CN111106765A - 一种无刷电机驱动系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无刷电机驱动系统及方法，其中，所述系统包括：绝对式编码器，与绝对式编码器电性连接的处理模块，与处理模块电性连接增量式驱动器，绝对式编码器获取无刷电机的绝对角度值发送给处理模块，处理模块将绝对角度值转换包括适用于相应函数算法的目标角度值，再通过相应函数算法处理目标角度值得到增量式编码器信号、霍尔信号和驱动器控制指令，增量式驱动器利用增量式编码器信号、霍尔信号和驱动器控制指令驱动无刷电机。本发明通过处理模块将绝对式编码器和增量式驱动器实现无刷电机进行组合来驱动无刷电机，兼顾了绝对式编码器断电保护功能和增量式驱动器高性能的优点，大幅度提高了无刷电机驱动系统的稳定性。

Description

一种无刷电机驱动系统及方法

技术领域

本发明涉及电机技术领域，特别是涉及一种无刷电机驱动系统及方法。

背景技术

无刷无刷电机是指没有电刷结构，采取电子换向，线圈不动，磁极旋转的一类无刷电机。相较于有刷无刷电机，无刷无刷电机具有无电火花干扰、噪音低、能量转化率高、寿命长等优点。但由于采用电子换向，因此需要数字控制才可以实现。由于无刷无刷电机性能受驱动算法的影响较大，目前已发展出多种高性能驱动技术。对于大多数应用场景，完全独立设计高性能算法在技术和成本上都是十分困难的，因此市面上许多公司都推出了集成驱动方法的高性能无刷无刷电机驱动器。由于驱动功率、传感器选型要求等因素会导致选型困难，进而导致了控制系统设计难度增大和成本增加。

目前，现有角速度传感器与驱动器组合方案通常采用选型匹配，即传感器与驱动采用相同通讯模式，例如，输出增量式编码器信号的增量式角度传感器与输入增量式编码器信号的无刷电机驱动器组合使用，但是，对于部分应用场景，符合设计需求的传感器往往无法选用与之匹配的驱动器，例如，设计要求绝对机械位置精度高，断电后稳定性好，必须采用绝对式角度传感器，此时则难以找到符合要求的驱动器，影响了最终的电机驱动系统的稳定性。

发明内容

本发明提供一种无刷电机驱动系统及方法，以解决现有无刷电机驱动系统角度传感器和驱动器之间配型困难，两者选型不匹配导致性能损失的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种电机驱动系统，其包括：

绝对式编码器，用于获取电机的绝对角度值；

处理模块，与绝对式编码器电性连接，用于接收绝对式编码器发送的绝对角度值，并将绝对角度值转换包括适用于相应函数算法的目标角度值，再通过相应函数算法处理目标角度值得到增量式编码器信号、霍尔信号和驱动器控制指令；

驱动器，与处理模块电性连接，驱动器用于接收处理模块发送的增量式编码器信号、霍尔信号和驱动器控制指令，并根据增量式编码器信号、霍尔信号和驱动器控制指令驱动电机。

作为本发明的进一步改进，相应函数算法包括增量式编码器信号发生函数、霍尔信号发生函数、控制算法函数，目标角度值包括适用于增量式编码器信号发生函数、霍尔信号发生函数、控制算法函数的角度值，增量式编码器信号、霍尔信号和驱动器控制指令包括增量式编码器信号、霍尔信号和驱动器控制指令。

作为本发明的进一步改进，处理模块包括微处理器和编码器通讯单元，编码器通讯单元的输入端与绝对式编码器电性连接，输出端与微处理器的输入端电性连接，编码器通讯单元用于从绝对式编码器读取电机的绝对角度值，并将绝对角度值发送至微处理器。

作为本发明的进一步改进，处理模块还包括指令通讯单元和驱动器通讯单元，指令通讯单元的输入端和驱动器通讯单元的输入端均与微处理器的输出端电性连接，指令通讯单元的输出端和驱动器通讯单元的输出端均与驱动器的输入端电性连接，指令通讯单元用于将微处理器处理绝对角度值得到的控制量值转换为驱动器控制指令并发送至增量式驱动器，驱动器通讯单元用于将微处理器处理绝对角度值得到的增量式编码器信号、霍尔信号发送至驱动器。

