CN101166009A

CN101166009A - 一种新型的无霍尔无刷控制器

Info

Publication number: CN101166009A
Application number: CNA2006100161475A
Authority: CN
Inventors: 邓林
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-10-17
Filing date: 2006-10-17
Publication date: 2008-04-23

Abstract

本发明是一种新型的无霍尔无刷控制器，其特点在于通过互感技术和带通滤波，快速准确寻找静止状态下的转子位置，剔除干扰，实现宽负载变化范围内地高效起动；根据Kalman预测理论和PID理论以及互感理论，做出针对电动车用电机的无霍尔控制器。针对各种路况、车辆负载情况和启动路况的不同，来确定在哪个负载范围内启动，并且通过实验在测功机上预设负载下启动，观察启动时换向信号与霍尔信号的实际差异，从而实现在宽负载范围内的高效启动。具体包括无刷无霍尔电机的检测电路和表头速度显示电路两部分，能广泛应用于电动车控制器领域。该项技术对硬件要求简单，成本低廉，启动性能和正常运行性能都好，具有很好的推广性。

Description

一种新型的无霍尔无刷控制器

技术领域

本发明是针对目前市场上的无刷电机控制器全部采用霍尔元件，损坏现象严重而进行的改进，具体包括无霍尔无刷电机的检测电路和表头速度显示电路两部分，能具体应用于电动车控制器领域。

无刷无霍尔电机的检测电路包括电机三相线输出、输入到单片机外围、供单片机准确判断当前电机转子位置的电路，适合应用于各个无刷电机与各种型号单片机相匹配。

表头速度显示电路是从单片机输出信号到电动自行车(摩托车)速度显示的电路，能广泛适合于电动车的速度显示。

技术背景

无刷直流电机具有调速性好、体积小、效率高等优点，在很多领域得到广泛应用，但无刷直流电机没有换相器，需要采用一定的方法获取转子位置信号。传统的方法是采用传感器获取转子位置，方法简单易行，但传感器易受环境影响，容易损坏，增加了成本，难以维修，使其使用受到限制。国内外文献资料也提供了一系列的解决方案。但大多数都是基于DSP做处理器，检测电路，偏重硬件，增加成本。本发明通过借助单片机从软件上实现了转子位置的检测，同时利用表头速度显示电路准确显示当前速度，降低了生产成本和电动车的售后维修成本，能广泛应用于电动车控制器中。

发明内容

本发明是一种新型的无霍尔无刷控制器，其特点在于通过互感技术和带通滤波，快速准确寻找静止状态下的转子位置，剔除干扰，实现宽负载变化范围内地高效起动；根据Kalman预测理论和PID理论以及互感理论，做出针对电动车用电机的无霍尔控制器。针对各种路况、车辆负载情况和启动路况的不同，来确定在哪个负载范围内启动，并且通过实验在测功机上预设负载下启动，观察启动时换向信号与霍尔信号的实际差异，从而实现在宽负载范围内的高效启动。具体研究方案如下：

1、静止状态下转子位置的快速高效识别：利用Kalman预测理论、PID理论以及互感理论以实现超低转速(1.85转/分)以下时，快速识别转子位置，具有速度快，准确性高的优点，并且精确到30°电角度之内，利用电机磁滞效应寻找转子的南北极方向。

2、启动阶段转把PID调节：启动阶段旨在设计成先是恒扭矩，后是恒加速度启动模式，并依此来调节占空比。

3、较低转速下的运行：当电机转速介于1.85转/分-3.2转/分时，为了避免不可抗的外界力导致的电机反转引起的失布步，必须采用电机正反转识别技术，并且不能引起电机扭矩大的波动。以实现宽大负载范围内的大扭矩起动。

4、低转速下的运行：当电机转速介于3.2转/分-4.6转/分时，由于电机的惯性存在，不用再考虑电机会在外力作用下在60°电角度之内会改变运行方向的情况(尽管这种情况在某些人为的情况下可能会出现)，故而可以采用专有的探测技术在不知不觉之中采集转子位置信号了，而此信号恰恰可以重合到反电动势信号当中，从而随着转速的提高，信噪比会成比例的提高。

