CN115792419B - 一种三相电源缺相检测电路及bldc电机控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相电源缺相检测电路及BLDC电机控制器，包括3路的整流电路、降压电路和比较电路一，3路的整流电路的输入端分别连接三相输入电源U、V、W，3路的整流电路的输出端连接在一起作为降压电路的输入端，降压电路的输出端连接到比较电路一的输入端，比较电路一的输出端作为三相电源缺相信号Vdp的输出端，三相电源缺相信号Vdp通过二极管D561的分隔和滤波电路处理后作为比较电路二和比较电路三的信号输入，比较电路二的输出端用作为继电器控制信号Vdp‑1输出，比较电路三的输出端作为快速响应的三相电源缺相信号Vdp‑2输出。它可保护电机控制器在UPS电源切换过程中被冲击电流损坏，改造成本低、简单容易。

Description

一种三相电源缺相检测电路及BLDC电机控制器

技术领域

本发明涉及一种三相电源缺相检测电路及BLDC电机控制器。

背景技术

目前，BLDC电机由于环保节电便于控制等优点广泛用于各种电器设备中，例如风扇、空调、电钻、吸尘器等，其电气接线图见图1所示，市电的三相交流输入电源通过空气开关再与BLDC电机的电机控制器连接，为了防止因从断电到接通电源造成的浪涌电流冲击，在电机控制器里面的三相整流电路的后面设置浪涌保护电路，见图2所示，浪涌保护电路包括继电器和PTC电阻，继电器中的电磁开关JK与PTC电阻并联起来，继电器中的线圈RY由电机控制器中的微处理器MCU输出信号（一般经过继电器驱动电路）控制，电机控制器通电前，继电器中的电磁开关JK是断开的，接通电源的时，电流流经PTC电阻进入充电电容和逆变电路，PTC电阻对浪涌电流具有良好的抵御作用，有效保护后方的充电电容和逆变电路中的IGBT开关，当电流平稳后，微处理器MCU输出信号控制继电器中的线圈RY使电磁开关JK吸合，从而将PTC电阻短路，从三相整流电路出来的电流经过电磁开关JK进入充电电容和逆变电路，避免电机运行中PTC电阻对电能的损耗。

UPS(Uninterruptable Power Supply)，即不间断电源，广泛应用于可靠供电的场合，如控制设备及其紧急保护***、应急照明、***网络***、医疗***、消防安全报警***等场合。UPS 的主要优点，在于它的不间断供电能力，当市电交流电输入故障时，UPS 的储能电池向负载供电。以上使用UPS电源的负载电器设备或***中，大多含有BLDC电机，BLDC电机作为核心动力部件理应受到重点保护，但BLDC电机在UPS电源切换过程中（即市电交流电输入故障切换为UPS电源供电）会触发出极大的冲击电流进入电机控制器处，容易损坏控制器硬件，其电气接线图见图3所示。造成损坏电机控制器硬件的主要原因是：

在市电交流电输入故障掉电情况下，防浪涌保护电路中的继电器中的线圈RY至少需要几秒时间才能释放完电能，使继电器中的电磁开关JK断开，而UPS电源从市电交流电输入掉电到UPS电源供电的切换时间不到2秒，因此UPS电源切换过程中产生的极大的冲击电流直接经过继电器中的电磁开关JK，对后方的电子器件造成极大冲击，损坏电机控制器硬件，而且中间连接使用的空气开关也可能会跳开，供电电源也有不小的概率会跳闸。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种三相电源缺相检测电路，除了能输出缺相信号，而且还能快速输出一个继电器控制信号，使UPS电源切换前，能快速使BLDC电机控制器中的防浪涌保护电路中的继电器中的线圈RY释放完电能，使继电器中的电磁开关JK断开， 避免UPS电源切换过程中产生的极大的冲击电流损坏电机控制器硬件。

本发明的另一个目的是提供一种BLDC电机控制器，解决现有技术中在UPS电源切换过程，电机控制器的防浪涌保护电路因反应不及时未能起到防浪涌电流的作用，造成损坏电机控制器硬件的技术问题。

本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。

一种三相电源缺相检测电路,其特征在于：包括3路的整流电路、降压电路和比较电路一，3路的整流电路的输入端分别连接三相输入电源U、V、W，3路的整流电路的输出端连接在一起作为降压电路的输入端，降压电路的输出端连接到比较电路一的输入端，比较电路一的输出端作为三相电源缺相信号Vdp的输出端，其特征在于：三相电源缺相信号Vdp通过二极管D561的分隔和滤波电路处理后作为比较电路二和比较电路三的信号输入，比较电路二的输出端用作为继电器控制信号Vdp-1输出，比较电路三的输出端作为快速响应的三相电源缺相信号Vdp-2输出。

