能量回收模块及直流永磁电机驱动装置的制作方法

1.本实用新型涉及电机领域，尤其涉及一种能量回收模块及直流永磁电机驱动装置。


背景技术：

2.目前市面上普及存在一些使用电池供电的直流永磁电机驱动的设备，比如电动工具、园林工具、电动自行车甚至电动汽车等；特别是需要频繁启停的电动设备，譬如电圆锯，电动割草机等。这些由直流永磁电机驱动的设备在其电池关断时，由于惯性原因会使永磁电机在没有电能驱动的状态下仍能保持一定时间的旋转，此时永磁电机会以发电机发电的形式，将惯性动能转换为电能，如果这些电能不加以处理或利用，容易导致电池寿命变短，甚至损坏、烧坏控制器的元件等现象的发生。
3.相关技术中，是采用电子刹车或续流的方式将永磁电机在停转过程中产生的能量消耗掉，从而保护电路；但是这些方式并不能将该能量吸收再利用。


技术实现要素：

4.针对现有技术中上述的缺陷，本实用新型要解决电机在停转过程中产生的能量不能合理利用的技术问题，提供一种能量回收模块及直流永磁电机驱动装置。
5.本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种能量回收模块，应用于直流永磁电机驱动装置，其中该直流永磁电机驱动装置包括电池、电机、电连接于所述电池和电机之间的第三开关电路、以及与所述第三开关电路连接的主控单元；
6.所述能量回收模块包括用于控制通断的第一开关电路、以及用于将所述电机停转过程中产生的电能限流至第一预设值的第一恒流电路；
7.所述第一恒流电路包括第一限流电路、用于控制所述电机停转过程中产生的电能流向所述第一限流电路的第二开关电路、以及用于防止所述电池的电流流过所述第一限流电路的第一防反电路；
8.所述第一开关电路串联于所述电池和所述电机之间，且所述主控单元与所述第一开关电路的控制端连接，以在所述电机停转时控制所述电池与电机之间电连接断开；
9.所述第二开关电路用于接收所述电能的第二端连接于所述电机；所述第二开关电路用于输出所述电能的第一端接于所述第一限流电路；所述第二开关电路用于控制所述电能流向所述第一限流电路的第三端连接于所述电机；
10.所述第一限流电路的第二端连接所述第二开关电路的第二端以接收所述电能；所述第一限流电路的第三端连接所述第二开关电路的第三端，以起反馈作用，保持所述第二开关电路处于工作状态；所述第一限流电路的第一端与所述电池连接，以将限流后的电能充入所述电池。
11.优选地，还包括用于将所述电机停转过程中产生的脉冲直流转换为稳定直流的储能单元；
12.所述储能单元用于输出稳定直流的一端连接于所述第二开关电路与所述电机之间。
13.优选地，所述第一限流电路包括第五电阻r5、及基准源u1；
14.所述第五电阻r5的第一端、所述基准源u1的阳极共连接至所述电池的正极端，所述第五电阻r5的第二端连接所述第二开关电路的第一端；所述基准源u1的阴极通过所述第一防反电路与所述第二开关电路的第三端连接，所述基准源u1的参考极与所述第五电阻r5的第二端连接。
15.优选地，所述第一防反电路包括第三二极管d3；
16.所述第三二极管d3的阳极连接所述第二开关电路的第三端，所述第三二极管d3的阴极连接所述基准源u1的阴极。
17.优选地，所述限流电路包括第一稳压管d1以及第一电阻r1；
18.所述第一稳压管d1的阴极连接所述第二开关电路的第三端连接；第一稳压管d1的阳极连接所述第一防反电路的第二端；所述第一电阻r1的第一端、所述第一防反电路的第一端共连接至所述电池的正极端；所述第一电阻r1的第二端连接至所述第二开关电路的第一端。
19.优选地，所述第一防反电路包括第四二极管d4；
20.所述第四二极管d4的阳极连接所述第一稳压管d1的阳极，所述第四二极管d4的阴极连接所述电池的正极端。
21.优选地，所述第一开关电包括第一mos管q1；
22.所述第一mos管q1的栅极与所述主控单元连接；所述第一mos管q1 的漏极连接所述电池的正极端；所述第一mos管q1的源极连接所述电机。
23.优选地，所述第二开关电路包括第九三极管q9、第九电阻r9以及第六电阻r6；
