本發(fā)明涉及無刷電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種智能集成高速無刷電機(jī)控制器。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)豆?jié){機(jī)一般使用直流有刷電機(jī)，直流有刷電機(jī)存在壽命短，難以高速運(yùn)行等缺點(diǎn)。目前，隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，尤其是功率器件（MOSFET, IGBT）技術(shù)的長(zhǎng)足進(jìn)步，使得高頻率，大電流控制得以很好實(shí)現(xiàn)，而無刷電機(jī)，永磁同步電機(jī)則越來越多的應(yīng)用于家電、工業(yè)、軍事、汽車等領(lǐng)域。而隨著電子器件的價(jià)格下降，使得一些對(duì)價(jià)格敏感的家電等產(chǎn)品，也越來越多的采用無刷電機(jī)。無刷電機(jī)由于不存在換向器，電刷等部件，所以無論從壽命、電磁干擾、高速能力、碳排放等都優(yōu)于有刷電機(jī)。

傳統(tǒng)豆?jié){機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)向固定，雖然電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，但是由于液體帶動(dòng)豆子與切割刀同向運(yùn)轉(zhuǎn)，切割效率降低;同時(shí)，固定方向運(yùn)轉(zhuǎn)容易形成大的漩渦，造成液體溢出，而適當(dāng)?shù)姆聪驍嚨犊梢詼p小漩渦，減少溢出，并能減少糊鍋;豆?jié){機(jī)高速切割豆子可以提升切割效率，有利于打碎豆子，形成無渣豆?jié){;由于豆?jié){機(jī)存在重載啟動(dòng)的需求，所以帶有霍爾傳感器的無刷電機(jī)更有利于此種情況，但是，霍爾一旦發(fā)生故障，更換電機(jī)會(huì)降低豆?jié){機(jī)的使用壽命，增加用戶成本，而無傳感器模式驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以有效解決這一問題;傳統(tǒng)豆?jié){機(jī)控制器通過繼電器切換加熱和電機(jī)驅(qū)動(dòng)功能，雖然成本低廉，但是難于實(shí)現(xiàn)多功能智能化。將電機(jī)驅(qū)動(dòng)、加熱控制、液位檢測(cè)等功能集成到一個(gè)單片機(jī)中，使得控制器具有更高的集成度，更容易實(shí)現(xiàn)智能控制。同時(shí)，電機(jī)的速度閉環(huán)控制可以保證在不同的負(fù)載情況下，電機(jī)勻速運(yùn)轉(zhuǎn)，在不超出電機(jī)外特性的情況下，實(shí)現(xiàn)切割效果一致。

有鑒于此，特提出本發(fā)明，以改正上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種智能集成高速無刷電機(jī)控制器，該控制器具有高度集成化、智能化、總體成本低的優(yōu)點(diǎn)。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種智能集成高速無刷電機(jī)控制器，其包括中央處理模塊、無刷電機(jī)控制電路、溫度檢測(cè)與控制電路、液位檢測(cè)電路、按鍵電路、LED燈、蜂鳴器、電源電路，所述無刷電機(jī)控制電路、溫度檢測(cè)與控制電路、液位檢測(cè)電路、按鍵電路、LED燈、蜂鳴器分別與中央處理模塊電連接，所述電源電路用于對(duì)中央處理模塊、無刷電機(jī)控制電路、溫度檢測(cè)與控制電路、液位檢測(cè)電路、按鍵電路、LED燈、蜂鳴器供電。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)為，所述無刷電機(jī)控制電路包括驅(qū)動(dòng)電路、IGBT、霍爾傳感器、反電勢(shì)過零檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路，所述驅(qū)動(dòng)電路分別與IGBT和中央處理模塊電連接，所述IGBT還與無刷電機(jī)電連接，所述霍爾傳感器分別與無刷電機(jī)和中央處理模塊電連接，所述反電勢(shì)過零檢測(cè)電路分別與無刷電機(jī)和中央處理模塊電連接，所述電流檢測(cè)電路分別與無刷電機(jī)和中央處理模塊電連接。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)為，所述溫度檢測(cè)與控制電路包括溫度檢測(cè)電路、可控硅、加熱絲，所述溫度檢測(cè)電路與中央處理模塊電連接，所述可控硅分別與加熱絲和中央處理模塊電連接。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)為，所述中央處理模塊采用單片機(jī)控制。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明公開了一種高度集成化、智能化的無刷電機(jī)控制器。傳統(tǒng)豆?jié){機(jī)將電機(jī)控制器和豆?jié){機(jī)功能控制部分分開，造成成本浪費(fèi)。本發(fā)明有效地將二者結(jié)合，具有高度集成化、智能化、總體成本低的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明具備以下功能：速度可達(dá)3萬轉(zhuǎn)的無刷電機(jī)速度閉環(huán)控制、正反轉(zhuǎn)控制，無刷電機(jī)電流檢測(cè)及過流保護(hù)、無刷電機(jī)霍爾信號(hào)缺失檢測(cè)及保護(hù)、無傳感器應(yīng)急無刷電機(jī)控制、加熱及溫度控制、液位檢測(cè)、防干燒、時(shí)序控制、聲光指示等功能。本發(fā)明控制電機(jī)可達(dá)3萬轉(zhuǎn)，高速可使豆?jié){無渣;使用霍爾傳感器保證無刷電機(jī)在大負(fù)載下可靠啟動(dòng)，而一旦檢測(cè)到霍爾傳感器故障，本發(fā)明可以切換到無傳感器模式，保證正常運(yùn)行;本發(fā)明采用PWM調(diào)波方式控制加熱功率，并通過溫度傳感器來檢測(cè)和控制溫度，并配合液位檢測(cè)，達(dá)到防止干燒的目的;此外本發(fā)明通過按鍵接收指令，設(shè)置不同的工作模式;通過定時(shí)器輪詢控制不同模式中各步驟的執(zhí)行和等待時(shí)間;通過蜂鳴器和LED燈進(jìn)行警報(bào)和指示。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的智能集成高速無刷電機(jī)控制器的功能框圖;

