CN105141198A - 无刷直流电机霍尔信号同步波形控制电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种无刷直流电机霍尔信号同步波形控制电路，包括：第一速度计数器，其时钟端与无刷直流电机的时钟信号输出端相连，其清零端与无刷直流电机的霍尔边沿信号输出端相连，其输出端与速度寄存器的输入端相连；速度寄存器，其输出端与比较单元的第一输入端相连；第二速度计数器，其时钟端与时钟信号输出端相连，其输出端与比较单元的第二输入端相连，其清零端与比较单元的输出端相连；比较单元，其输出端进一步与相位计数器的时钟端相连；相位计数器，其初始化端与霍尔边沿信号输出端相连，其输出端与输出控制单元相连；输出控制单元，用于根据相位计数结果输出对应相位的电压波形以驱动逆变器。本发明产生与霍尔信号同步的相位信息，再通过相位信号查表输出模拟电压波形。

Description

无刷直流电机霍尔信号同步波形控制电路及控制方法

技术领域

本发明涉及无刷直流电机驱动技术领域，尤其涉及一种应用于无刷直流电机驱动的霍尔信号同步波形控制电路及控制方法。

背景技术

无刷直流电机是集交流电机和直流电机优点于一体的机电一体化产品，它既具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电机运行效率高、调速性能好的特点，同时无励磁损耗，因此近年来无刷直流电机的应用日益普及。无刷电动机利用电子换向替代了机械换向，克服了传统直流电机由于电刷摩擦而产生的一系列问题，并且具有调速性能好、体积小、效率高等优点，因而广泛应用于国民经济生产的各个领域以及人们的日常生活中。

传统的无刷直流电机根据输入的霍尔信号产生对应的开关信号来驱动逆变器来换相。由于换相过程中，电流的突变会带来转矩的波动。转矩波动的存在不但会产生噪声和振动问题，而且影响整个系统的性能，从而降低电机的使用寿命和驱动系统的可靠性，制约其在高精度、高稳定性场合的应用。无刷直流电机转矩波动分为齿槽转矩波动与换相转矩波动，齿槽转矩波动是由于电机本身结构设计引起的，换相转矩波动则可以通过合理的控制策略进行抑制。

在新型的空间矢量控制技术中，逆变器驱动波形不是简单的开关，而是与霍尔信号同步的模拟波形(如准正弦波)，通过PWM调制的方式，驱动逆变器连续的变化，从而避免换相转矩波动。现有技术中对抑制换相转矩提出了控制方法，但都存在控制方法较复杂、最佳换相时刻难以确定等问题。因此，寻求一种抑制甚至消除换相转矩波动的实用方法具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术中无刷直流电机抑制换相转矩控制方法存在的技术问题，提供一种无刷直流电机霍尔信号同步波形控制电路及控制方法，实现产生与霍尔信号同步的相位信息，从而避免换相转矩波动。

为实现上述目的，本发明提供了一种无刷直流电机霍尔信号同步波形控制电路，包括：第一速度计数器、第二速度计数器、速度寄存器、比较单元、相位计数器以及输出控制单元；所述第一速度计数器的时钟端与无刷直流电机的时钟信号输出端相连，所述第一速度计数器的清零端与无刷直流电机的霍尔边沿信号输出端相连，所述第一速度计数器的输出端与所述速度寄存器的输入端相连，所述第一速度计数器用于根据霍尔边沿信号将计数到的霍尔边沿信号周期时长存入到所述速度寄存器后清零准备下次计数；所述速度寄存器的输出端与所述比较单元的第一输入端相连；所述第二速度计数器的时钟端与所述时钟信号输出端相连，所述第二速度计数器的输出端与所述比较单元的第二输入端相连，所述第二速度计数器的清零端与所述比较单元的输出端相连；所述比较单元的输出端进一步与所述相位计数器的时钟端相连，用于对所述速度寄存器与所述第二速度计数器的输出进行比较，并输出相位计数信号至所述相位计数器以及清零所述第二速度计数器；所述相位计数器的初始化端与所述霍尔边沿信号输出端相连，用于根据霍尔边沿信号初始化所述相位计数器，所述相位计数器的输出端与所述输出控制单元相连，用于将相位计数结果输出至所述输出控制单元；所述输出控制单元，用于根据所述相位计数结果输出对应相位的电压波形以驱动逆变器。

