CN108322106A - 一种直流无刷电机换相的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流无刷电机换相的方法及装置，其中，该方法包括：接收直流无刷电机的转子的位置信息，根据转子的位置信息生成第一换相信号；接收直流无刷电机的三相绕组的反电动势信息，根据反电动势信息生成第二换相信号；根据第一换相信号以及第二换相信号控制直流无刷电机进行换相。解决了采用霍尔位置传感器来决定何时进行换相，在传感器发生故障的情况下，会使得电机失去换相信号从而失控的技术问题。

Description

一种直流无刷电机换相的方法及装置

技术领域

本发明涉及电机控制领域，尤其涉及一种直流无刷电机换相的方法及装置。

背景技术

在直流无刷电机控制中需要知道转子磁极位置进行换相以形成旋转磁场，在现有技术中，一般使用三个霍尔位置传感器测量电机转子的磁场位置，通过输出的3位二进制编码来决定控制器中三相6路功率管的开关状态以达到换相的目的。

需要说明的是，采用霍尔位置传感器来决定何时进行换相，在传感器发生故障的情况下，会使得电机失去换相信号从而失控。

发明内容

本发明提供了一种直流无刷电机换相的方法，该方法包括：接收直流无刷电机的转子的位置信息，根据转子的位置信息生成第一换相信号；接收直流无刷电机的三相绕组的反电动势信息，根据反电动势信息生成第二换相信号；根据第一换相信号以及第二换相信号控制直流无刷电机进行换相。

进一步地，霍尔传感器采集直流无刷电机的转子的位置信息，其中，根据第一换相信号以及第二换相信号控制直流无刷电机进行换相的步骤包括：判定霍尔传感器是否发生故障；在霍尔传感器没有发生故障的情况下，控制直流无刷电机按照第第一换相信号进行换相；在霍尔传感器发生故障的情况下，控制直流无刷电机按照第二换相信号进行换相。

进一步地，判定霍尔传感器是否发生故障的步骤包括：根据转子的位置信息生成直流无刷电机的第一转速信息；根据直流无刷电机的计时器采集到的时间生成直流无刷电机的第二转速信息；根据第一转速信息以及第二转速信息判断霍尔传感器是否发生故障。

进一步地，根据第一转速信息以及第二转速信息判断霍尔传感器是否发生故障的步骤包括：

在第一转速信息以及第二转速信息的差值超过预设阈值的情况下，判定霍尔传感器发生故障。

进一步地，在控制直流无刷电机按照第二换相信号进行换相之后，方法还包括：发送报警信号，其中，报警信号用于表征霍尔传感器发生故障。

根据本发明的另一方面，还提供一种直流无刷电机换相的装置，该装置包括：第一接收单元，用于接收直流无刷电机的转子的位置信息，根据转子的位置信息生成第一换相信号；第二接收单元，用于接收直流无刷电机的三相绕组的反电动势信息，根据反电动势信息生成第二换相信号；控制单元，用于根据第一换相信号以及第二换相信号控制直流无刷电机进行换相。

进一步地，霍尔传感器采集直流无刷电机的转子的位置信息，其中，根据控制单元包括：判定模块，用于判定霍尔传感器是否发生故障；第一控制模块，用于在霍尔传感器没有发生故障的情况下，控制直流无刷电机按照第第一换相信号进行换相；第二控制模块，用于在霍尔传感器发生故障的情况下，控制直流无刷电机按照第二换相信号进行换相。

进一步地，判定模块包括：第一生成模块，用于根据转子的位置信息生成直流无刷电机的第一转速信息；第二生成模块，用于根据直流无刷电机的计时器采集到的时间生成直流无刷电机的第二转速信息；判断模块，用于根据第一转速信息以及第二转速信息判断霍尔传感器是否发生故障。

进一步地，判断模块包括：子判断模块，用于在第一转速信息以及第二转速信息的差值超过预设阈值的情况下，判定霍尔传感器发生故障。

进一步地，装置还包括：发送单元，用于发送报警信号，其中，报警信号用于表征霍尔传感器发生故障。

通过上述技术方案，提供一种直流无刷电机换相的方法及装置，该方法通过接收直流无刷电机的转子的位置信息，根据转子的位置信息生成第一换相信号；接收直流无刷电机的三相绕组的反电动势信息，根据反电动势信息生成第二换相信号；根据第一换相信号以及第二换相信号控制直流无刷电机进行换相。解决了采用霍尔位置传感器来决定何时进行换相，在传感器发生故障的情况下，会使得电机失去换相信号从而失控的技术问题。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1是根据本发明实施例一的直流无刷电机换相的方法的流程图；

