CN110768591B - 一种无刷直流电机双模控制的切换方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无刷直流电机双模控制的切换方法，包括：步骤1：预设置预设阀值、检测周期，在一个检测周期内记录三相定子绕组每相产生的反电动势的方波信号的高电平总时间和低电平总时间；步骤2：逐相计算一个检测周期内高电平总时间和低电平总时间差值的绝对值占一个检测周期时间的比值，当比值大于预设阀值时，则该相对应的霍尔传感器发生故障；步骤3：当一个霍尔传感器发生故障时，利用正常相方波信号在下一电周期内的边沿信号进行双模切换；本发明可以直接实现切换、不需要停止电机再切换控制模式。

Description

一种无刷直流电机双模控制的切换方法与装置
技术领域
本发明涉及无刷直流电机控制领域。更具体地讲，涉及一种无刷直流电机双模控制的切换方法与装置。
背景技术
无刷直流电机属于永磁同步电机的一种，具有效率高，响应快，噪音小等优点。无刷直流电机的双模控制，即兼容基于霍尔传感器的有位置传感器控制和基于反电动势的无传感器控制，属于冗余控制，在电动自行车、两轮平衡车等的无刷直流电机控制器有广泛的应用。
双模控制主要功能是在霍尔传感器发生故障时切换到基于反电动势的无传感器控制。当霍尔传感器发生故障时，尤其是，针对最常见的单相霍尔故障时，如何准确地、快速地切换到无传感器控制。目前常见做法是，当发现霍尔传感器故障时进入控制器先停止状态，再切换无传感控制并重新起动。这种方法会出现转速突然下降再突然提升的现象，导致运行的平稳性差，降低用户体验感。
本发明利用经电路转换后的反电动势信号，当反电动势信号异常时，可以更加快速、准确地换到无传感器控制，实现顺滑切换。
发明内容
本发明提供了一种无刷直流电机双模控制的切换方法与装置，以解决传统双模控制切换不平稳、效率低的问题。
本发明提供了一种无刷直流电机双模控制的切换方法，当无刷直流电机的霍尔传感器出现故障，分压滤波模块和比较器模块采集反电动势信号，控制器根据处理后的方波信号快速、准确地切换到无传感器控制，实现顺滑切换；包括：
步骤1：预设置预设阀值、检测周期，在一个检测周期内记录三相定子绕组每相产生的反电动势的方波信号的高电平总时间和低电平总时间；
步骤2：逐相计算一个检测周期内高电平总时间和低电平总时间差值的绝对值占一个检测周期时间的比值，当比值大于预设阀值时，则该相对应的霍尔传感器发生故障；
步骤3：当一个霍尔传感器发生故障时，利用正常相方波信号在下一电周期内的边沿信号进行双模切换。
进一步地，在所述步骤1中，所述检测周期为3～5个电周期。
进一步地，在所述步骤2中，所述预设阀值为5％～10％。
进一步地，在所述步骤3中，当控制器判断到一相的霍尔传感器出现故障时，则在下一电周期检测其他两相的方波信号，当检测到其他两相中任一一相出现边沿信号时，开始切换控制模式，完成由基于霍尔传感器的有位置传感器控制顺滑转换到基于反电动势的无传感器控制。
进一步地，在霍尔传感器的有位置传感器控制模式和基于反电动势的无传感器控制模式下，对三相定子绕组每相产生的反电动势的方波信号的检测一直进行。
本发明还提供了一种无刷直流电机双模控制的装置，包括：分压滤波模块、比较器模块、控制器、驱动器模块、逆变器模块、霍尔处理模块、无刷直流电机的三相定子绕组，
所述分压滤波模块和所述无刷直流电机的三相定子绕组相连，用于将所述无刷直流电机三相定子绕组的反电动势进行分压滤波处理；
所述比较器模块分别和所述分压滤波模块以及所述控制器相连，用于将分压滤波处理后的信号进行电平转换变成方波信号并送入所述控制器；
所述霍尔处理模块分别和所述控制器以及三个霍尔传感器相连，用于在有位置传感器控制模式下采集霍尔信号并处理后送入所述控制器；