为实现上述目的，本发明还提供了一种无刷直流电机霍尔信号同步波形控制方法，包括：(1)采用第一速度计数器、第二速度计数器分别对霍尔边沿信号周期时长进行计数；(2)根据霍尔边沿信号将第一速度计数器计数到的霍尔边沿信号周期时长存入速度寄存器，并清零所述第一速度计数器准备下次计数；(3)将第二速度计数器各输出端的计数与所述速度寄存器相应的各输出端的计数进行比较，并输出相位计数信号至相位计数器，同时清零所述第二速度计数器准备下次计数；(4)根据所述相位计数器的相位计数结果输出对应相位的电压波形以驱动逆变器。

本发明的优点在于：本发明提供的无刷直流电机霍尔信号同步波形控制电路及控制方法，采用两路速度计数器来计算上一次霍尔周期的时长，通过寄存，比较的方法产生一个霍尔周期内的相位信息，再通过查表的方式输出模拟电压波形，驱动逆变器连续的变化，从而避免了换相转矩波动。且，本发明可应用于单相/三相无刷直流电机驱动，以及可应用于方波/梯形波/正弦波或其他波形电机驱动。

附图说明

图1，本发明无刷直流电机霍尔信号同步波形控制电路架构示意图；

图2，本发明无刷直流电机霍尔信号同步波形控制电路一实施方式示意图；

图3，本发明应用于单相准正弦波驱动电机时各个节点的工作波形；

图4，本发明无刷直流电机霍尔信号同步波形控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的无刷直流电机霍尔信号同步波形控制电路及控制方法做详细说明。

参考图1，本发明所述的无刷直流电机霍尔信号同步波形控制电路架构示意图。所述无刷直流电机霍尔信号同步波形控制电路包括第一速度计数器11、第二速度计数器12、速度寄存器13、比较单元14、相位计数器15以及输出控制单元16。该电路采用两路速度计数器来分别计算上一次霍尔周期的时长，通过寄存、比较的方法产生一个霍尔周期内的相位信息，再通过查表的方式输出模拟电压波形以驱动逆变器连续的变化，从而避免换相转矩波动，以下给出详细解释。

所述第一速度计数器11的时钟端CK与无刷直流电机的时钟信号输出端相连，所述第一速度计数器11的清零端Reset与无刷直流电机的霍尔边沿信号(HallEdge)输出端相连，所述第一速度计数器11的输出端OUT与速度寄存器13的输入端相连。所述第一速度计数器11输入是周期为t的内部时钟CK，并根据霍尔边沿信号将计数到的霍尔边沿信号周期时长存入到所述速度寄存器13，之后清零准备下次计数。

所述速度寄存器13的输出端OUT与所述比较单元14的第一输入端相连。

所述第二速度计数器12的时钟端CK与所述时钟信号输出端相连，所述第二速度计数器12的输出端OUT与所述比较单元14的第二输入端相连；所述第二速度计数器12的清零端Reset与所述比较单元14的输出端相连。所述第二速度计数器12输入也是周期为t的内部时钟CK，其将计数到的霍尔边沿信号周期时长输入到所述比较单元14，并在所述比较单元14输出相位计数信号Step时清零准备下次计数。

所述比较单元14的输出端进一步与所述相位计数器15的时钟端CK相连，用于对所述速度寄存器13与所述第二速度计数器12的输出进行比较，并输出相位计数信号Step至所述相位计数器15；输出的相位计数信号Step同时清零所述第二速度计数器12，以使其准备下次计数。当所述第二速度计数器12计数到Hall周期的每1/2^M时，所述比较单元14输出相位计数信号Step作为时钟输入到相位计数器15，每个Step对应的相位为180°/2^M。其中，M为正整数，其取值根据相位控制的精度确定。

