直流电机调速换向控制器
阅读说明：本技术 直流电机调速换向控制器 (Speed-regulating reversing controller for DC motor ) 是由 韩冬 王宝新 刘俭佳 曲凯 方学林 于 2021-08-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种直流电机调速换向控制器,将主控MCU芯片、电机驱动电路网络、电流检测单元集成到同一块电路板,所述电机驱动电路网络包括上端驱动电路单元和下端驱动电路单元,所述的主控MCU芯片产生4路两两互补的脉宽调制PWM驱动信号,其中两路互补脉宽调制PWM信号连接到上端驱动电路单元,另两路互补脉宽调制PWM信号连接到下端驱动电路单元,电流检测单元一端连接到上端驱动电路单元中的驱动芯片VS引脚,另一端连接到直流电机中的A相,下端驱动电路单元的VS引脚连接到直流电机中的B相。可实现直流电机的调速和换向,具备体积小,调速更加精准等优点。(The invention discloses a speed-regulating reversing controller of a direct current motor, which integrates a main control MCU chip, a motor driving circuit network and a current detection unit into the same circuit board, wherein the motor driving circuit network comprises an upper end driving circuit unit and a lower end driving circuit unit, the main control MCU chip generates 4 paths of Pulse Width Modulation (PWM) driving signals which are complementary pairwise, the two paths of complementary PWM driving signals are connected to the upper end driving circuit unit, the other two paths of complementary PWM driving signals are connected to the lower end driving circuit unit, one end of the current detection unit is connected to a driving chip VS pin in the upper end driving circuit unit, the other end of the current detection unit is connected to an A phase in the direct current motor, and the VS pin of the lower end driving circuit unit is connected to a B phase in the direct current motor. The speed regulation and the reversing of the direct current motor can be realized, and the direct current motor has the advantages of small volume, more accurate speed regulation and the like.)
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，具体涉及一种直流电机调速换向控制器。
背景技术
直流电机是实现直流电能与机械能进行转换的装置，直流电机与交流电机相比，具有优良的调速性能和启动性能，平滑的无极调速性能，过载能力大，能承受频繁的负载冲击，能满足自动化生产系统中的运行要求。由于其具有良好的启动和调速性能，常用于对启动和调速有较高要求的场合，如大型可逆轧钢机、矿井卷扬机、龙门刨床、电力机车、地铁列车和大型起重机等生产机械。