24.所述第九三极管q9的基极一路连接所述第九电阻r9的第一端，其另一路连接所述第一限流电路一端；所述第九三极管q9的发射极与所述第一限流电路另一端连接；所述第九三极管q9的集电极连接所述第六电阻r6的第一端；所述第九电阻r9和所述第六电阻r6的第二端共接于所述电机或所述第三开关电路。
25.优选地，所述储能单元包括电解电容ec1；
26.所述电解电容ec1的正极连接于所述电机、和所述第二开关电路之间；所述电解电容ec1的负极接地。
27.本实用新型还构造一种直流永磁电机驱动装置，包括电池、电机、电连接于所述电池和电机之间的第三开关电路、以及与所述第三开关电路连接的主控单元；所述第三开关电路包括用于控制所述电池与电机之间电连接通断的至少一mos管；
28.所述直流永磁电机驱动装置还包括上述的能量回收模块。
29.实施本实用新型具有以下有益效果：本实用新型的能量回收模块采用一种线性恒流电路，将电机在停转过程中产生的能量进行回收，反充电至为电机提供驱动电能的电池中，以解决电机在停转过程中产生的能量不能合理利用的难题。整个能量回收模块结构简单，仅采用少量简单元器件达到能量安全回收的目的。
附图说明
30.下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：
31.图1是本实用新型在一些实施例中直流永磁电机驱动装置的逻辑框图；
32.图2是本实用新型在另一些实施例中直流永磁电机驱动装置的逻辑框图；
33.图3是本实用新型在一些实施例中直流永磁电机驱动装置的电路原理图；
34.图4是本实用新型实施例1中直流永磁电机驱动装置的电路原理图；
35.图5是本实用新型实施例2中直流永磁电机驱动装置的电路原理图；
36.图6是本实用新型实施例3中直流永磁电机驱动装置的电路原理图；
37.图7是本实用新型实施例4中直流永磁电机驱动装置的电路原理图。
具体实施方式
38.为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。以下描述中，需要理解的是，“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”、“纵”、“横”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“头”、“尾”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、以特定的方位构造和操作，仅是为了便于描述本技术方案，而不是指示所指的装置或元件必须具有特定的方位，因此不能理解为对本实用新型的限制。
39.还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“设置”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。当一个元件被称为在另一元件“上”或“下”时，该元件能够“直接地”或“间接地”位于另一元件之上，或者也可能存在一个或更多个居间元件。术语“第一”、“第二”、“第三”等仅是为了便于描述本技术方案，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
40.需要说明的是，图1、图2中直线+箭头代表电池11正常为电机12供电的电流流向；而点划线+箭头代表电机12在停转过程中因惯性产生的电能反充回电池11的电流流向。
41.图1-图7示出了本发明一些实施例中的直流永磁电机驱动装置100。
42.其中，如图1、图3至图4所示，本发明实施例1中直流永磁电机驱动装置100包括动力模块1，动力模块1包括电池11、电机12、主控单元13以及第三开关电路14。其中，电池11具有正极端和负极端，该正极端和负极端分别与电机12的两端电连接，为电机12提供工作电能。第三开关电路14连接于电池11与电机12之间，用于控制电池11与电机12之间电连接的通断；同时，第三开关电路14的控制端与主控单元13电连接，由主控单元13控制第三开关电路14的工作状态，第三开关电路14的工作状态包括导通或断开。
