一种微型正弦波三相无刷直流电机水泵控制器的制作方法

本实用新型涉及水泵控制技术领域，具体地是涉及一种微型正弦波三相无刷直流电机水泵控制器。

背景技术：

传统的微型无刷直流电机水泵，一般都采用方波控制电路，这种控制方式简单、易于控制，但是由于定子电流和气隙磁通为方波，所以转矩脉动较大、噪声高，对电机控制效率不高。而目前没有一种有效的电路结构可以为上述问题的解决提供硬件上的支撑。

因此，本实用新型的发明人亟需构思一种新技术以改善其问题。

技术实现要素：

本实用新型旨在提供一种微型正弦波三相无刷直流电机水泵控制器，为解决上述问题提供了硬件上的支撑。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：

一种微型正弦波三相无刷直流电机水泵控制器，包括：MCU算法及控制处理电路和与之连接的稳压及DC总线电压检测电路，取样电流放大处理MCU内部及外部电路，三相驱动、逆变及电机电流取样电路，其中所述MCU算法及控制处理电路包括控制芯片IC1、电阻R1、电感LS1、电容C5、电容C6、二极管VD1、二极管VD2；其中电阻R1和二极管VD1并联设置，二者一端与所述控制芯片IC1的第七脚连接，另一端与电感LS1和电容C5连接；电容C6、二极管VD2并联设置，二者一端与所述控制芯片IC1的第九脚连接，另一端接地；所述控制芯片IC1为STSPIN32F0控制芯片。

优选地，所述三相驱动、逆变及电机电流取样电路包括功率输出元件VS1、功率输出元件VS2、功率输出元件VS3、功率输出元件VS4、功率输出元件VS5、功率输出元件VS6、电阻R36、电阻R37、电阻R41、电阻R42、电阻R46、电阻R47，其中功率输出元件VS1依次与功率输出元件VS6、电阻R37连接后接地，功率输出元件VS6的第一脚通过电阻R36后与控制芯片IC1的第三十六脚连接；功率输出元件VS2依次与功率输出元件VS5、电阻R42连接后接地，功率输出元件VS5的第一脚通过电阻R41后与控制芯片IC1的第三十二脚连接；功率输出元件VS3依次与功率输出元件VS4、电阻R47连接后接地，功率输出元件VS5的第一脚通过电阻R46后与控制芯片IC1的第二十八脚连接。

优选地，所述稳压及DC总线电压检测电路包括稳压芯片IC2、电阻R4、电阻R6、二极管VD4、电感LS2、电容C14、电容C15，其中所述稳压芯片IC2 的第一引脚依次经过电阻R4、电阻R6后与控制芯片IC1的第十九脚连接；所述稳压芯片IC2的第二引脚与二极管VD4、电感LS2连接；电容C14、电容C15 并联设置，二者一端与电感LS2连接，另一端接地。

优选地，所述稳压及DC总线电压检测电路还包括稳压芯片IC3、电容C17、电容C18、电容C19、电阻R7、二极管DL2、熔断器FU1，其中所述电容C17 与稳压芯片IC3的第一引脚连接，电容C18、电容C19并联设置，二者一端与稳压芯片IC3的第三引脚连接，另一端与二极管DL2连接；熔断器FU1的一端与稳压芯片IC3的第三引脚连接，另一端与电阻R7连接。

优选地，功率输出元件VS1、功率输出元件VS2、功率输出元件VS3、功率输出元件VS4、功率输出元件VS5、功率输出元件VS6均为N沟道MOSFET 管STL90N6F7。

