CN113422545B - 一种直流无刷无感电机驱动控制系统及方法 - Google Patents

一种直流无刷无感电机驱动控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种直流无刷无感电机驱动控制系统和方法，包括：第一电流电压采集模块，用于采集电机的线圈电流和感生电动势；过零点判断模块用于根据线圈电流和感生电动势实时分析对比确定转子与定子的电气相对位置，根据电气相对位置判断过零点，并根据过零点产生换相信号；驱动模块，用于根据换相信号驱动电机进行换相；启动控制信号预设有N个依次降低的换相间隔时间；电机依次按照N个换相间隔时间进行换相。本发明可实现更高精度和更快速可靠的电机驱动控制；在硬件和软件上兼容实现了AD过零点检测和比较器过零点检测，低速场合用AD过零点检测，高速场合用比较器过零点检测，对芯片平台而言更通用，更灵活。

Description

一种直流无刷无感电机驱动控制系统及方法
技术领域
本发明涉及电机技术领域，尤其是一种直流无刷无感电机驱动控制系统及方法。
背景技术
目前市面上的直流无刷电机分为有感直流无刷电机和无感直流无刷电机两种。无感电机在电机内部没有位置传感器，所以在应用中，驱动模组通过不断采集驱动电流及电机线圈产生反向电动势，进行线圈位置的判定。进行施加相应的激励信号，使电机工作。
现有技术的驱动模组方案，电机启动时，无法准确判断电机转子的位置，因而无法在最佳位置对电机线圈施加驱动信号，会导致电机力度偏小，启停容易抖动，启动失败等问题；且现有的驱动模组通用性差，只适用于特定的芯片平台。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种直流无刷无感电机驱动控制系统，可准确判断电机转子与定子电气相对位置，实现高精度、更快速可靠的电机驱动控制。
第一方面
本发明提供了一种直流无刷无感电机驱动控制系统，包括：
第一电流电压采集模块，用于采集电机的线圈电流和感生电动势；
主控模块，包括过零点判断模块；所述过零点判断模块用于根据线圈电流和感生电动势实时分析对比确定转子与定子的电气相对位置，根据所述电气相对位置判断过零点，并根据过零点产生换相信号。
驱动模块，用于根据所述换相信号驱动电机进行换相；
所述主控模块还包括启动控制模块，启动控制信号预设有N个依次降低的换相间隔时间，N为自然数；启动控制模块通过驱动模块驱动电机依次按照N个换相间隔时间进行换相。
优选地，所述过零点判断模块包括AD过零点判断模块；所述AD过零点判断模块根据所述感生电动势得到悬浮相电压和中点电压，通过比较悬浮相电压和中点电压得到过零点，并根据过零点产生换相信号。
优选地，所述过零点判断模块还包括比较器过零点判断模块，根据比较器中断得到过零点，并根据过零点产生换相信号。
优选地，所述主控模块还包括PID闭环控制模块，PID闭环控制模块包括速度环控制模块和电流环控制模块，速度环控制模块和电流环控制模块对电机进行双闭环控制。
优选地，所述控制系统还包括第二电流电压采集模块，用于采集母线电流和母线电压；
所述主控模块还包括保护模块，保护模块用于根据母线电流和母线电压判断电机是否工作异常，若是，则报警提示；所述工作异常包括过流、过压、欠压和堵转。
优选地，还包括报警模块，根据所述报警信号报警提示。
优选地，N个换相间隔时间按等比降低。
第二方面
本发明提供了一种直流无刷无感电机驱动控制方法，包括以下步骤：
S1、开环拖动，系统启动，预设N个依次降低的换相间隔时间，N为自然数；电机按照N个换相间隔时间进行换相；
S2、根据所述感生电动势得到悬浮相电压和中点电压，通过比较悬浮相电压和中点电压得到过零点，切到闭环，并根据过零点产生换相信号；或者，根据比较器中断得到过零点，切到闭环，并根据过零点产生换相信号；
