CN106208832A - 永磁无刷直流电机数字调速器 - Google Patents
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Abstract
一种永磁无刷直流电机数字调速器，包括上壳体端盖、中框、下壳体端盖、转速指示表盘、指针、PCB板、三核单片机、信号调理芯片、VMOS管驱动芯片、VMOS管、微型步进电机，其要点在于：所述的上壳体端盖上安装有转向按钮、停止按钮、转向指示发光二极管、停止指示发光二极管、调速旋钮和调速刻度盘，在转速指示表盘上镂刻有转速数字刻度，所述的中框采用铝合金材质，由中框空心圆柱体和中框空心六面体两部分组成，并通过六个连接耳结合成一体，上壳体端盖和下壳体端盖分别与中框圆柱体相连，微型步进电机的转动轴外接一个指针，在三核单片机的控制下，指针在转速数字刻度上停留的位置，即为当前永磁无刷直流电机的转动速度。
Description
技术领域
本发明涉及的一种永磁无刷直流电机数字调速器，主要应用于家用电器、柔性制造***、新型医疗设备和工业自动控制设备领域。
背景技术
永磁无刷直流电动机是一种无电刷和机械换向器，可以无级调速起动的直流电动机，具有运行平稳、噪音低，起动力矩大，采用直流或交流/直流变换供电，几乎不受电网电压波动的影响，有较宽的调速范围、工作转速范围很大，可满足各种运行工况模式下的转速要求，可以在超低转速状态下保持输出力矩, 节能效果好，很多方面已经超越了交流变频器的性能,完全可以取代小功率交流变频调速***。鉴于以上的优势，永磁无刷直流电动机已经最初从新能源电动汽车和电动自行车行业开始起步，并且方兴未艾地应用在家用电器、电动工具、办公自动化、机器人、安防设备、医疗器械、个人护理、工业设备、船舶的电力推进***各个领域。例如，直流变频空调或冷柜的压缩机控制、电风扇、排气扇、换气扇、吸尘器和冲击型电动工具的驱动、永磁无刷直流电动机作为核心部件用于高速离心机萃取设备、厨房用的榨汁机、绞肉机、搅拌机和电动须刨、高频混凝土震动棒、用于个人护理的按摩器、用于车用主水泵的发动机冷却***、用于车用辅水泵的涡轮增压控制、驱动助力转向液压泵、无离合器的工业缝纫机驱动，直流变频无刷电机水泵设备。可以说，其应用范围之广泛，已经涉及到现代生活和工作的方方面面。面对如此众多的应用需求，显然需要调速驱动设备与之配套，但是，现有的永磁无刷直流电动机控制装置，基本上还是针对电动自行车和新能源电动汽车行业，尚没有一种通用的永磁无刷直流电动机调速控制设备来应对各行各业的需求，基于这样的原因，本发明提出了一种永磁无刷直流电机数字调速器，该调速器的最大特点是具有永磁无刷直流电动机的控制功能，同时又具有其转速的指示功能，更重要的是可以直接在调速器上进行启动、调速和停止操作，特别是其嵌入式的安装设计，简单的安装使用模式，可以满足不同产品、不同应用需求的调速控制需求。
发明内容
技术问题
1、现有的永磁无刷直流电动机是不能单独使用的，它必须同时与霍尔位置传感器和电机控制器配合才能工作，由于霍尔位置传感器安装在电机中时可以有60°、120°、270°、340°多种电度角，所以必须单独配置驱动程序才能获取位置匹配的控制方式。
2、永磁无刷直流电动机和控制器大部分是应用在新能源电动汽车或电动自行车行业，目前尚没有应用于电动汽车领域之外的通用型调速器出现，即现有的永磁无刷直流电机控制器不具有普适性的需求。
3、传统的永磁无刷直流电动机控制器只有单一的控制功能，没有转速显示功能，因此大大局限了其应用范围。
4、传统的永磁无刷直流电动机控制器不具备面板嵌入式安装模式。
由此可见，一种同时具有显示和控制功能的永磁无刷直流电动机调速器，以适应不同用途和场合，具有十分广阔的应用前景。
技术方案
为此，本发明提出了一种永磁无刷直流电机数字调速器设计方案，其最显著的特点是具有普适性，特别适合额定功率在100W至2500W的永磁无刷直流电机调速和显示。其技术方案具体如下：
