基于无刷直流电机的高压清洗机驱动系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于无刷直流电机的高压清洗机驱动系统及方法，系统包括电源控制模块，用于外接交流电源，并经EMI滤波、整流、功率因素补偿后输出直流电压；IPM驱动模块，用于控制三相无刷直流电机的转速；三相无刷直流电机，用于输出动力给高压水泵；电源控制模块输出高压直流电压供给IPM驱动模块，所述IPM驱动模块控制三相无刷直流电机输出动力给高压水泵，提高高压清洗机的能量转化效率，在低输入电流的限制下，达到高的功率输出，有效的降低了能源损耗，并实现自由档位调速功能，使压清洗机输出不同的压力和流量值，具有良好的应用前景。
【专利说明】基于无刷直流电机的高压清洗机驱动系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于无刷直流电机的高压清洗机驱动系统及方法，属于清洗工具【技术领域】。
【背景技术】
[0002]高压清洗机作为一种清洗工具用途非常广泛，可以用来清洗汽车、地面、墙壁、屋顶等等；现有的高压清洗机主要原理是通过一台交流电机带动一台高压水泵工作，将低压力的自来水通过高压水泵增压到客户需要的一定压力，我们知道，交流电机的损耗大，一般功率1000W的交流电机的输出功率为600W，效率十分低下，浪费能源。北美市场由于对家用电器有着强制性的电流限制(不大于15A)，导致高压清洗机的功率一直无法做大，清洗机输出压力和流量也受到的限制无法做大；因此如何在有限的输入电流内提高清洗机的系统效率，以得到最大的输出功率一直是行业内研究的重点。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是克服现有的高压清洗机采用交流电机，效率低下，浪费能源，在有限定的输入电流内的高压清洗机的率低，输出压力和流量也受到很大的限制的问题。本发明的基于无刷直流电机的高压清洗机驱动系统及方法，提高高压清洗机的能量转化效率，在低输入电流的限制下，达到高的功率输出，有效的降低了能源损耗，并实现自由档位调速功能，使压清洗机输出不同的压力和流量值，具有良好的应用前景。
[0004]为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是:
一种基于无刷直流电机的高压清洗机驱动系统，其特征在于:包括
电源控制模块，用于外接交流电源，并经EMI滤波、整流、功率因素补偿后输出直流电压；
IPM驱动模块，用于控制三相无刷直流电机的转速；
三相无刷直流电机，用于输出动力给高压水泵；
所述电源控制模块输出高压直流电压供给IPM驱动模块，所述IPM驱动模块控制三相无刷直流电机输出动力给高压水泵。
[0005]前述的基于无刷直流电机的高压清洗机驱动系统，其特征在于:所述电源控制模块包括依次连接的EMI滤波电路、全桥整流电路、PFC电路，所述EMI滤波电路外接交流电源，所述PFC电路包括升压电感L1、升压二极管D1、场效应管T1、PFC控制芯片IC1，所述全桥整流电路的正输出端与升压电感L1的一端相连接，升压电感L1的另一端与场效应管T1的漏极、升压二极管D1的正极共同连接，所述场效应管T1的源极与全桥整流电路的负输出端，所述场效应管T1的栅极与PFC控制芯片IC1的反馈端相连接，所述升压二极管D1的负极还串联有电阻R1、R2，所述电阻R1、R2连接处与PFC控制芯片IC1的输入端相连接，所述升压二极管D1的负极作为电源控制模块正输入端与IPM驱动模块的电源输入端相连接。
[0006]前述的基于无刷直流电机的高压清洗机驱动系统，其特征在于:所述场效应管T1为MOS管或结型场效应管。
