CN106487288A - 驱动无刷电机的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用位置传感器和驱动电路驱动无刷电机的方法，包括如下步骤：位置传感器检测无刷电机转子位置；驱动电路根据位置传感器信号的改变对定子绕组加载电压的状态；无刷电机在正转时，驱动电路根据位置传感器信号的改变依次处于第一正向驱动状态和第二正向驱动状态；无刷电机在反转时，驱动电路根据位置传感器信号的改变依次处于第一反向驱动状态和第二反向驱动状态；驱动电路在第一反转驱动状态时对转子施加的电压与在第一正转驱动状态时对转子施加的电压的方向相反；这样一来无刷电机在正转超前时反转也能获得超前控制。

Description

驱动无刷电机的方法

技术领域

本发明涉及一种驱动无刷电机的方法。

背景技术

刷电机一般由电机本身和相应驱动电路组成，无刷电机相比有刷电机而言其运转噪音低并且寿命更长。一般而言，按照是否具有检测转子位置的传感器来区分，无刷电机分为有感控制的无刷电机和无感控制的无刷电机。

对于有感控制而言，位置传感器的位置设置以及其与控制方法的配合，是影响无刷电机性能的重要因素。

发明内容

一种利用位置传感器和驱动电路驱动无刷电机的方法，包括如下步骤：

位置传感器检测无刷电机转子位置；

驱动电路根据位置传感器信号的改变对定子绕组加载电压的状态；

其中，

将驱动电路对定子绕组加载电压的一个状态定义为驱动电路的一个驱动状态；

无刷电机在正转时，驱动电路根据位置传感器信号的改变依次处于第一正向驱动状态和第二正向驱动状态；

无刷电机在反转时，驱动电路根据位置传感器信号的改变依次处于第一反向驱动状态和第二反向驱动状态；

第一正向驱动状态与第二方向驱动状态对应相同的转子位置；

第二正向驱动状态与第一方向驱动状态对应相同的转子位置；

驱动电路在第一反转驱动状态时对转子施加的电压与在第一正转驱动状态时对转子施加的电压的方向相反。

进一步地，驱动电路一个电周期内具有六个驱动状态。

进一步地，无刷电机中定子绕组的数目为3，且3个定子绕组构成“Y”型连接。

进一步地，无刷电机中定子绕组的数目为3，且3个定子绕组构成三角型连接。

进一步地，在转子正转状态下，位置传感器信号再次改变时，驱动电路由第二正向驱动状态切换至第三正向驱动状态；第三正转驱动状态与第二反转驱动状态为相同的驱动状态。

进一步地，在转子反转状态下，位置传感器信号再次改变时，驱动电路由第二反向驱动状态切换至第三反向驱动状态；第三反转驱动状态与第二正转驱动状态为相同的驱动状态。

进一步地，位置传感器的数目为3，使它们在物理角度上相距120°。

进一步地，设置位置传感器的位置使它们的信号超前实际转子位置电角度的20°至40°。

进一步地，设置位置传感器的位置使它们能在相电压中线位置之前的电角度20°至40°范围内产生信号改变。

进一步地，设置位置传感器的位置使它们能在绕组的线电压中线位置之前的电角度20°至40°范围内产生信号改变。

以上方案能改善无刷电机的性能。

附图说明

图1是出了作为实施例的电动工具的示意框图；

图2是图1所示电动工具中无刷电机的一个实施方案的示意图；

图3是图2所示无刷电机的一个外围电路的示意图；

图4是图1所示电动工具中无刷电机的另一个实施方案的示意图；

图5是图1所示电动工具中位置传感器位置的示意图；

图6时图5所示传感器信号与区间的对应关系示意图；

图7是图2所示方案的相电压波形示意图；

图8是图2所示方案的线电压波形示意图；

图9是图4所示方案的线电压波形示意图；

图10是将位置传感器超前电角度20°的方案与位置传感器设置于基准位置的方案作对比的扭矩与转速关系曲线图；

图11是位置传感器超前电角度20°的方案与位置传感器设置于基准位置的方案作对比的扭矩与电流关系曲线图；

图12是是将位置传感器超前电角度40°的方案与位置传感器设置于基准位置的方案作对比的扭矩与转速关系曲线图；

图13是位置传感器超前电角度40°的方案与位置传感器设置于基准位置的方案作对比的扭矩与电流关系曲线图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