永磁无刷直流电机数字调速器，包括上壳体端盖、中框、下壳体端盖、六面体盖板、转速指示表盘、指针、控制电缆线、PCB、三核单片机、信号调理芯片、电解电容器组、VMOS管驱动芯片、VMOS管、微型步进电机，其要点在于：
所述的上壳体端盖上安装有转向按钮、停止按钮、转向指示发光二极管、停止指示发光二极管、调速旋钮和调速刻度盘，上壳体端盖的内侧有上壳体端盖内螺纹，所述的转速指示表盘封装在上壳体端盖中，在转速指示表盘上镂刻有转速数字刻度，下壳体端盖的内侧有下壳体端盖内螺纹，所述的中框采用铝合金材质，由中框空心圆柱体和中框空心六面体两部分组成，并通过六个连接耳结合成一体，连接耳上开有螺丝连接孔，中框圆柱体上有中框圆柱体下侧外螺纹和中框圆柱体上侧外螺纹，上壳体端盖通过上壳体端盖内螺纹与中框圆柱体上侧外螺纹相连，下壳体端盖通过下壳体端盖内螺纹与中框圆柱体下侧外螺纹相连，所述的PCB板为圆形，嵌入安装在中框空心圆柱体中，PCB板通过螺丝与连接耳上的螺丝连接孔固定在中框上，三核单片机、信号调理芯片、电解电容器组、VMOS管驱动芯片均焊接在PCB板上，所述的六面体盖板通过螺丝与中框空心六面体上的六面体工艺定位孔相连，使其以上的电子元件位于中框空心六面体与六面体盖板所包围的区域中，VMOS管焊接在PCB板上,但VMOS管的散热面通过螺丝分别固定在中框空心六面体外侧的VMOS管固定孔处，所述的的微型步进电机安装在PCB板的背面，其中，微型步进电机的转动轴外接一个指针，指针在转速数字刻度上停留的位置，即为当前永磁无刷直流电机的转动速度。
所述的下壳体端盖上有一带护套圈出线孔，控制电缆线的一端焊接在PCB板上，另一端穿过出线护套孔后引出。
所述的控制电缆线为10芯电缆线，分别是电源正极（B+）、电源负极（B-）、电机启动/停止（BRK）、电机正反转（F/R）、调速（SPEED），Vc(+5V)、公共端（COM）和电机的三根相线W、U、V，其中，BRK线接启动/停止开关，即停止按钮，F/R线外接电机正反转开关，即转向按钮，所述的调速（SPEED）、Vc(+5V)、公共端（COM）接调速旋钮，信号调理芯片的输出端与三核单片机的I/O端相连，输入端的相线W、U、V分别与永磁无刷直流电机的三根相线连接。
所述的三核单片机所具有三个内核分别是，一是永磁无刷直流电机控制所必需的捕获/比较单元内核, 二是芯片集成有高速乘除法运算单元（MDU）和用于协调旋转矢量数字计算单元（CORDIC）内核，三是用于微型步进电机控制的微步距细分步进驱动核，其转向指示发光二极管和停止指示发光二极管分别与三核单片机的I/O引脚相连，微型步进电机的引脚直接与三核单片机的专用I/O引脚相连。
安装在上壳体端盖上的转向指示发光二极管、停止指示发光二极管均为红绿双色发光二极管，所述的按钮均为记忆按钮，首次按下停止按钮，停止指示发光二极管显示绿色，表示电机运转，再次按下停止按钮，停止指示发光二极管显示红色，表示电机停转，首次按下转向按钮，转向指示发光二极管显示绿色，表示电机正转，再次按下转向按钮，转向指示发光二极管显示红色，表示电机反转。
技术效果
本发明提出的永磁无刷直流电机数字调速器有如下有益效果：
1、本发明所述的永磁无刷直流电机数字调速器，集成了调速、控制和显示三位一体的功能，具有一机多能特点，增强了其可靠性，实现了***最省，整体最优。
2、采用高效三核单片机取代DSP芯片，解决了永磁无刷直流电机数字调速器与芯片价格之间的矛盾，大大降低了制造成本，并通过自学习的方式来获取不同电度角霍尔位置传感器匹配的控制方式。
3、在散热结构上，采用了带铝合金中框空心六面体结构很好地解决了功率VMS管装配问题和功率VMOS管的散热问题。
4、在实时速度显示上，完全摒弃了LED/LCD数字显示方案或利用电磁转矩驱动指针的模拟工作原理，采用了仪表用微型步进电机驱动指针数字指示技术，同时集检测、判断、信息处理和控制功能于一体，具有自检功能，纠错功能，可对测量数据进行修正，以减少环境因素所引起的误差，综合技术含量有了明显的提升。