作为本发明的进一步改进，其还包括外部通讯模块，与处理模块电性连接，用于接收外部上位机输入的控制指令并转发至处理模块。

作为本发明的进一步改进，其还包括电源模块，与处理模块电性连接，用于为处理模块、绝对式编码器和驱动器供电。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种电机驱动方法，其应用于上述之一的电机驱动系统，电机驱动系统包括绝对式编码器、处理模块和驱动器；方法包括：

获取电机的绝对角度值；

将绝对角度值转换包括适用于相应函数算法的目标角度值；

通过相应函数算法处理目标角度值得到增量式编码器信号、霍尔信号和驱动器控制指令；

根据增量式编码器信号、霍尔信号和驱动器控制指令驱动电机工作。

作为本发明的进一步改进，获取电机的绝对角度值的步骤之前，还包括：

参数初始化操作，参数包括电机极对数P、模拟ABZ方波周期T，绝对式编码器位数N，虚拟增量编码器线数

霍尔信号偏置量ΔH，Z信号位置范围[Z-,Z+]；

定义电机的旋转正方向；

计算一个电角度周期对应机械角度范围

其中，

硬件初始化操作。

作为本发明的进一步改进，将绝对角度值转换包括适用于相应函数算法的目标角度值的步骤包括：

根据绝对角度值的获取当前周期内的整数型角度值θ(k)，并获取上一周期的整数型角度值为θ(k-1)；

获取浮点型角度值θ_f，

其中，K为穿越2^N点次数；

将θ(k)和θ(k-1)右移

位得到

和

判断

是从0穿越到

还是从

穿越到0；

若

是从0穿越到

则

若

是从

穿越到0，则

计算得到角度变化量和当前周期内的方波数，其中，角度变化量

且方波数n＝|Δθ|；

计算绝对电角度值

其中，％表示取余数。

作为本发明的进一步改进，通过相应函数算法处理目标角度值得到增量式编码器信号、霍尔信号和驱动器控制指令的步骤，包括：

根据角度变化量的正负和浮点型角度值θ_f的值所处的范围输出增量式编码器信号；

根据绝对电角度值θ_e的值的范围输出霍尔信号，霍尔信号包括第一霍尔信号、第二霍尔信号和第三霍尔信号；

根据浮点型角度值θ_f进行控制算法计算，得到驱动器控制指令并输出。

本发明的有益效果是：本发明通过处理模块将绝对式编码器获取的绝对角度值转换包括适用于相应函数算法的目标角度值，再通过相应函数算法处理目标角度值得到增量式编码器信号、霍尔信号和驱动器控制指令，并将增量式编码器信号、霍尔信号和驱动器控制指令发送至增量式驱动器，从而驱动无刷电机转动，而绝对式编码器的设置使得该无刷电机驱动系统具有抗干扰性好、断电后稳定性好、可靠性高的优点。

附图说明

图1是本发明无刷电机驱动系统一个实施例的结构示意图；

图2是本发明无刷电机驱动方法第一个实施例的流程示意图；

图3是本发明无刷电机驱动方法第二个实施例的流程示意图；

图4是本发明无刷电机驱动方法第三个实施例的流程示意图；

图5是本发明无刷电机驱动方法第四个实施例的流程示意图。

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做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。

本发明中的术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

图1是本发明无刷电机驱动系统一个实施例的结构示意图。如图1所示，在本实施例中，该无刷电机驱动系统包括绝对式编码器1、处理模块2和增量式驱动器3。其中，绝对式编码器1，用于获取无刷电机的绝对角度值；处理模块2，与绝对式编码器1电性连接，用于接收绝对式编码器1发送的绝对角度值，并将绝对角度值转换为适用于相应函数算法的目标角度值，再通过相应函数算法处理目标角度值得到增量式编码器信号、霍尔信号和驱动器控制指令；增量式驱动器3，与处理模块2电性连接，增量式驱动器3用于接收处理模块2发送的增量式编码器信号、霍尔信号和驱动器控制指令，并根据增量式编码器信号、霍尔信号和驱动器控制指令驱动无刷电机。

其中，相应函数算法包括增量式编码器信号发生函数、霍尔信号发生函数、控制算法函数，则相应的，目标角度值包括适用于增量式编码器信号发生函数、霍尔信号发生函数、控制算法函数的角度值，增量式编码器信号、霍尔信号和驱动器控制指令包括增量式编码器信号、霍尔信号和驱动器控制指令。

具体地，增量式编码器信号发生函数根据目标角度值进行处理得到增量式编码器信号，霍尔信号发生函数根据目标角度值进行处理得到霍尔信号，控制算法函数根据目标角度值进行处理得到驱动器控制指令。

