CN111641295A - 无位置传感器直流无刷电机及其启动方法 - Google Patents

无位置传感器直流无刷电机及其启动方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种无位置传感器直流无刷电机及其启动方法，包括电机壳体、前端盖、后端盖、转子、定子、两相电枢绕组、功率管集成板、编码器、编码器附件、后罩、过零检测模块、电机控制模块和三相驱动模块，所述后罩连接于所述后端盖上，所述编码器设置于所述后罩内且连接于所述转子的后端，所述功率管集成板包括定子功率管和转子功率管，所述功率管集成板与所述编码器相通，所述过零检测模块一端与所述编码器连接，另一端与所述电机控制模块连接，所述三相控制模块一端与所述电机控制模块连接，另一端与所述两相电枢绕组相通，所述编码器附件和编码器连接，该无位置传感器直流无刷电机，运行效率和精确性高、损耗小、抗干扰能力强、体积小。

Description

无位置传感器直流无刷电机及其启动方法
技术领域：
本发明涉及一种无位置传感器直流无刷电机及其启动方法。
背景技术：
现有无刷直流电机在静止及低速运行时难以正确检测到反电势，电机起动时存在两个问题：一是静止启动的问题，二是同步切换的问题。为解决以上问题，现有技术中存在有多种启动方法，但有的要增加外围电路，有的则与电机特性联系密切。
现有对于无位置传感器直流无刷电机位置的测量，有端电压法、电流法和状态观测法等，但用得较多的还是反电动势法。这种方法是通过检测反电动势的过零点来判断转子磁极的位置，从而确定逆变器中功率器件的切换时间。虽然该方法简单、实用，但由于反电动势叠加有逆变器输出的脉宽调制波形和功率器件开关过程产生的尖峰干扰，所以如何滤除混于反电动势中强干扰脉冲的问题变成了检测反电动势过零点的难点。有很多滤除干扰的方法,但是往往使反电动势产生相移，而且这种相移因运行频率的不同而差异很大，很难通过补偿的方法校正。由于反电动势过零点测不准，必然影响功率器件开关时间的准确度，从而影响电机的运行效率。
发明内容：
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种运行效率和精确性高、损耗小、抗干扰能力强、体积小的无位置传感器直流无刷电机。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种无位置传感器直流无刷电机，包括电机壳体、前端盖、后端盖、转子、定子、两相电枢绕组，所述前端盖和后端盖分别连接于所述电机壳体两端，所述转子设置于所述电机壳体内，所述转子的前端和后端通过轴承分别连接于所述前端盖和后端盖上，所述定子套设在所述转子外，所述两相电枢绕组设置在所述定子上。
为了实现电机更精准地启动，减小损耗，提高电机效率，该无位置传感器直流无刷电机采用纯软件启动，还包括功率管集成板、编码器、编码器附件、后罩、过零检测模块、电机控制模块和三相驱动模块，所述后罩连接于所述后端盖上，所述编码器设置于所述后罩内且连接于所述转子的后端，所述功率管集成板包括定子功率管和转子功率管，所述功率管集成板与所述编码器相通，所述过零检测模块一端与所述编码器连接，另一端与所述电机控制模块连接，所述三相控制模块一端与所述电机控制模块连接，另一端与所述两相电枢绕组相通，所述编码器附件和编码器连接。
为了实现对转子转速的精准测量，所述编码器和编码器附件包括运算放大器、第一MOS管、第二MOS管、第一稳压二极管、第二稳压二极管、第一三极管、第二三极管、第一电阻器、第二电阻器、第三电阻器、第四电阻器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第一电容和第二电容，第一三极管的基极与第二三极管的基极连接，第一三极管的发射极与第二三级管的集电极连接，第二三极管的发射极接地，第一电阻器一端连接于第一三极管的基极，第二电阻器连接于第一三极管的基极和第二三极管的发射极之间，第一MOS管的源极与第二MOS管的漏极连接，第一MOS管的控制极连接于第一三极管的发射极和第二三极管的集电极之间，第二MOS管的控制极串联第四电阻器后接地，第三电阻器一端连接于第二MOS管的控制极，第二MOS管的源极串联第一电阻后接地，第一MOS管的漏极和源极之间接有第一稳压二极管，第二MOS管的漏极和源极之间接有第二稳压二极管，运算放大器的负向输入端串联第二电阻后接地，运算放大器的正向输入端串联第三电阻后连接于第二MOS管的源极和第一电阻之间，运算放大器的负电源端接地，运算放大器的正电源端串联第二电容后接地，第一电容一端连接于第三电阻和运算放大器的正向输入端之间，另一端接地，第四电阻接于运算放大器的负向输入端和运算放大器的输出端之间，第五电阻一端与运算放大器的输出端连接。
