阅读说明：本技术 可自动识别pwm信号和lin通讯信号的直流电机无级调速控制器 (DC motor stepless speed regulation controller capable of automatically identifying PWM signal and LIN communication signal ) 是由 童明辉 于 2020-06-11 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种可自动识别PWM信号和LIN通讯信号的直流电机无级调速控制器,包括控制电路板,所述控制电路板上的电路包括电源和信号端口、信号识别和处理单元、ECU处理单元、运行监测单元、指示灯单元、数字功率驱动单元,所述的电源和信号端口用于连接电源和信号源,并连接信号识别和处理单元,信号识别和处理单元连接信号源和ECU处理单元,ECU处理单元还连接数字功率驱动单元和运行监控和保护单元,运行监控和保护单元与数字功率驱动单元连接,还连接指示灯单元。本发明连线极少,易于组装和维护,模组搭配灵活,应用范围广。(The invention relates to a DC motor stepless speed regulation controller capable of automatically identifying PWM signals and LIN communication signals, which comprises a control circuit board, wherein a circuit on the control circuit board comprises a power supply and signal port, a signal identification and processing unit, an ECU processing unit, an operation monitoring unit, an indicator lamp unit and a digital power driving unit, wherein the power supply and signal port is used for being connected with a power supply and a signal source and is connected with the signal identification and processing unit, the signal identification and processing unit is connected with the signal source and the ECU processing unit, the ECU processing unit is also connected with the digital power driving unit and an operation monitoring and protecting unit, and the operation monitoring and protecting unit is connected with the digital power driving unit and is also connected with the indicator lamp unit. The invention has few connecting lines, easy assembly and maintenance, flexible module matching and wide application range.)

可自动识别PWM信号和LIN通讯信号的直流电机无级调速控 制器

技术领域

本发明涉及直流电机控制器技术领域，特别涉及信号的自动识别和运行数据交互结构。

背景技术

目前使用的直流电机调速有三种方式：电阻丝分压降压调速、电机串并联调速、PWM调速。

电阻丝分压降压调速方法采用和电机对应的大功率绕线电阻，通过在电机供电回路串接入不同阻值的电阻丝实现电机供电电源的调整，从而达到降压调速的目的。由于接入额外的大功率电阻丝，不可避免会造成能耗的无效浪费，而且因为电阻丝在工作时会产生大量热量，极易引起火灾和故障。

电机串并联调速方法采用多个电机线圈绕组通过外部开关或者继电器切换，实现同一系统内各个电机相互之间串联接入供电电源或者并联接入供电电源，解决了电阻丝分压的能耗浪费问题，但是只能实现简单的2～3档位调整，调速范围小。而且因为是硬性接入电源，电流冲击大，外部接线比较复杂。如果系统某一电机发生故障，整个电机系统可能都无法工作。

PWM调速方法是目前广泛采用的直流电机调速方法，采用脉宽驱动开关功率电源的调速方式，具有硬件结构简单，调速精度高和范围广的优势，理论上可以实现0～100%区间的无级调整。其缺点是只能实现单向控制，而且由于只能接收并放大输入的PWM信号，无法根据电机的特性差异调整斩波频率，往往对电机的匹配不是非常精准，极易引起电机发热或者电机差频啸叫噪声。

无论采用那种方式，电机接收的都是模拟电压信号，这种信号为单向传输，命令发出后，电机执行与否，模块运行正常与否，发出命令的主控方是无从知晓、无法管理的。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术中存在的缺点和问题加以改进和创新，提供一种具有PWM和LIN通讯公用接口、自动切换，并能监控电机运行状态的直流电机无级调速控制器。

本发明的技术方案是构造一种可自动识别PWM信号和LIN通讯信号的直流电机无级调速控制器，包括控制电路板，所述控制电路板上的电路包括电源和信号端口、信号识别和处理单元、ECU处理单元、运行监测单元、指示灯单元、数字功率驱动单元，所述的电源和信号端口用于连接电源和信号源，并连接信号识别和处理单元，信号识别和处理单元连接信号源和ECU处理单元，ECU处理单元还连接数字功率驱动单元和运行监控和保护单元，运行监控和保护单元与数字功率驱动单元连接，还连接指示灯单元。

所述的信号识别和处理单元包括LIN通讯模块、通道选择控制电路和PWM信号电平匹配电路，所述通道选择控制电路包括一个拨动开关，拨动开关的一个信号输入端连接信号端口，拨动开关的二个信号输出端分别为LIN通讯端和PWM通讯端，LIN通讯端通过LIN通讯模块连接ECU处理单元中的处理器，PWM通讯端通过PWM信号电平匹配电路连接ECU中的处理器。

所述的ECU处理单元包括ARM内核的单片机STM8S003F3P3TR，单片机的串口引脚和定时器引脚均连接至信号识别和处理单元，分别连接LIN通讯端和PWM通讯端。

