CN103248298A - 一种直流电机的驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直流电机的驱动方法，将相悬空前的定子线圈反电动势钳位在中点零电压，有效地抑制反电动势的噪声和震动。同时利用被钳位后的悬空相在电机旋转中所产生的感应电压用于检测转子的过零点。有效地解决了无位置传感器驱动系统的位置检测必须利用悬空相检测和悬空相的出现必然会产生反电动势从而引起的噪声和震动的矛盾，有效的提升了电机的性能。

Description

一种直流电机的驱动方法
[技术领域]
本发明涉及一种直流电机的驱动方法。
[背景技术]
直流无刷电机的电机本身是机电能量转换部分，它除了电机电枢、永磁励磁两部分外，还带有位置传感器。电机本身是直流无刷电机的核心，它不仅关系到性能指标、噪声振动、可靠性和使用寿命等，还涉及制造费用及产品成本。由于采用永磁磁场，使直流无刷电机摆脱一般直流电机的传统设计和结构，满足各种应用市场的要求，并向着省铜节材、制造简便的方向发展。
直流无刷电机分为有位置传感器和无位置传感器两大类，有位置传感器的无刷直流电机一般采用霍尔传感器、光电传感器作为电机转子位置信号检测，驱动器根据电机转子位置信号改变定子旋转磁场的频率和电流就可以改变转子的转速和扭力，有位置传感器的直流无刷电机系统由于具备准确的转子位置信号的条件相对容易实现对定子旋转磁场正弦波驱动，从而实现低噪声振动高性能的直流无刷电机系统，由于配备了位置传感器相应地造成了安装复杂，成本高，应用推广受到一定的限制。
[发明内容]
本发明克服了上述技术的不足，提供了一种直流电机的驱动方法，利用在电机换相后的悬空位置，将相悬空前的定子线圈反电动势钳位在中点零电压，有效地抑制反电动势的噪声和震动，同时利用被钳位后的悬空相在电机旋转中所产生的感应电压用于检测转子的过零点，有效地解决了无位置传感器驱动系统的位置检测。
为实现上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种直流电机的驱动方法，其控制方法如下：
步骤一、通过控制器向电机A、B、C三端输入脉冲宽度信号，其中C相端脉冲宽度信号占空比为50%，A、B、C三相端电压分别为UA、UB、UC，使得UB有效电压为正、UA有效电压为负、UC有效电压为零，即UB>UA，UB>UC，于是定子线圈主电流由UB流向UA同时副电流由UB流向UC，两个电流共同产生顺时针旋转磁场，电机在预定位置运转，UC端的反电动势被UC端的中点零电压吸收；
步骤二、通过控制器向电机A、B、C三端输入脉冲宽度信号，此时UB有效电压为正、UA有效电压为负、UC悬空，即UB>UA，于是定子线圈电流由UB流向UA，维持顺时针旋转磁场，UC端的定子线圈检测转子过零点，并在过零点间隔30度后换相为BC相；
步骤三、通过控制器向电机A、B、C三端输入脉冲宽度信号，其中A相端脉冲宽度信号占空比为50%，使得UB有效电压为正、UC有效电压为负、UA有效电压为零，即UB>UC，UB>UA，于是定子线圈主电流由UB流向UC同时副电流由UB流向UA，两个电流共同产生顺时针旋转磁场，UA端的反电动势被UA端的中点零电压吸收；
步骤四、通过控制器向电机A、B、C三端输入脉冲宽度信号，此时UB有效电压为正、UC有效电压为负、UA悬空，即UB>UC，于是定子线圈电流由UB流向UC，维持顺时针旋转磁场，UA端的定子线圈检测转子过零点，并在过零点间隔30度后换相为AC相；
步骤五、通过控制器向电机A、B、C三端输入脉冲宽度信号，其中B相端脉冲宽度信号占空比为50%，使得UA有效电压为正、UC有效电压为负、UB有效电压为零，即UA>UC，UA>UB，于是定子线圈主电流由UA流向UC同时副电流由UA流向UB，两个电流共同产生顺时针旋转磁场，UB端的反电动势被UB端的中点零电压吸收；
步骤六、通过控制器向电机A、B、C三端输入脉冲宽度信号，此时UA有效电压为正、UC有效电压为负、UB悬空，即UA>UC，于是定子线圈电流由UA流向UC，维持顺时针旋转磁场，UB端的定子线圈检测转子过零点，并在过零点间隔30度后换相为AB相；