5、正常转速下的运行当电机转速大于4.6转/分时，依靠反电动势的过零点就可以快速简单的寻找到转子位置信号，此部分技术已相当成熟，此不赘述。

6、在较低转速下运行时相移的控制：较低转速下为了实现稳定运行，必须提前换向，即过零点后，延迟预测本周期T的1/4(15°)换向，实现45°-105°运行。

7、相移的问题：在10转/分转速下运行时，滤波电路造成的相移很小，可不予考虑，故而在反电动势过零点之后延迟30°电角度换向，实现60°-120°运行。当转速高于10转/分时，滤波电路造成的相移越来越大，此时必须考虑其影响，以软件方式加以补偿。

8、周期长度的Kalman预测：为了保证其正常运行，必须估测当前周期长度，依据转把信号，通过前几次的周期信号来预测本次周期的长度，实现负载变化时不失步。

9、随机PWM技术的运用：为了减少发热量，降低了PWM的频率，但是却出现了可听噪声，采用随机PWM技术后，有效地降低了规律性噪声，将频谱平铺到了很宽的频率范围内，达到了可以接受的程度。

具体包括无刷无霍尔电机的检测电路和表头速度显示电路两部分，能广泛应用于电动车控制器领域。

本发明中的检测电路解决其技术问题是采取以下技术方案来实现的，其具体特征在于(参见图1)：

以A相为例，A-OUT与电阻R1的一端相连，电容C1、C2与电阻R1的另一端相连，电阻R2与R1相连，电容C3、C4与R2相连，电阻R13与R2相连，电容C5、C14与电阻R13相连，电阻R26、R27与R13相连，三极管T1集电极与电容C1另一端相连，三极管T1基极与电阻R3相连，三极管T1的发射极接地。三极管T6的集电极与电容C4的另一端相连，三极管T6的基极与电阻R4相连，T6的发射极接地。三极管T5集电极与电容C5另一端相连，三极管T5的基极与电阻R14相连，三极管T1的发射极接地。电容C10、C13和C14另一端接地。电阻R27、R28、R29接到一起与ICIA的负极相连，ICIA的正极接地，IC1A的电源接12V，负极接-12V，电阻R32与IC1A输出端和电阻R30的一端相连，电阻R30的另一端与电阻R28相连，电阻R32的另一端与IC2B的负极相连，IC2B的正极接地，电阻R33的一端与IC2B的负极相连，另一端与IC2B的输出端相连，IC1B的输出端与IC2A的正极相连，IC2A的正极与电阻R13相连，IC2A的输出端接到单片机的输入引脚，电阻R19的一端与5.6V相连，另一端与IC2A输出端相连。

本发明中的速度显示电路解决其技术问题是采取以下技术方案来实现的，其具体特征在于(参见图2)：

电阻R72一端连接5.6V，另一端和三极管T1的基极以及电阻R14的一端相连接，R14的另一端接地。三极管T1的发射极与AT、BT、CT相连接，三极管T1的集电极与R78和R87相接，电阻R87的另一端与三极管T17的基极相接，三极管T17的发射极和二极管D6的正极相连，二极管D6的另一端与A-OUT相连，三极管T17的集电极分别接电阻R88和48-24表头，电阻R88的另一端接到二极管D7的负端，和三极管T12的基极，二极管D7的正极与电阻R80相连接，三极管T12的集电极与电阻R81的一端相连，三极管T12的发射极分别与电阻R89和三极管T7的基极相接，电阻R89的另一端接地，三极管T7的发射极与0-24表头相接，三极管T7的集电极与电阻R81、R80、R78的另一端相接，共同连接到KPOWER。

