CN108964533A - 单相直流无刷电机无位置传感器的控制电路及启动方法 - Google Patents

单相直流无刷电机无位置传感器的控制电路及启动方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及直流无刷电机控制领域，具体公开了一种单相直流无刷电机无位置传感器的控制电路及启动方法，包括MCU控制芯片、电源单元和逆变电路，所述电源单元连接逆变电路，所述逆变电路连接有半桥驱动电路、反电动势采样单元、电流采样电路和无刷电机，所述半桥驱动电路、反电动势采样单元和电源单元连接MCU控制芯片，所述电流采样电路连接有启动电流反馈电路，所述启动电流反馈电路连接无刷电机和MCU控制芯片，所述MCU控制芯片连接电源单元，本发明有效避免常规方法使用固定的激励时间产生的启动失败问题，能够在激励的过程中确认转子的位置，从而在合适的位置上变换激励方向，提高了启动的成功率。

Description

单相直流无刷电机无位置传感器的控制电路及启动方法
技术领域
本发明涉及直流无刷电机控制领域，尤其涉及一种单相直流无刷电机无位置传感器的控制电路及启动方法。
背景技术
随着电机行业的日益发展，直流无刷电机在很多领域都得到了广泛的应用，它具有调速性能好，体积小，寿命长，效率高等优点。由于单相直流无刷电机的定子、转子极对数相对应，因而存在启动困难的问题，故在结构上会对定子齿槽做不对称处理，使之产生不对称气隙磁阻，即在不通电状态下转子磁路中心线偏离定子中心线一定角度，从而电磁转矩能够克服齿槽转矩使电机顺利往固定方向上启动。
在很多单相直流无刷电机的应用中，通常都加入霍尔位置传感器作为转子位置的检测，但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。
现有技术中使用的无位置传感器技术，是通过使用推动设定时间长度，然后做换相处理，但是该技术尚不能解决无位置传感器的单向直流无刷电机的启动问题，会出现推动失败、适应性不好等问题。本申请通过特有检测转子位置的方法对此弊端作出改进。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种能够在激励的过程中确认转子的位置，从而在合适的位置上变换激励方向，提高启动成功率的单相直流无刷电机无位置传感器的控制电路。
为了解决上述技术问题，本发明提供的方案具体如下：一种单相直流无刷电机无位置传感器的控制电路，包括MCU控制芯片、电源单元和逆变电路，所述电源单元连接逆变电路，所述逆变电路连接有半桥驱动电路、反电动势采样单元、电流采样电路和无刷电机，所述半桥驱动电路、反电动势采样单元和电源单元连接MCU控制芯片，所述电流采样电路连接有启动电流反馈电路，所述启动电流反馈电路连接无刷电机和MCU控制芯片，所述MCU控制芯片连接电源单元。
优选的，所述电源单元包括电源输入端、与电源输入端连接的母线电压检测电路和线性稳压电路，所述母线电压检测电路和线性稳压电路连接MCU控制芯片，母线电压检测电路在电源欠压的时候，激励时间改变时控制换相的点，线性稳压电路给整个电路系统提供稳定的运行电压，确保使用稳定性。
优选的，所述电源输入端还连接有电容C5，电容C5用于稳定母线电压，提供稳定的电源。
优选的，所述电源输入端为电池包、恒流源或AC-220V电源。
优选的，所述逆变电路包括MOS管Q1、Q2、Q3和Q4，所述MOS管Q1、Q2、Q3和Q4的G极分别连接半桥驱动电路，所述MOS管Q1、Q2的S极和所述MOS管Q3、Q4的D极分别连接无刷电机；
所述MOS管Q1、Q2的D极连接有电容C4，所述电容C4的另一端连接分别连接MOS管Q3、Q4的S极。
优选的，所述电流采样电路包括运算放大器U1A，运算放大器U1A的正极分别连接电源、电阻R3和电容C1，电容C1的另一端接地，电阻R3的另一端分别连接有电阻R4和R5，所述电阻R4的另一端接地，电阻R4还并联有电容C2，电阻R5的另一端分别连接电阻R1和运算放大器U1A的第三引脚，电阻R1的另一端连接有电阻R8，所述电阻R8的另一端连接有电阻R2，所述电阻R2的另一端分别连接运算放大器U1A的第二引脚和电阻R6，所述电阻R6的另一端分别连接运算放大器U1A的第一引脚和电阻R7，所述电阻R7的另一端分别连接电容C3和启动电流反馈电路，所述电容C3的另一端接地；运算放大器U1A的负极接地。
