CN105207549B - 无刷直流电机驱动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无刷直流电机的电机驱动控制系统，包含驱动及输出电路，用于产生驱动信号，并输出电源使无刷直流电机工作；运算控制电路，用于通过驱动及输出电路控制无刷直流电机的工作；反电势检测电路，用于检测无刷直流电机的反电势过零信号；以及电流检测电路，用于检测通过无刷直流电机绕组的电流；该运算控制电路根据电流检测电路根据电流检测电路和该反电势检测电路的检测值运算得到无刷直流电机转子的位置，并依此驱动其运转工作。本发明的无刷直流电机的电机驱动控制系统可以在无刷电机的任何工作状态下准确检测到转子的位置，且不需要安装霍尔元件，成本较低，检测方式简单有效。

Description

无刷直流电机驱动控制系统

技术领域

本发明涉及一种无刷直流电机的驱动控制系统。

背景技术

无刷直流电机电机与有刷直流电机或感应电机相比，具有更好的转速与转矩特性、较高的动态响应和效率、较长的使用寿命、无噪音运转、较高的转速范围，以及可靠而坚固的构造等等。同时由于输出转矩与电机体积之比更高，使之在需要着重考虑空间与重量因数的应用中，大有用武之地，如手持式电动工具等。

在无刷直流电机的控制中，关键在于检测转子位置，然后根据位置信息，取得换相点，相应绕组导通换相，导通电流与绕组的反电动势相位同步。对于电动工具，大多数的应用场合，都需要全扭矩启动。对于直流电动工具来说，由于动力部分为电池，需要整机有很高的效率，才能维持长时间的工作；对于一些场合，需要大扭矩输出，所以对于换相时机的获得和动态调节显得格外的重要。

目前有两种方式可以获得转子的位置：霍尔传感器方式和无传感器方式。由于传感器的安装精度直接影响无刷直流电机的使用效果，且成本也较高，无传感器方式是无刷控制器追求的目标。目前大多数无感方式大多采用反电动势过零法，电路简单，成本低，但启动时，不能全扭矩启动，此时使用反电势过零法检测电机转子位置会使检测结果不准确，电机无法顺利工作。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种成本较低，且在无刷直流电机尚未全扭矩启动时准确检测到转子位置的电机驱动控制系统。

本发明的无刷直流电机的电机驱动控制系统包含驱动及输出电路，用于产生驱动信号，并输出电源使无刷直流电机工作；运算控制电路，用于通过驱动及输出电路控制无刷直流电机的工作；反电势检测电路，用于检测无刷直流电机的反电势过零信号；以及电流检测电路，用于检测通过无刷直流电机绕组的电流；该运算控制电路根据电流检测电路根据电流检测电路和该反电势检测电路的检测值运算得到无刷直流电机转子的位置，并依此驱动其运转工作。

本发明的无刷直流电机的电机驱动控制系统可以在无刷电机的任何工作状态下准确检测到转子的位置，且不需要安装霍尔元件，成本较低，检测方式简单有效。

附图说明

图1是无刷直流电机定子电感与转子位置变化的关系图；

图2是无刷直流电机定子和转子的示意图；

图3是本发明的无刷直流电机驱动控制电路在电动工具上应用的电路框图；

图4是无刷直流电机在6拍时检测到的在加载电压的瞬间流过电机绕阻的电流值；

图5是本发明的无刷直流电机驱动控制电路的工作流程图。

具体实施方式

无刷直流电机中绕于铁芯的载流线圈，通入的电流增加，铁芯中磁通量增大。当铁芯中所有的磁场朝同一个方向排列时，磁通量不再随电流的增加而增大，铁芯达到饱和状态。线圈电感随磁路饱和状态变化，不是一个常量。当外加磁场作用于线圈时，电感会随着外磁场的变化而变化，当外磁场方向与电流产生的磁场方向一致时，产生增磁作用，磁路饱和增加，电感减小。反之，产生去磁作用，饱和减弱，电感增大。

