CN110445428A - 一种无刷直流电机的换相控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无刷直流电机的换相控制方法，属于无刷电机技术领域，在直流无刷电机工作时，对所述直流无刷电机的不导通相的反电势进行过零点检测，所述过零点检测包括：设置全工作时段采样模块，在功率开关管导通状态采样时，采样单片机端口设置为低，实现电压读取；在开关管关闭时，采样接单片机端口设置为悬浮输入，直接实现电压读取。

Description

一种无刷直流电机的换相控制方法

技术领域

本发明涉及无刷直流电机技术领域，特别涉及一种无刷直流电机的换相控制方法。

背景技术

无刷直流电机（简称BLDCM）因为去除了换向器和电刷，不易产生摩擦火花、运行声音小、寿命长、速度高等原因，收到了越来越多的认可，在伺服领域、电机传动领域的应用愈发广泛。在实际使用中，BLDCM的驱动控制常通过采用霍尔传感器、编码器、旋转变压器等传感器来获取准确的转子位置，以根据转子位置切换相电流方向。但是因为传感器的要求必须准确、可靠，加之BLDCM的恶劣环境及传感器特殊时候的无磁感状况等，较多学者开始了无传感器BLDCM的驱动控制研究。无论是有传感器BLDCM还是无传感器BLDCM，换相时刻控制不当，往往会导致电机的损耗增加，导致电机产生噪音等；严重影响使用者的舒适度。

公开号为CN103684120A的中国专利提出了一种有感无刷直流电机驱动方法，该方法通过电机转速与门槛转速的比较来切换电机工作于有感还是无感状态，该方法作为一种避免驱动器故障变大的做法是值得肯定的，但是频繁切换于有感无感工作状态，而对于因为控制参数变化不及时导致的效率低下的问题实则是一种回避。另外反向电动势检测时，所有MOS管都处于关闭状态，对驱动器的效率是一种浪费，且如[0022]段所描述在低速运行时，系统无法完成对电机的反电动势过零检测。

公开号为CN105763109A的中国专利提出了一种直流无刷电机的换相控制方法、直流无刷电机控制系统，基于换相时间和过零时间的增加或减少操作，并比较两者大小，来判断换相点的方法。采用该方法，能释放控制器的算力，但是其所依据的过零点的初始值选取为过零时间计数的最大值，这一限定，对于速度的变化以及负载的变化带来的影响不能做到及时的参数调整与适应，不能提高驱动器的效率至最佳。

电机在工作状态下，如何克服电机使用过程中的传感器位移和性能的劣变以及负载和环境参数的影响，在算力有限的情况下，以何种状态为基准，除了停机，如何通过对控制参数的实时优化来改良对电机的驱动控制，提升控制效率，值得探究。

在有感模式下，无刷电机的三个霍尔传感器，空间上相差120度，电机的转子作为永磁体，在转动过程中，他的磁场随之转动，每个霍尔传感器会按规律持续输出180度高电平；在高电平上升沿、下降沿就是相应线圈的换相时刻；对于无感模式下，反电动势是正负皆有120度平台的梯形波，其过零点滞后30度就是该线圈的换相时刻，各相线圈依据各自信号实施换相。

发明内容

本发明提供了一种无刷直流电机的换相控制方法，其优点是优化了反电动势过零点的检测方法，提高了驱动板的工作效率。

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的，一种无刷直流电机的换相控制方法，在直流无刷电机工作时，对所述直流无刷电机的不导通相的反电势进行过零点检测，所述过零点检测包括：

设置全工作时段采样模块，在功率开关管导通状态采样时，采样单片机端口设置为低，实现电压读取；在开关管关闭时，采样接单片机端口设置为悬浮输入，直接实现电压读取。

本发明进一步设置为，还包括回复的基准点设立方法，所述回复的基准点设立方法包括以PWM固定和换相点固定为基准，在达到门限角速度ω₀之前，以霍尔传感器信号上升沿为换相时刻，且换相时间保留120度；超过门限角速度ω₀之后，设计反电动势过零点时刻即换相时刻，通过PWM固定和换相时刻固定，确立回复的基准点。

