CN112398414B - 一种家用净化器的两相无级变频调速控制电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种家用净化器的两相无级变频调速控制电路，包括输入滤波整流电路，BUCK降压电路，稳压储能电路，MCU控制电路，MOSFET逆变输出电路，电流电压检测电路，保护电路和信号采样处理电路，所述输入滤波整流电路，BUCK降压电路，稳压储能电路，MCU控制电路，MOSFET逆变输出电路依次连接；所述电流电压检测电路和信号采样处理电路均分别与稳压储能电路，MCU控制电路，MOSFET逆变输出电路连接；所述保护电路分别与输入滤波整流电路连接以及信号采样处理电路连接。本发明的两相无级变频调速控制电路变频顺畅，无电磁音，挡位切换噪音，价格低廉且调速和挡位调速的整机效率上升，节省了能源。

Description

一种家用净化器的两相无级变频调速控制电路及方法

技术领域

本发明涉及家用净化器领域，具体涉及一种家用净化器的两相无级变频调速控制电路及方法。

背景技术

现有的家用空气净化器常用的是两相交流电机，使用挡位调速，其中挡位调速使用继电器来切换挡位，换挡有继电器的切换声音且有接触火花产生。

而使用两相变频器，从经济角度来看，一个交流电机成本100块钱左右，而买一个变频器成本需要300块左右，成本相当高，不合算。另外，家用空气净化器日常使用中大部分时间运行在低速挡，而常用电机低速挡位效率不高，低挡效率一般比高挡效率低10-50％，造成电能的浪费。

综合上述两相交流电机的不足，有待对现有技术进行改进，提供一种换挡时无噪音，节省成本也提高工作效率的空气净化器。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的提供一种换挡时无噪音，节省成本也提高工作效率的家用净化器的两相无级变频调速控制电路及方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：一种家用净化器的两相无级变频调速控制电路，包括输入滤波整流电路，BUCK降压电路，稳压储能电路，MCU控制电路，MOSFET逆变输出电路，电流电压检测电路，保护电路和信号采样处理电路，其中：

所述输入滤波整流电路用于将工频为220V 50HZ的市电进行输入到低通滤波器中，并将交流电转换成单向的直流电压；

所述BUCK降压电路用于将整流出来的直流电压经过BUCK降压为15V的直流电压；

所述稳压储能电路用于将降压成15V的直流电压稳定压缩成5V的电压；

所述MCU控制电路用于发出控制信号控制MOSFET逆变输出电路驱动电机旋转的频率；

所述MOSFET逆变输出电路用于驱动电机的两个绕组线圈以高频的SPWM载波方式来驱动电机旋转；

所述电流电压检测电路用于检测经稳压储能电路稳定后的电流电压输出频率；

信号采样处理电路包括隔离通讯数据采样电路和AD信号采集处理电路，所述隔离通讯数据采样电路利用光电耦合器对发送和接收的信号进行隔离收发控制，利用UART通讯接口和通讯协议将发送的数据进行检出分析判断再执行控制，所述信号为电压信号，电流信号或者控制信号中的一种或多种；所述AD信号采集处理电路，用于采集MCU控制电路的AD外部电压信号，并通过MCU读取该外部电压信号，并将读取到的电压值转换为0～32767的数据；

所述保护电路用于采集母线上的电压和MOSFET工作时的电流对整个变频调速控制电路进行欠过压保护过流保护和堵转保护；

所述输入滤波整流电路，BUCK降压电路，稳压储能电路，MCU控制电路，MOSFET逆变输出电路通过电信号依次连接；所述电流电压检测电路和信号采样处理电路均分别与稳压储能电路，MCU控制电路，MOSFET逆变输出电路通过电信号连接；所述保护电路分别与输入滤波整流电路连接以及信号采样处理电路电信号连接。

优选地，所述输入滤波整流电路包括共模电感和电容配合组成两组低通滤波器，用于抑制外部的EMI信号传入。

优选地，所述输入滤波整流电路还包括整流桥，所述整流桥用于将交流电转换成单向的直流脉动电压，然后再给两个串联电容进行充电，所述两个串联电容的中点作为电机主副绕组的公共点。