上述的三相电源缺相信号Vdp连接二极管D561的正极，二极管D561的负极连接电阻R563的一端，电阻R563的另一端接地，滤波电路并联在电阻R563的两端。

上述的滤波电路包括电容C561和电容C562，电容C561和电容C562分别并联在电阻R563的两端。

上述的比较电路二采用比较器芯片U56A，比较电路三采用比较器芯片U56B，比较电路二和比较电路三的参考电压Vref2输入由参考电压供电电路提供，使到比较电路二和比较电路三的输入信号相同，输出信号也相同。

上述的参考电压供电电路包括电阻R561、电阻R562和电容C568，电阻R561和电阻R562串联后两端分别连接电源VCC1和地，电容C568并联在电阻R561的两端，电阻R561和电阻R562的中间引出参考电压Vref2。

一种BLDC电机控制器，包括三相电源缺相检测电路、三相整流电路、浪涌保护电路、母线充电电容C5、逆变电路、IGBT驱动电路和微处理器MCU，三相输入电源U、V、W连接到三相整流电路的输入端，三相整流电路的输出端连接浪涌保护电路后给母线充电电容C5充电，母线充电电容C5为逆变电路提供直流母线电压Vbus，浪涌保护电路包括继电器、继电器驱动电路和PTC电阻，继电器中的电磁开关JK与PTC电阻并联起来，微处理器MCU输出信号到继电器驱动电路来控制继电器中的线圈RY，以此控制电磁开关JK的吸合或者断开；三相电源缺相检测电路的信号输入端分别连接三相输入电源U、V、W，其特征在于：所述的三相电源缺相检测电路采用上述所述的一种三相电源缺相检测电路，三相电源缺相检测电路输出的三相电源缺相信号Vdp和快速响应的三相电源缺相信号Vdp-2输入到微处理器MCU，微处理器MCU的输出信号通过IGBT驱动电路控制逆变电路工作，三相电源缺相检测电路输出的继电器控制信号Vdp-1连接到继电器驱动电路的一个输入信号端，以便在UPS电源切换前，使继电器中的线圈RY提前放电，断开继电器中的电磁开关JK。

上述的直流母线电压Vbus还连接到DC-DC降压电路输入端，DC-DC降压电路的输出端提供不同的供电电压为逆变电路和微处理器MCU供电。

本发明与现有技术相比，具有如下效果：

1） 本发明的三相电源缺相检测电路, 比较电路一的输出端作为三相电源缺相信号Vdp的输出端，三相电源缺相信号Vdp通过二极管D561的分隔和滤波电路处理后作为比较电路二和比较电路三的信号输入，比较电路二的输出端用作继电器控制信号Vdp-1输出，比较电路三的输出端作为快速响应的三相电源缺相信号Vdp-2输出，它除了能输出缺相信号，而且还能快速输出一个继电器控制信号，使UPS电源切换前，能快速使BLDC电机控制器中的防浪涌保护电路中的继电器中的线圈RY释放完电能，使继电器中的电磁开关JK断开， 避免UPS电源切换过程中产生的极大的冲击电流损坏电机控制器硬件。

2） 三相电源缺相检测电路通过新增几个元器件可保护电机控制器在UPS电源切换过程中被冲击电流损坏，改造成本低，改造简单容易。

3） 可防止客户端在切换UPS电源过程发生空开跳开和电源跳闸的不良现象。

4） 关断继电器控制为纯硬件控制，可防止冲坏微处理器MCU。

5）本发明的其它优点在实施例部分展开详细描述。

附图说明

图1 是现有技术中的带BLDC电机的各种电器设备的电气接线示意图；

图2 是现有技术中BLDC电机的控制器的电路方框图；

图3是现有技术中的带BLDC电机的各种电器设备使用UPS电源后的电气接线示意图；

图4是本发明实施例一提供的三相电源缺相检测电路的电路方框图；

图5是图4对应的一部分的电路图；

图6是图4对应的另一部分的电路图；

图7 是本发明实施例二的BLDC电机的立体图；

图8 是本发明实施例二的BLDC电机控制器的立体图；

图9是本发明实施例二的BLDC电机的剖视图；

图10是本发明实施例二的BLDC电机控制器的电路方框图；

图11A是图10中的三相整流电路部分对应的电路图；

图11B是图10中的逆变电路部分对应的电路图；

图11C是图10中的继电器驱动电路部分对应的电路图；

图12是本发明的三相电源缺相检测电路的各个比较器入口端和出口端的波形图；

图13是传统的BLDC电机控制器在UPS电源切换时产生冲击电流波形图；

图14是本发明的BLDC电机控制器在UPS电源切换时产生冲击电流波形图。

具体实施方式

下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。实施例一:

如图4、图5、图6所示，本实施例提供的是一种三相电源缺相检测电路,其特征在于：包括3路的整流电路、降压电路和比较电路一，3路的整流电路的输入端分别连接三相输入电源U、V、W，3路的整流电路的输出端连接在一起作为降压电路的输入端，降压电路的输出端连接到比较电路一的输入端，比较电路一的输出端作为三相电源缺相信号Vdp的输出端，其特征在于：三相电源缺相信号Vdp通过二极管D561的分隔和滤波电路处理后作为比较电路二和比较电路三的信号输入，比较电路二的输出端用作为继电器控制信号Vdp-1输出，比较电路三的输出端作为快速响应的三相电源缺相信号Vdp-2输出。比较电路二的输出端的继电器控制信号Vdp-1可以作为BLDC电机控制器中浪涌保护电路里的继电器控制信号，使UPS电源切换前，能快速使BLDC电机控制器中的防浪涌保护电路中的继电器中的线圈RY释放完电能，使继电器中的电磁开关JK断开， 避免UPS电源切换过程中产生的极大的冲击电流损坏电机控制器硬件。

上述的三相电源缺相信号Vdp连接二极管D561的正极，二极管D561的负极连接电阻R563的一端，电阻R563的另一端接地，滤波电路并联在电阻R563的两端。上述的滤波电路包括电容C561和电容C562，电容C561和电容C562分别并联在电阻R563的两端。

上述的比较电路二采用比较器芯片U56A，比较电路三采用比较器芯片U56B，比较电路二和比较电路三的参考电压Vref2输入由参考电压供电电路提供，使到比较电路二和比较电路三的输入信号相同，输出信号也相同。

上述参考电压供电电路包括电阻R561、电阻R562和电容C568，电阻R561和电阻R562串联后两端分别连接电源VCC1和地，电容C568并联在电阻R561的两端，电阻R561和电阻R562的中间引出参考电压Vref2。

当三相输入电源U、V、W在没有缺相的情况下，比较器一入端口的波形情况在限值线上分布，如图12所示，比较器一输出端Vdp是输出高电平；当三相输入电源U、V、W在缺相的情况下，比较器一入端口的波形情况有部分在限值线以下，如图12所示，比较器一输出端Vdp是输出交替的高低电平；滤波电路的主要作用是将比较器一输出端Vdp输出交替的高低电平进行处理去掉低电平信号，见图12所示，从而使比较电路二和比较电路三的入口端信号是稳定的，被拉直为一直线。

本发明在原有的三相电源缺相检测电路基础上通过新增几个元器件（一个二极管D561、三个电容、3个电阻，俩个比较器用于切换UPS电源时作为触发保护电路之用）可保护电机控制器在UPS电源切换过程中被冲击电流损坏，改造成本低，改造简单容易。可防止客户端在切换UPS电源过程发生空开跳开和电源跳闸的不良现象。关断继电器控制为纯硬件控制，可防止冲坏电机控制器里面的微处理器MCU。 实施例二：

如图7、图8、图9所示，本实施例提供BLDC电机由电机1和BLDC电机控制器2组成,所述的电机1包括定子组件12、转子组件13 和机壳组件11，定子组件12 安装在机壳组件11上，转子组件13 套装在定子组件12 的内侧，电机控制器2 包括控制盒22 和安装在控制盒22 里面的控制线路板21。

如图10、图11A、图11B、图11C所示，BLDC电机控制器2里面的控制线路板21集成三相电源缺相检测电路、三相整流电路、浪涌保护电路、母线充电电容C5、逆变电路、IGBT驱动电路和微处理器MCU，三相输入电源U、V、W连接到三相整流电路的输入端，三相整流电路的输出端连接浪涌保护电路后给母线充电电容C5充电，母线充电电容C5为逆变电路提供直流母线电压Vbus，浪涌保护电路包括继电器、继电器驱动电路和PTC电阻，继电器中的电磁开关JK与PTC电阻并联起来，微处理器MCU输出信号到继电器驱动电路来控制继电器中的线圈RY，以此控制电磁开关JK的吸合或者断开；三相电源缺相检测电路的信号输入端分别连接三相输入电源U、V、W，所述的三相电源缺相检测电路采用实施例一所述的一种三相电源缺相检测电路，三相电源缺相检测电路输出的三相电源缺相信号Vdp和快速响应的三相电源缺相信号Vdp-2输入到微处理器MCU，微处理器MCU的输出信号通过IGBT驱动电路控制逆变电路工作，三相电源缺相检测电路输出的继电器控制信号Vdp-1连接到继电器驱动电路的一个输入信号端，以便在UPS电源切换前，使继电器中的线圈RY提前放电，断开继电器中的电磁开关JK。

