CN109921696A - 一种永磁无刷直流电机的过零点换向器及控制方法 - Google Patents
一种永磁无刷直流电机的过零点换向器及控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种永磁无刷直流电机的过零点换向器，包括依次电性连接的反电动势检测模块、控制模块、功率驱动模块；所述反电动势检测模块用于获取永磁无刷直流电机的定子电压信息以检测反电动势过零信号；所述控制模块用于根据所述反电动势过零信号确定最佳换向点，并输出PWM控制信号至功率驱动模块；所述功率驱动模块用于根据所述PWM控制信号来控制永磁无刷直流电机换向。本发明采用模块化设计，结构简单，独立封装，可直接安装应用于电机控制。采用无传感器控制方式，电机能量转换效率高，环境适应性强，增加可靠性，且成本更低。
Description
技术领域
本发明涉及永磁无刷直流电机，特别是一种永磁无刷直流电机的过零点换向器及控制方法。
背景技术
电机控制是对电机的启动、加速、运转、减速及停止进行的控制。根据不同电机的类型及电机的使用场合有不同的要求及目的。
无刷直流电机的电机本体类似于永磁同步电机结构，其定子是电枢，转子是永磁体，稀土永磁材料的使用，大大减小了无刷直流电机的重量、简化了结构、提高了性能，相比普通直流电机，它去掉了由换向器和电刷组成的机械接触结构，采用电子开关换向装置，使其可靠性得以提高。当无刷直流电机定子绕组的某一相通以电流时，该电流产生的磁场与转子永久磁钢产生的磁场相互作用产生转矩，驱动转子旋转。驱动电路中的功率开关器件的导通次序产生的磁场是与转子转角同步的，从而起到了机械换向器的换向作用。永磁无刷直流电机的运行需要检测转子位置信号来实现换相。
在传统的电机控制系统中，位置信号通常采用安装在转子轴上的传感器，如光电编码器、磁编码器、旋转变压器和测速发电机等来进行位置检测。然而传感器在高速电机驱动系统中还存在如下诸多问题：
①由于高速电机的转子速度高，可达数十万转每分钟，高转速下转子位置传感器的检测精度会降低；
②传感器本身和信号处理电路会增加系统的体积和成本，从而降低系统的可靠性；
③髙速电机要求转子尽量短以保证转子具有足够的机械强度和刚度以提高其共振频率，因此安装位置传感器会增加转子设计的难度。
转子位置是控制无刷直流电机所需的重要信号，目前的永磁无刷直流电机一般采用开关型霍尔传感器检测转子位置，根据转子位置进行换向。
通常霍尔传感器有两种安装方法：一种是直接安装在定子槽(或齿)中；另一种是单独安装在电机的非驱动端，并在轴上装有独立磁环，霍尔位置传感器的安装精度对永磁电机的运行性能影响很大。
直接安装霍尔传感器具有安装简便的优点，但是完全不能调整换向点触发点提前或者延迟；因此，电机全部参数设计必须很准确，否则有可能达不到额定转速或额定功率。单独安装霍尔传感器，需要将霍尔传感器按照电角度为120°进行分布，一般做成环形印制电路板，需要独立的磁环，磁环不仅应当与电机转子具有相同的磁极数，而且从原理上说，磁环上的磁极分布与无刷直流电机转子的磁极分布也应当相同，但由于充磁工艺的限制，磁环的磁极分布与电机转子的磁极分布实际存在误差，这在一定程度上，影响了永磁无刷直流电机的性能的进一步提高。另外，对于单独安装的霍尔传感器，是通过旋转调整霍尔传感器印刷电路板，来微调电机换向触发点，这样的调整只能在电机装配的过程中进行；一旦完成，在运行当中，换向触发点是无法改变的，这直接限制了无刷直流电机的调速范围。而在如空调压缩机中，由于制冷剂的强腐蚀性，常规的位置传感器甚至很难正常工作，因此，研究一种可靠的，低成本的无位置传感器的控制方法成为必要。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种无需安装霍尔传感器的永磁无刷直流电机的过零点换向器及控制方法。
本发明采用的技术方案是：
一种永磁无刷直流电机的过零点换向器，包括依次电性连接的反电动势检测模块、控制模块、功率驱动模块；
所述反电动势检测模块用于获取永磁无刷直流电机的定子电压信息以检测反电动势过零信号；
所述控制模块用于根据所述反电动势过零信号确定最佳换向点，并输出PWM控制信号至功率驱动模块；