S3、采用增量PID控制方式，以速度环和电流环对电机进行双闭环控制。
优选地，还包括步骤S4、根据母线电流和母线电压判断电机是否工作异常，若是，则产生报警信号；所述工作异常包括过流、过压、欠压和堵转。
优选地，N个换相间隔时间按等比降低。
本发明的有益效果为：
一、可实现更高精度和更快速可靠的电机驱动控制；
二、不依赖于特定的芯片平台，具备很好的兼容性和可扩展性；
三、在硬件和软件上兼容实现了AD过零点检测和比较器过零点检测，非常灵活，低速场合用AD过零点检测，高速场合用比较器过零点检测，对芯片平台而言更通用，要求更低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明实施例一种直流无刷无感电机驱动控制系统的结构示意图；
图2为本发明实施例一种直流无刷无感电机驱动控制方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
具体实现中，本发明实施例中描述的客户端可以为移动电话、膝上型计算机或平板计算机之类的便携式设备。客户端支持各种应用程序，例如以下中的一个或多个：绘图应用程序、演示应用程序、文字处理应用程序、网站创建应用程序、盘刻录应用程序、电子表格应用程序、游戏应用程序、电话应用程序、视频会议应用程序、电子邮件应用程序、即时消息收发应用程序、锻炼支持应用程序、照片管理应用程序、数码相机应用程序、数字摄影机应用程序、web浏览应用程序、数字音乐播放器应用程序和/或数字视频播放器应用程序。
如图1所示，本发明实施例提供给了一种直流无刷无感电机驱动控制系统，包括：第一电流电压采集模块，用于采集电机的线圈电流和感生电动势；主控模块，包括过零点判断模块，用于根据线圈电流和感生电动势实时分析对比确定转子与定子的电气相对位置；当转子与定子的电气相对位置在效能最高的点的情况下，效能最高的点即为过零点，主控模块产生换相信号；驱动模块，用于根据换相信号驱动电机进行换相；主控模块还包括启动控制模块，启动控制信号预设有N个按等比降低的换相间隔时间，N为自然数；启动控制模块通过驱动模块驱动电机按照N个按等比降低的换相间隔时间进行换相。启动控制模块具体工作原理为：设置开始换相间隔时间是30ms，每次间隔上次时间15/16后换相，一直到时间间隔小于2.3ms，即换相40次。在此过程中，电机慢慢提速，有了感生电动势，进入检测效能最高的点即过零点，检测到过零点后，按换相表进行正常的闭环换相，若检测不到过零点，则加大PWM，重新检测过零点。
过零点判断模块包括AD过零点判断模块，AD过零点判断模块根据感生电动势得到悬浮相电压和中点电压，通过比较悬浮相电压和中点电压得到过零点，并根据过零点产生换相信号。本发明实施例中，电机包括A、B、C三个线圈，AD过零点判断模块具体工作原理为：在A、B相导通的时候，C线圈产生较大的感生电动势，此时C相的电压大于中点电压。随着转子继续向前转动，C线圈的感生电动势逐渐减小，减小到0时，此时C相的电压就是中点电压，也就是母线电压的一半；随着转子继续转动，C线圈产生的电动势方向变反，此时C相的电压小于中点电压；说明C相电压经过了由大于中点电压到小于中点电压的跳变，过零事件被检测到。本发明实施例通过四路AD，持续采样A、B、C相的电压和中点电压，当悬浮相的电压与中点电压比较结果发生反向时，则过零点被检测到，延迟消磁处理后，根据换相表进行正确换相。
过零点判断模块还包括比较器过零点判断模块，根据比较器中断得到过零点，并根据过零点产生换相信号。比较器过零点判断模块具体工作原理为：设置比较器后，开启比较器检测，使能比较器中断；找过零点，如果找到，先关闭比较器中断和定时器，读取60度相区的时间T0，时间限幅和历史时间加权平均，时间的1/4作为换向时间，1/4作为屏蔽时间；将移相时间设置为T1的时间；累计6次一圈的时间，用来计算速度；T1时间到进入中断，开始换相，将屏蔽时间设置为T1的时间；下次T1时间到进入中断切换比较器通道；如果没进入比较器中断连续两次(未找到过零点)则关闭比较器中断，关闭定时器。