步骤七、通过控制器向电机A、B、C三端输入脉冲宽度信号，其中C相端脉冲宽度信号占空比为50%，使得UA有效电压为正、UB有效电压为负、UC有效电压为零，即UA>UB，UA>UC，于是定子线圈主电流由UA流向UB同时副电流由UA流向UC，两个电流共同产生顺时针旋转磁场，UC端的反电动势被UC端的中点零电压吸收；
步骤八、通过控制器向电机A、B、C三端输入脉冲宽度信号，此时UA有效电压为正、UB有效电压为负、UC悬空，即UA>UB，于是定子线圈电流由UA流向UB，维持顺时针旋转磁场，UC端的定子线圈检测转子过零点，并在过零点间隔30度后换相为CB相；
步骤九、通过控制器向电机A、B、C三端输入脉冲宽度信号，其中A相端脉冲宽度信号占空比为50%，使得UC有效电压为正、UB有效电压为负、UA有效电压为零，即UC>UB，UC>UA，于是定子线圈主电流由UC流向UB同时副电流由UC流向UA，两个电流共同产生顺时针旋转磁场，UA端的反电动势被UA端的中点零电压吸收；
步骤十、通过控制器向电机A、B、C三端输入脉冲宽度信号，此时UC有效电压为正、UB有效电压为负、UA悬空，即UC>UB，于是定子线圈电流由UC流向UB，维持顺时针旋转磁场，UA端的定子线圈检测转子过零点，并在过零点间隔30度后换相为CA相；
步骤十一、通过控制器向电机A、B、C三端输入脉冲宽度信号，其中B相端脉冲宽度信号占空比为50%，使得UC有效电压为正、UA有效电压为负、UB有效电压为零，即UC>UA，UC>UB，于是定子线圈主电流由UC流向UA同时副电流由UC流向UB，两个电流共同产生顺时针旋转磁场，UB端的反电动势被UB端的中点零电压吸收；
步骤十二、通过控制器向电机A、B、C三端输入脉冲宽度信号，此时UC有效电压为正、UA有效电压为负、UB悬空，即UC>UA，于是定子线圈电流由UC流向UA，维持顺时针旋转磁场，UB端的定子线圈检测转子过零点，并在过零点间隔30度后换相为BA相，重复步骤一进入下一个周期。
通过控制器检测由A相的端电压UA经电阻分压电路提取A相端分电压Ua；由B相的端电压UB经电阻分压电路提取B相端分电压Ub；由C相的端电压UC经电阻分压电路提取C相端分电压Uc；端分电压Ua、Ub、Uc经低通滤波电路后送入控制器进行端电压分析，在控制器内重现转子的位置信号,第102步端电压过零点位置检测的条件为Uc<(Ua+Ub+Uc)/3；第104步端电压过零点位置检测的条件为Ua>(Ua+Ub+Uc)/3；第106步端电压过零点位置检测的条件为Ub<(Ua+Ub+Uc)/3；第108步端电压过零点位置检测的条件为Uc>(Ua+Ub+Uc)/3；第110步端电压过零点位置检测的条件为Ua<(Ua+Ub+Uc)/3；第112步端电压过零点位置检测的条件为Ub>(Ua+Ub+Uc)/3。
所述的电阻分压电路为在A相端与地之间串联连接有电阻RA1和电阻RA2，B相端与地之间串联连接有电阻RB1和电阻RB2，C相端与地之间串联连接有电阻RC1和电阻RC。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过将定子线圈的反电动势钳位在中点零电压，有效地抑制反电动势的噪声和震动。
2、本发明利用被钳位后的悬空相在电机旋转中所产生的感应电压用于检测转子的过零点，有效地解决了无位置传感器驱动系统的位置检测，必有效的提升了电机的性能。
3、本发明利用反电动势检测过零点，简化了直流电机的安装和结构，降低了成本。
[附图说明]
图1为本发明的三相驱动时序图；
图2为本发明的主电路示意图；
[具体实施方式]
下面结合附图与本发明的实施方式作进一步详细的描述：
如图1所示，其中HA、HB、HC为位置传感器的信号时序，应用于有位置传感器的驱动系统；UA、UB、UC三相驱动输出电压波形图；0度-360度波形图为无位置传感器的系统经端电压软件分析后控制器MCU内部生产的反电动势过零时序，图中Z为过零点C为换相控制点。