如图1所示的电动工具包括：无刷电机、驱动系统和电源模块。

其中，无刷电机包括：转子和至少两相定子绕组。

驱动系统用于驱动无刷电机转动。具体而言，驱动系统包括：位置传感器、控制器和驱动电路。

位置传感器用于检测转子的位置，更具体而言，当转子转动至能被位置传感器检测的预设范围时，位置传感器处于一种信号状态，当转子转出预设范围时位置传感器切换至另一种信号状态。

一般而言为了得知转子的位置，位置传感器的预设范围越小、数目越多所能得出的转子的位置越精确。但是实际上，由于无刷电机驱动时仅需要知道换相位置即可，或者说，位置传感器的设置仅需要在信号上能够反映出转子的换相位置即可。

作为一种实现方案，如图5所示，可以采用三个位置传感器D1、D2、D3，位置传感器所能检测的范围为物理角度180°的范围，当转子转入和转出该范围时，位置传感器信号发生改变。转子转入预设范围时，位置传感器的信号定义为1，而位于该预设范围之外时，位置传感器的信号定义为0。将这三个位置传感器彼此相距物理角度180°，如图6所示，当转子转动时，将会产生六种信号区间，如果将信号按照D1、D2、D3的顺序排序则出现六个不同的信号组合100、110、010、011、001、101。这样一来就可以根据三个位置传感器D1、D2、D3的信号组合得知转子在那个位置范围中。需要说明的是，即使转子的极对数增加，对于其中一个极对而言，位置的检测是相同的，不同的在于仅仅是压缩了一个电周期所对应的实际的物理角度。

从图5所示方案来看，只要使相邻的位置传感器之间的物理角度小于位置传感器所能检测的物理角度，即能通过检测位置重叠而是不同区间对应不同的信号组。

对于具有三相绕组的无刷电机而言，其在一个电周期内具有六个驱动节拍（对应驱动电路的一个驱动状态）与如图5所示的方案所产生的信号组合所对应，所以在位置传感器的信号组合发生变化时，该无刷电机即可以执行一次换相动作。

具体地，位置传感器具体可以采用霍尔元件制成的传感器。

控制器用于根据位置传感器的信号控制驱动电路。控制器能接受位置传感器的信号，然后根据位置传感器的信号控制驱动电路，使驱动电路切换驱动状态。

驱动电路用于驱动无刷电机，具体而言，驱动电路包括多个半导体开关，它们能根据控制器的信号改变导通状态，从而改变电源模块加载在无刷电机绕组上的电压状态。为了使无刷电机转动，驱动电路具有多个驱动状态，在一个驱动状态下无刷电机的定子绕组会产生一个磁场，控制器控制驱动电路切换驱动状态使定子绕组产生的磁场转动既可以驱动转子转动实现对无刷电机的驱动。

以图2所示的无刷电机为例，其具有构成“Y”型连接的三相绕组u、v、w；它们其中一端连接至中性点O，它们的另一端A、B、C分别作为绕组接线端引出无刷电机并连接至无刷电机设有的绕组接线端子（图中未示出）,驱动电路以及其他外部电路可以通过绕组接线端子连接三相绕组u、v、w的接线端A、B、C。为了驱动图2所示的无刷电机，驱动电路至少具有6个驱动状态（由定子绕组的相数决定），为了方便说明，以下以驱动状态对应接通的接线端表示驱动状态，比如，驱动电路使接线端A、B接入电源，如果A为高压端则该驱动状态则用AB表示，如果B为高压端则该驱动状态则用BA表示，这样表示驱动状态方式同样适用于图4所示的三角型连接的方案。另外，驱动状态的切换也可以简称为无刷电机的换相动作。