所述功率驱动模块用于根据所述PWM控制信号来控制永磁无刷直流电机换向。
进一步，所述最佳换向点为检测到反电动势过零信号之后延时30度角。
进一步，所述反电动势检测模块包括依次连接的分压滤波电路、运算电路、电压比较器，所述分压滤波电路用于对端电压进行分压以减小电压幅值，所述运算电路通过相线上三个阻值大小相等的大电阻组成的星型网络的中点N，模拟直流电机中点电势值，加到电压比较器的同相输入端，根据节点电压法N点的电压等于三路电压之和的1/3；所述电压比较器用于将模拟变化量转化为数字量，相线上产生的反向电动势电压以虚拟地为参考点，做正负周期性的变化，电压比较器输出状态翻转时代表检测到过零点，得到反电动势过零点信号Sa，Sb，Sc。
其中，所述功率驱动模块包括由6个功率场效应管构成三相逆变桥电路。
进一步，所述功率驱动模块还包括自举升压电路，该自举升压电路用于为所述功率场效应管的栅极提供使其导通的驱动电压。
本发明还包括与上述过零点换向器同一发明构思的过零点换向控制方法，包括以下步骤：(A)采集永磁无刷直流电机的定子电压信息以检测反电动势过零信号；(B)根据所述反电动势过零信号确定最佳换向点，并输出PWM控制信号至功率驱动模块；(C)根据所述PWM控制信号来控制永磁无刷直流电机换向。
进一步，所述最佳换向点为检测到反电动势过零信号之后延时30度角。
本发明的有益效果：1、本发明采用模块化设计，结构简单，独立封装，可直接安装应用于电机控制。2、采用无传感器控制方式，电机能量转换效率高，环境适应性强，增加可靠性，且成本更低。3、易于维护、质量小、体积小、更易于控制转速和具有更高的寿命。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。
图1是过零点换向器的结构示意图；
图2是反电动势检测模块的结构示意图；
图3是功率驱动模块的结构示意图；
图4是AB相通电期间线圈AA'的等效电路图；
图5是AB相通电期间线圈BB'的等效电路图；
图6是AB相通电开始时CC'产生的感生电动势图；
图7是AB相通电结束时CC'产生的感生电动势图。
具体实施方式
如图1所示，为本发明的一种永磁无刷直流电机的过零点换向器，包括依次电性连接的反电动势检测模块、控制模块、功率驱动模块；其中，所述反电动势检测模块用于获取永磁无刷直流电机的定子电压信息以检测反电动势过零信号；
所述控制模块用于根据所述反电动势过零信号确定最佳换向点，并输出PWM控制信号至功率驱动模块；
具体的，控制模块以Stm32单片机作为核心，采用片内AD直接采样电机三相端电压，经过反电动势检测模块中比较器得到的信号，判断悬浮相反向电动势过零点。再延时30度角即为最佳换向点，然后发出PWM控制信号至功率驱动模块，通过调节各个场效应管的导通或截止，来控制电机进行换相并按一定方向旋转。
所述功率驱动模块用于根据所述PWM控制信号来控制永磁无刷直流电机换向。
至于说最佳换向点为检测到反电动势过零信号之后延时30度角，那是因为在理想状态下电机绕组反电势过零信号点超前电机换相点30°电角度。
如图2所示，本技术方案的反电动势检测模块包括依次连接的分压滤波电路、运算电路、电压比较器，所述分压滤波电路用于对端电压进行分压以减小电压幅值，所述反电动势检测模块包括依次连接的分压滤波电路、运算电路、电压比较器，所述分压滤波电路用于对端电压进行分压以减小电压幅值，所述运算电路通过相线上三个阻值大小相等的大电阻组成的星型网络的中点N，模拟直流电机中点电势值，加到电压比较器的同相输入端，根据节点电压法N点的电压等于三路电压之和的1/3；所述电压比较器用于将模拟变化量转化为数字量，相线上产生的反向电动势电压以虚拟地为参考点，做正负周期性的变化，电压比较器输出状态翻转时代表检测到过零点，得到反电动势过零点信号Sa，Sb，Sc。
如图3所示，本技术方案的功率驱动模块包括由6个功率场效应管构成三相逆变桥电路。这里电路因为采用了6个N型场效应管，无法直接导通T1，前面还配有自举升压电路，可为T1栅极提供足够的驱动电压，使其导通。控制模块驱动T1-T6的导通或截止，即可控制电机换向。每一瞬间只有两个功率管导通,每隔1/6周期(60°电角度)换向一次,每次换向一个功率管，每一个功率管导通120°电角度。
