点，以电子换相取代机械换相的直流无刷电动机应运而生。30多年以来，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展，直流无刷电动机得到了广泛应用。
[0003]根据MSResearch (电子行业研究机构)一项最新研究报告，2012到2017年间，应用于汽车行业的永磁直流无刷电机出货量将超过直流有刷电机和步进电机，永磁直流无刷电机出货量将上升52%，销售将超过4.62亿台。永磁直流无刷电机广泛应用于汽车中传动系统和底盘应用，如动力转向、传动驱动和发动机冷却系统，直流有刷电机主要应用于门锁、电动车窗等。
[0004]虽然直流无刷电机具有结构简单、体积小和成本低等优点，但是加上位置传感器后，体积变大，成本增加，安装精度要求高。为了降低控制系统的成本、体积和装配复杂度，基于反电势检测的无位置传感器技术营运而生，在各种无位置传感器控制方法中，反电动势法是目前技术最成熟、应用最广泛的转子位置检测方法。反电动势法优点是计算量小，易于实现。缺点就是启动困难，需要根据电机特性，精心设计启动频率、转子定位激磁时间和前导角。此外，传统车辆内，直流有刷电机或直流无刷电机分开控制，控制过程麻烦，且由于传统车辆的冷凝风扇采用继电器进行控制，不能根据需要调节转速，造成不必要的能源浪费，且具有较大的噪音。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种智能型小功率电机控制器的控制电路和控制方法，它将直流无刷电机和直流有刷电机同时采用一个控制模块进行控制，控制过程更为简单，用直流无刷电机和直流有刷电机分别根据水温自动调节电动水泵和冷凝风扇的电机转速，有效地节约了能源。
[0006]对于本发明的一种智能型小功率电机控制器的控制电路，其技术方案为:
[0007]包括直流无刷电机驱动电路，用于驱动电动水泵；
[0008]直流有刷电机驱动电路，用于驱动冷凝风扇；
[0009]与直流无刷电机驱动电路和直流有刷电机驱动电路连接的MCU单片机，用于控制直流无刷电机驱动电路和直流有刷电机驱动电路；
[0010]与MCU单片机连接的检测电路，用于检测冷凝风扇和电动水泵的水温并反馈给MCU单片机。
[0011]电源电路，用于为MCU单片机、直流无刷电机驱动电路和直流有刷电机驱动电路提供电能；
[0012]进一步的，所述的直流无刷电机驱动电路包括无刷电机驱动1C和与之连接的三相全桥驱动电路。
[0013]进一步的，所述的直流有刷电机驱动电路包括有刷电机预驱动电路和与之连接的功率驱动电路。
[0014]进一步的，所述的无刷电机驱动1C上连接有启动频率选择电路，用于控制直流无刷电机的启动频率。
[0015]对于本发明的一种智能型小功率电机控制器的控制方法，其技术方案为:所述的直流无刷电机驱动电路和直流有刷电机驱动电路通过与之连接的MCU单片机集中控制，所述的MCU单片机根据检测电路反馈的温度信号调节输入到直流无刷电机驱动电路和直流有刷电机驱动电路的脉冲调制信号，从而控制直流无刷电机和直流有刷电机的转速。
[0016]进一步的，所述的MCU单片机对直流无刷电机驱动电路的控制方式为:
[0017]输出第一脉冲调制信号PWM1给直流无刷电机驱动电路的无刷电机驱动1C，用于控制直流无刷电机的转速。
[0018]输出转向控制信号给直流无刷电机驱动电路的无刷电机驱动1C，用于控制直流无刷电机的转向。
[0019]输出前导角控制信号给直流无刷电机驱动电路的无刷电机驱动1C，用于控制直流无刷电机的前导角。
[0020]进一步的，所述MCU单片机对直流无刷电机驱动电路的无刷电机驱动1C输出的转向信号为高电平时，直流无刷电机正转；
[0021 ] MCU单片机对直流无刷电机驱动电路的无刷电机驱动1C输出的转向信号为低电平时，直流无刷电机反转。
