一种直流与交流供电混接的一体化无刷风机的制作方法

本发明涉及风机技术领域，尤其涉及一种直流与交流供电混接的一体化无刷风机。

背景技术：

传统风机一般有直流风机和交流风机两种完全独立的常规产品形态。工业现场应用场景中的风机供电环境差异很大，很不确定，有些场景下现场可能只有交流电源，就需要给直流风机配置额外的直流电源。有些场景下，现场可能只能有蓄电池直流电源，如果需要给交流风机供电就需要配置逆变器。因而，仅具有单一直流/交流产品形态的传统风机，实施成本较高，应用部署灵活性较差，不利于工业现场工程应用和实施。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种直流与交流供电混接的一体化无刷风机，解决传统风机因仅具有单一的直流/交流产品形态导致的实施成本较高、应用部署灵活性较差的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种直流与交流供电混接的一体化无刷风机，包括无刷电机，还包括：交流变换直流电路，直流变换直流电路，主控制器和功率驱动电路；

所述交流变换直流电路的输入端连接交流电源或者直流电源，输出端连接所述直流变换直流电路的输入端；所述直流变换直流电路的输出端连接所述主控制器和所述功率驱动电路的供电端，所述主控制器的输出端连接所述功率驱动电路的输入端，所述功率驱动电路的输出端连接所述无刷电机。

可选的，所述交流变换直流电路，包括：第一电源输入端、第二电源输入端、二极管d1、二极管d2、二极管d3、二极管d4、电容c1以及直流输出端；

所述第一电源输入端分别连接所述二极管d1的正极和所述二极管d4的正极，所述第二电源输入端分别连接所述二极管d2的正极和所述二极管d3的正极；所述二极管d1的负极和所述二极管d2的负极分别连接所述直流输出端，所述二极管d3的负极和所述二极管d4的负极，经过所述电容c1连接所述直流输出端。

可选的，所述二极管d1、二极管d2、二极管d3、二极管d4为耐压大于450v的大电流整流二极管。

可选的，所述直流变换直流电路，包括：用于将高压直流电压转换为低压直流电压的开关降压直流直流变换器u1、肖特基二极管d6、储能功率电感l1；

所述肖特基二极管d6的正极和所述储能功率电感l1的一端，分别连接所述交流变换直流电路的直流输出端；所述肖特基二极管d6的负极连接所述开关降压直流直流变换器u1的vdd管脚，所述储能功率电感l1的另一端连接所述开关降压直流直流变换器u1的gnd管脚，所述开关降压直流直流变换器u1的sw管脚连接所述功率驱动电路的直流输入端。

可选的，所述开关降压直流直流变换器u1，为带过压过流保护的集成开关变换器。

可选的，所述储能功率电感根据实际需要的功率电流和开关频率要求选择合适规格的储能电感。

可选的，所述交流变换直流电路的输入端连接220vac或110vac交流电源、220v以下的交流电源或者48vdc或24vdc直流电源。

可选的，所述一体化无刷风机还包括检测反馈单元；所述检测反馈单元，包括：电流采样电路、电压采样电路、速度采样电路和/或霍尔位置传感器电路，分别用于采集所述无刷电机的温度参数、电压参数、速度参数和电子换相基准信号。

所述主控制器，提供有：用于连接所述电流采样电路的电流采样adc模数转换器输入接口cur_se，用于连接所述电压采样电路的电压采样adc模数转换器输入接口mot_vr，用于连接速度采样电路的速度采样adc模数转换器输入接口spd_se，用于连接所述霍尔位置传感器电路的hall信号输入检测输入接口hall_in，以及用于连接所述功率驱动电路的多路pwm输出控制器输出接口。

可选的，所述功率驱动电路为分立h桥功率开关电路或集成的功率驱动模块。

可选的，所述功率驱动电路，包括功率开关管模块u2、功率开关管模块u3、功率mosfet开关q1、功率mosfet开关q2、功率mosfet开关q3、功率mosfet开关q4；

所述功率mosfet开关q1、功率mosfet开关q2、功率mosfet开关q3、功率mosfet开关q4组成单相h桥；

所述主控制器向所述功率驱动电路输出4路pwm信号，所述4路pwm信号经过所述功率开关管模块u2和所述功率开关管模块u3的电压隔离转换和预放大处理后驱动所述单相h桥，实现所述无刷电机的绕组电流电压的电子换相。