直流电机的转动速度和加给电机两相的电压成正比例关系，直流电机的转动方向和加给电机两相的电压方向有关，传统的直流电机通过改变电枢回路中的电阻进行调速，这种调速方法简单易行，价格低廉，缺点是效率低，机械特性软，不能得到较宽和平滑的调速性能，只能应用在一些小功率且调速范围要求不大的场合。
现有技术中的专利1申请号：2020216769541，专利名称为：一种直流电机控制电路，该电机控制电路中使用了4个独立的NMOS场效应管开关芯片，体积较大。
专利2的申请号为202010629833X，名称为：一种直流电机的驱动控制电路，该驱动电路使用的三级管和NMOSNMOS场效应管开关芯片，器件较多，且无法实现换向功能。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种直流电机调速换向控制器,可实现直流电机的调速和换向，具备体积小，调速更加精准等优点。
本发明所采用的技术方案是直流电机调速换向控制器，将主控MCU芯片、电机驱动电路网络、电流检测单元集成到同一块电路板，所述电机驱动电路网络包括上端驱动电路单元和下端驱动电路单元，所述的主控MCU芯片产生4路两两互补的脉宽调制PWM驱动信号，其中两路互补脉宽调制PWM信号连接到上端驱动电路单元，另两路互补脉宽调制PWM信号连接到下端驱动电路单元，电流检测单元一端连接到上端驱动电路单元中的驱动芯片VS引脚，另一端连接到直流电机中的A相，下端驱动电路单元的VS引脚连接到直流电机中的B相。
更优选的方案为，所述的主控MCU芯片采用STM32F103VET6芯片，所述的STM32F103VET6芯片侧引脚PE8、PE9为两路互补脉宽调制PWM波形发生器引脚，引脚PE10、PE11为两路互补脉宽调制PWM波形发生器引脚，所述的STM32F103VET6芯片的PA3引脚采集电流检测单元输出的电压信号。
更优选的方案为，所述的电机驱动电路网络包括上端UCC27282驱动芯片和下端UCC27282驱动芯片，上端UCC27282驱动芯片的HIN引脚与STM32F103VET6芯片的PE8引脚连接，上端UCC27282驱动芯片的LIN引脚与STM32F103VET6芯片的PE9引脚连接，下端UCC27282驱动芯片的HIN引脚与STM32F103VET6芯片的PE10引脚连接，下端UCC27282驱动芯片的LIN引脚与STM32F103VET6芯片的PE11引脚连接。
更优选的方案为，所述的UCC27282驱动芯片内部嵌有高端MOS管开关和低端MOS管开关，所述的STM32F103VET6芯片输出互补脉宽调制PWM驱动信号连接到UCC27282驱动芯片的HIN引脚和LIN引脚，所述的UCC27282驱动芯片结构大小仅为7.5mm*8.5mm，最大处理电压为100V，最大处理电流为30A,漏极和源极间电阻最小7.3mΩ。
更优选的方案为，所述的上下两端UCC27282驱动芯片的VCC引脚分别由VCC15V电压连接供电，上下两端UCC27282驱动芯片的VB引脚和VS引脚分别串联一个自举升压电容C59和C513，上下两端UCC27282驱动芯片的COM引脚和V-接到电源负端，所述的上端UCC27282驱动芯片的VB引脚串联一路由自举二极管VD51、自举电阻R53组成的自举升压电路，所述的自举电阻R53一端连接到VCC15V电源，所述的下端UCC27282驱动芯片的VB引脚串联一路由自举二极管VD52、自举电阻R57组成的自举升压电路，所述的自举电阻R57一端连接到VCC15V电源。
更优选的方案为，所述的上下两端UCC27282驱动芯片的HO、G1引脚分别连接到0欧姆电阻R54、R58，所述的上下两端UCC27282驱动芯片的LI、G2引脚分别连接到0欧姆电阻，将脉宽调制PWM驱动信号输入到内部NMOS开关管。
更优选的方案为，所述的上端UCC27282驱动芯片的HS引脚连接到电流检测电路的IP+引脚，所述的电流检测电路的IP-引脚连接电机中的A相，所述的下端UCC27282驱动芯片的HS引脚连接到电机中的B相。
更优选的方案为，所述的电流检测单元包括电流检测电路芯片BSC067N06LS3，所述的电流检测电路芯片BSC067N06LS3IP+引脚与上路RSM005-301MH驱动芯片的VS引脚相连，所述的电流检测电路芯片BSC067N06LS3的IP-引脚与直流电机的A相相连，所述的电流检测电路芯片BSC067N06LS3的VCC引脚与直流3.3V电压相连，所述的电流检测电路芯片BSC067N06LS3的GND引脚与电源负极相连。