[0022]进一步的，所述MCU单片机对直流无刷电机驱动电路的无刷电机驱动1C输出的前导角控制信号为高电平、中点平、低电平时，直流无刷电机输出不同的前导角度。
[0023]进一步的，所述的MCU单片机输入第二脉冲调制信号PWM2给直流有刷电机驱动电路的有刷电机预驱动电路，控制直流有刷电机的转速。
[0024]进一步的，所述的MCU单片机通过检测电路反馈的电动水泵水温来调节第一脉冲调制信号PWM1的占空比，在电动水泵水温逐渐升温的过程中，其调节方式如下:
[0025]当水温低于预定值1时，MCU单片机控制电动水泵间隙运转；
[0026]当水温在预定值1与预定值2之间时，第一脉冲调制信号PWM1的占空比为35%?45% ；
[0027]当水温在预定值2到预定值3之间时，第一脉冲调制信号PWM1的占空比为45%?55% ；
[0028]当水温高于预定值3时，第一脉冲调制信号PWM1的占空比为55%?70% ;
[0029]进一步的，所述的MCU单片机通过检测电路反馈的电动水泵水温来调节第一脉冲调制信号PWM1的占空比，在电动水泵水温逐渐降低的过程中，其调节方式如下:
[0030]当水温高于预定值4时，第一脉冲调制信号PWM1的占空比为55%?70% ;
[0031]当水温在预定值4到预定值5之间时，第一脉冲调制信号PWM1的占空比为45%?55% ；
[0032]当水温在预定值5到预定值6之间时，第一脉冲调制信号PWM1的占空比为35%?45% ；
[0033]当水温低于预定值6时，MCU单片机控制电动水泵间隙运转。
[0034]进一步的，所述的MCU单片机通过检测电路反馈的冷凝风扇水温来控制第二脉冲调制信号PWM2的占空比，在冷凝风扇水温逐渐升温的过程中，其控制方式如下:
[0035]当水温低于预定值7时，冷凝风扇停止运转；
[0036]当水温在预定值7到预定值8之间时，第二脉冲调制信号PWM2的占空比为45%?55% ；
[0037]当水温高于预定值8时，第二脉冲调制信号PWM2的占空比为100% ；
[0038]进一步的，所述的MCU单片机通过检测电路反馈的冷凝风扇水温来控制第二脉冲调制信号PWM2的占空比，在冷凝风扇水温逐渐降低的过程中，其控制方式如下:
[0039]当水温高于预定值9时，第二脉冲调制信号PWM2的占空比为100% ；
[0040]当水温在预定值9到预定值10之间时，第二脉冲调制信号PWM2的占空比为45%?55%。
[0041]当水温低于预定值10时，冷凝风扇停止运转。
[0042]本发明的有益效果是:本发明采用MCU单片机同时控制直流无刷电机和直流有刷电机，控制方式更加简单。采用反电动势技术代替位置传感器，节约了空间。通过MCU单片机输出不同的脉冲调制信号，根据电动水泵和冷凝风扇的水温分别控制直流无刷电机和直流有刷电机的扭矩，具有较高的智能性和灵活性，在保护电动水泵和冷凝风扇电机的同时有效的通过降低转速避免了不必要的能源浪费，并降低了噪音。在无刷电机驱动1C上连接启动频率选择电路，无需对电机的启动频率进行设计，仅需根据不同规格的电机选择不同的启动频率，使用方便。而无刷电机驱动1C同时具有过电流保护、短路保护、芯片过热保护以及芯片过压欠压保护，保证了直流无刷电机的正常运行。通过CAN收发电路可以实现控制器的在线诊断功能，具有更高的智能性。
【专利附图】
【附图说明】
[0043]图1为本发明模块连接框图；
[0044]图2为直流无刷电机驱动电路原理框图；
[0045]图3为直流有刷电机驱动电路原理框图；
[0046]图4为电动水泵控制策略图；
[0047]图5为冷凝风扇控制策略图；
[0048]图中:1 一MCU单片机,2—直流无刷电机驱动电路，3—直流有刷电机驱动电路，4一电源电路，5一检测电路，6一直流无刷电机，7一直流有刷电机，8一CAN收发电路，9一无刷电机驱动1C, 10 一二相全桥驱动电路，11 一有刷电机预驱动电路，12 一功率驱动电路。