图2是根据本发明实施例一的霍尔传感器的安装位置示意图；

图3是根据本发明实施例一的反电动势检测模块的结构示意图；

图4是根据本发明实施例一的实现直流无刷电机换相的方法的系统的架构示意图；

图5是根据本发明实施例一的优选地直流无刷电机换相的方法的流程图；以及

图6是根据本发明实施例二的直流无刷电机换相的装置的示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

实施例一

本发明提供了一种直流无刷电机换相的方法，如图1所示，上述方法可以包括：

步骤S12，接收直流无刷电机的转子的位置信息，根据转子的位置信息生成第一换相信号。

具体的，在本方案中，可以采用霍尔传感器采集直流无刷电机的转子的位置信息，以此确定转子的位置，进而将上述位置信息发送至电机的MCU，由电机的MCU根据转子的位置信息生成上述第一换相信号，即确定电机的换相时机。

需要说明的是，在本方案中，霍尔传感器可以通过检测磁场强度的变化，输出二进制编码表示电机转子的不同位置，霍尔传感器将检测到的转子位置信息发送至MCU，由MCU根据转子位置信息确定电机何时进行换相，即生成上述第一换相信号。

优选地，在本方案中，霍尔传感器的安装位置可以为图2所示，将霍尔传感器安装在靠近转子的位置，当N极逐渐靠近霍尔传感器即磁感应强度达到一定时，其输出时导通状态；当N极逐渐离开霍尔传感器、磁感应强度逐渐减小时，其输出仍然保持导通状态，只有磁场转变为S极并达到一定值时，其输出才翻转为截止状态；在S-N交替变化磁场下，传感器输出波形高、低电平各占50％；将直流无刷电机中的3个霍尔传感器间隔120°按圆周分布，三个输出波形相差120°电角度；将输出的高电平定义为“1”，低电平为“0”，则输出的三个信号可用3位二进制编码表示。

步骤S14，接收直流无刷电机的三相绕组的反电动势信息，根据反电动势信息生成第二换相信号。

具体的，在本方案中，可以在现有的电机系统的基础上增加一个反电动势检测模块ADC，用于检测直流无刷电机的三相绕组的反电动势信息即三相BEMF，可选地，MCU可以根据反电动势检测模块ADC检测到的三相绕组的反电动势信息生成第二换相信号，即无需知道电机转子的位置也可以生成第二换相信号，以确定电机的换相时机。需要说明的是，本方案可以通过ADC检测三相BEMF，当发生过零点事件后生成换相信号。

优选地，本方案中，反电动势检测模块的结构如图3所示，电机三相绕组通过分压电路连接至MCU的ADC引脚进行电压检测，并将BEMF电压与直流母线电压的一半进行比较；假定BEMF电压等于Vdc/2时发生过零点事件的情况下，可以利用比较器将BEMF电压与直流母线电压的一半(Vdc/2)进行比较；假设电机处于第一个换相步，即A相通过一个电子开关与+Vdc相连，C相通过一个电子开关与GND相连，而B相开路。就在第二个换相步将要到来时，从B相上观察到的BEMF信号的斜率为负，其最小值接近+Vdc。当第二个换相步发生时，B相电压达到GND值；此时，B相通过一个电子开关与GND相连，C相开路，而A相仍与Vdc相连。就在第三个换相步将要到来时，从C相上观察到的BEMF信号的斜率为正，其最大值接近Vdc，为来确定过零事件的发生，本方案可以将B相和C相上观察到的斜率与Vdc/2进行比较。

步骤S16，根据第一换相信号以及第二换相信号控制直流无刷电机进行换相。

具体的，在本方案中，可以根据预设策略来选择通过第一换相信号或者是第二换相信号来控制电机进行换相，需要说明的是，本方案实际上提供了一种冗余换相的机制，在现有的电机系统硬件基础之上，增加了采集电机三相绕组反电动势的硬件，即，本方案可以通过霍尔传感器采集到的信号来进行换相，本方案也可以通过采集电机三相绕组的反电动势信息来进行换相，同现有技术相比，本方案使得电机的运行更加安全，即，在霍尔传感器发生故障的情况下，本方案也可以及时进行换相，因此，本方案解决了在传感器发生故障的情况下，会使得电机失去换相信号从而失控的技术问题。

