一种直流电机反馈驱动电路及方法与流程

本发明属于一种直流电机反馈驱动电路及其方法。

背景技术：

对直流电机进行驱动调速时，主要是通过采样电机的转速信号，并将该转速信号转化为方波脉冲信号，然后将该方波脉冲信号通过频率-电压转换电路转化为直流电压信号，然后通过该直流电压信号的大小控制pwm信号的占空比，从而实现对直流电机的反馈控制，并进行精密调速。

但是，由于没有检测速度信号从而导致直流电机设定速度不精确，工作不平稳且抖动严重。另外，现有技术中的上述调速方法通常只局限于一种电机，当电机的种类改变以后，则会出现误差较大的情况，达不到既定的需求。

技术实现要素：

本发明提供一种电弧焊引弧电路，用以对电机的工作转速进行即时调整并使其达到设定转速，所述驱动电路包括：直流电源；电机，与所述直流电源电性连接，所述直流电源产生使得电机工作的输入电压；频率采样模块，用以检测电机的工作频率；频率电压转换模块，用以将工作频率转换为比较电压；误差信号比较模块，用以将比较电压与设定电压进行对比，并输出误差放大信号，其中，所述设定电压与电机的设定转速相对应；pwm控制模块，将误差放大信号转换为pwm信号；电机驱动模块，包括连接于直流电源及电机之间的开关，所述pwm信号与所述开关的控制端相连接以控制所述开关的闭合或打开从而控制电机的输入电压并使其转速达到设定转速。

作为本发明的进一步改进，所述误差信号比较模块包括：比较单元，用以对设定电压及比较电压进行计算比对并输出误差放大信号；校准单元，与所述比较单元相连接，用以确保电机的输入电压与所述设定电压的最大范围相对应。

作为本发明的进一步改进，所述校准单元包括：高速端校准器，与所述设定电压相连接，以在设定电压调整为最大设定电压时，调整高速端校准器并使得电机的输入电压达到最大；低速端校准器，与第一外接电源相连接，以在设定电压调整为最小设定电压时，调整低速端校准器并使得电机的输入电压达到最小。

作为本发明的进一步改进，频率采样模块包括安装于电机上的光栅码盘，以检测电机的工作转速并将工作转速转换成所述工作频率。

作为本发明的进一步改进，所述pwm控制模块包括：光耦，与所述误差信号比较模块相连通以对误差放大信号进行光电线性隔离；pwm控制单元，与所述光耦的输出端相连通，并输出pwm信号，该pwm信号与所述开关的控制端相连接。

本发明提供一种电弧焊引弧电路的驱动方法，用以即时调整电机的工作转速并达到设定转速，所述驱动方法包括：开启电机及直流电源，所述直流电源产生使得电机工作的输入电压；检测电机工作状态下的工作频率；将电机的工作频率转换为比较电压；将比较电压与设定电压进行对比，并获得误差放大信号，所述设定电压与电机的设定转速相对应；将误差放大信号转换为pwm信号，pwm信号为高电平时，直流电源和电机之间相连通，pwm信号为低电平时，直流电源和电机之间断路，从而改变电机的输入电压，以控制电机的工作转速使其达到设定转速。

作为本发明的进一步改进，所述驱动电路包括校准单元，所述“将比较电压与设定电压进行对比，并获得误差放大信号”包括：调整校准单元，并实时检测电机的输入电压，使得检测到的电机的输入电压的最大范围与所述设定电压的最大范围相对应；将比较电压与设定电压进行对比计算后并输出误差放大信号。

作为本发明的进一步改进，所述“调整校准单元，并实时检测电机的输入电压”包括：将设定电压调整为最大设定电压，调整校准单元，使得电机的输入电压也为最大；将设定电压调整为最低设定电压，调整校准单元，使得电机的输入电压也为最小。

作为本发明的进一步改进，所述驱动电路还包括光栅码盘，“检测电机工作状态下的工作转速”包括：将光栅码盘安装于电机上，并检测电机的工作转速且将该工作转速转换成所述工作频率。

作为本发明的进一步改进，“将误差放大信号转换为pwm信号”包括：将误差放大信号进行光电线性隔离，并转换为pwm信号。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：通过将电机转速转换的电压与设定电压进行对比，设定电压与设定转速相对应，从而获得设定电压与比较电压之间的误差放大信号，从而电机驱动模块可根据该误差放大信号对电机的转速进行调整，使其精确到设定转速。