优选的，所述启动电流反馈电路包括电压比较器U2A，所述电压比较器U2A的正极连接电源，电压比较器U2A的负极接地，电压比较器U2A的第二引脚连接MCU控制芯片，电压比较器U2A的第三引脚连接电流采样电路，电压比较器U1A的第一引脚连接无刷电机。
优选的，本发明还提供了一种单相直流无刷电机无位置传感器的控制电路的启动方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在定位阶段，由MCU控制芯片设定额定的电流幅值与实际采样电流做比较，当实际采样电流大于额定的电流幅值时关闭激励控制，在不同的相绕组上通过单次激励绕组线圈，得到不同的激励时间长度，在转子静止状态下确定转子位置；
S2、在强推阶段，同样以步骤S1中定位阶段方法设定激励方式，通过MCU设定额定电流幅值以及关闭激励时间，连续的开启激励和关闭激励，记录开启激励的时长，与MCU设定的开启激励值比较，在转子转动状态下确定转子位置；通过MCU设定额定电流幅值以及关闭激励时间有利于防止开启时间过长产生过流现象，同时起到在转子运动时检测转子位置。
优选的，所述步骤S1具体包括以下过程：在定位阶段，由MCU控制芯片设定额定的电流幅值与实际采样电流做比较，当实际采样电流大于额定的电流幅值时关闭激励控制，设定首先开启A+B-方向电流激励，当实际采样电流大于额定的电流幅值时关闭激励控制，记录一次激励时间T4，停止激励时间T2，再次开启同一电流方向的激励，记录二次激励时间T5，以同样方式激励A-B+电流方向，记录该电流方向的一次激励时间T6和二次激励时间T7。
优选的，所述一次激励时间T4和T6用于判定转子位置；所述二次激励时间T5和T7用于步骤S2中换相时间判定使用。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明有效避免常规方法使用固定的激励时间产生的启动失败问题，能够在激励的过程中确认转子的位置，从而在合适的位置上变换激励方向，提高了启动的成功率。
附图说明
图1为本发明的整体电路框图；
图2为电流采样电路的具体电路图；
图3为启动电流反馈电路的具体电路图；
图4为单相直流无刷电机结构示意图；
图5为启动定位时绕组激励与电流采样关系图；
图6为启动强推时绕组激励与电流采样关系图；
图7为屏蔽检测时段示意图。
具体实施方式
为了详细说明本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。
实施例一：
请参照图1-3，本发明提供了一种单相直流无刷电机无位置传感器的控制电路，包括MCU控制芯片、电源单元和逆变电路，所述电源单元连接逆变电路，所述逆变电路连接有半桥驱动电路、反电动势采样单元、电流采样电路和无刷电机，所述半桥驱动电路、反电动势采样单元和电源单元连接MCU控制芯片，所述电流采样电路连接有启动电流反馈电路，所述启动电流反馈电路连接无刷电机和MCU控制芯片，所述MCU控制芯片连接电源单元，如图1所示，其中，M为无刷电机。
具体的，电源单元包括电源输入端、与电源输入端连接的母线电压检测电路和线性稳压电路，所述母线电压检测电路和线性稳压电路连接MCU控制芯片，母线电压检测电路在电源欠压或超压的时候，激励时间改变时控制换相的点以及为系统提供欠压、超压保护信号，线性稳压电路给整个电路系统提供稳定的运行电压，确保使用稳定性，电源输入端还连接有电容C5，电容C5用于稳定母线电压，提供稳定的电源，其中，电源输入端可以是电池包、恒流源或AC-220V电源等，为后续电路提供稳定电源；半桥驱动电路连接MCU控制芯片，MCU控制芯片通过信号输出控制半桥驱动电路，半桥驱动电路连接逆变电路，用于控制开启和关闭逆变电路中的功率器件，逆变电路连接单相无刷电机与母线上，通过开关功率器件Q1、Q2、Q3、Q4而激励单相无刷电机；R8串联在母线负端上，用于采集母线实时电流，电流采样电路，用于放大由R8采集的母线电流。启动电流反馈电路，用于提供额定的电流阈值同时用于比较母线电流，反电动势采样电路，用于采集单线无刷电机两端的相电压反馈至MCU控制芯片。