参照图4-图7所示，假设AB相开始通电，线圈CC'产生感生电动势，同时，AA',BB'也产生感生电动势，方向与外加12V电源相反，为“反向电动势”，由于中点电势值始终为6V，CC'线圈产生的电动势只能在以中点电动势的基础上叠加，仍然假设在额定电压下CC'会产生5.7V的感生电动势，那么此时C点的电压应为6+5.7＝11.7V，当AB相通电快结束时，C点的电压应为6-5.7＝0.3V，即可在AB相通电期间一直检测C线的电压，过零事件发生时，C线电压会从比较低的状态(0.3V)变为超过6V，此时电压比较器，会感知并输出一个上跳沿，就说明转子已转过了30度处于AB相通电开始到结束中间的位置，再延时30度即为最佳换相点。
本技术方案的换向原理如下，结合图3所示，T1到T6为场效应管，控制模块根据反电势过零检测确定换相方案后，单片机输出控制信号，通过内部驱动加载到功率MOSFET的栅极，驱动MOSFET的开关。在一个周期内输出6个相隔60度电角度的换相信号。当需要AB相导通时，只需打开T1，T4管，而使其他管保持截止，此时，电流的流经途径为：正极→T1→线圈A→绕组B→T4→负极。这样六种相位导通模式AB，AC，BC，BA，CA，CB，对应的场效应管打开顺序为：T1T4，T1T6，T3T6，T3T2，T5T2，T5T4。
本发明还包括与上述过零点换向器同一发明构思的过零点换向控制方法，包括以下步骤：(A)采集永磁无刷直流电机的定子电压信息以检测反电动势过零信号；(B)根据所述反电动势过零信号确定最佳换向点，并输出PWM控制信号至功率驱动模块；(C)根据所述PWM控制信号来控制永磁无刷直流电机换向。
以上所述仅为本发明的优先实施方式，本发明并不限定于上述实施方式，只要以基本相同手段实现本发明目的的技术方案都属于本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种永磁无刷直流电机的过零点换向器，其特征在于：包括依次电性连接的反电动势检测模块、控制模块、功率驱动模块；
所述反电动势检测模块用于获取永磁无刷直流电机的定子电压信息以检测反电动势过零信号；
所述控制模块用于根据所述反电动势过零信号确定最佳换向点，并输出PWM控制信号至功率驱动模块；
所述功率驱动模块用于根据所述PWM控制信号来控制永磁无刷直流电机换向。
2.根据权利要求1所述的一种永磁无刷直流电机的过零点换向器，其特征在于：所述最佳换向点为检测到反电动势过零信号之后延时30度角。
3.根据权利要求1或2所述的一种永磁无刷直流电机的过零点换向器，其特征在于：所述反电动势检测模块包括依次连接的分压滤波电路、运算电路、电压比较器，所述分压滤波电路用于对端电压进行分压以减小电压幅值，所述运算电路通过相线上三个阻值大小相等的大电阻组成的星型网络的中点N，模拟直流电机中点电势值，加到电压比较器的同相输入端，根据节点电压法N点的电压等于三路电压之和的1/3；所述电压比较器用于将模拟变化量转化为数字量，相线上产生的反向电动势电压以虚拟地为参考点，做正负周期性的变化，电压比较器输出状态翻转时代表检测到过零点，得到反电动势过零点信号Sa，Sb，Sc。
4.根据权利要求1或2所述的一种永磁无刷直流电机的过零点换向器，其特征在于：所述功率驱动模块包括由6个功率场效应管构成三相逆变桥电路。
5.根据权利要求4所述的一种永磁无刷直流电机的过零点换向器，其特征在于：所述功率驱动模块还包括自举升压电路，该自举升压电路用于为所述功率场效应管的栅极提供使其导通的驱动电压。
6.一种永磁无刷直流电机的过零点换向控制方法，其特征在于：包括以下步骤：(A)采集永磁无刷直流电机的定子电压信息以检测反电动势过零信号；(B)根据所述反电动势过零信号确定最佳换向点，并输出PWM控制信号至功率驱动模块；(C)根据所述PWM控制信号来控制永磁无刷直流电机换向。
7.根据权利要求6所述的一种永磁无刷直流电机的过零点换向控制方法，其特征在于：所述最佳换向点为检测到反电动势过零信号之后延时30度角。
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