43.在一些实施例中，电机12包括永磁电机12，比如无刷直流电机。
44.在一些实施例中，电池11包括电池包。
45.在一些实施例中，主控单元13可以是单片机。
46.可以理解地，电池11、电机12、主控单元13可参考现有技术，在这不做具体赘述。
47.第三开关电路14在一些实施例中可包括至少一个第三开关单元，该至少一个第三开关单元用于连接在电池11与电机12之间电连接的通断，其中第三开关单元的控制端与主控单元13连接，以由主控单元13分别控制第三开关单元的工作状态，从而控制电机12的工作状态，电机12的工作状态包括工作或停止工作。
48.该第三开关单元可为mos管。在一些实施例中，如图3所示，第三开关电路14可包括第十九mos管q19和第十二电阻r12。具体地，第十九mos 管q19的栅极连接主控单元13，第十九mos管q19的漏极连接电机12，第十九mos管q19的源极通过第十二电阻r12接地。
49.在另一些实施例中，如图4所示，第三开关电路14包括第二mos管q2、第三mos管q3、第四mos管q4、第五mos管q5、第六mos管q6、第七mos管q7。具体地，第二mos管q2、第三mos管q3、第四mos管 q4的各漏极与电池11连接，第五mos管q5、第六mos管q6、第七mos 管q7的各栅极分别与主控单元13连接，第五mos管q5、第六mos管q6、第七mos管q7的各源极共接地；电机12三相端中的第一端连接于第二mos 管q2的源极与第五mos管q5的漏极之间，电机12三相端中的第二端连接于第三mos管q3的源极与第六mos管q6的漏极之间，电机12三相端中的第三端连接于第四mos管q4的源极与第七mos管q7的漏极之间。
50.在本实施例中，第二mos管q2、第三mos管q3、第四mos管q4、第五mos管q5、第六mos管q6、第七mos管q7均为nmos管。
51.进一步地，第三开关电路14还包括第十一电阻r11；第五mos管q5、第六mos管q6、第七mos管q7的各源极均通过第十一电阻r11后接地。
52.可以理解地，当需要电池11提供电能给电机12工作时，主控单元13可控制当中对应的第三开关单元导通，使电池11与电机12之间形成回路；比如，主控单元13可控制第二mos管q2和第七mos管q7，使电池11与电机12 之间形成回路。当然，具体如何依序控制当中的第三开关单元导通，可参考现有技术，此处仅作简单解释。
53.如图1、图3至图4所示，直流永磁电机驱动装置100还包括连接于电池 11和电机12之间的能量回收模块2，该能量回收模块2可将电机12在停转过程中因惯性能量产生的电能加以回收，反充电至电池11中；同时限制回收电流的大小，使电能能够在安全范围内反充回电池11内。
54.能量回收模块2的第一端连接电池11的正极端，能量回收模块2的第二端连接电机12或第三开关电路14。其中能量回收模块2包括第一限流电路24；在电机12停转的过程中，产生的电能流过其第一限流电路24，可将电能限制至符合电池11可接收范围的电流大小，并反充回电池11内。
55.能量回收模块2在一些实施例中包括第一开关电路21、以及第一恒流电路20。其中，第一恒流电路20包括第二开关电路22、第一防反电路23以及第一限流电路24。
56.其中，第一开关电路21串联于电池11与电机12之间，用于控制电池11 与电机12之间电连接的通断；而其第一开关电路21的控制端与主控单元13 电连接，由主控单元13控制第一开关电路21的工作状态，第一开关电路21 的工作状态包括导通或断开。
57.第二开关电路22具有用于输出电能的第一端、用于接收电能的第二端、以及于控制电能流向第一限流电路24的第三端。其中第二开关电路22的第三端的第二路、与第二开关电路22的第二端共接，该共接端作为上述能量回收模块2的第二端，连接至电机12或第三开关电路14，第二开关电路22第一端、以及其第三端的第一路分别与第一限流电路24连接。
在一些实施例中，第二开关电路22包括第二开关单元221以及第一分压单元222，第二开关单元221可在电机12产生电能时处于工作状态，使得电能流向第一限流电路24；第一分压单元222可起到分压的作用。上述第二开关单元221的工作状态包括放大状态或者饱和状态。
