CN101741300A - 直线永磁无刷直流电机的换相方法及装置 - Google Patents
直线永磁无刷直流电机的换相方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种直线永磁无刷直流电机的换相方法及装置，方法包括：沿着电机定子线圈方向依次铺设感应单元，实时输出一组位数与电机相数相同的电平信号，根据输出的电平信号触发执行换相中断服务，在每次执行中断服务后，将获取的电平信号进行取反后作为下一次执行中断服务的使能电平；在每一次执行中断服务之前，将获取的电平信号与上一次获取的电平信号、以及当前的使能电平进行比较，如果前后两次获取的电平信号仅有一位电平不同、且该位的电平与使能电平中同一位的电平相同，则执行中断服务。装置包括控制单元、位置传感单元和信号驱动单元。本发明具有中断服务触发的精度高、可靠性好，抗干扰性好、成本低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及直线永磁无刷直流电机领域，具体涉及一种直线永磁无刷直流电机的换相方法及其装置。
背景技术
直线永磁无刷直流电机和传统的旋转永磁无刷直流电机一样，需要换相电路来实现原来电刷的换相功能，换相电路分有传感器换相电路和无传感器换相电路两种。对于长行程直线永磁无刷直流电机来说，采用无传感器换相电路，这样可以避免较长的信号线引入干扰，并且节省传感器成本，但是无传感器换相电路都需要精确检测电枢反电势的过零点，由于检测的信号较弱，因此过零点又极易淹没在电枢电流造成的杂波之中，导致过零点检测精度不够理想。在现有的四极动磁式直线永磁无刷直流电机的换相电路中，沿着电机的行进方向在电机的每个定子槽内都放置一个霍尔元件以传感永磁体磁场的变化，但是这样必然导致整个换相电路的成本增加，而且由于传感器数量多、信号线路长等问题，这必然会进一步引入杂波，因此必然降低换相电路的中断服务的可靠性。现有的换相电路的控制系统中单片机(或DSP)的换相中断服务一般采用边沿触发，但是边沿触发容易受到干扰、因此导致中断服务的可靠性不高、容易误动作。
发明内容
本发明针对上述现有技术的缺点，提供一种中断服务触发的精度高、可靠性好，抗干扰性好、成本低的直线永磁无刷直流电机的换相方法及装置。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种直线永磁无刷直流电机的换相方法，其实施步骤如下：
1)沿着电机定子线圈方向依次铺设感应单元，所述感应单元由一组数量与电机相数对应的霍尔元件组成，所述霍尔元件与电机永磁体动子的指定磁极相对时感应输出电平信号；
2)分别将对应同一相的霍尔元件输出的所有电平信号进行或运算，并实时输出一组位数与电机相数相同的电平信号；
3)根据获取的电平信号触发执行换相中断服务，在每次执行中断服务后，将获取的电平信号进行取反后作为下一次执行中断服务的使能电平；在每一次执行中断服务之前，将获取的电平信号与上一次获取的电平信号、以及当前的使能电平进行比较，如果前后两次获取的电平信号仅有一位电平不同、且该位的电平与使能电平中同一位的电平相同，则执行换相中断服务。
作为本发明方法的进一步改进：
所述步骤2)中进行或运算时，以两个以上的感应单元为一组，将同一组感应单元中对应同一相的霍尔元件输出的电平信号和来自上一组感应单元对应同一相输出的电平信号进行分段合并增强后，输出作为下一组感应单元中的对应同一相的输入电平信号，并将最后一组感应单元对应各相进行合并增强后的电平信号输出；
所述步骤1)中铺设感应单元时，所有的感应单元同一时刻在电机永磁体动子的长度所对应区域内分别对应电机的每一相仅有一个霍尔元件；
本发明还提供一种多对极动磁式直线永磁无刷直流电机的换相装置，它包括控制单元、位置传感单元和信号驱动单元，所述控制单元分别与位置传感单元和信号驱动单元相连，所述位置传感单元向控制单元输出带有电机永磁体动子位置信息的一组位数与电机的相数相同的电平信号，所述控制单元包含一在每次执行中断服务后将输入的电平信号取反作为下一次触发中断服务的参考使能电平的中断使能模块，当新输入的电平信号与上次输入的电平信号只有一位电平不同、且该位电平与使能电平中同一位置的电平相同时，所述中断使能模块允许控制单元触发中断服务，所述控制单元通过中断服务向所述信号驱动单元输出控制信号，所述信号驱动单元根据控制信号驱动电机定子线圈的换相。