优选地，所述两个串联电容上设置有放电回路，所述放电回路用于在电机不工作的情况下，将两个串联电容上的电压进行放电处理。

优选地，所述MCU控制电路包括有电压转换点路，用于将15V电压转换为5V电压给MCU自身供电。

优选地，所述MCU控制电路采用的MCU芯片型号为Fortior Tech-FU6811。

优选地，所述MOSFET逆变输出电路由四个MOSFET组成上下两个桥电路，两个桥电路分别驱动电机的两个绕组线圈以高频的SPWM载波方式驱动电机旋转。

一种家用净化器的两相无级变频调速控制方法，应用了如上述描述的一种家用净化器的两相无级变频调速控制电路的硬件基础，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1:对整个两相无级变频调速控制电路进行参数初始化设置；

S2：给电机充电，并控制电机启动；

S3:电机启动后，所述MCU控制电路通过所述电流电压检测电路检测到的电压信号判断稳定电压频率的大小，当稳定电压频率的大小达到电机启动的电压频率阈值时，则读取档位电压频率值并设置电机的启动时间加速度；反之，则电机保持原来状态然后等到满足启动的电压频率；

S4:设置好电机的启动时间加速度后：

S4-1：若电机转子的当前状态为停止状态或者高速转动中，则输出控制MOSFET增加电流输出，电机加速；

S4-2：若电机转子的当前状态为低速转动中则输出电流使转子减速并最终停止，然后再输出控制MOSFET增加电流输出，电机加速；

S4:电机加速到设置的目标电压频率后，监控电压电流值；

S5:在目标电压频率下控制电机平稳运行；

S6:电机平稳运行后：

S6-1:当电机运行出现异常时，关掉MOSFET输出，控制电机停止转动，等待电流电压恢复到正常，满足电机可以重新启动条件，然后启动电机后跳转到步骤S1；

S6-2：监控外部调速电压，调速电压发生变化，当调速电压变小到关断值时跳转到S6-1；当调速电压增大或减小时返回到步骤S3。

优选地，所述参数初始化设置依次包括：系统参数初始化，软硬件参数初始化和电机参数初始化。

优选地，所述S3中电机启动的电压频率阈值为1.4V；所述S4中的目标电压频率140

HZ。

本发明有益的技术效果：本发明的两相无级变频调速控制电路在工作时只要按照控制指令控制输出的电压和频率就能改变电机的转速而改变风机的挡位，变频时顺畅，无电磁音，挡位切换噪音，并且两相变频器价格低廉，不到电机本体的一半，且调速和挡位调速的整机效率会大幅上升，节省大量的能源。另外，两相变频驱动具备EC电机的无级调速功能，还具有兼容0-10V，PWM调速以及能跟外部的设备进行通讯控制等功能。

附图说明

图1是本发明一种家用净化器的两相无级变频调速控制电路的整体结构框图。

图2为本发明的输入整流滤波电路的电路原理图。

图3为本发明的输入整流滤波电路的整流桥的电路原理图。

图4为本发明的BUCK降压电路的电路原理图。

图5为本发明的稳压储能电路的电路原理图。

图6为本发明的保护电路的电路原理图。

图7为本发明的AD信号采集处理电路的电路原理图。

图8是本发明一种家用净化器的两相无级变频调速控制方法的步骤流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明，但本发明要求保护的范围并不局限于下述具体实施例。

如图1-7所示，一种家用净化器的两相无级变频调速控制电路，包括输入滤波整流电路，BUCK(降压式变换电路)降压电路，稳压储能电路，MCU控制电路，MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,金属-氧化物半导体场效应晶体管)逆变输出电路，电流电压检测电路，保护电路和信号采样处理电路，其中：

所述输入滤波整流电路用于将工频为220V 50HZ的市电进行输入到低通滤波器中，并将交流电转换成单向的直流电压；其中低通滤波器进行了隔离保护，且采用共模电感和电容配合组成两组低通滤波器，可以使线路上的共模EMI(ElectromagneticInterference，电磁干扰)信号被控制在很低的电平上，既可以抑制外部的EMI信号传入，又可以衰减线路上自身工作时产生的EMI又能有效降低EMI干扰强度。