5、本发明所述的永磁无刷直流电机数字调速器，具有面板嵌入式安装模式，因此可以像仪表部件一样安装在电器控制柜的面板上，方便工程技术人员实施人工干预操作。
显然，本发明所述的永磁无刷直流电机数字调速器，已不再是一种单一技术或简单的电动机有效材料的代用和升级，而是一种综合的节能措施和全新的控制技术的集合。
附图说明
图1永磁无刷直流电机数字调速器外形图一；
图2永磁无刷直流电机数字调速器外形图二；
图3永磁无刷直流电机数字调速器***图一；
图4永磁无刷直流电机数字调速器***图二；
图5去掉上壳体端盖、下壳体端盖后的中框内部视图一；
图6去掉上壳体端盖、下壳体端盖后的中框内部视图二；
图7去掉上壳体端盖、下壳体端盖后的中框内部视图三；
图8去掉上壳体端盖、下壳体端盖后的中框内部视图四；
图9永磁无刷直流电机数字调速器***图三；
图10永磁无刷直流电机数字调速器***图四。
标号说明：
1 上壳体端盖 2 下壳体端盖
3 转速指示表盘 4 指针
5 转向按钮 6 调速旋钮
7 调速刻度盘 8 停止按钮
9 转向指示发光二极管 10 停止指示发光二极管
11 控制电缆线 12 转速数字刻度
13 上壳体端盖内螺纹 14 下壳体端盖内螺纹
15 中框空心圆柱体 16 中框圆柱体下侧外螺纹
17 中框圆柱体上侧外螺纹 18 中框空心六面体
19 六面体盖板 20 PCB板
21 VMOS管 22 电解电容器组
23 三核单片机 24 信号调理芯片
25 六面体工艺定位孔 26 带护套圈出线孔
27 连接耳 28 VMOS管固定孔
29 微型步进电机 30 微型步进电机转动轴
31 螺丝连接孔 32 VMOS管驱动芯片
具体实施方式
本发明如图1至图10所示。
下面结合附图说明本发明的具体实施方案：
永磁无刷直流电机数字调速器，包括上壳体端盖（1）、中框、下壳体端盖（2）、六面体盖板（19）、转速指示表盘（3）、指针（4）、控制电缆线（11）、PCB板（20）、三核单片机（23）、信号调理芯片（24）、电解电容器组（22）、VMOS管驱动芯片（32）、VMOS管（21）、微型步进电机（29），其特征在于：
所述的上壳体端盖（1）上安装有转向按钮（5）、停止按钮（8）、转向指示发光二极管（9）、停止指示发光二极管（10）、调速旋钮（6）和调速刻度盘（7），上壳体端盖（1）的内侧有上壳体端盖内螺纹（13），所述的转速指示表盘（3）封装在上壳体端盖（1）中，在转速指示表盘（3）上镂刻有转速数字刻度（12），下壳体端盖（2）的内侧有下壳体端盖内螺纹（14），所述的中框采用铝合金材质，由中框空心圆柱体（15）和中框空心六面体（18）两部分组成，并通过六个连接耳（27）结合成一体，连接耳（27）上开有螺丝连接孔（31），中框圆柱体（15）上有中框圆柱体下侧外螺纹（16）和中框圆柱体上侧外螺纹（17），上壳体端盖（1）通过上壳体端盖内螺纹（13）与中框圆柱体上侧外螺纹（17）相连，下壳体端盖（2）通过下壳体端盖内螺纹（14）与中框圆柱体下侧外螺纹（16）相连，所述的PCB板（20）为圆形，嵌入安装在中框空心圆柱体（15）中，PCB板（20）通过螺丝与连接耳（27）上的螺丝连接孔（31）固定在中框上，三核单片机（23）、信号调理芯片（24）、电解电容器组（22）、VMOS管驱动芯片（32）均焊接在PCB板（20）上，所述的六面体盖板（19）通过螺丝与中框空心六面体（18）上的六面体工艺定位孔（25）相连，使其以上的电子元件位于中框空心六面体（18）与六面体盖板（19）所包围的区域中，采用TOP220封装的VMOS管（21）焊接在PCB板（20）上,但VMOS管（21）的散热面通过螺丝分别固定在中框空心六面体（18）外侧的VMOS管固定孔（28）处，所述的的微型步进电机（29）安装在PCB板（20）的背面，因此特别有利于VMOS管（21）的散热，其中，微型步进电机（29）的转动轴（30）外接一个指针（4），永磁无刷直流电机运转时，指针（4）在转速数字刻度（12）上停留的位置，即指示为当前永磁无刷直流电机的转动速度。
