CN103337994A - 一种无刷直流电机的换相方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无刷直流电机的换相方法及系统。所述方法包括：获取所述无刷直流电机的第一相的相电压；获取所述无刷直流电机的总线电压；采用高速比较器比较所述相电压与二分之一所述总线电压的大小；根据比较结果，判断所述第一相是否出现过零事件，得到第一判断结果；当所述第一判断结果为是时，采用主控芯片确定上一次换相到最近一次出现过零事件的第一时间；等待所述第一时间后，进行换相。采用本发明的方法或系统，能够降低硬件成本，并且提高系统的响应速度和准确性。

Description

一种无刷直流电机的换相方法及系统

技术领域

本发明涉及信号控制领域，特别是涉及一种无刷直流电机的换相方法及系统。

背景技术

随着电动自行车的迅速普及，电动自行车控制器在电动自行车领域内已经得到广泛的应用。并且BLDCM（无刷直流电机）以控制简单、高可靠性及输出转矩大等优点，被大量地用作电动自行车驱动电机。

无刷电机控制方法主要分为两种：有位置传感器控制和无位置传感器控制。本发明主要涉及无位置传感器控制。

现有技术中，对于无刷直流电机的无位置传感器控制方法本质上都是通过采集电机工作时的电流、电压、反电动势等物理量和相应的电机运行参数，在线计算出转子的位置。

具体包括如下几种方法：续流二极管法、电流检测法和反电动势法。

续流二极管法本质上与反电动势法相似，适用于低速的范围，其缺点是需要使用六路相互隔离的电源，增加了硬件成本和系统不稳定性。

电流检测法也叫做电感检测法，利用电机绕组内部电感与转子位置之间的对应关系，通过检测电感来确定转子的位置。由于该方法需要对绕组电感实时采集，实现比较困难，在实际运用中很少使用。

反电动势法是目前技术最成熟、最有效和应用最为广泛的一种转子位置检测方法。这种方法是建立在忽略电机电枢反应的前提下，通过检测不导通相的反电动势过零点，再延迟30°来依次得到转子的六个关键位置信号。传统的反电动势法主要是使用硬件电路检测法，该方法使用直流总线电压中点来重构电机中点。由于该方法需要采用硬件滤波电路和电压比较电路，增加了硬件成本和系统不稳定性。同时由于开关噪声、深度滤波电路、电压比较电路等因素，容易导致反电动势误过零信号和换相延迟。

为了解决上述反电动势法存在的问题，提出了一种基于嵌入式软件算法的反电动势过零检测新方法。该方法不同于传统反电动势过零检测原理，不需要硬件构造电机中点、深度滤波电路和电压比较电路，利用微处理器或数字信号处理器实现三相端电压动态实时采集和滤波，并结合软件算法，算得反电动势过零点，再延迟30°角度换相。另外，嵌入式技术的快速发展也推动着传统技术快速革新。传统方法以当时的科学技术为支撑，并不能适应当前技术的要求，这就需要新的理论和方法以适应新的科技，所以，ES-BEZ提出对于BLDC领域有着重要的借鉴意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种无刷直流电机的换相方法及系统，能够降低硬件成本，并且提高系统的响应速度和准确性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种无刷直流电机的换相方法，所述方法包括：

