一种电机控制器及方法与流程

本发明涉及电机技术领域，特别涉及一种电机控制器及方法。

背景技术：

无刷直流电机是随着新型电力电子器件和永磁材料的发展而成熟起来的一种新型电机,属于同步电机的范畴。无刷直流电机在我国的发展时间虽短,但是随着技术的日益成熟与完善得到了迅猛的发展，已在医疗器械、家用电器、电动车等多个领域得到了广泛应用。而现有技术常采用无刷直流电机控制器,控制器结构复杂，直流电压的利用率低、成本较高。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种电机控制器及方法，所要解决的技术问题是：控制器结构复杂，直流电压的利用率、成本较高。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种电机控制器，包括单片机电路、光电隔离电路、放大电路、开关电路、反馈电路和无刷电机，所述单片机电路、光电隔离电路、放大电路、开关电路、反馈电路和无刷电机依次通过线路连接；所述单片机电路经线性稳压电路与第一电源连接，所述开关电路与第二电源连接；

所述单片机电路，用于生成pwm直流信号传输至光电隔离电路；还用于根据位置信号和转向信号调整pwm直流信号输出；

所述光电隔离电路，用于对pwm直流信号进行光电隔离，将pwm直流信号传输至放大电路；还用于将位置信号和转向信号传输至单片机电路；

所述放大电路，用于对pwm直流信号进行信号放大，并将放大后的pwm直流信号传输至开关电路；

所述开关电路，用于根据放大后的pwm直流信号进行导通，生成pwm三相方波信号传输至无刷电机；

所述无刷电机，用于根据pwm三相方波信号在其内部产生圆形磁场，通过圆形磁场矢量控制其转子运行；

所述反馈电路，用于实时检测无刷电机的输入电流，根据输入电流获取转子的位置和转向，生成位置信号和转向信号传输至光耦隔离电路。

本发明的有益效果是：通过单片机电路、光电隔离电路、放大电路、开关电路、反馈电路、和无刷电机协调运作，光电隔离电路能对传输信号进行光电隔离，能有效确保单片机电路的安全性，抗干扰能力强；通过对位置信号和转向信号进行处理，实现对无刷电机快速调速；无刷电机内形成圆形的磁场矢量，提高直流电压利用率，降低成本。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述单片机电路通过线路连接有液晶显示模块；所述液晶显示模块用于显示无刷电机的工作频率、pwm直流信号的电压、第一电源的电压，以及位置信号和转向信号。

采用上述进一步方案的有益效果是：液晶显示模块能对单片机电路的pwm直流信号输出频率、pwm直流信号的电压、第一电源的电压，以及转子的转向信号进行显示，便于作业人员实时了解本装置的运作状态。

进一步，所述光电隔离电路包括第一光耦电路、第二光耦电路、第三光耦电路、第四光耦电路、第五光耦电路和第六光耦电路，所述第一光耦电路、第二光耦电路、第三光耦电路、第四光耦电路、第五光耦电路和第六光耦电路结构一致，且均与所述放大电路连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：第一光耦电路、第二光耦电路、第三光耦电路、第四光耦电路、第五光耦电路和第六光耦电路能对单片机电路和放大电路进行光电隔离，确保单片机电路的安全性，提升抗干扰能力。

进一步，所述第一光耦电路包括电阻r2和光耦合器u1，所述光耦合器u1的第一输入端经电阻r2与单片机电路的vcc端连接，所述光耦合器u1的第二输入端ina与单片机电路连接；所述光耦合器u1的第一输出端接地，所述光耦合器u1的第二输出端与所述放大电路连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：第一光耦电路、第二光耦电路、第三光耦电路、第四光耦电路、第五光耦电路和第六光耦电路具有寿命长、无触点、抗干扰能力强等优点。

进一步，所述开关电路包括第一放大支路和第二放大支路，所述第一放大支路的输入端分别与所述第一光耦电路、第二光耦电路、第三光耦电路连接；所述第二放大支路的输入端分别与所述第四光耦电路、第五光耦电路和第六光耦电路连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过第一放大支路和第二放大支路能对信号进行放大，提升信号传输的精准性。