【具体实施方式】
[0049]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0050]如图1所示，本发明包括MCU单片机1、与MCU单片机1连接的直流无刷电机驱动电路2、直流有刷电机驱动电路3、检测电路5和CAN收发电路8，以及电源电路4。所述的电源电路4产生VDD (12V滤波输出)提供给直流无刷电机驱动电路2，产生VCC (5V稳压输出)提供给MCU单片机1和CAN收发电路8，输入12V电源给直流有刷电机7的绕组。CAN收发电路8用于实现MCU单片机1与CAN网络的通信，从而实现控制器的在线诊断功能。检测电路5是外部电路和MCU单片机1之间的接口电路，把外部开关信号、温度信号和电压信号转换成MCU单片机1能接收的输入信号，把单片机输出的脉冲调制信号和数字信号转换成外部设备的控制输入信号。
[0051]与直流无刷电机驱动电路2连接的直流无刷电机6驱动电动水泵工作，它包括无刷电机驱动IC9和与之连接的三相全桥驱动电路10，三相全桥驱动电路10连接直流无刷驱动电机6。工作时，检测电路5检测电动水泵水的温度，并将该温度信息反馈给MCU单片机1，MCU单片机根据温度信息控制输入到无刷电机驱动IC9的第一脉冲调制信号PWM1占空比，从而控制直流无刷电机6的输出扭矩。第一脉冲调制信号PWM1占空比与直流无刷电机6的输出扭矩成正比。MCU单片机1通过与无刷电机驱动IC9连接的PWM_INPUT引脚对直流无刷电机驱动电路2输入第一脉冲调制信号PWM1，并通过三相全桥驱动电路10输出三相绕组驱动脉冲信号；通过0UTFG引脚将转速信号反馈给MCU单片机1 ;通过与无刷电机驱动IC9连接的CW_CCW引脚对直流无刷电机驱动电路2输入转向控制信号，用于控制直流无刷电机6的转向；通过与无刷电机驱动IC9连接的SLA引脚对直流无刷电机驱动电路2输入前导角控制信号，用于控制直流无刷电机的前导角。
[0052]MCU单片机1对直流无刷电机驱动电路2的控制过程如下:MCU单片机1对无刷电机驱动1C输出的转向信号为高电平时，直流无刷电机正转，为低电平时，直流无刷电机正转。MCU单片机1对无刷电机驱动1C输出的前导角控制信号为高电平时，直流无刷电机6前导角度为7.5°，前导角控制信号为低电平时，直流无刷电机前导角度为15°，前导角控制信号为中电平(即开路)时，直流无刷电机前导角度为30°。本发明的前导角的角度根据电机的型号规格以及适用场合可以自行设定。
[0053]在无刷电机驱动IC9上还连接有一个启动频率选择电路，用于控制直流无刷电机的启动频率。在不同规格的发电机进行使用时，仅需选择合适的启动频率即可。无刷电机驱动IC9通过与三相全桥驱动电路10连接的1-detect引脚检测电流大小，实现芯片的过电流和短路保护，而无刷电机驱动IC9的VD输入端则可对芯片进行过压保护，在电压过高时，直接切断对无刷电机驱动IC9的供电。而无刷电机驱动IC9内部自带温度传感器功能，实现芯片自身的过热保护。
[0054]如图3所示，直流有刷电机驱动电路3包括有刷电机预驱动电路11和与之连接的功率驱动电路12。MCU单片机1对有刷电机预驱动电路11输入第二脉冲调制信号PWM2，有刷电机驱动电路12输出电机绕组电流信号，绕组电流的大小与直流有刷电机7的扭矩成正比。
[0055]如图4所示为电动水泵的控制策略图，电动水泵的水温通过检测电路5反馈给MCU单片机1，MCU单片机1根据水温调节输出的第一脉冲调制信号PWM1占空比，从而调节电机转速，达到节能和保护电机的作用。具体控制方式如下:
[0056]在电动水泵水温上行程(即水温逐渐上升)的过程中:
[0057]当水温低于预定值1时，MCU单片机控制电动水泵间隙运转；