本发明进一步设置为，所述门限角速度ω₀的获取以PWM稳定、功率稳定、电机匀速运转、温升正常、无异常抖动、反电动势清晰可获取为判断依据。

本发明进一步设置为，当无刷直流电机出现异常时，对无刷直流电机进行参数修正，其步骤包括：

检测无刷电机角速度是否超过门限角速度ω₀，若是，反电动势过零点换相，；若否，霍尔传感器上升沿换相；

调整PWM是最近的点，根据换相时间差距信息表修改最佳换相滞后时间，延时并运行一圈；

重复以上步骤直至无刷直流电机匀速运行。

本发明进一步设置为，还包括构建所述换相时间差距信息表，其步骤包括：

在PWM取值固定模式下，以霍尔传感器信号上升或下降沿为换相时刻，且换相时间保留120度角度时间，记录每一个换相时刻、反向电动势过零点的时刻、当前角速度ω、功率P、温度、抖动幅度；

通过大数据拟合，以温度变化低、振动幅度小为佳得出尤其是在速度较低时的反向电动势过零点信号拟合表达式；

采用存储法，存储换相点信息。

本发明进一步设置为，所述PWM取值为30%或50%或80%或100%。

综上所述，本发明的有益效果有：

1．本发明优化了反电动势过零点的检测方法，使得驱动板中MOS管工作与否不影响状态的采集，提高了驱动板的工作效率；

2．在有感方式下，提取并校准推导无感模式下的相关反电动势的信号，用于无感模式下的驱动参数校准，构建相关参数表；

3．分别以功率、角速度、PWM为固定因子，选择换相时间点参考霍尔传感器上升沿以及反电动势多零点状态为基准点，构建了工作状态下，因负载变化、温升状态异常下的非停机方式回复到动态基准点的方法，并提供了依据参数表进行参数优化的方法，提高驱动板工作效率。

附图说明

图1是本发明实施例反电动势过零点采集原理图；

图2是本发明实施例反电动势过零点采集流程图；

图3是本发明实施例参数获取实施流程；

图4是本发明实施例工作异常状态下参数修正流程；

图5是本发明实施例某功率参数下的换相时间差距信息表图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

实施例：一种无刷直流电机的换相控制方法，参考图1-5，图1表示了反电动势过零点的采集原理，图中GND1为电源地；Hv代表的是母线电压，S1和S2模拟的是MOS管，闭合时为通，打开时为断；AO,BO,CO分别为线圈；D1为续流二极管；R1,R2和R3,R4构成分压电路；I/O接单片机的端口，可以调节状态至接地或者悬浮输入，Vref为参考电压，OP1为运放。

单片机的控制过程如图2所示,AB导通期间，采集电压时，I/O设置为推拉输出，设置为低；对信号，通过R3,R4的分压进行采样输入；S3的下端拨向左边，OP1的反相端采用R1,R2的分压进行比较，输出。

AB关闭期间，I/O设置为悬浮输入，不再进行电阻的分压；OP1通过R3获取O端的电压，S3的下端拨向右边，OP1的反相端采用参考电压Vref；为了提高系统检测的准确性，单片机内部设置的比较电压设置为一个固定阈值，如0.2V。

对于固定电机的参数信息表建表过程：

对于固定型号的电机；搭建测试平台，需要能同时随时记录电路的温度，抖动幅度等信息、霍尔传感器信号跳变时间点，反电动势过零点的时间点，为了提高分析能力，也同样保留了功率、电压、电流、各类时间间隔等信息；

对固定类型电机测试并建立大数据数据库，以PWM固定和换相点固定为基准，在达到门限速角速度ω0之前（门限角速度ω0值的获取以PWM稳定、功率稳定、电机匀速运转、温升正常、无异常抖动、反电动势清晰可获取为判断依据），以霍尔传感器信号上升沿为换相时刻，且换相时间保留120度；超过门限角速速ω0之后，设计反电动势过零点时刻即换相时刻，通过PWM固定和换相时刻固定，确立回复的基准点。