附图说明

图1为本发明直流电机反馈驱动电路的频率电压转换模块、误差信号比较模块的电路图；

图2为本发明直流电机反馈驱动电路的pwm控制模块、电机驱动模块的电路图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

如图1和图2所示，本发明提供了一种直流电机反馈驱动电路，用以对电机的工作转速进行即使调整并使其能够稳定在设定转速，所述驱动电路包括：

直流电源，在本实施方式中，所述直流电源记为vcc。

电机，与所述直流电源vcc电性连接，以使得电机运转，所述直流电源产生使得电机工作的输入电压，因此所述输入电压即为所述电机电源输入端的电压。

频率采样模块，用以检测电机的工作频率。

频率电压转换模块，与所述频率采样模块电性连接，并用以将工作频率转换为比较电压。

误差信号比较模块，与所述频率电压转换模块电性连接，用以将比较电压与设定电压进行对比，并输出误差放大信号，其中，所述设定电压与电机的设定转速相对应，在本实施方式中，所述设定电压与电机的设定转速呈一定的比例关系。

pwm控制模块，将误差放大信号转换为pwm信号，所述pwm信号为一种方波信号。

电机驱动模块，包括连接于电源及电机之间的开关，所述pwm信号与所述开关的控制端相连接以控制所述开关的闭合或打开，从而控制电机的输入电压并使其转速达到设定转速。

具体的，以下对所述反馈驱动电路的各个模块进行分析。

如图1所示，所述频率采样模块包括安装于电机上的光栅码盘，所述光栅码盘可用以检测电机的工作频率并形成方波信号。

所述光栅码盘为一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成数字脉冲或数字量的传感器。所述光栅码盘实际上由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光栅盘与电机同轴，电机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光栅码盘输出脉冲的个数就能反映当前电机的转速。

获得电机的工作转速后即将该工作转速转换为工作频率,所述工作频率以方波信号的方式表示，本实施方式中，将所述工作频率记为f1。

如图1所示，所述频率电压转换模块用以将电机实际的工作频率转换为比较电压并输出。具体的，所述频率电压转换模块包括频率电压转换单元及滤波单元。所述频率电压转换单元与滤波单元共同工作，将工作频率转换为比较电压，并且输出的所述比较电压为一负值，在本实施方式中，所述比较电压记为u1，且其输出值的范围为-5v到0。

具体的，所述频率电压转换单元包括频压转换器，在本实施方式中，所述频压转换器采用lm331。

lm331是美国ns公司生产的性能价格比较高的集成芯片,可用作精密频率电压转换器、a/d转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。lm331采用了新的温度补偿能隙基准电路,在整个工作温度范围内和低到4.0v电源电压下都有极高的精度。lm331的动态范围宽,可达100db；线性度好,最大非线性失真小于0.01％,工作频率低到0.1hz时尚有较好的线性；变换精度高,数字分辨率可达12位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成v/f或f/v等变换电路,并且容易保证转换精度。

具体的，如图1所示，所述lm331的1号引脚为输出，用以作电压输出；2号引脚为基准电流；3号引脚为频率输出；4号引脚为接地；5号引脚为r/c，并用以接rc定时电路；6号引脚为阈值输入，用以输入上述所述工作频率；7号引脚为比较输入，用于与偏置电压相连接；8号引脚为电源，与第二外接电源vi相连接，在本实施方式中，第二外接电源vi为15v。

在本实施方式中，所述lm331的1号引脚与滤波单元相连接；3号引脚、4号引脚均接地；6号引脚与频率采样模块相连接，用以输入工作频率，6号引脚还与r11电阻相连接后与第二外接电源vi相连接。在本实施方式中，所述频率电压转换单元还包括连接于6号引脚和频率采样模块之间的c10电容。

2号引脚与r20电阻及w2电位器串联连接后接地，w2电位器可用于校准1号引脚输出的准确度，例如，当6号引脚输入最高频率5000hz时，则此时的频率电压转换模块整体输出的比较电压u1也应该为最低-5v，若没有达到-5v，则调整w2，使得比较电压u1的值为-5v。

5号引脚与c12电容相连接后接地，并且与r9电阻相连接后与第二外接电源vi相连接；c12电容为定时电容，r9为外接定时电阻，用以作为lm331芯片内部单稳态定时电路的定时元件。