所述的运行监测单元包括直接串联在电源输入端的保险片，以及运行参数采集和故障保护电路，所述运行参数采集和故障保护电路连接受控电机和单片机；所述单片机内的程序比较受控电机的运行电流值和预设值，如运行电流值超过预设值，则切断后级的驱动信号。

所述指示灯单元包括三路LED，分别连接并指示电源、运行、通讯活动。

所述数字功率驱动单元包括一组达林顿放大电路，连接单片机的定时器引脚。

所述控制电路板设置在n形外壳内，所述外壳为压铸铝型材切面加工而成，包括设置在顶部的散热片和设置在底部的安装板，所述安装板上设置固定孔。

本发明的优点和有益效果：本发明的信号识别与处理单元可以自动识别信号端口输入的是LIN通讯信号还是PWM信号，并将信号接入相应的ECU端口进行处理，结合PWM调速方式和智能总线电路，通过单片机实现对电机功率输出电路对数字化控制和实时运行状态的数据采集分析，并通过智能总线和电机控制方式实现数字化交互，实现电机的双向控制。还具有以下优势：

1、具有控制信号的自动识别功能，可以兼容新老不同的电控系统；

2、具有数据的双向交互功能，可以实现电机的智能化管理；

3、节能环保，精密控制，电能转换效率高；

4、连线极少，易于组装和维护，模组搭配灵活，应用范围广。

附图说明

图1是实施例的外形结构示意图。

图2是实施例的剖视图。

图3是实施例的控制电路板的结构示意图。

图4是LIN通讯处理单元的电路图。

图5是输入信号拨码选择电路图。

图6是PWM信号电平匹配电路图。

图7是拨码开关的连接示意图。

图8是单片机的结构示意图。

图9是硬保护电路的结构示意图。

图10是软保护电路图。

图11是运行和通讯指示灯的电路图。

图12是PWM数字驱动单元的电路图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被认为是“设置”在另一个元件上，它可以是直接设置或连接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。

除非另有定义，本文中所使用的所有的技术和科学术语与本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施目的，不是旨在限制本发明。

实施例1

如图1、2所示，一种可自动识别PWM信号和LIN通讯信号的直流电机无级调速控制器，包括n形的外壳1和设置在外壳1内的控制电路板2，所述外壳1顶部设置有散热片3，底部设置有安装板4，所述安装板4上设置固定孔5。

如图3所示，所述控制电路板2上的电路包括电源和信号端口6、信号识别和处理单元7、ECU处理单元8、运行监测和保护单元9、指示灯单元10、数字功率驱动单元12，所述的电源和信号端口6用于连接电源和信号源11，并连接信号识别和处理单元7，信号识别和处理单元7连接信号源11和ECU处理单元8，ECU处理单元8还连接数字功率驱动单元12和运行监控和保护单元9，运行监控和保护单元9与数字功率驱动单元12连接，还连接指示灯单元10，数字功率驱动单元12连接负载电机30。

所述的信号识别和处理单元7包括通道选择控制电路（图5）、LIN通讯模块（图4）和PWM信号电平匹配电路（图5），所述通道选择控制电路包括一个拨动开关，拨动开关的一个信号输入端连接信号端口，拨动开关的二个信号输出端分别为LIN通讯端和PWM通讯端，LIN通讯端通过LIN通讯模块连接ECU处理单元中的处理器，PWM通讯端通过PWM信号电平匹配电路连接ECU中的处理器。图4中，单片机通过串口通讯（RX，TX）和LIN电平转换芯片U2（TJA1021）通讯，通过芯片U2内部电路转换成标准的LIN 2.0格式数据，从芯片U2的LIN输出引脚（6）输出LIN信号。D3（BAW56LTG）和R40为LIN信号上拉钳位电路，D4（MMBZ27VCLT1）为LIN信号TVS瞬态杂波消除保护电路，12V电源通过7脚和5脚接入。外部控制信号通过PWM接口接入拨动开关（SW2），根据不同的输入信号种类通过开关选择分别接入PWM-1和LINBUS处理电路，每次只能选择一种输入状态。

当外部接入的为PWM信号时，通过拨动开关（SW2）2～3，4～5脚接入PWM通道，（参考图F1-1）然后经过信号电平匹配电路（参考图F1-2）降压钳位后输入U1（STM8S003F3P6TR）芯片10脚（PWM-2）为输入，供单片机程序读取识别。

当外部接入的为LIN信号时，通过拨动开关（SW2）1～2，5～6脚接入LIN通讯专用芯片U2（TJA1050）的6脚（LINBUS）（参考图F1-1），再通过U2（TJA1050）的1脚（RXD）、4脚（TXD）接入单片机 U1（STM8S003F3P6TR）的对应接口，由单片机程序处理外部输入的LIN控制信号。