与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：

本发明实施例提供的一体化无刷风机，将交流电源和直流电源自适应变换电路与风机驱动电路集成一体内置，实现无刷风机供电的直流和交流混接，风机供电接口无需区分交直流，也无需区分直流输入电压的正负极性，极大方便了无刷风机的工业现场工程应用和实施，简化了设备成本，提高了设备应用部署的灵活性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一体化无刷风机的原理结构图。

图2为本发明实施例提供的主控制器的外围参考电路图。

图3为本发明实施例提供的功率驱动电路的参考电路图。

图4为本发明实施例提供的交流变换直流电路的参考电路图。

图5为本发明实施例提供的直流变换直流电路的参考电路图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

针对无刷风机的各种应用领域的不同需求，本发明在传统电源技术基础上通过创新的电路设计，把交流电源和直流电源自适应变换电路与风机驱动电路集成一体内置在无刷风机内部，实现无刷风机供电的直流和交流混接，而且直流输入也不需要区分正负极，极大方便了无刷风机的工业现场工程应用和实施，简化了设备成本，提高了设备应用部署的灵活性。

请参阅图1，本发明实施例提供了一种一体化无刷风机，主要包括无刷电机、交流变换直流电路，直流变换直流电路，主控制器和功率驱动电路。

其中，交流变换直流电路的输入端连接交流电源或者直流电源，输出端连接直流变换直流电路的输入端；直流变换直流电路的输出端连接主控制器的输入端，主控制器的输出端连接功率驱动电路的输入端，功率驱动电路的输出端连接无刷电机。

下面将对各个功能单元分别进行详细描述：

(1)主控制器

该主控制器，包括处理器和处理器所需要的关键资源。其中，处理器为核心部分，采用包括但不限于各种8位单片机、32位arm、集成专用芯片、集成内置功率驱动控制芯片及其他任意的可编程处理器芯片。

处理器所需要的关键资源，包括但不限于：pwm控制器，adc模数转换器，以及必要的用于传输信号的输入输出gpio等。

(2)功率驱动电路

驱动电路单元，与主控制器的pwm控制器的输出端电连接，接收来自pwm控制器送出的2对4路(2相)或3对6路(3相)对称pwm信号。

本实施例中，驱动电路单元包括但不限于各种功率mosfet或igbt、ipm模块组成的分立单相或3相h桥功率开关电路或集成的功率驱动模块等。

(3)交流变换直流电路

交流变换直流电路可以把交流输入电压整流成直流电压，也可以把任意极性接入的直流电压转换成固定极性的直流电压。具体的，该交流变换直流电路，包括但不限于各种交流转换直流电路、二极管整流电路、整流模块。

无刷风机的外部电源接口为两根线，既可以接交流电源，也可以直接接直流电源。比如可以接220vac或110vac交流电，或者220v以下的任意可用的交流电压，也可以接48vdc或24vdc直流电源正负极，或者其他可用的直流电压值，而且不区分直流电源正负极可以任意接线。

(4)直流变换直流电路

直流变换直流电路，用于将高压直流电压降为低压直流电压，给主控制器提供工作电压。具体的，该直流变换直流电路包括但不限于各种直流转换直流开关电路、开关降压集成电路等。

此外，本实施例的一体化无刷风机，还可包括用于检测无刷电机的各项电参数的检测反馈单元。具体的，该检测反馈单元，包括：电流采样电路、电压采样电路、速度采样电路和/或霍尔位置传感器电路，分别用于采集无刷电机的温度参数、电压参数、速度参数和电子换相基准信号。

综上，本发明实施例提供的一体化无刷风机，由于其内部集成了交流电源和直流电源自适应变换电路，实现了无刷风机供电的直流和交流混接，而且直流输入也不需要区分正负极，极大方便了无刷风机的工业现场工程应用和实施，简化了设备成本，提高了设备应用部署的灵活性。

下面本实施例针对一体化无刷风机的各个功能单元分别提供了参考性示例，图2示出了主控制器外围电路的一种参考电路图，图3示出了功率驱动电路的一种参考电路图，图4示出了交流变换直流电路的一种参考电路图，图5示出了直流变换直流电路的一种参考电路图。

