CN108233792A

CN108233792A - Bldc电机及其反电动势过零点采集方法和驱动装置

Info

Publication number: CN108233792A
Application number: CN201810037842.2A
Authority: CN
Inventors: 陈思军; 梁盛林; 李坤; 毕磊; 毕超
Original assignee: Fortior Technology Shenzhen Co Ltd
Current assignee: Fortior Technology Shenzhen Co Ltd
Priority date: 2018-01-15
Filing date: 2018-01-15
Publication date: 2018-06-29
Anticipated expiration: 2038-01-15
Also published as: CN108233792B

Abstract

本发明公开一种BLDC电机及其反电动势过零点采集方法和驱动装置，控制电机以预设的第一速度运转，并以第一预设时间宽度的初始采样窗口采集电机的反电动势过零点；接收到第二速度的变速控制信号时，确定变速控制信号否为快速变速信号；当确定第二速度的变速控制信号为快速变速信号时，将初始采样窗口的第一预设时间宽度调整扩大为第二时间宽度，并按照调整后的第二时间宽度对应的采样窗口采集电机的反电动势过零点；在速度控制信号大幅度切换的情况下，通过算法快速的调整反电动势过零点检测机制，快速并准确地检测到反电动势过零点确定转子的位置，实现速度稳定快速达到设置值，从而实现电机快速稳定的运转。

Description

BLDC电机及其反电动势过零点采集方法和驱动装置

技术领域

本发明涉及电机技术领域，具体涉及BLDC电机的反电动势过零点采集方法、BLDC电机驱动装置及BLDC电机。

背景技术

直流无刷电机控制系统必须要检测出转子的位置并进行准确的换相，现有的三相无刷电机一般采用位置传感器检测转子转动的位置，但其应用范围受限；部分厂商选用无刷无传感器三相电机，转子的位置信息不再由位置传感器来提供，而是基于三相无刷电机的工作原理，由继承位置信息的信号提供，如转子在转动过程中会产生反电动势以及续流电流，通过检测反电动势过零点可以间接获知转子转动的位置。

发明人在实现本发明过程中，发现现有技术中至少存在如下问题：当电机转动速度稳定的状态下，通过检测三相电机的其中一相的反电动势过零点可以获知转子的位置，实现三相电机的无位置传感器正弦波驱动控制；但当电机突然加速或减速时，由于速度控制信号大幅度切换，会出现载波震荡、续流覆盖过零点等干扰反电动势采样和检测问题，这样就不能快速准确的检测到反电动势过零点确定转子的位置，进而导致转子转动的位置发生改变，导致电机失步。

发明内容

本发明的目的在于提供一种BLDC电机的反电动势过零点采集方法，旨在电机快速变速的时候，提高检测到反电动势过零点的准确性，保证电机快速稳定运转。

为实现上述目的，本发明提供一种BLDC电机的反电动势过零点采集方法，该方法包括如下步骤：

S1、控制电机以预设的第一速度运转，并以第一预设时间宽度的初始采样窗口采集电机的反电动势过零点；

S2、接收到第二速度的变速控制信号时，确定变速控制信号否为快速变速信号；

S3、当确定第二速度的变速控制信号为快速变速信号时，将初始采样窗口的第一预设时间宽度调整扩大为第二时间宽度，并按照调整后的第二时间宽度对应的采样窗口采集电机的反电动势过零点。

优选地，所述步骤S3具体包括：

当确定第二速度的变速控制信号为快速变速信号时，计算第二速度对应的PWM信号的占空比与所述第一速度对应的PWM信号的占空比之间的占空比差值；

根据占空比差值确定对应的采样窗口的时间宽度调整值；

根据所述时间宽度调整值将初始采样窗口的第一预设时间宽度调整扩大为第二时间宽度，并按照调整后的第二时间宽度对应的采样窗口采集电机的反电动势过零点，并输出电机的反电动势过零点检测信号。

优选地，所述BLDC电机的反电动势过零点采集方法还包括：

S4、在根据检测到的电机的反电动势过零点检测信号控制电机完成从所述第一速度变速至第二速度后，控制当前采样窗口对应的时间宽度恢复至初始采样窗口所对应的第一预设时间宽度，并按照第一预设时间宽度的初始采样窗口采集电机的反电动势过零点。

优选地，所述确定第二速度的变速控制信号为快速变速信号具体包括：

计算第二速度对应的PWM信号的占空比与所述第一速度对应的PWM信号的占空比之间的占空比差值的绝对值；当所述差值的的绝对值大于或者等于预设的占空比阈值时，确定第二速度的变速控制信号为快速变速信号。