圖2是本發(fā)明的電源電路原理圖;

圖3是本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)電路和電流檢測(cè)電路原理圖;

圖4是本發(fā)明的反電勢(shì)過零檢測(cè)電路原理圖;

圖5是本發(fā)明的相電壓和過零檢測(cè)輸出圖;

圖6是本發(fā)明的加速中轉(zhuǎn)子位置判定圖;

圖7是本發(fā)明的霍爾和無傳感器模式切換原理圖;

圖8是本發(fā)明的溫度檢測(cè)與控制電路原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖說明及具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明, 附圖中類似的元件標(biāo)號(hào)代表類似的元件。

如圖1所示，一種智能集成高速無刷電機(jī)控制器，其包括中央處理模塊、無刷電機(jī)控制電路、溫度檢測(cè)與控制電路、液位檢測(cè)電路、按鍵電路、LED燈、蜂鳴器、電源電路，所述無刷電機(jī)控制電路、溫度檢測(cè)與控制電路、液位檢測(cè)電路、按鍵電路、LED燈、蜂鳴器分別與中央處理模塊電連接，所述電源電路用于對(duì)中央處理模塊、無刷電機(jī)控制電路、溫度檢測(cè)與控制電路、液位檢測(cè)電路、按鍵電路、LED燈、蜂鳴器供電。

具體地，如圖1所示，所述無刷電機(jī)控制電路包括驅(qū)動(dòng)電路、IGBT、霍爾傳感器、反電勢(shì)過零檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路，所述驅(qū)動(dòng)電路分別與IGBT和中央處理模塊電連接，所述IGBT還與無刷電機(jī)電連接，所述霍爾傳感器分別與無刷電機(jī)和中央處理模塊電連接，所述反電勢(shì)過零檢測(cè)電路分別與無刷電機(jī)和中央處理模塊電連接，所述電流檢測(cè)電路分別與無刷電機(jī)和中央處理模塊電連接。所述溫度檢測(cè)與控制電路包括溫度檢測(cè)電路、可控硅、加熱絲，所述溫度檢測(cè)電路與中央處理模塊電連接，所述可控硅分別與加熱絲和中央處理模塊電連接。所述中央處理模塊采用單片機(jī)控制。所述液位檢測(cè)電路、按鍵電路、LED燈、蜂鳴器都為現(xiàn)有技術(shù)，在此不做詳細(xì)說明。

本發(fā)明采用以下設(shè)計(jì)思路：

1.通過整流濾波電路將交流市電轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏褐绷?，直流電供給IGBT以驅(qū)動(dòng)無刷電機(jī)，同時(shí)，通過一個(gè)BUCK電源芯片，配合適當(dāng)?shù)碾姼泻碗娮?，輸?2V電壓，同時(shí)保證該電源的電流輸出能力大于500mA，以達(dá)到驅(qū)動(dòng)IGBT和后續(xù)邏輯部分的能力；12V電源通過LDO輸出5V電源，給邏輯部分供電。