本系统控制时序为三相十二步，其中半桥输出的驱动只工作于互补PWM和悬空两种状态；半桥输出的驱动电压以占空比为50:50的PWM有效电压作为中点零电压（1/2Udc），即在一段时间内，互补的一组全控器件导通的时间一样长，其相端驱动输出电压为零；当高电平时间多于低电平时间的PWM有效电压为正电压，即在一段时间内，与电源正极连接的全控器件导通时间比与电源负极连接的全控器件导通时间长，其相端驱动输出电压为正有效电压；当高电平时间少于低电平时间的PWM有效电压为负电压，即在一段时间内，与电源正极连接的全控器件导通时间比与电源负极连接的全控器件导通时间短，其相端驱动输出电压为负有效电压；在换相发生后悬空相（互补的全控器件均不导通）占空比为50:50的PWM，并将悬空相的电压重置到中点零电压（1/2Udc），其中Udc为直流侧电源电压。
如图1所示，一种直流电机的驱动方法，其控制方法如下：
设定电流UC流向UA作为初始值，向电机定子线圈施加UC流向UA方向的电流，让转子跟随定子线圈产生的磁场转动到预定位置；
101：通过控制器向电机A、B、C三端输入脉冲宽度信号，其中C相端脉冲宽度信号占空比为50%，A、B、C三相端电压分别为UA、UB、UC，使得UB有效电压为正、UA有效电压为负、UC有效电压为零，即UB>UA，UB>UC，于是定子线圈主电流由UB流向UA同时副电流由UB流向UC，两个电流共同产生顺时针旋转磁场，电机在预定位置运转，UC端的反电动势被UC端的中点零电压吸收；
102：通过控制器向电机A、B、C三端输入脉冲宽度信号，此时UB有效电压为正、UA有效电压为负、UC悬空，即UB>UA，于是定子线圈电流由UB流向UA，维持顺时针旋转磁场，UC端的定子线圈检测转子过零点，并在过零点间隔30度后换相为BC相；
103：通过控制器向电机A、B、C三端输入脉冲宽度信号，其中A相端脉冲宽度信号占空比为50%，使得UB有效电压为正、UC有效电压为负、UA有效电压为零，即UB>UC，UB>UA，于是定子线圈主电流由UB流向UC同时副电流由UB流向UA，两个电流共同产生顺时针旋转磁场，UA端的反电动势被UA端的中点零电压吸收；
104：通过控制器向电机A、B、C三端输入脉冲宽度信号，此时UB有效电压为正、UC有效电压为负、UA悬空，即UB>UC，于是定子线圈电流由UB流向UC，维持顺时针旋转磁场，UA端的定子线圈检测转子过零点，并在过零点间隔30度后换相为AC相；
105：通过控制器向电机A、B、C三端输入脉冲宽度信号，其中B相端脉冲宽度信号占空比为50%，使得UA有效电压为正、UC有效电压为负、UB有效电压为零，即UA>UC，UA>UB，于是定子线圈主电流由UA流向UC同时副电流由UA流向UB，两个电流共同产生顺时针旋转磁场，UB端的反电动势被UB端的中点零电压吸收；
106：通过控制器向电机A、B、C三端输入脉冲宽度信号，此时UA有效电压为正、UC有效电压为负、UB悬空，即UA>UC，于是定子线圈电流由UA流向UC，维持顺时针旋转磁场，UB端的定子线圈检测转子过零点，并在过零点间隔30度后换相为AB相；
107：通过控制器向电机A、B、C三端输入脉冲宽度信号，其中C相端脉冲宽度信号占空比为50%，使得UA有效电压为正、UB有效电压为负、UC有效电压为零，即UA>UB，UA>UC，于是定子线圈主电流由UA流向UB同时副电流由UA流向UC，两个电流共同产生顺时针旋转磁场，UC端的反电动势被UC端的中点零电压吸收；
108：通过控制器向电机A、B、C三端输入脉冲宽度信号，此时UA有效电压为正、UB有效电压为负、UC悬空，即UA>UB，于是定子线圈电流由UA流向UB，维持顺时针旋转磁场，UC端的定子线圈检测转子过零点，并在过零点间隔30度后换相为CB相；
109：通过控制器向电机A、B、C三端输入脉冲宽度信号，其中A相端脉冲宽度信号占空比为50%，使得UC有效电压为正、UB有效电压为负、UA有效电压为零，即UC>UB，UC>UA，于是定子线圈主电流由UC流向UB同时副电流由UC流向UA，两个电流共同产生顺时针旋转磁场，UA端的反电动势被UA端的中点零电压吸收；
110：通过控制器向电机A、B、C三端输入脉冲宽度信号，此时UC有效电压为正、UB有效电压为负、UA悬空，即UC>UB，于是定子线圈电流由UC流向UB，维持顺时针旋转磁场，UA端的定子线圈检测转子过零点，并在过零点间隔30度后换相为CA相；