采用有感驱动加无感比对的方式，构建换相信息表。电机运行过程中，负载一致时，PWM一定，换相点精准固定，那么电机的运行状态必将趋于稳定，其角速度ω、功率P等也趋于一致；数据基准点的获取思路如下：在PWM取值4种状态（30%，50%，80%，100%）的固定模式下，以霍尔传感器信号上升或下降沿为换相时刻，且换相时间保留120度角度时间，记录每一个换相时刻、反向电动势过零点的时刻、当前角速度ω、功率P、温度、抖动幅度；通过大数据拟合，以温度变化低、振动幅度小为佳得出尤其是在速度较低时的反向电动势过零点信号拟合表达式；采用存储法，存储换相点信息；并以此实施无感模式驱动换相；直至电机运行到匀速状态；以其中达到匀速状态消耗能量最小；温升、抖动最小的路径数据为基准多次迭代，优化，完善数据；建立PWM、角速度ω两个数据为基准点情况下的相对反向电动势的最优滞后换相时间表（理论上相角度是30度，但是因为负载不同，及当前角速度的不同，为减轻压力，采用数据表存储的方式存储入电机驱动器）、换相时间轴。

建立某功率参数下的换相表如附图5所示。其中的提前时间依据基准点的相 关信息可正可负，其最后几行的角速度与提前的时间相同，表示依据达到了匀速 运转状态。

当电机匀速工作出现异常时，系统进行参数纠正，具体为：

假设PWM为45%，首先降低PWM至少5%，即30%的状态，然后获取当前的角速度ω（实际根据读表其值超过了门限速度ω0）,再次提升PWM至4种状态（30%，50%，80%，100%）中一种，50%最为贴近，固定PWM为50%，固定换相时刻为基准点时刻,依据ω与门限角速度ω0的关系，选取反电动势过零点为换相时刻；将换相时间切换为0，PWM为50%，反电动势过零点为换相时刻，运转一定时间，查看角速度，并在图5中所示的数据，我们发现，此时角速度到达了ω508,表格中对应的换相时间为t508，将该信息写入程序，再次运转读取，下一个反电动势过零点到来，发现角速度为ω516,表格中对应的换相时间为t516，将该信息写入程序，再次运转读取;如此，经过几轮循环，最终到达匀速状态ω5n,所需要的提前时间为t5n。

当然机器运转时时间不可能完全一样，我们默认相邻两次时间差距小于1%即为匀速运行。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种无刷直流电机的换相控制方法，其特征在于，在直流无刷电机工作时，对所述直流无刷电机的不导通相的反电势进行过零点检测，所述过零点检测包括：

设置全工作时段采样模块，在功率开关管导通状态采样时，采样单片机端口设置为低，实现电压读取；在开关管关闭时，采样接单片机端口设置为悬浮输入，直接实现电压读取。

2.根据权利要求1所述的无刷直流电机的换相控制方法，其特征在于，还包括回复的基准点设立方法，所述回复的基准点设立方法包括以PWM固定和换相点固定为基准，在达到门限角速度ω₀之前，以霍尔传感器信号上升沿为换相时刻，且换相时间保留120度；超过门限角速度ω₀之后，设计反电动势过零点时刻即换相时刻，通过PWM固定和换相时刻固定，确立回复的基准点。

3.根据权利要求1所述的无刷直流电机的换相控制方法，其特征在于，所述门限角速度ω₀的获取以PWM稳定、功率稳定、电机匀速运转、温升正常、无异常抖动、反电动势清晰可获取为判断依据。

4.根据权利要求1所述的无刷直流电机的换相控制方法，其特征在于，当无刷直流电机出现异常时，对无刷直流电机进行参数修正，其步骤包括：

检测无刷电机角速度是否超过门限角速度ω₀，若是，反电动势过零点换相，；若否，霍尔传感器上升沿换相；

调整PWM是最近的点，根据换相时间差距信息表修改最佳换相滞后时间，延时并运行一圈；

重复以上步骤直至无刷直流电机匀速运行。

5.根据权利要求4所述的无刷直流电机的换相控制方法，其特征在于，还包括构建所述换相时间差距信息表，其步骤包括：

在PWM取值固定模式下，以霍尔传感器信号上升或下降沿为换相时刻，且换相时间保留120度角度时间，记录每一个换相时刻、反向电动势过零点的时刻、当前角速度ω、功率P、温度、抖动幅度；

通过大数据拟合，以温度变化低、振动幅度小为佳得出尤其是在速度较低时的反向电动势过零点信号拟合表达式；

采用存储法，存储换相点信息。

6.根据权利要求5所述的无刷直流电机的换相控制方法，其特征在于，所述PWM取值为30%或50%或80%或100%。