2.單片機(jī)輸出PWM信號(hào)給驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路由專用驅(qū)動(dòng)芯片和自舉電路組成，通過弱信號(hào)控制強(qiáng)電，也就是控制IGBT的開關(guān)，通過控制IGBT的開關(guān)有效時(shí)間的長(zhǎng)短，達(dá)到控制施加到無刷電機(jī)的有效電壓的目的，這也是電機(jī)調(diào)速的根本原理;通過大功率采樣電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)通過運(yùn)算放大電路和低通濾波電路，然后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬的此電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，用以實(shí)現(xiàn)控制器的電流檢測(cè)和過流保護(hù)。

3.單片機(jī)讀取無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，以達(dá)到電機(jī)的自同步控制，而準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置信息是實(shí)現(xiàn)電機(jī)可靠控制的關(guān)鍵。該設(shè)計(jì)由兩種方法獲取轉(zhuǎn)子位置信息：霍爾信號(hào)和通過反電勢(shì)檢測(cè)獲得。兩種信號(hào)優(yōu)先使用霍爾信號(hào)，霍爾信號(hào)出現(xiàn)故障時(shí)，控制器自動(dòng)切換為無傳感器模式，通過反電勢(shì)檢，測(cè)電路獲取轉(zhuǎn)子位置，此冗余設(shè)計(jì)同時(shí)滿足重載下依靠霍爾信號(hào)啟動(dòng)電機(jī)和霍爾故障時(shí)控制器依然可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)無刷電機(jī)的目的。

4.控制器通過光電耦合實(shí)現(xiàn)對(duì)可控硅的開關(guān)控制，可控硅的輸入為交流市電，輸出連接到電熱絲上，通過控制可控硅的開關(guān)時(shí)間，控制施加到電熱絲的有效電壓，進(jìn)而達(dá)到控制加熱功率的目的;同時(shí)，通過負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻（NTC）檢測(cè)豆?jié){液體的溫度，到達(dá)到溫度的閉環(huán)控制。

5.通過液位開關(guān)檢測(cè)液位大致位置，防止溢出；

6.控制器采用單片機(jī)，通過單片機(jī)讀取按鍵電路，可設(shè)置不同的功能模式，并通過LED燈和蜂鳴器顯示和報(bào)警;并通過上述1-5功能模塊，配合單片機(jī)中定時(shí)器模塊，實(shí)現(xiàn)不同選擇功能下，無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，正反轉(zhuǎn)，加熱等功能的時(shí)序和作用時(shí)間的控制等。

具體地，本發(fā)明的設(shè)計(jì)方案如下：

1.由于豆?jié){機(jī)等電器為220V交流供電，而無刷電機(jī)為直流無刷電機(jī)，所以必須將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，同時(shí)，由于邏輯控制部分為直流低壓，所以必須將直流高壓轉(zhuǎn)換為直流低壓。交直流變換通過整流濾波電路即可實(shí)現(xiàn)，而若將高壓直流變換通過LDO類型電壓器件直接轉(zhuǎn)換，由于壓差過大，很難實(shí)現(xiàn)，為了降低成本和縮小控制器體積，不采用使用變壓器將交流高壓轉(zhuǎn)換為交流低壓再整流濾波處理的方式。采用專用Buck電源芯片可以有效解決上述問題，選擇高頻buck芯片，這樣在相同功能和功率下，其需要配置的電感體積和電感值要小。整個(gè)電源電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，其中F1為保險(xiǎn)絲，在加熱時(shí)起到限流保護(hù)作用，同時(shí)也是整個(gè)電路的電流保護(hù);RV1為壓敏電阻，起保護(hù)作用;C1,C2為X電容，C3為Y電容，均為安規(guī)電容;L1為共模電感;D1為整流橋;C4為濾波電容;R1和R2共同為泄流電阻，經(jīng)過上述整流濾波電路，可將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，假設(shè)輸入為220V交流，則輸出為310V高壓直流，此電源供給電機(jī)。由于邏輯電路和驅(qū)動(dòng)電路需要低壓電源，所以需要將此高壓電源轉(zhuǎn)換為低壓。如圖2所示，U1為L(zhǎng)NK306，為高頻BUCK電源芯片，其頻率可達(dá)66KHz，高頻可以有效降低電感L2的感值和體積，R3和R4為反饋電阻，將輸出的電壓反饋到U1，根據(jù)此反饋電壓，U1自動(dòng)調(diào)節(jié)占空比，使得其輸出穩(wěn)定到期望值，U1的FB引腳即反饋的電壓需要穩(wěn)定到1.65V。經(jīng)過U1將高壓直流轉(zhuǎn)換為12V電壓，此電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，比采用變壓器降壓的方案體積小很多。12V電壓在經(jīng)過U2轉(zhuǎn)換為5V輸出，給邏輯電路供電。