所述相位计数器15的初始化端Init与所述霍尔边沿信号输出端相连，用于根据霍尔边沿信号初始化所述相位计数器；所述相位计数器15的输出端OUT与所述输出控制单元16相连，用于将相位计数结果输出至所述输出控制单元16。所述相位计数器15对比较单元14输出的相位计数信号Step计数，并将相位计数结果输出至所述输出控制单元16。所述相位计数器15各输出端的输出组合，即相位计数结果，则是当前的相位地址。

所述输出控制单元16，用于根据所述相位计数结果输出对应相位的电压波形(OutputWave)以驱动逆变器连续的变化，从而避免换相转矩波动。

可选的，所述输出控制单元16进一步包括一波形编码表261，所述波形编码表261存储有每一相位地址所对应的电压波形，从而根据所述相位计数结果对应的当前相位地址查表即可输出相应电压波形。

所述无刷直流电机可以为单相或三相无刷直流电机，也即，本发明可应用于单相/三相无刷直流电机驱动。

所述无刷直流电机驱动波形包括方波、梯形波以及正弦波，也即，本发明可应用于方波/梯形波/正弦波或其他波形电机驱动。

参考图2，本发明所述的无刷直流电机霍尔信号同步波形控制电路一实施方式示意图。在本实施方式中，所述第一速度计数器11采用N位速度计数器21，所述相位计数器15采用M位相位计数器25，所述第二速度计数器12采用N-M位速度计数器22，所述速度寄存器13采用N-M位速度寄存器23。

其中，N、M为正整数，且N大于M。N的值的设定满足：2N*T_CK>MAX(T_HallEdge)，其中，T_CK是时钟周期，MAX(T_HallEdge)是霍尔信号的最大周期；M的值根据相位控制的精度确定。

在本实施方式中，所述N位速度计数器21的高N-M位输出端与所述N-M位速度寄存器23的输入端相连(当N＝8，M＝3时，其D4-D8连接到所述N-M位速度寄存器23的输入端，如图2所示)。所述N位速度计数器21输入是周期为t的内部时钟CK，并根据霍尔边沿信号(HallEdge)将计数到的霍尔边沿信号周期时长的高N-M位存入到所述N-M位速度寄存器23，之后清零准备下次计数。

在本实施方式中，所述比较单元24包括：一同或门组241以及一与门242。

所述同或门组241包括N-M个同或门；每一同或门的输入端分别与所述N-M位速度寄存器23以及所述N-M位速度计数器22的相应输出端相连，以对二者相应输出端的的输出做同或运算；所述同或门组241的输出端均接入所述与门242的输入端。每一同或门的输入端输入的N-M位速度计数器22的计数的位和N-M位速度寄存器23的位是一一对应的。例如，N-M位速度寄存器23缓存的第一位计数与N-M位速度计数器22的第一位计数输入到一个同或门的两输入端，N-M位速度寄存器23缓存的第二位计数与N-M位速度计数器22的第二位计数输入到一个同或门的两输入端，N-M位速度寄存器23缓存的第N-M位计数与N-M位速度计数器22的第N-M位计数输入到一个同或门的两输入端。

所述与门242的输出端与所述M位相位计数器25的时钟端CK相连，以输出相位计数信号Step至所述M位相位计数器25；所述与门242的输出端同时与所述N-M位速度计数器22的清零端Reset相连，所述与门242输出的相位计数信号Step同时清零所述N-M位速度计数器22，以使其准备下次计数。当所述N-M位速度计数器22计数到霍尔信号周期的每1/2^M时，所述与门242输出相位计数信号Step作为时钟输入到M位相位计数器25，每个相位计数信号Step对应的相位为180°/2^M。

下面结合附图3，以单相准正弦波驱动电机为例，对本发明所述的无刷直流电机霍尔信号同步波形控制电路作进一步说明。其中，图3为本发明应用于单相准正弦波驱动电机时各个节点的工作波形。

