CN102025305B - 无刷直流电机霍尔相序检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无刷直流电机相序检测方法，涉及无刷直流电机技术领域。本发明方法基于无刷直流电机运行原理以及磁势合成原理，采用固定定子磁势将转子定位，通过读取霍尔位置传感器信号，获得转子位置，从而确定定子磁势与转子位置的关系。本发明还公开了一种刷直流电机相序检测装置，该装置包括计算处理模块、电机驱动模块以及人机接口模块；所述人机接口模块包括输入单元和输出显示单元；所述电机驱动单元为三相逆变桥式结构；计算处理模块分别与电机驱动模块、输入单元及输出显示单元信号连接。相比现有技术，本发明具有结构简单、使用方便、成本低等优点。

Description

无刷直流电机霍尔相序检测方法及装置

技术领域

本发明属于无刷直流电机技术领域，具体涉及一种便携式无刷直流电机霍尔相序检测方法及装置。

背景技术

近年来，随着电力电子技术、微电子技术以及新型磁性材料的发展，无刷直流电机（BLDCM）以其独到的体积小、重量轻、效率高、力矩大、调速性能好等优点在数控机床、机器人、电动车、家电、办公自动化设备等领域获得了广泛的应用。相对于普通直流电机无刷直流电机具有结构简单、维护方便、寿命长、无换相火花等优点；相对于交流异步电机具有控制简单、无励磁损耗、功率因数高等优点。无刷直流电动机基本结构包括永磁同步电机本体和转子霍尔位置传感器。传统有刷直流电机永磁体磁极或励磁绕组位于定子上，电枢位于转子上，它通过碳刷和换向器进行换相，无需控制器干预。无刷直流电机磁极通常采用具有高剩余磁感应强度和大矫顽力的稀土永磁材料，且位于转子之上，每对磁极各占180°电角度；而电枢位于定子上，通过通入三相交变电流，产生旋转磁势，驱动转子旋转。 由于取消了定子和换向器结构，无刷直流电机控制器必须能获悉当前转子的位置，以控制磁势的方向，从而使电动机持续旋转。常用的转子位置检测器件为锁定型霍尔位置传感器，鉴于控制器复杂度和成本的考虑，无刷直流电机通常为三相结构，而霍尔位置传感器数目与电机相数相等，相隔120°电角度均匀分布，因此普通无刷直流电机上通常装有三个霍尔位置传感器，用于指示当前转子位置。霍尔位置传感器输出信号在磁极方向变化时翻转。由于霍尔位置传感器间隔120°电角度，而每个磁极占180°电角度，也即不会出现三个霍尔传感器位于同一磁极下的情况，对应于传感器输出信号也即三路信号不可能相同。因此，对于霍尔传感器为120°电角度间隔安装的无刷直流电机，三路传感器信号HC,HB,HA只可能在“001”~“110”（二进制）六个数字范围内变化，每个霍尔信号持续60°电角度。如出现异常数据，说明传感器安装错误或已损坏。电机控制器通过读取这三路传感器信号来不断地控制定子磁场方向，从而驱动电机旋转。

无刷直流电机控制系统为了提高绕组利用率并获得较好的转矩特性，其主电路主要采用三相全桥结构，导通方式为“两两导通”（每次开通两个开关管）。采用该种拓扑，通过不同的开关组合即可产生不同的磁势，因此，只要获得传感器信号与开关组合的正确对应关系，也即换相表，就可以驱动电机可靠旋转。若换相表错误，极有可能导致电机堵转，使电机绕组承受很大的电流，造成电机控制器甚至电机的损坏。因此，对于无刷直流电机驱动控制系统而言，换相表的正确性至关重要。有学者采用反电动势波形观测法来获得换相表：用转动电机，然后通过观察波形的先后顺序来确定相序，这种方法操作复杂，准确度低，且需配备示波器等高档仪器。另外，有些电动自行车控制器研发工程师采用发光二极管指示来确定霍尔相序：转动电机，使电机发电，然后观测三个相线所对应的发光二极管的亮灭顺序。这种方法不需要配备昂贵的示波器，操作相对容易，但相序不能够直观体现，准确度也偏低。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有无刷直流电机霍尔相序检测方法的不足，提供一种简便实用的无刷直流电机霍尔相序检测方法及装置。该方法基于无刷直流电机运行原理以及磁势合成原理，采用固定定子磁势将转子定位，通过读取霍尔位置传感器信号，获得转子位置，从而确定定子磁势与转子位置的关系。

本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种无刷直流电机霍尔相序检测方法，所述无刷直流电机包括用于检测电机转子位

置的霍尔传感器及三相逆变桥式结构的电机驱动模块，该方法包括以下步骤：

步骤A.手动使电机旋转一周，在此期间，获取获取霍尔传感器输出的霍尔信号；

步骤B.判断步骤A得到的霍尔信号是否正常，如是，则根据电机旋转一周霍尔信号循环的次数计算极对数；如否，输出出错信息；

步骤C. 控制电机驱动模块使驱动器工作在“三三导通”方式下，并依次循环输出开关组合“A+BC-”、“AB+C-”、“B+AC-”、“CB+A-”、“C+AB-”、“AC+B-”,循环次数为电机极数，记录此时霍尔传感器值与“两两导通”方式下的开关组合的对应关系，即得到该无刷直流电机的换相表。