主控模块还包括PID闭环控制模块，PID闭环控制模块包括速度环控制模块和电流环控制模块，速度环控制模块和电流环控制模块对电机进行双闭环控制。PID闭环控制模块，通过获取电机实际的转速和目标的转速，动态控制快速平稳的达到目标速度，即使外加负载，也可稳定调速。
控制系统还包括第二电流电压采集模块，用于采集母线电流和母线电压。主控模块还包括保护模块，保护模块用于根据母线电流和母线电压判断电机是否工作异常，若是，则产生报警信号；工作异常包括过流、过压、欠压和堵转。本发明实施例还包括报警模块，根据报警信号报警提示。保护模块和报警模块保护电路和电机，可让系统安全可靠的运行。
本发明实施例还提供了一种直流无刷无感电机驱动控制方法，如图2所示，包括以下步骤：
步骤一：上电，自检，判断自检是否通过，若是，则进入步骤二；若否，显示自检错误，闪灯提示；
步骤二、开环拖动，系统启动，预设N个按等比降低的换相间隔时间，N为自然数；电机按照N个换相间隔时间进行换相；
步骤二具体为：设置开始换相间隔时间是30ms，每次间隔上次时间15/16后换相，一直到时间间隔小于2.3ms，即换相40次。在此过程中，电机慢慢提速，有了感生电动势。
步骤三、根据感生电动势得到悬浮相电压和中点电压，通过比较悬浮相电压和中点电压得到过零点，切到闭环，并根据过零点产生换相信号；或者，根据比较器中断得到过零点，切到闭环，并根据过零点产生换相信号；
步骤三具体为：在A、B相导通的时候，C线圈产生较大的感生电动势，此时C相的电压大于中点电压。随着转子继续向前转动，C线圈的感生电动势逐渐减小，减小到0时，此时C相的电压就是中点电压，也就是母线电压的一半；随着转子继续转动，C线圈产生的电动势方向变反，此时C相的电压就小于中点电压；说明C相电压经过了由大于中点电压到小于中点电压的跳变，过零事件被检测到。本发明实施例通过四路AD，持续采样A、B、C相的电压和中点电压，当悬浮相的电压与中点电压比较结果发生反向时，则过零点被检测到，切到闭环，延迟消磁处理后，根据换相表进行正确换相。
或者，设置比较器后，开启比较器检测，使能比较器中断；找过零点，如果找到，先关闭比较器中断和定时器，读取60度相区的时间T0，时间限幅和历史时间加权平均，时间的1/4作为换向时间，1/4作为屏蔽时间；将移相时间设置为T1的时间；累计6次一圈的时间，用来计算速度；T1时间到进入中断，切到闭环，开始换相，将屏蔽时间设置为T1的时间；下次T1时间到进入中断切换比较器通道；如果没进入比较器中断连续两次(未找到过零点)则关闭比较器中断，关闭定时器。
步骤四、采用增量PID控制方式，以速度环和电流环对电机进行双闭环控制；
通过获取电机实际的转速和目标的转速，动态控制快速平稳的达到目标速度，即使外加负载，也可稳定调速。
步骤五、根据母线电流和母线电压判断电机是否工作异常，若是，则停机，闪灯提示；工作异常包括过流、过压、欠压和堵转；若否，返回步骤三。
本发明实施例通过的一种直流无刷无感电机驱动控制系统和方法，通过第一采样模块快速精确采样电机的线圈电流及感生电动势，数据处理模块实时分析对比确定转子与定子的电气相对位置，在效能最高的点进行换相，控制驱动模块根据调速需求施加最佳激励信号，实现电机的驱动；保护模块有过流、过压、欠压、堵转等保护功能，保护电路和电机，可让系统安全可靠的运行；PID闭环控制模块，通过获取电机实际转速和目标转速，动态控制快速平稳的达到目标速度，即使外加负载，也可稳定调速；在硬件和软件上兼容实现了AD过零点检测和比较器过零点检测，非常灵活，低速场合用AD过零点检测，高速场合用比较器过零点检测，对芯片平台而言更通用，要求更低。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (9)