所述输入滤波整流电路还包括整流桥，所述整流桥通过二极管的单向导通原理用于将交流电转换成单向的直流脉动电压，然后再给两个串联电容进行充电，所述两个串联电容的中点作为电机主副绕组的公共点，给电机一个中间点平衡的参考电压。

在两个串联电容上设置有放电回路，所述放电回路用于在电机不工作的情况下，将两个串联电容上的电压进行放电处理，用以减小下次上电时的电流冲击过大的问题。

所述BUCK降压电路用于将整流出来的直流电压经过BUCK降压为15V的直流电压；

所述稳压储能电路用于将降压成15V的直流电压稳定压缩成5V的电压，用作电源给其他电路供电。

所述MCU控制电路用于发出控制信号控制MOSFET逆变输出电路驱动电机旋转的频率，另外所述MCU控制电路包括有电压转换点路，用于将15V电压转换为5V电压给MCU自身供电。

所述MOSFET逆变输出电路用于驱动电机的两个绕组线圈以高频的SPWM载波方式来驱动电机旋转；具体地，逆变输出电路由四个MOSFET组成上下两个桥电路分别驱动电机的两个绕组线圈以高频的SPWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)载波方式利用软件的算法来驱动电机旋转。

所述电流电压检测电路用于检测经稳压储能电路稳定后的电流电压输出频率；

信号采样处理电路包括隔离通讯数据采样电路和AD(模数转换)信号采集处理电路。

所述隔离通讯数据采样电路利用光电耦合器对发送和接收的信号进行隔离收发控制，利用UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器)通讯接口和通讯协议将发送的数据进行检出分析判断再执行控制，所述信号为电压信号，电流信号或者控制信号中的一种或多种；隔离通讯数据采样电路做出的控制过程可以实现6档档位换档控制睡眠模式切换灯光控制等功能，能够很平滑的调整档位控制电机在一个恒定的转速下，另外隔离通讯数据采样电路的通讯电路还具有信号交换和很好的抗干扰能力，MCU控制电路主控制板和显示控制板之间通过隔离通讯数据采样电路的电源进行供电，有效的解决了两板之间的相互干扰和信号衰减等问题。

所述AD信号采集处理电路，用于采集MCU控制电路的AD外部电压信号，并通过MCU读取该外部电压信号，并将读取到的电压值转换为0～32767的数据，其中0～32767的数据对应是0～5V的外部电压，这样就可以根据外部不同的电压值转换为不同的数据然后根据数据的不同选择执行动作。

所述保护电路用于采集母线上的电压和MOSFET工作时的电流对整个变频调速控制电路进行欠过压保护过流保护和堵转保护，以实现对整个控制电路系统进行稳定控制运行，读取到的电压经MCU的运算处理后转换成为可以实际设定的电压电流的值。

各个电路之间的连接关系为：所述输入滤波整流电路，BUCK降压电路，稳压储能电路，MCU控制电路，MOSFET逆变输出电路通过电信号依次连接；所述电流电压检测电路和信号采样处理电路均分别与稳压储能电路，MCU控制电路，MOSFET逆变输出电路通过电信号连接；所述保护电路分别与输入滤波整流电路连接以及信号采样处理电路。另外，MOSFET逆变输出电路与电机连接用于控制电机的转速，所述电流电压检测电路和信号采样处理电路也分别与电机连接，分别用于检测电机电压及采集电机信号电信号连接。

具体地，所述MCU控制电路采用的MCU芯片型号为Fortior Tech-FU6811。

如图8所示，一种家用净化器的两相无级变频调速控制方法，应用了上述描述的一种家用净化器的两相无级变频调速控制电路的硬件基础，该方法包括以下步骤：

S1:对整个两相无级变频调速控制电路进行参数初始化设置；

在初始化设置之前先上电主程序main开始，然后系统程序等待。具体的参数初始化设置依次包括：系统参数初始化，软硬件参数初始化和电机参数初始化。

S2：初始化设置后给电机充电，并控制电机启动；

S3:电机启动后，所述MCU控制电路通过所述电流电压检测电路检测到的电压信号判断稳定电压频率的大小，这里的稳定电压是指指驱动电机让电机转动起来的电压MOSFET逆变出来后的电压和频率，其阈值为1.4V，大于1.4V时电机启动，启动电机电压AC，此时电机电压为146V，频率为90HZ；当稳定电压频率的大小达到电机启动的电压频率阈值时，则读取电压频率值并设置电机的启动时间加速度，加速度：50ms改变一次电角度进行加速度；反之，则电机保持原来状态然后等到满足启动的电压频率；

