CN101325390B - 直流无刷电机的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种直流无刷电机的控制方法，包括电压波形采样电路、逆变器以及微控制器，该方法包括检测直流无刷电机在一设定转速下反电动势电压波形，将电压波形数据存储至微控制器中，微控制器建立并存储转速与反电动势的比例关系数据；逆变器向无刷直流电机输出电压后，电压波形采样电路采集直流无刷电机的转速以及逆变器输出的电压波形数据，并传送至微控制器；微控制器计算直流无刷电机当前转速下对应的反电动势电压波形数据以及误差阈值范围，并判断由逆变器输入的电压波形数据是否超出误差阈值范围，如是，微控制器向逆变器发出控制信号。本发明能使直流无刷电机运行时振动较少，并提高其效率。

Description

直流无刷电机的控制方法 

技术领域

本发明涉及一种电机的控制方法，具体地说，是一种直流无刷电机的控制方法。 

背景技术

直流无刷电机是一种取消了电刷、换向器等机械接触部件的直流电机，其采用微控制器替代了电刷以及换向器，因此，直流无刷电机的转速可以设计得较高，并能有效避免由电刷及换向器产生的噪音。 

现有的直流无刷电机有采用180°的控制方式，其控制电路包括微控制器以及逆变器，微控制器向逆变器输出控制信号，逆变器在控制信号的控制下向直流无刷电机的每一相提供正弦波电压，以驱动直流无刷电机工作。 

由于直流无刷电机运行时产生反电动势，逆变器向直流无刷电机提供的电压波形与该相反电动势电压波形不一致时，例如逆变器提供的电压波形与反电动势电压波形存在较大的相位差，或者波形周期不一致，又或者幅值有较大差异，将使直流无刷电机内部分通电电流产生的转矩与电机转动方向相反，从而引起直流无刷电机振动，并产生噪音。然而，现有对直流无刷电机的控制并不考虑逆变器向直流无刷电机提供的电压波形是否与反电动势的电压波形匹配，往往不能有效避免直流无刷电机振动，同时，无法提高直流无刷电机的效率。 

发明内容

本发明的主要目的是提供一种有效提高直流无刷电机工作效率的直流无刷电机控制方法。 

为实现上述的主要目的，本发明提供的直流无刷电机控制方法中，包括有与直流无刷电机连接的电压波形采样电路，向直流无刷电机输出电压的逆变器以及向逆变器输出控制信号的微控制器； 

该控制方法包括 

检测直流无刷电机在一设定转速下反电动势电压波形信号，并将该反电动势的电压波形数据存储至微控制器中，建立转速与反电动势的比例关系数据，并将该比例关系数据存储至微控制器中； 

逆变器向无刷直流电机输出电压，直流无刷电机在该电压下工作； 

电压波形采样电路采集直流无刷电机的转速以及逆变器输出的电压波形数据，并将逆变器输出的电压波形数据传送至微控制器； 

微控制器根据转速与反电动势的比例关系数据，计算直流无刷电机当前转速下对应的反电动势电压波形数据以及误差阈值范围，并判断由逆变器输入的电压波形数据是否超出误差阈值范围，如是，微控制器向逆变器发出控制信号，调节逆变器向直流无刷电机输出的电压。 

由上述方案可见，本方法中，直流无刷电机通电运行前检测直流无刷电机的转速以及反电动势的电压波形，并形成比例关系数据。直流无刷电机运行后，微控制器根据该比例关系数据控制逆变器，从而调节逆变器向直流无刷电机输出的电压，使输出的电压波形大致与反电动势的波形一致。这样，可确保逆变器向直流无刷电机输出的电压波形与直流无刷电机的反电动势电压波形大致相同，直流无刷电机运行时振动较少，产生的噪声也较少，并且提高直流无刷电机的工作效率。 

一个优选的方案是，逆变器设有多个功率管，通过功率管的轮流导通与截止来向直流无刷电机提供正弦波，并且微控制器发出的控制信号为调节功率管的PWM值的信号，也就是微控制器通过控制每一功率管的占空比来控制逆变器向直流无刷电机输出的电压。 