[0058]当水温在预定值1与预定值2之间时，第一脉冲调制信号PWM1的占空比为35%?45%，本实施例取40%。
[0059]当水温在预定值2到预定值3之间时，第一脉冲调制信号PWM1的占空比为45%?55%，本实施例取50%。
[0060]当水温高于预定值3时，第一脉冲调制信号PWM1的占空比为55%?70%，本实施例取65%。
[0061]在电动水泵水温下行程(即水温逐渐降低)的过程中:
[0062]当水温高于预定值4时，第一脉冲调制信号PWM1的占空比为55%?70%，本实施例取65%。
[0063]当水温在预定值4到预定值5之间时，第一脉冲调制信号PWM1的占空比为45%?55%，本实施例取50%。
[0064]当水温在预定值5到预定值6之间时，第一脉冲调制信号PWM1的占空比为35%?45%，本实施例取40%。
[0065]当水温低于预定值6时，MCU单片机控制电动水泵间隙运转。
[0066]如图5所示为冷凝风扇的控制策略图，MCU单片机1通过**电路5反馈的冷凝风扇水温来控制第二脉冲调制信号PWM2的占空比，其具体的控制方式如下:
[0067]在冷凝风扇水温上行程(即水温逐渐升温)的过程中:
[0068]当水温低于预定值7时，冷凝风扇停止运转；
[0069]当水温在预定值7到预定值8之间时，第二脉冲调制信号PWM2的占空比为45%?55%，本实施例取50%。
[0070]当水温高于预定值8时，第二脉冲调制信号PWM2的占空比为100% ；
[0071]在冷凝风扇水温下行程(即水温逐渐降低)的过程中:
[0072]当水温高于预定值9时，第二脉冲调制信号PWM2的占空比为100% ；
[0073]当水温在预定值9到预定值10之间时，第二脉冲调制信号PWM2的占空比为45 %?55 %，本实施例取50 %。
[0074]当水温低于预定值10时，冷凝风扇停止运转。
[0075]预定值1?10可以根据不同规格的电机和不同使用场合自行设定，本发明所提供的实施例中预定值1取37°，预定值2取43°，预定值3取50°，预定值4取47°，预定值5取40°，预定值6取35°，预定值7取57°，预定值8取65°，预定值9取61°，预定值10 取 53。。
[0076]以上所述，仅为本发明的【具体实施方式】，应当指出，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种智能型小功率电机控制器的控制电路，其特征在于:包括直流无刷电机驱动电路，用于驱动电动水泵； 直流有刷电机驱动电路，用于驱动冷凝风扇； 与直流无刷电机驱动电路和直流有刷电机驱动电路连接的MCU单片机，用于控制直流无刷电机驱动电路和直流有刷电机驱动电路； 与MCU单片机连接的检测电路，用于检测冷凝风扇和电动水泵的水温并反馈给MCU单片机。 电源电路，用于为MCU单片机、直流无刷电机驱动电路和直流有刷电机驱动电路提供电能。
2.如权利要求1所述的一种智能型小功率电机控制器，其特征在于:所述的直流无刷电机驱动电路包括无刷电机驱动IC和与之连接的三相全桥驱动电路。
3.如权利要求1所述的一种智能型小功率电机控制器，其特征在于:所述的直流有刷电机驱动电路包括有刷电机预驱动电路和与之连接的功率驱动电路。
4.如权利要求2所述的一种智能型小功率电机控制器，其特征在于:所述的无刷电机驱动IC上连接有启动频率选择电路，用于控制直流无刷电机的启动频率。
5.如权利要求1所述的一种智能型小功率电机控制器控制电路的控制方法，其特征在于:所述的直流无刷电机驱动电路和直流有刷电机驱动电路通过与之连接的MCU单片机集中控制，所述的MCU单片机根据检测电路反馈的温度信号调节输入到直流无刷电机驱动电路和直流有刷电机驱动电路的脉冲调制信号，从而控制直流无刷电机和直流有刷电机的转速。