S4:设置好电机的启动时间加速度后：

S4-1：若电机转子的当前状态为停止状态或者高速转动中，则输出控制MOSFET增加电流输出，电机加速；

S4-2：若电机转子的当前状态为低速转动中则输出电流使转子减速并最终停止，然后再输出控制MOSFET增加电流输出，电机加速；

S4:电机加速到设置的目标电压频率后，这里的目标电压是指电机主副绕组和中线之间的电压AC，其设定值为152V，频率：140HZ，监控电压电流值，其中监控的电压是指母线上的电压，电流是指电机运行时通过采样电阻采集MOSFET上的电流；

S5:在目标电压频率下控制电机平稳运行；

S6:电机平稳运行后：

S6-1:当电机运行出现异常时，关掉MOSFET输出，控制电机停止转动，等待电流电压恢复到正常，满足电机可以重新启动条件，然后启动电机后跳转到步骤S1；

S6-2：监控外部调速电压(外部调速电压是指：控制电机开机停机改变速度大小等这里是指0～5V的输入电压)，当调速电压变小到关断值(关断值为1.1V，当调速电压输入小于1.1V以下时，此时电机停止运行MOSFET关断输出)时跳转到S6-1；当调速电压增大或减小时返回到步骤S3。

两相变频器在工作时只要按照控制指令控制输出的电压和频率就能改变电机的转速而改变风机的挡位，变频时顺畅，无电磁音，挡位切换噪音，并且两相变频器价格低廉，不到电机本体的一半，且调速和挡位调速的整机效率会大幅上升，节省大量的能源。另外，两相变频驱动具备EC电机的无级调速功能，还能兼容0-10V，PWM调速等，还能跟外部的设备进行通讯控制等功能。

另外，本发明还具有以下优点：

1、本发明还能实现随着净化器的过滤模块堵塞时自动变速，调整电机转速增加压力，实现足够的风量输出；

2、在有限的空间结构里面，变频器输出的两相变频电压始终能够保证电机的相位角位于90°附近，能够使得电机始终保持高效以及低噪音运行，解决了我们常用的电机仅高速挡两相的相位角位于90°附近，其它低速挡偏离90°相位角的问题，大幅改善了电机的效率和噪音。

3、变频器使用智能的VF调速原理，能够使得电机运行在比较合适的转差率上面，始终能够保证电机运行平稳；

4、两相变频器采用电路中的电容分压，使得电机的工作电压为输入电源的一半，能够使得小功率电机可以采用大线径来设计，保证电机的高效设计，同时改善了电机制造的工艺性提高了生产效率；两相电机设计时可以使得电机运行平稳内部温度分布均匀，提高了可靠性，延长了电机使用寿命。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对发明构成任何限制。

Claims (8)

1.一种家用净化器的两相无级变频调速控制电路，其特征在于，包括输入滤波整流电路，BUCK降压电路，稳压储能电路，MCU控制电路，MOSFET逆变输出电路，电流电压检测电路，保护电路和信号采样处理电路，其中：

所述输入滤波整流电路用于将工频为220V 50HZ的市电进行输入到低通滤波器中，并将交流电转换成单向的直流电压；

所述BUCK降压电路用于将整流出来的直流电压经过BUCK降压为15V的直流电压；

所述稳压储能电路用于将降压成15V的直流电压稳定压缩成5V的电压；

所述MCU控制电路用于发出控制信号控制MOSFET逆变输出电路驱动电机旋转的频率；

所述MOSFET逆变输出电路用于驱动电机的两个绕组线圈以高频的SPWM载波方式来驱动电机旋转；

所述电流电压检测电路用于检测经稳压储能电路稳定后的电流电压输出频率；

信号采样处理电路包括隔离通讯数据采样电路和AD信号采集处理电路，所述隔离通讯数据采样电路利用光电耦合器对发送和接收的信号进行隔离收发控制，利用UART通讯接口和通讯协议将发送的数据进行检出分析判断再执行控制，所述信号为电压信号，电流信号或者控制信号中的一种或多种；所述AD信号采集处理电路，用于采集MCU控制电路的AD外部电压信号，并通过MCU读取该外部电压信号，并将读取到的电压值转换为0~32767的数据；