1.一种直流无刷无感电机驱动控制系统，其特征在于：包括：
第一电流电压采集模块，用于采集电机的线圈电流和感生电动势；
主控模块，包括过零点判断模块；所述过零点判断模块用于根据线圈电流和感生电动势实时分析对比确定转子与定子的电气相对位置，根据所述电气相对位置判断过零点，并根据过零点产生换相信号；
驱动模块，用于根据所述换相信号驱动电机进行换相；
所述主控模块还包括启动控制模块，启动控制信号预设有N个依次降低的换相间隔时间，N为自然数；启动控制模块通过驱动模块驱动电机依次按照N个换相间隔时间进行换相；
所述过零点判断模块包括AD过零点判断模块；所述AD过零点判断模块根据所述感生电动势得到悬浮相电压和中点电压，通过比较悬浮相电压和中点电压得到过零点，并根据过零点产生换相信号；
所述电机包括A、B、C三个线圈，在A、B相导通的时候，C线圈产生感生电动势，此时C相的电压大于中点电压；随着转子继续向前转动，C线圈的感生电动势逐渐减小，减小到0时，此时C相的电压就是中点电压；随着转子继续转动，C线圈产生的电动势方向变反，此时C相的电压小于中点电压，过零点被检测到。
2.根据权利要求1所述的一种直流无刷无感电机驱动控制系统，其特征在于：所述过零点判断模块还包括比较器过零点判断模块，根据比较器中断得到过零点，并根据过零点产生换相信号。
3.根据权利要求1所述的一种直流无刷无感电机驱动控制系统，其特征在于：所述主控模块还包括PID闭环控制模块，PID闭环控制模块包括速度环控制模块和电流环控制模块，速度环控制模块和电流环控制模块对电机进行双闭环控制。
4.根据权利要求1所述的一种直流无刷无感电机驱动控制系统，其特征在于：所述控制系统还包括第二电流电压采集模块，用于采集母线电流和母线电压；
所述主控模块还包括保护模块，保护模块用于根据母线电流和母线电压判断电机是否工作异常，若是，则产生报警信号；所述工作异常包括过流、过压、欠压和堵转。
5.根据权利要求4所述的一种直流无刷无感电机驱动控制系统，其特征在于：还包括报警模块，根据所述报警信号报警提示。
6.根据权利要求1所述的一种直流无刷无感电机驱动控制系统，其特征在于：所述N个换相间隔时间按等比降低。
7.一种直流无刷无感电机驱动控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、开环拖动，系统启动，预设N个依次降低的换相间隔时间，N为自然数；电机按照N个换相间隔时间进行换相；
S2、根据感生电动势得到悬浮相电压和中点电压，通过比较悬浮相电压和中点电压得到过零点，切到闭环，并根据过零点产生换相信号；或者，根据比较器中断得到过零点，切到闭环，并根据过零点产生换相信号；
S3、采用增量PID控制方式，以速度环和电流环对电机进行双闭环控制；
所述根据感生电动势得到悬浮相电压和中点电压，通过比较悬浮相电压和中点电压得到过零点具体包括：
所述电机包括A、B、C三个线圈，在A、B相导通的时候，C线圈产生感生电动势，此时C相的电压大于中点电压；随着转子继续向前转动，C线圈的感生电动势逐渐减小，减小到0时，此时C相的电压就是中点电压；随着转子继续转动，C线圈产生的电动势方向变反，此时C相的电压小于中点电压，过零点被检测到。
8.根据权利要求7所述的一种直流无刷无感电机驱动控制方法，其特征在于：还包括步骤S4、根据母线电流和母线电压判断电机是否工作异常，若是，则报警提示；所述工作异常包括过流、过压、欠压和堵转。
9.根据权利要求7所述的一种直流无刷无感电机驱动控制方法，其特征在于：所述N个换相间隔时间按等比降低。
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