在单相直流无刷电机无位置传感器的控制系统中一般分为三个步骤：转子位置定位、强推加速和闭环控制，在启动强推加速阶段，使用额定的电流幅值，当电流达到额定的电流后关闭激励输出，形成斩波，利用通电绕组在不同的磁场位置所体现出来电流变化不同的情况，根据转子在不同的位置上产生电流变化情况的不同而确定逆变电路换相的时机。
其中，逆变电路包括MOS管Q1、Q2、Q3和Q4，所述MOS管Q1、Q2、Q3和Q4的G极分别连接半桥驱动电路，所述MOS管Q1、Q2的S极和所述MOS管Q3、Q4的D极分别连接无刷电机；MOS管Q1、Q2的D极连接有电容C4，所述电容C4的另一端连接分别连接MOS管Q3、Q4的S极。
电流采样电路包括运算放大器U1A，运算放大器U1A的正极分别连接电源、电阻R3和电容C1，电容C1的另一端接地，电阻R3的另一端分别连接有电阻R4和R5，所述电阻R4的另一端接地，电阻R4还并联有电容C2，电阻R5的另一端分别连接电阻R1和运算放大器U1A的第三引脚，电阻R1的另一端连接有电阻R8，所述电阻R8的另一端连接有电阻R2，所述电阻R2的另一端分别连接运算放大器U1A的第二引脚和电阻R6，所述电阻R6的另一端分别连接运算放大器U1A的第一引脚和电阻R7，所述电阻R7的另一端分别连接电容C3和启动电流反馈电路，所述电容C3的另一端接地；运算放大器U1A的负极接地。
启动电流反馈电路包括电压比较器U2A，所述电压比较器U2A的正极连接电源，电压比较器U2A的负极接地，电压比较器U2A的第二引脚连接MCU控制芯片，可输出可调的模拟电压，用于比较母线电流的大小，电压比较器U2A的第三引脚连接电流采样电路，电压比较器U1A的第一引脚连接无刷电机，当然，为了节省外部的电路连接，本实施例也可将运算放大器和电压比较器直接集成为MCU控制芯片内部，直接由MCU控制芯片进行控制。
在具体实施过程中，在定位阶段，由MCU控制芯片设定额定的电流幅值MCU_DAC与实际采样电流CUR_ADC做比较，当实际采样电流CUR_ADC大于额定的电流幅值MCU_DAC时关闭激励控制，如图4和图5所示，设定首先开启A﹢B-方向电流激励，当实际采样电流CUR_ADC大于额定的电流幅值MCU_DAC时关闭激励控制，记录一次激励时间T4，停止激励时间T2，再次开启同一电流方向的激励，记录二次激励时间T5。以同样方式激励A-B﹢电流方向，记录该电流方向的一次激励时间T6和二次激励时间T7。两个不同激励电流方向走，一次激励时间T4和T6用于判定转子位置，确定强推时先是A﹢B-还是A-B﹢开启功率器件，而二次激励时间T5和T7用于后续强推阶段换相时间判定使用，另外，由于定位阶段激励时间相对较短，激励时转子转动很小，不影响后续强推。
在强推阶段，同样以定位阶段方法设定激励时间，如图6所示，由MCU控制芯片设定额定的电流幅值MCU_DAC与实际采样电流CUR_ADC做比较，当实际采样电流CUR_ADC大于额定的电流幅值MCU_DAC时关闭激励控制，停止时间T2为固定时间，在电流方向还没有更换时，记录每一次激励时间T3，在激励绕组过程中，转子也随着外部绕组产生的磁场的变化而产生转动。由于激励产生的电流即实际采样电流CUR_ADC时常大于设定额定的电流幅值MCU_DAC而产生斩波，又因转子在绕组受激励产生的磁场而转动的情况，转子磁体与激励绕组的夹角不断的在改变，激励绕组时产生的电流变化率也不同，导致激励时长T3不断的改变，如图7所示，第一个激励电平由于相电流从零或负开始，受磁场的作用下电流上升的比较缓慢，从第二个激励往后，激励的时长可以直接体现出转子位置信息。在磁场的作用下，转子磁体与绕组激励产生的磁场相斥时，激励绕组达到额定的电流幅值MCU_DAC时间较长，而相反的，转子磁体与绕组激励产生的磁场相吸时，激励绕组达到额定的电流幅值MCU_DAC时间较短。另外，在定位阶段的二次激励时间T5和T7中的较小值T5可以用于与激励时间T3做比较，直接判定转子是否达到更换激励方向的位置，需要说明的是，可在二次激励时间与激励时间T3的比较中增加或减去设定偏量，用于提前或滞后更换激励方向。