7号引脚与r10电阻相连接后与第二外接电源vi相连接，并且与r23电阻相连接后接地。

另外，所述频率电压转换单元还包括有连接于1号引脚与地之间的c8电容，该c8电容是滤波电容，并用以滤除干扰和杂波信号，以将有用的信号送往后级的反向放大单元。

如图2所示，所述频率电压转换模块包括所述滤波单元。所述滤波单元与所述频压转换器的输出端相连接，在本实施方式中，即为lm331的1号引脚与所述滤波单元相连接。

具体的，所述滤波单元包括第一运算放大器u3d，所述lm331的1号引脚通过r18电阻与第一运算放大器u3d的负输入端相连接，所述第一运算放大器u3d的正输入端接地。所述lm331的1号引脚通过r16电阻与第一运算放大器u3d的输出端相连接；该滤波单元还包括c9电容，所述c9电容并联在第一运算放大器u3d的输出端及负输入端之间。

因此，频率电压转换模块包括频压转换单元及滤波单元，电机的工作频率f1经过c10电容连接至lm331的6号引脚，该6号引脚即为lm331的内部电压比较器阀值端上；工作频率f1的脉冲的下降沿使内部电压比较器触发定时电路，lm331的1号引脚流出的平均电流经第一运算放大器u3d及周围器件实现双极点滤波，从而第一运算放大器u3d的输出端得到与工作频率f1成正比的直流电压。

具体的，在本实施方式中，所述第一运算放大器u3d的输出端的电压为,

其中，f1为频率采样模块输出的电机的工作频率，2.09为系数，u1为该频率电压转换模块的输出电压，也为比较电压。

如图1所示，所述误差信号比较模块用于将比较电压u1和设定电压进行对比，其中设定电压与电机的设定转速相对应，因而，所述误差信号比较模块可输出的误差放大信号可用以对实际的电机的工作转速进行调整。在本实施方式中，所述设定电压记为vg，所述误差放大信号记为u2。

如图1所示，所述误差信号比较模块包括比较单元及校准单元，所述比较单元用以对设定电压vg及比较电压u1进行计算比对并输出误差放大信号u2，所述校准单元与所述比较单元相连接，并用以确保电机的输入电压与所述设定电压的最大范围相对应。在本实施方式中，所述设定电压vg的最大范围为0.5到+5v，所述电机的输入电压的最大范围为4.2v到42v。在本实施方式中，所述校准单元用以校准不同电机的高速端及低速端的输入电压，即，使得不同电机的输入电压与设定电压vg相匹配；在本实施方式中，设定电压为5v时，对应电机的输入电压为42v，设定电压为0.5v时，对应电机的输入电压为4.2v。

在本实施方式中，所述比较单元包括第二运算放大器u3c，所述第二运算放大器u3c输出的电压即为所述误差放大信号u2。所述校准单元包括高速端校准器，与所述设定电压vg相连接，以在设定电压vg调整为最大设定电压时，调整高速端校准器并使得电机的输入电压达到最大。在本实施方式中，所述高速端校准器为w1电位器。

具体的，所述比较电压u1与r22电阻串联后与第二运算放大器u3c的正输入端相连接；设定电压vg与w1电位器及r21电阻串联后与第二运算放大器u3c的正输入端相连接。由于w1电位器、r21电阻与r22电阻的阻值比例不同，因而设定电压vg及比较电压u1对误差放大信号u2所产生的影响也会不同。

在本实施方式中，w1电位器的中间值与r21电阻之和的值与r22电阻的值呈1：1的关系，该比例关系控制设定电压vg和比较电压u1的比例运算的参与量，这两个信号的比例运算的差值即为误差放大信号u2的值。其中，设定电压vg的值由一开始用户设定，并且该设定电压vg的值与电机的设定转速相对应。在直流电机工作之前，若用户需要电机在某个设定转速下运转，则用户即可设定对应的设定电压vg，从而电机通过该反馈驱动电路即可达到该设定转速。

