专利名称：离心机及其电机驱动系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及专门为离心机设计的驱动装置领域，尤其涉及一种离心机及其电 机驱动系统。
背景技术：
离心机是根据颗粒在高速旋转作勻速圆周运到时受到一个外向的离心力对悬浮 液、乳浊液等进行分离、浓缩和提纯的仪器。它广泛用于医学、生物学、化学、林农等行业，随 着生物工程、尤其是遗传基因工程的兴起，离心机得到了越来越广泛的应用。离心机的使用条件决定了其驱动电机的技术要求也比较高。由于离心机一般是用 于分离样品、试剂(包括血液、生物体激素、病毒、蛋白核酸、叶绿体等)，在离心机工作时将 需要分离的样品放入离心机转轴上固定的角转子的孔内，电机开始旋转，离心力产生，转速 越高时，离心力越大。由于样本中不同物质密度较小的离心力小，密度大的离心力大，因此 在离心力的作用下，受力较大的向相对远距离转轴的方向移动，这样不同密度相互的物质 可分离。不同的样本，成份含量不同，所需的离心力大小也不同。驱动电机离心力大小可用相对离心力来计算，具体计算公式如式(1)所示RCF = 1. 118X IO^5Xn2Xr (1)其中，RCF表示相对离心力；η表示转速，单位为转/分；r表示离心半径。从式⑴中可以看出，在离心半径不变的情况下，离心力的大小由转速η唯一决定 的。因此，离心过程中转速平稳才能保持样本分离结果不被破坏，并且减小噪声，所以较精 确地控制离心机驱动电机转速、扩大电机可调速的范围对离心机能否工作及性能好坏非常重要。现有技术中的离心机通常使用串激电机，利用可控硅器件控制电机调节输入电压 的大小，从而改变电机的转速。但此种转速的调节方式控制精度低，而且存在着启动噪音 大，运行振动明显，运行噪音大的问题。
实用新型内容本实用新型旨在提供一种离心机及其电机驱动系统，以解决现有技术中的离心机 电机驱动系统的控制精度差较差的问题。为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种电机驱动系统，包 括开关磁阻电机；传感器，与开关磁阻电机连接，用于获取开关磁阻电机的运行参数；控 制电路，与传感器连接，并根据运行参数调整所接收的控制信号，形成调整控制信号；功率 电路，与控制电路连接，根据调整控制信号生成驱动开关磁阻电机的电机驱动信号。进一步地，传感器包括角位移传感器，与开关磁阻电机连接，用于测量开关磁阻 电机的角位移。进一步地，传感器还包括速度传感器，与开关磁阻电机连接，用于测量开关磁阻 电机的电机转速。[0013]进一步地，传感器还包括电流传感器，与开关磁阻电机连接，用于测量开关磁阻 电机的工作电流。进一步地，控制电路包括给定积分器，用于将接收的控制信号进行积分；转速调 节器，与给定积分器的输出端连接，并与速度传感器连接，用于接收积分后的控制信号，并 根据速度传感器获取的电机转速信号对积分后的控制信号进行调整，形成第一调整控制信号。进一步地，控制电路还包括电流调节器，与转速调节器以及电流传感器连接，用 于接收第一调整控制信号，并根据电流传感器获取的电机的工作电流对第一调整控制信号 进行调整，形成第二调整控制信号；逻辑电路，与电流调节器以及角位移传感器连接，用于 根据角位移传感器获取的开关磁阻电机的角位移调整第二调整控制信号，形成调整控制信号。进一步地，电机驱动系统还包括连接于电流传感器与控制电路之间的采样电路。进一步地，电机驱动系统还包括与控制电路连接的显示电路。进一步地，电机驱动系统还包括与控制电路连接的键盘输入部件。根据本实用新型的另一个方面，还提供了一种离心机，包括上述电机驱动系统。应用本实用新型的技术方案，通过使用开关磁阻电机作为驱动电机，并将控制电 路与传感器连接，使控制电路可以根据传感器所采集的开关磁阻电机的运行参数调整所接 收的控制信号，从而使控制信号可以根据开关磁阻电机的工作状态实时调整，提高了电机 驱动系统的控制精度，从而解决了现有技术中的离心机电机驱动系统的控制精度差较差的 问题。除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本实用新型还有其它的目的、特征和优 点。下面将参照图，对本实用新型作进一步详细的说明。