上述的直流母线电压Vbus还连接到DC-DC降压电路输入端，DC-DC降压电路的输出端提供不同的供电电压为逆变电路和微处理器MCU供电。

如图11C所示，继电器驱动电路包括电阻R192、电阻R123、电阻R6、三极管Q8、三极管Q9组成推挽式驱动电路以驱动继电器中的线圈RY，+15V电源通过稳压管ZD7、电阻R116、二极管D223、电阻R192到达三极管Q8的基极，二极管D223与电阻R192之间连接电容C99一端，电容C99的另一端接地GND，三相电源缺相检测电路输出的继电器控制信号Vdp-1连接电容C99与电阻R192之间。当继电器控制信号Vdp-1为低电平信号时，三极管Q8和三极管Q9都关闭，继电器中的线圈RY断电，使继电器中的电磁开关JK断开；当继电器控制信号Vdp-1为高电平信号时，三极管Q8和三极管Q9都导通，继电器中的线圈RY得电，使继电器中的电磁开关JK闭合。在电阻R116与二极管D223之间连接一个三极管Q18的集电极，三极管Q18的基极连接电阻R144作为微处理器MCU的输出信号K1的入口端；三极管Q18的发射极接地GND。这样利用二极管D223的分隔使微处理器MCU的输出信号K1与继电器控制信号Vdp-1互补影响，均可独立控制驱动继电器。地GND与+15V还连接电容C98，电阻R144与三极管Q18的基极之间连接电阻R146的一端，电阻R146的另一端接地GND。

本发明的工作原理是：假设本发明的电机控制器是运行在UPS电源供电的条件下，如图3所示，在市电三相交流输入正常（不缺相）情况下，BLDC电机控制器2控制电机1正常运作，外部电源处于额定电压范围内时，Vdp为稳定的高电平，比较电路三的输出信号Vdp-2和比较电路二的输出信号Vdp-1都为高电平，继电器保存吸合状态，电机保持原正常运作状态。

当市电三相交流输入处于缺相的非正常情况下，三相电源缺相检测电路输出的三相电源缺相信号Vdp是交替高低电平方波信号，通过二极管D561的分隔和滤波电路处理后形成稳定平直信号作为比较电路三和比较电路二的输入信号，且给参考电压Vref2大，因此，比较电路三的输出信号Vdp-2和比较电路二的输出信号Vdp-1都为高电平，继电器保存吸合状态，电机进入缺相保护运作状态，微处理器MCU输出6路封锁脉冲信号去关闭逆变电路中的6只IGBT电子开关管（即关闭图11B中三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极管Q5和三极管Q6）。微处理器MCU有2个输入端口接收三相电源缺相信号Vdp和快速响应的三相电源缺相信号Vdp-2；而且微处理器MCU内部设定信号Vdp-2优先于信号Vdp的级别。因为Vdp为高低电平交替的不稳定电压，微处理器MCU需要检测多个周期的高低电平交替才确定其处于缺相状态。但本发明的当外部电源缺相时，信号Vdp为高低电平交替的不稳定电压，当微处理器MCU需要检测Vdp为低电平时且信号Vdp-2为高电平时立即进入缺相保护状态。提高电源缺相时反应速度，缩短反应时间。

当市电三相交流输入处于断电情况下，信号Vdp为稳定的低电平，比较电路二和比较电路三的参考电压Vref2输入由参考电压供电电路提供，参考电压Vref2比零电压大得多，比较电路三的输出信号Vdp-2和比较电路二的输出信号Vdp-1都为低电平且在断电前，继电器的电磁开关JK就处于断开状态，电机停机，这时在500ms-1秒左右切换为UPS电源时，继电器处于断开状态，电流流经PTC电阻进入母线充电电容C5，PTC电阻的作用是防止电流突变，这时可有效的解决切换电源造成的大电流，保护BLDC电机继电器的电子元器件不受大电流冲击。

如图13所示，经过实验，传统的BLDC电机控制器在切换UPS电源过程中承受148安的电流冲击，如图14所示，本发明的BLDC电机控制器在切换UPS电源过程中承受56安的电流冲击，从实验可知，本发明的技术方案可大幅降低切换UPS电源过程中电流冲击，有效保护电机控制器的电子元器件。