58.第一限流电路24的第二端连接第二开关电路22的第二端以接收电能；第一限流电路24的第三端连接第二开关电路22的第三端，以起反馈作用，保持第二开关电路22处于工作状态；第一限流电路24的第一端作为上述能量回收模块2的第一端，连接电池11的正极端，以将限流后的电能充入电池11，实现对能量的回收。
59.还有的是，防反电路与第一限流电路24连接，防止在电机12停转时电池 11的电流流过第一限流电路24，以达到低静态功耗的目的。
60.可以理解地，当需要电池11提供电能给电机12工作时，主控单元13控制第一开关电路21和第三开关电路14导通，接通电池11与电机12之间的电连接，电机12可开始工作。在电机12需要停止工作时，主控单元13控制第一开关电路21断开，断开电池11与电机12之间的电连接，此时电机12因惯性能量产生电能，经第三开关电路14流向第二开关电路22，第二开关电路22 导通；电能流向第一限流电路24，第一限流电路24将电能限流至第一预设值，最终第一预设值的电能反充至电池11内。上述第一预设值是根据电池11可接收的充电范围而设定的。
61.第一开关电路21在一些实施例中可包括第一mos管q1。具体地，该第一mos管q1的栅极与主控单元13连接；第一mos管q1的漏极连接电池 11的正极端；第一mos管q1的源极连接电机12。
62.在本实施例中，第一mos管q1为pmos管。当然，还可以用nmos 管或直接使用开关、继电器等器件替代第一mos管q1，在此不作具体的限定。
63.第二开关电路22包括第二开关单元221、与第二开关单元221连接的第一分压单元222。在一些实施例中，第二开关单元221可包括第九三极管q9；第一分压单元222可包括第九电阻r9、第六电阻r6。具体地，第九三极管 q9的基极一路连接第九电阻r9的第一端，其另一路连接第一限流电路24的第三端；第九三极管q9的发射极与第一限流电路24的第二端连接；第九三极管q9的集电极连接第六电阻r6的第一端；第九电阻r9的第二端与第六电阻r6的第二端共接，且该共接端连接于电机12或第三开关电路14连接。
64.在本实施例中，第九三极管q9为npn三极管。当然，还可以用mos管替代第九三极管q9，在此不作具体的限定。
65.第一限流电路24在一些实施例中可包括第五电阻r5、基准源u1。具体地，第五电阻r5的第一端、基准源u1的阳极共连接至电池11的正极端，第五电阻r5的第二端连接第九三极管q9的发射极；基准源u1的阴极依次连接第一防反电路23、第二开关电路22中的第九三极管q9的基极，基准源u1 的参考极与第五电阻r5的第二端连接。
66.可选地，基准源u1采用型号为tl431asdt的电子元件。
67.如图1、图4所示，第一防反电路23在一些实施例中连接于恒流电路和第二开关电路22之间，其可包括第三二极管d3。具体地，第三二极管d3的阳极连接第二开关电路22中的第九三极管q9的基极，第三二极管d3的阴极连接第一限流电路24中基准源u1的阴极。
68.如上所述，整个能量回收模块2的工作原理具体为：当第一mos管q1 关断后，电机12产生的电压经含有mos管的第三开关电路14，整流成直流电压，此时电流流经第九三极管
q9，驱使驱动第九三极管q9导通；其中第九电阻r9用于限制流入第九三极管q9基极的电流，第六电阻r6用于分担第九三极管q9的能量消耗。第九三极管q9导通后，电流流经第五电阻r5，会使第五电阻r5两端电压升高。当电压升高至第二预设值时，会使基准源u1 开启，使第九三极管q9基极电压下降，以此进入负反馈平衡，使第五电阻 r5、第九三极管q9、第六电阻r6的电流恒定，恒定的电流最终反充至电池 11内。而第三二极管d3在第一mos管q1关断且电机12停转时防止电池11 的电流经基准源u1流过，达到低静态功耗的目的。在本实施例中，第二预设值为2.5v。
69.图5示出了本发明实施例2中的直流永磁电机驱动装置100，其与上述实施例1的直流永磁电机驱动装置100的结构基本相同，两者的区别在于能量回收模块2中的第二限流电路26和第二防反电路27替代了上述的第一限流电路 24和第一防反电路23。