2.經(jīng)過整流濾波后的高壓直流電直接驅(qū)動(dòng)無刷電機(jī)，無刷電機(jī)調(diào)速的基本原理就是調(diào)壓調(diào)速，通過控制IGBT的開通和關(guān)斷的時(shí)間來控制施加到無刷電機(jī)的有效電壓，達(dá)到調(diào)壓調(diào)速的目的。圖3為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和電流檢測(cè)電路，其電路如圖3所示，其中U5，U6, U7為集成驅(qū)動(dòng)芯片，每個(gè)芯片負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)一個(gè)橋臂的上下兩個(gè)IGBT，由于三個(gè)橋臂的驅(qū)動(dòng)電路一致，下面以U7驅(qū)動(dòng)的橋臂來分析：其中D5和C41組成自舉電路，這樣才能保證當(dāng)Q1和Q4組成的橋臂中，上面的IGBT 的Q1可以開關(guān)控制；R47和R48為連接到IGBT柵極的電阻，此電阻大小直接影響驅(qū)動(dòng)IGBT的電流大小，進(jìn)而影響IGBT柵極充電速度的快慢，也就是開關(guān)速度;R59為大功率小阻值的采樣電阻，通過它將通過無刷電機(jī)的電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)過下面的運(yùn)算放大電路放大一定的倍數(shù)，再經(jīng)過R64和C46組成的低通濾波網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行抗混疊濾波處理，然后送到單片機(jī)的AD端口進(jìn)行采樣，并將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

3.圖4為反電勢(shì)過零比較檢測(cè)電路。無傳感器模式一般通過無刷電機(jī)的反電勢(shì)來判斷電機(jī)轉(zhuǎn)子位置。一般通過反電勢(shì)和供電電壓的一半進(jìn)行比較來得到反電勢(shì)過零點(diǎn)的位置，但是這種方法由于電阻會(huì)存在溫漂和阻值偏差，所以造成過零比較基準(zhǔn)值波動(dòng)，檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置不準(zhǔn)確。本發(fā)明采用虛擬中點(diǎn)的方法得到過零比較基準(zhǔn)值，該方法相對(duì)于直接和供電電壓的一半進(jìn)行比較來得到反電勢(shì)過零點(diǎn)的位置來說，則三個(gè)電阻虛擬線圈中點(diǎn)的方法更準(zhǔn)確。在任何通過反電勢(shì)或端電壓的過零比較獲得轉(zhuǎn)子位置的方法中，有兩個(gè)最重要的因素：可以獲取過零比較的最小值和獲取后的滯后時(shí)間。因?yàn)殡姍C(jī)的反電勢(shì)和電機(jī)速度成正比，要想盡快獲得轉(zhuǎn)子位置，進(jìn)入自同步狀態(tài)，過零比較電路需要有很高的靈敏度，即很小的反電勢(shì)即可得到過零點(diǎn)信號(hào)。獲取反電勢(shì)過零點(diǎn)信號(hào)不能滯后實(shí)際過零點(diǎn)太多，否則容易造成換向點(diǎn)不準(zhǔn)，造成輸出力矩或效率的損失。其中U9為比較器,R22和R23為分壓電阻，將過高的端電壓降至后續(xù)比較器U9輸入允許范圍;R24和C21組成低通濾波網(wǎng)絡(luò)，濾除端電壓中的PWM信號(hào);R26,R31,R37組成虛擬分壓網(wǎng)絡(luò)，分別作為比較器U9的反向端輸入;其中R21+R25的值可以改變比較器U9輸出的靈敏度，其值越大，靈敏度越高，但是也更容易受到干擾。該比較器U9的輸出經(jīng)過上拉電阻即可送到單片機(jī)中，作為位置判斷信號(hào)。相電壓和過零檢測(cè)輸出如圖5所示。

