CN109302106A - 一种无刷电机无位置控制电路、设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于无刷电机技术领域，提供了一种无刷电机无位置控制电路、设备及方法，该电路包括：接通或者断开电源的开关电路；连接所述开关电路与电机的逆变电路；采集所述电机相线反电动势的信号采集电路。由于在逆变电路前设置有开关电路，实现对逆变器母线电压进行调节，因此在电机运行过程中逆变电路的MOS管不需要PWM斩波，只负责换相，就可以一直接通，这样反电势信号是纯净的，从而精确采集反电势信号，且无采集时刻的限制，代码量精简，单片机负担很小。

Description

一种无刷电机无位置控制电路、设备及方法

技术领域

本发明属于无刷电机技术领域，尤其涉及一种无刷电机无位置控制电路、设备及方法。

背景技术

现有技术中的无刷电机无位置控制电路，需要在占空比大的范围内进行信号的采集，然而这对于采集信号的时刻要求很高，由于有用的采样区间也很小，导致很容易采集到错误的信号，从而影响信号采集的结果；而且，对无刷电机进行控制时，通常采用位置传感器采集信号，分析出转子的准确位置。电机控制方案主要取决于实际的应用需求和系统成本预算，当为一个电机控制系统挑选合适的位置传感器时，分辨率、线性度误差以及延时等参数都需要考虑，而且，传感器的输出必须足够稳定，不受外界杂散磁场和其他电磁干扰的影响，电路的成本高，不同的选择很容易造成不同程度的误差。因此，本技术领域亟需一种无需采用精度要求很高的位置传感器和高占空比来实现电机控制的新型技术方案。

发明内容

本发明提供一种无刷电机无位置控制电路，旨在解决无需采用精度要求很高的位置传感器和高占空比来实现电机控制的问题。

本发明是这样实现的，一种无刷电机无位置控制电路，所述电路包括：

接通或者断开电源的开关电路；

连接所述开关电路后与电机的逆变电路；

采集所述电机相线反电动势的信号采集电路。

更进一步地，所述开关电路包括：

发送PWM信号的单片机；

与所述单片机连接，生成大功率驱动信号的驱动模块；

响应所述驱动模块的开关管；

所述开关管一端与电源连接，另一端与所述逆变电路连接。

更进一步地，所述逆变电路包括：

与所述开关电路连接，生成大功率驱动信号的驱动模块；以及

响应所述驱动模块的开关管。

所述开关管一端与所述开关电路连接，另一端与所述电机连接。

更进一步地，所述信号采集电路的一端连接有微控制单元，所述微控制单元用于接收所述信号采集电路采集的信号。

更进一步地，所述逆变电路与所述微控制单元之间还设置有放大电路。

本发明还提供一种无刷电机控制设备，包括上述的无刷电机无位置控制电路。

本发明还提供一种无刷电机控制方法，所述方法包括以下步骤：

通过PWM信号对母线电压进行调节得到可变直流电压给逆变电路供电，所述PMW信号由电机实际转速与预设转速的差值经过算法调节后产生；

采集所述逆变电路电压驱动电机运动产生的反电势信号；

判断所述反电势信号是否处于预设区间；

当判断结果为是时，接收所述反电势信号。

更进一步地，在所述判断反电势信号是否处于预设区间之后，所述方法还包括：

当判断结果为否时，不允许接收所述反电势信号。

更进一步地，所述判断所述反电势信号是否处于预设区间的步骤，具体包括：

判断所述反电势信号电压数值是否在电源数值的15％-80％的范围内；

若所述反电势信号电压数值在此范围内，则处理所述反电势信号。

更进一步地，所述采集逆变电路电压驱动电机运动产生的反电势信号的步骤，具体包括：

当接收逆变电路电压后，电机就会根据微处理单元的切换信号产生运动；

根据所述电机运动生成反电势信号；

采集所述反电势信号。

本发明实施例提供的一种无刷电机无位置控制电路、设备及方法，电源通过开关电路进行调节后生成母线电源，然后逆变电路直接将该母线电源发送给电机使得电机转动，就不需要逆变电路再对该母线电源进行调节让电机一直接通或者断开来实现转动，然后通过信号采集电路对电机的信号直接进行采集。通过在电路中设置有开关电路，实现对逆变器母线电压进行调节，因此在电机运行过程中逆变电路的MOS管不需要PWM斩波，只负责换相，就可以一直接通，这样反电势信号是纯净的，从而精确采集反电势信号，且无采集时刻的限制，代码量精简，单片机负担很小。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种无刷电机无位置控制电路框图；

图2是本发明实施例提供的另一种无刷电机无位置控制电路框图；

图3是本发明实施例提供的无刷电机无位置控制开关电路图；

图4是本发明实施例提供的无刷电机无位置控制电路图；

图5是本发明实施例七提供的无刷电机无位置控制方法流程图；

图6是本发明实施例八提供的无刷电机无位置控制方法流程图；

图7是本发明实施例九提供的无刷电机无位置控制方法流程图；

图8是本发明实施例十提供的无刷电机无位置控制方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种无刷电机无位置控制电路，包括：接通或者断开电源电压的开关电路，连接开关电路后的电源与电机的逆变电路，采集电机相线反电动势的信号采集电路。通过在电路中设置有开关电路，实现对逆变器母线电压进行调节，因此在电机运行过程中逆变电路的MOS管不需要PWM斩波，只负责换相，就可以一直接通，这样反电势信号是纯净的，从而精确采集反电势信号，且无采集时刻的限制，代码量精简，单片机负担很小。

实施例一

本发明实施例提供了一种无刷电机无位置控制电路，如图1所示，该电路包括：

接通或者断开电源电压的开关电路100，连接开关电路100后的电源+36V与电机400的逆变电路200，采集电机相线反电动势的信号采集电路300。

该实施例中，电路原理如下：

开关电路100接通或者断开电源电压；逆变电路200将直流电转化为交流电，供给电机400，信号采集电路300采集电机相线反电动势，其中的电机相线是逆变电路注入电机的电压与反电势的叠加，在控制电机时，某一时刻会出现三相中有一相端电压悬空的情况，这一相的端电压是中性点电压与反电势的叠加，通过分压电路衰减获得此端电压的电压信号，开关电路100通过此信号解析出电机转子位置，实现无位置控制，无需采用位置传感器进行位置采样。

本发明实施例中，通过在电路中设置有开关电路，实现对逆变器母线电压进行调节，因此在电机运行过程中逆变电路的MOS管不需要PWM斩波，只负责换相，就可以一直接通，这样反电势信号是纯净的，从而精确采集反电势信号，且无采集时刻的限制，代码量精简，单片机负担很小。

实施例二

本发明实施例提供了一种无刷电机无位置控制电路，如图2和图3所示，在实施例一的基础上，开关电路100包括：

发送PWM信号的单片机101，与单片机101连接，生成大功率驱动信号的驱动模块102，响应驱动模块102的开关管103，开关管103一端与电源+36V连接，另一端与逆变电路200连接。

本发明实施例中，单片机101生成的PWM信号控制串接在母线中的开关管103，PWM信号占空比越大，开关管103在一个固定周期内导通的时间越长，开关管103后经过电感、电容滤波后的电压越大。反之，PWM信号占空比越小，开关管在一个固定周期内开通的时间越短，经过滤波后的电压越小。

上述开关电路100中，驱动模块102的电路形式多种多样，常规的是采用集成驱动芯片或者采用分离的电子元件搭建。上述驱动模块102如图3所示，包括驱动器U5(优选型号为LM5109)，单片机101的引脚HH、LL连接驱动模块102，驱动模块102分别连接两个开关管103(QA和QB)，两个开关管QA和QB采用MOS管，均连接逆变母线电压Vbus。图3所示的电路中，开关管QA漏极与电源+36V连接，栅极与驱动模块102连接，源极与所述第二开关件QB漏极连接，开关管QB栅极、源极与驱动模块102连接，开关管QB栅极还连接与逆变母线电压Vbus。

单片机101发出PWM信号来驱动MOS开关流有限并且输出电压太低，不能用于直接驱动开关管，驱动模块102的作用就是将PWM转换成同步的大功率驱动信号，可用于驱动开关管QA和QB。

如图3所示，开关管QA和QB后还连接滤波电路104，滤波电路104中包括：第一电感L1、第一二极管D21以及第一电容EC1。第一电感L1一端连接到开关管QA和QB连接线上，另一端连接逆变母线电压Vbus，第一二极管D21一端连接到第一电感L1一端，另一端与第一电容EC1连接，第一电容EC1一端连接到第一电感L1另一端，另一端与第一电感L1共同连接逆变母线电压Vbus。

第一电感L1、第一二极管D21以及第一电容EC1构成对线路中信号的滤波，单片机101接收信号采集电路300采集的电机运动产生的反电势信号并且计算出反馈的实际转速，实际转速与设定转速的差值经过算法计算后生成PWM信号，PWM信号控制串接在逆变母线上的开关管QA和QB，PWM信号占空比越大，开关管QA和QB在一个固定周期内导通的时间越长，经过开关管QA和QB后的电压越大；反之，PWM信号占空比越小，开关管QA和QB在一个固定周期内开通的时间越短，经过开关管QA和QB电压越小，从而实现变压。

上述驱动器U5的第一端口、第二端口与单片机101的两个端口连接，驱动器U5与单片机101的两个连接线路上分别设置第一电阻R21和第二电阻R22进行分压、分流，第一电阻R21、第二电阻R22与驱动器U5的连接线路上还分别接有电容C21、电容C22，且电容C21、电容C22的另一端均接地，驱动器U5第三端口接+12V电源，电容C23一端接地，另一端接至驱动器U5与+12V电源的连接线上，对+12V电源进行滤波；驱动器U5第四端口接地，驱动器U5第五端口连接二极管D20的一端，二极管D20另一端经第三电阻R23接至驱动器U5与+12V电源的连接线上，通过第三电阻R23与二极管D20实现整流；驱动器U5第六端口接至开关管QA和QB连接线上；电容CC20、C24并联后，一端接至驱动器U5第五端口与二极管D20的连接线上，另一端接至驱动器U5第六端口；驱动器U5第七端口、第八端口分别连接开关管QA和QB的栅极；驱动器U5第七端口与开关管QA栅极连接线上连接有第四电阻R24，电容C25、第五电阻R25均连接在第四电阻R24与开关管QA栅极连接线、驱动器U5第六端口与开关管QA和QB接点之间连接线之间，用于滤波；驱动器U5第八端口与开关管QB栅极连接线上连接第六电阻R26，电容C26、第七电阻R27一端分别连接到第六电阻R26与开关管QB栅极连接线上，另一端共同连接开关管QB源极，用于滤波。

实施例三

本发明实施例提供了一种无刷电机无位置控制电路，在实施例一的基础上，逆变电路200包括：

生成大功率驱动信号的驱动模块102和响应驱动模块的开关管103。

开关管102一端与开关电路100连接，另一端与电机400连接。

本发明实施例中，共有三组包含有驱动模块102和开关管103，分别通过电机400的三相输入端U_MOTOR、V_MOTOR、W_MOTOR将交流电供给电机400。

实施例四

本发明实施例提供了一种无刷电机无位置控制电路，在实施例一的基础上，信号采集电路300的一端连接有微控制单元，该微控制单元用于接收信号采集电路300采集的信号。

本发明实施例中，微控制单元采用单片机101，通过开关电路100接通或者断开电源电压，通过逆变电路200将直流电转化为交流电后供给电机400，由信号采集电路300采集电机相线反电动势，开关电路100再通过单片机101接收此信号，解析出电机转子位置，实现无位置控制，无需采用位置传感器进行位置采样。

实施例五

本发明实施例提供了一种无刷电机无位置控制电路，在实施例四的基础上，如图4所示，逆变电路200与微控制单元(单片机101)之间还设置有放大电路105。

本发明实施例中，放大电路105用于将小电流放大，放大后的电流流入单片机101进行恒功率算法、恒电流算法、过载的处理。通过增设放大电路105，避免了电流信号经过采样电阻后的信号过小，分辨率低，误差大的问题。

实施例六

本发明实施例提供了一种无刷电机控制设备，包括上述实施例一至实施例五中任一项实施例所述的无刷电机无位置控制电路。

本发明实施例中，无刷电机控制设备通过无刷电机无位置控制电路实现无位置控制，无需采用位置传感器进行位置采样，且对占空比无要求。

实施例七

本发明实施例提供了一种无刷电机控制方法，如图5所示，该方法包括以下步骤：

S501、通过PWM信号对母线电压进行调节得到可变直流电压给逆变电路供电，PMW信号由电机实际转速与预设转速的差值产生；

S502、采集逆变电路电压驱动电机运动产生的反电势信号；

S503、判断反电势信号是否处于预设区间；

S504、当判断结果为是时，接收反电势信号。

本发明实施例中，通过PWM信号实时改变逆变电路获得的母线电压，此母线电压通过逆变电路注入到电机内为其运行供电，电机的转速依靠通过逆变电路获得的母线电压而改变，逆变电路的开关管在任何时刻都是常开的，不存在PWM斩波，这样电机端电压的信号没有PWM斩波的干扰，反电势信号也是纯净的，不存在上下抖动，在这种情况下，反电势信号稳定可靠。

实施例八

本发明实施例提供了一种无刷电机控制方法，如图6所示，该方法包括以下步骤：

S601、通过PWM信号对母线电压进行调节得到可变直流电压给逆变电路供电，PMW信号由电机实际转速与预设转速的差值产生；

S602、采集逆变电路电压驱动电机运动产生的反电势信号；

S603、判断反电势信号是否处于预设区间；

S604、当判断结果为是时，接收反电势信号；

S605、当判断结果为否时，不允许接收反电势信号。

本发明实施例中，通过在实施例七中判断反电势信号是否处于预设区间的步骤基础上，进一步限定，判断结果为否时，不允许接收该反电势信号，能实现根据不同判断结果不同信号处理。

实施例九

本发明实施例提供了一种无刷电机控制方法，如图7所示，该方法包括以下步骤：

S701、通过PWM信号对母线电压进行调节得到可变直流电压给逆变电路供电，PMW信号由电机实际转速与预设转速的差值产生；

S702、采集逆变电路电压驱动电机运动产生的反电势信号；

S703、判断反信号电压数值是否在电源数值的15％-80％的范围内；

S704、若所述信号电压数值在此范围内，则处理反电势信号；

S705、接收反电势信号。

本发明实施例中，通过设定一定的数值范围15％-80％，限定所处理信号的电压数值，由于无刷电机在换相过程中导通相转为不导通时，电感线圈的储能作用会导致有续流现象存在，从而导致在换相后的短时间内，悬空相端电压处于母线电压VCC或者母线电压负端GND，如果此信号被单片机检测到，会认为是正确的过零信号，导致误操作。此处虽然可以通过延时躲避的方式处理，但不能实现实时监控，导致误差，而本发明实施例通过设定一定的区间(15％-80％)来避开续流导致的错误电压信号，实现了实时监控。

实施例十

本发明实施例提供了一种无刷电机控制方法，如图8所示，该方法包括以下步骤：

S801、通过PWM信号对母线电压进行调节得到可变直流电压给逆变电路供电，PMW信号由电机实际转速与预设转速的差值产生；

S802、当接收逆变电路电压后，电机就会根据微处理单元的切换信号产生运动；

S803、根据电机运动生成反电势信号；

S804、采集反电势信号；

S805、判断反电势信号是否处于预设区间；

S806、当判断结果为是时，接收反电势信号。

本发明实施例中，根据反电势信号计算出反馈的实际转速，实际转速与设定转速的差值经过算法运算后产生不同的PWM信号，也相应地决定了PWM信号的占空比，通过PWM信号对母线电压进行调节得到可变直流电压给逆变电路供电，电机根据逆变电路母线电压产生运动而产生反电势信号，再进一步判断采集到的反电势信号是否处于预设区间，接收处于该预设区间的信号，实现了反电势信号的采集与反馈。

在本发明中，通过在电路中设置有开关电路，实现对逆变器母线电压进行调节，因此在电机运行过程中逆变电路的MOS管不需要PWM斩波，可以一直接通，实现的变压，通过采集逆变电路为电机供电后电机运动所产生的反电势信号，解析出电机转子位置，无采集时刻的限制，同时无需采用精度要求很高的位置传感器和高占空比来实现电机控制。单片机生成的PWM信号控制串接在母线中的开关管，PWM信号占空比越大，开关管在一个固定周期内导通的时间越长，开关管后经过电感、电容滤波后的电压越大。反之，PWM信号占空比越小，开关管在一个固定周期内开通的时间越短，经过滤波后的电压越小。开关电路通过单片机接收电机相线反电动势。通过设置放大电路将小电流放大，放大后的电流流入单片机进行恒功率算法、恒电流算法、过载的处理。通过增设放大电路，避免了电流信号经过采样电阻后的信号过小，分辨率低，误差大的问题。本发明提供的无刷电机控制设备，能通过无刷电机无位置控制电路实现无位置控制，无需采用位置传感器进行位置采样，且对占空比无要求。本发明提供的方法中，通过PWM信号实时改变逆变电路获得的母线电压，此母线电压通过逆变电路注入到电机内为其运行供电，电机的转速依靠通过逆变电路获得的母线电压而改变，逆变电路的开关管在任何时刻都是常开的，不存在PWM斩波，这样电机端电压的信号没有PWM斩波的干扰，反电势信号也是纯净的，不存在上下抖动，在这种情况下，反电势信号稳定可靠。通过进一步限定判断结果为否时，不允许接收该反电势信号，能实现根据不同判断结果不同信号处理。通过设定一定的区间(15％-80％)限定所处理信号的的电压数值，来避开续流导致的错误电压信号，实现了实时监控。根据反电势信号计算出反馈的实际转速，实际转速与设定转速的差值经过算法运算后产生不同的PWM信号，也相应地决定了PWM信号的占空比，通过PWM信号对母线电压进行调节得到可变直流电压给逆变电路供电，电机根据逆变电路母线电压运动而产生反电势信号，再进一步判断采集到的反电势信号是否处于预设区间，接收处于该预设区间的信号，实现了反电势信号的采集与反馈。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无刷电机无位置控制电路，其特征在于，所述电路包括：

接通或者断开电源的开关电路；

连接所述开关电路与电机的逆变电路；

采集所述电机的相线反电动势的信号采集电路。

2.如权利要求1所述的无刷电机无位置控制电路，其特征在于，所述开关电路包括：

发送PWM信号的单片机；

与所述单片机连接，生成大功率驱动信号的驱动模块；

响应所述驱动模块的开关管；

所述开关管一端与电源连接，另一端与所述逆变电路连接。

3.如权利要求1所述的无刷电机无位置控制电路，其特征在于，所述逆变电路包括：

与所述开关电路连接，生成大功率驱动信号的驱动模块；以及

响应所述驱动模块的开关管。

所述开关管一端与所述开关电路连接，另一端与所述电机连接。

4.如权利要求1所述的无刷电机无位置控制电路，其特征在于，所述信号采集电路的一端连接有微控制单元，所述微控制单元用于接收所述信号采集电路采集的信号。

5.如权利要求4所述的无刷电机无位置控制电路，其特征在于，所述逆变电路与所述微控制单元之间还设置有放大电路。

6.一种无刷电机控制设备，其特征在于，包括权利要求1至5中任一项所述的无刷电机无位置控制电路。

7.一种无刷电机控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

通过PWM信号对母线电压进行调节得到可变直流电压给逆变电路供电，所述PMW信号由电机实际转速与预设转速的差值经过算法控制后产生；

采集所述逆变电路电压驱动电机运动产生的反电势信号；

判断所述反电势信号是否处于预设区间；

当判断结果为是时，接收所述反电势信号。

8.如权利要求7所述的无刷电机控制方法，其特征在于，在所述判断反电势信号是否处于预设区间之后，所述方法还包括：

当判断结果为否时，不允许接收所述反电势信号。

9.如权利要求7所述的无刷电机控制方法，其特征在于，所述判断所述反电势信号是否处于预设区间的步骤，具体包括：

判断所述反电势信号电压数值是否在电源数值的15％-80％的范围内；

若所述信号电压数值在此范围内，则处理所述反电势信号。

10.如权利要求7所述的无刷电机控制方法，其特征在于，所述采集逆变电路电压驱动电机运动产生的反电势信号的步骤，具体包括：

当接收逆变电路电压后，电机就会根据微处理单元的切换信号产生运动；

根据所述电机运动生成反电势信号；

采集所述反电势信号。