由于变化激励方向后，转子所处位置与变换激励方向前变化不大，此时激励时间与设定激励换相时间相差无几，所以变换激励方向后续加入屏蔽检测激励时间时段T8，该时段时长可根据用户需求设定，也可根据激励时长的递增做时长的设定，时长递减时开启激励时长检测，从而避免错误的变换激励。通过该方法，能有效的避免常规方法使用固定的激励时间产生的启动失败问题，该方法能在激励的过程中确认转子的位置，从而在合适的位置上变换激励方向，提高了启动的成功率。
实施例二：
请参照图4和图5，本实施例提供了一种单相直流无刷电机无位置传感器的控制电路的启动方法，包括以下步骤，S1、在定位阶段，由MCU控制芯片设定额定的电流幅值，与实际采样电流做比较，当实际采样电流大于额定的电流幅值时关闭激励控制，在不同的相绕组上通过单次激励绕组线圈，得到不同的激励时间长度，在转子静止状态下确定转子位置；S2、在强推阶段，同样以步骤S1中定位阶段方法设定激励方式，通过MCU设定额定电流幅值以及关闭激励时间，连续的开启激励和关闭激励，记录开启激励的时长，与MCU设定的开启激励值比较，在转子转动状态下确定转子位置；通过MCU设定额定电流幅值以及关闭激励时间有利于防止开启时间过长产生过流现象，同时起到在转子运动时检测转子位置。
具体的，步骤S1包括以下过程：在定位阶段，由MCU控制芯片设定额定的电流幅值与实际采样电流做比较，当实际采样电流大于额定的电流幅值时关闭激励控制，设定首先开启A+B-方向电流激励，当实际采样电流大于额定的电流幅值时关闭激励控制，记录一次激励时间T4，停止激励时间T2，再次开启同一电流方向的激励，记录二次激励时间T5，以同样方式激励A-B+电流方向，记录该电流方向的一次激励时间T6和二次激励时间T7。
在两个不同激励电流方向中，一次激励时间T4和T6用于判定转子位置，确定强推时先是A+B-还是B+A-开启功率器件；所述二次激励时间T5和T7用于步骤S2中换相时间判定使用，由于定位阶段激励时间相对较短，激励时转子转动很小，不影响后续强推。
在强推阶段，同样以定位阶段方法设定激励时间，如图6所示，由MCU控制芯片设定额定的电流幅值MCU_DAC与实际采样电流CUR_ADC做比较，当实际采样电流CUR_ADC大于额定的电流幅值MCU_DAC时关闭激励控制，停止时间T2为固定时间，在电流方向还没有更换时，记录每一次激励时间T3，在激励绕组过程中，转子也随着外部绕组产生的磁场的变化而产生转动。由于激励产生的电流即实际采样电流CUR_ADC时常大于设定额定的电流幅值MCU_DAC而产生斩波，又因转子在绕组受激励产生的磁场而转动的情况，转子磁体与激励绕组的夹角不断的在改变，激励绕组时产生的电流变化率也不同，导致激励时长T3不断的改变，如图7所示，第一个激励电平由于相电流从零或负开始，受磁场的作用下电流上升的比较缓慢，从第二个激励往后，激励的时长可以直接体现出转子位置信息。在磁场的作用下，转子磁体与绕组激励产生的磁场相斥时，激励绕组达到额定的电流幅值MCU_DAC时间较长，而相反的，转子磁体与绕组激励产生的磁场相吸时，激励绕组达到额定的电流幅值MCU_DAC时间较短。另外，在定位阶段的二次激励时间T5和T7中的较小值T5可以用于与激励时间T3做比较，直接判定转子是否达到更换激励方向的位置，需要说明的是，可在二次激励时间与激励时间T3的比较中增加或减去设定偏量，用于提前或滞后更换激励方向。
由于变化激励方向后，转子所处位置与变换激励方向前变化不大，此时激励时间与设定激励换相时间相差无几，所以变换激励方向后续加入屏蔽检测激励时间时段T8，该时段时长可根据用户需求设定，也可根据激励时长的递增做时长的设定，时长递减时开启激励时长检测，从而避免错误的变换激励。通过该方法，能有效的避免常规方法使用固定的激励时间产生的启动失败问题，该方法能在激励的过程中确认转子的位置，从而在合适的位置上变换激励方向，提高了启动的成功率