示例性的，主控制器外围参考电路，如附图2所示：

该主控制器，提供有：电流采样adc模数转换器输入接口cur_se(pin8)、电压采样adc模数转换器输入接口mot_vr(pin15)、速度采样adc模数转换器输入接口spd_se(pin16)、hall信号输入检测输入接口hall_in(pin3)、以及多路pwm输出控制器输出接口，分别用于连接电流采样电路、电压采样电路、霍尔位置传感器电路、功率驱动电路。

多路pwm输出控制器输出接口，输出单相h桥上臂ah信号和bh信号以及下臂al信号和bl信号，分别用于驱动单相h桥的四个臂的4个功率mosfet开关管。

示例性的，功率驱动电路，如附图3所示：

该功率驱动电路，包括功率开关管模块u2、功率开关管模块u3、功率mosfet开关q1、功率mosfet开关q2、功率mosfet开关q3、功率mosfet开关q4。

附图2中主控制器u4基于霍尔位置传感器检测，处理器程序按特定的逻辑换相顺序输出2对4路pwm信号：ah、al、bh、bl，4路pwm信号经过功率开关管模块u2和功率开关管模块u3的电压隔离转换和预放大处理后分别驱动由4个功率mosfet开关q1、q2、q3、q4组成的单相h桥，实现无刷风机绕组电流的电子换相。

以单相h桥换向逻辑为例，h桥上臂的功率mosfet开关管q1、q3和下臂的mosfet功率开关管q2、q4二二导通，每一瞬间有2个功率管导通。

pwm信号ah和bl为高电平且al和bh为低电平时，h桥左上臂(q1)和右下臂(q4)同时导通；

pwm信号al和bh为高电平且ah和bl为低电平时，h桥右上臂(q3)和左下臂(q2)同时导通；

pwm信号组ah+bl和信号组al+bh，根据周期变化的霍尔位置传感器输出信号为基准，每隔1/2周期(180度电角度)换向一次。

如附图3所示，四路pwm信号ah、bh、al、bl分别经过功率开关管模块u2和u3的预驱动和电压隔离转换，功率开关管模块u2和u3分别输出2路mosfet驱动信号ho和lo，接入mosfet的栅极，控制每个mosfet的高速开关。

示例性的，交流变换直流电路，如附图4所示：

该交流变换直流电路，包括：第一电源输入端、第二电源输入端、二极管d1、二极管d2、二极管d3、二极管d4、电容c1以及直流输出端；

第一电源输入端分别连接二极管d1的正极和二极管d4的正极，第二电源输入端分别连接二极管d2的正极和二极管d3的正极；二极管d1的负极和二极管d2的负极分别连接直流输出端，二极管d3的负极和二极管d4的负极，经过电容c1连接所述直流输出端。

当输入交流电源(比如220v,50hz)时，二极管d1、二极管d2、二极管d3、二极管d4组成一个全波整流电路，把交流电压转换为高压直流电压，dc输出为直流正极，gnd为直流负极；

当输入直流电源(比如48vdc)时，二极管d1、二极管d2、二极管d3、二极管d4组成一个极性转换电路，把任意极性接入的直流电压转换为固定极性的直流电压，dc输出为直流正极，gnd为直流负极，供给功率驱动电路以及下一级的直流变换直流电路。

可选的，二极管d1、二极管d2、二极管d3、二极管d4是高耐压大电流整流二极管，耐压大于450v，额定电流根据风机功率需要。

示例性的，直流变换直流电路，如附图5所示：

该直流变换直流电路，包括：用于将高压直流电压转换为低压直流电压的开关降压直流直流变换器u1、肖特基二极管d6、储能功率电感l1；

肖特基二极管d6的正极和储能功率电感l1的一端，分别连接交流变换直流电路的直流输出端；肖特基二极管d6的负极连接开关降压直流直流变换器u1的vdd管脚，储能功率电感l1的另一端连接开关降压直流直流变换器u1的gnd管脚，开关降压直流直流变换器u1的sw管脚连接功率驱动电路的直流输入端。

其中，u1是高效开关降压直流直流变换器(dcdc)，把输入的高压直流电压转换为低压直流电压，比如5vdc或3vdc，供给主控制器等低压电路，其中包括一些必要的保护电路以及功率控制电路。

u1、d6和l1是直流直流变换器(dcdc)的关键元件，u1可以是带集过流过压保护的集成开关变换器，d6是快速开关肖特基二极管，l1是储能功率电感，例如一般在4.7uh-10uh，额定电流约1a。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。