所述的下壳体端盖（2）上有一带护套圈出线孔（26），控制电缆线（11）的一端焊接在PCB板（20）上，另一端穿过出线护套孔（26）后引出。
所述的控制电缆线（11）为10芯电缆线，分别是电源正极（B+）、电源负极（B-）、电机启动/停止（BRK）、电机正反转（F/R）、调速（SPEED），Vc(+5V)、公共端（COM）和电机的三根相线W、U、V，其中，BRK线接启动/停止开关，即停止按钮（8），F/R线外接电机正反转开关，即转向按钮（5），所述的调速（SPEED）、Vc(+5V)、公共端（COM）接调速旋钮（6），信号调理芯片（24）的输出端与三核单片机（23）的I/O端相连，输入端的相线W、U、V分别与永磁无刷直流电机的三根相线连接。
所述的三核单片机（23）除了自带永磁无刷直流电机控制所必需的捕获/比较单元内核外,芯片内同时集成有高速乘除法运算单元（MDU）和用于协调旋转矢量数字计算单元（CORDIC）内核，用于微型步进电机控制的微步距细分步进驱动核，其中，转向指示发光二极管（9）和停止指示发光二极管（10）分别与三核单片机（23）的I/O引脚相连，微型步进电机（29）的引脚直接与三核单片机（23）的专用I/O引脚相连。
安装在上壳体端盖（1）上的转向指示发光二极管（9）、停止指示发光二极管（10）均为红绿双色发光二极管，所述的按钮均为记忆按钮，首次按下停止按钮（8），停止指示发光二极管（10）显示绿色，表示电机运转，再次按下停止按钮（8），停止指示发光二极管（10）显示红色，表示电机停转，首次按下转向按钮（5），转向指示发光二极管（9）显示绿色，表示电机正转，再次按下转向按钮（5），转向指示发光二极管（9）显示红色，表示电机反转。
还应指出的是，在本发明中所采用的微型步进电机（29）方案，是采用了发明人的另一项发明专利技术“一种仪表用微型步进电机”（ZL200810143083.4），永磁无刷直流电机数字调速器采用仪表用微型步进电机带动指针（4）指示电机当前转速的方案，具有一目了然的直观性，是调速指示仪表数字化的新型仪表类型。
综上所述，本发明所提出的永磁无刷直流电机数字调速器，是一种全新的永磁无刷直流电动机型式，其有益意义在于：
本发明所述的永磁无刷直流电机数字调速器，集成了调速、控制和显示三位一体的功能，具有一机多能特点，增强了其可靠性，实现了***最省，整体最优。
采用高效三核单片机取代DSP芯片，解决了永磁无刷直流电机数字调速器与芯片价格之间的矛盾，大大降低了制造成本。由于霍尔位置传感器安装在永磁无刷直流电机中时可以有60°、120°、270°、340°多种电度角，通常的解决办法是单独配置驱动程序，本发明通过三核单片机内置的自适应软件来获取霍尔传感器位置匹配的控制方式。
在散热结构上，采用了带铝合金中框空心六面体很好地解决了功率VMS管装配问题和功率VMOS管的散热问题。
在实时速度显示上，完全摒弃了LED/LCD数字显示方案或者利用电磁转矩驱动指针的模拟工作原理，采用了仪表用微型步进电机驱动指针数字指示技术，同时集检测、判断、信息处理和控制功能于一体，具有自检功能，纠错功能，可对测量数据进行修正，以减少环境因素所引起的误差，综合技术含量有了明显的提升。
本发明由于其采用上壳体端盖、中框、下壳体端盖可旋入旋出的装配结构，因此具有面板嵌入式安装模式，调速器本身可以像仪表部件一样安装在电器控制柜的面板上，方便工程技术人员实施人工干预操作，
特别有意义的是，本发明所提出的永磁无刷直流电机数字调速器方案，提供了一种低成本、可大规模生产的实现永磁无刷直流电机调速控制的解决方案，代表了永磁无刷直流电动机通用调速器的发展方向，其应用前景相当广阔。
Claims (5)
1.永磁无刷直流电机数字调速器，包括上壳体端盖（1）、中框、下壳体端盖（2）、六面体盖板（19）、转速指示表盘（3）、指针（4）、控制电缆线（11）、PCB板（20）、三核单片机（23）、信号调理芯片（24）、电解电容器组（22）、VMOS管驱动芯片（32）、VMOS管（21）、微型步进电机（29），其特征在于：