每一个电气周期总相位为360°，霍尔信号(Hall)翻转两次，高低电平占空比为50％，每次霍尔边沿信号(HallEdge)之间相差180°相位。假设N位速度计数器21的位数N＝8，N-M位速度计数器22的位数N-M＝5，N-M位速度寄存器23的位数N-M＝5，M位相位计数器24的位数M＝3(即相位控制的精度为M＝3)；即每个霍尔边沿之间有8次相位输出，每个相位对应180°/8＝22.5°。

1、HallEdge信号连接到8位速度计数器21的Reset端，时钟CK连接到8位速度计数器21的CK端；8位速度计数器21的输入为周期为t的内部时钟CK，并且根据HallEdge信号来将计数到的HallEdge周期时长的高5位D<4:8>存入到5位速度寄存器23中，并且清零准备下次计数。

2、时钟CK同时连接到5位速度计数器22的CK端；因此，5位速度计数器22的输入亦为周期为t的内部时钟CK。

3、5个同或门组成的同或门组241分别对5位速度计数器22与5位速度寄存器23相应输出端的输出做同或运算，5位同或的结果输入到与门242。即每当5位速度计数器22计数到Hall周期的1/8时，与门242输出一Step信号，每个Step信号对应的相位为180°/8＝22.5°。

4、HallEdge信号同时连接到3位相位计数器25的Init端，在每个HallEdge时刻，初始化3位相位计数器25；将Step信号作为时钟输入到3位相位计数器25的CK端，3位相位计数器25的输出组合则是当前的相位地址。

5、将3位相位计数器25的相位计数结果输入到输出控制单元26，根据相位计数结果对应的当前相位地址查询输出控制单元26中的波形编码表261，即可输出相应电压波形以驱动逆变器。

参考图4，本发明所述的无刷直流电机霍尔信号同步波形控制方法流程图。所述方法包括：S41：采用第一速度计数器、第二速度计数器分别对霍尔边沿信号周期时长进行计数；S42：根据霍尔边沿信号将第一速度计数器计数到的霍尔边沿信号周期时长存入速度寄存器，并清零所述第一速度计数器准备下次计数；S43：将第二速度计数器各输出端的计数与所述速度寄存器相应的各输出端的计数进行比较，并输出相位计数信号至相位计数器，同时清零所述第二速度计数器准备下次计数；S44：根据所述相位计数器的相位计数结果输出对应相位的电压波形以驱动逆变器；以下给出详细解释。

S41：采用第一速度计数器、第二速度计数器分别对霍尔边沿信号周期时长进行计数。

每一个电气周期总相位为360°，霍尔信号(Hall)翻转两次，高低电平占空比为50％，每次霍尔边沿信号(HallEdge)之间相差180°相位。假设每个霍尔边沿之间有8次相位输出，每个相位对应180°/8＝22.5°。

可选的，所述第一速度计数器为N位速度计数器，所述第二速度计数器为N-M位速度计数器；第一速度计数器、第二速度计数器的输入均为周期为t的内部时钟CK。其中，N、M为正整数，且N大于M。N的值的设定满足：2N*T_CK>MAX(T_HallEdge)，其中，T_CK是时钟周期，MAX(T_HallEdge)是霍尔信号的最大周期；M的值根据相位控制的精度确定，例如，相位控制的精度位数为3位，则M的值为3。

S42：根据霍尔边沿信号将第一速度计数器计数到的霍尔边沿信号周期时长存入速度寄存器，并清零所述第一速度计数器准备下次计数。

可选的，所述第一速度计数器为N位速度计数器，所述速度寄存器为N-M位速度寄存器；其中N、M的取值参照上述步骤S41的描述，此处不再赘述。

所述N位速度计数器的高N-M位输出端分别与所述N-M位速度寄存器的输入端相连，用于根据霍尔边沿信号将计数到的霍尔边沿信号周期时长的高N-M位存入到所述N-M位速度寄存器后清零准备下次计数。假设N＝8，M＝3，即第一速度计数器采用8位速度计数器，速度寄存器采用5位速度寄存器；每个霍尔边沿之间有8次相位输出，相位控制的精度位数为3位。8位速度计数器的输入是周期为t的内部时钟CK，并且根据HallEdge信号来将计数到的HallEdge周期时长的高5位D<4:8>存入到5位速度寄存器中，并清零准备下次计数。