[0007]前述的基于无刷直流电机的高压清洗机驱动系统，其特征在于:所述IPM驱动模块包括单片机IC2、IPM模块、转速调节电路，所述转速调节电路的输出端与单片机IC2的信号输入端相连接，所述IPM模块包括相连接的驱动保护电路、六个IGBT构成的三相电机功率驱动电路，所述单片机IC2的驱动信号输出端与驱动保护电路的输入点相连接，所述驱动保护电路的保护端口与单片机IC2的保护控制信号输入端相连接，所述电源控制模块正输入端与三相电机功率驱动电路电源端相连接，所述三相电机功率驱动电路设有三路输出端，分别与三相无刷直流电机的三相输入端相连接。
[0008]前述的基于无刷直流电机的高压清洗机驱动系统，其特征在于:所述三相无刷直流电机上设有第一温度传感器RT1，所述IPM驱动模块还包括第二温度传感器RT2，所述第一温度传感器RT1、第二温度传感器RT2的输出端与单片机IC2相连接。
[0009]前述的基于无刷直流电机的高压清洗机驱动系统，其特征在于:所述转速调节电路为数字编码器RP。
[0010]前述的基于无刷直流电机的高压清洗机驱动系统，其特征在于:所述三相无刷直流电机任意两相的输入端设有反馈电阻RP1、RP2，并分别与单片机IC2的两路电流反馈端相连接。
[0011]前述的基于无刷直流电机的高压清洗机驱动系统，其特征在于:所述升压二极管D1的负极、全桥整流电路的负输出端之间还设有极性滤波电容C1，所述性滤波电容C1的正极与升压二极管D1的负极相连接。
[0012]前述的基于无刷直流电机的高压清洗机驱动系统，其特征在于:所述电源控制模块输出的直流电压为400V。
[0013]前述的基于无刷直流电机的高压清洗机驱动系统，其特征在于:还包括辅助电源，所述辅助电源连接在全桥整流电路的输入端，为AC-DC反激降压式开关电源。
[0014]前述的基于无刷直流电机的高压清洗机驱动系统，其特征在于:所述EMI滤波电路外接交流电源的负输入端处设有采样电感L2，并通过发光二极管D2与单片机IC2相连接。
[0015]前述的基于无刷直流电机的高压清洗机驱动系统，其特征在于:所述PFC电路的功率因数不低于99%。
[0016]根据上述的基于无刷直流电机的高压清洗机驱动系统的驱动方法，其特征在于:包括以下步骤，
步骤(1)，调节转速调节电路的输出，转速调节电路将给定转速变换为速度控制信号VS输送给单片机IC2内的速度输入模块；
步骤(2)，速度输入模块将速度控制信号VS转换为输入转速NI输送给单片机IC2内的误差检测模块；
步骤(3)，误差检测模块，输入转速NI和当前转速N0的误差ΛΝ=ΝΙ-Ν0，输送给单片机IC2内的控制参数生成模块；
步骤(4)，控制参数生成模块依据误差△ Ν，通过PID调节算法，计算出正弦波驱动电流的频率F、幅值Am，并输送给单片机IC2内的驱动算法模块；
步骤(5)，驱动算法模块，依据正弦波驱动电流的频率F、幅值Am和转子当前位置Θ，按180度正弦波驱动无位置传感器直流无刷电机控制算法，计算出IPM驱动模块中各IGBT的开关时序Ps1、通断时间Tsi ；
步骤(6)，根据各IGBT的开关时序Ps1、通断时间Tsi，控制IPM驱动模块中的各IGBT的导通顺序和时间，IPM驱动模块合成输出三相正弦波电流输出给三相无刷直流电机，驱动三相无刷直流电机运转；
步骤(7)，单片机IC2检测三相无刷直流电的相电流IP1、IP2输送给单片机IC2内的转子位置转速计算模块，转子位置转速计算模块根据相电流IP1、IP2，计算出三相无刷直流电机的转子当前位置Θ和当前转速NO，并将转子当前位置Θ输送给驱动算法模块，当前转速NO输送给误差检测模块，形成控制闭环；
步骤(8)，重复步骤(4)-步骤(7)，直到误差Λ N=0，使三相无刷直流电机当前转速NO与输入转速NI的转速相同
本发明的有益效果是:基于无刷直流电机的高压清洗机驱动系统及方法，提高高压清洗机的能量转化效率，在低输入电流的限制下，达到高的功率输出，有效的降低了能源损耗，并实现自由档位调速功能，使高压清洗机输出不同的压力和流量值，具有以下优点，
(1)通过电源控制模块、IPM驱动模块、三相无刷电机，有效的提高功率因素，降低电网无功损耗，提高效率，相对于交流电机效率提高20%，有效的降低了能源损耗；