附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的 示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图 中图1示出了根据本实用新型实施例一的电机驱动系统框图；图2示出了根据本实用新型实施例二的电机驱动系统框图；图3示出了根据本实用新型实施例的电机驱动系统中的功率电路的电路原理示 意图；以及图4示出了根据本实用新型实施例的电机驱动系统控制电路电路原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明，但是本实用新型可以由权利 要求限定和覆盖的多种不同方式实施。图1示出了根据本实用新型实施例一的电机驱动系统框图。如图1所示，电机驱动 系统包括开关磁阻电机10、传感器20、控制电路30以及功率电路40。其中，传感器20与 开关磁阻电机连接10，用于获取开关磁阻电机的运行参数；控制电路30与传感器20连接，并根据运行参数调整所接收的控制信号，形成调整控制信号；功率电路40与控制电路30连 接，根据调整控制信号生成驱动开关磁阻电机的电机驱动信号。由于开关磁阻电机(SRM，Switched Reluctance Motor)具有结构简单、低成本、高 效节能、控制范围大、控制精度高、控制误差小，同时具有运行平稳、振动小、噪声小等优点， 所以将其应用在电机驱动系统中，可以实现调速范围大且运行平稳的特点。应用本实用新型的技术方案，通过使用开关磁阻电机作为驱动电机，并将控制电 路与传感器连接，使控制电路可以根据传感器所采集的开关磁阻电机的运行参数调整所接 收的控制信号，从而使控制信号可以根据开关磁阻电机的工作状态实时调整，提高了电机 驱动系统的控制精度，从而解决了现有技术中的离心机电机驱动系统的控制精度差较差的 问题。图2示出了根据本实用新型实施例二的电机驱动系统框图。如图2所示，传感器包 括速度传感器201，与开关磁阻电机10连接，用于测量开关磁阻电机的电机转速；电流传 感器202，与开关磁阻电机10连接，用于测量开关磁阻电机的工作电流；角位移传感器203， 与开关磁阻电机连接，用于测量开关磁阻电机的角位移。而控制电路包括给定积分器301，用于将接收的控制信号进行积分；转速调节器 302，与给定积分器301的输出端连接，并与速度传感器201连接，用于接收积分后的控制信 号，并根据速度传感器获取的电机转速信号对积分后的控制信号进行调整，形成第一调整 控制信号。进一步地，控制电路还包括电流调节器303，与转速调节器302以及电流传感器 202连接，用于接收第一调整控制信号，并根据获取的电机的工作电流对第一调整控制信号 进行调整，形成第二调整控制信号；逻辑电路304，与电流调节器303以及角位移传感器203 连接，用于根据角位移传感器获取的开关磁阻电机的角位移调整第二调整控制信号，形成 调整控制信号。如图2所示，本实施例中的电机驱动系统为双闭环控制系统。给定积分器301的功 能是将控制信号UnO的突变部分进行积分，使之变成较平稳的变化量。给定积分器的输出 信号Un*和速度传感器采集的电动机转速信号Un相减后，转速误差输入到转速调节器302， 由此构成转速闭环。转速调节器302的作用是对转速误差信号按预定的规律进行运算，得 到第一调整控制信号Ui*。转速调节器302输出的第一调整控制信号Ui*和电流传感器获取的电机的工作电 流信号Ui相减后进入电流调节器303，形成第二调整控制信号U,由此构成了电流闭环。电 流调节器303的作用有两个，一是在起动和大范围加速时起到电流调节和限幅作用，使绕 组电流迅速达到并稳定在其最大值，从而实现快速加速和电流限制作用；另一个作用是使 系统的抗电网电压扰动能力增强。增加了电流环之后，就可以通过它来限制电流的波动，进 而不会影响转速。