优选地，所述稳压芯片IC2为LM2596HVS-12/ADJ。

优选地，所述稳压芯片IC3为78M05稳压芯片。

采用上述技术方案，本实用新型至少包括如下有益效果：

本实用新型所述的微型正弦波三相无刷直流电机水泵控制器，应用转矩脉动减小，启动和运行噪声更低，功率利用率高。

附图说明

图1为本实用新型所述的MCU算法及控制处理电路的电路原理图；

图2a为本实用新型所述的稳压及DC总线电压检测电路的部分电路原理图；

图2b为本实用新型所述的稳压及DC总线电压检测电路的部分电路原理图；

图3a为本实用新型所述的取样电流放大处理MCU内部及外部电路的部分电路原理图；

图3b为本实用新型所述的取样电流放大处理MCU内部及外部电路的部分电路原理图；

图3c为本实用新型所述的取样电流放大处理MCU内部及外部电路的部分电路原理图；

图4a为本实用新型所述的运行、方向外部控制接口电路的部分电路原理图；

图4b为本实用新型所述的运行、方向外部控制接口电路的部分电路原理图；

图5a为本实用新型所述的电机接口及输入电源处理电路的部分电路原理图；

图5b为本实用新型所述的电机接口及输入电源处理电路的部分电路原理图；

图6a为本实用新型所述的三相驱动、逆变及电机电流取样电路的部分电路原理图；

图6b为本实用新型所述的三相驱动、逆变及电机电流取样电路的部分电路原理图；

图6c为本实用新型所述的三相驱动、逆变及电机电流取样电路的部分电路原理图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1至图6c所示，为符合本实用新型的一种微型正弦波三相无刷直流电机水泵控制器，包括：MCU算法及控制处理电路和与之连接的稳压及DC总线电压检测电路，取样电流放大处理MCU内部及外部电路，运行、方向外部控制接口电路，电机接口及输入电源处理电路，三相驱动、逆变及电机电流取样电路，其中所述MCU算法及控制处理电路包括控制芯片IC1、电阻R1、电感LS1、电容C5、电容C6、二极管VD1、二极管VD2；其中电阻R1和二极管VD1并联设置，二者一端与所述控制芯片IC1的第七脚连接，另一端与电感LS1和电容C5连接；电容C6、二极管VD2并联设置，二者一端与所述控制芯片IC1的第九脚连接，另一端接地；所述控制芯片IC1为STSPIN32F0控制芯片。

优选地，所述三相驱动、逆变及电机电流取样电路包括功率输出元件VS1、功率输出元件VS2、功率输出元件VS3、功率输出元件VS4、功率输出元件VS5、功率输出元件VS6、电阻R36、电阻R37、电阻R41、电阻R42、电阻R46、电阻R47，其中功率输出元件VS1依次与功率输出元件VS6、电阻R37连接后接地，功率输出元件VS6的第一脚通过电阻R36后与控制芯片IC1的第三十六脚连接；功率输出元件VS2依次与功率输出元件VS5、电阻R42连接后接地，功率输出元件VS5的第一脚通过电阻R41后与控制芯片IC1的第三十二脚连接；功率输出元件VS3依次与功率输出元件VS4、电阻R47连接后接地，功率输出元件VS5的第一脚通过电阻R46后与控制芯片IC1的第二十八脚连接。

优选地，所述稳压及DC总线电压检测电路包括稳压芯片IC2、电阻R4、电阻R6、二极管VD4、电感LS2、电容C14、电容C15，其中所述稳压芯片IC2 的第一引脚依次经过电阻R4、电阻R6后与控制芯片IC1的第十九脚连接；所述稳压芯片IC2的第二引脚与二极管VD4、电感LS2连接；电容C14、电容C15 并联设置，二者一端与电感LS2连接，另一端接地。

优选地，所述稳压及DC总线电压检测电路还包括稳压芯片IC3、电容C17、电容C18、电容C19、电阻R7、二极管DL2、熔断器FU1，其中所述电容C17 与稳压芯片IC3的第一引脚连接，电容C18、电容C19并联设置，二者一端与稳压芯片IC3的第三引脚连接，另一端与二极管DL2连接；熔断器FU1的一端与稳压芯片IC3的第三引脚连接，另一端与电阻R7连接。

优选地，功率输出元件VS1、功率输出元件VS2、功率输出元件VS3、功率输出元件VS4、功率输出元件VS5、功率输出元件VS6均为N沟道MOSFET 管STL90N6F7。

优选地，所述稳压芯片IC2为LM2596HVS-12/ADJ。

优选地，所述稳压芯片IC3为78M05稳压芯片。

其他未详尽记录的电子元器件型号和连接关系参见附图标注。

本实施例的主要以STSPIN32F0为控制芯片实现FOC算法，满足电机转矩和转速精度控制对算法执行速度的要求。主要有：MCU算法及控制处理电路， 12V、5V稳压及DC总线电压检测电路，取样电流放大处理MCU内部及外部电路，运行、方向外部控制接口电路，电机接口及输入电源处理电路，三相驱动、逆变及电机电流取样电路6个主要部分组成。控制算法通过对电机电流的控制实现对电机转矩(电流)、速度、位置的控制。电流作为最内环，速度是中间环，位置作为最外环。控制环路时间短，系统的响应速度快，能够迅速针对负载做出调整，在更短的时间周期内完成误差补偿，从而实现更加顺畅的水泵运行和更高的效率。