(2)高压清洗机能够实现自由档位调速功能，使用户自由得到不同的压力和流量值的要求，输出稳定，使用方便。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是本发明的基于无刷直流电机的高压清洗机驱动系统的系统框图。
[0018]图2是本发明的基于无刷直流电机的高压清洗机驱动系统的电路图。
[0019]图3是本发明的基于无刷直流电机的高压清洗机驱动方法的数据流向图。
【具体实施方式】
[0020]下面将结合说明书附图，对本发明作进一步说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0021]如图1所示，一种基于无刷直流电机的高压清洗机驱动系统，包括
电源控制模块，用于外接交流电源，并经EMI滤波、整流、功率因素补偿后输出直流电压；
IPM驱动模块，用于控制三相无刷直流电机的转速；
三相无刷直流电机，用于输出动力给高压水泵；
所述电源控制模块输出高压直流电压供给IPM驱动模块，所述IPM驱动模块控制三相无刷直流电机输出动力给高压水泵。
[0022]如图2所示，所述电源控制模块包括依次连接的EMI滤波电路、全桥整流电路、PFC电路，EMI滤波电路外接交流电源，PFC电路包括升压电感L1、升压二极管D1、场效应管T1、PFC控制芯片IC1，全桥整流电路的正输出端与升压电感L1的一端相连接，升压电感L1的另一端与场效应管T1的漏极、升压二极管D1的正极共同连接，场效应管T1的源极与全桥整流电路的负输出端，场效应管T1的栅极与PFC控制芯片IC1的反馈端相连接，升压二极管D1的负极还串联有电阻R1、R2，电阻R1、R2连接处与PFC控制芯片IC1的输入端相连接，升压二极管D1的负极作为电源控制模块正输入端与IPM驱动模块的电源输入端相连，这里的场效应管T1为MOS管或结型场效应管。
[0023]所述IPM驱动模块包括单片机IC2、IPM模块、转速调节电路，转速调节电路的输出端与单片机IC2的信号输入端相连接，IPM模块包括相连接的驱动保护电路、六个IGBT构成的三相电机功率驱动电路，单片机IC2的驱动信号输出端与驱动保护电路的输入点相连接，驱动保护电路的保护端口与单片机IC2的保护控制信号输入端相连接，电源控制模块正输入端与三相电机功率驱动电路电源端相连接，三相电机功率驱动电路设有三路输出端，分别与三相无刷直流电机的三相输入端相连接。
[0024]所述三相无刷直流电机上设有第一温度传感器RT1，所述IPM驱动模块还包括第二温度传感器RT2，第一温度传感器RT1、第二温度传感器RT2的输出端与单片机IC2相连接，单片机IC2检测IPM驱动模块的温度传感器RT2、三相无刷直流电机的温度传感器RT1输出的温度信号VRT2、VRT1，若任一温度信号超过预定值，则停止三相无刷直流电机运转，保护IPM驱动模块和三相无刷直流电机。
[0025]所述转速调节电路为数字编码器RP，将需要的转速调节输出为数字信号VS。
[0026]所述三相无刷直流电机任意两相的输入端设有反馈电阻RP1、RP2，并分别与单片机IC2的两路电流反馈端相连接。
[0027]所述升压二极管D1的负极、全桥整流电路的负输出端之间还设有极性滤波电容C1，所述性滤波电容C1的正极与升压二极管D1的负极相连接。
[0028]所述电源控制模块输出的直流电压为400V。
[0029]还包括辅助电源，所述辅助电源连接在全桥整流电路的输入端，为AC-DC反激降压式开关电源，将输入交流电源转换为低压直流电源VCC和VDD，用于供电使用。
[0030]所述EMI滤波电路外接交流电源的负输入端处设有采样电感L2，并通过发光二极管D2与单片机IC2相连接。
[0031]所述PFC电路的功率因数不低于99%。
[0032]根据上述的基于无刷直流电机的高压清洗机驱动系统的驱动方法，包括以下步骤，
步骤(1)，调节转速调节电路的输出，转速调节电路将给定转速变换为速度控制信号VS输送给单片机IC2内的速度输入模块；