进一步，所述第一放大支路包括电阻r8至r13、三极管q1至q6，所述电阻r8的一端与第一光耦电路的输出端连接，还经电阻r9与电源连接，另一端分别与三极管q1的基极和三极管q2的基极连接；所述三极管q1的集电极与电源连接；所述三极管q1的发射极与所述开关电路连接；所述三极管q2的集电极接地；所述三极管q2的发射极与所述开关电路连接；

所述电阻r10的一端与第二光耦电路的输出端连接，还经电阻r11与电源连接，另一端分别与三极管q3的基极和三极管q4的基极连接；所述三极管q3的集电极与电源连接；所述三极管q3的发射极与所述开关电路连接；所述三极管q4的集电极接地；所述三极管q4的发射极与所述开关电路连接；

所述电阻r12的一端与第一光耦电路的输出端连接，还经电阻r13与电源连接，另一端分别与三极管q5的基极和三极管q6的基极连接；所述三极管q5的集电极与电源连接；所述三极管q5的发射极与所述开关电路连接；所述三极管q6的集电极接地；所述三极管q6的发射极与所述开关电路连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过第一放大支路和第二放大支路能对信号进行放大，提升信号传输的精准性，同时电路简单，使用寿命长，有效降低成本。

进一步，所述开关电路包括电阻r20至r28、mos管u1至u6和二极管d1至d3，所述mos管u1的栅极经电阻r20与第一放大支路连接，其漏极与电源连接，其源极与无刷电机连接；所述mos管u2的栅极经电阻r21与第二放大支路连接，其漏极与mos管u1的源极连接，其源极与二极管d1的负极连接，二极管d1的正极接地；所述电阻r22与所述二极管d1并联。

所述mos管u3的栅极经电阻r23与第一放大支路连接，其漏极与电源连接，其源极与无刷电机连接；所述mos管u4的栅极经电阻r24与第二放大支路连接，其漏极与mos管u3的源极连接，其源极与二极管d2的负极连接，二极管d2的正极接地；所述电阻r25与所述二极管d2并联。

所述mos管u5的栅极经电阻r26与第一放大支路连接，其漏极与电源连接，其源极与无刷电机连接；所述mos管u6的栅极经电阻r27与第二放大支路连接，其漏极与mos管u5的源极连接，其源极与二极管d3的负极连接，二极管d3的正极接地；所述电阻r28与所述二极管d3并联。

采用上述进一步方案的有益效果是：开关电路根据pwm直流信号进行快速导通和截断，能快速响应信号，提升控制速度，同时电路简单，使用寿命长，有效降低成本。

进一步，所述无刷电机内设置有多组线圈装置，所述开关电路向所述多组线圈装置输出pwm三相方波信号，所述多组线圈装置根据pwm三相方波信号合成圆形磁场矢量，通过圆形磁场控制无刷电机的转子进行运转。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过控制pwm的占空比实现电流控制，进而控制无刷电机使其产生尽可能迫近圆形的旋转磁场，提高直流电压利用率。

本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：一种电机控制方法，包括以下步骤：

步骤1：单片机电路生成pwm直流信号传输至光电隔离电路；光电隔离电路对pwm直流信号进行光电隔离，将pwm直流信号传输至放大电路；

步骤2：放大电路对pwm直流信号进行信号放大，并将放大后的pwm直流信号传输至开关电路；开关电路根据放大后的pwm直流信号进行导通，生成pwm三相方波信号传输至无刷电机；

步骤3：无刷电机根据pwm三相方波信号在其内部产生圆形磁场，通过圆形磁场矢量控制其转子运行；

步骤4：反馈电路实时检测无刷电机的输入电流，同时检测转子的位置和转向，生成位置信号和转向信号经光耦隔离电路传输至单片机电路；单片机电路根据位置信号和转向信号调整pwm直流信号输出。

本发明的有益效果是：通过单片机电路、光电隔离电路、放大电路、开关电路、反馈电路、和无刷电机协调运作，光电隔离电路能对传输信号进行光电隔离，能有效确保单片机电路的安全性，抗干扰能力强；通过对位置信号和转向信号进行处理，实现对无刷电机快速调速；无刷电机内形成圆形的磁场矢量，提高直流电压利用率，降低成本。

