CN108123645A - 一种无编码器的无刷电机控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无编码器的无刷电机控制方法和系统。本发明的无编码器的无刷电机控制方法包括以下步骤：测量霍尔传感器的输出电平变化和电机三相反电势变化并获取电机反电势与霍尔传感器输出信号变化图；根据反电势与霍尔传感器输出信号变化图获取霍尔扇区与PWM导通顺序变化表；根据所述电机旋转时的霍尔扇区与PWM导通顺序表控制无编码器电机的闭环运行。本发明还公开了一种无编码器的无刷电机控制系统。

Description

一种无编码器的无刷电机控制方法及系统

技术领域

本发明涉及电机控制领域，特别涉及一种无编码器的无刷电机控制方法和系统。

背景技术

在机器人控制领域、数控机床、生产自动化等领域，为了实现电机的精确控制，编码器起着重要作用。但有时候，为了降低成本，电机体积较小，不适合安装编码器，通常需要实现没有编码器的电机控制。对于没有编码器的电机，无法实现传统的闭环控制。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述的技术缺陷之一。

为此，本发明的第一个目的在于提出一种无编码器的无刷电机控制方法。

所述无编码器的无刷电机控制方法包括以下步骤：测量霍尔传感器的输出电平变化和电机三相反电势变化并获取电机反电势与霍尔传感器输出信号变化图；根据反电势与霍尔传感器输出信号变化图获取霍尔扇区与PWM导通顺序变化表；根据所述电机旋转时的霍尔扇区与PWM导通顺序表控制无编码器电机的闭环运行。

在一些实施例中，所述测量霍尔传感器的输出电平变化和电机三相反电势变化并获取电机反电势与霍尔传感器输出信号变化图包括：将电机顺时针旋转一周，测量霍尔传感器的输出电平变化和电机三相反电势变化，获取电机顺时针旋转时反电势与霍尔传感器输出信号变化图；以及将电机逆时针旋转一周，测量霍尔传感器的输出电平变化和电机三相反电势变化，获取电机逆时针旋转时反电势与霍尔传感器输出信号变化图。

在一些实施例中，所述根据反电势与霍尔传感器输出信号变化图获取霍尔扇区与PWM导通顺序变化表包括：根据电机顺时针旋转时反电势与霍尔传感器输出信号变化图，计算出电机顺时针旋转一周，每个霍尔区域内的逆变器导通情况，获取电机顺时针旋转时霍尔扇区与PWM导通顺序变化表；以及根据电机逆时针旋转时反电势与霍尔传感器输出信号变化图，计算出电机逆时针旋转一周每个霍尔区域内的逆变器导通情况，获取电机逆时针旋转时霍尔扇区与PWM导通顺序变化表。

在一些实施例中，所述霍尔传感器的数量为三个。

本发明的第二个目的在于提出一种无编码器的无刷电机控制系统。所述无编码器的无刷电机控制系统，包括：电机，霍尔传感器，以及DSP处理器；所述霍尔传感器根据电机转子的旋转，计算得到电机的位置信息和速度信息，传送给DSP；所述DSP处理器测量霍尔传感器的输出电平变化和电机三相反电势变化并获取电机反电势与霍尔传感器输出信号变化图；所述DSP处理器根据反电势与霍尔传感器输出信号变化图获取霍尔扇区与PWM导通顺序变化表；所述DSP处理器根据所述电机旋转时的霍尔扇区与PWM导通顺序表控制无编码器电机的闭环运行。

在一些实施例中，所述霍尔传感器的输出电平变化和电机三相反电势变化并获取电机反电势与霍尔传感器输出信号变化图包括：电机顺时针旋转时反电势与霍尔传感器输出信号变化图；以及电机逆时针旋转时反电势与霍尔传感器输出信号变化图。

在一些实施例中，所述霍尔扇区与PWM导通顺序变化表包括：电机顺时针旋转时霍尔扇区与PWM导通顺序变化表；以及电机逆时针旋转时霍尔扇区与PWM导通顺序变化表。

在一些实施例中，所述霍尔传感器的数量为三个。

根据本发明提出的无编码器的无刷电机控制方法和系统，可以在控制无编码电机的运行，能够提供较大电磁转矩，较小的开关损耗，无需编码器，节约成本。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的无编码器的无刷电机控制方法的流程图；

图2为根据本发明另一个实施例的无编码器的无刷电机控制系统的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

下面参照图1和图2对本发明实施例提出的无编码器的无刷电机控制方法和系统进行详细描述。

如图1所示，为本发明一个实施例的无编码器的无刷电机控制方法，所述方法包括以下步骤：

S1，测量霍尔传感器的输出电平变化和电机三相反电势变化并获取电机反电势与霍尔传感器输出信号变化图；

S2，根据反电势与霍尔传感器输出信号变化图获取霍尔扇区与PWM导通顺序变化表；

S3，根据所述电机旋转时的霍尔扇区与PWM导通顺序表控制无编码器电机的闭环运行。

在一些实施例中，所述步骤S1，测量霍尔传感器的输出电平变化和电机三相反电势变化并获取电机反电势与霍尔传感器输出信号变化图包括：将电机顺时针旋转一周，测量霍尔传感器的输出电平变化和电机三相反电势变化，获取电机顺时针旋转时反电势与霍尔传感器输出信号变化图；以及将电机逆时针旋转一周，测量霍尔传感器的输出电平变化和电机三相反电势变化，获取电机逆时针旋转时反电势与霍尔传感器输出信号变化图。

