CN105322845B - 高速无刷电机控制器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速无刷电机控制器及其控制方法。高速无刷电机控制器包括MCU微控制器单元、MOS管三相桥单元和设于无刷直流电机定子中的三个霍尔传感器，MCU微控制器单元的输出端和MOS管三相桥单元的输入端相连，MOS管三相桥单元的输出端分别和无刷直流电机的定子线圈的输入端相连，三个霍尔传感器的输出端分别和MCU微控制器单元的输入端相连。控制方法为，通过MCU微控制器单元处理，选择合适时机输出正确相位，提前进行定子线圈相位输出切换。本发明省略了RC滤波电路和MOS驱动电路，减少反馈延迟和控制延迟，有效解决相位滞后问题，并能兼顾电机的正反转，确保电机高速运行，提高稳定性和生产良率，降低成本。

Description

高速无刷电机控制器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种电机，尤其涉及一种高速无刷电机控制器及其控制方法。

背景技术

目前三相无刷直流电机控制器中，常用带霍尔位置反馈的控制方案，确定好定子和霍尔传感器相对位置角度，在定子中安装三个霍尔传感器。控制器一般包括微控制器、MOS驱动电路、6个MOS管构成的驱动桥和RC滤波电路，微控制器、MOS驱动电路及MOS管驱动桥依次相连，MOS管驱动桥的三个输出端分别和无刷直流电机的三个定子线圈相连，安装在定子中的三个霍尔传感器的输出端经RC滤波电路和微控制器的输入端相连。当转子磁极经过霍尔传感器附近时，霍尔传感器便会发出高(低)电平信号，微控制器通过输入IO口读取经RC滤波电路处理后的这三个霍尔传感器的信号组合，对当前转子的位置进行判断，得出定子线圈下一个正确的通电顺序，然后微控制器输出对应的PWM信号给MOS驱动电路，再经MOS管驱动桥处理，输出控制信号使定子线圈相应的绕组通电，从而使转子持续平稳运转。

传统的控制方案是一个先检测后判断的过程，不可避免地会造成输出滞后。同时由于霍尔元件本身存在磁性检测和信号输出的滞后性，而且为了消除电路外部干扰或内部杂波信号，在霍尔电平转换电路中需要加入滤波电容，电容的存在也会导致霍尔信号输出的滞后，虽然可以减小电容，改善滞后，但会导致霍尔信号干扰无法消除，这是不可取的。另外，在正转时，通过修正霍尔传感器相对定子的安装角度也能改善相位滞后的问题，但如果电机反转的话则滞后更加严重，故这种修正方法不能同时兼顾电机的正、反转状态。所以由于滞后效应的存在，导致带霍尔控制的无刷直流电机反电动势相位滞后，输出效率降低，限制高速运行。

总体来说，传统的无刷直流电机控制器存在如下弊端：需连接RC滤波电路，造成信号的传递滞后，使控制器无法实时跟踪最新的控制状态，造成控制效率降低，无法上高速；外围电路复杂，需要复杂的功率管驱动电路，对整体电路的一致性和控制性能带来影响；使用的元器件比较多，造成批量生产不良率不够低，成本也较高。

发明内容

本发明主要解决原有带霍尔控制的无刷直流电机控制器，有RC滤波电路，造成电机反电动势相位滞后，输出效率降低，限制高速运行的技术问题；提供一种高速无刷电机控制器及其控制方法，其省去了RC滤波电路，通过内部程序算法跟踪事实的反电动势波形，减少了反馈延迟和控制延迟，并能兼顾电机的正反转，控制电机高速运行。