作为本发明装置的进一步改进：
所述位置传感单元包括沿电机定子线圈方向依次排列的信号增强组件，信号增强组件与至少一个感应单元相连，所述信号增强组件由一组数量与电机相数对应的信号增强器件组成，所述信号增强器件的输入端分别与当前信号增强组件相连的感应单元对应同一相的霍尔元件的输出端相连、与上一个信号增强组件中对应同一相的信号增强器件的输出端相连，信号增强器件的输出端与下一个信号增强组件中对应同一相的信号增强器件的输入端相连，所述信号增强器件将输入的信号进行合并增强，最后一个信号增强组件中对应各相的信号增强器件的输出端与控制单元的输入端相连；所述信号增强器件为具有多个输入端的或门；
所述位置传感单元包括沿电机定子线圈方向依次排列的感应单元，所述感应单元由一组数量与电机相数对应的霍尔元件组成，所述位置传感单元同一时刻在电机永磁体动子的长度所对应区域内分别对应电机的每一相仅有一个霍尔元件。
本发明具有下述优点：本发明的控制单元执行中断服务采用电平触发、且通过每执行一次中断服务就更改一次使能电平，可以有效避免杂波对边沿触发容易产生误触发的问题、中断服务触发的精度高、可靠性好，本发明通过将感应单元进行分组，然后按照分组进行逐级合并增强的方式，可以有效加强信号功率，抗干扰性好。此外，本发明的感应单元之间相隔一定的距离，所有的感应单元同一时刻在电机永磁体动子的长度所对应区域内分别对应电机每一相仅有一个霍尔元件，因此可以有效降低布置霍尔元件的数量，具有成本低的优点。
附图说明
图1为本发明的直线永磁无刷直流电机的换相方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中中断使能模块对传感信号的处理示意图；
图3为本发明实施例中直线永磁无刷直流电机的换相装置的结构示意图；
图4为本发明实施例中感应单元的电路原理示意图；
图5为本发明实施例中霍尔元件的特性曲线示意图；
图6为本发明实施例中信号增强组件的电路原理示意图；
图7为本发明实施例中控制单元的电路接口示意图；
图8为本发明实施例中功率开关逆变器的驱动电路原理示意图；
图9为本发明实施例中功率开关逆变器的电路原理示意图；
图10为本发明实施例中霍尔元件的工作原理示意图一；
图11为本发明实施例中霍尔元件的工作原理示意图二；
图12为本发明实施例中霍尔元件的工作原理示意图三；
图13为本发明实施例中霍尔元件安装布置示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明实施例的直线永磁无刷直流电机的换相方法的实施步骤如下：
1)沿着电机定子线圈方向依次铺设感应单元，感应单元由一组数量与电机相数对应的霍尔元件组成，霍尔元件与电机永磁体动子的指定磁极相对时感应输出电平信号；
2)分别将对应同一相的霍尔元件输出的所有电平信号进行或运算，并实时输出一组位数与电机相数相同的电平信号；
3)根据获取的电平信号触发执行换相中断服务，在每次执行中断服务后，将获取的电平信号进行取反后作为下一次执行中断服务的使能电平；在每一次执行中断服务之前，将获取的电平信号与上一次获取的电平信号、以及当前的使能电平进行比较，如果前后两次获取的电平信号仅有一位电平不同、且该位的电平与使能电平中同一位的电平相同，则执行中断服务。
步骤1)中铺设感应单元时，所有的感应单元同一时刻在电机永磁体动子的长度所对应区域内分别对应电机每一相仅有一个霍尔元件。
步骤2)中进行或运算时，以两个以上的感应单元为一组，将同一组感应单元中对应同一相的霍尔元件输出的电平信号和来自上一组感应单元对应同一相输出的电平信号进行分段合并增强后，输出作为下一组感应单元中的对应同一相的输入电平信号，并将最后一组感应单元对应各相进行合并增强后的电平信号输出。