这样使系统的快速性和稳定性得到改善。本实用新型的上述实施例中的控制电路30可以由数字模拟硬件电路连接实现， 也可以集成在数字芯片中，通过数字芯片中的软件实现。图3示出了根据本实用新型实施例的电机驱动系统中的功率电路的电路原理示 意图。如图3所示，功率电路40包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT Jnsulated Gate Bipolar Transistor)驱动电路401以及功率变换主电路402。其中，IGBT驱动电路用于为逻辑电路以及功率变换主电路的晶体管之间的电压提供电器隔离，以在系统出现故障时使功率变 换主电路得到有效的保护。从图3中可以看出在功率变换主电路402中，开关磁组电机10的A、B、C三相绕组 和功率变换主电路402每相的两个IGBT相串联，从而使两个IGBT不会发生由于控制错误 或干扰的存在导致短路的情况，提高了主电路的可靠性。图4示出了根据本实用新型实施例的电机驱动系统控制电路的电路原理示意图。在电机驱动系统中，控制电路30是其核心，是整个系统达到应有的功能和性能指 标，它的设计是以功率电路和开关磁阻电机为对象的。由图2示出的电机驱动系统中可以看出，电机驱动系统中的控制器电路主要由给 定积分器301、转速调节器302、电流调节器303、逻辑电路304组成。进一步地，电机驱动系统还包括连接于电流传感器与控制电路之间的采样电路； 与控制电路连接的显示电路以及与控制电路连接的键盘输入部件。在本实施例中根据开关磁阻电动机10的特点，A、B、C三相要依次通电，任何一相 通电时间的误差都可能导致SR电动机运行指标的下降甚至不能转动。所以选用微型控制 器作为逻辑电路304与功率电路40连接。同时，在该控制模块中，由于需要处理角位移传感 器203发送的角位移信号。且由于逻辑电路304对处理速度的要求较高，因此选用了 C8051F 系列单片机的C8051F120单片机。它是一个模拟数字混合的微型控制器，CIP-51内核，与 普通51硬件结构一致。在本实施例中，基于控制性能优越、方便简单、成本低考虑，采用了另外一块微型 处理器C8051F340实现给定积分器301、转速调节器302、电流调节器303的功能以及其他 的控制功能。从图4中可以看出，与芯片C8051F340连接有键盘输入部件以及显示电路。本实施例中，显示电路为LCD显示屏，该显示屏能显示中文，使系统具有良好的人 机交互功能。由于SRM的控制参数主要有三个绕组电流、起始导通角、关断角。且控制SRM电 机转速可以通过改变起始导通角和关断角位置控制方式来实现；亦可采用调节电流斩波幅 值的电流斩波控制方式来实现。本实施例中采用的是调节电流斩波幅值的电流斩波方式来实现，检测电流信号对 速度和精度要求都较高，因此对电流传感器输出的信号进行采样时，对AD采样芯片速度和 精度要求较高。本实施例中，采用性能优越的MAX197芯片作为采样电路。而实现脉冲宽度 调制(PWM，Pulse Wavelength Modulation)调压输出采用的是PWM生成芯片SG3524，通过 选用了 TLC5615与芯片C8051F340连接，以调节PWM的占空比。并且，当开关磁阻电机出现过电压或过电流等故障时，通过继电器切断主电路电 源，继电器的控制信号由C8051F340单片机输出。在本实施例中，由于具有两个微处理器芯片，因此还要解决两个CPU之间的通 讯问题。在本实施例中，由于信息的交换量相对不多，选用了一块观字节的双端口 RAM IDT7132，它有两套地址、数据总线，方便的实现了数据的交换，并且速度很高。并且由于该 芯片还自带解决双CPU冲突的机制，方便实用。本实用新型还提供了一种离心机，包括上述实施例中示出的电机驱动系统。具体结构在上述实施例中已有详细介绍，在此不再赘述。