为了提高电机连接器的稳定性、安全性和使用便利性，该无位置传感器直流无刷电机还包括第一航空插座和第二航空插座，所述第一航空插座连接于所述两相电枢绕组上，所述第二航空插座连接于所述编码器上。
为了提高电机控制模块的可靠性同时减小电机控制模块的体积，所述电机控制模块包括IR2130集成块。
本发明还包括一种无位置传感器直流无刷电机的启动方法，启动时，系统将采用三段式方法，并用纯软件实现起动，将电机的起动过程分为预定位、加速与同步切换三个阶段，主要包括如下步骤：
1)在电机静止时,转子的初始位置是未知的，首先给设定的两相电枢绕组通以短暂的电流，使转子磁极稳定在这两相绕组的合成磁场的轴线上，实现预定位，以此作为转子磁极初始位置；
2)然后按定、转子磁极间正确的空间相位关系使相应的定子功率管和转子功率管导通，并以固定的时间进行模式切换，此时不进行过零检测；
3)随着电机转速逐渐升高，反电势也逐渐增大，升高到一定值时，检测端电压，以此确定转子的位置，并将结果反馈至电机控制模块；
4)随后，电机控制模块控制过零检测模块启动，采用瞬时状态检测和预测估计相结合的方式判断转子是否过零点，具体为，利用大功率器件开关噪声熄灭的瞬间,对三相驱动模块的状态进行检测,通过检测周期性大功率器件开关噪声产生的波形，判断转子过零点的到达时间,同时运用由编码器和编码器附件组成的电路，根据过零周期来得出转子的速度，预算下一圈循环相变频率，利用以上状态预测的方法进行校正,推算三相功率器件的导通时间，然后校对下一轮过零点准确时间，如此循环，当连续5次正确检测到过零点，从外同步运行阶段切换到自同步运行阶段运行。
本发明的有益效果是：
1、该无位置传感器直流无刷电机，采用多段式启动，将瞬时状态检测和预测估计相结合，在提取反电动势时不需要滤波器，避免了相移的产生；
2、增加交直流应用脉冲模式，实现同台电机满足两种电压运转状态；
3、利用大功率器件开关噪声熄灭的瞬间，对三相驱动模块的状态进行检测，从而判断转子过零点的到达时间，并利用状态预测的方法进行校正，推算三相功率器件的导通时间；
4、采用模式化位置检测方法，有效地检测过零点,使切换时间更准确,从而提高了电机的效率,使电机能够更加平稳、准确的运行；
5、电机控制模块控制功能强、保护功能完善、工作性能稳定；
6、组成的系统所需外围电路简单、抗干扰能力强，特别适用于对控制器体积、价格性能比要求较高的场合。
附图说明：
图1为本发明的无位置传感器直流无刷电机的结构示意图；
图2为本发明的无位置传感器直流无刷电机的编码器和编码器附件的电路示意图；
图3为本发明的无位置传感器直流无刷电机的速度计算原理示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易被本领域人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「顶」、「底」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。
如图1所示，一种无位置传感器直流无刷电机，包括电机壳体1、前端盖2、后端盖3、转子4、定子5、两相电枢绕组6，所述前端盖2和后端盖3分别连接于所述电机壳体1两端，所述转子4设置于所述电机壳体1内，所述转子4的前端和后端通过轴承7分别连接于所述前端盖2和后端盖3上，所述定子5套设在所述转子4外，所述两相电枢绕组6设置在所述定子5上。
还包括功率管集成板8、编码器9、编码器附件10、后罩11、过零检测模块12、电机控制模块13、三相驱动模块16、第一航空插座14和第二航空插座15，所述电机控制模块13包括IR2130集成块131，所述后罩11连接于所述后端盖3上，所述编码器9设置于所述后罩11内且连接于所述转子4的后端，所述功率管集成板8包括定子功率管81和转子功率管82，所述功率管集成板8与所述编码器9相通，所述过零检测模块12一端与所述编码器9连接，另一端与所述电机控制模块13连接，所述三相控制模块16一端与所述电机控制模块13连接，另一端与所述两相电枢绕组6相通，所述编码器附件10和编码器9连接，所述第一航空插座14连接于所述两相电枢绕组6上，所述第二航空插座15连接于所述编码器9上。
电机启动时，系统将采用三段式、纯软件实现起动，将电机的起动过程分为预定位、加速与同步切换三个阶段，主要包括如下步骤：
1)在电机静止时，转子4的初始位置是未知的，首先给设定的两相电枢绕组6通以短暂的电流，使转子4磁极稳定在这两相电枢绕组6的合成磁场的轴线上，实现预定位，以此作为转子4磁极初始位置；
2)然后按定子5、转子4磁极间正确的空间相位关系使相应的定子功率管81和转子功率管导通82，并以固定的时间进行模式切换，此时不进行过零检测；
3)随着电机转速逐渐升高，反电势也逐渐增大，升高到一定值时，检测端电压，以此确定转子4的位置，并将结果反馈至电机控制模块13；
4)随后，电机控制模块13控制过零检测模块12启动，采用瞬时状态检测和预测估计相结合的方式判断转子是否过零点，具体为，利用大功率器件开关噪声熄灭的瞬间,对三相驱动模块16的状态进行检测,通过检测周期性大功率器件开关噪声产生的波形，判断转子4过零点的到达时间,同时运用由编码器9和编码器附件10组成的电路，根据过零周期来得出转子4的速度，预算下一圈循环相变频率，利用以上状态预测的方法进行校正,推算三相功率器件的导通时间，然后校对下一轮过零点准确时间，如此循环，当连续5次正确检测到过零点，从外同步运行阶段切换到自同步运行阶段运行。
如图2所示，所述编码器9和编码器附件10用于上述步骤4)测量转子4的转速，包括运算放大器IC1、第一MOS管M1、第二MOS管M2、第一稳压二极管D1、第二稳压二极管D2、第一三极管Q1、第二三极管Q2、第一电阻器R11、第二电阻器R12、第三电阻器R13、第四电阻器R14、第一电阻R21、第二电阻R22、第三电阻R23、第四电阻R24、第五电阻R25、第一电容C1和第二电容C2，第一三极管Q1的基极与第二三极管Q2的基极连接，第一三极管Q1的发射极与第二三级管Q2的集电极连接，第二三极管Q2的发射极接地，第一电阻器R11一端连接于第一三极管Q1的基极，第二电阻器R12连接于第一三极管Q1的基极和第二三极管Q2的发射极之间，第一MOS管M1的源极与第二MOS管M2的漏极连接，第一MOS管M1的控制极连接于第一三极管Q1的发射极和第二三极管Q2的集电极之间，第二MOS管M2的控制极串联第四电阻器R14后接地，第三电阻器R13一端连接于第二MOS管M2的控制极，第二MOS管M2的源极串联第一电阻R21后接地，第一MOS管M1的漏极和源极之间接有第一稳压二极管D1，第二MOS管M2的漏极和源极之间接有第二稳压二极管D2，运算放大器IC1的负向输入端串联第二电阻R22后接地，运算放大器IC1的正向输入端串联第三电阻R23后连接于第二MOS管M2的源极和第一电阻R21之间，运算放大器IC1的负电源端接地，运算放大器IC1的正电源端串联第二电容C2后接地，第一电容C1一端连接于第三电阻R23和运算放大器IC1的正向输入端之间，另一端接地，第四电阻R24接于运算放大器IC1的负向输入端和输出端之间，第五电阻R25一端与运算放大器IC1的输出端连接。
电机旋转时，编码器9产生两路正交的脉冲信号，将此信号经过DSP的DEP1、DEP2端口送到由编码器9和编码器附件10集成的如图2所示的正交编码处理电路中进行4倍频鉴相处理。
在速度环采样时刻到时，DSP先获取在采样周期时间间隔内编码器9反馈的脉冲的4倍频计数值，由此可计算出电机旋转一周所需时间，计算速度采用简单除法，利用DSP实现，原理如图3所示。
以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，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 (5)

1.一种无位置传感器直流无刷电机，包括电机壳体(1)、前端盖(2)、后端盖(3)、转子(4)、定子(5)、两相电枢绕组(6)，所述前端盖(2)和后端盖(3)分别连接于所述电机壳体(1)两端，所述转子(4)设置于所述电机壳体(1)内，所述转子(4)的前端和后端通过轴承(7)分别连接于所述前端盖(2)和后端盖(3)上，所述定子(5)套设在所述转子(4)外，所述两相电枢绕组(6)设置在所述定子(5)上，其特征在于：还包括功率管集成板(8)、编码器(9)、编码器附件(10)、后罩(11)、过零检测模块(12)、电机控制模块(13)和三相驱动模块(16)，所述后罩(11)连接于所述后端盖(3)上，所述编码器(9)设置于所述后罩(11)内且连接于所述转子(4)的后端，所述功率管集成板(8)包括定子功率管(81)和转子功率管(82)，所述功率管集成板(8)与所述编码器(9)相通，所述过零检测模块(12)一端与所述编码器(9)连接，另一端与所述电机控制模块(13)连接，所述三相控制模块(16)一端与所述电机控制模块(13)连接，另一端与所述两相电枢绕组(6)相通，所述编码器附件(10)和编码器(9)连接。
2.根据权利要求1所述的无位置传感器直流无刷电机，其特征在于：所述编码器(9)和编码器附件(10)包括运算放大器(IC1)、第一MOS管(M1)、第二MOS管(M2)、第一稳压二极管(D1)、第二稳压二极管(D2)、第一三极管(Q1)、第二三极管(Q2)、第一电阻器(R11)、第二电阻器(R12)、第三电阻器(R13)、第四电阻器(R14)、第一电阻(R21)、第二电阻(R22)、第三电阻(R23)、第四电阻(R24)、第五电阻(R25)、第一电容(C1)和第二电容(C2)，第一三极管(Q1)的基极与第二三极管(Q2)的基极连接，第一三极管(Q1)的发射极与第二三级管(Q2)的集电极连接，第二三极管(Q2)的发射极接地，第一电阻器(R11)一端连接于第一三极管(Q1)的基极，第二电阻器(R12)连接于第一三极管(Q1)的基极和第二三极管(Q2)的发射极之间，第一MOS管(M1)的源极与第二MOS管(M2)的漏极连接，第一MOS管(M1)的控制极连接于第一三极管(Q1)的发射极和第二三极管(Q2)的集电极之间，第二MOS管(M2)的控制极串联第四电阻器(R14)后接地，第三电阻器(R13)一端连接于第二MOS管(M2)的控制极，第二MOS管(M2)的源极串联第一电阻(R21)后接地，第一MOS管(M1)的漏极和源极之间接有第一稳压二极管(D1)，第二MOS管(M2)的漏极和源极之间接有第二稳压二极管(D2)，运算放大器(IC1)的负向输入端串联第二电阻(R22)后接地，运算放大器(IC1)的正向输入端串联第三电阻(R23)后连接于第二MOS管(M2)的源极和第一电阻(R21)之间，运算放大器(IC1)的负电源端接地，运算放大器(IC1)的正电源端串联第二电容(C2)后接地，第一电容(C1)一端连接于第三电阻(R23)和运算放大器(IC1)的正向输入端之间，另一端接地，第四电阻(R24)接于运算放大器(IC1)的负向输入端和输出端之间，第五电阻(R25)一端与运算放大器(IC1)的输出端连接。
3.根据权利要求1所述的无位置传感器直流无刷电机，其特征在于：还包括第一航空插座(14)和第二航空插座(15)，所述第一航空插座(14)连接于所述两相电枢绕组(6)上，所述第二航空插座(15)连接于所述编码器(9)上。
4.根据权利要求1所述的无位置传感器直流无刷电机，其特征在于：所述电机控制模块(13)包括IR2130集成块(131)。
5.一种无位置传感器直流无刷电机启动方法，采用如权利要求1-4任一项所述的无位置传感器直流无刷电机，其特征在于，采用纯软件启动，包括如下步骤：
1)给设定的两相电枢绕组(6)通以短暂的电流，使转子(4)磁极稳定在这两相电枢绕组(6)的合成磁场的轴线上，以此作为转子(5)磁极初始位置；
2)按定子(5)、转子(4)磁极间正确的空间相位关系使相应的定子功率管(81)和转子功率管(82)导通,并以固定的时间进行模式切换；
3)检测端电压，确定转子(4)的位置，并将结果反馈至电机控制模块(13)；
4)电机控制模块(13)控制过零检测模块(12)启动，采用瞬时状态检测和预测估计相结合的方式判断转子是否过零点，具体为，利用大功率器件开关噪声熄灭的瞬间,对三相驱动模块(16)的状态进行检测,通过检测周期性大功率器件开关噪声产生的波形，判断转子(4)过零点的到达时间,同时运用由编码器(9)和编码器附件(10)组成的电路，根据过零周期来得出转子(4)的速度，预算下一圈循环相变频率，利用以上状态预测的方法进行校正,推算三相功率器件的导通时间，然后校对下一轮过零点准确时间，如此循环，当连续5次正确检测到过零点，从外同步运行阶段切换到自同步运行阶段运行。
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