如图2所示，本实施例中以三相多对极动磁式直线永磁无刷直流电机为例进行说明：电机开机后感应单元输出为001，初始的使能电平为111，此时由于没有上一次获取的电平信号，因此可以忽略与上一次电平信号比较的步骤。由于本次获取的电平信号和使能电平中对应C相的第三位均为1，因此可以顺利进入第一个中断，然后将001取反为110作为下一次的参考使能电平。永磁体动子的移动经过一定的距离后直至有一个电平发生跳变(即感应单元输出为101)，在这段时间内，中断服务不会被触发，因此可以避免杂波干扰。当感应单元输出为101后，将101与使能电平110进行比较，由于对应A相的第三位均为1，因此可以顺利进入第二个中断，然后将101取反为010作为下一次的参考使能电平，依此类推，每一次的使能电平均不相同，以保证电平触发每次仅能触发一次，按照顺序触发用于发出电机的三相六拍的换相的控制信号的中断服务。
如图3所示，本发明实施例中的多对极动磁式直线永磁无刷直流电机的换相装置包括控制单元1、位置传感单元2和信号驱动单元3，控制单元1分别与位置传感单元2和信号驱动单元3相连，位置传感单元2向控制单元1输出带有电机永磁体动子位置信息的一组位数与电机的相数相同的电平信号，控制单元1根据位置传感单元2输出的电平信号执行中断服务向信号驱动单元3发出控制信号，信号驱动单元3接收控制信号后对电机的定子线圈5进行换相。在本实施例中，控制单元1包含一中断使能模块11，中断使能模块11在控制单元1每次执行中断服务后将输入电平信号进行取反后作为下一次触发中断服务的参考使能电平，中断使能模块11根据参考使能电平进行判断控制单元1能否根据输入信号触发中断服务：当新输入的电平信号与上次输入的电平信号只有一个电平信号不同、且该电平信号与使能电平中同一位置的电平信号相同时，控制单元1触发中断服务并输出控制信号。
位置传感单元2包括沿电机定子线圈方向依次排列的信号增强组件22，信号增强组件22与至少一个感应单元21相连，信号增强组件22由一组数量与电机相数对应的信号增强器件221组成，信号增强器件221的输入端分别与当前信号增强组件22相连的感应单元21对应同一相的霍尔元件的输出端相连、与上一个信号增强组件22中对应同一相的信号增强器件221的输出端相连，信号增强器件221的输出端与下一个信号增强组件22中对应同一相的信号增强器件221的输入端相连，信号增强器件221将输入的信号进行合并增强，最后一个信号增强组件22中对应各相的信号增强器件221的输出端与控制单元1的输入端相连。
如图4所示，本实施例中霍尔元件为型号为A3143ELT，其特性曲线如图5所示，当霍尔元件对应电机永磁体动子4的N极时输出为低电平(表示为0)，对应电机永磁体动子4的S极时输出为高电平(表示为1)。霍尔元件的1号引脚连接至VCC，2号引脚接地，3号引脚输出传感信号。位置传感单元2分别对同一相的霍尔元件进行或运算，最终输出三个电平HA、HB、HC。
如图6所示，本实施例中信号增强器件221采用具有4个输入端的CD4072或门，CD4072或门对输入的各路信号进行或运算合并增强，可以有效加强信号的功率。图中一个信号增强组件22包括U1A、U1B、U1C三个信号增强器件221：对应A相的信号增强器件221(U1A)有四个输入端中：2号、3号两个输入端与当前信号增强组件22相连的两个感应单元21中对应A相的霍尔元件bHA1、bHA2相连，4号输入端输入来自上一个信号增强组件22中对应A相的信号增强器件221输出的信号cHA，5号输入端接地；对应B相的信号增强器件221(U1B)9号、10号两个输入端与当前信号增强组件22相连的两个感应单元21中对应B相的霍尔元件bHB1、bHB2相连，11号输入端输入来自上一个信号增强组件22中对应B相的信号增强器件221输出的信号cHB，12号输入端接地，以此类推。最终由最后一个信号增强组件22的对应电机三相的三个信号增强器件221(U2A、U2B、U2C)分别将其合并增强后的输出信号HA、HB、HC输出至控制单元1。
