一种基于开关电路的直流有刷电机调速系统的制作方法

本发明属于直流有刷电机调速控制领域，涉及一种基于开关电路的直流有刷电机调速系统。

背景技术：

直流有刷电机具有良好的启动和调速性能，常应用于对启动和调速有较高要求的场合，如大型可逆式轧钢机、龙门刨床、电力机车、造纸和印刷机械、船舶机械、大型精密机床和大型起重机等生产机械中。直流有刷电机在工业民用行业中得到广泛地使用，为了实现直流有刷电机转速的调整，需要先检测电机的旋转速度，然后再加以控制。常规情况下基于直流有刷电机的调压系统是通过dc/dc变换器实现的，dc/dc变换器将输入的固定直流电压通过变换器变成可变的直流电压，再通过相应的反馈装置实现电机调速。但是这种基于dc/dc变换器的调速方式只适用于小功率的电机调速如1kw以下的电机等。对于较大功率的电机如电流超过30a以上时则dc/dc成本会大幅度增加而可靠性降低，不适合于电动车或电动船等环境比较差的条件下使用。

传统直流有刷电机有三种调速方式：1.电枢回路串电阻；2.改变电枢电压；3.改变磁通大小。方式1电枢回路串电阻调试，是通过电阻分压来消耗一部分能量实现电机调速，浪费了电能。方式2改变电枢电压，如前所述通过dc/dc的方法目前小功率比较常见，而大功率特别是环境恶劣的场合会造成成本升高或可靠性降低和维护困难的情况。3，改变磁通大小，受电机结构和设计影响其调速范围和性能有限。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于开关电路的直流有刷电机调速系统，通过简单的开关电路实现大功率和高可靠性的直流电机调速，使电动车或船等运输工具成本降低且维护简单容易。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于开关电路的直流有刷电机调速系统，其特征在于：

包括控制器、驱动电路、开关网络、电池组、通信模块、数据采集模块及充放电控制模块；所述的控制器、驱动电路、开关网络与电池组依次串接，所述数据采集模块包括电压采集模块、电流采集模块与温度采集模块，分别与控制器及电池组相互连接，通信模块与控制器相互连接，充放电控制模块与控制器及电池组相互连接。

所述开关电路、电池组及直流有刷电机连接方式为：包括n个单刀单掷开关k1、k2、……kn，n个电池1,2，……n，n个单刀双掷开关k1，k2，……kn，n个单刀单掷开关k1、k2、……kn一侧相连，且与电动机相连，单刀单掷开关k1另一侧与电池1正极及单刀双掷开关kn的第二引脚相连，电池1负极与单刀双掷开关k1的com脚相连，单刀单掷开关k2另一侧与电池2极及单刀双掷开关k1的第二引脚相连，电池2负极与单刀双掷开关k2的com脚相连，以此类推，单刀单掷开关kn与电池n极及单刀双掷开关kn-1的第二引脚相连，电池n负极与单刀双掷开关kn的com脚相连，n个单刀双掷开关k1，k2，……kn第一引脚相连，且与电动机相连。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1.本发明通过改变外围开关电路控制电池的接入数量和方式，从而改变直流有刷电机的端电压，实现直流有刷电机的分级调速。通过该外围开关电路，能够实现不同档位的切换。在同一档位时，不同开关动作，电池的接入方式和数量不同，但速度相同。在档位切换时，控制不同的开关动作，选择不同的电池接入数量和方式，达到速度的切换。

2.本发明可以检测各单体电池的实时电压，电流，并且能够计算出各单体电池的剩余电量，选择切换电池的接入方式和方式，通过电池的轮换策略实现了能量均衡，达到提高电池利用效率的目的。

附图说明

图1是一种基于开关电路的直流有刷电机调速系统的结构示意图；

图2是本发明的开关网路、电池组及直流有刷电机连接电路图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

如图1所示，本发明提供一种基于开关电路的直流有刷电机调速系统，包括控制器、驱动电路、开关网络、电池组、通信模块、数据采集模块及充放电控制模块；所述的控制器、驱动电路、开关网络与电池组依次串接，所述数据采集模块包括电压采集模块、电流采集模块与温度采集模块，分别与控制器及电池组相互连接，通信模块与控制器相互连接，充放电控制模块与控制器及电池组相互连接。

控制系统工作原理如下：给控制器一个速度给定信号，控制器通过电压检测单元，电流检测单元及温度检测单元控制开关网络工作，通过驱动电路使开关网络达到工作的条件，进而控制电池组的工作状态，实现一种电池轮换方式，通过改变电池的数量和接入方式，达到对直流有刷电机分级调速的功能。通过通信模块将电池的实时工作状态传输到其他外围设备或上位机，可对电机工作状态和电池工作状态实时监控。

充放电控制模块为充电模块和放电模块，电池电量不足时通过充电模块给电池组充电，当电池电量充足，可以正常工作时，放电模块使电池运行在放电状态，为电机提供动力源。

参见图2，本发明的开关网络，由若干个开关组成，电池组由若干个电池单体组成，通过加入开关连接成不同的串并联方式。

所述开关电路、电池组及直流有刷电机连接方式为：包括n个单刀单掷开关k1、k2、……kn，n个电池1,2，……n，n个单刀双掷开关k1，k2，……kn，n个单刀单掷开关k1、k2、……kn一侧相连，且与直流有刷电机相连，单刀单掷开关k1另一侧与电池1正极及单刀双掷开关kn的第二引脚相连，电池1负极与单刀双掷开关k1的com脚相连，单刀单掷开关k2另一侧与电池2极及单刀双掷开关k1的第二引脚相连，电池2负极与单刀双掷开关k2的com脚相连，以此类推，单刀单掷开关kn与电池n极及单刀双掷开关kn-1的第二引脚相连，电池n负极与单刀双掷开关kn的com脚相连，n个单刀双掷开关k1，k2，……kn第一引脚相连，且与直流有刷电机相连。