图2所示的方案，驱动电路能在驱动时依次输出AB、AC、BC、BA、CA、CB六个驱动状态。

假设驱动状态与位置传感器信号组合的对应关系表1所示：

信号组合	驱动状态
		101	AB
100	AC
		110	BC
010	BA
		011	CA
001	CB

表1

根据这样的对应关系，在控制器检测到信号组合变化即控制驱动电路切换驱动状态即可实现对无刷电机的驱动。

在实际情况中，由于控制总是事后控制，所以当转子转动需要切换驱动状态的位置时，往往来不及控制，这会影响无刷电机的性能的发挥。

为了尽可能消除延迟，使换相与转子位置能够对应，可以采用超前于转子的实际位置即开始进行换相的控制的方法。

超前控制的问题在于：如果采用软件进行超前控制首先需要复杂的软件程序并且未必可靠，另外超前到什么程度也是需要控制，超前不足或者超前过多都会影响无刷电机的性能。

如图5所示，为了实现超前控制，可以通过设置位置传感器的位置，使其物理位置超前与理想位置。

如图5所示，虚线表示位置传感器原来应当设置位置（理想位置），这些位置是对应实际换相位置的，本申请的方案在设置位置传感器时使位置传感器设置超前这些位置电角度20°至40°的范围内，或者说，超前这些位置物理角度20°/P至40°/P的范围内，其中P为无刷电机的转子的极对数。

然而实际而言，在安装位置传感器时，是没有这些虚线位置的。因此采用如下方案确定位置传感器的位置。

首先确定基准位置，使无刷电机在外力的作用下正向空转一周，检测其各相绕组的相电压，从而确定相电压曲线，然后以相电压曲线的中点位置所对应的位置作为基准位置（即图5中虚线框的位置），然后以该位置为基准超前电角度20°至40°的范围内的一个位置安装位置传感器，该位置定义为换相位置，然后按照位置传感器角度间隔设置其余传感器。

由于此时相电压是由反电动势产生的，所以此时相电压曲线即为反电动势波形的曲线，基准位置也即为相反电动势波形的中点位置。

经过这样配置后，无刷电机的转子在正向转动时，会依次经过换相位置和基准位置，在经过换相位置时，此时无刷电机中的至少一个所述位传感器的信号改变，触发换相动作；从而使转子能够及时换相。

需要说明的是，这里所指的中点位置是指反电动势波形中点所对应的位置，因为该波形是周期性变化的，每个能将单侧（或正或负）波形在时间上中点位置所对应的位置，如果在理想状态下考虑波形变化，单侧波形是相对通过中点的直线对称的，该直线定义为中线。

并且这里所指的电角度范围应该是基准位置与最接近的超前的换相位置的取值范围，而不是与所有的换相位置的范围。物理角度范围也是这样的。

如图7所示，以图2中u相定子绕组的相电压U1为例,假设在转子在转动之初时相电压U1为0，如图可知，转子在转动一周时，相电压U1分为正负两部分，它们各占180°，其中90°位置m1为该波形的其中一个中点位置，可以将位置传感器设置在中点位置所对应的位置之前电角度20°到40°的范围中，即图7所示n1代表的区域。m2为该波形的另一个中点位置，其由波形负的部分所确定，同理根据该点可以确定n2代表的区域。

由于图2所示的方案具有三相绕组，所以根据三相一起可以确定六个中点位置所对应的实际位置，从而确定实际使位置传感器信号组合发生变化的6个换相位置。

图8所示相电压U2曲线也可以用于确定超前位置，与图7是相同的道理。线电压确定位置的优势在于不需要使用外围电路。

如图2所示，定子绕组u、v、w由于位于无刷电机内部，如果需要检测相电压需要借助额外的检测电路，具体如图3所示，通过由电阻R1、R2、R3构成电路分别连接至各个接线端A、B、C并使它们另一端连接模拟中性点O’即可检测或模拟定子绕组u、v、w在电机内部的电压情况，比如需要电子绕组u相的相电压U1，就检测AO’两端的电压即可得出或换算出相电压U1。因此可以通过该检测电路确定相电压曲线。