6.如权利要求5所述的一种智能型小功率电机控制器控制电路的控制方法，其特征在于:所述的MCU单片机对直流无刷电机驱动电路的控制方式为: 输出第一脉冲调制信号PWMl给直流无刷电机驱动电路的无刷电机驱动1C，用于控制直流无刷电机的转速。 输出转向控制信号给直流无刷电机驱动电路的无刷电机驱动1C，用于控制直流无刷电机的转向。 输出前导角控制信号给直流无刷电机驱动电路的无刷电机驱动1C，用于控制直流无刷电机的前导角。
7.如权利要求6所述的一种智能型小功率电机控制器控制电路的控制方法，其特征在于:所述MCU单片机对直流无刷电机驱动电路的无刷电机驱动IC输出的转向信号为高电平时，直流无刷电机正转； MCU单片机对直流无刷电机驱动电路的无刷电机驱动IC输出的转向信号为低电平时，直流无刷电机反转。
8.如权利要求6所述的一种智能型小功率电机控制器控制电路的控制方法，其特征在于:所述MCU单片机对直流无刷电机驱动电路的无刷电机驱动IC输出的前导角控制信号为高电平、中点平、低电平时，直流无刷电机输出不同的前导角度。
9.如权利要求5所述的一种智能型小功率电机控制器控制电路的控制方法，其特征在于:所述的MCU单片机输入第二脉冲调制信号PWM2给直流有刷电机驱动电路的有刷电机预驱动电路，控制直流有刷电机的转速。
10.如权利要求6所述的一种智能型小功率电机控制器控制电路的控制方法，其特征在于:所述的MCU单片机通过检测电路反馈的电动水泵水温来调节第一脉冲调制信号PWMl的占空比，在电动水泵水温逐渐升温的过程中，其调节方式如下: 当水温低于预定值I时，MCU单片机控制电动水泵间隙运转； 当水温在预定值I与预定值2之间时，第一脉冲调制信号PWMl的占空比为35%?45% ； 当水温在预定值2到预定值3之间时，第一脉冲调制信号PWMl的占空比为45%?55% ； 当水温高于预定值3时，第一脉冲调制信号PWMl的占空比为55%?70%。
11.如权利要求6所述的一种智能型小功率电机控制器控制电路的控制方法，其特征在于:所述的MCU单片机通过检测电路反馈的电动水泵水温来调节第一脉冲调制信号PWMl的占空比，在电动水泵水温逐渐降低的过程中，其调节方式如下: 当水温高于预定值4时，第一脉冲调制信号Pmil的占空比为55%?70% ; 当水温在预定值4到预定值5之间时，第一脉冲调制信号PWMl的占空比为45%?55% ； 当水温在预定值5到预定值6之间时，第一脉冲调制信号PWMl的占空比为35%?45% ； 当水温低于预定值6时，MCU单片机控制电动水泵间隙运转。
12.如权利要求5所述的一种智能型小功率电机控制器控制电路的控制方法，其特征在于:所述的MCU单片机通过检测电路反馈的冷凝风扇水温来控制第二脉冲调制信号PWM2的占空比，在冷凝风扇水温逐渐升温的过程中，其控制方式如下: 当水温低于预定值7时，冷凝风扇停止运转； 当水温在预定值7到预定值8之间时，第二脉冲调制信号PWM2的占空比为45%?55% ； 当水温高于预定值8时，第二脉冲调制信号PWM2的占空比为100%。
13.如权利要求5所述的一种智能型小功率电机控制器控制电路的控制方法，其特征在于:所述的MCU单片机通过检测电路反馈的冷凝风扇水温来控制第二脉冲调制信号PWM2的占空比，在冷凝风扇水温逐渐降低的过程中，其控制方式如下: 当水温高于预定值9时，第二脉冲调制信号PWM2的占空比为100% ； 当水温在预定值9到预定值10之间时，第二脉冲调制信号PWM2的占空比为45%?55%。 当水温低于预定值10时，冷凝风扇停止运转。
【文档编号】H02P5/68GK104410335SQ201410668544
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月20日 优先权日:2014年11月20日
【发明者】彭金城, 潘春良, 赵伟, 何葵, 王洪涛 申请人:东风汽车公司