更优选的方案为，所述的电流检测电路芯片BSC067N06LS3的VOUT引脚与限流电阻R56和滤波电容C511相连，所述的限流电阻R56一端与STM32F103VET6芯片的PA3引脚相连，通过测量电流检测电路芯片BSC067N06LS3的VOUT引脚的输出电压，得出流过电机的电流值。
本发明的有益效果是：随着电力电子技术，大规模集成电路技术的发展，由MCU主控芯片、MOS开关管、IGBT开关管控制的直流电动机调速系统，以其平滑的调速及换向性能，逐渐取代了原有的调速系统。本申请采用了上下两路集成的驱动芯片，其内部包含电平转换及NMOS场效应开关管电路，控制台通过串行通信接口输出目标转速、转向指令，主控芯片根据指令输出的控制信号，通过主控芯片的控制程序可实现直流电机的调速和换向，具备体积小，调速更加精准等优点。
附图说明
图1为本发明直流电机调速换向控制器总体框图。
图2为本发明主控MCU芯片电路原理图。
图3为本发明电机驱动电路原理图。
图中标记：1-主控MCU芯片，2-有线通信单元，3-上端驱动电路，4-下端驱动电路，5-电流检测单元，6-直流电机，
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件能够以各种不同的配置来布置和设计。
一种直流电机调速换向控制器，其包括，主控MCU芯片1，其产生脉宽调制PWM驱动信号，输出到驱动电路网络；
电平转换单元，将输入电源电压转换成驱动芯片和MCU的工作电压；
驱动电路网络单元，将主控MCU芯片输入进来的信号进行转换；
电流检测单元5，用来检测电机电流，对电机运行状态进行监控和保护。
驱动电路网络单元根据主控MCU芯片1传来的脉宽调制PWM驱动信号对内部NMOS场效应开关管进行开关动作，通过控制驱动电路网络内两组上下桥NMOS开关管的通断，进而控制直流电机6两相线的通电方向。主控MCU芯片1通过调节脉宽调制PWM驱动信号占空比大小，可以调节输入到电机两相的电压大小，进而实现调速。该装置可以实现对直流电机6的调速及换向功能。
将主控MCU芯片1、电机驱动电路网络、电流检测单元5集成到同一块电路板，所述电机驱动电路网络包括上端驱动电路3和下端驱动电路4，所述的主控MCU芯片1产生4路两两互补的脉宽调制PWM驱动信号，其中两路互补脉宽调制PWM信号连接到上端驱动电路3，两路互补脉宽调制PWM信号连接到下端驱动电路4。电流检测单元5一端连接到上端驱动电路3中的驱动芯片VS引脚，另一端连接到直流电机6中的任意一相，下端驱动电路4的VS引脚连接到直流电机6中的另外一相。所述的主控MCU芯片1包括STM32F103VET6芯片，所述的STM32F103VET6芯片包括PE8、PE9两路互补脉宽调制PWM波形发生器引脚和PE10、PE11两路互补脉宽调制PWM波形发生器引脚，所述的STM32F103VET6芯片包括PA3引脚可对电流检测单元5输出的电压信号进行采集。
电机驱动电路网络包括两个UCC27282驱动芯片，上端UCC27282驱动芯片的HIN引脚与STM32F103VET6芯片的PE8引脚连接，上端UCC27282驱动芯片的LIN引脚与STM32F103VET6芯片的PE9引脚连接，下端UCC27282驱动芯片的HIN引脚与STM32F103VET6芯片的PE10引脚连接，下端UCC27282驱动芯片的LIN引脚与STM32F103VET6芯片的PE11引脚连接。所述的UCC27282驱动芯片内部嵌有高端MOS管开关和低端MOS管开关，所述的STM32F103VET6芯片输出互补脉宽调制PWM驱动信号连接到UCC27282驱动芯片的HIN引脚和LIN引脚，所述的UCC27282驱动芯片结构大小仅为7.5mm*8.5mm，最大处理电压为100V，最大处理电流为30A,漏极和源极间电阻最小7.3mΩ。