可选地，霍尔传感器采集直流无刷电机的转子的位置信息，其中，步骤S16根据第一换相信号以及第二换相信号控制直流无刷电机进行换相的步骤可以包括：

步骤S161，判定霍尔传感器是否发生故障。

步骤S162，在霍尔传感器没有发生故障的情况下，控制直流无刷电机按照第第一换相信号进行换相。

步骤S163，在霍尔传感器发生故障的情况下，控制直流无刷电机按照第二换相信号进行换相。

具体的，在本方案中，上述MCU可以根据判定霍尔传感器是否发生故障，在霍尔传感器正常运行的情况下，直流无刷电机可以通过霍尔传感器检测转子位置进行换相，在霍尔传感器发生故障的情况下，本方案可以自动切换到第二换相信号进行换相，即可使用测量三相反电动势检测出的转子位置进行换相，以确保电机的及时换相，避免运行失控。

可选地，步骤S161中判定霍尔传感器是否发生故障的步骤可以包括：

步骤S1611，根据转子的位置信息生成直流无刷电机的第一转速信息。

步骤S1612，根据直流无刷电机的计时器采集到的时间生成直流无刷电机的第二转速信息。

步骤S1613，根据第一转速信息以及第二转速信息判断霍尔传感器是否发生故障。

具体的，本方案在检测三相BEMF确定转过30°电角度之后，可以再用电机计时器测量所用时间计算出电机当前转速(即上述第二转速信息)，同时将该转速与霍尔传感器检测转子位置计算的转速(即上述第一转速信息)对比进行修正，以确定霍尔传感器是否发生故障。

可选地，步骤S1613根据第一转速信息以及第二转速信息判断霍尔传感器是否发生故障的步骤可以包括：

步骤S16131，在第一转速信息以及第二转速信息的差值超过预设阈值的情况下，判定霍尔传感器发生故障。

具体的，在本方案中，可以通过计算第一转速信息以及第二转速信息的差值的区别来确定霍尔传感器是否发生故障，即通过霍尔传感器检测到的信号生成的转速信息与通过计时器测量到的时间生成的转速信息差别比较大的情况下，本方案可以判定霍尔传感器发生故障。

可选地，在步骤S163控制直流无刷电机按照第二换相信号进行换相之后，本方案提供的方法还可以包括：

步骤S164，发送报警信号，其中，报警信号用于表征霍尔传感器发生故障。

具体的，在本方案中，在确定霍尔传感器发生故障，控制直流无刷电机按照第二换相信号进行换相之后，本方案可以及时的向上位机发送报警信号，确保电机继续正常运行，并且提醒工作人员霍尔传感器发生故障。

优选地，本方案提供的方案可以由图4所示的系统来实施，如图4所示，在直流无刷电机控制中，系统中的MCU产生三相六路PWM信号，通过相应驱动电路来决定功率器件导通或关断，功率器件的导通或关断组合将产生不同的电流方向，以形成旋转磁场带动电机转子，具体的，三相绕组通电遵循以下条件，一个绕组流入电流，一个绕组流出电流，一个绕组不通电。霍尔传感器通过检测磁场强度的变化，输出二进制编码表示电机转子的不同位置，以确定何时进行换相。在本方案中，可以通过检测三相的BEMF与直流母线电压的一半进行比较，当BEMF电压等于Vdc/2时发生过零点事件，此时距离下一个换相点相距30°电角度，电机运行时，MCU将霍尔传感器检测计算出的换相状态和检测BEMF计算出的换相状态进行比较修正误差，并确定进入换相。当霍尔传感器发生故障时，MCU将切换到BEMF检测出来的换相信号进行下一个换相状态，并上报霍尔传感器故障状态，确保电机运行不失控。

本方案还提供了一种优选的实施例，如图5所示，本实施例提供的方法可以包括步骤如下：

步骤S52，电机启动，具体的，开始时电机以强制旋转换相运行启动电机。

步骤S53，霍尔获取转子位置，具体的，通过霍尔传感器来获取电机的转子的位置信息。

步骤S54，检测三相反电动势，具体的，本方案可以通过ADC来检测电机三相绕组的BEMF。

步骤S55，判断霍尔传感器转子位置是否正常，在正常的情况下，执行步骤S57，在不正常的情况下，执行步骤S56，即在本方案中，，一旦发生故障即切换使用BEMF的过零点事件进行换相。