如图8所示，所述的ECU处理单元包括ARM内核的单片机STM8S003F3P3TR，即为前述的处理器，单片机的串口引脚和定时器引脚均连接至信号识别和处理单元7，分别连接LIN通讯端和PWM通讯端。单片机U1（STM8S003F3P6TR）为8位RAM系统，其中1脚（TCK/SWCLK）和18脚（TMS/SWDIO）为芯片编程接口，9脚（3.3V）和7脚（GND）。为芯片电源输入接口，5脚和6脚为芯片晶振（时钟）输入接口；2脚（TX）和3脚（RX）为芯片串口通讯接口，连接外部LIN电平转换芯片。外部数据采集：19脚（BAT_V)为工作电源电压采集，20脚（PWM-4）为电机电流信号采集输入，14～17脚（S1～4）为电机编码识别电路，10脚（PWM-2）为输入的PWM信号采集识别。单片机输出信号：13脚（PWM-3）为输出的PWM驱动信号，12脚（PWM-LED）为输入的PWM指示信号，11脚（LIN-LED）为输入的LIN指示信号。

所述的运行监测单元9包括直接串联在电源输入端的保险片（图9中FU1），以及含有比较器U5A和U5B的运行参数采集和故障保护电路（图10），所述运行参数采集和故障保护电路连接受控电机和单片机；通过采样电阻RS1（康铜丝）监控电机（10）实时运行电流并交由运放比较器U5放大校准，输入到单片机U1（STM8S003F3P6TR）的20脚（PWM-4），如果电流超过程序预设值，则立即切断单片机13脚（PWM-3）的PWM驱动信号，电机停止运行，到达保护电机的目的。

所述指示灯单元包括三路LED，分别连接并指示电源、运行、通讯活动。图11所示为通讯活动指示灯，连接单片机，当外部接入信号为PWM信号时，12脚（PWM-LED）输出低电平，PWM-LED指示灯点亮。当外部接入信号为LIN信号时11脚（LIN-LED）输出低电平，LIN-LED指示灯点亮。图9中与保险片FU1并联的LED灯FU-ERR为电源指示灯。保险片（FU1）直接接入主电源回路，如果出现短路或者大电流直接熔断，起到保护后级电路作用，熔断后电流通过红色发光二极管FU-ERR和降压电阻R10，指示灯发光表示保险熔断，正常时指示灯不亮。

如图12所示，所述数字功率驱动单元12包括一组达林顿放大电路，连接单片机的定时器引脚。提供接收ECU发送的PWM开关信号放大并续流输送给电机负载，通过ECU改变驱动信号的频率和占空比达到驱动电机调速运行的目的。具体为：单片机接收到外部的PWM信号或者LIN信号经由内部程序处理识别后，从U1（STM8S003F3P6TR）13脚（PWM-3）输出外部控制程序需要的PWM驱动信号，经过前级倒相放大进入后级由Q3（2N5551）、Q4（2N5401）组成的达林顿放大电路，再经过R15电阻驱动Q5（RF4905）MOSFET功率开关管，通过Q5的高频开关通断，为负载电机提供工作所需能源，D1（MBR20100CT）为续流二极管，在Q5关断期间泄放电机线圈上面产生的反向电动势。使电机能够平顺运转，不会产生高频震动。

所述外壳为压铸铝型材切面加工而成，兼顾散热和坚固。如图2所示，电路控制板和储能电容焊装一体后通过安装螺丝固定在散热片外壳上面，电路板上面的功率开关管（Q5）和续流二极管（D1）紧贴散热片的导热平面，储能电容紧贴散热片的导热圆弧面。这样功率器件的热量可以即时传导散热到外部。安装好后整体充注灌封胶和散热片形成一个整体模块。灌封固化后的成品模块具有良好的导热、防水、防尘防护性能。

信号识别和处理单元7还包括一个4位拨码开关作为电机序号设定电路，如图7所示，拨码开关SW1连接单片机，通过拨码状态设定同一网络里面不同的电机编码（编号），方便程序组网管理。通过4位拨码开关SW1选择不同的位置（二进制0和1的4种不同排列组合）可以实现16（2⁴=16）种不同的编码组合，单片机通过IO口（默认内部上拉高电平）采集S1、S2、S3、S4引脚高低电平信号，通过单片机U1（STM8S003F3P6TR）芯片内部编码电路转换成对应的电机标号数据，本系统最多可以支持16个位置电机编码。可以通过LIN总线方式对应赋值到对应的电机数据报文。

图1为本发明的成品模块，保险片FU1、指示灯，电机编码用的拨码开关、和用于输入信号选择的输入拨码开关均设置在成品模块的正面，侧面设有电源和电机以及信号输入插片。

本发明可以应用在汽车空调的风机智能调速电路系统上，通过汽车LIN总线实现车内蒸发风量的无级智能调速和实时智能化管理，汽车中控系统可以直观显示各风机的运行状态参数，电机不再是一个单向独立的执行终端，同时也可以通过物联网实现双向的智能管理。

本发明也可应用在多路电机的流水线控制系统上，通过一根LIN总线数据线可以实现流水线各单元的智能管理和实时独立操控，通过控制终端可以按不同的组合为不同的客户不同的使用场景实现协同工作。

本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。