CN114152802A - 一种无刷直流电机无位置传感器控制电压采样方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无刷直流电机无位置传感器控制电压采样方法及系统，电压采样方法包括：设置相电压采样的预定时刻；判断驱动波形的占空比；根据驱动波形的占空比判断精准的相电压采样点；根据采样结果判断相电压过零点；本发明通过利用驱动信号占空比不同大小，选取不同采样点，从而得到准确的相电压，可大幅提高电机运行的稳定性，使电机功率损耗更少、控制精确度更高，让终端用户更好的使用BLDC操作。本发明可广泛应用于工业自动化、仪器仪表、医疗、消费电子、汽车等需要高精度电机控制领域。

Description

一种无刷直流电机无位置传感器控制电压采样方法及系统
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，具体的说是一种无刷直流电机无位置传感器控制电压采样方法及系统。
背景技术
目前的无传感器型的无刷直流电机的控制方法主要是通过模数转换器(ADC)或者比较器采集电机的相电压过零点信号。虽然模数转换器采集相电压的方法算法比较复杂，但由于很多MCU内部都集成有模数转换器，对于三相电机来说，可以节省三个比较器，从而节省体积和成本。模数转换器需要在特定的时间点进行采样，然后通过软件与零点进行比较，从而获得无刷直流电机的换相时刻，以预测无刷直流电机的下一次换相时刻。
在现有技术中，由于场效应晶体管(MOSFET)具有开关噪声，因此无刷直流电机的驱动信号在高电平和低电平之间进行切换时，其波形往往具有较大的波动，从而会导致相电压的采样结果不准确，严重时可导致电机无法正常工作。
发明内容
本发明提供了一种无位置传感器控制电压采样方法，以解决传统方法中由于场效应晶体管(MOSFET)具有开关噪声导致相电压采样不准确的问题。
为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：
本发明是一种无刷直流电机无位置传感器控制电压采样方法，包括如下步骤：
步骤1：设置相电压采样的预定时刻；
步骤2：判断驱动波形的占空比；
步骤3：根据驱动波形的占空比判断精准的相电压采样点；
步骤4：根据采样结果判断相电压过零点。
本发明的进一步改进在于：步骤1的具体操作为在驱动电路的每个上桥臂的工作阶段内，预定采样时刻设置为2个，分别为驱动波形的高电平阶段和低电平阶段。
本发明的进一步改进在于：驱动波形的产生方式采用中心对齐计数方式，当前计数值为count，中心计数值为center，比较值为ccr，count＞ccr输出高电平，count≤ccr输出低电平，高电平阶段的预置采样时刻为将一个PWM的周期内的高电平平等分为3段区域，将预定采样时刻设置在靠近该高电平下降边沿但不包括该下降边沿的那一段区域，即
Figure BDA0003352384090000021
区域。
本发明的进一步改进在于：低电平阶段的预置采样时刻为将一个PWM的周期内的低电平平等分为3段区域，将预定采样时刻设置在靠近该低电平上升边沿但不包括该上升边沿的那一段区域，即
Figure BDA0003352384090000022
区域。
本发明的进一步改进在于：步骤2的具体操作为根据下式判断驱动波形的占空比x：
Figure BDA0003352384090000023
本发明的进一步改进在于：步骤3的具体操作为：当占空比低于50％时，在MOS管关闭期间进行采样，即在驱动波形低电平预定时刻进行采样；当占空比高于50％时，在MOS管打开期间进行采样，即在驱动波形高电平预定时刻进行采样。
本发明的进一步改进在于：步骤4具体操作为在驱动电路中的场效应晶体管打开时，电压采样单元的采样电压是相电压叠加了1/2的母线电压后的电压，因此比较单元将采样结果与1/2的母线电压进行比较；若相邻的两个采样结果的电压从低于1/2母线电压变为高于1/2母线电压或者从高于1/2母线电压到低于1/2母线电压，则是相电压过零点了；当在驱动电路中的场效应晶体管关断时，电压采样单元的采样电压是单纯的相电压，相电压本身根据转子位置变化会由负变正，或者由正变负；但由于驱动电路上场效应晶体管中的反向二极管的影响，负的相电压会被拉到接近0V，因此在场效应晶体管关闭期间采集的相电压后与0进行比较，若相邻的两个采样结果的电压从0V变正或从正变0V时，则是相电压过零点了。