下面结合电路具体阐述本实施例。

1.MCU算法及控制处理电路，通过采集两相电流，经过Clarke变换和 Park变换,对所得到的Iq与Id量进行PI调节，再通过位置和速度估算及逆 Park变换和逆Clarke变换，通过SVPWM调制得到实际需要的三相电压 Va/Vb/Vc输入给逆变电桥，完成FOC控制算法，驱动水泵转动。经内置三相半桥驱动器及自举二极管，能直接驱动三相逆变电路工作，内置运放可实现反馈电流的放大处理。是整个系统工作的控制中心。

2.稳压及DC总线电压检测电路，主要是实现12-48V稳12V和5V电压，供整个系统低压部分电路供电。总线电压检测主要为实现系统过压、欠压保护功能给MCU提供取样信号。

3.运行、方向外部控制接口电路，为CPU提供系统开机、停机输入接口，及电机正反转控制接口。

4.取样电流放大处理MCU内部及外部电路，通过电容C21C22C23将获取的电机电流信号进行滤波，通过调整R17/R18，R22/R23，R27/R28可改变电流的放大倍数，为FOC算法提供准确的电流反馈信号，实现电机控制及过流、缺水、缺相保护等功能。

5.电机接口及输入电源处理电路,提供水泵电机的输入接口，及对供电电源进行滤波及输入防雷保护。

6.三相驱动、逆变及电机电流取样电路，实现DC电源到调制SVPWM驱动波形的逆变。三相全桥驱动电路使用6个N沟道MOSFET管STL90N6F7做功率输出元件，工作电流可达10A。

全桥逆变的驱动电路由ICI的内置三相驱动器及内置的自举二极管组成。下臂MOS管由LSU、LSV和LSW驱动，上臂MOS管由HSU、HSV和HSW驱动，VD5-10可改善高频导通特性，减少MOS管高频损耗。

FOC算法及系统过流保护检测的相电流反馈信号经精密大功率取样电阻R37、R42及R47进行取样，IC1对取得的相电流信号进行滤波放大，Clarke 变换和Park变换及逆Clarke变换和逆Park变换完成整个控制算法，最终输出SVPWM调制的驱动信号送到三相全桥电路，驱动电机工作。

本实施例中利用芯片内置运放节省外部元器件,简化系统设计,提高了系统的性价比，优化了反馈系统设计的灵活性可靠性和稳定性，且加强电机控制，降低了噪声，提升效率和精度。利用芯片内置的三相驱动器和自举二极管，高达600mA的栅驱动电流配上宽电压低内阻的STL90N6F7功率MOSFET管作为三相电机驱动电路，实现了系统能在9-48V的宽工作电压范围内可靠工作，加上完善的过流保护、欠压保护设计，完善的设计防止整个系统受到过电流的损坏。根据电机绕组特性，极对数、绕组电组、绕组电感和反动动势常数等建立电机模型。通过使用分流电阻，监视每个绕组中的电流，并将电流与基于电机特性的电气模型进行比较。实现电流环的控制。本实用新型使用无传感器技术和转子定位算法，保证太阳能水泵可靠高效低噪运转。以上这些算法和硬件电路的结合，优化了系统设计，降低了系统成本。本实用新型所述的硬件结构可以很好的为上述算法的实现提供硬件上的支撑。

本实用新型涉及一种无位置传感器无刷直流电机在光伏水泵系统中的应用，采用STSPIN32F0实现嵌入式设计,采用无传感器FOC算法，用相电流Ia 和Ib作为反馈信号，而Ic则通过数字化计算得到，算法对反馈电流值进行 Park变换和Clarke变换，结合位置估计器估计转子的位置和速度信息，和参考值进行对比求差值，再经PI调节、逆Park变换和逆Clarke变换，再将经SVPWM调制的三相电机驱动信号驱动逆变电路工作。本实用新型利用无传感器 FOC算法，通过对电机电流的控制实现对电机转矩(电流)、速度、位置的控制。驱动水泵泵水。实现太阳能直接驱动水泵工作，变蓄电为蓄水，节能环保，属于太阳能水泵控制技术领域。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。