所述控制器和所述驱动器模块相连，所述控制器基于所述比较器模块输出的方波信号，判断电机的运行状态并向所述驱动器模块输出控制信号；
所述逆变器模块分别和所述驱动器模块以及所述无刷直流电机的三相定子绕组相连，所述逆变器模块基于所述驱动器模块的驱动信号实现无刷直流电机正常运转。
本发明至少包括以下有益效果：
1、通过在以霍尔传感器的三相信号为切换信号的换向模式下，对反电动势信号进行实时检测，并判断反电动势是否异常，来分析霍尔传感器是否故障，有利于更快速诊断异常，实现由基于霍尔传感器的有位置传感器控制到基于反电动势的无传感器控制的快速切换。
2、通过在霍尔传感器故障情况下，以一相正常的电平信号作为标准，去快速地实现双模切换，有效解决了传统双模控制中通过先停止再切换至无传感器控制的低效做法，有利于提高电机运行的平稳性。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为本发明实施例中一种无刷直流电机双模控制的切换装置的电路示意图；
图2为本发明实施例中一种无刷直流电机双模控制的切换方法的流程图；
图3为本发明实施例中在霍尔传感器无故障情况下分压滤波模块的输入端测试点X1、X2、X3的实测波形图；
图4为本发明实施例中在霍尔传感器A出现故障情况下分压滤波模块的输入端测试点X1、X2、X3的实测波形图；
图5为本发明实施例中在霍尔传感器无故障情况下比较器模块的输出端测试点Y1、Y2、Y3的实测波形图；
图6为本发明实施例中在霍尔传感器A出现故障情况下比较器模块的输出端测试点Y1、Y2、Y3的实测波形图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。
本发明提供了一种无刷直流电机双模控制的装置，如图1所示，包括：分压滤波模块51、比较器模块52、控制器53、霍尔处理模块54、驱动器模块55、逆变器模块56、无刷直流电机的三相定子绕组，其中：
分压滤波模块51和无刷直流电机的三相定子绕组相连，用于将反电动势进行分压滤波处理；
比较器模块52分别和分压滤波模块51以及控制器53相连，用于将分压滤波处理后的信号进行电平转换变成方波信号；
霍尔处理模块54分别和控制器53以及霍尔传感器A、霍尔传感器B、霍尔传感器C相连，用于在有位置传感器控制模式下采集霍尔信号并处理后送入控制器；
控制器53和驱动器模块55相连，用于对分析比较器模块输出的方波信号、判断电机的运行状态并向驱动器模块输出驱动信号；
逆变器模块56分别和驱动器模块55和无刷直流电机的三相定子绕组相连，用于根据驱动器模块的驱动信号实现无刷直流电机正常运转。
测试点X1连接在分压滤波模块的U相定子绕组输入端；测试点X2连接在分压滤波模块的V相定子绕组输入端；测试点X3连接在分压滤波模块的W相定子绕组输入端。
测试点Y1连接在比较器模块对应U相定子绕组的输出端；测试点Y2连接在比较器模块对应V相定子绕组的输出端；测试点Y3连接在比较器模块对应W相定子绕组的输出端。
霍尔传感器A对应U相定子绕组，霍尔传感器B对应V相定子绕组，霍尔传感器C对应W相定子绕组。
如图2所示，是本发明实施例提供的一种无刷直流电机双模控制的切换方法，包括：
步骤S1：预设值检测周期T，检测周期为3～5个电周期，只在1～2个电周期统计高电平总时间和低电平总时间会存在加大误差，尤其在加速减速阶段；为了保证检测精度，检测周期选择3～5个电周期能够有效避免误差，在一个检测周期内记录三相定子绕组每相产生的反电动势的方波信号的高电平总时间TA和低电平总时间TB；
步骤S2：逐相计算一个周期内高低电平时间差值的绝对值占整个周期时间的比值，当比值大于预设阀值时，则该相对应的霍尔传感器发生故障；比值计算公式如下：
|TA-TB|÷T
预设阀值为5％～10％，这样选择能够快速从反电动势的方波信号中诊断出霍尔传感器故障；