步骤S56，用三相反电动势检测的转子位置来进行换相，然后执行步骤S58。

步骤S57，根据转子位置进行换相。

步骤S58，计算电机转速。

步骤S59，上传霍尔传感器故障，并确保电机继续正常运行。

综上，本发明提供的方案，通过上述实施方式，可以增加电机控制中的稳定性，可靠性，而且，通过检测三相反电动势的换相方法不需要知道转子的实时位置，与使用霍尔传感器的换相方式相似，因此具有随时切换性。

实施例二

本申请还提供了一种直流无刷电机换相的装置，该装置可以用于执行上述实施例一中的方法，该装置可以运行在MCU中，也可以为一个独立运行的装置，如图6所示，上述装置可以包括：

第一接收单元62，用于接收直流无刷电机的转子的位置信息，根据转子的位置信息生成第一换相信号。

具体的，在本方案中，可以采用霍尔传感器采集直流无刷电机的转子的位置信息，以此确定转子的位置，进而将上述位置信息发送至电机的MCU，由电机的MCU根据转子的位置信息生成上述第一换相信号，即确定电机的换相时机。

需要说明的是，在本方案中，霍尔传感器可以通过检测磁场强度的变化，输出二进制编码表示电机转子的不同位置，霍尔传感器将检测到的转子位置信息发送至MCU，由MCU根据转子位置信息确定电机何时进行换相，即生成上述第一换相信号。

优选地，在本方案中，霍尔传感器的安装位置可以为图2所示，将霍尔传感器安装在靠近转子的位置，当N极逐渐靠近霍尔传感器即磁感应强度达到一定时，其输出时导通状态；当N极逐渐离开霍尔传感器、磁感应强度逐渐减小时，其输出仍然保持导通状态，只有磁场转变为S极并达到一定值时，其输出才翻转为截止状态；在S-N交替变化磁场下，传感器输出波形高、低电平各占50％；将直流无刷电机中的3个霍尔传感器间隔120°按圆周分布，三个输出波形相差120°电角度；将输出的高电平定义为“1”，低电平为“0”，则输出的三个信号可用3位二进制编码表示。

第二接收单元64，用于接收直流无刷电机的三相绕组的反电动势信息，根据反电动势信息生成第二换相信号。

具体的，在本方案中，可以在现有的电机系统的基础上增加一个反电动势检测模块ADC，用于检测直流无刷电机的三相绕组的反电动势信息即三相BEMF，可选地，MCU可以根据反电动势检测模块ADC检测到的三相绕组的反电动势信息生成第二换相信号，即无需知道电机转子的位置也可以生成第二换相信号，以确定电机的换相时机。需要说明的是，本方案可以通过ADC检测三相BEMF，当发生过零点事件后生成换相信号。

优选地，本方案中，反电动势检测模块的结构如图3所示，电机三相绕组通过分压电路连接至MCU的ADC引脚进行电压检测，并将BEMF电压与直流母线电压的一半进行比较；假定BEMF电压等于Vdc/2时发生过零点事件的情况下，可以利用比较器将BEMF电压与直流母线电压的一半(Vdc/2)进行比较；假设电机处于第一个换相步，即A相通过一个电子开关与+Vdc相连，C相通过一个电子开关与GND相连，而B相开路。就在第二个换相步将要到来时，从B相上观察到的BEMF信号的斜率为负，其最小值接近+Vdc。当第二个换相步发生时，B相电压达到GND值；此时，B相通过一个电子开关与GND相连，C相开路，而A相仍与Vdc相连。就在第三个换相步将要到来时，从C相上观察到的BEMF信号的斜率为正，其最大值接近Vdc，为来确定过零事件的发生，本方案可以将B相和C相上观察到的斜率与Vdc/2进行比较。

控制单元66，用于根据第一换相信号以及第二换相信号控制直流无刷电机进行换相。

具体的，在本方案中，可以根据预设策略来选择通过第一换相信号或者是第二换相信号来控制电机进行换相，需要说明的是，本方案实际上提供了一种冗余换相的机制，在现有的电机系统硬件基础之上，增加了采集电机三相绕组反电动势的硬件，即，本方案可以通过霍尔传感器采集到的信号来进行换相，本方案也可以通过采集电机三相绕组的反电动势信息来进行换相，同现有技术相比，本方案使得电机的运行更加安全，即，在霍尔传感器发生故障的情况下，本方案也可以及时进行换相，因此，本方案解决了在传感器发生故障的情况下，会使得电机失去换相信号从而失控的技术问题。