假设该电池组使用的是12v的蓄电池，低档启动时，只需要提供12v的电压，在只接入一个电池的情况下，有多种方式可以选择，该网络通过闭合开关k1，单刀双掷开关k1打到1，其他开关均断开，使其只接入电池1，直流有刷电机的端电压由该电池1提供；闭合开关k2，单刀双掷开关k2打到1，其他开关均断开，使其只接入电池2，则直流有刷电机的端电压由电池2提供；以此类推，闭合开关kn，单刀双掷开关kn打到1，其他开关均断开，使其只接入电池n，则直流有刷电机的端电压由电池n提供。

电机运行档位在1档时，若选择接入2个电池，可以任意2个电池并联。当闭合开关k1，k2，单刀双掷开关k1打到1，单刀双掷开关k2打到1，其余开关均断开，则直流有刷电机的端电压有电池1与电池2并联提供。当闭合开关kn，单刀双掷开关kn打到1，闭合开关kn-1或kn-2或kn-3……k1，对应的单刀双掷开关kn-1打到1或单刀双掷开关kn-2打到1，或单刀双掷开关kn-3打到1，以此类推，单刀双掷开关k1打到1，其余开关均断开，则接入的电池为电池n和电池n-1并联，或电池n和电池n-2并联，以此类推，或电池n和电池1并联。若选择接入3个电池，可以选择任意3个电池并联，同理选择对应的开关动作使任意3个电池并联。在该档位时，接入电池的数量可以为1个，2个……n个，接入方式为串联，或者并联。

当档位切换到2档时，同理假设使用的电池为12v的蓄电池，需要24v电压提供直流有刷电机的端电压，也可选择不同的电池数量和接入方式。若需两节电池接入时，可以任选2节电池串联接入，如闭合开关k1，k2，单刀双掷开关k1打到2，单刀双掷开关k2打到1，其余开关均断开，则电池1和电池2串联接入，提供直流有刷电机的端电压。同理，若闭合开关kn，单刀双掷开关kn打到1，及单刀双掷开关kn-1打到2或单刀双掷开关kn-2打到2或以此类推，单刀双掷开关k1打到2，则电池n和电池n-1或电池n-2或以此类推电池1串联接入，提供直流有刷电机的端电压。

档位在2档时，若需要4个电池供电时，可以选择相邻2个电池串联，再并联这2组电池。如闭合开关k1，k3，单刀双掷开关k1打到2，单刀双掷开关k2打到1，单刀双掷开关k3打到2，单刀双掷开关k4打到1，其余开关均闭合，则电池1和电池2串联，电池3和电池4串联，这2组电池再并联接入，提供直流有刷电机的端电压。同理，若闭合开关kn，kn-1，单刀双掷开关kn打到1，单刀双掷开关kn-1打到2，则电池n和电池n-1串联，再选择任意相邻的两个电池串联，则这2组电池并联接入，提供直流有刷电机的端电压。

同理，不同档位切换时，通过选择不同的电池数量和接入方式，配合相应的开关动作，均可实现电压等级的切换，提供直流有刷电机的端电压。在以上电池切换过程中，需注意，当电池组内部电池为并联方式，电机停转时立即切断电池，避免电池能量损耗。并联方式进行电池轮换选择时，需要选择并联的两组电池电压差最小。

本系统的控制器采用嵌入式控制器或者数字信号处理器，内嵌大容量flash存储器，利用存储芯片对电池运行过程中产生的数据进行存储。该控制单元接收数据采集单元发送来的数据，对数据进行实时监测，利用系统采集来的电池参数信息计算电池剩余电量，并根据剩余电量的多少选择不同的电池轮换接入，可以有效避免电池过耗。不同电压等级切换时，该控制单元可以控制选择不同的电池的数量和接入方式。该控制单元通过相应的通信单元，完成与上位机的通信，将电池管理系统中的电压，电流，温度，soc等重要参数实时地显示在上位机中。

本系统的数据采集模块包括电压采集模块，电流采集模块，温度采集模块。电压采集模块利用专门的采集芯片，例如ltc6803-4，进行电池组和单体电压检测，芯片内置模数信号转换功能，电路中一般存在着多个电压采集芯片，需要设置芯片的不同引脚来将各个芯片设置成不同的检测单元。电流采集模块利用专门的采集芯片，例如可用霍尔传感器chb-200sf来实现，采集的数据送入主控控制器中，由主控芯片内置的ad转换模块完成信号的处理工作。温度采集模块可用温度传感器实现，例如温度传感器ds18b20，为了详细准确地掌握电池组内部的温度状况，系统需要采集每一块电池的温度，因此需要采用多个ds18b20。所有的温度传感器通过一根总线与主控芯片连接。

本系统在实现电池轮换策略时，能够实现电池的主动能量均衡。由主控芯片负责电池组的均衡控制，包括何时开启均衡，均衡对象，以及均衡量的选择。当单体电池之间的最大压差∆u>0.1v，该控制单元切换开关，进行电池轮换，当∆u<0.05v，停止电池轮换。可以有效避免电池过耗，使电池达到最大利用效率，以上电池切换阈值可以根据不同电池设定。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。