步骤S3：当一个霍尔传感器发生故障时，利用正常相方波信号在下一电周期内的边沿信号进行双模切换。
如图3所示，其中图3(a)、图3(b)和图3(c)在霍尔传感器无故障时通过测量X1、X2、X3三点获得的反电动势波形。
如图4所示，其中图4(a)、图4(b)、图4(c)是在霍尔传感器A出现故障时通过测量X1、X2、X3三点获得的反电动势波形。
由图3、图4可知，当霍尔传感器正常或者单个霍尔传感器故障时，无刷直流电机都能保持旋转并产生不同的反电动势波形。根据这一原理，通过转化反电动势波形为方波波形并分析方波波形中的高电平总时间、低电平总时间，便可以找出对应故障的霍尔传感器故障。
如图5所示，图5(a)、图5(b)、图5(c)是在霍尔传感器无故障时通过测量Y1、Y2、Y3三点获得的电平波形。
如图6所示，图6(a)、图6(b)、图6(c)是在霍尔传感器A出现故障时通过测量Y1、Y2、Y3三点获得的电平波形。
在步骤S3中，当控制器判断到一相的霍尔传感器出现故障时，则在下一电周期检测其他两相的方波信号，当检测到其他两相中任一一相出现边沿信号时，开始切换控制模式，完成由基于霍尔传感器的有位置传感器控制顺滑转换到基于反电动势的无传感器控制，例如：
如图6所示，对图6(a)中U相定子绕组的反电动势方波信号中，检测周期T内高低电平时间差值的绝对值占整个周期时间的比值约为25％，大于预设阀值，则对应U相定子绕组的霍尔传感器A出现故障；在下一个电周期Te检测V相定子绕组的反电动势方波信号中出现电平跳变R1时，或者V相定子绕组的反电动势方波信号中出现电平跳变R2时，控制器控制驱动器切换控制模式，完成由基于霍尔传感器的有位置传感器控制切换到基于反电动势的无传感器控制。
在霍尔传感器的有位置传感器控制模式和基于反电动势的无传感器控制模式下，对三相定子绕组每相产生的反电动势的方波信号的检测一直进行，是为了实现对故障切换的快速性。
显而易见的是，本领域的技术人员可以从根据本发明的实施方式的各种结构中获得根据不麻烦的各个实施方式尚未直接提到的各种效果。尽管本发明/实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (5)

1.一种无刷直流电机双模控制的切换方法，其特征在于，当无刷直流电机的霍尔传感器出现故障，分压滤波模块和比较器模块采集反电动势信号，控制器根据处理后的方波信号快速、准确地切换到无传感器控制，实现顺滑切换；包括：
步骤1：预设置预设阀值、检测周期，在一个检测周期内记录三相定子绕组每相产生的反电动势的方波信号的高电平总时间和低电平总时间；
步骤2：逐相计算一个检测周期内高电平总时间和低电平总时间差值的绝对值占一个检测周期时间的比值，当比值大于预设阀值时，则该相对应的霍尔传感器发生故障；
步骤3：当一个霍尔传感器发生故障时，利用正常相方波信号在下一电周期内的边沿信号进行双模切换。
2.如权利要求1所述的无刷直流电机双模控制的切换方法，其特征在于，在所述步骤1中，所述检测周期为3～5个电周期。
3.如权利要求1所述的无刷直流电机双模控制的切换方法，其特征在于，在所述步骤2中，所述预设阀值为5％～10％。
4.如权利要求1-3中任一所述的无刷直流电机双模控制的切换方法，其特征在于，在所述步骤3中，当控制器判断到一相的霍尔传感器出现故障时，则在下一电周期检测其他两相的方波信号，当检测到其他两相中任一一相出现边沿信号时，开始切换控制模式，完成由基于霍尔传感器的有位置传感器控制顺滑转换到基于反电动势的无传感器控制。
5.如权利要求1所述的无刷直流电机双模控制的切换方法，其特征在于，在霍尔传感器的有位置传感器控制模式和基于反电动势的无传感器控制模式下，对三相定子绕组每相产生的反电动势的方波信号一直进行检测。
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