本实施例通过处理模块2将绝对式编码器1获取的绝对角度值转换包括适用于相应函数算法的目标角度值，再通过相应函数算法处理目标角度值得到增量式编码器信号、霍尔信号和驱动器控制指令，并将增量式编码器信号、霍尔信号和驱动器控制指令发送至增量式驱动器3，从而驱动无刷电机转动，而绝对式编码器1的设置使得该无刷电机驱动系统具有抗干扰性好、断电后稳定性好、可靠性高的优点。

进一步的，需要理解的是，该种绝对式编码器1、处理模块2和增量式驱动器3的搭配使用方式不仅适用于无刷电机的驱动，其同样适用于有刷电机的驱动，均属于本发明的保护范围之内。

进一步的，该处理模块2包括微处理器20和编码器通讯单元21，其中，编码器通讯单元21的输入端与绝对式编码器1电性连接，输出端与微处理器20的输入端电性连接，编码器通讯单元21用于从绝对式编码器1读取无刷电机的绝对角度值，并将绝对角度值发送至微处理器20。

需要说明的是，编码器通讯单元21内预设有适用于多种通讯数据的数据通讯协议，从而，编码器通讯单元21可以用于接收BiSS、Endat、串口、模拟信号等通讯形式的数据，从而使得编码器通讯单元21可以读取各种类型的绝对式编码器发送的通讯数据，因此，本实施例中对绝对式编码器1的类型不做限定。

具体地，编码器通讯单元21读取绝对式编码器1的绝对角度值，具体包括电平转换、信号差分等环节，可以实现例如SPI通讯、串口通讯、SSI通讯等。

进一步，处理模块2还包括指令通讯单元22和驱动器通讯单元23，指令通讯单元22的输入端和驱动器通讯单元23的输入端均与微处理器20的输出端电性连接，指令通讯单元22的输出端和驱动器通讯单元23的输出端均与增量式驱动器3的输入端电性连接，指令通讯单元22用于将微处理器20处理绝对角度值得到的控制量值，经过信号转换为增量式驱动器可以读取的驱动器控制指令，再发送至增量式驱动器3，驱动器通讯单元23用于将微处理器20处理绝对角度值得到的增量式编码器信号、霍尔信号发送至增量式驱动器3。

进一步的，为了方便操作人员对该电机驱动系统进行控制，上述实施例的基础上，其他实施例中，该无刷电机驱动系统还包括外部通讯模块4，与处理模块2电性连接，用于接收外部上位机输入的控制指令并转发至处理模块2。

具体地，通过设置外部通讯模块4，使得操作人员可以通过上位机输入控制指令至该无刷电机驱动系统，方便操作人员对该无刷电机驱动系统进行调整或维护。

进一步的，该无刷电机驱动系统还包括电源模块5，与处理模块2电性连接，用于为处理模块2、绝对式编码器1和增量式驱动器3供电。

图2展示本发明无刷电机驱动方法的一个实施例。在本实施例中，该无刷电机驱动方法适用于上述实施例中任一所述的无刷电机驱动系统，其中，无刷电机驱动系统包括绝对式编码器、处理模块和增量式驱动器。

如图2所示，该无刷电机驱动方法包括以下步骤：

步骤S1，获取无刷电机的绝对角度值。

具体地，通过绝对式编码器获取无刷电机的绝对角度值，并将该绝对角度值发送给处理模块。

进一步的，如图3所示，在使用该无刷电机驱动系统之前，需要对无刷电机驱动系统进行初始化设置，因此，在步骤S1之前，还包括以下步骤：

步骤S10，参数初始化操作。

需要说明的是，参数包括无刷电机极对数P、模拟ABZ方波周期T，绝对式编码器位数N，虚拟增量编码器线数

霍尔信号偏置量ΔH，Z信号位置范围[Z-,Z+]。

步骤S11，定义无刷电机的旋转正方向。

具体地，例如：规定角度值增加为正向，此时B相信号滞后于A相信号，角度值减小为负向，此时A相信号滞后于B相信号。

步骤S12，计算一个电角度周期对应机械角度范围。

具体地，对应机械角度范围为

其中，

需要说明的是，电机每对极在定子内圆上所占的角度360°/p指的是实际的空间几何角度，这个角度被称为机械角度。在四极及以上极数的电机中常常把一对极所占的机械角度定义为360度电角度，这是因为绕组中感应电势变化一个周期为360°。