在一些实施例中，所述步骤S2，所述根据反电势与霍尔传感器输出信号变化图获取霍尔扇区与PWM导通顺序变化表包括：根据电机顺时针旋转时反电势与霍尔传感器输出信号变化图，计算出电机顺时针旋转一周，每个霍尔区域内的逆变器导通情况，获取电机顺时针旋转时霍尔扇区与PWM导通顺序变化表；以及根据电机逆时针旋转时反电势与霍尔传感器输出信号变化图，计算出电机逆时针旋转一周每个霍尔区域内的逆变器导通情况，获取电机逆时针旋转时霍尔扇区与PWM导通顺序变化表。

如图2所示，为本发明一个实施例的无编码器的无刷电机控制系统100，所述系统100包括：电机10，霍尔传感器20，以及DSP(Digital Signal Processing数字信号处理)处理器30；所述霍尔传感器20通过电机10的转子的旋转获取电机10的位置信息和速度信息并输出跳变至所述DSP处理器30；所述DSP处理器30测量霍尔传感器20的输出电平变化和电机三相反电势变化并获取电机反电势与霍尔传感器输出信号变化图；所述DSP处理器30根据反电势与霍尔传感器输出信号变化图获取霍尔扇区与PWM导通顺序变化表；所述DSP处理器30根据所述电机旋转时的霍尔扇区与PWM导通顺序表控制无编码器电机10的闭环运行。

在一些实施例中，所述霍尔传感器20的输出电平变化和电机三相反电势变化并获取电机反电势与霍尔传感器输出信号变化图包括：电机10顺时针旋转时反电势与霍尔传感器输出信号变化图；以及电机10逆时针旋转时反电势与霍尔传感器输出信号变化图。

在一些实施例中，所述霍尔扇区与PWM导通顺序变化表包括：电机10顺时针旋转时霍尔扇区与PWM导通顺序变化表；以及电机10逆时针旋转时霍尔扇区与PWM导通顺序变化表。

在一些实施例中，所述霍尔传感器20的数量为三个。

下面将以电机安装三个霍尔传感器的实施例进行原理说明。

如图2所示，所述及DSP处理器30作为主控芯片，负责电机10的闭环控制运算，运算结果从DSP处理器30的PWM模块输出；电机10上设置有驱动板负责将输入的PWM控制信号经过驱动板上的逆变电路转换成电机10的三相动力信号输出，实现电机驱动。三个霍尔传感器20与DSP处理器30的的IO引脚相连，DSP处理器30通过检测IO引脚电平，可以判断三个霍尔传感器20的霍尔信号数值，从而推断出电机转子当前所在的霍尔区域；DSP处理器30内部设计软件算法，将霍尔传感器20设计成虚拟码盘，通过软件算法的计算，实现电机10的速度反馈和位置反馈；DSP处理器30内置的AD采样模块，负责采集电机电流，实现电机的电流反馈。

无刷电机10没有编码器，电机10均匀安装三个霍尔传感器20，根据霍尔传感器的原理，当电机转子靠近或远离时，霍尔传感器20输出高低电平，三个霍尔传感器30将一个平面分成6个区域，当电机转子旋转时，三个霍尔传感器按照一定的变化规律输出，三个霍尔传感器输出按照010、011、001、101、100、110规律变化，其变化规律由安装霍尔传感器的顺序有关。DSP处理器30根据霍尔输出，判断当前电机转子位于哪个区域。

电机转子每从一个区域旋转到另一区域的瞬间，霍尔传感器20的输出跳变，所以对于极对数为n的电机，电机旋转一周时霍尔传感器20的输出跳变次数为6n，因此，可以设计成线数为6n的绝对式虚拟编码器，DSP处理器根据霍尔输出，可以判断当前电机转子位于哪个区域，从而得到当前所在位置的位置信息。DSP处理器30根据一段时间t内，电机10所经过的编码器差码，经过计算，得到当前电机的速度信息。同时，设置时间t可以动态调节，若电机10旋转转速较低时，为了提高速度计算的准确性，将时间t设置较长；相反，若电机旋转转速较高时，将时间t设置较短；DSP处理器根据AD采样，得到当前电机电流反馈信息。