本发明同时解决原有带霍尔控制的无刷直流电机控制器，既有RC滤波电路又有MOS驱动电路，外围电路复杂，使用的元器件比较多，影响整体电路的一致性和控制性能，造成批量生产不良率不够低，成本也较高的技术问题；提供一种高速无刷电机控制器及其控制方法，其既不需要RC滤波电路也不需要MOS驱动电路，简化了电路，外部元器件大大减少，提高稳定性和生产良率，也降低成本。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明的高速无刷电机控制器，包括MCU微控制器单元、MOS管三相桥单元和设于无刷直流电机定子中的三个霍尔传感器，MCU微控制器单元的输出端和所述的MOS管三相桥单元的输入端相连，MOS管三相桥单元的输出端分别和无刷直流电机的定子线圈的输入端相连，所述的三个霍尔传感器的输出端分别和所述的MCU微控制器单元的输入端相连。霍尔传感器实时检测无刷直流电机的转子的位置并输送给MCU微控制器单元，MCU微控制器单元读取当前霍尔值，进行分析和处理，对霍尔反馈信号进行滤波，再输出功率控制信号给MOS管三相桥单元，由MOS管三相桥单元控制无刷直流电机的定子线圈的通电顺序，控制无刷直流电机的运行。在对霍尔干扰更强的环境中，不需更改本发明的硬件电路，直接通过软件配置MCU微控制器单元内部寄存器即可改变滤波系数，保证霍尔信号正确无误。本技术方案省去了RC滤波电路，减少了反馈延迟和控制延迟，并能兼顾电机的正反转，从而控制电机高速运行。同时也省去了原有的MOS驱动电路，简化电路，外部元器件大大减少，提高稳定性和生产良率，也降低成本。

作为优选，所述的MCU微控制器单元包括内置有MOS驱动电路的单片机U，单片机U有PWM0脚、PWM1脚、PWM2脚、PWM3脚、PWM4脚及PWM5脚六个输出端，所述的MOS管三相桥单元有六个MOS管，单片机U的PWM0脚、PWM1脚、PWM2脚、PWM3脚、PWM4脚及PWM5脚分别和六个MOS管的基极相连。单片机U的六个功率控制输出端控制六个MOS管的导通或截止，从而控制无刷直流电机的定子线圈的通电顺序。电路简单，提高可靠性，也降低成本。

作为优选，所述的MOS管三相桥单元包括MOS管Q0、MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4和MOS管Q5，MOS管Q1、MOS管Q3及MOS管Q5的集电极均和电压DC+相连，MOS管Q0、MOS管Q2及MOS管Q4的发射极均接地，MOS管Q0的集电极和MOS管Q1的发射极相连并且和所述的无刷直流电机的定子线圈L1的输入端相连，MOS管Q2的集电极和MOS管Q3的发射极相连并且和所述的无刷直流电机的定子线圈L2的输入端相连，MOS管Q4的集电极和MOS管Q5的发射极相连并且和所述的无刷直流电机的定子线圈L3的输入端相连。

作为优选，所述的单片机U采用DRV91620单片机。实现方便，既提高可靠性，也降低成本。

作为优选，所述的MCU微控制器单元连接有运行/停止按钮K1和正转/反转按钮K2。操作运行/停止按钮K1，可控制无刷直流电机的启停；操作正转/反转按钮K2，可控制无刷直流电机按正转或反转方式运行。

本发明的高速无刷电机控制器的控制方法，包括下列步骤：

①所述的霍尔传感器实时检测无刷直流电机的转子的位置并输送给所述的MCU微控制器单元，MCU微控制器单元读取当前霍尔值，此时转子位于第n个霍尔区间，同时MCU微控制器单元中的第一定时器开始计时；

②当霍尔值跳变到下一个霍尔值时，MCU微控制器单元读取所述的第一定时器捕获的转子经过第n个霍尔区间的时间Tn，此时转子进入第n+1个霍尔区间，然后分成两个步骤走：a步骤，回到步骤①；b步骤，MCU微控制器单元中的第二定时器开始计时，转到步骤③；

③所述的MCU微控制器单元设定转子提前进入第n+2个霍尔区间的提前换向时间T0＝(1/m)Tn；

④当所述的第二定时器计时到达(1-1/m)Tn时，所述的MCU微控制器单元输出的PWM信号切换到第n+2个霍尔区间对应的输出相，再通过所述的MOS管三相桥单元的处理，分别输出通电信号给所述的无刷直流电机的三个定子线圈，则定子线圈在转子的第n+2个霍尔区间输出的相位没有滞后，n以1、2、3、4、5、6再回到1的顺序循环，n、m均为自然数。

本技术方案通过MCU微控制器单元内部程序处理，提前进行定子线圈相位输出切换，选择合适的时机输出正确的相位，解决相位滞后问题，减少反馈延迟和控制延迟，并能兼顾电机的正反转，控制电机高速运行。适应性更强，在对霍尔干扰更强的环境中，不需要更改硬件电路，直接通过软件配置MCU微控制器单元内部寄存器即可改变滤波系数，保证霍尔信号正确无误，提高可靠性。