S43：将第二速度计数器各输出端的计数与所述速度寄存器相应的各输出端的计数进行比较，并输出相位计数信号至相位计数器，同时清零所述第二速度计数器准备下次计数。

可选的，步骤S43进一步也可以为：当所述第二速度计数器计数到霍尔信号周期的每1/2^M时，输出相位计数信号，每个相位计数信号对应的相位为180°/2^M；其中，M的值根据相位控制的精度确定。

可选的，所述第二速度计数器为N-M位速度计数器，所述速度寄存器为N-M位速度寄存器，所述相位计数器为M位相位计数器；其中N、M的取值参照上述步骤S41的描述，此处不再赘述。则，步骤S43进一步可以为：1)对所述N-M位速度计数器各输出端的计数分别与N-M位速度寄存器相应的各输出端的计数进行同或运算，获取N-M位同或结果；2)对所述N-M位同或结果进行与运算，并输出相位计数信号。

假设N＝8，M＝3，所述第二速度计数器为N-M位速度计数器即5位速度计数器，所述速度寄存器为N-M位速度寄存器即5位速度寄存器，所述相位计数器为M位相位计数器即3位相位计数器。可以采用5个同或门组成的同或门组分别对5位速度计数器的输出与5位速度寄存器的输出做同或运算，5位同或的结果输入到与门。与门输出相位计数信号Step作为时钟输入到3位相位计数器中；同时，将Step信号输入到5位速度计数器的Reset端，以清零5位速度计数器准备下次计数。每当5位速度计数器计数到Hall周期的1/8时，与门输出一Step信号，每个Step信号对应的相位为180°/8＝22.5°。

S44：根据所述相位计数器的相位计数结果输出对应相位的电压波形以驱动逆变器。

优选的，步骤S44进一步可以为：根据所述相位计数结果对应的当前相位地址查询波形编码表输出相应电压波形，其中，所述波形编码表存储有每一相位地址所对应的电压波形。

相位计数器的输出组合则是当前的相位地址，将相位计数器的相位计数结果输入到输出控制单元，根据相位计数结果对应的当前相位地址查询输出控制单元中的波形编码表，即可输出相应电压波形以驱动逆变器连续的变化，从而避免换相转矩波动。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (16)

1.一种无刷直流电机霍尔信号同步波形控制电路，其特征在于，包括：第一速度计数器、第二速度计数器、速度寄存器、比较单元、相位计数器以及输出控制单元；

所述第一速度计数器的时钟端与无刷直流电机的时钟信号输出端相连，所述第一速度计数器的清零端与无刷直流电机的霍尔边沿信号输出端相连，所述第一速度计数器的输出端与所述速度寄存器的输入端相连，所述第一速度计数器用于根据霍尔边沿信号将计数到的霍尔边沿信号周期时长存入到所述速度寄存器后清零准备下次计数；

所述速度寄存器的输出端与所述比较单元的第一输入端相连；

所述第二速度计数器的时钟端与所述时钟信号输出端相连，所述第二速度计数器的输出端与所述比较单元的第二输入端相连，所述第二速度计数器的清零端与所述比较单元的输出端相连；

所述比较单元的输出端进一步与所述相位计数器的时钟端相连，用于对所述速度寄存器与所述第二速度计数器的输出进行比较，并输出相位计数信号至所述相位计数器以及清零所述第二速度计数器；

所述相位计数器的初始化端与所述霍尔边沿信号输出端相连，用于根据霍尔边沿信号初始化所述相位计数器，所述相位计数器的输出端与所述输出控制单元相连，用于将相位计数结果输出至所述输出控制单元；