步骤(2)，速度输入模块将速度控制信号VS转换为输入转速NI输送给单片机IC2内的误差检测模块；
步骤(3)，误差检测模块，输入转速NI和当前转速N0的误差ΛΝ=ΝΙ-Ν0，输送给单片机IC2内的控制参数生成模块；
步骤(4)，控制参数生成模块依据误差△ Ν，通过PID调节算法，计算出正弦波驱动电流的频率F、幅值Am，并输送给单片机IC2内的驱动算法模块；
步骤(5)，驱动算法模块，依据正弦波驱动电流的频率F、幅值Am和转子当前位置Θ，按180度正弦波驱动无位置传感器直流无刷电机控制算法，计算出IPM驱动模块中各IGBT的开关时序Ps1、通断时间Tsi，这里的180度正弦波驱动无位置传感器直流无刷电机控制算法在变频空调技术中得到了广泛应用，这里应用到高压清洗机驱动【技术领域】中，求解计算出IPM驱动模块中各IGBT的开关时序Ps1、通断时间Tsi，方便快捷，精度高；
步骤(6)，根据各IGBT的开关时序Ps1、通断时间Tsi，控制IPM驱动模块中的各IGBT的导通顺序和时间，IPM驱动模块合成输出三相正弦波电流输出给三相无刷直流电机，驱动三相无刷直流电机运转；
步骤(7)，单片机IC2检测三相无刷直流电的相电流IP1、IP2输送给单片机IC2内的转子位置转速计算模块，转子位置转速计算模块根据相电流IP1、IP2，计算出三相无刷直流电机的转子当前位置Θ和当前转速N0，并将转子当前位置Θ输送给驱动算法模块，当前转速NO输送给误差检测模块，形成控制闭环；
步骤(8)，重复步骤(4)-步骤(7)，直到误差Λ N=0，使三相无刷直流电机当前转速NO与输入转速NI的转速相同。
[0033]综述所述，本发明的基于无刷直流电机的高压清洗机驱动系统及方法，能够提高高压清洗机的能量转化效率，在低输入电流的限制下，达到高的功率输出，有效的降低了能源损耗，并实现自由档位调速功能，使高压清洗机输出不同的压力和流量值，具有以下优点，
(1)通过电源控制模块、IPM驱动模块、三相无刷电机，有效的提高功率因素，降低电网无功损耗，提高效率，相对于交流电机效率提高20%，有效的降低了能源损耗；
(2)高压清洗机能够实现自由档位调速功能，使用户自由得到不同的压力和流量值的要求，输出稳定，使用方便。
[0034]以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【权利要求】
1.基于无刷直流电机的高压清洗机驱动系统，其特征在于:包括 电源控制模块，用于外接交流电源，并经EMI滤波、整流、功率因素补偿后输出直流电压； IPM驱动模块，用于控制三相无刷直流电机的转速； 三相无刷直流电机，用于输出动力给高压水泵； 所述电源控制模块输出高压直流电压供给IPM驱动模块，所述IPM驱动模块控制三相无刷直流电机输出动力给高压水泵。
2.根据权利要求1所述的基于无刷直流电机的高压清洗机驱动系统，其特征在于:所述电源控制模块包括依次连接的EMI滤波电路、全桥整流电路、PFC电路，所述EMI滤波电路外接交流电源，所述PFC电路包括升压电感L1、升压二极管D1、场效应管Tl、PFC控制芯片IC1，所述全桥整流电路的正输出端与升压电感LI的一端相连接，升压电感LI的另一端与场效应管Tl的漏极、升压二极管Dl的正极共同连接，所述场效应管Tl的源极与全桥整流电路的负输出端，所述场效应管Tl的栅极与PFC控制芯片ICl的反馈端相连接，所述升压二极管Dl的负极还串联有电阻R1、R2，所述电阻R1、R2连接处与PFC控制芯片ICl的输入端相连接，所述升压二极管Dl的负极作为电源控制模块正输入端与IPM驱动模块的电源输入端相连接。
3.根据权利要求2所述的基于无刷直流电机的高压清洗机驱动系统，其特征在于:所述场效应管Tl为MOS管或结型场效应管。