作为优选，所述的m＝4。经过各种试验，m＝4时，解决相位滞后的效果更加理想。当然m也可以是3、4、5、6或7等自然数，根据不同情况可以进行改变和设定。

本发明的有益效果是：既不需要RC滤波电路也不需要MOS驱动电路，通过内部程序算法跟踪事实的反电动势波形，减少了反馈延迟和控制延迟，有效解决了相位滞后问题，并能兼顾电机的正反转，从而能稳定地控制电机高速运行。电路简单，外部元器件大大减少，提高稳定性和生产良率，也降低成本。

附图说明

图1是本发明高速无刷电机控制器的一种电路原理连接结构框图。

图2是本发明高速无刷电机控制器的一种电路连接结构示意图。

图3是无刷直流电机转子转动角度和霍尔值相对应的一种示意图。

图中1.MCU微控制器单元，2.MOS管三相桥单元，3.无刷直流电机，4.霍尔传感器，5.定子线圈。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的高速无刷电机控制器，如图1所示，包括MCU微控制器单元1、MOS管三相桥单元2和安装在无刷直流电机3定子中的三个霍尔传感器4，MCU微控制器单元1的输出端和MOS管三相桥单元2的输入端相连，MOS管三相桥单元2的输出端分别和无刷直流电机3的定子线圈5的输入端相连，三个霍尔传感器4的输出端分别和MCU微控制器单元1的输入端相连。

具体的电路如图2所示，MCU微控制器单元1包括内置有MOS驱动电路的单片机U，单片机U有两个定时器，本实施例中单片机U采用DRV91620单片机，单片机U有PWM0脚、PWM1脚、PWM2脚、PWM3脚、PWM4脚及PWM5脚六个输出端，MOS管三相桥单元2包括MOS管Q0、MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4和MOS管Q5，MOS管Q1、MOS管Q3及MOS管Q5的集电极均和电压DC+相连，MOS管Q0、MOS管Q2及MOS管Q4的发射极均接地，单片机U的PWM0脚、PWM1脚、PWM2脚、PWM3脚、PWM4脚及PWM5脚分别和MOS管Q0、MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4及MOS管Q5的基极相连，MOS管Q0的集电极和MOS管Q1的发射极相连并且和无刷直流电机3的定子线圈L1的输入端相连，MOS管Q2的集电极和MOS管Q3的发射极相连并且和定子线圈L2的输入端相连，MOS管Q4的集电极和MOS管Q5的发射极相连并且和定子线圈L3的输入端相连。单片机U还连接有运行/停止按钮K1、正转/反转按钮K2和复位电路。操作运行/停止按钮K1，可控制无刷直流电机的启停；操作正转/反转按钮K2，可控制无刷直流电机按正转或反转方式运行。

上述高速无刷电机控制器的控制方法，包括下列步骤：

①三个霍尔传感器4实时检测无刷直流电机3的转子的位置并输送给单片机U，单片机U读取当前霍尔值，此时转子位于第n个霍尔区间，同时单片机U中的第一定时器开始计时；

②当霍尔值跳变到下一个霍尔值时，单片机U读取第一定时器捕获的转子经过第n个霍尔区间的时间Tn，此时转子进入第n+1个霍尔区间，然后分成两个步骤走：a步骤，回到步骤①；b步骤，单片机U中的第二定时器开始计时，转到步骤③；

③在单片机U中设定转子提前进入第n+2个霍尔区间的提前换向时间T0＝(1/4)Tn；

④当第二定时器计时到达(3/4)Tn时，单片机U输出的PWM信号切换到第n+2个霍尔区间对应的输出相，再通过MOS管三相桥单元2的处理，分别输出通电信号给无刷直流电机3的定子线圈L1、定子线圈L2及定子线圈L3，则定子线圈在转子的第n+2个霍尔区间输出的相位没有滞后，n以1、2、3、4、5、6再回到1的顺序循环。

