CN106026805A - 一种单相无传感器无刷直流电机控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电机控制技术领域，具体涉及一种单相无传感器无刷直流电机控制系统，本发明包括：分别与电机的两相线相连接的H桥控制电路，该H桥控制电路的输出端与电流传感器相接；电流传感器与主控制器相接，该主控制器上分别设有用于驱动H桥控制电路的第一、第二驱动电路，电机的两相线均与反电动势采样电路相连接，所述反电动势采样电路用于对单相无刷电机上的反电动势比较信号进行采集，并将该反电动势比较信号输送至主控制器中；所述主控制对第一驱动电路和第二驱动电路的开合状态进行控制；本发明能很好的适用于单相无刷电机，并能对单相无刷电机的转子位置进行精确的检测与控制，为单相无刷电机的推广与使用建立了一个良好的基础。

Description

一种单相无传感器无刷直流电机控制系统

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，具体涉及一种单相无传感器无刷直流电机控制系统。

背景技术

单相直流无刷电机因其转速超高，且成本较三相直流无刷电机低廉，越来越受重视。单相直流无刷电机一般由永磁体转子、定子绕组和位置传感器组成，如图 1 所示。图 1 所示电机转子是两对磁极分别为 1N 、 1S 、 2N 、 2S 组成，对应绕组则由 A 、 B 、 C 、 D 四个定子绕组，其中 A 与 D 、 B 与 C 是同相位绕组，即通电时 A 与 D 产生相同磁极磁场， B 与 C 产生另一个磁场。位置传感器一般是由霍尔器件组成。

由于有位置传感器存在，电机工作受制于位置传感器，位置传感器安装位置会影响电机运行参数，如电流、速度、输出功率、效率等，同时若安装位置偏差较大，则会导致电机无法启动、高频振动情况，甚至出现损毁电机或控制系统。

采用无位置传感器技术则不存在上述问题，同时无位置传感器能简化电机制造、生产制程，并且增大了电机应用范围等。但是单相无刷直流电机的结构，不能像三相直流无刷电机那样有空闲的相线，使得传统反电动势检测转子位置的方法不能适用于单相无刷电机，其不能对单相无刷电机的转子位置进行精确的检测与控制，其极大地限制了单相无刷电机的推广与使用。

发明内容

为克服上述缺陷，本发明的目的即在于提供一种单相无传感器无刷直流电机控制系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明是一种单相无传感器无刷直流电机控制系统，其与单相无刷电机相连接，包括：分别与所述单相无刷电机的两相线相连接的 H 桥控制电路，所述 H 桥控制电路中设有四个 MOS 管，且四个 MOS 管分别设置于所述 H 桥控制电路两侧的输入端与输出端上；所述 H 桥控制电路两侧的输入端均与电源电压信号相连接，所述 H 桥控制电路两侧的输出端均与接地信号相连接，且所述 H 桥控制电路两侧的输出端上还与电流传感器相接；

所述电流传感器用于对通过所述单相无刷电机上的电流信号进行采集，并将所采集到的电流信号输送至主控制器中；

所述主控制器的信号输出端上分别设有第一驱动电路和第二驱动电路，所述第一驱动电路分别与所述 H 桥控制电路输入端上的两个 MOS 管的栅极相连接，用于控制 H 桥控制电路输入端上的两个 MOS 管的开合状态；所述第二驱动电路分别与所述 H 桥控制电路输出端上的两个 MOS 管的栅极相连接，用于控制 H 桥控制电路输出端上的两个 MOS 管的开合状态；

所述单相无刷电机的两相线均与反电动势采样电路相连接，所述反电动势采样电路用于对单相无刷电机上的反电动势比较信号进行采集，并将该反电动势比较信号输送至主控制器中；

所述主控制器分别与第一驱动电路、第二驱动电路和主控制器相连接，其用于对所述电流传感器所输送的电流信号进行运算处理，并根据运算处理后的结果产生驱动信号，通过该驱动信号对第一驱动电路和第二驱动电路的开合状态进行控制；或对所述反电动势采样电路所输送的反电动势比较信号进行运算处理，并根据运算处理后的结果产生驱动信号，通过该驱动信号对第一驱动电路和第二驱动电路的开合状态进行控制。