70.如图5所示，第二限流电路26可包括第一稳压管d1以及第一电阻r1。具体地，第一稳压管d1的阴极连接第二开关电路22中的第九三极管q9的基极；第一稳压管d1的阳极连接第二防反电路27的第二端，即连接至其第四二极管d4的阳极；第一电阻r1的第一端、第二防反电路27的第一端共连接至电池11的正极端，即第一电阻r1的第一端、第四二极管d4的阴极共连接至电池11的正极端；第一电阻r1的第二端连接至第九三极管q9的发射极。
71.第二防反电路27可包括第四二极管d4。具体地，第四二极管d4的阳极连接第二限流电路26中第一稳压管d1的阳极，第四二极管d4的阴极连接电池11的正极端。
72.需要说明的是，第一限流电路24以及第二限流电路26仅在名称上作出区分；实质第一限流电路24的电路构造也可以与第二限流电路26的相同；第二限流电路26的电路构造同理。另外，第一限流电路24、第二限流电路26和第一防反电路23、第二防反电路27之间可以相互搭配使用，在这不作具体限定。
73.在该实施例中的能量回收模块2的工作原理具体为：在第九三极管q9导通后，由于第一稳压管d1的存在，第九三极管q9基极端的电压时稳定的，故其第九三极管q9在其i
be
处的电流也是恒定的，根据三极管的特性，第九三极管q9在其ic处也能处于恒定状态，实现恒流状态，恒定且安全的电流最终反充至电池11内。而第四二极管d4与上述第三二极管d3的作用基本相同，在第一mos管q1关断且电机12停转时防止电流经第一稳压管d1流过，达到低静态功耗的目的。
74.图6示出了本发明实施例3中的直流永磁电机驱动装置100，其与上述实施例1的直流永磁电机驱动装置100的结构基本相同，两者的区别在于能量回收模块2中增设了电机12和第一开关电路21之间的储能单元25。具体地，储能单元25第一端一路连接第一开关电路21，储能单元25第一端另一路连接第二开关电路22和电机12之间；储能单元25第二端接地。可以理解地，上述实施例1的直流永磁电机驱动装置100中，由电机12产生的电能是脉冲式的，在回收电能的过程中，电池11在充电时接收的是脉动直流。当加入储能单元25，由电机12产生的电能经第三开关电路14整流后，直流电压通过储能单元25，由储能单元25生成稳定的直流电压，从而使得电池11在充电时接收的是稳定的直流电流。
75.储能单元25在一些实施例中可包括电解电容ec1，电解电容ec1的正极一路连接第一mos管q1的源极，电解电容ec1的正极另一路连接第二开关电路22中第九电阻r9和第六电阻r6的第二端；电解电容ec1的负极接地。
76.可以理解地，电机12产生的电压在当第一mos管q1关断后，经整流成直流电压，并
给电解电容ec1充电，这个过程很快，且电解电容ec1的电压会快速上升至比电池11电压高，此时电流流经第九三极管q9，驱使驱动第九三极管q9导通，后续原理与上述的一致，在这不做具体赘述。
77.图7示出了本发明实施例4中的直流永磁电机驱动装置100，与上述实施例2的直流永磁电机驱动装置100的结构基本相同，两者的区别在于能量回收模块2中增设了上述的储能单元25。
78.综上，基于上述背景技术中提及到的技术缺陷，本实用新型构造了一种能量回收模块，以解决电机在停转过程中产生的能量不能合理利用的难题。该能量回收模块采用一种线性恒流电路，将电机在停转过程中产生的能量进行回收，反充电至为电机提供驱动电能的电池中。整个能量回收模块结构简单，仅采用少量简单元器件达到能量安全回收的目的。
79.可以理解的，以上实施例仅表达了本实用新型的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，可以对上述技术特点进行自由组合，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围；因此，凡跟本实用新型权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本实用新型权利要求的涵盖范围。