优选地，当确定第二速度的变速控制信号不是快速变速信号时，保持以第一预设时间宽度的初始采样窗口采集电机的反电动势过零点。

本发明还提供一种BLDC电机驱动装置，包括换向处理器、反电动势反馈电路、三相驱动电路、电机、存储器以及存储于存储器内并在所述换向处理器上运行的时间窗口切换控制程序；

其中，所述反电动势反馈电路，用于采集电机的反电动势过零点，并将其反馈给换向处理器；

所述时间窗口切换控制程序被所述处理器执行时实现如下步骤：

S1、控制电机以预设的第一速度运转，并以第一预设时间宽度的初始采样窗口采集电机的反电动势过零点；S2、接收到第二速度的变速控制信号时，确定变速控制信号否为快速变速信号；S3、当确定第二速度的变速控制信号为快速变速信号时，将初始采样窗口的第一预设时间宽度调整扩大为第二时间宽度，并按照调整后的第二时间宽度对应的采样窗口采集电机的反电动势过零点。

优选地，所述三相驱动电路由三组结构相同的MOS管组成，每组MOS管组均由两个相互串接的MOS管构成，包括第一MOS管组、第二MOS管组以及第三MOS管组，所述第二MOS管组分别与第一MOS管组和第三MOS管组并联，在所述第一MOS管组、第二MOS管组以及第三MOS管组中的两个MOS管之间的连接点分别与三相电机的三组绕组中的其中一相绕组连接。

此外，本发明还提供一种BLDC电机，该BLDC电机包括如上所述的BLDC电机驱动装置，该BLDC电机驱动装置参照上述实现，此处不再赘述。

上述方案中的一个技术方案具有如下优点或技术效果：本发明通过控制电机以预设的第一速度运转，并以第一预设时间宽度的初始采样窗口采集电机的反电动势过零点，并且在接收到第二速度的变速控制信号时，确定变速控制信号否为快速变速信号，如果是快速信号，过零点才可能会落于采样窗口外，而本专利在确定第二速度的变速控制信号为快速变速信号时，将初始采样窗口的第一预设时间宽度调整扩大为第二时间宽度，那么扩大时间宽度后对应的采样窗口的范围也增大，即采样样本的数量增加，这样就增加了检测到过零点的几率，如此，按照调整后的第二时间宽度对应的采样窗口去采集电机的反电动势过零点，就能够快速并较高准确率地检测到反电动势过零点以确定转子的位置，从而实现电机快速稳定运转。

附图说明

为了更清楚接地端说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单接地端介绍，显而易见接地端，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动。

图1为本发明BLDC电机的反电动势过零点采集方法一实施例的流程示意图；

图2为现有技术采样方式和采用本发明改进的后采样方式的理论相电流和反电动势的波形对比图；

图3为本发明BLDC电机驱动装置一实施例的电路结构示意图；

图4为图1所示方法的具体流程示意图；

图5为现有技术采样方式和采用本发明改进的后采样方式的示意图；

图6为现有技术采样方式和采用本发明改进的后采样方式输出占空比、载波震荡采样精准度的示意图。

图中标号如下表所示：

标号	名称
		10	三相驱动电路
20	换向处理器
		30	反电动势反馈电路
40	电机
		101	第一MOS管组
102	第二MOS管组
		103	第三MOS管组

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整接地端描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应接地端随之改变。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含接地端包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明需要说明的是，电机在运行过程中为了检测反向电动势，需要在某一时间段内关闭某一相电机端的输出，使该相该时间段不输出电流，这个时间段该相电机端的电压输出等于反向电动势，通过检测这个时间段的反向电动势过零点，可以判断电机转子位置，这个时间段称为采样窗口的时间宽度。

本发明提供一种BLDC电机的反电动势过零点采集方法，能够实现电机的运转速度在快速变化时，较为准确的检测到反电动势过零点以确定电机转子的位置，参见图1，本实施例提供的BLDC电机的反电动势过零点采集方法包括如下步骤：

电机工作时，会以一个初始的目标速度匀速运转，本实施例中预设的第一速度即为初始的目标速度运转。因本发明采用的是无位置传感器控制电机运转，因此，本发明中，第一预设时间宽度对应的初始采样窗口为匀速状态下的时间宽度对应的采样窗口，通过在该窗口可以检测到反电动势过零点从而确定转子的位置；当速度快速变化时，可能检测不到反电动势过零点，从而无法确定转子的位置，从而导致电机失步。

本实施例中，如果是快速信号，过零点可能会落于采样窗口外，那么通过确定第二速度的变速控制信号为快速变速信号，就需要对初始采样窗口的第一预设时间宽度调整扩大，才能检测出电机的反电动势过零点。