进一步，所述主控制器包括：电流采样单元、运算单元、数模转换单元、第一比较器、存储器；

所述电流采样单元与所述电流传感器相连接，用于接收所述电流传感器所输送的电流信号，并将该电流信号进行模数转换得到电流值，把该电流值传输至运算单元；

所述运算单元分别与所述电流采样单元、第一驱动电路和第二驱动电路相连接，用于提取该电流值中的最大电流值，并将该最大电流值发送至数模转换单元；或根据第一比较器所发送的第一比较信号，向所述第一驱动电路和第二驱动电路发送驱动信号；

所述数模转换单元分别与所述运算单元和第一比较器连接，用于将接收到的最大电流值进行数模转换，得到最大电流信号，并将该最大电流信号输送至第一比较器中；

所述第一比较器分别与所述电流传感器和所述运算单元相连接，用于将从所述电流传感器上获取的电流信号与从所述数模转换单元上获取的最大电流信号进行比较，得到第一比较信号，将该第一比较信号输送至所述运算单元中；

所述存储器与所述运算单元相连接，用于对所述运算单元所发送的驱动信号进行存储。

进一步，所述反电动势采样电路包括：第一减法器和第二减法器，所述第一、第二减法器均与所述单相无刷电机的两相线相连接，获取单相无刷电机两相线中的第一反电动势信号和第二反电动势信号；所述第一减法器用于将第一反电动势信号与第二反电动势信号相减，得到第一减法信号；所述第二减法器用于将第二反电动势信号与第一反电动势信号相减，得到第二减法信号，所述第一、第二减法信号均输入至选择器中；

所述选择器根据外部的控制信号对第一减法信号或第二减法信号进行选择，得到选择输出信号，并将该选择输出信号输出至第二比较器中；所述第二比较器的输入端还与所述主控制器相连接，用于对选择输出信号和主控制器所预设的电压设定值进行比较，得到反电动势比较信号，将该反电动势比较信号输送至所述运算单元中。

进一步，所述 H 桥控制电路两侧的输入端上的 MOS 管的漏极均与电源电压信号相连接，其源极分别与单相无刷电机的两相线相连接；所述 H 桥控制电路两侧的输出端上的 MOS 管的漏极分别与单相无刷电机的两相线相连接，其源极均与接地信号相连接。

进一步，所述 MOS 管的漏极与源极之间均设有续流二极管。

进一步，所述主控制器连接于电源电压信号与接地信号之间，且电源电压信号与接地信号之间还设有电容。

本发明提供了一种单相无传感器无刷直流电机控制系统，其能很好的适用于单相无刷电机，并能对单相无刷电机的转子位置进行精确的检测与控制，为单相无刷电机的推广与使用建立了一个良好的基础。

附图说明

为了易于说明，本发明由下述的较佳实施例及附图作详细描述。

图 1 为本发明整体电路结构示意图；

图 2 为本发明中主控制器的电路结构示意图；

图 3 为本发明中反电动势采样电路的结构示意图；

图 4 为本发明中反电动势采样过程的信号波形图；

图 5 为本发明中提起换相励磁过程的信号波形图；

图 6 为本发明中反电动势过零点换相过程的信号波形图；

图 7 为本发明中提前换相励磁换相过程的信号波形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图 1 至图 7 ，本发明是单相无传感器无刷直流电机控制系统，其与单相无刷电机 M 相连接，包括：分别与所述单相无刷电机 M 的两相线 A 、 B 相连接的 H 桥控制电路，所述 H 桥控制电路中设有四个 MOS 管 Q1 、 Q2 、 Q3 、 Q4 ，且四个 MOS 管 Q1 、 Q2 、 Q3 、 Q4 分别设置于所述 H 桥控制电路两侧的输入端与输出端上；所述 H 桥控制电路两侧的输入端均与电源电压信号 VCC 相连接，所述 H 桥控制电路两侧的输出端均与接地信号 GND 相连接，且所述 H 桥控制电路两侧的输出端上还与电流传感器 I-S 相接；