以上实施例为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式不限于此，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种 BLDC 电机控制器，包括三相电源缺相检测电路、三相整流电路、浪涌保护电路、 母线充电电容 C5、逆变电路、IGBT 驱动电路和微处理器 MCU，三相输入电源 U、V、W连接到三相整流电路的输入端，三相整流电路的输出端连接浪涌保护电路后给母线充电电容 C5 充电，母线充电电容 C5 为逆变电路提供直流母线电压 Vbus，浪涌保护电路包括继电器驱动电路、继电器和 PTC 电阻，继电器中的电磁开关 JK 与 PTC 电阻并联起来，微处理器 MCU 输出信号到继电器驱动电路来控制继电器中的线圈 RY，以此控制电磁开关 JK的吸合或者断 开；三相电源缺相检测电路的信号输入端分别连接三相输入电源 U、V、W，其特征在于： 所述的三相电源缺相检测电路包括 3 路的整流电路、降压电路和比较电路一，3 路的整流电路的输入端分别连接三相输入电源 U、V、W，3 路的整流电路的输出端连接在一起作为降压电路的输入端，降压电路的输出端连接到比较电路一的输入端，比较电路一的输出端作为三相电源缺相信号 Vdp 的输出端，三相电源缺相信号 Vdp 通过二极管D561 的分隔和滤波电路处理后作为比较电路二和比较电路三的信号输入，比较电路三的输出端作为快速响应的三相电源缺相信号Vdp-2 输出，比较电路二的输出端输出继电器控制信号Vdp-1；三相电源缺相检测电路输出的三相电源缺相信号 Vdp 和快速响应的三相电源缺相信号Vdp-2 输入到微处理器 MCU，微处理器 MCU 的输出信号通过 IGBT 驱动电路控制逆变电路工作，三相电源缺相检测电路输出的继电器控制信号 Vdp-1 连接到继电器驱动电路的一个输入信号端，以便在UPS 电源切换前，使继电器中的线圈 RY 提前放电，断开继电器中的电磁 开关 JK；

在市电三相交流输入正常情况下， Vdp 为稳定的高电平， Vdp-2 和Vdp-1 都为高电平，继电器保存吸合状态， BLDC 电机控制器 控制电机正 常运作；

当市电三相交流输入处于缺相的非正常情况下， Vdp 是交替高低电平方波信号，Vdp-2 和Vdp-1 都为高电平，继电器保存吸合状态，当微处理器 MCU检测 Vdp 为低电平时且信号 Vdp-2 为高电平时立即进入缺相保护状态，微处理器 MCU 输出 6 路封锁脉冲信号去关闭逆变电路, 提高电源缺相时反应速度，缩短反应时间;

当市电三相交流输入处于断电情况下， Vdp 为稳定的低电平， Vdp-2 和Vdp-1 都为低电平且在断电前，继电器的电磁开关JK 就处于断开状态，电机停机，在切换为 UPS 电源时， 继电器处于断开状态，电流流经 PTC 电阻进入母线充电电容 C5，PTC 电阻的作用是防止电 流突变，保护 BLDC 电机继电器的电子元器件不 受大电流冲击。

2.根据权利要求1所述的一种 BLDC 电机控制器，其特征在于：直流母线电压 Vbus 还连 接到 DC-DC 降压电路输入端，DC-DC 降压电路的输出端提供不同的供电电压为逆变电路 和微处理器 MCU 供电。

3.根据权利要求1或2所述的一种 BLDC 电机控制器，其特征在于：三相电源缺相信号Vdp 连接二极管 D561 的正极，二极管 D561 的负极连接电阻 R563 的一端，电阻 R563的另一端 接地，滤波电路并联在电阻 R563 的两端。

4.根据权利要求3 所述的一种 BLDC 电机控制器,其特征在于：滤波电路包括电容C561 和电容 C562，电容 C561 和电容 C562 分别并联在电阻 R563 的两端。

5.根据权利要求4所述的一种 BLDC 电机控制器,其特征在于：比较电路二采 用比较器芯片 U56A，比较电路三采用比较器芯片 U56B，比较电路二和比较电路三的参考电 压Vref2 输入由参考电压供电电路提供，使到比较电路二和比较电路三的输入信号相同，输出信号也相同。

6.根据权利要求 5 所述的一种 BLDC 电机控制器,其特征在于：参考电压供电电路包括 电阻 R561、电阻R562 和电容 C568，电阻 R561 和电阻 R562 串联后两端分别连接电源 VCC1和地，电容 C568 并联在电阻 R561 的两端，电阻 R561 和电阻 R562 的中间引出参考电压 Vref2。

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