附图说明

图1为本发明一种电机控制器的模块框图；

图2为本发明第一光耦电路的电路原理图；

图3为本发明第一放大支路的电路原理图；

图4为本发明第二放大支路的电路原理图；

图5为本发明开关电路的电路原理图；

图6为本发明单片机电路的电路原理图；

图7为本发明一种电机控制方法的流程图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、单片机电路，2、光电隔离电路，3、放大电路，4、开关电路，5、反馈电路，6、无刷电机，7、线性稳压电路，8、第一电源，9、第二电源，10、液晶显示模块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，一种电机控制器，包括单片机电路1、光电隔离电路2、放大电路3、开关电路4、反馈电路5和无刷电机6，所述单片机电路1、光电隔离电路2、放大电路3、开关电路4、反馈电路5和无刷电机6依次通过线路连接；所述单片机电路1经线性稳压电路7与第一电源8连接，所述开关电路4与第二电源9连接；

所述单片机电路1，用于生成pwm直流信号传输至光电隔离电路2；还用于根据位置信号和转向信号调整pwm直流信号输出；

所述光电隔离电路2，用于对pwm直流信号进行光电隔离，将pwm直流信号传输至放大电路3；还用于将位置信号和转向信号传输至单片机电路1；

所述放大电路3，用于对pwm直流信号进行信号放大，并将放大后的pwm直流信号传输至开关电路4；

所述开关电路4，用于根据放大后的pwm直流信号进行导通，生成pwm三相方波信号传输至无刷电机6；

所述无刷电机6，用于根据pwm三相方波信号在其内部产生圆形磁场，通过圆形磁场矢量控制其转子运行；

所述反馈电路5，用于实时检测无刷电机6的输入电流，根据输入电流获取转子的位置和转向，生成位置信号和转向信号传输至光耦隔离电路2。

上述实施例中，通过单片机电路1、光电隔离电路2、放大电路3、开关电路4、反馈电路5、和无刷电机6协调运作，光电隔离电路2能对传输信号进行光电隔离，能有效确保单片机电路1的安全性，抗干扰能力强；通过对位置信号和转向信号进行处理，实现对无刷电机6快速调速；无刷电机6内形成圆形的磁场矢量，提高直流电压利用率，降低成本。

如图6所示，单片机电路1包括stm32f103系列单片机、电容c1、电容c2为22pf、石英晶振y1、电容c3为104pf、电阻r1为22ω，电容c1、电容c2和石英晶振y1连接构成晶振电路，并与stm32f103系列单片机连接；电容c3和电阻r1串联，并与stm32f103系列单片机连接。

可选的，作为本发明的一个实施例，所述单片机电路1通过线路连接有液晶显示模块10；所述液晶显示模块10用于显示无刷电机6的工作频率、pwm直流信号的电压、第一电源7的电压，以及位置信号和转向信号。

上述实施例中，液晶显示模块10能对无刷电机6的工作频率、pwm直流信号的电压、第一电源7的电压，以及位置信号和转向信号进行显示，便于作业人员实时了解本装置的运作状态。

可选的，作为本发明的一个实施例，所述光电隔离电路2包括第一光耦电路、第二光耦电路、第三光耦电路、第四光耦电路、第五光耦电路和第六光耦电路，所述第一光耦电路、第二光耦电路、第三光耦电路、第四光耦电路、第五光耦电路和第六光耦电路结构一致，且均与所述放大电路3连接。

上述实施例中，第一光耦电路、第二光耦电路、第三光耦电路、第四光耦电路、第五光耦电路和第六光耦电路能对单片机电路1和放大电路3进行光电隔离，确保单片机电路1的安全性，提升抗干扰能力。

可选的，作为本发明的一个实施例，如图2所示，所述第一光耦电路包括电阻r2和光耦合器u1，所述光耦合器u1的第一输入端经电阻r2与单片机电路1的vcc端连接，所述光耦合器u1的第二输入端ina与单片机电路1连接；所述光耦合器u1的第一输出端接地，所述光耦合器u1的第二输出端与所述放大电路3连接；

所述第二光耦电路包括电阻r3和光耦合器u2，所述光耦合器u2的第一输入端经电阻r3与电源连接，第二输入端与单片机电路连接；所述光耦合器u2的第一输出端接地，所述光耦合器u2的第二输出端与所述放大电路3连接；