可选地，霍尔传感器采集直流无刷电机的转子的位置信息，其中，根据控制单元66可以包括：

判定模块661，用于判定霍尔传感器是否发生故障。

第一控制模块662，用于在霍尔传感器没有发生故障的情况下，控制直流无刷电机按照第第一换相信号进行换相。

第二控制模块663，用于在霍尔传感器发生故障的情况下，控制直流无刷电机按照第二换相信号进行换相。

可选地，判定模块661包括：

第一生成模块6611，用于根据转子的位置信息生成直流无刷电机的第一转速信息。

第二生成模块6612，用于根据直流无刷电机的计时器采集到的时间生成直流无刷电机的第二转速信息。

判断模块6613，用于根据第一转速信息以及第二转速信息判断霍尔传感器是否发生故障。

可选地，判断模块6613包括：

子判断模块66131，用于在第一转速信息以及第二转速信息的差值超过预设阈值的情况下，判定霍尔传感器发生故障。

可选地，装置还可以包括：

发送单元68，用于发送报警信号，其中，报警信号用于表征霍尔传感器发生故障。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种直流无刷电机换相的方法，其特征在于，所述方法包括：

接收直流无刷电机的转子的位置信息，根据所述转子的位置信息生成第一换相信号；

接收所述直流无刷电机的三相绕组的反电动势信息，根据所述反电动势信息生成所述第二换相信号；

根据所述第一换相信号以及第二换相信号控制所述直流无刷电机进行换相。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，霍尔传感器采集所述直流无刷电机的转子的位置信息，其中，根据所述第一换相信号以及第二换相信号控制所述直流无刷电机进行换相的步骤包括：

判定所述霍尔传感器是否发生故障；

在所述霍尔传感器没有发生故障的情况下，控制所述直流无刷电机按照所述第第一换相信号进行换相；

在所述霍尔传感器发生故障的情况下，控制所述直流无刷电机按照所述第二换相信号进行换相。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，判定所述霍尔传感器是否发生故障的步骤包括：

根据所述转子的位置信息生成所述直流无刷电机的第一转速信息；

根据所述直流无刷电机的计时器采集到的时间生成所述直流无刷电机的第二转速信息；

根据所述第一转速信息以及所述第二转速信息判断所述霍尔传感器是否发生故障。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述第一转速信息以及所述第二转速信息判断所述霍尔传感器是否发生故障的步骤包括：

在所述第一转速信息以及所述第二转速信息的差值超过预设阈值的情况下，判定所述霍尔传感器发生故障。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在控制所述直流无刷电机按照所述第二换相信号进行换相之后，所述方法还包括：

发送报警信号，其中，所述报警信号用于表征所述霍尔传感器发生故障。

6.一种直流无刷电机换相的装置，其特征在于，所述装置包括：

第一接收单元，用于接收直流无刷电机的转子的位置信息，根据所述转子的位置信息生成第一换相信号；

第二接收单元，用于接收所述直流无刷电机的三相绕组的反电动势信息，根据所述反电动势信息生成所述第二换相信号；

控制单元，用于根据所述第一换相信号以及第二换相信号控制所述直流无刷电机进行换相。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，霍尔传感器采集所述直流无刷电机的转子的位置信息，其中，根据所述控制单元包括：

判定模块，用于判定所述霍尔传感器是否发生故障；

第一控制模块，用于在所述霍尔传感器没有发生故障的情况下，控制所述直流无刷电机按照所述第第一换相信号进行换相；

第二控制模块，用于在所述霍尔传感器发生故障的情况下，控制所述直流无刷电机按照所述第二换相信号进行换相。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述判定模块包括：

第一生成模块，用于根据所述转子的位置信息生成所述直流无刷电机的第一转速信息；

第二生成模块，用于根据所述直流无刷电机的计时器采集到的时间生成所述直流无刷电机的第二转速信息；

判断模块，用于根据所述第一转速信息以及所述第二转速信息判断所述霍尔传感器是否发生故障。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述判断模块包括：

子判断模块，用于在所述第一转速信息以及所述第二转速信息的差值超过预设阈值的情况下，判定所述霍尔传感器发生故障。

10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

发送单元，用于发送报警信号，其中，所述报警信号用于表征所述霍尔传感器发生故障。