111：通过控制器向电机A、B、C三端输入脉冲宽度信号，其中B相端脉冲宽度信号占空比为50%，使得UC有效电压为正、UA有效电压为负、UB有效电压为零，即UC>UA，UC>UB，于是定子线圈主电流由UC流向UA同时副电流由UC流向UB，两个电流共同产生顺时针旋转磁场，UB端的反电动势被UB端的中点零电压吸收；
112：通过控制器向电机A、B、C三端输入脉冲宽度信号，此时UC有效电压为正、UA有效电压为负、UB悬空，即UC>UA，于是定子线圈电流由UC流向UA，维持顺时针旋转磁场，UB端的定子线圈检测转子过零点，并在过零点间隔30度后换相为BA相，重复步骤101进入下一个周期。
如图2所示，所述的电阻分压电路为在A相端与地之间串联连接有电阻RA1和电阻RA2，B相端与地之间串联连接有电阻RB1和电阻RB2，C相端与地之间串联连接有电阻RC1和电阻RC2。
其中通过控制器检测由A相的端电压UA经电阻分压电路提取A相端分电压Ua；由B相的端电压UB经电阻分压电路提取B相端分电压Ub；由C相的端电压UC经电阻分压电路提取C相端分电压Uc；端分电压Ua、Ub、Uc经低通滤波电路后送入控制器进行端电压分析，在控制器内重现转子的位置信号,第102步端电压过零点位置检测的条件为Uc<(Ua+Ub+Uc)/3；第104步端电压过零点位置检测的条件为Ua>(Ua+Ub+Uc)/3；第106步端电压过零点位置检测的条件为Ub<(Ua+Ub+Uc)/3；第108步端电压过零点位置检测的条件为Uc>(Ua+Ub+Uc)/3；第110步端电压过零点位置检测的条件为Ua<(Ua+Ub+Uc)/3；第112步端电压过零点位置检测的条件为Ub>(Ua+Ub+Uc)/3。
直流无刷电机是同步电机的一种，电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数p影响:n=120.f/p，在转子极数固定情况下,改变定子旋转磁场的频率来改变转子的转速，在同步电机加上电子式控制(驱动器),控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速反馈至控制中心(控制器)反复校正,以达到接近直流电机特性的方式，因此直流无刷电机能够在负载变化时以及额定负载范围内，仍可以控制电机转子维持一定的转速。
其中电机转子的转速n受电机定子旋转磁场的频率f及转子极数p影响:n=120.f/p，所以当控制器在第102、104、106、108、110、112步检测满足条件（即位置信号过零点Z）后，经过30度后进行换相，即第K次过零点到第K次换相点的延迟时间：Tzc=30/n，所以延迟时间Tzc=p/（4f）。电机启动后根据控制器预设置的延迟时间Tzc′进行换相，在转子极数p固定情况下,改变定子旋转磁场的频率f来改变转子的转速n，控制器控制驱动电路改变定子旋转磁场的频率f，从而改变过零点Z到换相点C的延迟时间。
本发明的关键技术是在电机换相后的悬空位置，将相悬空前的定子线圈反电动势钳位在中点零电压，有效地抑制反电动势的噪声和震动。同时利用被钳位后的悬空相在电机旋转中所产生的感应电压用于检测转子的过零点。有效地解决了无位置传感器驱动系统的位置检测必须利用悬空相检测和悬空相的出现必然会产生反电动势从而引起的噪声和震动的矛盾，有效的提升了电机的性能。

Claims (3)

1.一种直流电机的驱动方法，其控制方法如下：
a）通过控制器向电机A、B、C三端输入脉冲宽度信号，其中C相端脉冲宽度信号占空比为50%，A、B、C三相端电压分别为UA、UB、UC，使得UB有效电压为正、UA有效电压为负、UC有效电压为零，即UB>UA，UB>UC，于是定子线圈主电流由UB流向UA同时副电流由UB流向UC，两个电流共同产生顺时针旋转磁场，电机在预定位置运转，UC端的反电动势被UC端的中点零电压吸收；
b）通过控制器向电机A、B、C三端输入脉冲宽度信号，此时UB有效电压为正、UA有效电压为负、UC悬空，即UB>UA，于是定子线圈电流由UB流向UA，维持顺时针旋转磁场，UC端的定子线圈检测转子过零点，并在过零点间隔30度后换相为BC相；
c）通过控制器向电机A、B、C三端输入脉冲宽度信号，其中A相端脉冲宽度信号占空比为50%，使得UB有效电压为正、UC有效电压为负、UA有效电压为零，即UB>UC，UB>UA，于是定子线圈主电流由UB流向UC同时副电流由UB流向UA，两个电流共同产生顺时针旋转磁场，UA端的反电动势被UA端的中点零电压吸收；