从以上的描述中，可以看出，本实用新型上述的实施例实现了如下技术效果应用本实用新型的技术方案，通过使用开关磁阻电机作为驱动电机，并将控制电 路与传感器连接，使控制电路可以根据传感器所采集的开关磁阻电机的运行参数调整所接 收的控制信号，从而使控制信号可以根据开关磁阻电机的工作状态实时调整，提高了电机 驱动系统的控制精度，从而解决了现有技术中的离心机电机驱动系统的控制精度差较差的 问题。且系统的快速性和稳定性得到改善。以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本 领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则 之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种电机驱动系统，其特征在于，包括 开关磁阻电机；传感器，与所述开关磁阻电机连接，用于获取所述开关磁阻电机的运行参数； 控制电路，与所述传感器连接，并根据所述运行参数调整所接收的控制信号，形成调整 控制信号；功率电路，与所述控制电路连接，根据所述调整控制信号生成驱动所述开关磁阻电机 的电机驱动信号。
2.根据权利要求1所述的电机驱动系统，其特征在于，所述传感器包括 角位移传感器，与所述开关磁阻电机连接，用于测量所述开关磁阻电机的角位移。
3.根据权利要求2所述的电机驱动系统，其特征在于，所述传感器还包括 速度传感器，与所述开关磁阻电机连接，用于测量所述开关磁阻电机的电机转速。
4.根据权利要求3所述的驱动电机驱动系统，其特征在于，所述传感器还包括 电流传感器，与所述开关磁阻电机连接，用于测量所述开关磁阻电机的工作电流。
5.根据权利要求4所述的电机驱动系统，其特征在于，所述控制电路包括 给定积分器，用于将接收的控制信号进行积分；转速调节器，与所述给定积分器的输出端连接，并与所述速度传感器连接，用于接收积 分后的控制信号，并根据所述速度传感器获取的所述电机转速信号对所述积分后的控制信 号进行调整，形成第一调整控制信号。
6.根据权利要求5所述的电机驱动系统，其特征在于，所述控制电路还包括电流调节器，与所述转速调节器以及所述电流传感器连接，用于接收所述第一调整控 制信号，并根据所述电流传感器获取的所述电机的工作电流对所述第一调整控制信号进行 调整，形成第二调整控制信号；逻辑电路，与所述电流调节器以及所述角位移传感器连接，用于根据所述角位移传感 器获取的所述开关磁阻电机的角位移调整所述第二调整控制信号，形成所述调整控制信 号。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的电机驱动系统，其特征在于，所述电机驱动系统 还包括连接于所述电流传感器与所述控制电路之间的采样电路。
8.根据权利要求7所述的电机驱动系统，其特征在于，所述电机驱动系统还包括 与所述控制电路连接的显示电路。
9.根据权利要求8所述的电机驱动系统，其特征在于，所述电机驱动系统还包括 与所述控制电路连接的键盘输入部件。
10.一种离心机，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的电机驱动系统。
专利摘要本实用新型提供了一种离心机及其电机驱动系统，其中，电机驱动系统包括开关磁阻电机；传感器，与开关磁阻电机连接，用于获取开关磁阻电机的运行参数；控制电路，与传感器连接，并根据运行参数调整所接收的控制信号，形成调整控制信号；功率电路，与控制电路连接，根据调整控制信号生成驱动开关磁阻电机的电机驱动信号。应用本实用新型的技术方案，通过将控制电路与传感器连接，使控制电路可以根据传感器所采集的开关磁阻电机的运行参数调整所接收的控制信号，从而使控制信号可以根据开关磁阻电机的工作状态实时调整，提高了电机驱动系统的控制精度，从而解决了现有技术中的离心机电机驱动系统的控制精度差较差的问题。
文档编号H02P6/08GK201887711SQ201020644480
公开日2011年6月29日 申请日期2010年12月6日 优先权日2010年12月6日
发明者吴国良, 张涛, 郭彦蕊, 陈学, 黄运生 申请人:长沙高新开发区硕博电子科技有限公司