为了解释清楚，下面对原理作出说明。

如图3所示，霍尔传感器反馈回来转子磁极位置的六种信号状态：001、101、100、110、010、011，每个信号状态代表了转子运行的角度区间，即：0～60°、60～120°、120～180°、180～240°、240～300°、300～360°(0°)，A、B、C、D、E、F分别表示6个扇区交汇点。例如：转子从A点运行到B点需要的时间为T1，即转子转过0～60°区间的时间。通过观察反电动势相位图，观察到相位滞后为15°左右，转子运行15°对应的时间为T0，单片机内部第一定时器捕获到从霍尔值为001跳变到霍尔值为101的时间为T1，而从观察到相位滞后为15°左右从而设定T0＝(1/4)T1，由于在两个相邻扇区内，无刷直流电机可认为是匀速运转，所以认为从霍尔值为101跳变到霍尔值为100的时间T2＝T1，相应此时反电动势相位滞后也在15°左右，那么在B点让单片机内部第二定时器开始计时，当第二定时器计时到(T1-T0)时刻，即转子转过(60°-15°)时，立即切换到和霍尔值为100相对应的定子绕组输出，即提前切换，则100霍尔区间输出的相位没有滞后，达到最佳转矩输出。为了保证下一个霍尔区间110也是最佳转矩输出，则需要第一定时器测量霍尔值为101区间的时间T2，即从霍尔值为101跳变到霍尔值为100的时间，在100霍尔区间运行(T2-T0)时刻，立即切换到和霍尔值为110相对应的定子绕组输出，即提前切换，则110霍尔区间输出的相位没有滞后，保证了110霍尔区间对应相位和转矩的最佳输出。如此循环。可以看出，转子在101区间运行时提前T0时间切入到了100区间对应的相位输出，转子在100区间运行时提前T0时间切换到110区间对应的相位输出，所以可以确定100区间运行了完整的60°，只不过在实际的霍尔位置角度表示时是从105°到165°这个区间的60°。当然，上述具体说明中，相位滞后15°只是一个例子，其实滞后角度可以是小于60°的任何角度，通过这种方式来进行相位修正。

无刷直流电机反转运行时的情况一样，只不过扇区顺序由正转时的001、101、100、110、010、011变为反转时的001、011、010、110、100、101。

本发明采用MCU微控制器对霍尔反馈信号进行滤波，省去外围RC滤波电路，适应性更强，在对霍尔干扰更强的环境中，不需要更改硬件电路，直接通过软件配置MCU微控制器寄存器即可改变滤波系数，保证霍尔信号检测正确无误，减少了反馈延迟和控制延迟，有效解决了相位滞后问题，并能兼顾电机的正反转，从而能稳定地控制电机高速运行。同时也省去原来需外接的MOS驱动电路，电路简单，外部元器件大大减少，提高稳定性和生产良率，也降低成本。

Claims (1)

1.一种高速无刷电机控制器的控制方法，其特征在于高速无刷电机控制器包括MCU微控制器单元(1)、MOS管三相桥单元(2)和设于无刷直流电机(3)定子中的三个霍尔传感器(4)，MCU微控制器单元(1)的输出端和所述的MOS管三相桥单元(2)的输入端相连，MOS管三相桥单元(2)的输出端分别和无刷直流电机(3)的定子线圈(5)的输入端相连，所述的三个霍尔传感器(4)的输出端分别和所述的MCU微控制器单元(1)的输入端相连；

高速无刷电机控制器的控制方法包括下列步骤：

①所述的霍尔传感器(4)实时检测无刷直流电机(3)的转子的位置并输送给所述的MCU微控制器单元(1)，MCU微控制器单元(1)读取当前霍尔值，此时转子位于第n个霍尔区间，同时MCU微控制器单元(1)中的第一定时器开始计时；

②当霍尔值跳变到下一个霍尔值时，MCU微控制器单元(1)读取所述的第一定时器捕获的转子经过第n个霍尔区间的时间Tn，此时转子进入第n+1个霍尔区间，然后分成两个步骤走：a步骤，回到步骤①；b步骤，MCU微控制器单元(1)中的第二定时器开始计时，转到步骤③；

③所述的MCU微控制器单元(1)设定转子提前进入第n+2个霍尔区间的提前换向时间T0＝(1/m)Tn；

④当所述的第二定时器计时到达(1-1/m)Tn时，所述的MCU微控制器单元(1)输出的PWM信号切换到第n+2个霍尔区间对应的输出相，再通过所述的MOS管三相桥单元(2)的处理，分别输出通电信号给所述的无刷直流电机(3)的三个定子线圈(5)，则定子线圈(5)在转子的第n+2个霍尔区间输出的相位没有滞后，n以1、2、3、4、5、6再回到1的顺序循环，n、m均为自然数，m＝4。