在“三三导通”方式下，每个开关组合对应的磁势方向唯一，转子轴线被强制定位于合成磁势平行方向，而此时霍尔传感器位于其60°扇区中心，因此霍尔位置传感器输出值也唯一。若要采用“两两导通”方式驱动电机旋转，则此时定子需要产生与转子轴线相垂直的磁势，才能使电机输出最大力矩。如果此时电机的目标旋转方向确定，则此时电机驱动模块开关组合也唯一。此时霍尔传感器值与“两两导通”方式下的开关组合的对应关系即所需的换相表。

进一步地，在上述方法的步骤C之后还可增加对换相表进行验证的步骤D，具体为：读取霍尔传感器的值，根据步骤C得到的换相表输出“两两导通”的开关组合，驱动电机旋转，如果电机能正常启动且运行平稳，则说明换相表正确。

根据上述方法可设计如下的无刷直流电机霍尔相序检测装置，该装置包括计算处理模块、电机驱动模块以及人机接口模块；所述人机接口模块包括输入单元和输出显示单元；所述电机驱动单元为三相逆变桥式结构；计算处理模块分别与电机驱动模块、输入单元及输出显示单元信号连接。

本发明与现有技术相比有如下有益效果：

1、相序检测步骤简单，自动化程度高；

2、可获得电机极对数、电机霍尔安装类型、电机霍尔相序等信息；

3、可对所得换相表进行验证，检测结果可直观显现；

4、检测装置的体积小、成本低。

附图说明

图1为无刷直流电机的控制系统结构示意图；

图2为本发明的无刷直流电机霍尔相序检测装置的结构框图；

图3为无刷直流电机换相过程图解；

图4为本发明具体实施方式采用的继电器逆变桥的结构示意图；

图5为“三三导通”方式控制时电机磁势合成示意图；

图6为“两两导通”方式控制时电机磁势合成示意图；

图7为本发明的无刷直流电机霍尔相序检测装置的硬件结构及连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

无刷直流电机的控制系统通常采用三相全桥结构，如图1所示，其中T1~T6为功率开关，D1~D6为续流二极管，用于给关断相提供续流通路。采用该种拓扑，通过不同的开关组合即可产生不同的磁势，无刷直流电机的换相过程如图3所示。因此，只要获得传感器信号与开关组合的正确对应关系，即换相表，就可以驱动电机可靠旋转。

本发明的无刷直流电机霍尔相序检测装置，如附图2所示，包括计算处理模块、电机驱动模块以及人机接口模块；所述人机接口模块包括输入单元和输出显示单元；所述电机驱动单元为三相逆变桥式结构；计算处理模块分别与电机驱动模块、输入单元及输出显示单元信号连接。

本具体实施方式中，计算处理模块采用型号为STC11F04的单片机。人机接口模块中的输入单元采用3键小键盘。考虑到本发明所需输出显示的内容较简单，为了降低成本，本发明未采用常用的LCD显示器，而采用4位共阳数码管作为输出显示单元。传统三相逆变桥式主电路多采用MOSFET、IGBT等全控型功率开关，但由于桥式结构的特殊性，上桥臂开关管驱动比较复杂。鉴于本发明的主要作用是获得换相表等信息，不需要电机提供高转速、大扭力，从成本和复杂度考虑，本具体实施方式中采用继电器逆变桥代替传统三相逆变桥，其结构如图4所示，其中，继电器的线圈电压为5V，触点容量为DC30V/2A，该模块用于给电机提供驱动电流，驱动电机旋转。

使用上述检测装置检测无刷直流电机的霍尔相序时，按照附图7所示将相序检测装置与无刷直流电机连接，然后执行以下步骤：

步骤A.手动使电机旋转一周，在此期间，获取获取霍尔传感器输出的霍尔信号；

步骤B.判断步骤A得到的霍尔信号是否正常，如是，则根据电机旋转一周霍尔信号循环的次数计算极对数；如否，输出出错信息；

步骤C. 控制电机驱动模块使驱动器工作在“三三导通”方式下，并依次循环输出开关组合“A+BC-”、“AB+C-”、“B+AC-”、“CB+A-”、“C+AB-”、“AC+B-”,循环次数为电机极数，记录此时霍尔传感器值与“两两导通”方式下的开关组合的对应关系，即得到该无刷直流电机的换相表；