所述保护电路用于采集母线上的电压和MOSFET工作时的电流对整个变频调速控制电路进行欠过压保护过流保护和堵转保护；

所述输入滤波整流电路，BUCK降压电路，稳压储能电路，MCU控制电路，MOSFET逆变输出电路通过电信号依次连接；所述电流电压检测电路和信号采样处理电路均分别与稳压储能电路，MCU控制电路，MOSFET逆变输出电路通过电信号连接；所述保护电路分别与输入滤波整流电路连接以及信号采样处理电路电信号连接；

所述输入滤波整流电路包括共模电感和电容配合组成两组低通滤波器，用于抑制外部的EMI信号传入；

所述输入滤波整流电路还包括整流桥，所述整流桥用于将交流电转换成单向的直流脉动电压，然后再给两个串联电容进行充电，所述两个串联电容的中点作为电机主副绕组的公共点。

2.如权利要求1所述的一种家用净化器的两相无级变频调速控制电路，其特征在于，所述两个串联电容上设置有放电回路，所述放电回路用于在电机不工作的情况下，将两个串联电容上的电压进行放电处理。

3.如权利要求1所述的一种家用净化器的两相无级变频调速控制电路，其特征在于，所述MCU控制电路包括有电压转换点路，用于将15V电压转换为5V电压给MCU自身供电。

4.如权利要求3所述的一种家用净化器的两相无级变频调速控制电路，其特征在于，所述MCU控制电路采用的MCU芯片型号采用Fortior Tech-FU6811。

5.如权利要求1所述的一种家用净化器的两相无级变频调速控制电路，其特征在于，所述MOSFET逆变输出电路由四个MOSFET组成上下两个桥电路，两个桥电路分别驱动电机的两个绕组线圈以高频的SPWM载波方式驱动电机旋转。

6.一种家用净化器的两相无级变频调速控制方法，应用了如权利要求1-5任一所述的一种家用净化器的两相无级变频调速控制电路的硬件基础，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1:对整个两相无级变频调速控制电路进行参数初始化设置；

S2：给电机充电，并控制电机启动；

S3: 电机启动后，所述MCU控制电路通过所述电流电压检测电路检测到的电压信号判断稳定电压频率的大小，当稳定电压频率的大小达到电机启动的电压频率阈值时，则读取档位电压频率值并设置电机的启动时间加速度；反之，则电机保持原来状态然后等到满足启动的电压频率；

S4:设置好电机的启动时间加速度后：

S4-1：若电机转子的当前状态为停止状态或者高速转动中，则输出控制MOSFET增加电流输出，电机加速；

S4-2：若电机转子的当前状态为低速转动中则输出电流使转子减速并最终停止，然后再输出控制MOSFET增加电流输出，电机加速；

S4:电机加速到设置的目标电压频率后，监控电压电流值；

S5:在目标电压频率下控制电机平稳运行；

S6: 电机平稳运行后：

S6-1:当电机运行出现异常时，关掉MOSFET输出，控制电机停止转动，等待电流电压恢复到正常，满足电机可以重新启动条件，然后启动电机后跳转到步骤S1；

S6-2：监控外部调速电压，调速电压发生变化，当调速电压变小到关断值时跳转到S6-1；当调速电压增大或减小时返回到步骤S3。

7.如权利要求6所述的一种家用净化器的两相无级变频调速控制方法，其特征在于，所述参数初始化设置依次包括：系统参数初始化，软硬件参数初始化和电机参数初始化。

8.如权利要求6所述的一种家用净化器的两相无级变频调速控制方法，其特征在于，所述S3中电机启动的电压频率阈值为1.4V，所述S4中的目标电压频率140HZ。