为了节约成本，也可以采用以线电压的方式来确定基准位置。将定子绕组u、v、w任意两个接线端之间的电压定义为线电压，因为它们是可以在无刷电机的接线端子处获得的。

相类似的，以线电压波形曲线的中点位置所对应的位置作为基准位置。

对于图4所示的方案而言，该无刷电机在一个电周期内通过需要切换六个不同的驱动状态，其仅仅绕组接线方式不同，其也需要超前控制，并且超前控制所针对的检测对象转子是与绕组接线方式无关的，所以以上方案也适用于图4所示的方案。不同之处在于，图4所示的方案相电压U3和线电压U4是相同的。

另外如图9所示曲线为图4所示方案的线电压U4的曲线，对于三角形连接，其线电压U4和相电压U3是相同的。所以绕组连接方式不同，但是对于转子和位置传感器而言是没有区别的，同样是三相同样需要6个驱动模式的切换，所以对于三角形连接也可以以上方法实现超前位置的确定。

参照图10和图11所示，将位置传感器超前电角度20°的方案和位置传感器设置于基准位置的方案的扭矩与转速以及扭矩与电流关系进行检测，检测结果如图所示。

参照图12和图13所示，将位置传感器超前电角度40°的方案和位置传感器设置于基准位置的方案的扭矩与转速以及扭矩与电流关系进行检测，检测结果如图所示。

如图10所示，其中实线为位置传感器超前电角度20°的方案的曲线，虚线为未做超前设置的方案的曲线，从检测结果可知，在低扭矩时，实线的方案转速高于虚线方案，对于电动工具而言，比如电动螺丝批，在低扭矩时往往希望快速旋紧从而节省时间，在其他电动工具也有类似需求，可以看出实线方案能够获得更高的转速。在高扭矩时，也就是对应电动工具重载时，虚线方案转速下降明显，而实线方案则改善了这种情况。

如图12所示，其中实线为位置传感器超前电角度40°的方案的曲线，虚线为未做超前设置的方案的曲线，其与图10的情况类似。位置传感器超前电角度40°也能改善电机的转速性能。

如图11所示，其中实线为位置传感器超前电角度20°的方案的曲线，虚线为未做超前设置的方案的曲线，从检测结果可知，在重载时，虚线方案电流上升较快，而实线方案则较为平缓，这说明位置传感器超前电角度20°的方案在重载时在安全性和防止电机过热等方面效果更好。

如图13所示，其中实线为位置传感器超前电角度40°的方案的曲线，虚线为未做超前设置的方案的曲线，从检测结果可知，位置传感器超前电角度40°的方案同样具有重载降低电流的效果。

由以上可知，超前的电角度在20°至40°的范围内，能够对电机性能做出有效的改进。

另外经过我们检测，如果超前小于20°则可能会导致超前不足，不能实现补偿的效果，如果超前大于40°则会使电机难以启动。为了获得更好的性能改进，超前电角度可以进一步缩小到25°至35°的范围内，经过检测在该范围内电机运行效果较好。

以上方案在正向转动时，由于位置传感器的硬件位置的超前，提高了无刷电机的性能；但是在反转时，位置传感器的硬件位置相当于滞后与实际位置，再叠加因控制而带来延迟，电机在反转时，不但性能降低，并且绕组电流会增大，影响无刷电机寿命。

作为一种解决方案，驱动电路驱动转子正向转动时，依次转过第一位置和第二位置，转子转至第一位置时，第一位置传感器信号改变，驱动电路切换至第一正转驱动状态，转子转至第二位置时，第二位置传感器信号改变，驱动电路切换至第二正转驱动状态；

驱动电路驱动转子反向转动时，转子转至第二位置时，第二位置传感器信号改变，驱动电路切换至第一反转驱动状态，转子转至第一位置时，第一位置传感器信号改变，驱动电路切换至第二反转驱动状态；

驱动电路在第一反转驱动状态时对转子施加的电压与在第一正转驱动状态时对转子施加的电压的方向相反。

进一步地，在转子正转状态下，位置传感器信号再次改变时，驱动电路由第二正向驱动状态切换至第三正向驱动状态；第三正转驱动状态与第二反转驱动状态为相同的驱动状态。

在转子反转状态下，位置传感器信号再次改变时，所述驱动电路由所述第二反向驱动状态切换至第三反向驱动状态；所述第三反转驱动状态与所述第二正转驱动状态为相同的驱动状态。