步骤S13，硬件初始化操作。

具体地，对处理模块的微处理器参数、输入输出管脚、定时器串口、复位驱动器等进行初始化操作。

步骤S2，将绝对角度值转换包括适用于相应函数算法的目标角度值。

具体地，处理模块接收到绝对角度值之后，将绝对角度值转换包括适用于相应函数算法的目标角度值。

进一步的，如图4所示，步骤S2具体包括以下步骤：

步骤S20，根据绝对角度值的获取当前周期整数型角度值θ(k)，并获取上一周期的整数型角度值为θ(k-1)。

步骤S21，获取浮点型角度值θ_f。

具体地，

其中，K为穿越2^N点次数。

步骤S22，将θ(k)和θ(k-1)右移

位得到

和

步骤S23，判断

是从0穿越到

还是从

穿越到0。若

是从0穿越到

则执行步骤S24；若

是从

穿越到0，则执行步骤S25。

步骤S24，

步骤S25，

步骤S26，计算得到角度变化量当前周期内的方波数。

具体地，角度变化量

且方波数n＝|Δθ|。

步骤S27，计算绝对电角度值。

具体地，

其中，％表示取余数。

本实施例避免浮点数计算过程中产生的四舍五入的误差，进一步提高了最终结果的精确度。

步骤S3，通过相应函数算法处理目标角度值得到增量式编码器信号、霍尔信号和驱动器控制指令。

具体地，在获取到目标角度值之后，根据目标角度值得到增量式编码器信号、霍尔信号和驱动器控制指令。

进一步的，如图5所示，步骤S3具体包括以下步骤：

步骤S30，根据角度变化量的正负和浮点型角度值θ_f的值所处的范围输出增量式编码器信号。

具体地，当所述角度变化量为正时，A信号在前，B信号相位滞后T/4，此时A信号IO输出上升沿，定时器延迟T/4后B信号IO输出上升沿，T/4后，A信号下降，再过T/4后，B信号下降。当所述角度变化量为负时，B信号在前，A信号相位滞后T/4。并且，由角度变化量可得到当前周期内输出方波数n，并在该周期内输出n个方波信号。当θ_f∈[Z-,Z+]时，Z信号管脚输出高电平，否则输出低电平。同时，输出A、B、Z信号的相反逻辑即可得到

信号。

步骤S31，根据绝对电角度值θ_e的值的范围输出霍尔信号。

需要说明的是，霍尔信号包括第一霍尔信号、第二霍尔信号和第三霍尔信号。

具体地，当所述

时，所述第一霍尔信号输出高电平；

当所述

时，所述第一霍尔信号输出低电平；

当所述

时，所述第二霍尔信号输出高电平；

当所述

时，所述第二霍尔信号输出低电平；

当所述

时，所述第三霍尔信号输出高电平；

当所述

时，所述第三霍尔信号输出低电平。

步骤S32，根据浮点型角度值θ_f进行控制算法计算，得到驱动器控制指令并输出。

步骤S4，根据增量式编码器信号、霍尔信号和驱动器控制指令驱动无刷电机工作。

本实施例通过获取的无刷电机的绝对角度值转换包括适用于相应函数算法的目标角度值，再通过相应函数算法处理目标角度值得到增量式编码器信号、霍尔信号和驱动器控制指令，并根据增量式编码器信号、霍尔信号和驱动器控制指令驱动无刷电机转动，其通过采用绝对式编码器来进行绝对角度值的采集，从而使得该无刷电机驱动系统具有抗干扰性好、断电后稳定性好、可靠性高的优点。

以上对发明的具体实施方式进行了详细说明，但其只作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施方式。对于本领域的技术人员而言，任何对该发明进行的等同修改或替代也都在本发明的范畴之中，因此，在不脱离本发明的精神和原则范围下所作的均等变换和修改、改进等，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种无刷电机驱动系统，其特征在于，其包括：

绝对式编码器，用于获取所述无刷电机的绝对角度值；

处理模块，与所述绝对式编码器电性连接，用于接收所述绝对式编码器发送的绝对角度值，并将所述绝对角度值转换包括适用于相应函数算法的目标角度值，再通过所述相应函数算法处理所述目标角度值得到增量式编码器信号、霍尔信号和驱动器控制指令；