所述的上壳体端盖（1）上安装有转向按钮（5）、停止按钮（8）、转向指示发光二极管（9）、停止指示发光二极管（10）、调速旋钮（6）和调速刻度盘（7），上壳体端盖（1）的内侧有上壳体端盖内螺纹（13），所述的转速指示表盘（3）封装在上壳体端盖（1）中，在转速指示表盘（3）上镂刻有转速数字刻度（12），下壳体端盖（2）的内侧有下壳体端盖内螺纹（14），所述的中框采用铝合金材质，由中框空心圆柱体（15）和中框空心六面体（18）两部分组成，并通过六个连接耳（27）结合成一体，连接耳（27）上开有螺丝连接孔（31），中框圆柱体（15）上有中框圆柱体下侧外螺纹（16）和中框圆柱体上侧外螺纹（17），上壳体端盖（1）通过上壳体端盖内螺纹（13）与中框圆柱体上侧外螺纹（17）相连，下壳体端盖（2）通过下壳体端盖内螺纹（14）与中框圆柱体下侧外螺纹（16）相连，所述的PCB板（20）为圆形，嵌入安装在中框空心圆柱体（15）中，PCB板（20）通过螺丝与连接耳（27）上的螺丝连接孔（31）固定在中框上，三核单片机（23）、信号调理芯片（24）、电解电容器组（22）、VMOS管驱动芯片（32）均焊接在PCB板（20）上，所述的六面体盖板（19）通过螺丝与中框空心六面体（18）上的六面体工艺定位孔（25）相连，使其以上的电子元件位于中框空心六面体（18）与六面体盖板（19）所包围的区域中，VMOS管（21）焊接在PCB板（20）上,但VMOS管（21）的散热面通过螺丝分别固定在中框空心六面体（18）外侧的VMOS管固定孔（28）处，所述的的微型步进电机（29）安装在PCB板（20）的背面，其中，微型步进电机（29）的转动轴（30）外接一个指针（4），指针（4）在转速数字刻度（12）上停留的位置，即为当前永磁无刷直流电机的转动速度。
2.根据权利要求1所述的永磁无刷直流电机数字调速器，其特征在于：所述的下壳体端盖（2）上有一带护套圈出线孔（26），控制电缆线（11）的一端焊接在PCB板（20）上，另一端穿过出线护套孔（26）后引出。
3.根据权利要求1或2所述的永磁无刷直流电机数字调速器，其特征在于：所述的控制电缆线（11）为10芯电缆线，分别是电源正极（B+）、电源负极（B-）、电机启动/停止（BRK）、电机正反转（F/R）、调速（SPEED），Vc(+5V)、公共端（COM）和电机的三根相线W、U、V，其中，BRK线接启动/停止开关，即停止按钮（8），F/R线外接电机正反转开关，即转向按钮（5），所述的调速（SPEED）、Vc(+5V)、公共端（COM）接调速旋钮（6），信号调理芯片（24）的输出端与三核单片机（23）的I/O端相连，输入端的相线W、U、V分别与永磁无刷直流电机的三根相线连接。
4.根据权利要求1所述的永磁无刷直流电机数字调速器，其特征在于：所述的三核单片机（23）除了自带永磁无刷直流电机控制所必需的捕获/比较单元内核外,芯片内同时集成有高速乘除法运算单元（MDU）和用于协调旋转矢量数字计算单元（CORDIC）内核，用于微型步进电机控制的微步距细分步进驱动核，其转向指示发光二极管（9）和停止指示发光二极管（10）分别与三核单片机（23）的I/O引脚相连，微型步进电机（29）的引脚直接与三核单片机（23）的专用I/O引脚相连。
5.根据权利要求1所述的永磁无刷直流电机数字调速器，其特征在于：安装在上壳体端盖（1）上的转向指示发光二极管（9）、停止指示发光二极管（10）均为红绿双色发光二极管，所述的按钮均为记忆按钮，首次按下停止按钮（8），停止指示发光二极管（10）显示绿色，表示电机运转，再次按下停止按钮（8），停止指示发光二极管（10）显示红色，表示电机停转，首次按下转向按钮（5），转向指示发光二极管（9）显示绿色，表示电机正转，再次按下转向按钮（5），转向指示发光二极管（9）显示红色，表示电机反转。
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