具体而言如表2所示，表2以三相绕组的无刷电机为例。

信号组合	正向驱动状态	一般反向驱动状态	超前反向驱动状态
				101	AB	BA	BC
100	AC	CA	BA
				110	BC	CB	CA
010	BA	AB	CB
				011	CA	AC	AB
001	CB	BC	AC

表2

假设第一正转驱动状态AB，第二正转驱动状态AC；按照一般控制，在反转时应当依次输出CA和BA（反转时信号顺序为100、101），由于刚才所述原因，这样的反转控制必将更加滞后，从而影响无刷电机的性能。

为了克服这个缺陷，作为解决方案，在反转时，使反转所输出的驱动状态为对应该信号组合的正转时驱动状态的上一个驱动状态的相反状态（电压施加的方向相反）。

结合表2，该方案在反转时，如果信号组合时100其并不输出100对应的正转驱动状态AC的相反状态CA，而是输出正转驱动装AC的上一个正转驱动状态AB的相反状态BA，这样一来在反转时，也能实现超前角对控制滞后的补偿，从而保证反转时性能和安全性。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种利用位置传感器和驱动电路驱动无刷电机的方法，包括如下步骤：

位置传感器检测无刷电机转子位置；

驱动电路根据位置传感器信号的改变对定子绕组加载电压的状态；

其中，

将驱动电路对定子绕组加载电压的一个状态定义为驱动电路的一个驱动状态；

无刷电机在正转时，驱动电路根据位置传感器信号的改变依次处于第一正向驱动状态和第二正向驱动状态；

无刷电机在反转时，驱动电路根据位置传感器信号的改变依次处于第一反向驱动状态和第二反向驱动状态；

所述第一正向驱动状态与所述第二方向驱动状态对应相同的转子位置；

所述第二正向驱动状态与所述第一方向驱动状态对应相同的转子位置；

所述驱动电路在所述第一反转驱动状态时对所述转子施加的电压与在所述第一正转驱动状态时对所述转子施加的电压的方向相反。

2.根据权利要求1所述的驱动无刷电机的方法，其特征在于：

所述驱动电路一个电周期内具有六个驱动状态。

3.根据权利要求1所述的驱动无刷电机的方法，其特征在于：

所述无刷电机中定子绕组的数目为3，且3个所述定子绕组构成“Y”型连接。

4.根据权利要求1所述的驱动无刷电机的方法，其特征在于：

所述无刷电机中定子绕组的数目为3，且3个所述定子绕组构成三角型连接。

5.根据权利要求1所述的驱动无刷电机的方法，其特征在于：

在转子正转状态下，位置传感器信号再次改变时，所述驱动电路由所述第二正向驱动状态切换至第三正向驱动状态；所述第三正转驱动状态与所述第二反转驱动状态为相同的驱动状态。

6.根据权利要求1所述的驱动无刷电机的方法，其特征在于：

在转子反转状态下，位置传感器信号再次改变时，所述驱动电路由所述第二反向驱动状态切换至第三反向驱动状态；所述第三反转驱动状态与所述第二正转驱动状态为相同的驱动状态。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的驱动无刷电机的方法，其特征在于：

所述位置传感器的数目为3，使它们在物理角度上相距120°。

8.根据权利要求1至6任意一项所述的驱动无刷电机的方法，其特征在于：

设置所述位置传感器的位置使它们的信号超前实际转子位置电角度的20°至40°。

9.根据权利要求1至6任意一项所述的驱动无刷电机的方法，其特征在于：

设置所述位置传感器的位置使它们能在相电压中线位置之前的电角度20°至40°范围内产生信号改变。

10.根据权利要求1至6任意一项所述的驱动无刷电机的方法，其特征在于：

设置所述位置传感器的位置使它们能在绕组的线电压中线位置之前的电角度20°至40°范围内产生信号改变。