如图7所示，控制单元1采用嵌入式DSP芯片ADMC401实现，控制单元1的P6、P7、P8端口分别对应输入HC、HB、HA三个信号，控制单元1的AH、AL、BH、BL、CH、CL端口分别对应输出AHI、ALI、BHI、BLI、CHI、CLI六个信号。
如图8、图9所示，本发明实施例中的信号驱动单元3由驱动芯片和三相全桥功率开关逆变单元组成，驱动芯片选用IR2130芯片，三相全桥功率开关逆变单元由标号VF1～VF6的功率管IRF740组成，三相全桥功率开关逆变单元的三相输出分别与定子线圈5的各相线圈相连。控制单元1的AH、AL、BH、BL、CH、CL六个输出端口与驱动芯片相连，控制单元1输出AHI、BHI、CHI、ALI、BLI、CLI信号分别输入至驱动芯片的HIN1、HIN2、HIN3、LIN1、LIN2、LIN3六个端口，驱动芯片通过输出的AHO、BHO、CHO、ALO、BLO、CLO六个信号控制三相全桥功率开关逆变单元。在位置传感单元2输出相应的HA、HB、HC的电平后，控制单元1会相应触发一次中断、通过三相全桥功率开关逆变单元直接控制定子线圈5中三相线圈的电流方向和通断。由于电机位置传感单元2提供的三个输出信号与定子线圈5中三相线圈的电流方向必须满足下表的关系：
| HA | HB | HC | 电流方向 |
| 0 | 0 | 1 | C+A- |
| 1 | 0 | 1 | C+B- |
| 1 | 0 | 0 | A+B- |
| 1 | 1 | 0 | A+C- |
| 0 | 1 | 0 | B+C- |
| 0 | 1 | 1 | B+A- |
因此为了满足上述定子线圈5的电流要求，三相全桥功率开关逆变单元中各个功率管的导通顺序为：(VF1、VF2)→(VF2、VF3)→(VF3、VF4)→(VF4、VF5)→(VF5、VF6)→(VF6、VF1)。根据图9可知，当VF1、VF2导通时，三相全桥功率开关逆变单元输出C+A-，其中+代表该相的定子线圈电流左侧进入、右侧流出，-则代表该相的定子线圈电流右侧进入、左侧流出；当VF2、VF3导通时，三相全桥功率开关逆变单元输出C+B-；当VF3、VF4导通时，三相全桥功率开关逆变单元输出A+B-，依次类推，三相全桥功率开关逆变单元的对定子线圈5的三相线圈分别循环输出C+A-/C+B-/A+B-/A+C-/B+C-/B+A-，满足电机的永磁体动子4持续运动的需要。
如图10所示，以其中电机的一个对极为例：当前定子线圈的三相电流为C+B-，此时A相完全处于永磁体覆盖之下，对动子没有切向力作用，因此定子线圈中A相全部断开；C相全部从左侧进入、右侧流出，C相对第二永磁体动子块42产生拉力；B相全部从右侧进入、左侧流出，B相对第二永磁体动子块42产生推力、对第一永磁体动子块41产生拉力。在定子线圈的C相和B相的共同作用下，永磁体动子向右移动；如图11所示，当永磁体动子向右移动一个定子齿的距离后，信号驱动单元3将当前定子线圈的三相电流为A+B-，此时C相断开，A相对第二永磁体动子块42产生拉力、对第一永磁体动子块41产生推力；B相对第二永磁体动子块42产生推力，永磁体动子继续向右移动；从而对整个永磁体动子4产生向右的动力。然后信号驱动单元依次经过四次换相后，运动到图12中的等效位置，完成一个周期的运行，每个功率管持续导通120°电角度，每过60°电角度换相一次，360°正好换相六次，如此循环六拍换相，就可以维持永磁体动子持续向右移动。
如图13所示，对于现有的有传感器换相电路来说，一般的做法是在电机的每个定子线圈的定子槽内都放置一个霍尔元件以敏感永磁体磁场的变化，然而仔细分析后可知，对于多对极动磁式直线永磁无刷直流电机的换相装置而言，由于永磁体动子4有多个对极，因此至少有一半霍尔实际上是多余的。因此本发明实施例中，电机一共有两个永磁体动子对极，相邻的两个感应单元21之间相隔一定的距离，位置传感单元2同一时刻在电机永磁体动子的长度L所对应区域内分别对应电机每一相仅有一个霍尔元件，图中定子槽中的黑色小方块代表一个霍尔元件，而白色小方块则代表一个本实施例中针对现有技术取消掉的霍尔元件，去掉一半霍尔元件后，仍然可以保证始终有对应电机三相的三个霍尔元件感应永磁体动子4的位置信息，为电机的运动提供传感信号。推广开来，永磁体动子的对极数越多，可以省去的霍尔元件也越多，布置霍尔元件的总成本就越低。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种直线永磁无刷直流电机的换相方法，其特征在于其实施步骤如下：