具体地，在步骤S2中，当接收到第二速度的变速控制信号时，根据第二速度的变速控制信号得出其加速斜率。

然后根据加速斜率判断相邻电周期输出的占空比差值是否大于判断的目标占空比值，判断第二速度的变速控制信号是否为快速变速信号。

本实施例中，通过判断出第二速度的变速控制信号是否为快速变速信号从而控制初始采样窗口的第一预设时间宽度调整扩宽为第二时间宽度，在预设的第二时间宽度对应的采样窗口采集电机的反电动势过零点，使初始采样窗口增宽，能够采集到过零点的范围更大，从而采集到过零点确定转子的位置，使电机在快速变速时，实现电机的正常稳定运转。

需要说明的是，初始采样窗口为运行第一速度时采集过零点的采样窗口，调整扩宽后的采样窗口为运行第二速度时的采样窗口。应当理解的是，当初始采样窗口调整到扩大后的采样窗口后，采样窗口的基准点不变，只在预设的采样窗口的基础上往两边扩宽。

本发明通过将第一时间宽度调整扩大为第二时间宽度，第二时间宽度对应在初始采样窗口的基础扩大初始采样窗口，扩大后的采样窗口采样样本的数量增加，此时，虽然反电动势过零点相较于变速前有所偏移，但是通过调整后的采样窗口能够增加采样过零点的范围，进而能够提高检测几率及准确性，因此，能够较为准确的检测到反电动势过零点，使电机正常运转。

本实施例中，可选地，所述步骤S3具体包括：

所述确定第二速度的变速控制信号为快速变速信号具体包括：

根据占空比差值确定对应的采样窗口的时间宽度调整值；

本实施例中，根据第二速度对应的PWM信号的占空比与第一速度对应的PWM信号的占空比之间的占空比差值的绝对值与目标占空比进行比对，若其差值的绝对值大于目标占空比，则确定第二速度为快速变速信号；当确定接收的第二速度的变速控制信号为快速变速信号时，控制将初始采样窗口的第一预设时间宽度按照预设的线性关系调整扩大为第二时间宽度，在输出的第二时间宽度对应的采样窗口采集电机反电动势过零点，增加采集过零点的范围，进而能够准确地输出电机的反电动势过零点检测信号，控制电机正常稳定运转。

本实施例中，进一步地，当确定第二速度的变速控制信号不是快速变速信号时，保持以第一预设时间宽度的初始采样窗口采集电机的反电动势过零点。

本实施例中，通过确定第二速度的变速控制信号是否为快速变速从而将初始采样窗口调整扩大为采样窗口，通过在扩大后的采样窗口采集反电动势过零点，能够获知转子的位置，使电机稳定运转。

需要说明的是，请参考图1及图2，因噪声跟输出电流的正弦性有关，越接近正弦噪声越小，若在增宽多个时间段的时间宽度即对应在正弦波上有多个采样窗口，那么电流波形会多出现多个缺口，即正弦性变差，这时噪声也会变差，因此本实施例中的时间宽度仅为一小段时间的宽度，在该一小段时间内有对应的正弦波上只有一个采样窗口，那么正弦波只会有一个缺口，从而能够有效的降低电机转动的噪声。

易于理解的是，本实施例为了在速度快速变化时，能够采集到过零点确定转子的位置，通过在预先的时间宽度上增加一定的时间宽度，在增加的时间宽度上使初始采样窗口扩大为调整后的采样窗口，且采样窗口是在正弦波上只开设的一个窗口，通过该调整后的采样窗口检测反电动势过零点。

本实施例中，参见图4及图6，当时间宽度调整值将初始采样窗口的第一预设时间宽度调整扩大为第二时间宽度，并按照调整后的第二时间宽度对应的采样窗口采集电机的反电动势过零点时，能够确定转子的位置，此时，载波在上升沿的时候会震荡，会明显干扰反电动势的采样，载波震荡对反电动势的采样影响更大。

本实施例中，进一步地，BLDC电机的反电动势过零点采集方法还包括：

本实施例中，将变速后的第二速度对应的采样窗口恢复至第一采样窗口对应的第一预设时间宽度，从而能够让电机一相的电流接近于正弦波，从而能够减少噪声且保证电机稳定运转。

基于上述实施例，参考图3，本发明还提供一种BLDC电机驱动装置，该装置包括换向处理器20、反电动势反馈电路30、三相驱动电路10、电机40、存储器以及存储于存储器内并在所述换向处理器30上运行的时间窗口切换控制程序；