无刷直流电机转子旋转时，由于转子磁场的作用，定子电感随着转子位置的改变而呈规律性变化，转子磁场和定子电流的合成磁场对定子电感的影响。变化趋势如图1所示，从图中可以看出增磁N点的电感大于去磁M点电感。所以转子与定子的相对位置不同，所产生电感大小也随之不同。即转子的位置与电感存在一一对应的关系。

另外从无刷直流电机的电压公式也可以得到上述结论。无刷直流电机的电压工时为：

U=R*I+L*di/dt+E (1)

其中，U是施加电压，I是线圈电流，R是线圈电阻，E是反电动势。当电机静止时，反电势E为零，因此根据上述公式，可以获得：

I = (1-e1/τ)*U/R (2)

其中，τ为时间常数。上述公式可以推导出时间常数τ与电流呈函数关系，即：

τ=f(I) (3)

而时间常数τ与位置存在一一映射的关系。当转子处于不同位置时，所对应不同的τ值。

P=f’(τ) (4)

其中P为转子的位置。由公式(3)和(4)可以得到:

P=f’’(I) (5)

即转子位置与电流呈函数关系。而电流与电感呈函数关系，即映证了上述的结论，转子的位置与电感存在一一对应的关系。

在具体的计算中，根据以上公式，检测对比各相的电流变化即可以准确确定转子位置，即为电感法。这种方法与速度无关, 可以实现从零速到一定转速情况下的转子位置检测，实现电机的静止起动。

在具体实施方案中，本发明方案采用的无刷电机，其转矩与重量之比大于1.88（Nm/Kg），或无刷电机功率与重量之比大于2.94（KW/Kg）。较优的实施方案为质量138g，扭矩0.45Nm，功率700W的无刷直流电机。

如图2所示的无刷直流电机，定子的三个电极分别为A、B、C，转子包含多对N、S极，此处图示仅画出两对作为示意。图3为本发明的无刷直流电机驱动控制电路在电动工具上应用的电路框图。无刷直流电机200受电机驱动控制系统100控制工作。电机驱动控制系统100包含运算控制电路10，驱动及输出电路20，电流检测电路30及反电势检测电路40。（请图上加上标号）电源300经驱动及输出电路20后驱动无刷直流电机200。无刷直流电机200由电流检测电路30检测在加载电压时流过电机绕阻的电流值，反电势检测电路40用于检测无刷直流电机的反电势。运算控制电路10包含CPU或MCU等芯片，本实施例中优选的为MCU。运算控制电路10与电源300，电池检测电路400，驱动及输出电路20，电流检测电路30，反电势检测电路40，人机界面接口500分别电连接。电池检测电路400用于检测电池电压，电池温度等电池信号，并将其提供给运算控制电路10，当电池出现过温、过放等异常情况下时，运算控制电路10及时将电源切断。运算控制电路10还连接无刷直流电机200的电流检测电路30和反电势检测电路40，用于通过检测到的电流值或反电势值运算得到无刷直流电机转子位置，以根据电机所需要转向驱动下一拍，使电机朝给定的转向旋转。运算控制电路10外接人机界面接口500，以向使用者提供工具的信号，如工具运行状态，电池工作状态，剩余电量等。

通过反电势检测电路40，运算控制电路10实时检测无刷直流电机200的反电势过零信号。如图5的无刷直流电机检测流程图所示，在工具静止时反电势为零，在工具刚启动时，未进入全扭矩状态。这两个状态下反电势过零的转子检测方法将无法准确检测无刷直流电机的转子位置。在此时，反电势检测电路40检测无刷直流电机的反电势过零信号，运算控制电路10得到每拍的反电势过零信号不相等，工具采用电感法得到无刷直流电机的转子位置，并依此驱动无刷直流电机的正常旋转。

在电感法中，图4为无刷直流电机在6拍时检测到的在加载电压的瞬间流过电机绕阻的电流值。图4中的BA阶段为电极B向电极A导通，此时检测到电流最大，如图2所示，转子电流B到A端产生的磁场与定子磁场一致，处于增磁状态。当电机转子的静止位置停在某一绕组附近时，由于增磁作用，此时电感最大，测得的电流峰值也最大，因此可以判断电机转子处于静止时的位置。继续根据电机所需转向，驱动下一拍，即施加滞后或超前60°的定子磁场，使电机朝给定的转向旋转。