4.根据权利要求1所述的基于无刷直流电机的高压清洗机驱动系统，其特征在于:所述IPM驱动模块包括单片机IC2、IPM模块、转速调节电路，所述转速调节电路的输出端与单片机IC2的信号输入端相连接，所述IPM模块包括相连接的驱动保护电路、六个IGBT构成的三相电机功率驱动电路，所述单片机IC2的驱动信号输出端与驱动保护电路的输入点相连接，所述驱动保护电路的保护端口与单片机IC2的保护控制信号输入端相连接，所述电源控制模块正输入端与三相电机功率驱动电路电源端相连接，所述三相电机功率驱动电路设有三路输出端，分别与三相无刷直流电机的三相输入端相连接。
5.根据权利要求1或4所述的基于无刷直流电机的高压清洗机驱动系统，其特征在于:所述三相无刷直流电机上设有第一温度传感器RTl，所述IPM驱动模块还包括第二温度传感器RT2，所述第一温度传感器RT1、第二温度传感器RT2的输出端与单片机IC2相连接。
6.根据权利要求1或4所述的基于无刷直流电机的高压清洗机驱动系统，其特征在于:所述转速调节电路为数字编码器RP。
7.根据权利要求1所述的基于无刷直流电机的高压清洗机驱动系统，其特征在于:所述三相无刷直流电机任意两相的输入端设有反馈电阻RP1、RP2，并分别与单片机IC2的两路电流反馈端相连接。
8.根据权利要求1所述的基于无刷直流电机的高压清洗机驱动系统，其特征在于:所述升压二极管Dl的负极、全桥整流电路的负输出端之间还设有极性滤波电容Cl，所述性滤波电容Cl的正极与升压二极管Dl的负极相连接。
9.根据权利要求1所述的基于无刷直流电机的高压清洗机驱动系统，其特征在于:所述电源控制模块输出的直流电压为400V。
10.根据权利要求1所述的基于无刷直流电机的高压清洗机驱动系统，其特征在于:还包括辅助电源，所述辅助电源连接在全桥整流电路的输入端，为AC-DC反激降压式开关电源。
11.根据权利要求1所述的基于无刷直流电机的高压清洗机驱动系统，其特征在于:所述EMI滤波电路外接交流电源的负输入端处设有采样电感L2，并通过发光二极管D2与单片机IC2相连接。
12.根据权利要求1所述的基于无刷直流电机的高压清洗机驱动系统，其特征在于:所述PFC电路的功率因数不低于99%。
13.基于权利要求1所述的基于无刷直流电机的高压清洗机驱动系统的驱动方法，其特征在于:包括以下步骤， 步骤(I)，调节转速调节电路的输出，转速调节电路将给定转速变换为速度控制信号VS输送给单片机IC2内的速度输入模块； 步骤(2)，速度输入模块将速度控制信号VS转换为输入转速NI输送给单片机IC2内的误差检测模块； 步骤(3)，误差检测模块，输入转速NI和当前转速NO的误差ΛN=N1-NO,输送给单片机IC2内的控制参数生成模块； 步骤(4)，控制参数生成模块依据误差△ N，通过PID调节算法，计算出正弦波驱动电流的频率F、幅值Am，并输送给单片机IC2内的驱动算法模块； 步骤(5)，驱动算法模块，依据正弦波驱动电流的频率F、幅值Am和转子当前位置Θ，按180度正弦波驱动无位置传感器直流无刷电机控制算法，计算出IPM驱动模块中各IGBT的开关时序Ps1、通断时间Tsi ； 步骤(6)，根据各IGBT的开关时序Ps1、通断时间Tsi，控制IPM驱动模块中的各IGBT的导通顺序和时间，IPM驱动模块合成输出三相正弦波电流输出给三相无刷直流电机，驱动三相无刷直流电机运转； 步骤(7)，单片机IC2检测三相无刷直流电的相电流IP1、IP2输送给单片机IC2内的转子位置转速计算模块，转子位置转速计算模块根据相电流IP1、IP2，计算出三相无刷直流电机的转子当前位置Θ和当前转速NO，并将转子当前位置Θ输送给驱动算法模块，当前转速NO输送给误差检测模块，形成控制闭环； 步骤(8)，重复步骤(4)-步骤(7)，直到误差ΛΝ=0，使三相无刷直流电机当前转速NO与输入转速NI的转速相同。
【文档编号】B08B13/00GK104289489SQ201410363883
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年7月29日 优先权日:2014年7月29日
【发明者】陈伟 申请人:江苏苏美达五金工具有限公司