由此可见，微控制器需要调节逆变器向直流无刷电机输出的电压时，只需要改变功率管的PWM值，即改变功率管的导通时间，便可实现对逆变器输出电压的调整。这样，微控制器对逆变器的控制可仅由软件程序实现，不需要增加硬件设备，控制成本较低。 

附图说明

图1是本发明实施例中直流无刷电机与反电动势采样电路、微控制器连接示意框图； 

图2是本发明实施例中直流无刷电机与逆变器、微控制器、电压波形采样电路连接的示意框图； 

图3是本发明实施例中直流无刷电机与逆变器、电压波形采样电路连接的电原理图； 

图4是本发明实施例中直流无刷电机通电运行后的工作流程图； 

图5是本发明实施例中反电动势电压波形图以及逆变器输出的电压信号波形图。 

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。 

具体实施方式

本发明提供的控制方法中，首先需要建立直流无刷电机转速与反电动势电压波形数据的比例关系数据，因此，直流无刷电机通电运行前，需要检测直流无刷电机在一定转速下的反电动势电压波形。 

参见图1，是本发明实施例中直流无刷电机与反电动势采样电路、微控制器连接示意框图。由图1可见，直流无刷电机M与反电动势波形采样电路11连接，反电动势波形采样电路11采集直流无刷电机M的反电动势电压波形，包括反电动势电压波形的周期、相位、幅值等数据，并将采集到的数据传送至微控制器12中。其中，反电动势波形采样电路11可以由带有存储功能的示波器等仪器实现。 

检测直流无刷电机的反电动势波形数据时，首先让直流无刷电机M在外力带动下以一定的转速运行，该转速可由检测人员自由设定，优选地，该转速应该接近直流无刷电机M正常运行时的转速。 

然后，反电动势波形采样电路11采集直流无刷电机M在该转速下的反电动势电压波形，采集到的反电动势电压波形如图5中的E1所示。直流无刷电机M的反电动势E1电压波形大致为正弦波信号，反电动势波形采样电路11检测反电动势E1的周期、幅值、相位等数据，并将采集到的数据传送至微控制器12。同时，微控制器12也存储有直流无刷电机M的转速数据。 

本实施例中，微控制器12内有一计算程序，微控制器12接收到反电动势波形采样电路11传送的数据后，通过该计算程序计算转速与反电动势之间的比例关系。由于直流无刷电机M的反电动势与转速成正比关系，因此只需要检测直流无刷电机M在某一转速下反电动势的电压波形数据，即可计算并建立该直流无刷电机M转速与反电动势的比例关系数据。计算程序以表格的形式建立转速与反电动势的比例关系数据，也就是建立不同转速对应反电动势的关系表格，并将建立的比例关系数据存储在微控制器12中。 

建立直流无刷电机M转速与反电动势的比例关系数据后，可对直流无刷电机M通电运行。参见图2与图4，图2是直流无刷电机与逆变器、微控制器、电压波形采样电路连接的示意框图，图4是直流无刷电机通电运行后的工作流程图。 

首先，微控制器12向逆变器13发出控制信号，逆变器13即向直流无刷电机M输出电压，直流无刷电机M在该电压的作用下运行，也就是执行步骤S1。 

逆变器13与直流无刷电机M的连接电路图如图3所示。本实施例中，逆变器13由作为本实施例功率管的场效应管Q1、Q2、Q 3、Q4、Q5、Q6以及各个场效应管本身自带的二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、直流电源Vcc组成，其中场效应管Q1、Q4以及二极管D1、D4与直流无刷电机M的U相连接，场效应管Q2、Q5以及二极管D2、D5与直流无刷电机M的V相连接，场效应管Q3、Q6以及二极管D3、D6与直流无刷电机M的W相连接，并且场效应管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6在微控制器12的控制下轮流导通与截止，使得直流无刷电机M的U、V、W三相轮流与正电源连接、与负电源连接或处于悬空状态。 