获取所述无刷直流电机的第一相的相电压；

获取所述无刷直流电机的总线电压；

采用高速比较器比较所述相电压与二分之一所述总线电压的大小；

根据比较结果，判断所述第一相是否出现过零事件，得到第一判断结果；

当所述第一判断结果为是时，采用主控芯片确定上一次换相到最近一次出现过零事件的第一时间；

等待所述第一时间后，进行换相。

可选的，所述高速比较器为LM339比较器。

可选的，所述主控芯片为飞思卡尔公司生产的MC9S08AW60芯片。

可选的，所述判断所述第一相是否出现过零事件，包括：

判断所述第一相的相电压是否由大于零变为小于零；

或者，判断所述第一相的相电压是否由小于零变为大于零。

可选的，判断所述第一相是否出现过零事件之前，所述方法还包括：

判断当前是否已存在过零事件，得到第二判断结果；

当所述第二判断结果为否时，判断电压是否小于允许电压的最大值且大于允许电压的最小值，得到第三判断结果；

当所述第三判断结果为是时，执行判断所述第一相是否出现过零事件的步骤。

一种无刷直流电机的换相系统，所述系统包括：

相电压获取单元，用于获取所述无刷直流电机的第一相的相电压；

总线电压获取单元，用于获取所述无刷直流电机的总线电压；

比较单元，用于采用高速比较器比较所述相电压与二分之一所述总线电压的大小；

第一判断单元，用于根据比较结果，判断所述第一相是否出现过零事件，得到第一判断结果；

第一时间确定单元，用于当所述第一判断结果为是时，采用主控芯片确定上一次换相到最近一次出现过零事件的第一时间；

换相单元，用于等待所述第一时间后，进行换相。

可选的，所述高速比较器为LM339比较器。

可选的，所述主控芯片为飞思卡尔公司生产的MC9S08AW60芯片。

可选的，所述第一判断单元，包括：

第一判断子单元，用于判断所述第一相的相电压是否由大于零变为小于零；

第二判断子单元，用于判断所述第一相的相电压是否由小于零变为大于零。

可选的，所述系统还包括：

第二判断单元，用于判断当前是否已存在过零事件，得到第二判断结果；

第三判断单元，用于当所述第二判断结果为否时，判断电压是否小于允许电压的最大值且大于允许电压的最小值，得到第三判断结果；

第一判断单元控制单元，用于当所述第三判断结果为是时，控制所述第一判断单元执行判断所述第一相是否出现过零事件的步骤。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明实施例的无刷直流电机的换相方法或系统，通过采用比较器硬件实现高速比较功能，简化了MCU的信号采集和软件比较的负担。并且，由于不需要硬件构造电机中点、深度滤波电路和电压比较电路，而是结合软件算法，算得反电动势过零点，再延迟30°角换相。所以能够降低硬件成本，并且提高系统的响应速度和准确性。

此外，本发明实施例在转子速度变化时，可以在闭环控制中缓冲电压变化造成的抖动。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的无刷直流电机的换相方法实施例1的流程图；

图2为本发明的无刷直流电机的换相方法实施例2的流程图；

图3为本发明的无刷直流电机的换相系统实施例的结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明的无刷直流电机的换相方法实施例1的流程图。如图1所示，所述方法可以包括：

步骤101：获取所述无刷直流电机的第一相的相电压；

本发明中的无刷直流电机为三相无刷直流电机。所述第一相可以是三相无刷直流电机中的任一相。

步骤102：获取所述无刷直流电机的总线电压；

步骤103：采用高速比较器比较所述相电压与二分之一所述总线电压的大小；

所述高速比较器可以是型号为LM339的比较器。

步骤104：根据比较结果，判断所述第一相是否出现过零事件，得到第一判断结果；

出现过零事件是指：第一相的相电压是否由大于零变为小于零，或者第一相的相电压是否由小于零变为大于零。

步骤105：当所述第一判断结果为是时，采用主控芯片确定上一次换相到最近一次出现过零事件的第一时间；

所述主控芯片可以采用飞思卡尔公司生产的MC9S08AW60芯片。

需要说明的是，本实施例中，电机由静止到启动时的换相过程，可以采用现有技术中的方式。当电机正常运转起来以后，可以采用本实施例的方式以便形成对电机的闭环控制。

步骤106：等待所述第一时间后，进行换相。

由于过零事件发生以后，再等待所述第一时间，正好是电机旋转30度的时间，所以此时应该进行换相。

本实施例中，采用比较器硬件实现高速比较功能，简化了MCU的信号采集和软件比较的负担。并且，由于不需要硬件构造电机中点、深度滤波电路和电压比较电路，而是结合软件算法，算得反电动势过零点，再延迟30°角换相。所以能够降低硬件成本，并且提高系统的响应速度和准确性。

此外，本实施例在转子速度变化时，可以在闭环控制中缓冲电压变化造成的抖动。

实际应用中，根据电机特性可知，若忽略换相时刻截止相电流，根据电感的特性，换相时刻绕组续流，会产生消磁事件。而电机感应电动产生时，第一个过零事件是消磁事件产生的，第二个过零事件本发明中的方法需要用到的。所以在程序里需要避免获取到错误的过零事件。