其中，所述反电动势反馈电路30，用于采集电机40的反电动势过零点，并将其反馈给换向处理器20；

所述时间窗口切换控制程序被所述处理器执行时实现如上述实施例任一项所述的BLDC电机的反电动势过零点采集方法的步骤。

具体地，所述换向处理器20根据反电动势反馈电路30的反馈信号控制正弦波占空比的输出，通过该占空比的输出控制三相驱动电路10，所述三相驱动电路10产生三相驱动信号驱动电机40运转。

更具体地是，反电动势反馈电路30连接电机40其中一相的输入端，在第一预设时间宽度，关闭电机40该相的输入，此时电机40该相输出为反向电动势，在第一预设时间宽度内开设初始采样窗口，在第一预设时间宽度的初始采样窗口通过反电动势反馈电路30采集反电动势过零点，并将其反电动势过零点反馈给换向处理器20，换向处理器20将接收到的反电动势过零点反馈信息进行处理，根据如上所述的BLDC电机的反电动势过零点采集方法实现，在第一预设时间宽度对应的采样窗口基础上调整扩大反电动势过零点的检测范围，换向处理器控制三相驱动信号的输出控制三相电机快速稳定的运转。通过在初始采样窗口的基础上扩宽采样窗口的范围，从而能够在该扩宽后的采样窗口检测反电动势过零点确定电机40转子的位置，从而使三相电机40在速度控制信号大幅度快速切换时也能够稳定运转。

本实施例中，可选地，所述三相驱动电路10由三组结构相同的MOS管组成，每组MOS管组均由两个相互串接的MOS管构成，包括第一MOS管组101、第二MOS管组102以及第三MOS管组103，所述第二MOS管组102分别与第一MOS管组101和第三MOS管组103并联，在所述第一MOS管组101、第二MOS管组102以及第三MOS管组103中的两个MOS管之间的连接点分别与三相电机40的三组绕组中的其中一相绕组连接。上述MOS管为功率MOS管。

再次参考图3，具体地，所述第一MOS管组101包括MOS管1以及与其串接的MOS管2，MOS管1和MOS管2中间处与三相电机40的U相连接；第二MOS管组102包括MOS管3以及与其串接MOS管4，所述MOS管3和MOS管4中间处与三相电机40的V相连接；第三MOS管组103包括MOS管5以及与其串接MOS管6，所述MOS管5和MOS管6中间处与三相电机40的W相连接，本实施例中，三相电驱动电路10以Y形的方式连接，MOS管1和MOS管4接通，此时电流输入U相和V相，MOS管1和MOS管6接通，此时电流输入U相和W相、MOS管3和MOS管6接通，此时电流输入W相和V相，换向处理器20控制每个MOS管的开关，以驱动电机40运转。

基于上述实施例，以下举例具体说明在第一预设时间宽度对应的初始采样窗口的基础上调整扩大至第二时间宽度对应的采样窗口实现过程：

本发明提供第一种场景，参考图4，并结合图2及图5，假设以∠1的采样窗口正常能检测到反电动势过零点的的初始采样窗口，∠2的采样窗口为大于∠1的窗口即快速变速时能检测到反电动势过零点的采样窗口。当速度控制信号快速变化ΔD1的时候，换向处理器接收到第二速度的变速控制信号，然后立即按照设置的加速斜率A1分配变速期间每个电周期输出的第二速度的速度控制信号占空比D2，再判断相邻电周期输出的占空比差值是否大于目标占空比D3，若判断电周期输出的占空比差值大于目标占空比D3，即D2＞D3，则说明变速控制信号为快速变速信号，那么电流变化就会很明显，反电动势过零点的采集就会变得比较难。

需要说明的是，上述目标占空比相当于上述实施例中所述的占空比阈值。

具体地，参考图5，当变速信号为快速变速信号时，电流增宽，续流时间也会明显增加，从而盖住了反电动势过零点，若初始采样窗口不变，随时可能盖住反电动势过零点而导致电机检测不到换向信号而失步。

针对上述为快速变化时出现的情况，当判断为快速变速时，需要增宽采样窗口，这时候初始采样窗口∠1按照初始的线性关系A2切换到采样窗口∠2，参考图5及图6，提前开启反向续流阶段，保证反向续流阶段在过反电动势过零点之前完成，之后反电动势反馈电路能够稳定检测反电动势过零点并将过零点信号反馈给换向处理器，换向处理器控制三相驱动电流使得电机运转。