同时，微控制器12控制每一场效应管的占空比，即控制每一场效应管的PWM(脉冲宽度调制)值，来控制逆变器13向直流无刷电机M输出的电压。 

直流无刷电机M通电运行前，设定其运行的转速以及转速的误差范围，并将该转速以及误差范围存储至微控制器12中。直流无刷电 机M通电运行后，微控制器12向逆变器13每一场效应管发出控制信号，该控制信号为场效应管的PWM值的信号，逆变器即向直流无刷电机M输出电压，直流无刷电机M便在该电压下运行。同时微控制器12执行步骤S2，通过电压波形采样电路检测直流无刷电机M的转速，微控制器判断转速是否与设定的转速相等或者在误差范围内。 

如果直流无刷电机M的转速正常，即与设定的转速相等或者在误差范围内，微控制器12执行步骤S3，如果直流无刷电机M的转速不正常，微控制器12执行步骤S9，调整场效应管的PWM值，并返回执行步骤S2，继续检测并判断直流无刷电机M的转速是否正常，直至其转速正常为止。 

步骤S3中，微控制器12根据转速与反电动势的比例关系数据，计算直流无刷电机M当前转速下对应的反电动势数据，并计算对应反电动势的误差阈值范围。误差阈值范围可以是相对值，如百分比数据，也可以是绝对值，如实际电压值等。同时，微控制器12存储计算出来的反电动势以及误差阈值范围，然后执行步骤S4。 

步骤S4中，电压波形采样电路14采集逆变器12向直流无刷电机M输出的电压的波形数据。参见图3，电压波形采样电路包括电阻R1、R2、R3、R4、R5以及R6，其中电阻R1与R4串联，其电阻R1的一端连接至直流无刷电机M的U相。直流无刷电机M的U相上的电压信号经过电阻R1与R4分压后，在电阻R1与R4连接点A处形成电压值较低的电压，且该电压的波形与U相的电压波形的周期相同，相位一致，仅仅幅值降低。 

相同的，电阻R2与R5串联，且电阻R2的一端连接至直流无刷电机M的V相，采集V相的电压波形；电阻R3与R6串联，且电阻R3的一端连接至直流无刷电机M的W相，采集W相的电压波形。电压波形采样电路采集电压的波形数据后，将采集到的数据传送至微控制器12。当然，电压波形采样电路采集到的各相电压的波形均应该如图5中E2所示，仅各相电压波形存在120°的相位差。 

微控制器12接收到电压波形采样电路传送的数据后，便判断逆变器13输出的电压波形E2是否与该转速下对应的反电动势波形E1 一致。此时，微控制器12将逆变器输出的电压的一个周期内设置多个采样时刻，判断每一采样时刻下逆变器13输出的电压是否超出反电动势的误差阈值范围。 

回看图4，步骤S5中，微控制器接收到电压波形采样电路传送的数据后，判断在第一采样时刻下，逆变器输出的电压波形数据是否超出反电动势的误差阈值范围，也就是判断电压波形采样电路采集到的U相上的电压波形数据是否超出反电动势的误差阈值范围。 

微控制器判断U相上的电压的波形数据与直流无刷电机M该转速下对应的反电动势波形信号相比，相位是否一致，周期是否相同，并判断幅值是否吻合。如逆变器输出的电压波形数据超出反电动势电压波形的误差阈值范围，也就是相位、周期、幅值任一项不符合要求，微控制器均执行步骤S6，向逆变器发出控制信号，该控制信号是调整逆变器中场效应管PWM值的控制信号，通过调整场效应的PWM值来调整逆变器向直流无刷电机M输出的电压。 

然后，电压波形采样电路采集第二采样时刻下逆变器向直流无刷电机M输出的电压信号的波形数据，并将采集到的数据传送至微控制器。微控制器执行步骤S7，判断第二采样时刻下，逆变器向直流无刷电机M输出的电压波形数据是否超出该转速下对应的反电动势的误差阈值范围，若超出误差阈值范围，则执行步骤S8，再次调整场效应管的PWM值，如果没有超出误差阈值范围，则返回执行步骤S2，再次判断直流无刷电机M的转速是否正常。 