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.单相直流无刷电机无位置传感器的控制电路，其特征在于：包括MCU控制芯片、电源单元和逆变电路，所述电源单元连接逆变电路，所述逆变电路连接有半桥驱动电路、反电动势采样单元、电流采样电路和无刷电机，所述半桥驱动电路、反电动势采样单元和电源单元连接MCU控制芯片，所述电流采样电路连接有启动电流反馈电路，所述启动电流反馈电路连接无刷电机和MCU控制芯片，所述MCU控制芯片连接电源单元。
2.根据权利要求1所述的单相直流无刷电机无位置传感器的控制电路，其特征在于：所述电源单元包括电源输入端、与电源输入端连接的母线电压检测电路和线性稳压电路，所述母线电压检测电路和线性稳压电路连接MCU控制芯片。
3.根据权利要求2所述的单相直流无刷电机无位置传感器的控制电路，其特征在于：所述电源输入端还连接有电容C5。
4.根据权利要求2所述的单相直流无刷电机无位置传感器的控制电路，其特征在于：所述电源输入端为电池包、恒流源或AC-220V电源。
5.根据权利要求1所述的单相直接无刷电机无位置传感器的控制电路，其特征在于：所述逆变电路包括MOS管Q1、Q2、Q3和Q4，所述MOS管Q1、Q2、Q3和Q4的G极分别连接半桥驱动电路，所述MOS管Q1、Q2的S极和所述MOS管Q3、Q4的D极分别连接无刷电机；
所述MOS管Q1、Q2的D极连接有电容C4，所述电容C4的另一端连接分别连接MOS管Q3、Q4的S极。
6.根据权利要求1所述的单相直流无刷电机无位置传感器的控制电路，其特征在于：所述电流采样电路包括运算放大器U1A，运算放大器U1A的正极分别连接电源、电阻R3和电容C1，电容C1的另一端接地，电阻R3的另一端分别连接有电阻R4和R5，所述电阻R4的另一端接地，电阻R4还并联有电容C2，电阻R5的另一端分别连接电阻R1和运算放大器U1A的第三引脚，电阻R1的另一端连接有电阻R8，所述电阻R8的另一端连接有电阻R2，所述电阻R2的另一端分别连接运算放大器U1A的第二引脚和电阻R6，所述电阻R6的另一端分别连接运算放大器U1A的第一引脚和电阻R7，所述电阻R7的另一端分别连接电容C3和启动电流反馈电路，所述电容C3的另一端接地；运算放大器U1A的负极接地。
7.根据权利要求1所述的单相直流无刷电机无位置传感器的控制电路，其特征在于：所述启动电流反馈电路包括电压比较器U2A，所述电压比较器U2A的正极连接电源，电压比较器U2A的负极接地，电压比较器U2A的第二引脚连接MCU控制芯片，电压比较器U2A的第三引脚连接电流采样电路，电压比较器U1A的第一引脚连接无刷电机。
8.如权利要求1所述的单相直流无刷电机无位置传感器的控制电路的启动方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在定位阶段，由MCU控制芯片设定额定的电流幅值，并与实际采样电流做比较，当实际采样电流大于额定的电流幅值时关闭激励控制，在不同的相绕组上通过单次激励绕组线圈，得到不同的激励时间长度，在转子静止状态下确定转子位置；
S2、在强推阶段，同样以步骤S1中定位阶段方法设定激励方式，通过MCU设定额定电流幅值以及关闭激励时间，连续地开启激励和关闭激励，记录开启激励的时长，与MCU设定的开启激励值比较，在转子转动状态下确定转子位置。
9.根据权利要求8所述的启动方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下过程：在定位阶段，由MCU控制芯片设定额定的电流幅值，并与实际采样电流做比较，当实际采样电流大于额定的电流幅值时关闭激励控制，设定首先开启A+B-方向电流激励，当实际采样电流大于额定的电流幅值时关闭激励控制，记录一次激励时间T4，停止激励时间T2，再次开启同一电流方向的激励，记录二次激励时间T5，以同样方式激励A-B+电流方向，记录该电流方向的一次激励时间T6和二次激励时间T7。
10.根据权利要求9所述的启动方法，其特征在于：所述一次激励时间T4和T6用于判定转子位置；所述二次激励时间T5和T7用于步骤S2中换相时间判定使用。
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