所述第三光耦电路包括电阻r4和光耦合器u3，所述光耦合器u3的第一输入端经电阻r4与电源连接，第二输入端与单片机电路连接；所述光耦合器u3的第一输出端接地，所述光耦合器u3的第二输出端与所述放大电路3连接；

所述第四光耦电路包括电阻r5和光耦合器u4，所述光耦合器u4的第一输入端经电阻r5与电源连接，第二输入端与单片机电路连接；所述光耦合器u4的第一输出端接地，所述光耦合器u4的第二输出端与所述放大电路3连接；

所述第五光耦电路包括电阻r6和光耦合器u5，所述光耦合器u5的第一输入端经电阻r6与电源连接，第二输入端与单片机电路连接；所述光耦合器u5的第一输出端接地，所述光耦合器u5的第二输出端与所述放大电路3连接；

所述第五光耦电路包括电阻r7和光耦合器u6，所述光耦合器u6的第一输入端经电阻r7与电源连接，第二输入端与单片机电路连接；所述光耦合器u6的第一输出端接地，所述光耦合器u6的第二输出端与所述放大电路3连接。

上述实施例中，第一光耦电路、第二光耦电路、第三光耦电路、第四光耦电路、第五光耦电路和第六光耦电路具有寿命长、无触点、抗干扰能力强等优点。

可选的，作为本发明的一个实施例，如图3和图4所示，所述放大电路3包括第一放大支路和第二放大支路，所述第一放大支路的输入端分别与所述第一光耦电路、第二光耦电路、第三光耦电路连接；所述第二放大支路的输入端分别与所述第四光耦电路、第五光耦电路和第六光耦电路连接。

上述实施例中，通过第一放大支路和第二放大支路能对信号进行放大，提升信号传输的精准性。

可选的，作为本发明的一个实施例，如图3所示，所述第一放大支路包括电阻r8至r13、三极管q1至q6，所述电阻r8的一端与第一光耦电路的输出端连接，还经电阻r9与电源连接，另一端分别与三极管q1的基极和三极管q2的基极连接；所述三极管q1的集电极与电源连接；所述三极管q1的发射极与所述开关电路4连接；所述三极管q2的集电极接地；所述三极管q2的发射极与所述开关电路4连接；

所述电阻r10的一端与第二光耦电路的输出端连接，还经电阻r11与电源连接，另一端分别与三极管q3的基极和三极管q4的基极连接；所述三极管q3的集电极与电源连接；所述三极管q3的发射极与所述开关电路4连接；所述三极管q4的集电极接地；所述三极管q4的发射极与所述开关电路4连接；

所述电阻r12的一端与第一光耦电路的输出端连接，还经电阻r13与电源连接，另一端分别与三极管q5的基极和三极管q6的基极连接；所述三极管q5的集电极与电源连接；所述三极管q5的发射极与所述开关电路4连接；所述三极管q6的集电极接地；所述三极管q6的发射极与所述开关电路4连接；

所述第二放大支路包括电阻r14至r19、三极管q7至q12，所述电阻r14的一端与第四光耦电路的输出端连接，还经电阻r15与电源连接，另一端分别与三极管q7的基极和三极管q8的基极连接；所述三极管q7的集电极与电源连接；所述三极管q7的发射极与所述开关电路4连接；所述三极管q8的集电极接地；所述三极管q8的发射极与所述开关电路4连接；

所述电阻r16的一端与第二光耦电路的输出端连接，还经电阻r17与电源连接，另一端分别与三极管q9的基极和三极管q10的基极连接；所述三极管q9的集电极与电源连接；所述三极管q9的发射极与所述开关电路4连接；所述三极管q10的集电极接地；所述三极管q10的发射极与所述开关电路4连接；

所述电阻r18的一端与第一光耦电路的输出端连接，还经电阻r19与电源连接，另一端分别与三极管q11的基极和三极管q12的基极连接；所述三极管q11的集电极与电源连接；所述三极管q11的发射极与所述开关电路4连接；所述三极管q12的集电极接地；所述三极管q12的发射极与所述开关电路4连接。