当然，该第二运算放大器u3c的输出端与负输入端之间通过r12电阻相连接，并且负输入端与r13电阻相连接后接地。则具体的，该误差放大信号u2的值具体为：

根据运算放大器的“虚断”“虚短”原则，

u+＝u-,i+＝i-＝0，

由于，

i+＝0，

由于，

i-＝0，

因此，通过r21电阻、w1电位器及r22的电流正好相反，因此，

vg*r22-u+*r22＝u+*(r21+w1)-u1(r21+w1),

u+*(r21+r22+w1)＝vg*r22+u1(r21+w1),

又由于，

u+＝u-，

因而，

因此，调节w1电位器的值可改变误差放大信号u2的值，从而达到调节电机输入电压的作用。具体的，当设定电压vg为最高设定值+5v，即用户所需要的电机的设定转速为最大时，则调节w1电位器，使得电机的输入电压达到最大42v。

所述校准单元还包括低速端校准器，所述低速端校准器与第一外接电源相连接，具体的，在本实施方式中，所述第一外接电源记为vj。并且，所述低速端校准器为w3电位器。

具体的，所述w3电位器的电阻体的两端均与第一外接电源相连接，其中，第一外接电源为+15v和-15v，则所述w3电位器的两端分别与+15v及-15v相连接。所述w3电位器的电刷则与r24电阻连接后与所述第二运算放大器u3c的正输入端相连接。

由于r24电阻的阻值远远大于r22电阻的阻值，因此在设定电压vg或电机的设定转速较高的情况下，调节w3电位器的电刷不会影响到高速端的最终电机的输入电压的变化。因而，在设定电压vg或电机的设定转速较低的情况下，调节w3电位器可以对低速端的最终电机的输入电压进行调整。

具体的，当设定电压vg为最低值0.5v时，若电机的实际的输入电压没有达到4.2v，则将w3电位器的电刷向正压端+15v调整，从而相当于垫高了低速端的设定电压的值；若电机的实际的输入电压超过了4.2v，则将w3电位器的电刷向负压端-15v调整，从而相当于拉低了低速端的设定端的值。均可保证电机的低速端的输入电压为4.2v。

因此，上述所述校准单元可用于不同电机的低速端及高速端的调整，为了确保设定电压vg的值能与最终的电机的输入电压相匹配，使得电机可达到设定转速。从而，在对不同的电机进行反馈驱动时，可先通过校准单元对高速端及低速端进行调整，相当于对整个系统“较零”，从而所述直流电机反馈驱动电路可适应不同的电机。

如图2所示，所述pwm控制模块可将上述误差放大信号u2转换为pwm信号。所述pwm信号也为一种方波信号，在本实施方式中，所述pwm信号即为f2。

所述pwm控制模块包括pwm控制单元及光耦，所述误差放大信号u2与所述光耦op1的输入端相连接，所述光耦op1的输出端与所述pwm控制单元的信号输入端相连接，所述pwm控制单元的信号输出端与所述开关的控制端相连接。

具体的，所述光耦op1及led灯ld1、r7电阻组成隔离电路，用以将误差放大信号u2通过光电线性隔离的原理传送到pwm控制单元的输入端。

所述pwm控制单元包括pwm控制器，在本实施方式中，所述pwm控制器为uc3843。并且，将所述pwm控制器记为u1，所述pwm控制器u1可用以输出pwm信号f2，并对电机驱动模块中的开关进行控制。

所述uc3843是高性能固定频率电流模式控制器，专为离线和直流至直流变换器应用而设置，为设计人员提供只需最少外部元件就能获得成本效益高的解决方案。这些集成电路具有可微调的振荡器、能进行精确的占空比控制、温度补偿的参考、高增益误差放大器、电流取样比较器和大电流图腾柱式输出，是驱动功率mosfet的理想器件，并且专为低压应用设计。

具体的，所述uc3843具有八个引脚。具体的，1号引脚为输入端，在本实施方式中，所述误差放大信号u2通过光耦线性隔离后，通过r1电阻与1号引脚相连接；6号引脚为输出端，并与下级的电机驱动模块相连接；7号引脚为电源端，与第三外接电源vc相连接；5号引脚为接地端。

2号引脚为电压反馈；3号引脚为电流取样，与c2电容相连接后连接至地端，且与r5电阻相连接后与连接至5号引脚；4号引脚为rt/ct，与c4电容相连接后连接至地端，并通过r6电阻与8号引脚相连接；8号引脚为参考输出，通过r6电阻向c4电容提供充电电流。