所述电流传感器 I-S 用于对通过所述单相无刷电机 M 上的电流信号进行采集，并将所采集到的电流信号输送至主控制器 U1 中；

所述主控制器 U1 的信号输出端上分别设有第一驱动电路 U2-1 和第二驱动电路 U2-2 ，所述第一驱动电路 U2-1 分别与所述 H 桥控制电路输入端上的两个 MOS 管 Q1 、 Q3 的栅极相连接，用于控制 H 桥控制电路输入端上的两个 MOS 管 Q1 、 Q3 的开合状态；所述第二驱动电路 U2-2 分别与所述 H 桥控制电路输出端上的两个 MOS 管 Q2 、 Q4 的栅极相连接，用于控制 H 桥控制电路输出端上的两个 MOS 管 Q2 、 Q4 的开合状态；

所述单相无刷电机 M 的两相线 A 、 B 均与反电动势采样电路 U3 相连接，所述反电动势采样电路 U3 用于对单相无刷电机 M 上的反电动势比较信号进行采集，并将该反电动势比较信号输送至主控制器 U1 中；

所述主控制器 U1 分别与第一驱动电路 U2-1 、第二驱动电路 U2-2 和主控制器 U1 相连接，其用于对所述电流传感器 I-S 所输送的电流信号进行运算处理，并根据运算处理后的结果产生驱动信号 DIVR ，通过该驱动信号 DIVR 对第一驱动电路 U2-1 和第二驱动电路 U2-2 的开合状态进行控制；或对所述反电动势采样电路 U3 所输送的反电动势比较信号进行运算处理，并根据运算处理后的结果产生驱动信号 DIVR ，通过该驱动信号 DIVR 对第一驱动电路 U2-1 和第二驱动电路 U2-2 的开合状态进行控制。

进一步，所述主控制器 U1 包括：电流采样单元、运算单元、数模转换单元、第一比较器、存储器；

所述电流采样单元与所述电流传感器 I-S 相连接，用于接收所述电流传感器 I-S 所输送的电流信号，并将该电流信号进行模数转换得到电流值，把该电流值传输至运算单元；

所述运算单元分别与所述电流采样单元、第一驱动电路 U2-1 和第二驱动电路 U2-2 相连接，用于提取该电流值中的最大电流值，并将该最大电流值发送至数模转换单元；或根据第一比较器所发送的第一比较信号，向所述第一驱动电路 U2-1 和第二驱动电路 U2-2 发送驱动信号 DIVR ；

所述数模转换单元分别与所述运算单元和第一比较器连接，用于将接收到的最大电流值进行数模转换，得到最大电流信号，并将该最大电流信号输送至第一比较器中；

所述第一比较器分别与所述电流传感器 I-S 和所述运算单元相连接，用于将从所述电流传感器 I-S 上获取的电流信号与从所述数模转换单元上获取的最大电流信号进行比较，得到第一比较信号，将该第一比较信号输送至所述运算单元中；

所述存储器与所述运算单元相连接，用于对所述运算单元所发送的驱动信号 DIVR 进行存储。

进一步，所述反电动势采样电路 U3 包括：第一减法器 SUB1 和第二减法器 SUB2 ，所述第一、第二减法器 SUB1 、 SUB2 均与所述单相无刷电机 M 的两相线 A 、 B 相连接，获取单相无刷电机 M 两相线 A 、 B 中的第一反电动势信号 A_Phase 和第二反电动势信号 B_Phase ；所述第一减法器 SUB1 用于将第一反电动势信号 A_Phase 与第二反电动势信号 B_Phase 相减，得到第一减法信号 A-B ；所述第二减法器 SUB2 用于将第二反电动势信号 B_Phase 与第一反电动势信号 A_Phase 相减，得到第二减法信号 B-A ，所述第一减法信号 A-B 、第二减法信号 B-A 均输入至选择器中；