当然，本实施例中，仅对逆变器向直流无刷电机M输出的电压波形采样二次，实际应用时，可根据需要，在电压波形的一个周期内，设置更多的采样时刻，并采集更多的数据，以确保逆变器向直流无刷电机M输入的电压波形更加接近反电动势的电压波形，使直流无刷电机M振动更小，产生的噪声更小，并提高直流无刷电机M的工作效率。 

由上述方案可见，本控制方法中，在直流无刷电机运行前，先建立直流无刷电机的转速与反电动势的比例关系数据，并在直流无刷电机运行后，根据实际转速与预先存储的比例关系数据，由微控制器调 节逆变器向直流无刷电机输出的电压信号，使逆变器向直流无刷电机输出的电压信号波形接近与直流无刷电机的反电动势电压波形，减少电机的振动。 

由图5可见，经过微控制器调节后，逆变器向直流无刷电机M输出的电压波形E2与直流无刷电机M的反电动势电压波形E1大致相同，其周期、相位一致，幅值大致相等，这样，直流无刷电机M运行时振动较小，工作效率大大提高。 

当然，本发明实际应用过程中还可以有更多的改变，如使用晶闸管或者绝缘栅双极型晶体管(IGBT)替代场效应管作为本发明的功率管，或者使用分立元件组成逆变电路替代逆变器等，这些改变并不影响本发明的实施。 

最后需要强调的是，本发明不限于上述实施方式，如电压波形采样电路的改变、电压波形采样电路在逆变器输出电压波形的一个周期采样次数的改变等微小的变化也应该包括在本发明权利要求的保护范围内。 

Claims (7)

1.直流无刷电机的控制方法，包括：

与直流无刷电机连接的电压波形采样电路；

向直流无刷电机输出电压的逆变器；

向逆变器输出控制信号的微控制器；

该方法包括：

检测所述直流无刷电机在一设定转速下反电动势电压波形，并将该反电动势的电压波形数据存储至微控制器中；

建立转速与反电动势的比例关系数据，并将该比例关系数据存储在微控制器中；

逆变器向无刷直流电机输出电压，直流无刷电机在该电压下工作；

电压波形采样电路采集直流无刷电机的转速以及逆变器输出的电压波形数据，并将逆变器输出的电压波形数据传送至微控制器；

微控制器根据转速与反电动势的比例关系数据，计算直流无刷电机当前转速下对应的反电动势电压波形数据以及误差阈值范围，并判断由逆变器输入的电压波形数据是否超出所述误差阈值范围，如是，微控制器向逆变器发出控制信号，调节逆变器向直流无刷电机输出的电压。

2.根据权利要求1所述直流无刷电机的控制方法，其特征在于：

所述逆变器设有多个功率管；

所述微控制器发出的控制信号为调节功率管的PWM值的信号。

3.根据权利要求2所述直流无刷电机的控制方法，其特征在于：

所述逆变器向直流无刷电机输出的电压波形为正弦波。

4.根据权利要求3所述直流无刷电机的控制方法，其特征在于： 

在所述正弦波一个周期内设置多个采样时刻； 

每一采样时刻，微控制器检测逆变器向直流无刷电机输出的电压波形数据是否超出直流无刷电机当前转速对应的反电动势电压波形数据的误差阈值范围。 

5.根据权利要求4所述直流无刷电机的控制方法，其特征在于： 

所述功率管为晶闸管或场效应管或绝缘栅双极型晶体管中的一种。 

6.根据权利要求1至5任一项所述直流无刷电机的控制方法，其特征在于： 

所述微控制器内设有一计算程序，所述计算程序根据直流无刷电机的转速以及反电动势电压波形数据建立转速与反电动势的比例关系数据。 

7.根据权利要求6所述直流无刷电机的控制方法，其特征在于： 

所述计算程序建立的转速与反电动势的比例关系数据以表格形式存储在微控制器中。 

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