所述输出控制单元，用于根据所述相位计数结果输出对应相位的电压波形以驱动逆变器。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，当所述第二速度计数器计数到霍尔信号周期的每1/2^M时，比较单元输出相位计数信号，每个相位计数信号对应的相位为180°/2^M；其中，M的值根据相位控制的精度确定。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第一速度计数器为N位速度计数器，所述相位计数器为M位相位计数器，所述第二速度计数器为N-M位速度计数器，所述速度寄存器为N-M位速度寄存器，其中N、M为正整数，且N大于M。

4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述N位速度计数器的高N-M位输出端分别与所述N-M位速度寄存器的输入端相连，用于根据霍尔边沿信号将计数到的霍尔边沿信号周期时长的高N-M位存入到所述N-M位速度寄存器后清零准备下次计数。

5.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，N的值的设定满足：2N*T_CK>MAX(T_HallEdge)，其中，T_CK是时钟周期，MAX(T_HallEdge)是霍尔信号的最大周期；M的值根据相位控制的精度确定。

6.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述比较单元进一步包括一同或门组以及与门；

所述同或门组包括N-M个同或门，每一同或门的输入端分别与所述N-M位速度寄存器以及所述N-M位速度计数器的相应输出端相连，所述同或门组的输出端均接入所述与门的输入端；

所述与门的输出端分别与所述M位相位计数器的时钟端以及所述N-M位速度计数器的清零端相连，以输出相位计数信号至所述M位相位计数器以及清零所述N-M位速度计数器。

7.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述输出控制单元进一步包括波形编码表，所述波形编码表存储有每一相位地址所对应的电压波形，根据所述相位计数结果对应的当前相位地址查表输出相应电压波形。

8.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述无刷直流电机为单相或三相无刷直流电机。

9.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述无刷直流电机驱动波形包括方波、梯形波以及正弦波。

10.一种无刷直流电机霍尔信号同步波形控制方法，其特征在于，包括：

(1)采用第一速度计数器、第二速度计数器分别对霍尔边沿信号周期时长进行计数；

(2)根据霍尔边沿信号将第一速度计数器计数到的霍尔边沿信号周期时长存入速度寄存器，并清零所述第一速度计数器准备下次计数；

(3)将第二速度计数器各输出端的计数与所述速度寄存器相应的各输出端的计数进行比较，并输出相位计数信号至相位计数器，同时清零所述第二速度计数器准备下次计数；

(4)根据所述相位计数器的相位计数结果输出对应相位的电压波形以驱动逆变器。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，步骤(3)进一步包括：当所述第二速度计数器计数到霍尔信号周期的每1/2^M时，输出相位计数信号，每个相位计数信号对应的相位为180°/2^M；其中，M的值根据相位控制的精度确定。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，步骤(4)进一步包括：根据所述相位计数结果对应的当前相位地址查询波形编码表输出相应电压波形，其中，所述波形编码表存储有每一相位地址所对应的电压波形。

13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一速度计数器为N位速度计数器，所述相位计数器为M位相位计数器，所述第二速度计数器为N-M位速度计数器，所述速度寄存器为N-M位速度寄存器，其中N、M为正整数，且N大于M。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述N位速度计数器的高N-M位输出端分别与所述N-M位速度寄存器的输入端相连，用于根据霍尔边沿信号将计数到的霍尔边沿信号周期时长的高N-M位存入到所述N-M位速度寄存器后清零准备下次计数。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，N的值的设定满足：2N*T_CK>MAX(T_HallEdge)，其中，T_CK是时钟周期，MAX(T_HallEdge)是霍尔信号的最大周期；M的值根据相位控制的精度确定。

16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，步骤(3)进一步包括：

(31)对所述N-M位速度计数器各输出端的计数分别与N-M位速度寄存器相应各输出端的计数进行同或运算，获取N-M位同或结果；

(32)对所述N-M位同或结果进行与运算，并输出相位计数信号。