所述选择器根据外部的控制信号 SEL 对第一减法信号 A-B 或第二减法信号 B-A 进行选择，得到选择输出信号，并将该选择输出信号输出至第二比较器 COMP 中；所述第二比较器 COMP 的输入端还与所述主控制器 U1 相连接，用于对选择输出信号和主控制器 U1 所预设的电压设定值 COMP_SET 进行比较，得到反电动势比较信号 BEMF_OUT ，将该反电动势比较信号 BEMF_OUT 输送至所述运算单元中，使所述运算单元根据第二比较器 COMP 所发送的反电动势比较信号，向所述第一驱动电路 U2-1 和第二驱动电路 U2-2 发送驱动信号 DIVR 。

进一步，所述 H 桥控制电路两侧的输入端上的 MOS 管 Q1 、 Q3 的漏极均与电源电压信号 VCC 相连接，其源极分别与单相无刷电机 MM 的两相线 A 、 B 相连接；所述 H 桥控制电路两侧的输出端上的 MOS 管 Q2 、 Q4 的漏极分别与单相无刷电机 M 的两相线 A 、 B 相连接，其源极均与接地信号 GND 相连接。

进一步，所述 MOS 管 Q1 、 Q2 、 Q3 、 Q4 的漏极与源极之间均设有续流二极管 D1 、 D2 、 D3 、 D4 ，续流二极管 D1 、 D2 、 D3 、 D4 为电机换流过程中电机绕组电流泄放通路。

进一步，所述主控制器 U1 连接于电源电压信号 VCC 与接地信号 GND 之间，且电源电压信号 VCC 与接地信号 GND 之间还设有电容 C1 ，电容 C1 用于电能转换存储、释放、吸收回馈电能。

本发明的具体工作过程为：

电机启动时，转速很低的情况下，施加在单相无刷电机两端的电压在没有反电动势的情况下会产生很大电流，如果这个电流不做限制会造成控制器损坏或电机过热烧毁，本发明通过电流传感器将电流采样后送到主控制器 U1 的第一比较器，通过主控制器 U1 设置电流阀值，当电机电流超过阀值，主控制器 U1 会控制驱动电路将 MOS 管 Q1-Q4 关闭，断开励磁电压，当绕组电流下降至安全范围，主控制器 U1 会重新开启励磁，其电压波形和电流波形如图 6 中所示。

电机在静止状态下，由于没有位置传感器，无法知道电机转子当前位置，故无法给出正确的电机电流方向，在这种情况下，就需要对转子进行预先定位控制。

预定位的做法是，首先给出 MOS 管驱动信号使电机电流方向为预定电流方向，使得转子被迫转到预定的位置，本发明设置预定位电流方向为 A->B ，所以是 Q1 和 Q4 打开。

但是预定位时间不能太长，因为定位时电机转子转动幅度不大，转子获得的机械能不多，在定位后转子是保持在固定位置不动，电机绕组中的电流全部用来发热，所以太长时间的定位会导致电机发热或控制板发热，严重时会造成电机或控制器损坏。

预定位时间亦不能太短，太短时间转子获得的动能不够支持转子转到预定位置，则因为齿槽转矩的反向作用力导致电机转子又重新回到之前位置，导致定位失败。

转子定位成功后，由于是预先设定的位置，故当前转子位置可知。那么就可以按照当前转子位置给电机驱动电流，电机也会因此获得驱动力。

电机要输出较大转矩，需要同步励磁电机，但是定位之后由于没有位置传感器，依旧无法获取同步的转子位置，所以本发明用到了位置检测电路。

反电动势采样电路对电机在运行过程中产生的反电动势进行采集，如图 5 所示， A_Phase 和 B_Phase 分别为电机两相线 A 、 B 上的反电动势信号，当电机绕组励磁时， A 、 B 两端电压为励磁电压，当电机绕组停止励磁，可以从 A 、 B 端检测反电动势。

A_Phase 和 B_Phase 要检测到反电动势的必要条件是加载在绕组两端的励磁电压为 0 ，且绕组中电流为 0 ，同时电机要达到一定转速，才能检测到真实的反电动势。