需要说明的是，当快速变速时，三相输出的采样窗口的数量不会增加，只会在初始采样窗口的位置增宽采样窗口的宽度，这样可用的反电动势采样点数量就会增加，因此就能更准确的找到反电动势过零点，从而避免由于速度快速变化时，电流快速变化，反向续流时间变大盖住反向电动势过零点，检测电路检测不到反电动势过零点，使电机失步，造成电机运行失败。

需要说明的是，为提前开始续流，确保在过零点之前续流完成，以此确保准确测出零点位置。本实施例主要通过增宽采样窗口即增加采集的时间宽度实现，零点位置时即指在电周期的某一时间点。

本发明提供第二种场景，具体地，参考图4，并结合图5及图6，，当速度控制信号的变速信号为快速减小时，即输出占空比减小，由于控制脉冲只能在输出脉冲不为‘0’的时间段检测到反向电动势过零点，这时分配给载波震荡和反电动势采样的时间很短，电机的反电动势特别弱，且不稳定，这时采用采集反电动势过零点的位置变得非常难。同样通过换向处理器运算控制增宽采样窗口即增加采集的时间宽度，使开始反向续流的时间提前，增加采集的时间宽度从而提高采集反电动势过零点的准确度。

本发明提供第三种场景，具体地，参考图4，并结合图2及图5，假设以∠1的初始采样窗口正常能检测到反电动势过零点的的采样窗口，∠2的采样窗口为大于∠1的初始采样窗口，即快速变速时能检测到反电动势过零点的采样窗口。换向处理器接收到第二速度的变速控制信号时，立即按照加速斜率A1分配变速期间每个电周期输出的目标占空比D2，再判断相邻电周期的输出的占空比D2差值是否大于目标占空比D3，若相邻电周期输出的占空比D2差值小于或等于占空比D3，则说明不是快速变速，窗口大小保持不变，继续按加速斜率A1输出目标占空比，驱动三相驱动电路控制电机的正常运转。

需要说明的是，在匀速运动过程中，反电动势的过零点在一个电周期内位置基本不会发生改变，所以初始采样窗口对应的第一预设时间宽度在相应的电周期内位置和大小都不变，从而能够准确的检测到反向电动势过零点，保证电机的正常运作。

再次参考图4及图6，当快速变速时，载波在上升沿的时候会震荡，会明显干扰反电动势的采样，载波震荡对反电动势的采样影响更大，再加上减速的时候电机反电动势较弱，当电机完成变速并且电机正常运转后，换向处理器应当将采样窗口切换到∠1，从而能够让采样窗口一相的电流接近于正弦波，从而能够减少噪声且保证电机更加稳定的运转。

当采样窗口能够快速准确的检测到过零点的情况下，通过换向处理器的运算处理将采样窗口的大小适当的减小，使开窗相的驱动电流更接近正弦波，减小电机的噪声，提高电机的性能。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种BLDC电机的反电动势过零点采集方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的BLDC电机的反电动势过零点采集方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

根据占空比差值确定对应的采样窗口的时间宽度调整值；

3.如权利要求2所述的BLDC电机的反电动势过零点采集方法，其特征在于，所述BLDC电机的反电动势过零点采集方法还包括：

4.如权利要求1所述的BLDC电机的反电动势过零点采集方法，其特征在于，所述确定第二速度相对第一速度为快速变速信号具体包括：

计算第二速度对应的PWM信号的占空比与所述第一速度对应的PWM信号的占空比之间的占空比差值的绝对值；

当所述差值的的绝对值大于或者等于预设的占空比阈值时，确定第二速度的变速控制信号为快速变速信号。

5.如权利要求1所述的BLDC电机的反电动势过零点采集方法，其特征在于，确定第二速度的变速控制信号不是快速变速信号时，保持以第一预设时间宽度的初始采样窗口采集电机的反电动势过零点。

6.一种BLDC电机驱动装置，其特征在于，包括换向处理器、反电动势反馈电路、三相驱动电路、电机、存储器以及存储于存储器内并在所述换向处理器上运行的时间窗口切换控制程序；

所述时间窗口切换控制程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至5中任一项所述的BLDC电机的反电动势过零点采集方法的步骤。

7.如权利要求6所述的BLDC电机驱动装置，其特征在于，所述三相驱动电路由三组结构相同的MOS管组成，每组MOS管组均由两个相互串接的MOS管构成，包括第一MOS管组、第二MOS管组以及第三MOS管组，所述第二MOS管组分别与第一MOS管组和第三MOS管组并联，在所述第一MOS管组、第二MOS管组以及第三MOS管组中的两个MOS管之间的连接点分别与电机的三组绕组中的其中一相绕组连接。

8.一种BLDC电机，其特征在于，包括如权利要求6或7所述的BLDC电机驱动装置。