为此，本发明提供了另一个实施例。图2为本发明的无刷直流电机的换相方法实施例2的流程图。如图2所示，所述方法可以包括：

步骤201：获取所述无刷直流电机的第一相的相电压；

步骤202：获取所述无刷直流电机的总线电压；

步骤203：采用高速比较器比较所述相电压与二分之一所述总线电压的大小；

步骤204：判断当前是否已存在过零事件，得到第二判断结果；

本步骤中，可以通过查询过零事件的记录，判断当前是否已存在过零事件，如果当前并不存在过零事件，则意味着下一次检测到的过零事件是由消磁事件产生的。

步骤205：当所述第二判断结果为否时，判断电压是否小于允许电压的最大值且大于允许电压的最小值，得到第三判断结果；

步骤206：当所述第三判断结果为是时，根据比较结果，判断所述第一相是否出现过零事件，得到第一判断结果；

步骤207：当所述第一判断结果为是时，采用主控芯片确定上一次换相到最近一次出现过零事件的第一时间；

步骤208：等待所述第一时间后，进行换相。

本发明还公开了一种无刷直流电机的换相系统。图3为本发明的无刷直流电机的换相系统实施例的结构图。如图3所示，所述系统可以包括：

相电压获取单元301，用于获取所述无刷直流电机的第一相的相电压；

总线电压获取单元302，用于获取所述无刷直流电机的总线电压；

比较单元303，用于采用高速比较器比较所述相电压与二分之一所述总线电压的大小；

第一判断单元304，用于根据比较结果，判断所述第一相是否出现过零事件，得到第一判断结果；

第一时间确定单元305，用于当所述第一判断结果为是时，采用主控芯片确定上一次换相到最近一次出现过零事件的第一时间；

换相单元306，用于等待所述第一时间后，进行换相。

其中，所述高速比较器可以是LM339比较器。所述主控芯片可以是飞思卡尔公司生产的MC9S08AW60芯片。

所述第一判断单元104，可以包括：

第一判断子单元，用于判断所述第一相的相电压是否由大于零变为小于零；

第二判断子单元，用于判断所述第一相的相电压是否由小于零变为大于零。

所述系统还可以包括：

第二判断单元，用于判断当前是否已存在过零事件，得到第二判断结果；

第三判断单元，用于当所述第二判断结果为否时，判断电压是否小于允许电压的最大值且大于允许电压的最小值，得到第三判断结果；

第一判断单元控制单元，用于当所述第三判断结果为是时，控制所述第一判断单元执行判断所述第一相是否出现过零事件的步骤。

本实施例中，采用比较器LM339硬件实现高速比较功能，简化了MCU的信号采集和软件比较的负担。并且，由于不需要硬件构造电机中点、深度滤波电路和电压比较电路，而是结合软件算法，算得反电动势过零点，再延迟30°角换相。所以能够降低硬件成本，并且提高系统的响应速度和准确性。

此外，本实施例在转子速度变化时，可以在闭环控制中缓冲电压变化造成的抖动。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种无刷直流电机的换相方法，其特征在于，所述方法包括：

获取所述无刷直流电机的第一相的相电压；

获取所述无刷直流电机的总线电压；

采用高速比较器比较所述相电压与二分之一所述总线电压的大小；

根据比较结果，判断所述第一相是否出现过零事件，得到第一判断结果；

当所述第一判断结果为是时，采用主控芯片确定上一次换相到最近一次出现过零事件的第一时间；

等待所述第一时间后，进行换相。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高速比较器为LM339比较器。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述主控芯片为飞思卡尔公司生产的MC9S08AW60芯片。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述判断所述第一相是否出现过零事件，包括：

判断所述第一相的相电压是否由大于零变为小于零；

或者，判断所述第一相的相电压是否由小于零变为大于零。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，判断所述第一相是否出现过零事件之前，所述方法还包括：

判断当前是否已存在过零事件，得到第二判断结果；

当所述第二判断结果为否时，判断电压是否小于允许电压的最大值且大于允许电压的最小值，得到第三判断结果；

当所述第三判断结果为是时，执行判断所述第一相是否出现过零事件的步骤。

6.一种无刷直流电机的换相系统，其特征在于，所述系统包括：

相电压获取单元，用于获取所述无刷直流电机的第一相的相电压；

总线电压获取单元，用于获取所述无刷直流电机的总线电压；

比较单元，用于采用高速比较器比较所述相电压与二分之一所述总线电压的大小；

第一判断单元，用于根据比较结果，判断所述第一相是否出现过零事件，得到第一判断结果；

第一时间确定单元，用于当所述第一判断结果为是时，采用主控芯片确定上一次换相到最近一次出现过零事件的第一时间；

换相单元，用于等待所述第一时间后，进行换相。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述高速比较器为LM339比较器。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述主控芯片为飞思卡尔公司生产的MC9S08AW60芯片。

9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一判断单元，包括：

第一判断子单元，用于判断所述第一相的相电压是否由大于零变为小于零；

第二判断子单元，用于判断所述第一相的相电压是否由小于零变为大于零。

10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

第二判断单元，用于判断当前是否已存在过零事件，得到第二判断结果；

第三判断单元，用于当所述第二判断结果为否时，判断电压是否小于允许电压的最大值且大于允许电压的最小值，得到第三判断结果；

第一判断单元控制单元，用于当所述第三判断结果为是时，控制所述第一判断单元执行判断所述第一相是否出现过零事件的步骤。

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