在实际应用中，由于MCU运行速度的限制，可能发生转子未旋转的状况。所以加速过程中，在保持施加某一定子磁势时间之后，需要继续检测转子的位置。在本方案中，优选的，运算控制电路比较当前拍和下一拍的电流值，如较上一时间的电流值无变化，则表明转子未转动，需要继续施加当前磁势。如较上一时间的电流值存在变化，则按上述方式重新判断定子所在的位置区间，继续导通相应的功率管，使无刷直流电机向前运转。在其他实施例中，也可检测比对更多拍的电流值。

随着工具的全面启动，无刷直流电机进入全扭矩状态。此时驱动控制电路可继续用电感法检测转子位置，驱动转子向前转动直到工具工作结束。也可切换成传统的反电势过零法。此处优选的为使用反电势过零法检测转子位置。

如图5所示为本发明的无刷直流电机驱动控制电路的工作流程图。工具启动后，按步骤601检测无刷直流电机的反电势过零信号，运算控制电路10按步骤602判断无刷直流电机的反电势过零信号是否连续两次相等，如是，则认为无刷直流电机已进入全扭矩状态，反电势过零法可以准确检测到转子的位置，运算控制电路10按步骤603将检测模式切换至反电势过零法，通过反电势检测电路检测并按步骤605控制无刷直流电机工作。如无刷直流电机的反电势过零信号连续两次不相等，则按步骤604用电感法检测转子位置，按步骤605驱动电机旋转。在检测到步骤606电动工具被关断或堵转的信号之前，重复图5的无刷直流电机检测流程。

实验证明，电流法检测电机转子位置准确，起动过程无震荡反转，电机过渡平滑，满足电动工具全扭矩启动要求。与反电势过零法切换使用后不需要采用霍尔传感器、磁铁等元件对无刷直流电机的转子进行位置检测，精度准确并大大降低成本。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种无刷直流电机的驱动控制系统，包含：

一驱动及输出电路，与无刷直流电机电连接且与电动工具的电源电连接，产生驱动信号，并输出电源使无刷直流电机工作，所述无刷直流电机包含定子和转子；及一运算控制电路，与电动工具的电源和电池检测电路分别电连接，并电连接驱动及输出电路，通过驱动及输出电路控制无刷直流电机的工作；其特征在于，所述无刷直流电机的驱动控制系统还包含一电流检测电路，与无刷直流电机和所述运算控制电路分别电连接，电流检测电路用于检测通过无刷直流电机绕组的电流，所述运算控制电路根据电流检测电路的检测值运算得到无刷直流电机转子的位置，并依此驱动其运转工作；所述电流检测电路能检测无刷直流电机每一拍的电流值，并将所述电流值提供运算控制电路，所述运算控制电路能够根据当前拍和下一拍的电流值控制无刷直流电机定子的磁势方向；所述运算控制电路比较当前拍和下一拍的电流值，如果下一拍的电流值相对于当前拍的电流值无变化，则所述运算控制电路继续控制电机定子的磁势方向保持当前磁势方向，否则，如果下一拍的电流值相对于当前拍的电流值存在变化，则所述运算控制电路根据下一拍的电流值运算得到无刷直流电机转子的下一拍位置，继续驱动其向前运转工作。

2.根据权利要求1所述的无刷直流电机的驱动控制系统，其特征在于，还包含一反电势检测电路，电连接无刷直流电机和运算控制电路，反电势检测电路用于检测无刷直流电机的反电势过零信号，所述运算控制电路还根据反电势检测电路的检测值运算得到无刷直流电机转子的位置，并依此驱动其运转工作。

3.根据权利要求1所述的无刷直流电机的驱动控制系统，其特征在于，所述驱动控制系统电连接的无刷直流电机转矩与重量之比大于1.88(Nm/Kg)，或无刷直流电机功率与重量之比大于2.94(KW/Kg)。

4.根据权利要求3所述的无刷直流电机的驱动控制系统，其特征在于，所述驱动控制系统电连接的无刷直流电机的质量为138g，扭矩为0.45Nm，功率为700W。