4.一般無傳感器啟動(dòng)無刷電機(jī)采用三段式啟動(dòng)方法：定位、加速和自同步。在定位階段，任意給兩相通電，使得轉(zhuǎn)子位置固定到此位置，然后以此位置為初始，按固定相序給繞組通電，切換通電的頻率逐漸增快，配合占空比的增加，使得無刷電機(jī)加速到一定的速度時(shí)，可以檢測(cè)到反電勢(shì)過零點(diǎn)，進(jìn)入到自同步狀態(tài)。但是該方法存在一定的缺陷，尤其是在加速階段，若負(fù)載突然變化，仍然按照固定的加速頻率和占空比變化，就會(huì)造成啟動(dòng)失敗。為了克服以上開環(huán)加速算法的弊端，本發(fā)明采用在加速相鄰兩個(gè)換向向量之間加入短時(shí)檢測(cè)脈沖，通過檢測(cè)電流的方式檢測(cè)轉(zhuǎn)子是否到達(dá)預(yù)定位置。具體實(shí)現(xiàn)方法：在加速過程中每個(gè)換向向量完成后，注入此換向向量和下一個(gè)換向向量的短時(shí)脈沖，并檢測(cè)電流，電流大的表明轉(zhuǎn)子位置更靠近此位置，通過兩個(gè)檢測(cè)電流的差值，就可以判定轉(zhuǎn)子更靠近哪個(gè)向量位置;檢測(cè)兩個(gè)電流的差值就可以判定轉(zhuǎn)子位置更靠近哪個(gè)向量位置了。示意圖如圖6所示。

5.為了增加本發(fā)明的可靠性，本發(fā)明采用霍爾和無傳感器模式并存的方法。當(dāng)霍爾信號(hào)正常時(shí)，采用霍爾得到的轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行控制;當(dāng)霍爾信號(hào)出現(xiàn)0或7狀態(tài)，或非正常相序時(shí)，采用反電勢(shì)過零比較檢測(cè)電路檢測(cè)得到的轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行控制無刷電機(jī)，其切換原理如圖7所示，該方法簡(jiǎn)單可靠，易于實(shí)現(xiàn)，且使得本發(fā)明可靠性增強(qiáng)。

6.圖8為溫度控制原理圖，如圖8所示，溫度控制是豆?jié){機(jī)必不可少的功能，加熱部分通過220V，交流直接加熱，交流電直接供給可控硅，通過控制可控硅的占空比來控制施加到加熱絲上的功率。實(shí)際控制中PWM的頻率為交流電頻率，即50Hz，通過控制占空比控制施加到加熱絲上的有效電壓，即功率控制；通過NTC熱敏電阻和普通精密電阻組成的簡(jiǎn)單分壓網(wǎng)絡(luò)，即可實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)電路，通過該溫度反饋，就可以閉環(huán)控制溫度了。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，本發(fā)明公開了一種高度集成化、智能化的無刷電機(jī)控制器。傳統(tǒng)豆?jié){機(jī)將電機(jī)控制器和豆?jié){機(jī)功能控制部分分開，造成成本浪費(fèi)。本發(fā)明有效地將二者結(jié)合，具有高度集成化、智能化、總體成本低的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明具備以下功能：速度可達(dá)3萬轉(zhuǎn)的無刷電機(jī)速度閉環(huán)控制、正反轉(zhuǎn)控制，無刷電機(jī)電流檢測(cè)及過流保護(hù)、無刷電機(jī)霍爾信號(hào)缺失檢測(cè)及保護(hù)、無傳感器應(yīng)急無刷電機(jī)控制、加熱及溫度控制、液位檢測(cè)、防干燒、時(shí)序控制、聲光指示等功能。本發(fā)明控制電機(jī)可達(dá)3萬轉(zhuǎn)，高速可使豆?jié){無渣;使用霍爾傳感器保證無刷電機(jī)在大負(fù)載下可靠啟動(dòng)，而一旦檢測(cè)到霍爾傳感器故障，本發(fā)明可以切換到無傳感器模式，保證正常運(yùn)行;本發(fā)明采用PWM調(diào)波方式控制加熱功率，并通過溫度傳感器來檢測(cè)和控制溫度，并配合液位檢測(cè)，達(dá)到防止干燒的目的;此外本發(fā)明通過按鍵接收指令，設(shè)置不同的工作模式;通過定時(shí)器輪詢控制不同模式中各步驟的執(zhí)行和等待時(shí)間;通過蜂鳴器和LED燈進(jìn)行警報(bào)和指示。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。