上述实施例中，通过第一放大支路和第二放大支路能对信号进行放大，提升信号传输的精准性，同时电路简单，使用寿命长，有效降低成本。

可选的，作为本发明的一个实施例，如图5所示，所述开关电路4包括电阻r20至r28、mos管u1至u6和二极管d1至d3，所述mos管u1的栅极经电阻r20与第一放大支路连接，其漏极与电源连接，其源极与无刷电机5连接；所述mos管u2的栅极经电阻r21与第二放大支路连接，其漏极与mos管u1的源极连接，其源极与二极管d1的负极连接，二极管d1的正极接地；所述电阻r22与所述二极管d1并联。

所述mos管u3的栅极经电阻r23与第一放大支路连接，其漏极与电源连接，其源极与无刷电机5连接；所述mos管u4的栅极经电阻r24与第二放大支路连接，其漏极与mos管u3的源极连接，其源极与二极管d2的负极连接，二极管d2的正极接地；所述电阻r25与所述二极管d2并联。

所述mos管u5的栅极经电阻r26与第一放大支路连接，其漏极与电源连接，其源极与无刷电机5连接；所述mos管u6的栅极经电阻r27与第二放大支路连接，其漏极与mos管u5的源极连接，其源极与二极管d3的负极连接，二极管d3的正极接地；所述电阻r28与所述二极管d3并联。

上述实施例中，开关电路4根据pwm直流信号进行快速导通和截断，能快速响应信号，提升控制速度，同时电路简单，使用寿命长，有效降低成本。

可选的，作为本发明的一个实施例，所述无刷电机6内设置有15组线圈装置，所述开关电路4向15组所述线圈装置输出pwm三相方波信号，15组所述线圈装置根据pwm三相方波信号产生圆形磁场，通过圆形磁场控制无刷电机6的转子进行运转。

上述实施例中，通过控制pwm的占空比实现电流控制，进而控制无刷电机6使其产生尽可能迫近圆形的旋转磁场，提高直流电压利用率；直流电压利用率是指逆变电路所能输出的交流电压基波最大幅值um和直流电压udc之比；一般情况下spwm的利用率0.866，经过三次谐波注入，输出的相电压中包含三次谐波，在合成线电压时，各相电压的三次相互抵消，线电压最大输出幅值为udc，因此其线电压基波分量最大值为udc，直流侧电压利用率为1，可以大大提高直流电压的利用率。

所述反馈电路5上设置有接口ad_a、接口ad_b、接口ad_c和电流采样接口，所述接口ad_a、接口ad_b、接口ad_c经光电隔离电路2分别与单片机电路1的多个io接口连接；电流采样接口与无刷电机6的输入电端连接。

反馈电路5的电流采样接口采集无刷电机6的电流信号，反馈电路5根据电流信号获取无刷电机6的转子位置信号和转向信号，将位置信号和转向信号经光耦隔离电路2传输至单片机电路1，单片机电路1调整pwm电流信号输出。

上述实施例中，通过反馈电路5的无感电流采样，实现foc控制，获取转子的位置和转向，便于单片机电路1进行精确调控，提升便利性，提高效率。

如图7所示，一种电机控制方法，包括以下步骤：

步骤1：单片机电路1生成pwm直流信号传输至光电隔离电路2；光电隔离电路2对pwm直流信号进行光电隔离，将pwm直流信号传输至放大电路3；

步骤2：放大电路3对pwm直流信号进行信号放大，并将放大后的pwm直流信号传输至开关电路4；开关电路4根据放大后的pwm直流信号进行导通，生成pwm三相方波信号传输至无刷电机6；

步骤3：无刷电机6根据pwm三相方波信号在其内部产生圆形磁场，通过圆形磁场矢量控制其转子运行；

步骤4：反馈电路5实时检测无刷电机6的输入电流，根据输入电流获取转子的位置和转向，生成位置信号和转向信号经光耦隔离电路2传输至单片机电路1；单片机电路1根据位置信号和转向信号调整pwm直流信号输出。

上述实施例中，通过单片机电路1、光电隔离电路2、放大电路3、开关电路4、反馈电路5、和无刷电机6协调运作，光电隔离电路2能对传输信号进行光电隔离，能有效确保单片机电路1的安全性，抗干扰能力强；通过对位置信号和转向信号进行处理，实现对无刷电机6快速调速；无刷电机6内形成圆形的磁场矢量，提高直流电压利用率，降低成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。