CN112787556A - 一种无刷电机的精准变速六步换相控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无刷电机的精准变速六步换相控制方法，包括如下步骤：步骤一：位置传感器采集三相无刷电机的位置信息；步骤二：主控制器读取采集到的三相无刷电机的位置信息；步骤三：主控制器基于读取到的三相无刷电机的位置信息判断电机转子是否需要进行换相；若需要进行换相，则根据电机转子转向对定子的三相进行输出切换，若不需要进行换相，则在主控制器的计时器计时时间满足后，基于读取到的实际转速信号对电机转子转速进行调控，若未达到主控制器的计时器计时时间的满足需求，则返回对电机转子是否需要换相进行判断。本发明可以有效驱动电机工作，并在电机转动过程中进行平稳调速，解决了电机在工作过程中实际速度与目标速度不符的问题。

Description

一种无刷电机的精准变速六步换相控制方法

技术领域

本发明涉及一种无刷电机的精准变速六步换相控制方法，属于电机换相领域。

背景技术

直流电机和交流电机是生活中一种相当常见的两种电机，直流电机因其具有调速性能好、转矩大、维修成本低等优点，在工业领域得到了广泛的使用。而直流电机又分为两类，一种是直流有刷电机，该种电机采用换向器以机械方式进行换向，驱动简单运行效率高，但工作时线圈与电刷摩擦存在噪音且极易磨损，换向时电刷与线圈间也易产生电火花，产生安全隐患。另一种直流电机则是直流无刷电机，该种电机保留了有刷电机的优点，同时去除了有刷电机的电刷和换向器结构，是目前市面上主流的直流电机。

传统的无刷直流电机采用二二导通的换相驱动方式，该驱动方式，该驱动方式每次只有两相导通，另一相悬空，不参与驱动旋转，故驱动时电机输出功率不能得到最大发挥。且由于驱动电路电源的不稳定性以及元器件数值不精准等固有现象，无刷直流电机在工作过程中的实际转速与主控制器所设定的目标转速存在差距，在某些需要精准控制电机转速的场合具有一定的局限性，不能满足实际转速要求。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提供一种无刷电机的精准变速六步换相控制方法，通过利用无刷直流电机三相同时导通的控制方法实现无刷直流电机的驱动和换相，通过利用主控制器读取位置传感器信号，判断是否需要换相，通过利用PID调节算法根据实际速度与目标速度值的偏差对PWM波输出进行PID调节。

本发明所采用的技术方案为：

一种无刷电机的精准变速六步换相控制方法，包括如下步骤：

步骤一：位置传感器采集三相无刷电机的位置信息，位置信息包括电机转子状态信号及电机电流值；

步骤二：主控制器读取采集到的三相无刷电机的位置信息；

步骤三：主控制器基于读取到的三相无刷电机的位置信息判断电机转子是否需要进行换相；若需要进行换相，则根据电机转子转向对定子的三相进行输出切换，若不需要进行换相，则在主控制器的计时器计时时间满足后，基于读取到的电机电流值计算出实际转速信号再对电机转子转速进行调控，若未达到主控制器的计时器计时时间的满足需求，则返回对电机转子是否需要换相进行判断。

优选的是，步骤一中位置传感器为霍尔传感器，霍尔传感器的数量为三根，且三根霍尔传感器互差120°电角度环绕设置在电机转子外周；三个霍尔传感器之间按周向顺序每间隔60°电角度将电机转子的位置划分为一个区间共计六种区间，所述六种区间分别对应电机转子状态标志位为1、电机转子状态标志位为2、电机转子状态标志位为3、电机转子状态标志位为4、电机转子状态标志位为5、电机转子状态标志位为6，且电机转子状态处于标志位1时对应A、B、C三路霍尔信号为101, 电机转子状态处于标志位2时对应A、B、C三路霍尔信号100, 电机转子状态处于标志位3时对应A、B、C三路霍尔信号110, 电机转子状态处于标志位4时对应A、B、C三路霍尔信号010, 电机转子状态处于标志位5时对应A、B、C三路霍尔信号011, 电机转子状态处于标志位6时对应A、B、C三路霍尔信号001。

进一步的优选，步骤二中主控制器为单片机。

进一步的优选，步骤三中主控制器基于读取到的三相无刷电机的转子状态信号进行判断具体包括如下步骤：

步骤一：主控制器接收并读取霍尔传感器传回的位置信息，然后识别电机转子所在区间的电机转子状态标志位；

步骤二：根据当前转子状态标志位和上次电机转子状态标志位判断电机转子是否需要换相，若当前转子状态标志位和上次电机转子状态标志位不相同则需要换相，然后对电机的三相进行驱动切换完成换相操作；电机转子状态的换相流程为电机转子状态标志位1-电机转子状态标志位2-电机转子状态标志位3-电机转子状态标志位4-电机转子状态标志位5-电机转子状态标志位6，对应霍尔信号顺序为101-100-110-010-011-001，对应换相驱动方式顺序为A驱动，BC接地-AC驱动，B接地-C驱动，AB接地-BC驱动，A接地-B驱动，AC接地-AB驱动，C接地；

步骤三：若当前转子状态标志位和上次电机转子状态标志位相同则不要换相，然后判断时间是否满足主控制器的计时器计时时间，若时间满足，则对电机转子转速进行调控，若时间不满足，则重复判断电机转子是否需要换相。

进一步的优选，对电机转子转速进行调控具体为根据电机的实际转速与目标转速计算出偏差，再根据PID算法计算出应实际输出的PWM波占空比，并根据占空比调节PWM波并输出至电机。

进一步的优选，PWM波输出采用驱动电路输出。

进一步的优选，PID算法为离散增量式PID算法或位置式PID算法。

进一步的优选，对电机转子转速进行调控包括如下步骤：

步骤一：主控制器读取电机电流值和目标转速数据，然后根据电机电流值计算出电机转子的实际转速，然后根据实际转速与目标转速数据计算出转速的偏差值err，并通过主控制器记录下本次和上一次的转速偏差值err，留备之后进行PID调节使用；

步骤二：主控制器根据步骤一中计算出的转速偏差值err计算应该输出的PWM波占空比；

步骤三：主控制器判断计算出的PWM波占空比是否在范围内，若在范围内，则输出对应的PWM波至电机；若不在范围内，则输出占空比极限值的PWM波至电机。

本发明的有益效果在于：

本发明通过主控制器读取霍尔传感器的信号，根据信号判断目前电机转子所处的位置，并在电机转子到达换相位置时切换三相的输出电平，并在电机转动过程中利用PID算法调节输出的PWM波占空比，从而实现电机转子实际转速与目标转速的一致，完成对转速的精准控制；且采用三相同时导通的换向方案，电机三相同时工作，能够发挥出电机的最大输出功率，并且减弱了驱动电路的电源波动等干扰，可以精准的对电机的转速进行控制。

附图说明

图1为换相调速流程图；

图2为驱动电路的原理图；

图3为霍尔传感器信号反馈原理图；

图4为图2中A电路放大图；

图5为图2中B电路放大图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做具体的介绍。

如图1-5所示：本实施例是一种无刷电机的精准变速六步换相控制方法，包括如下步骤：

步骤一：位置传感器采集三相无刷电机的位置信息，所述位置信息包括电机转子状态信号及电机电流值；

步骤二：主控制器读取采集到的三相无刷电机的位置信息，其中，主控制器为单片机；

步骤三：主控制器基于读取到的三相无刷电机的位置信息判断电机转子是否需要进行换相；若需要进行换相，则根据电机转子转向对定子的三相进行输出切换，若不需要进行换相，则在主控制器的计时器计时时间满足后，基于读取到的电机电流值计算出实际转速信号再对电机转子转速进行调控，若未达到主控制器的计时器计时时间的满足需求，则返回对电机转子是否需要换相进行判断。

其中，步骤一中位置传感器为霍尔传感器，霍尔传感器的数量为三根，且三根霍尔传感器互差120°电角度环绕设置在电机转子外周；三个霍尔传感器之间按周向顺序每间隔60°电角度将电机转子的位置划分为一个区间共计六种区间，所述六种区间分别对应电机转子状态标志位为1、电机转子状态标志位为2、电机转子状态标志位为3、电机转子状态标志位为4、电机转子状态标志位为5、电机转子状态标志位为6，且电机转子状态处于标志位1时对应A、B、C三路霍尔信号为101, 电机转子状态处于标志位2时对应A、B、C三路霍尔信号100, 电机转子状态处于标志位3时对应A、B、C三路霍尔信号110, 电机转子状态处于标志位4时对应A、B、C三路霍尔信号010, 电机转子状态处于标志位5时对应A、B、C三路霍尔信号011, 电机转子状态处于标志位6时对应A、B、C三路霍尔信号001。

本实施例中，步骤三中主控制器基于读取到的三相无刷电机的转子状态信号进行判断具体包括如下步骤：

步骤一：主控制器接收并读取霍尔传感器传回的位置信息，然后识别电机转子所在区间的电机转子状态标志位；

步骤二：根据当前转子状态标志位和上次电机转子状态标志位判断电机转子是否需要换相，若当前转子状态标志位和上次电机转子状态标志位不相同则需要换相，然后对电机的三相进行驱动切换完成换相操作；电机转子状态的换相流程为电机转子状态标志位1-电机转子状态标志位2-电机转子状态标志位3-电机转子状态标志位4-电机转子状态标志位5-电机转子状态标志位6，对应霍尔信号顺序为101-100-110-010-011-001，对应换相驱动方式顺序为A驱动，BC接地-AC驱动，B接地-C驱动，AB接地-BC驱动，A接地-B驱动，AC接地-AB驱动，C接地；

步骤三：若当前转子状态标志位和上次电机转子状态标志位相同则不要换相，然后判断时间是否满足主控制器的计时器计时时间，若时间满足，则对电机转子转速进行调控，若时间不满足，则重复判断电机转子是否需要换相。

本实施例中，对电机转子转速进行调控具体为根据电机的实际转速与目标转速计算出偏差，再根据PID算法计算出应实际输出的PWM波占空比，并根据占空比调节PWM波并输出至电机，其中，PWM波输出采用驱动电路输出，该驱动电路由IR2136S三相驱动器和MOSFE共同搭建而成；PID算法为离散增量式PID算法；在实际应用时，PID算法也可以采用位置式PID算法。

本实施例中，对电机转子转速进行调控包括如下步骤：

步骤一：主控制器读取电机电流值和目标转速数据，然后根据电机电流值计算出电机转子的实际转速，然后根据实际转速与目标转速数据计算出转速的偏差值err，并通过主控制器记录下本次和上一次的转速偏差值err，留备之后进行PID调节使用；

步骤二：主控制器根据步骤一中计算出的转速偏差值err计算应该输出的PWM波占空比；

步骤三：主控制器判断计算出的PWM波占空比是否在范围内，若在范围内，则输出对应的PWM波至电机；若不在范围内，则输出占空比极限值的PWM波至电机。

在实际应用时，参见图1所示，主控制器基于读取到的三相无刷电机的位置信息判断电机转子是否需要进行换相以及调速具体为：

主控制器读取霍尔传感器的信号，然后识别电机转子所在区间的电机转子状态标志位，然后主控制器再对电机转子所在区间的电机转子状态标志位进行判断；

若转子状态标志位为1，则判断上次转子状态标志位是不是1，若上次转子状态标志位不是1，则A相输出低电平，BC相输出PWM波；若上次转子状态标志位是1，则判断主控制器计时器计时是否达到10ms，若计时达到10ms，则PID调节占空比，使BC相输出占空比改变；若计时达到未达到10ms，则返回判断上次转子状态标志位是不是1；

若转子状态标志位不为1，则判断转子状态标志位是否为2；若转子状态标志位为2，则判断上次转子状态标志位是不是2，若上次转子状态标志位不是2，则AC相输出低电平，B相输出PWM波；若上次转子状态标志位是2，则判断主控制器计时器计时是否达到10ms，若计时达到10ms，则PID调节占空比，使B相输出占空比改变；若计时达到未达到10ms，则返回判断上次转子状态标志位是不是2；

若转子状态标志位不为2，则判断转子状态标志位是否为3；若转子状态标志位为3，则判断上次转子状态标志位是不是3，若上次转子状态标志位不是3，则C相输出低电平，AB相输出PWM波；若上次转子状态标志位是3，则判断主控制器计时器计时是否达到10ms，若计时达到10ms，则PID调节占空比，使AB相输出占空比改变；若计时达到未达到10ms，则返回判断上次转子状态标志位是不是3；

若转子状态标志位不为3，则判断转子状态标志位是否为4；若转子状态标志位为4，则判断上次转子状态标志位是不是4，若上次转子状态标志位不是4，则BC相输出低电平，A相输出PWM波；若上次转子状态标志位是4，则判断主控制器计时器计时是否达到10ms，若计时达到10ms，则PID调节占空比，使BC相输出占空比改变；若计时达到未达到10ms，则返回判断上次转子状态标志位是不是4；

若转子状态标志位不为4，则判断转子状态标志位是否为5；若转子状态标志位为5，则判断上次转子状态标志位是不是5，若上次转子状态标志位不是5，则B相输出低电平，AC相输出PWM波；若上次转子状态标志位是5，则判断主控制器计时器计时是否达到10ms，若计时达到10ms，则PID调节占空比，使AC相输出占空比改变；若计时达到未达到10ms，则返回判断上次转子状态标志位是不是5；

若转子状态标志位不为5，则判断转子状态标志位是否为6；若转子状态标志位为6，则判断上次转子状态标志位是不是6，若上次转子状态标志位不是6，则AB相输出低电平，C相输出PWM波；若上次转子状态标志位是6，则判断主控制器计时器计时是否达到10ms，若计时达到10ms，则PID调节占空比，使C相输出占空比改变；若计时达到未达到10ms，则返回判断上次转子状态标志位是不是6；

若转子状态标志位不为6，则直接完成，然后再对电机进行其它方面检测。

本发明通过主控制器读取霍尔传感器的信号，根据信号判断目前电机转子所处的位置，并在电机转子到达换相位置时切换三相的输出电平，并在电机转动过程中利用PID算法调节输出的PWM波占空比，从而实现电机转子实际转速与目标转速的一致，完成对转速的精准控制；且采用三相同时导通的换向方案，电机三相同时工作，能够发挥出电机的最大输出功率，并且减弱了驱动电路的电源波动等干扰，可以精准的对电机的转速进行控制。

以上所述仅是本发明专利的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明专利原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明专利的保护范围。

Claims (8)

1.一种无刷电机的精准变速六步换相控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：位置传感器采集三相无刷电机的位置信息，所述位置信息包括电机转子状态信号及电机电流值；

步骤二：主控制器读取采集到的三相无刷电机的位置信息；

步骤三：主控制器基于读取到的三相无刷电机的位置信息判断电机转子是否需要进行换相；若需要进行换相，则根据电机转子转向对定子的三相进行输出切换，若不需要进行换相，则在主控制器的计时器计时时间满足后，基于读取到的电机电流值计算出实际转速信号再对电机转子转速进行调控，若未达到主控制器的计时器计时时间的满足需求，则返回对电机转子是否需要换相进行判断。

2.根据权利要求1所述的一种无刷电机的精准变速六步换相控制方法，其特征在于，所述步骤一中位置传感器为霍尔传感器，所述霍尔传感器的数量为三根，且三根霍尔传感器互差120°电角度环绕设置在电机转子外周；三个霍尔传感器之间按周向顺序每间隔60°电角度将电机转子的位置划分为一个区间共计六种区间，所述六种区间分别对应电机转子状态标志位为1、电机转子状态标志位为2、电机转子状态标志位为3、电机转子状态标志位为4、电机转子状态标志位为5、电机转子状态标志位为6，且电机转子状态处于标志位1时对应A、B、C三路霍尔信号为101, 电机转子状态处于标志位2时对应A、B、C三路霍尔信号100, 电机转子状态处于标志位3时对应A、B、C三路霍尔信号110, 电机转子状态处于标志位4时对应A、B、C三路霍尔信号010, 电机转子状态处于标志位5时对应A、B、C三路霍尔信号011, 电机转子状态处于标志位6时对应A、B、C三路霍尔信号001。

3.根据权利要求1所述的一种无刷电机的精准变速六步换相控制方法，其特征在于，所述步骤二中主控制器为单片机。

4.根据权利要求2所述的一种无刷电机的精准变速六步换相控制方法，其特征在于，所述步骤三中主控制器基于读取到的三相无刷电机的转子状态信号进行判断具体包括如下步骤：

步骤一：主控制器接收并读取霍尔传感器传回的位置信息，然后识别电机转子所在区间的电机转子状态标志位；

步骤二：根据当前转子状态标志位和上次电机转子状态标志位判断电机转子是否需要换相，若当前转子状态标志位和上次电机转子状态标志位不相同则需要换相，然后对电机的三相进行驱动切换完成换相操作；电机转子状态的换相流程为电机转子状态标志位1-电机转子状态标志位2-电机转子状态标志位3-电机转子状态标志位4-电机转子状态标志位5-电机转子状态标志位6，对应霍尔信号顺序为101-100-110-010-011-001，对应换相驱动方式顺序为A驱动，BC接地-AC驱动，B接地-C驱动，AB接地-BC驱动，A接地-B驱动，AC接地-AB驱动，C接地；

步骤三：若当前转子状态标志位和上次电机转子状态标志位相同则不要换相，然后判断时间是否满足主控制器的计时器计时时间，若时间满足，则对电机转子转速进行调控，若时间不满足，则重复判断电机转子是否需要换相。

5.根据权利要求1所述的一种无刷电机的精准变速六步换相控制方法，其特征在于，所述对电机转子转速进行调控具体为根据电机的实际转速与目标转速计算出偏差，再根据PID算法计算出应实际输出的PWM波占空比，并根据占空比调节PWM波并输出至电机。

6.根据权利要求5所述的一种无刷电机的精准变速六步换相控制方法，其特征在于，所述PWM波输出采用驱动电路输出。

7.根据权利要求5所述的一种无刷电机的精准变速六步换相控制方法，其特征在于，所述PID算法为离散增量式PID算法或位置式PID算法。

8.根据权利要求5所述的一种无刷电机的精准变速六步换相控制方法，其特征在于，所述对电机转子转速进行调控包括如下步骤：

步骤一：主控制器读取电机电流值和目标转速数据，然后根据电机电流值计算出电机转子的实际转速，然后根据实际转速与目标转速数据计算出转速的偏差值err，并通过主控制器记录下本次和上一次的转速偏差值err，留备之后进行PID调节使用；

步骤二：主控制器根据步骤一中计算出的转速偏差值err计算应该输出的PWM波占空比；

步骤三：主控制器判断计算出的PWM波占空比是否在范围内，若在范围内，则输出对应的PWM波至电机；若不在范围内，则输出占空比极限值的PWM波至电机。

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