本发明的一种无刷直流电机无位置传感器控制电压采样系统，包括：驱动电路、电机模块、采样调整模块、电压采样单元、模数转换单元、比较单元、过零点判断单元、换相器；
驱动电路与电机模块相连，用来驱动电机进行工作，
采样调整模块与驱动电路相连，用来根据驱动电路中驱动波形的占空比来调整相电压采样区域；
电压采样单元与采样调整模块相连，用于对采样调整模块选择的采样区域进行电压采样；
模数转换单元分别与电压采样单元、比较单元相连，用于将电压采样单元提供的信号经转换连接到比较单元；
过零点判断单元分别与比较单元、换相器相连，用于将比较单元提供的信号经是否过零点判断后连接到换相器；
换相器与驱动电路相连，用于给换相器提供换相信号。
本发明的有益效果是：1、本发明提出的无刷直流电机无位置传感器控制电压的采样方法，实现了对无刷直流电机相电压的检测。
2、本发明利用驱动信号占空比不同大小，选取不同采样点，避开MOS开关时的噪声。从而得到准确的相电压电压，可大幅提高电机运行的稳定性。
3、本发明利用驱动信号占空比不同大小，选取不同采样点，简化了控制电路，降低了电路成本。
附图说明
图1为本发明具体实施的一种无位置传感器控制电压采样方法的流程图。
图2为本发明具体实施的相电压的采样预定时刻区域图。
图3为本发明具体实施的判断相电压过零点的具体流程图。
图4为本发明具体实施的一种无位置传感器控制电压采样系统的结构图。
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、完整的描述，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
本发明是一种无刷直流电机无位置传感器控制电压采样方法，包括如下步骤：
步骤1：设置相电压采样的预定时刻；在驱动电路的每个上桥臂的工作阶段内，预定采样时刻设置为2个，分别为驱动波形的高电平阶段和低电平阶段。
如图2所示，驱动波形的产生方式采用中心对齐计数方式，当前计数值为count，中心计数值为center，比较值为ccr，count＞ccr输出高电平，count≤ccr输出低电平。高电平的预置采样时刻为将一个PWM的周期内的高电平平等分为3段区域，将预定采样时刻设置在靠近该高电平下降边沿但不包括该下降边沿的那一段区域，即
Figure BDA0003352384090000041
区域；低电平的预置采样时刻为将一个PWM的周期内的低电平平等分为3段区域，将预定采样时刻设置在靠近该低电平上升边沿但不包括该上升边沿的那一段区域，即
Figure BDA0003352384090000042
区域，从而可以避免场效应晶体管的开关噪声对模数转换器采样造成的影响。
步骤2：判断驱动波形的占空比；根据下式判断驱动波形的占空比x：
Figure BDA0003352384090000043
步骤3：根据驱动波形的占空比判断精准的相电压采样点；当占空比低于50％时，在MOS管关闭期间进行采样，即在驱动波形低电平预定时刻进行采样；当占空比高于50％时，在MOS管打开期间进行采样，即在驱动波形高电平预定时刻进行采样。
步骤4：根据采样结果判断相电压过零点；
如图3所示，为本发明具体实施的判断相电压过零点的具体流程图，在驱动电路中的场效应晶体管打开时，电压采样单元的采样电压是相电压叠加了1/2的母线电压(即驱动电路电源电压)后的电压，因此比较单元将采样结果与1/2的母线电压进行比较。若相邻的两个采样结果的电压从低于1/2母线电压变为高于1/2母线电压或者从高于1/2母线电压到低于1/2母线电压，则是相电压过零点了。当在驱动电路中的场效应晶体管关断时，电压采样单元的采样电压是单纯的相电压，相电压本身根据转子位置变化会由负变正，或者由正变负。但由于驱动电路上场效应晶体管中的反向二极管的影响，负的相电压会被拉到接近0V，因此在场效应晶体管关闭期间采集的相电压后与0进行比较，若相邻的两个采样结果的电压从0V变正或从正变0V时，则是相电压过零点了。
本发明通过根据驱动波形的占空比判断精准的相电压采样点，避开场效应管开关时的噪声，不论占空比高低都可以得到准确的相电压，从而为MCU计算BLDC电机换相时间提供精确的相电压信号。
如图4所示，本发明提供了一种无刷直流电机无位置传感器控制电压采样系统，包括：驱动电路、电机模块、采样调整模块、电压采样单元、模数转换单元、比较单元、过零点判断单元、换相器；