工作原理

1、检测电路：

-v0＝Rf/R1*va+Rf/R2*vb+Rf/R3*vc

通过滤波后将电机输出的三相线与三线的中点电压进行比较准确得到当前电机转子位置。

2、表头速度显示电路：

当有电机转动时，BTCT为高，当电机不转时，将该引脚置低，A-OUT(电机三相线其中的一根，显示当前电机换相频率)，当电机转动越快转速越高，A-OUT的输出频率越高，当BTCT为低时，由于三极管TI的基极电压为2.7V，三极管T1导通，三极管T17始终截止；当BTCT为高，A-OUT为高时，三极管T17截止，48-24为高；当BTCT为高，A-OUT为低时，三极管T17导通，48-24为低；当48-24为高时，三极管T12截止，三极管T12的发射极为低电位，三极管T2截止，0-24为低；反之，当48-24为低时，0-24为高。

优点和有益效果

1.能够准确的判断当前转子位置及准确显示电动车的运行速度。

2.降低了对单片机的要求，电路简单实用，稳定性好，节省了成本，降低故障率。

3.采用三阶滤波后，能够将比较高的电压转换为单片机可以接受的输入电压。

4.通过无霍尔控制器的使用，能给整个电动车行业带来如下好处：由于取消了对霍尔元件的依赖，从而大大提高了电动车的质量和可靠性；电机不存在60°与120°相角之分，电动车的配置走向了统一，使生产、安装、调试、维修和维护更为简单；因电机可以做到终身免维修的水平，节省了售后成本，解决了厂家、经销商、电机生产商、消费者的售后问题；从整车的角度来看，整车质量明显提高，寿命延长，电动车厂及经销商的品牌和声誉能得到巨大的提升。

具体实施例

具体研究过程如下：首先进行前沿技术研究，从理论上实现无霍尔定位检测；然后根据电动车的实际应用提出相关的功能和性能指标要求；最后进行软件编程，实现利用互感技术在3ms内快速寻找静止状态下的转子位置，并且精确到30°电角度。

实施例1(参见图1)：

实施例2(参见图2)：

Claims

1.一种新型的无刷控制器，它是在常规无刷控制器的基础上取消了霍尔元件，其特征在于根据Kalman预测理论、PID理论及互感理论，针对各种路况、车辆负载情况和启动路况的不同，来确定在哪个负载范围内启动，并且通过实验在测功机上预设的负载下启动，观察启动时换向信号与霍尔信号的实际差异，从而实现在宽负载范围内的高效启动。

2.根据权利要求1所述的无刷控制器，其特征在于：利用Kalman预测理论、PID理论以及互感理论以实现超低转速(1.85转/分)以下时，快速识别转子位置，具有速度快，准确性高的优点，并且精确到30°电角度之内，利用电机磁滞效应寻找转子的南北极方向。

3.根据权利要求1所述的无刷控制器，其特征在于启动阶段的转把PID调节，在启动阶段设计成先是恒扭矩，后是恒加速度启动模式，并依此来调节占空比。

4.根据权利要求1所述的无刷控制器，其特征在于当电机转速介于1.85转/分-3.2转/分时，采用电机正反转识别技术，来避免不可抗的外界力导致的电机反转引起的不失步，以实现宽大负载范围内的大扭矩起动。

5.根据权利要求1所述的无刷控制器，其特征在于当电机转速介于3.2转/分-4.6转/分时，由于电机的惯性存在，可不考虑电机会在外力作用下在60°电角度内会改变运行方向，采用专有的探测技术采集转子位置信号，并将此信号重合到反电动势信号当中。

6.根据权利要求1所述的无刷控制器，其特征在于在转速介于1.85转/分-3.2转/分运行时相移的控制，为实现稳定运行，必须提前换向，即过零点后，延迟预测本周期T的1/4(15°)换向，实现45°-105°运行。

7.根据权利要求1所述的无刷控制器，其特征在于电机在10转/分的转速下运行时，滤波电路造成的相移很小，可不予考虑，在反电动势过零点之后延迟30°电角度换向，实现60°-120°运行；当转速高于10转/分时，利用软件方式来补偿滤波电路造成的相移影响。

8.根据权利要求1所述的无刷控制器，其特征在于利用带通滤波，取出有用的信息，剔除了PWM的噪声干扰和在某速度范围内的反电动势干扰，确保加速阶段不出现失步。