增量式驱动器，与所述处理模块电性连接，所述增量式驱动器用于接收所述处理模块发送的所述增量式编码器信号、所述霍尔信号和所述驱动器控制指令，并根据所述增量式编码器信号、所述霍尔信号和所述驱动器控制指令驱动所述无刷电机。

2.根据权利要求1所述的无刷电机驱动系统，其特征在于，所述相应函数算法包括增量式编码器信号发生函数、霍尔信号发生函数、控制算法函数，所述目标角度值包括适用于所述增量式编码器信号发生函数、所述霍尔信号发生函数、所述控制算法函数的角度值。

3.根据权利要求2所述的无刷电机驱动系统，其特征在于，所述处理模块包括微处理器和编码器通讯单元，所述编码器通讯单元的输入端与所述绝对式编码器电性连接，输出端与所述微处理器的输入端电性连接，所述编码器通讯单元用于从所述绝对式编码器读取所述无刷电机的绝对角度值，并将所述绝对角度值发送至所述微处理器。

4.根据权利要求3所述的无刷电机驱动系统，其特征再于，所述处理模块还包括指令通讯单元和驱动器通讯单元，所述指令通讯单元的输入端和所述驱动器通讯单元的输入端均与所述微处理器的输出端电性连接，所述指令通讯单元的输出端和所述驱动器通讯单元的输出端均与所述增量式驱动器的输入端电性连接，所述指令通讯单元用于将所述微处理器处理所述绝对角度值得到的控制量值转换为驱动器控制指令并发送至所述增量式驱动器，所述驱动器通讯单元用于将所述微处理器处理所述绝对角度值得到的增量式编码器信号、霍尔信号发送至所述增量式驱动器。

5.根据权利要求1所述的无刷电机驱动系统，其特征在于，其还包括外部通讯模块，与所述处理模块电性连接，用于接收外部上位机输入的控制指令并转发至所述处理模块。

6.根据权利要求1所述的无刷电机驱动系统，其特征在于，其还包括电源模块，与所述处理模块电性连接，用于为所述处理模块、所述绝对式编码器和所述增量式驱动器供电。

7.一种无刷电机驱动方法，其特征在于，其应用于权利要求1-6之一所述的无刷电机驱动系统，所述无刷电机驱动系统包括绝对式编码器、处理模块和增量式驱动器；所述方法包括：

获取所述无刷电机的绝对角度值；

将所述绝对角度值转换包括适用于相应函数算法的目标角度值；

通过所述相应函数算法处理所述目标角度值得到增量式编码器信号、霍尔信号和驱动器控制指令；

根据所述增量式编码器信号、霍尔信号和驱动器控制指令驱动所述无刷电机工作。

8.根据权利要求7所述的无刷电机驱动方法，其特征在于，所述获取所述无刷电机的绝对角度值的步骤之前，还包括：

参数初始化操作，所述参数包括无刷电机极对数P、模拟ABZ方波周期T，绝对式编码器位数N，虚拟增量编码器线数

霍尔信号偏置量ΔH，Z信号位置范围[Z-,Z+]；

定义所述无刷电机的旋转正方向；

计算一个电角度周期对应机械角度范围

其中，

硬件初始化操作。

9.根据权利要求8所述的无刷电机驱动方法，其特征在于，所述将所述绝对角度值转换包括适用于相应函数算法的目标角度值的步骤包括：

根据所述绝对角度值的获取当前周期内的整数型角度值θ(k)，并获取上一周期的整数型角度值为θ(k-1)；

获取浮点型角度值θ_f，

其中，K为穿越2^N点次数；

将所述θ(k)和所述θ(k-1)右移

位得到

和

判断所述

是从0穿越到

还是从

穿越到0；

若所述

是从0穿越到

则所述

若所述

是从

穿越到0，则所述

计算得到角度变化量和当前周期内的方波数，其中，所述角度变化量

且所述方波数n＝|Δθ|；

计算绝对电角度值

其中，％表示取余数。

10.根据权利要求9所述的无刷电机驱动方法，其特征在于，所述通过所述相应函数算法处理所述目标角度值得到增量式编码器信号、霍尔信号和驱动器控制指令的步骤，包括：

根据所述角度变化量的正负和所述浮点型角度值θ_f的值所处的范围输出增量式编码器信号；

根据所述绝对电角度值θ_e的值的范围输出霍尔信号，所述霍尔信号包括第一霍尔信号、第二霍尔信号和第三霍尔信号；

根据所述浮点型角度值θ_f进行控制算法计算，得到所述驱动器控制指令并输出。

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