所述的上下两端UCC27282驱动芯片的VCC引脚分别由VCC15V电压连接供电，上下两端UCC27282驱动芯片的VB引脚和VS引脚分别串联一个自举升压电容C59和C513，上下两端UCC27282驱动芯片的COM引脚和V-接到电源负端，所述的上端UCC27282驱动芯片的VB引脚串联一路由自举二极管VD51、自举电阻R53组成的自举升压电路，所述的自举电阻R53一端连接到VCC15V电源，所述的下端UCC27282驱动芯片的VB引脚串联一路由自举二极管VD52、自举电阻R57组成的自举升压电路，所述的自举电阻R57一端连接到VCC15V电源。所述的上下两端UCC27282驱动芯片的HO、G1引脚分别连接到0欧姆电阻R54、R58，所述的上下两端UCC27282驱动芯片的LI、G2引脚分别连接到0欧姆电阻，将脉宽调制PWM驱动信号输入到内部NMOS开关管。所述的上端UCC27282驱动芯片的HS引脚连接到电流检测电路的IP+引脚，所述的电流检测电路的IP-引脚连接电机中的A相，所述的下端UCC27282驱动芯片的HS引脚连接到电机中的B相。
电流检测单元包括电流检测电路芯片BSC067N06LS3，所述的电流检测电路芯片BSC067N06LS3IP+引脚与上路RSM005-301MH驱动芯片的VS引脚相连，所述的电流检测电路芯片BSC067N06LS3的IP-引脚与直流电机的A相相连，所述的电流检测电路芯片BSC067N06LS3的VCC引脚与直流3.3V电压相连，所述的电流检测电路芯片BSC067N06LS3的GND引脚与电源负极相连。所述的电流检测电路芯片BSC067N06LS3的VOUT引脚与限流电阻R56和滤波电容C511相连，所述的限流电阻R56一端与STM32F103VET6芯片的PA3引脚相连，通过测量电流检测电路芯片BSC067N06LS3的VOUT引脚的输出电压，得出流过电机的电流值。
在本发明的实施例中，对直流电机的额定电流需限定在30A以内，额定电压需限定在直流电压80V以内。主控芯片STM32F103VET6芯片的PE8、PE9引脚产生一对互补脉宽调制PWM信号，PE10、PE11引脚产生一对互补脉宽调制PWM信号，当PE8引脚为高电平，PE9引脚为低电平时，上路驱动芯片内的上桥NMOS场效应开关管导通，下桥NMOS场效应开关管关闭，上路驱动芯片VS引脚输出电压等于V+引脚端电压，即电源供电电源正极。当PE11引脚为高电平，PE10引脚为低电平时，下路驱动芯片内的下桥NMOS场效应开关管导通，上桥NMOS场效应开关管关闭，下路驱动芯片VS引脚连接到GND，即供电电源负极。此时，上路驱动芯片VS引脚输出电平为电源正极，接到电机A相，下路驱动芯片VS引脚输出电平为电源负极，接到电机B相，此时的电机旋转方向定为电机正转。当PE8引脚为低电平，PE9引脚为高电平时，上路驱动芯片内的下桥NMOS场效应开关管导通，上桥NMOS场效应开关管关闭，上路驱动芯片VS引脚连接到GND，即供电电源负极。当PE11引脚为低电平，PE10引脚为高电平时，下路驱动芯片内的上桥NMOS场效应开关管导通，下桥NMOS场效应开关管关闭，下路驱动芯片VS引脚输出电压等于V+引脚端电压，即电源供电电源正极。此时，下路驱动芯片VS引脚输出电平为电源正极，接到电机B相，上路驱动芯片VS引脚输出电平为电源负极，此时的电机旋转方向定为电机反转。
直流电机6的转速正比于加到电机两端的电压，通过调节主控芯片STM32F103VET6的PE8、PE9、PE10、PE11引脚输出的脉宽调制PWM的占空比，可以调节电机的转速。
具体地，当上路驱动芯片上桥NMOS场效应开关管导通，下路驱动芯片UCC27282下桥NMOS场效应开关管导通，电机正转时，应同时设置主控芯片STM32F103VET6芯片的PE8、PE10引脚为相同的占空比。当上路驱动芯片下桥NMOS场效应开关管导通，下路驱动芯片UCC27282上桥NMOS场效应开关管导通，电机反转时，应同时设置主控芯片STM32F103VET6芯片的PE9、PE11引脚为相同的占空比。占空比的大小正比于电机的转速，通过控制程序中设置不同的占空比，实现了对直流电机6的调速。
进一步地，电流检测电路芯片BSC067N06LS3即电流传感器BSC067N06LS3的IP+引脚接到上路驱动芯片的VS引脚，电流传感器BSC067N06LS3的IP-引脚接到直流电机6的A相，电流传感器BSC067N06LS3的VOUT引脚接到主控芯片STM32F103VET6的PA3引脚。电流传感器芯片可实现正反两个方向的电流检测，在电机正转和反转时均可进行电流检测，当电机出现故障，电流过大时，可进行断电对系统进行保护。
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