因此，所述pwm控制器u1可以输出pwm信号f2给电机驱动模块。

所述电机驱动模块包括所述开关q1，所述开关q1由所述pwm信号f2控制。具体的，在本实施方式中，所述开关q1为mos管。所述mos管的栅极与uc3843的6号引脚相连接，源极与直流电源vcc相连接，漏极与电机相连接。

具体的，直流电源vcc为-48v至48v，-48v+48v之间连有c1电容，-48v一端接地。所述开关q1的源极与所述+48v相连接；漏极与r2电阻，l1电感相串联后连接至电机，并且该r2电阻与l1电感相连接的一端均与二极管的负极的相连接，所述二极管的正极接地；所述二极管的负极与uc3843的5号引脚相连接；该漏极还与r4电阻相连接后与uc3843的3号引脚相连接。

开关q1根据pwm信号f2来进行开通和关断，以作为斩波方式输出直流电机。直流电源vcc通过电感l1和电容器c3进行平滑滤波处理后最终输出给直流电机以作为直流电机的输入电压。r2电阻为电流采样器件，当电流流过r2时在其产生电压，该电压信号通过r4电阻、r5电阻分压及电容器c2滤波补偿后输入到pwm控制芯片的3号引脚以实现直流电机过电流保护，即当pwm控制芯片的3号引脚超过设定值时就会停止pwm信号输出，使直流电机不工作保护整个系统的器件不受损坏。

因此，由于pwm信号f2输出为方波信号，则当该方波信号为高电平时，开关n1导通，直流电源vcc使得对直流电机工作，当方波信号为低电平时，开关n1断开，直流电机断电。从而，通过对直流电机的输入电压进行调整，使得电机的工作转速能达到设定转速。

综上，具体的，所述驱动电路的驱动方法具体为：

s1：开启电机，并使得整个反馈驱动电路开始工作；

s2：检测电机工作状态下的工作转速及工作频率f1；

s3：将电机的工作频率f1转换为比较电压u1；

s4：将比较电压u1与设定电压vg进行对比，并获得误差放大信号u2，所述设定电压vg与电机的设定转速相对应；

s5：将误差放大信号u2转换为pwm信号，pwm信号为高电平时，直流电源vcc和电机之间相连通，pwm信号为低电平时，直流电源vcc和电机之间断路，从而改变了电机的输入电压，以控制电机的工作转速使其达到设定转速。

具体的，在本实施方式中，所述驱动电路的驱动方法具体为：

s1：开启电机，并使得整个反馈驱动电路开始工作；

s2：频率采样模块检测电机工作状态下的工作转速及工作频率f1；

s3：频率电压转换模块将电机的工作频率f1转换为比较电压u1；

s4：误差信号比较模块将比较电压u1与设定电压vg进行对比，并获得误差放大信号u2，所述设定电压vg与电机的设定转速相对应；

s5：pwm控制模块将误差放大信号u2转换为pwm信号，并对电源和电机之间的开关进行控制；当pwm信号为高电平时，直流电源vcc和电机之间相连通，当pwm信号为低电平时，直流电源vcc和电机之间断路，从而改变了电机的输入电压，以控制电机的工作转速使其达到设定转速。

上述s2步骤中，具体的，所述频率采样模块包括所述光栅码盘，则将光栅码盘安装于电机上，并检测电机的工作频率f1及工作转速。

上述s4步骤中，所述误差信号比较模块包括所述比较单元及校准单元；则调整校准单元并实时检测电机的输入电压，使得检测到的电机的输入电压的最大范围与所述设定电压vg的最大范围相对应；在本实施方式中，即为使得设定电压vg为0.5v时，输入电压为4.2v；设定电压vg为5v时，输入电压为42v。并且将所述比较电压u1与设定电压vg进行对比后输出误差放大信号u2。

具体的，上述s4步骤中，所述校准单元还包括高速端校准器及低速端校准器；则将设定电压vg调整为最大设定电压5v时，调整高速端校准器，使得电机的输入电压为42v；将设定电压vg调整为最小设定电压0.5v时，调整低速端校准器，使得电机的输入电压为4.2v。

上述s5步骤中，所述pwm控制模块还包括所述光耦及pwm控制单元，所述误差信号比较模块输出的所述误差放大信号u2必须先通过光耦进行光电线性隔离后，再与pwm控制单元相连通。所述pwm控制单元与下级电机驱动模块相连接，并通过pwm控制单元输出pwm信号，对开关进行控制。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。