d）通过控制器向电机A、B、C三端输入脉冲宽度信号，此时UB有效电压为正、UC有效电压为负、UA悬空，即UB>UC，于是定子线圈电流由UB流向UC，维持顺时针旋转磁场，UA端的定子线圈检测转子过零点，并在过零点间隔30度后换相为AC相；
e）通过控制器向电机A、B、C三端输入脉冲宽度信号，其中B相端脉冲宽度信号占空比为50%，使得UA有效电压为正、UC有效电压为负、UB有效电压为零，即UA>UC，UA>UB，于是定子线圈主电流由UA流向UC同时副电流由UA流向UB，两个电流共同产生顺时针旋转磁场，UB端的反电动势被UB端的中点零电压吸收；
f）通过控制器向电机A、B、C三端输入脉冲宽度信号，此时UA有效电压为正、UC有效电压为负、UB悬空，即UA>UC，于是定子线圈电流由UA流向UC，维持顺时针旋转磁场，UB端的定子线圈检测转子过零点，并在过零点间隔30度后换相为AB相；
g）通过控制器向电机A、B、C三端输入脉冲宽度信号，其中C相端脉冲宽度信号占空比为50%，使得UA有效电压为正、UB有效电压为负、UC有效电压为零，即UA>UB，UA>UC，于是定子线圈主电流由UA流向UB同时副电流由UA流向UC，两个电流共同产生顺时针旋转磁场，UC端的反电动势被UC端的中点零电压吸收；
h）通过控制器向电机A、B、C三端输入脉冲宽度信号，此时UA有效电压为正、UB有效电压为负、UC悬空，即UA>UB，于是定子线圈电流由UA流向UB，维持顺时针旋转磁场，UC端的定子线圈检测转子过零点，并在过零点间隔30度后换相为CB相；
i）通过控制器向电机A、B、C三端输入脉冲宽度信号，其中A相端脉冲宽度信号占空比为50%，使得UC有效电压为正、UB有效电压为负、UA有效电压为零，即UC>UB，UC>UA，于是定子线圈主电流由UC流向UB同时副电流由UC流向UA，两个电流共同产生顺时针旋转磁场，UA端的反电动势被UA端的中点零电压吸收；
j）通过控制器向电机A、B、C三端输入脉冲宽度信号，此时UC有效电压为正、UB有效电压为负、UA悬空，即UC>UB，于是定子线圈电流由UC流向UB，维持顺时针旋转磁场，UA端的定子线圈检测转子过零点，并在过零点间隔30度后换相为CA相；
k）通过控制器向电机A、B、C三端输入脉冲宽度信号，其中B相端脉冲宽度信号占空比为50%，使得UC有效电压为正、UA有效电压为负、UB有效电压为零，即UC>UA，UC>UB，于是定子线圈主电流由UC流向UA同时副电流由UC流向UB，两个电流共同产生顺时针旋转磁场，UB端的反电动势被UB端的中点零电压吸收；
l）通过控制器向电机A、B、C三端输入脉冲宽度信号，此时UC有效电压为正、UA有效电压为负、UB悬空，即UC>UA，于是定子线圈电流由UC流向UA，维持顺时针旋转磁场，UB端的定子线圈检测转子过零点，并在过零点间隔30度后换相为BA相，重复步骤a。
2.根据权利要求1所述的一种直流电机的驱动方法，其特征在于通过控制器检测由A相的端电压UA经电路分压电路提取A相端分电压Ua；由B相的端电压UB经电阻分压电路提取B相端分电压Ub；由C相的端电压UC经电阻分压电路提取C相端分电压Uc；端分电压Ua、Ub、Uc经低通滤波电路后送入控制器进行端电压分析，在控制器内重现转子的位置信号,第b步端电压过零点位置检测的条件为Uc<(Ua+Ub+Uc)/3；第d步端电压过零点位置检测的条件为Ua>(Ua+Ub+Uc)/3；第f步端电压过零点位置检测的条件为Ub<(Ua+Ub+Uc)/3；第g步端电压过零点位置检测的条件为Uc>(Ua+Ub+Uc)/3；第i步端电压过零点位置检测的条件为Ua<(Ua+Ub+Uc)/3；第k步端电压过零点位置检测的条件为Ub>(Ua+Ub+Uc)/3。
3.根据权利要求2一种直流电机的驱动系统，其特征在于所述的电阻分压电路为在A相端与地之间串联连接有电阻RA1和电阻RA2，B相端与地之间串联连接有电阻RB1和电阻RB2，C相端与地之间串联连接有电阻RC1和电阻RC。
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