满足上述条件后，在反电动势采样电路上， A_Phase 和 B_Phase 连接到两组减法器，将反电动势信号相减。

使用减法器的原因是为了防止电压零点漂移，不使用减法器时，由于反电动势在较低转速时，电压幅值较小，而检测电路的电压零点是以控制板的 GND 作为参考，会有较大的浮动，造成检测位置出现偏差，会影响电机驱动效果。

A 、 B 两端检测到的反电动势信号是一个正弦波信号，其波形如图 6 所示， A_Phase 在有驱动电压存在的情况下是根据驱动电压变化的方波信号，只有在关闭驱动的条件下，才能检测到反电动势信号，图 6 上 ta-tb 段才是真正的反电动势信号，而此时的 B_Phase 电压为 0V ，所以 A_Phase 电压高于 B_Phase ，故选择 A-B 这个减法器；当到电机转子运行到另一个周期时，如 tc-td 段， B_Phase 电压会高于 A_Phase 所以要选择 B-A 减法器。

获取到电机反电动势信号后，会将其输入第二比较器的一个输入端，而第二比较器的另一个输入信号是主控制器 U1 的电压设定值 COMP_SET ，这个值是通过主控制器 U1 的 DAC 输出到比较器的。

通过改变 COMP_SET 的值，即可设置反电动势检测器输出时刻，这个时刻可以用来实现提前换相励磁。当需要提前换相励磁时，将 COMP_SET 设置为大于 0 的设定值，这个值通过与选择输出信号比较，即可获取到超前于反电动势过零的反电动势比较信号 BEMF_OUT ，而这个信号送到主控制器 U1 ，主控制器 U1 通过控制驱动电路来提前给绕组励磁。

由于反电动势采样电路 U3 需要在一定转速才能起到作用，所以在预定位之后需要对电机转子进行他励拖动。

他励拖动的励磁时间和换流频率要求比较严格，不然电机不能顺利的拖到一定转速，并且励磁时间和换流频率会受负载和励磁电压水平影响。

本发明应用于吸尘器这种风机类负载，负载变化情况较小，在拖动时影响会较励磁电压水平小。

对于励磁电压对励磁时间和换流频率的影响，本发明使用根据电压建立表格，将不同电压水平进行分级，励磁时间和换流频率与励磁电压建立关系，具体的数据要根据实际情况测量。

当电机转速拖动到 20000-30000RPM ，便可以进行位置检测，检测到正确位置后，切换到同步励磁。

对于反电动势位置检测时机，由于在绕组施加有励磁电压情况下，无法检测反电动势，故需要在待检测反电动势信号之前关闭驱动励磁信号。

关闭驱动信号的时间会影响电机的转矩，关闭时间过长，会使得励磁时间不够，电机转矩出现间断，影响电机转速，并且产生较大的转矩波动。

在关闭驱动信号时，由于电机绕组时感性负载，电机绕组残留大量电流需要有途径泄放，电机绕组中的电流不泄放，也会找出反电动势检测异常。

电机绕组中电流会因为 MOS 管 Q1-Q4 四个 MOS 管关闭从续流二极管 D1-D4 流过，将电能充回母线。电流续流过程中，由于续流二级管导通， A 、 B 绕组两端电压为母线电压，反电动势不可检测，需要待电流续流完成，即可检测到真实反电动势。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种单相无传感器无刷直流电机控制系统，其特征在于，其与单相无刷电机相连接，包括：分别与所述单相无刷电机的两相线相连接的H桥控制电路，所述H桥控制电路中设有四个MOS管，且四个MOS管分别设置于所述H桥控制电路两侧的输入端与输出端上；所述H桥控制电路两侧的输入端均与电源电压信号相连接，所述H桥控制电路两侧的输出端均接地，且所述H桥控制电路两侧的输出端上还与电流传感器相接；