驱动电路与电机模块相连，用来驱动电机进行工作；
电压采样单元与采样调整模块相连，用于对采样调整模块选择的采样区域进行电压采样。
模数转换单元分别与电压采样单元、比较单元相连，用于将电压采样单元提供的信号经转换连接到比较单元。
过零点判断单元分别与比较单元、换相器相连，用于将比较单元提供的信号经是否过零点判断后连接到换相器。
换相器与驱动电路相连，用于给换相器提供换相信号。本发明的电压采样系统电路简单，成本低。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种无刷直流电机无位置传感器控制电压采样方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：设置相电压采样的预定时刻；
步骤2：判断驱动波形的占空比；
步骤3：根据驱动波形的占空比判断精准的相电压采样点；
步骤4：根据采样结果判断相电压过零点。
2.根据权利要求1所述的一种无刷直流电机无位置传感器控制电压采样方法，其特征在于：步骤1的具体操作为在驱动电路的每个上桥臂的工作阶段内，预定采样时刻设置为2个，分别为驱动波形的高电平阶段和低电平阶段。
3.根据权利要求2所述的一种无刷直流电机无位置传感器控制电压采样方法，其特征在于：所述驱动波形的产生方式采用中心对齐计数方式，当前计数值为count，中心计数值为center，比较值为ccr，count＞ccr输出高电平，count≤ccr输出低电平，所述高电平阶段的预置采样时刻为将一个PWM的周期内的高电平平等分为3段区域，将预定采样时刻设置在靠近该高电平下降边沿但不包括该下降边沿的那一段区域，即
Figure FDA0003352384080000011
区域。
4.根据权利要求3所述的一种无刷直流电机无位置传感器控制电压采样方法，其特征在于：所述低电平阶段的预置采样时刻为将一个PWM的周期内的低电平平等分为3段区域，将预定采样时刻设置在靠近该低电平上升边沿但不包括该上升边沿的那一段区域，即
Figure FDA0003352384080000012
区域。
5.根据权利要求4所述的一种无刷直流电机无位置传感器控制电压采样方法，其特征在于：步骤2的具体操作为根据下式判断驱动波形的占空比x：
Figure FDA0003352384080000013
6.根据权利要求5所述的一种无刷直流电机无位置传感器控制电压采样方法，其特征在于：步骤3的具体操作为：当占空比低于50％时，在MOS管关闭期间进行采样，即在驱动波形低电平预定时刻进行采样；当占空比高于50％时，在MOS管打开期间进行采样，即在驱动波形高电平预定时刻进行采样。
7.根据权利要求6所述的一种无刷直流电机无位置传感器控制电压采样方法，其特征在于：步骤4的具体操作为在驱动电路中的场效应晶体管打开时，电压采样单元的采样电压是相电压叠加了1/2的母线电压后的电压，因此比较单元将采样结果与1/2的母线电压进行比较；若相邻的两个采样结果的电压从低于1/2母线电压变为高于1/2母线电压或者从高于1/2母线电压到低于1/2母线电压，则是相电压过零点了；当在驱动电路中的场效应晶体管关断时，电压采样单元的采样电压是单纯的相电压，相电压本身根据转子位置变化会由负变正，或者由正变负，但由于驱动电路上场效应晶体管中的反向二极管的影响，负的相电压会被拉到接近0V，因此在场效应晶体管关闭期间采集的相电压后与0进行比较，若相邻的两个采样结果的电压从0V变正或从正变0V时，则是相电压过零点了。
8.一种无刷直流电机无位置传感器控制电压采样系统，包括：驱动电路、电机模块、电压采样单元、换相器，所述驱动电路与电机模块相连，用来驱动电机进行工作，其特征在于：
采样调整模块与驱动电路相连，用来根据驱动电路中驱动波形的占空比来调整相电压采样区域；
所述电压采样单元与所述采样调整模块相连，用于对所述采样调整模块选择的采样区域进行电压采样；
模数转换单元分别与电压采样单元、比较单元相连，用于将所述电压采样单元提供的信号经转换连接到比较单元；
过零点判断单元分别与比较单元、换相器相连，用于将比较单元提供的信号经是否过零点判断后连接到换相器；
所述换相器与驱动电路相连，用于给换相器提供换相信号。
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