因为电机出厂时，其霍尔安装位置已经固定，所以电机反电势与霍尔输出的关系已经确定。将电机10旋转一周，测得三路霍尔输出与三相反电势的关系。因为电机顺时针和逆时针旋转时，三路霍尔输出与三相反电势的关系图不同，所以将电机10顺时针旋转一周，测量三路霍尔输出和电机三相反电势变化，绘制出电机顺时针旋转时，反电势与霍尔输出变化图；将电机10逆时针旋转一周，测量三路霍尔输出和电机三相反电势变化，绘制出电机10逆时针旋转时，反电势与霍尔输出变化图。

根据电机10顺时针旋转时，反电势与霍尔输出变化图，推导出电机顺时针旋转一周，每个霍尔区域内的逆变器导通情况，获取电机10顺时针旋转时，霍尔扇区与PWM(PulseWidth Modulation脉冲宽度调制)导通顺序变化表。同理，根据电机逆时针旋转时，反电势与霍尔输出变化图，推导出电机逆时针旋转一周，每个霍尔区域内逆变器导通情况，获取电机10逆时针旋转时，霍尔扇区与PWM导通顺序变化表。

根据上述电机10旋转时的霍尔扇区与PWM导通顺序表，可以控制运行。当电机10顺时针旋转时，调用顺时针旋转霍尔扇区与PWM导通顺序变化表，根据虚拟编码器实时反馈电机的位置、速度信息，根据AD采样，实时反馈电机的电流信息，从而实现电机的闭环控制。同理，当电机10逆时针旋转时，调用逆时针旋转霍尔扇区与PWM导通顺序变化表，根据虚拟编码器实时反馈电机的位置、速度信息，根据AD采样，实时反馈电机的电流信息，从而实现电机的闭环控制。

根据本发明提出的无编码器的无刷电机控制方法和系统，可以在控制无编码电机的运行，能够提供较大电磁转矩，较小的开关损耗，无需编码器，节约成本。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，″计算机可读介质″可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获取所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (8)

1.一种无编码器的无刷电机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

测量霍尔传感器的输出电平变化和电机三相反电势变化并获取电机反电势与霍尔传感器输出信号变化图；

根据反电势与霍尔传感器输出信号变化图获取霍尔扇区与PWM导通顺序变化表；

根据所述电机旋转时的霍尔扇区与PWM导通顺序表控制无编码器电机的闭环运行。

2.如权利要求1所述的无编码器的无刷电机控制方法，其特征在于，所述测量霍尔传感器的输出电平变化和电机三相反电势变化并获取电机反电势与霍尔传感器输出信号变化图包括：

将电机顺时针旋转一周，测量霍尔传感器的输出电平变化和电机三相反电势变化，获取电机顺时针旋转时反电势与霍尔传感器输出信号变化图；以及将电机逆时针旋转一周，测量霍尔传感器的输出电平变化和电机三相反电势变化，获取电机逆时针旋转时反电势与霍尔传感器输出信号变化图。

3.如权利要求1所述的无编码器的无刷电机控制方法，其特征在于，所述根据反电势与霍尔传感器输出信号变化图获取霍尔扇区与PWM导通顺序变化表包括：

根据电机顺时针旋转时反电势与霍尔传感器输出信号变化图，计算出电机顺时针旋转一周，每个霍尔区域内的逆变器导通情况，获取电机顺时针旋转时霍尔扇区与PWM导通顺序变化表；以及

根据电机逆时针旋转时反电势与霍尔传感器输出信号变化图，计算出电机逆时针旋转一周每个霍尔区域内的逆变器导通情况，获取电机逆时针旋转时霍尔扇区与PWM导通顺序变化表。

4.如权利要求1所述的无编码器的无刷电机控制方法，其特征在于，所述霍尔传感器的数量为三个。

5.一种无编码器的无刷电机控制系统，其特征在于，包括

电机，霍尔传感器，以及DSP处理器；

所述霍尔传感器根据电机转子的旋转，计算得到电机的位置信息和速度信息，传送给DSP；

所述DSP处理器测量霍尔传感器的输出电平变化和电机三相反电势变化并获取电机反电势与霍尔传感器输出信号变化图；

所述DSP处理器根据反电势与霍尔传感器输出信号变化图获取霍尔扇区与PWM导通顺序变化表；

所述DSP处理器根据所述电机旋转时的霍尔扇区与PWM导通顺序表控制无编码器电机的闭环运行。

6.如权利要求5所述的无编码器的无刷电机控制系统，其特征在于，所述霍尔传感器的输出电平变化和电机三相反电势变化并获取电机反电势与霍尔传感器输出信号变化图包括：

电机顺时针旋转时反电势与霍尔传感器输出信号变化图；以及

电机逆时针旋转时反电势与霍尔传感器输出信号变化图。

7.如权利要求5所述的无编码器的无刷电机控制系统，其特征在于，所述霍尔扇区与PWM导通顺序变化表包括：

电机顺时针旋转时霍尔扇区与PWM导通顺序变化表；以及

电机逆时针旋转时霍尔扇区与PWM导通顺序变化表。

8.如权利要求5所述的无编码器的无刷电机控制系统，其特征在于，所述霍尔传感器的数量为三个。