步骤D、读取霍尔传感器的值，根据步骤C得到的换相表输出“两两导通”的开关组合，驱动电机旋转，如果电机能正常启动且运行平稳，则说明换相表正确。

下面以一台1对极、120°型无刷直流电机为例，对具体霍尔相序检测过程进行分析。

如图3所示，假设初始状态电机转子位于图3（a），则此时霍尔信号HC、HB、HA分别为0、1、1，用外力旋转电机转子，待霍尔信号再次出现0、1、1，停止旋转。由图3可知，正常状态下，转子旋转一周，霍尔信号循环一次，单片机按照预先设定的程序分析在电机旋转过程中出现的霍尔信号值以及霍尔信号循环的次数。若在电机旋转过程中记录的霍尔信号有一路或多路未发生任何变化，则认为该路霍尔故障，此时单片机将故障信息送入输出显示单元。如无故障，则霍尔信号循环次数即为电机极对数，此时将极对数通过输出显示单元显示。

获得电机极对数后，通过单片机控制继电器逆变桥依次输出不同的开关组合，如“A+BC-”即代表A相接正电源，B、C两相均接地。以图5为例，相序辨识模块输出开关组合A+BC-，也即K1B、K5B、K6B闭合，合成磁势为                                                

，恰好径向垂直于转子，此时霍尔信号HC、HB、HA为1、1、0。若使电机在正常运转过程中获得最大转矩，则在采用两两导通方式时，合成磁势的方向与转子夹角应为90°左右，也即应与图6中换相磁势

共线。以逆时针旋转为例，合成磁势应与图6中换相磁势同向。也即在霍尔信号HC、HB、HA为1、1、0时，若要使电机以最大力矩逆时针旋转，则应产生图6中所示方向的磁势，也即开关组合为C+B-（K3B、K5B闭合）。无刷直流电机旋转一周需要的步数为电机极数的6倍，依次循环输出“A+BC-（K1B、K5B、K6B闭合）”、“AB+C-（K1B、K2B、K6B闭合）”、“B+AC-（K2B、K4B、K6B闭合）”、“CB+A-（K2B、K3B、K4B闭合）”、“C+AB-（K3B、K4B、K5B闭合）”、“AC+B-（K1B、K3B、K5B闭合）”,循环次数为电机极数，单片机分别记录对应的霍尔信号值，并将霍尔信号对应的“两两导通”的开关组合记录。循环完毕后电机恰好旋转一周，依据上述换相原理，在旋转过程中即获得了换相表，完成电机相序的辨识。

获得换相表后，采用“两两导通”方式，对电机进行试转，进行相序表的验证。以图3为例，若顺时针试转电机:当（HC HB HA）为（0 1 1）时，输出开关组合B+A-(K2B、K4B闭合);当（HC HB HA）为（0 1 0）时，输出开关组合C+A-(K3B、K4B闭合);当（HC HB HA）为（1 1 0）时，输出开关组合C+B-(K3B、K5B闭合);当（HC HB HA）为（1 0 0）时，输出开关组合A+B-(K1B、K5B闭合);当（HC HB HA）为（1 0 1）时，输出开关组合A+C-(K1B、K6B闭合)；当（HC HB HA）为（0 0 1）时，输出开关组合B+C-(K2B、K6B闭合)。

试转完毕后，可通过输入设备进行翻查，显示设备显示电机极对数、霍尔安装类型、换相表等信息，记录所需信息，即完成全部检测过程。

Claims (6)

1.一种无刷直流电机霍尔相序检测方法，所述无刷直流电机包括用于检测电机转子位

置的霍尔传感器及三相逆变桥式结构的电机驱动模块，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤A.手动使电机旋转一周，在此期间，获取获取霍尔传感器输出的霍尔信号；

步骤B.判断步骤A得到的霍尔信号是否正常，如是，则根据电机旋转一周霍尔信号循环的次数计算极对数；如否，输出出错信息；

步骤C. 控制电机驱动模块使驱动器工作在“三三导通”方式下，并依次循环输出开关组合“A+BC-”、“AB+C-”、“B+AC-”、“CB+A-”、“C+AB-”、“AC+B-”,循环次数为电机极数，记录此时霍尔传感器值与“两两导通”方式下的开关组合的对应关系，即得到该无刷直流电机的换相表。

2.如权利要求1所述无刷直流电机霍尔相序检测方法，其特征在于，还包括对换相表进行验证的步骤D，具体为：读取霍尔传感器的值，根据步骤C得到的换相表输出“两两导通”的开关组合，驱动电机旋转，如果电机能正常启动且运行平稳，则说明换相表正确。

3.一种采用权力要求1所述霍尔相序检测方法的无刷直流电机霍尔相序检测装置，其特征在于，所述装置包括计算处理模块、

电机驱动模块以及人机接口模块；所述人机接口模块包括输入单元和输出显示单元；所述电机驱动模块为三相逆变桥式结构；计算处理模块分别与电机驱动模块、输入单元及输出显示单元信号连接。

4.如权利要求3所述无刷直流电机霍尔相序检测装置，其特征在于，所述电机驱动模块为继电器逆变桥。

5.如权利要求4所述无刷直流电机霍尔相序检测装置，其特征在于，所述继电器逆变

桥中继电器的线圈电压为5V，触点容量为DC30V/2A。

6.如权利要求3所述无刷直流电机霍尔相序检测装置，其特征在于，所述输出显示单元为共阳数码管。

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