所述电流传感器用于对通过所述单相无刷电机上的电流信号进行采集，并将所采集到的电流信号输送至主控制器中；

所述主控制器的信号输出端上分别设有第一驱动电路和第二驱动电路，所述第一驱动电路分别与所述H桥控制电路输入端上的两个MOS管的栅极相连接，用于控制H桥控制电路输入端上的两个MOS管的开合状态；所述第二驱动电路分别与所述H桥控制电路输出端上的两个MOS管的栅极相连接，用于控制H桥控制电路输出端上的两个MOS管的开合状态；

所述单相无刷电机的两相线均与反电动势采样电路相连接，所述反电动势采样电路用于对单相无刷电机上的反电动势比较信号进行采集，并将该反电动势比较信号输送至主控制器中；

所述主控制器分别与第一驱动电路、第二驱动电路和主控制器相连接，其用于对所述电流传感器所输送的电流信号进行运算处理，并根据运算处理后的结果产生驱动信号，通过该驱动信号对第一驱动电路和第二驱动电路的开合状态进行控制；或对所述反电动势采样电路所输送的反电动势比较信号进行运算处理，并根据运算处理后的结果产生驱动信号，通过该驱动信号对第一驱动电路和第二驱动电路的开合状态进行控制。

2.根据权利要求1所述的单相无传感器无刷直流电机控制系统，其特征在于，所述主控制器包括：电流采样单元、运算单元、数模转换单元、第一比较器、存储器；

所述电流采样单元与所述电流传感器相连接，用于接收所述电流传感器所输送的电流信号，并将该电流信号进行模数转换得到电流值，把该电流值传输至运算单元；

所述运算单元分别与所述电流采样单元、第一驱动电路和第二驱动电路相连接，用于提取该电流值中的最大电流值，并将该最大电流值发送至数模转换单元；或根据第一比较器所发送的第一比较信号，向所述第一驱动电路和第二驱动电路发送驱动信号；

所述数模转换单元分别与所述运算单元和第一比较器连接，用于将接收到的最大电流值进行数模转换，得到最大电流信号，并将该最大电流信号输送至第一比较器中；

所述第一比较器分别与所述电流传感器和所述运算单元相连接，用于将从所述电流传感器上获取的电流信号与从所述数模转换单元上获取的最大电流信号进行比较，得到第一比较信号，将该第一比较信号输送至所述运算单元中；

所述存储器与所述运算单元相连接，用于对所述运算单元所发送的驱动信号进行存储。

3.根据权利要求2所述的单相无传感器无刷直流电机控制系统，其特征在于，所述反电动势采样电路包括：第一减法器和第二减法器，所述第一、第二减法器均与所述单相无刷电机的两相线相连接，获取单相无刷电机两相线中的第一反电动势信号和第二反电动势信号；所述第一减法器用于将第一反电动势信号与第二反电动势信号相减，得到第一减法信号；所述第二减法器用于将第二反电动势信号与第一反电动势信号相减，得到第二减法信号，所述第一、第二减法信号均输入至选择器中；

所述选择器根据外部的控制信号对第一减法信号或第二减法信号进行选择，得到选择输出信号，并将该选择输出信号输出至第二比较器中；所述第二比较器的输入端还与所述主控制器相连接，用于对选择输出信号和主控制器所预设的电压设定值进行比较，得到反电动势比较信号，将该反电动势比较信号输送至所述运算单元中。

4.根据权利要求3所述的单相无传感器无刷直流电机控制系统，其特征在于，所述H桥控制电路两侧的输入端上的MOS管的漏极均与电源电压信号相连接，其源极分别与单相无刷电机的两相线相连接；所述H桥控制电路两侧的输出端上的MOS管的漏极分别与单相无刷电机的两相线相连接，其源极均与接地信号相连接。

5.根据权利要求4所述的单相无传感器无刷直流电机控制系统，其特征在于，所述MOS管的漏极与源极之间均设有续流二极管。

6.根据权利要求5所述的单相无传感器无刷直流电机控制系统，其特征在于，所述主控制器连接于电源电压信号与接地信号之间，且电源电压信号与接地信号之间还设有电容。