1)沿着电机定子线圈方向依次铺设感应单元，所述感应单元由一组数量与电机相数对应的霍尔元件组成，所述霍尔元件与电机永磁体动子的指定磁极相对时感应输出电平信号；
2)分别将对应同一相的霍尔元件输出的所有电平信号进行或运算，并实时输出一组位数与电机相数相同的电平信号；
3)根据获取的电平信号触发执行换相中断服务，在每次执行中断服务后，将获取的电平信号进行取反后作为下一次执行中断服务的使能电平；在每一次执行中断服务之前，将获取的电平信号与上一次获取的电平信号、以及当前的使能电平进行比较，如果前后两次获取的电平信号仅有一位电平不同、且该位的电平与使能电平中同一位的电平相同，则执行换相中断服务。
2.根据权利要求1所述的直线永磁无刷直流电机的换相方法，其特征在于：所述步骤2)中进行或运算时，以两个以上的感应单元为一组，将同一组感应单元中对应同一相的霍尔元件输出的电平信号和来自上一组感应单元对应同一相输出的电平信号进行分段合并增强后，输出作为下一组感应单元中的对应同一相的输入电平信号，并将最后一组感应单元对应各相进行合并增强后的电平信号输出。
3.根据权利要求1或2所述的直线永磁无刷直流电机的换相方法，其特征在于：所述步骤1)中铺设感应单元时，所有的感应单元同一时刻在电机永磁体动子的长度所对应区域内分别对应电机的每一相仅有一个霍尔元件。
4.一种直线永磁无刷直流电机的换相装置，它包括控制单元(1)、位置传感单元(2)和信号驱动单元(3)，所述控制单元(1)分别与位置传感单元(2)和信号驱动单元(3)相连，所述位置传感单元(2)向控制单元(1)输出带有电机永磁体动子位置信息的一组位数与电机的相数相同的电平信号，其特征在于：所述控制单元(1)包含一在每次执行中断服务后将输入的电平信号取反作为下一次触发中断服务的参考使能电平的中断使能模块(11)，当新输入的电平信号与上次输入的电平信号只有一位电平不同、且该位电平与使能电平中同一位置的电平相同时，所述中断使能模块(11)允许控制单元(1)触发中断服务，所述控制单元(1)通过中断服务向所述信号驱动单元(3)输出控制信号，所述信号驱动单元(3)根据控制信号驱动电机定子线圈的换相。
5.根据权利要求4所述的直线永磁无刷直流电机的换相装置，其特征在于：所述位置传感单元(2)包括沿电机定子线圈方向依次排列的信号增强组件(22)，信号增强组件(22)与至少一个感应单元(21)相连，所述信号增强组件(22)由一组数量与电机相数对应的信号增强器件(221)组成，所述信号增强器件(221)的输入端分别与当前信号增强组件(22)相连的感应单元(21)对应同一相的霍尔元件的输出端相连、与上一个信号增强组件(22)中对应同一相的信号增强器件(221)的输出端相连，信号增强器件(221)的输出端与下一个信号增强组件(22)中对应同一相的信号增强器件(221)的输入端相连，所述信号增强器件(221)将输入的信号进行合并增强，最后一个信号增强组件(22)中对应各相的信号增强器件(221)的输出端与控制单元(1)的输入端相连。
6.根据权利要求5所述的直线永磁无刷直流电机的换相装置，其特征在于：所述信号增强器件(221)为具有多个输入端的或门。
7.根据权利要求4、5或6所述的直线永磁无刷直流电机的换相装置，其特征在于：所述位置传感单元(2)包括沿电机定子线圈方向依次排列的感应单元(21)，所述感应单元(21)由一组数量与电机相数对应的霍尔元件组成，所述位置传感单元(2)同一时刻在电机永磁体动子的长度所对应区域内分别对应电机的每一相仅有一个霍尔元件。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |