CN109713953A - 单相bldc电机无位置驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种单相BLDC电机无位置驱动装置，包括第一电源模块、第二电源模块、控制器、预驱动模块、逆变电路、电流检测模块和反电动势检测模块，电流检测模块和反电动势检测模块分别检测BLDC电机的电流信号和反电动势信号，控制器根据电流信号和反电动势信号分别进行矢量计算确定BLDC电机的目标转子位置和实时转子位置，并将两个转子位置进行校对，并确定出正确的转子位置，从而输出对应的驱动信号至预驱动模块，预驱动模块将驱动信号转换为驱动逆变电路的高压驱动信号，以驱动BLDC电机工作，通过电流信号和反电动势信号共同确定转子位置，从而提高在无位置传感器时对BLDC电机的状态检测和控制的可靠性。

Description

单相BLDC电机无位置驱动装置

技术领域

本发明涉及BLDC电机技术领域，特别涉及一种单相BLDC电机无位置驱动装置。

背景技术

目前单相BLDC电机控制领域普遍采用的是有感运行方案，但是在BLDC电机上安装位置传感器会限制其应用范围，首先引入位置传感器将会增加BLDC电机的成本与体积；其次位置传感器存在磁不敏感区而且传统的霍尔传感器在高转速下会存在感应延迟，容易引起BLDC电机性能的降低；再次位置传感器在恶劣环境下存在不可靠性。此外位置传感器需要精确安装，大大增加生产的工艺难度。

因此，在BLDC电机控制领域，无位置传感器的控制方式是现有的主流研究方法，而由于有位置传感器控制可以靠霍尔传感器来检测BLDC电机运行的转速，而无位置控制方式是没有霍尔传感器的，故其对BLDC电机的运行状态监测与控制均为迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种单相BLDC电机无位置驱动装置，旨在提高在无位置传感器时对BLDC电机的状态检测和控制的可靠性。

为实现上述目的，本发明提出单相BLDC电机无位置驱动装置包括第一电源模块、第二电源模块、控制器、预驱动模块、逆变电路、电流检测模块和反电动势检测模块；

所述第一电源模块的电源端分别与所述控制器的电源输入端及所述预驱动模块的电源输入端连接，所述第二电源模块的电源端与所述逆变电路的电源输入端连接，所述逆变电路的电源输出端与所述BLDC电机的电源端连接，所述控制器和所述BLDC电机之间设有电流检测模块和反电动势检测模块，所述预驱动模块的受控端与所述控制器连接，所述预驱动模块的信号端与所述逆变电路的受控端连接；

所述第一电源模块，用于为所述控制器和所述预驱动模块提供第一直流电源；

所述第二电源模块，用于为所述逆变电路提供第二直流电源；

所述反电动势检测模块，用于对所述BLDC电机上产生的反电动势信号进行采集，并将反电动势信号输出至所述控制器；

所述电流检测模块，用于对流经所述BLDC电机上的电流进行采集，并将电流信号发送至控制器；

所述控制器，用于根据所述电流信号确定所述BLDC电机的目标转子位置，以及根据所述反电动势信号确定所述BLDC电机的转速，以及根据所述转速确定所述BLDC电机的实时转子位置，并将所述实时转子位置和所述目标转子位置进行校对以确定所述BLDC电机正确的转子位置，根据所述BLDC电机正确的转子位置输出驱动信号至所述预驱动模块；

所述预驱动模块，用于将所述驱动信号转换为驱动所述逆变电路的高压驱动信号，以驱动所述BLDC电机工作。

优选地，所述单相BLDC电机无位置驱动装置还包括整流滤波模块和电压转换模块，所述整流滤波模块的电源输入端接入交流电源，所述整流滤波模块的电源输出端与所述电压转换模块的电源输入端连接，所述电压转换模块的电源输出端用于输出所述第一直流电源和所述第二直流电源；

所述整流滤波模块，用于将所述交流电源进行整流滤波，并输出第三直流电源至所述电压转换模块；

所述电压转换模块，用于将所述第三直流电源降压转换并分别输出所述所述第一直流电源和所述第二直流电源。

优选地，所述反电动势检测电路包括信号放大电路和电压比较电路，所述信号放大电路的信号输入端与所述BLDC电机的电源端连接，所述信号放大电路的信号输出端与所述电压比较电路的信号输入端连接，所述电压比较电路的信号输出端与所述控制器的信号端对应连接；

所述信号放大电路，用于将所述BLDC电机的电源端的电压信号进行信号放大；

所述电压比较电路，用于将所述放大后的电压信号并输出反电动势信号至所述控制器。

优选地，所述信号放大电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第一比较器；

所述第一电阻的第一端和所述第二电阻的第一端分别与所述BLDC电机的电源端对应连接，所述第一电阻的第二端、所述第一比较器的反相输入端及所述第三电阻的第一端互连，所述第二电阻的第二端、所述第四电阻的第一端及所述第一比较器的正相输入端互连，所述第三电阻的第二端及所述第一比较器的输出端连接，所述第四电阻的第二端接地。

优选地，所述电压比较电路包括第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第一电容、第二比较器、第一工作电压输出端；

所述第五电阻的第一端、所述第一电容的第一端及所述第六电阻的第一端互连，所述第一电容的第二端接地，所述第六电阻的第二端与所述第二比较器的反相输入端连接，所述第七电阻的第一端与所述第二比较器的正相输入端连接，所述第七电阻的第二端接地，所述第二比较器的输出端、所述第八电阻的第一端及所述第九电阻的第一端互连，所述第八电阻的第二端与所述第一工作电压输入端，所述第九电阻的第二端为所述电压比较电路的信号输出端。

优选地，所述逆变电路为H桥逆变电路，所述H桥逆变电路包括四个对称设置的开关管。

优选地，所述控制器包括微处理器和电机矢量控制算法模块；

所述微处理器，与所述电机矢量控制算法模块通过数据总线连接，用于对电机矢量控制算法模块的参数配置和电机控制；

所述电机矢量控制算法模块，用于将所述反电动势信号和所述电流信号矢量计算后传输至所述微处理器，以及输出驱动信号至预驱动模块。

本发明技术方案通过采用第一电源模块、第二电源模块、控制器、预驱动模块、逆变电路、电流检测模块和反电动势检测模块组成了单相BLDC电机无位置驱动装置，单相BLDC电机无位置驱动装置用于驱动单相BLDC电机，电流检测模块和反电动势检测模块分别检测BLDC电机的电流信号和反电动势信号，控制器根据电流信号和反电动势信号分别进行矢量计算确定BLDC电机的目标转子位置和实时转子位置，并将两个转子位置进行校对，并确定出正确的转子位置，从而输出对应的驱动信号至预驱动模块，预驱动模块将驱动信号转换为驱动逆变电路的高压驱动信号，以驱动BLDC电机工作，通过电流信号和反电动势信号共同确定转子位置，从而提高在无位置传感器时对BLDC电机的状态检测和控制的可靠性。

附图说明

为了更清楚地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地介绍，显而易见地，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的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明单相BLDC电机无位置驱动装置一实施例的模块示意图

图2为本发明单相BLDC电机无位置驱动装置一实施例中反电动势检测电路的模块示意图；

图3为本发明单相BLDC电机无位置驱动装置一实施例中反电动势检测电路的电路结构示意图；

图4为本发明单相BLDC电机无位置驱动装置另一实施例的模块示意图；

图5为本发明单相BLDC电机无位置驱动装置一实施例中微处理器的结构示意图。

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、完整地描述，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作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，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地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义为：包括三个并列的方案，以“A/B”为例，包括A方案，或B方案，或A和B同时满足的方案，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。

本发明提出一种单相BLDC电机无位置驱动装置100。

如图1所示，图1为本发明单相BLDC电机无位置驱动装置一实施例的模块示意图，本实施例中，单相BLDC电机无位置驱动装置100包括第一电源模块10、第二电源模块20、控制器30、预驱动模块40、逆变电路50、电流检测电路60和反电动势检测模块70；

第一电源模块10的电源端分别与控制器30的电源输入端及预驱动模块40的电源输入端连接，第二电源模块20的电源端与逆变电路50的电源输入端连接，逆变电路50的电源输出端与BLDC电机200的电源端连接，控制器30和BLDC电机200之间设有电流检测电路60和反电动势检测模块70，预驱动模块40的受控端与控制器30连接，预驱动模块40的信号端与逆变电路50的受控端连接；

第一电源模块10，用于为控制器30和预驱动模块40提供第一直流电源；

第二电源模块20，用于为逆变电路50提供第二直流电源；

反电动势检测模块70，用于对BLDC电机200上产生的反电动势信号进行采集，并将反电动势信号输出至控制器30；

电流检测电路60，用于对流经BLDC电机200上的电流进行采集，并将电流信号发送至控制器30；

控制器30，用于根据电流信号确定BLDC电机200的目标转子位置，以及根据反电动势信号确定BLDC电机200的转速，以及根据转速确定BLDC电机200的实时转子位置，并将实时转子位置和目标转子位置进行校对以确定BLDC电机200正确的转子位置，根据BLDC电机200正确的转子位置输出驱动信号至预驱动模块40；

预驱动模块40，用于将驱动信号转换为驱动逆变电路50的高压驱动信号，以驱动BLDC电机200工作。

本实施例中，电流检测电路60设置于BLDC电机200与功率电路模块之间，其用于对于通过BLDC电机200上的电流进行采集，得到电流信号，并将该电流信号发送至控制器30中，电流检测电路60可通过采样电阻电流信号，在采集到BLDC电机200运行电流后根据单相BLDC电机200定子相电压方程可得：

其中ψ为BLDC电机200相绕组磁链函数，由此可换算得到：

在本装置中，只需要知道0-t内相电压、相电流和初始磁链值Ψ(0），即可得到每一时刻所对应的实际磁链Ψ(t)，磁链的实际大小可以通过以下公式得到：

其中B(θ)为转子径向气息磁密分布，其函数关系于BLDC电机200完成后就已经固定。S为绕组面积，N为绕组匝数。由此可以得到绕组磁链与相电流、转子位置的关系:

ψ＝ψ(θ,U，i)

0＝0(Ψ，i)

由此可以得到不同的转子位置可以得到不同的磁链-电流曲线，通过这个关系可以建立一个电流、磁链、位置的关系表，这样在BLDC电机200运行时可以通过这个关系表快速的得到BLDC电机200的位置。

反电动势检测模块70与控制器30相连接，反电动势检测模块70用于对BLDC电机200上所产生的反电动势信号进行采集，并将其反电动势信号发送至控制器30；反电动势检测模块70是指将BLDC电机200输入输出端电压经过分压、放大等转换输出反电动势信号至控制器30，该信号的数值与控制器30设定的DA值作比较，通过控制器30来读出其电平状态来检测反电动势过零。

由于电流检测电路60检测结果会有一定的干扰，所以本装置通过反电动势来校正通过电流换算得到的转子位置，其处理方式为，当电流换算回的角度与反电动势值获取的角度的误差超过一定值时取两者中间值为BLDC电机200的转子角度，否则，将以通过电流计算得到的转子角度为运行的角度标准，从而快速准确的获取BLDC电机200的正确转子位置，保证了驱动时序的正确，保障了BLDC电机200启动运行方向的正确，为BLDC电机200的快速启动提供保证。

第一电源模块10和第二电源模块20可为独立的电源模块，如电池，还可通过电源转换模块与市电连接并获取第一直流电源和第二直流电源，根据不同的BLDC电机200结构和控制器30类型，第一直流电源和第二直流电源的大小可相等或不等，在此不做限制。

逆变电路50为H桥逆变电路50，H桥逆变电路50包括四个对称设置的开关管，逆变电路50内部的开关管通过接收预驱动电路输出的多路高压驱动信号进行对应导通和关断，进而输出对应的驱动电流驱动BLDC电机200工作。

控制器30可采用具有高性能具备计算功能的微处理器31，或者采用性能低不擅长做运算的微处理器31，例如8位微处理器30并搭配可完成矢量控制算法的电机矢量控制算法模块32，电机矢量控制算法模块32实现矢量计算以及信号转换，微处理器30实现控制功能，具体情况可根据实际进行选择，在此不做具体限制。

本发明技术方案通过采用第一电源模块10、第二电源模块20、控制器30、预驱动模块40、逆变电路50、电流检测电路60和反电动势检测模块70组成了单相BLDC电机无位置驱动装置100，单相BLDC电机无位置驱动装置100用于驱动单相BLDC电机，电流检测电路60和反电动势检测模块70分别检测BLDC电机的电流信号和反电动势信号，控制器30根据电流信号和反电动势信号分别进行矢量计算确定BLDC电机的目标转子位置和实时转子位置，并将两个转子位置进行校对，并确定出正确的转子位置，从而输出对应的驱动信号至预驱动模块40，预驱动模块40将驱动信号转换为驱动逆变电路50的高压驱动信号，以驱动BLDC电机工作，通过电流信号和反电动势信号共同确定转子位置，从而提高在无位置传感器时对BLDC电机的状态检测和控制的可靠性。

在一可选实施例中，单相BLDC电机无位置驱动装置还包括整流滤波模块和电压转换模块，整流滤波模块的电源输入端接入交流电源，整流滤波模块的电源输出端与电压转换模块的电源输入端连接，电压转换模块的电源输出端用于输出第一直流电源和第二直流电源；

整流滤波模块，用于将交流电源进行整流滤波，并输出第三直流电源至电压转换模块；

电压转换模块，用于将第三直流电源降压转换并分别输出第一直流电源和第二直流电源。

本实施例中，单相BLDC电机无位置驱动装置100的电源端直接接入交流电源，交流电源经整流滤波模块整流滤波，并经电压转换模块进行转换分别输出第一直流电源和第二直流电源。

整流滤波模块可选择整流桥以及滤波电容，电源转换模块可选择一个稳压器搭配分压电阻，或者选择两个稳压器，具体可根据实际情况进行选择。

如图2所示，图2为本发明单相BLDC电机无位置驱动装置一实施例中反电动势检测电路的模块示意图，本实施例中，反电动势检测电路包括信号放大电路71和电压比较电路72，信号放大电路71的信号输入端与电机的电源端连接，信号放大电路71的信号输出端与电压比较电路72的信号输入端连接，电压比较电路72的信号输出端与控制器30的信号端对应连接；

信号放大电路71，用于将BLDC电机的电源端的电压信号进行信号放大；

电压比较电路72，用于将放大后的电压信号并输出反电动势信号至控制器30。

为了避免反电势采集受到干扰，通过信号放大电路71和电压比较电路72对反电动势进行信号处理，通过信号放大电路71放大过零信号，电压比较电路72实时检测过零信号可以保证在低速时信号的稳定正确，减小了由于转速过低时电流过大反电动势过小位置处理出现错误信号的概率，从而为快速启动提供保证。

如图3所示，图3为本发明单相BLDC电机无位置驱动装置一实施例中反电动势检测电路的电路结构示意图，信号放大电路71包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和第一比较器D1；

第一电阻R1的第一端和第二电阻R2的第一端分别与BLDC电机的电源端对应连接，第一电阻R1的第二端、第一比较器D1的反相输入端及第三电阻R3的第一端互连，第二电阻R2的第二端、第四电阻R4的第一端及第一比较器D1的正相输入端互连，第三电阻R3的第二端及第一比较器D1的输出端连接，第四电阻R4的第二端接地。

本实施例中，第一电阻R1的第一端和第二电阻R2的第一端分别与BLDC电机200的电源端连接，用于限流，第一比较器D1和第三电阻R3构成信号放大模块，对反电动势信号进行放大。

在一可选实施例中，电压比较电路72包括第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第一电容C1、第二比较器D2、第一工作电压输出端；

第五电阻R5的第一端、第一电容C1的第一端及第六电阻R6的第一端互连，第一电容C1的第二端接地，第六电阻R6的第二端与第二比较器D2的反相输入端连接，第七电阻R7的第一端与第二比较器D2的正相输入端连接，第七电阻R7的第二端接地，第二比较器D2的输出端、第八电阻R8的第一端及第九电阻R9的第一端互连，第八电阻R8的第二端与第一工作电压输入端，第九电阻R9的第二端为电压比较电路72的信号输出端。

本实施例中，第二比较器D2的正相输入端经第七电阻R7接地，第二比较器D2反相输入端输入放大后的反电动势信号，并与正相输入端的电压进行比较，从而输出高低电平信号至控制器30，控制器30根据高低电平信号的上升沿和下降沿确定反电动势的过零点。

如图4所示，图4为本发明单相BLDC电机无位置驱动装置另一实施例的模块示意图，控制器30包括微处理器31和电机矢量控制算法模块32；

微处理器30，与电机矢量控制算法模块32通过数据总线连接，用于对电机矢量控制算法模块32的参数配置和BLDC电机200控制；

电机矢量控制算法模块32，用于将反电动势信号和电流信号矢量计算后传输至微处理器30，以及输出驱动信号至预驱动模块40。

本实施例中，微处理器31只起到控制功能，可采用8位微处理器30，面积小，成本低，运算功能由电机矢量控制算法模块32完成，电机矢量控制算法模块32完成最基本的矢量控制算法，微处理器31用于完成电机矢量控制算法模块32以外的附加BLDC电机200控制功能。

如图5所示，图5为本发明单相BLDC电机无位置驱动装置一实施例中微处理器31的结构示意图，控制器30包括处理器CPU、数据存储器、指令存储器、普通定时器模块、通讯模块、硬件乘除法单元和输入输出端口；处理器CPU通过数据总线分别与通讯模块、数据存储器、通讯模块、硬件乘除法单元、普通定时器、输入输出端口连接，处理器CPU通过指令总线连接指令存储器。

控制器30还包括电机专用定时器，PI控制器30模块，低通滤波器模块，处理器CPU通过数据总线分别连接电机专用定时器，PI控制器30模块，低通滤波器模块。

以上所述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，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种单相BLDC电机无位置驱动装置，其特征在于，包括第一电源模块、第二电源模块、控制器、预驱动模块、逆变电路、电流检测模块和反电动势检测模块；

所述第一电源模块的电源端分别与所述控制器的电源输入端及所述预驱动模块的电源输入端连接，所述第二电源模块的电源端与所述逆变电路的电源输入端连接，所述逆变电路的电源输出端与所述BLDC电机的电源端连接，所述控制器和所述BLDC电机之间设有电流检测模块和反电动势检测模块，所述预驱动模块的受控端与所述控制器连接，所述预驱动模块的信号端与所述逆变电路的受控端连接；

所述第一电源模块，用于为所述控制器和所述预驱动模块提供第一直流电源；

所述第二电源模块，用于为所述逆变电路提供第二直流电源；

所述反电动势检测模块，用于对所述BLDC电机上产生的反电动势信号进行采集，并将反电动势信号输出至所述控制器；

所述电流检测模块，用于对流经所述BLDC电机上的电流进行采集，并将电流信号发送至控制器；

所述控制器，用于根据所述电流信号确定所述BLDC电机的目标转子位置，以及根据所述反电动势信号确定所述BLDC电机的转速，以及根据所述转速确定所述BLDC电机的实时转子位置，并将所述实时转子位置和所述目标转子位置进行校对以确定所述BLDC电机正确的转子位置，根据所述BLDC电机正确的转子位置输出驱动信号至所述预驱动模块；

所述预驱动模块，用于将所述驱动信号转换为驱动所述逆变电路的高压驱动信号，以驱动所述BLDC电机工作。

2.如权利要求1所述的单相BLDC电机无位置驱动装置，其特征在于，所述单相BLDC电机无位置驱动装置还包括整流滤波模块和电压转换模块，所述整流滤波模块的电源输入端接入交流电源，所述整流滤波模块的电源输出端与所述电压转换模块的电源输入端连接，所述电压转换模块的电源输出端用于输出所述第一直流电源和所述第二直流电源；

所述整流滤波模块，用于将所述交流电源进行整流滤波，并输出第三直流电源至所述电压转换模块；

所述电压转换模块，用于将所述第三直流电源降压转换并分别输出所述所述第一直流电源和所述第二直流电源。

3.如权利要求1所述的单相BLDC电机无位置驱动装置，其特征在于，所述反电动势检测电路包括信号放大电路和电压比较电路，所述信号放大电路的信号输入端与所述BLDC电机的电源端连接，所述信号放大电路的信号输出端与所述电压比较电路的信号输入端连接，所述电压比较电路的信号输出端与所述控制器的信号端对应连接；

所述信号放大电路，用于将所述BLDC电机的电源端的电压信号进行信号放大；

所述电压比较电路，用于将所述放大后的电压信号并输出反电动势信号至所述控制器。

4.如权利要求3所述的单相BLDC电机无位置驱动装置，其特征在于，所述信号放大电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第一比较器；

所述第一电阻的第一端和所述第二电阻的第一端分别与所述BLDC电机的电源端对应连接，所述第一电阻的第二端、所述第一比较器的反相输入端及所述第三电阻的第一端互连，所述第二电阻的第二端、所述第四电阻的第一端及所述第一比较器的正相输入端互连，所述第三电阻的第二端及所述第一比较器的输出端连接，所述第四电阻的第二端接地。

5.如权利要求3所述的单相BLDC电机无位置驱动装置，其特征在于，所述电压比较电路包括第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第一电容、第二比较器、第一工作电压输出端；

所述第五电阻的第一端、所述第一电容的第一端及所述第六电阻的第一端互连，所述第一电容的第二端接地，所述第六电阻的第二端与所述第二比较器的反相输入端连接，所述第七电阻的第一端与所述第二比较器的正相输入端连接，所述第七电阻的第二端接地，所述第二比较器的输出端、所述第八电阻的第一端及所述第九电阻的第一端互连，所述第八电阻的第二端与所述第一工作电压输入端，所述第九电阻的第二端为所述电压比较电路的信号输出端。

6.如权利要求1所述的单相BLDC电机无位置驱动装置，其特征在于，所述逆变电路为H桥逆变电路，所述H桥逆变电路包括四个对称设置的开关管。

7.如权利要求1所述的单相BLDC电机无位置驱动装置，其特征在于，所述控制器包括微处理器和电机矢量控制算法模块；

所述微处理器，与所述电机矢量控制算法模块通过数据总线连接，用于对电机矢量控制算法模块的参数配置和电机控制；

所述电机矢量控制算法模块，用于将所述反电动势信号和所述电流信号矢量计算后传输至所述微处理器，以及输出驱动信号至预驱动模块。