CN114204862B - 一种提高无刷直流电机低速性能的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高无刷直流电机低速性能的装置及方法，包括：驱动模块、无刷直流电机三相定子绕组、控制器、线电压采集模块；驱动模块与无刷直流电机三相定子绕组连接，用于驱动电机运行；线电压采集模块与无刷直流电机三相定子绕组连接，用于采集线电压；控制器IO接口P1～P6分别和驱动模块6个栅极输入相连，用于发送PWM给6个MOS管栅极，让电机转动；控制器IO接口P7～P9与线电压采集模块3个栅极输入相连，用于控制MOS管关断，控制所测线电压；控制器IO接口P10与线电压采集模块电压互感器相连，用于变换采集到的电压并传送给控制器。通过采集线电压，提高在无刷直流电机低速条件下，电压采集的精度。
Description
技术领域
本发明涉及无刷直流电机技术领域，具体的说是一种提高无刷直流电机低速性能的装置及方法。
背景技术
无刷直流电机具有控制简单、效率高、调速性能好、输出转矩大的特点。在机器人、航空航天、精密电子仪器与设备等对电机性能、控制精度要求较高的场合和领域，无刷直流电机的应用和研究收到了广泛的重视。
目前市面上电动自行车、两轮平衡车等在低速条件下运行时，给电机一个较小的反电动势电压，采集相电压波形，由于电压很小，因此误差较大。现有技术CN104467560A公开了一种无刷直流电机控制电路，具体公开了控制电路、电路信号采集电路、MCU处理芯片U3具有六路独立的PWM输出端口，每两路PWM输出端口组成一组，三组所述的PWM输出端口分别与无刷直流电机的的三相逆变电路相对应。但是存在检测两相之间的电压较难的问题，不易操作。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种提高在电机低速运行时相电压采集精度的装置和方法。
为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：
本发明是一种提高无刷直流电机低速性能的装置，包括驱动模块、无刷直流电机的三相定子绕组、控制器，驱动模块与无刷直流电机的三相定子绕组连接，用于驱动电机运行，线电压采集模块与三相定子绕组连接，用于采集相相之间的电压，控制器的数个IO接口分布与驱动模块的数个栅极输入相连，用于发送PWM给数个MOS管的栅极，控制器通过IO接口与线电压采集模块的3个MOS管的栅极输入和电压互感器相连。
本发明的进一步改进在于：驱动模块包括直流电源VDC、MOS管S1、MOS管S2、MOS管S3、MOS管S4、MOS管S5、第六MOS管，直流电源VDC的正极分别与MOS管S1的漏极、MOS管S3的漏极、MOS管S5的漏极连接，直流电源的负极分别和MOS管S4的源极、MOS管S6的源极、MOS管S2的源极连接，MOS管S1的源极、MOS管S4的漏极和三相定子绕组中的A相连接，MOS管S1的源极和MOS管S4的漏极连接；MOS管S3的源极、MOS管S6的漏极和三相定子绕组中的B相连接，MOS管S3的源极和MOS管S6的漏极连接，MOS管S5的源极、MOS管S2的漏极和三相定子绕组中的C相连接，MOS管S5的源极和MOS管S2的漏极连接。
本发明的进一步改进在于：控制器包括十个IO接口，分别为接口P1、接口P2、接口P3、接口P4、接口P5、接口P6、接口P7、接口P8、接口P9和接口P10，MOS管S1的栅极和接口P1连接，MOS管S2的栅极和接口P2连接，MOS管S3的栅极和接口P3连接，MOS管S4的栅极和接口P4连接，MOS管S5的栅极和接口P5连接，MOS管S6的栅极和接口P6连接。
本发明的进一步改进在于：线电压采集模块中的MOS管S7的漏极与三相定子绕组中的A相连接，线电压采集模块中的MOS管S8的漏极与三相定子绕组中的B相连接，线电压采集模块中的MOS管S9的漏极与三相定子绕组中的C相连接，用于无刷直流电机低速运行时采集线电压。电压互感器相分别与线电压采集模块中的MOS管S7、MOS管S8、MOS管S9的源极相连接，用于变换采集到的电压信号。
一种提高无刷直流电机低速性能的方法，控制方法包括如下步骤：
步骤1：通过线电压模块检测无刷直流电机的线电压；
步骤2：确定线反电动势过零点对应的电角度；
步骤3：根据线反电动势与霍尔传感器信号确定无刷直流电机换向点；
步骤4：根据换向点，判断无刷直流电机转子所在位置区间，完成位置检测。
本发明的进一步改进在于：步骤2中线反电动势为：
其中，“Uba、Uac、Ubc”为三相定子线反电动势，“E”为无刷直流电机的反电动势常数，“ω”为电机谐振角频率，由上式得到：在一个电周期内，线反电动势过零点对应的电角度分别为
本发明的进一步改进在于：步骤3中，当线反电动势值为正时，相应的霍尔信号输出为高电平，当线反电动势值为负时，相应的霍尔信号输出为低电平，在一个周期内，每路信号高低电平分别持续180°电角度，三路信号之间相位依次相差120°，当任意一路霍尔信号发生正向跳变或负向跳变时，则表明此时需要进行换向操作。
本发明的有益效果是：本发明的驱动模块与无刷直流电机的三相定子绕组连接，从而驱动电机运行，通过线电压采集模块实现相相之间电压的采集，采集到的电压经过电压互感器的变换后传递给控制器，控制器根据采集到的电压信息进一步控制电机，从而保证电机在低速时的性能。本发明通过线电压采集模块采集线电压，提高了在无刷直流电机处于低速条件下电压采集的精度。通过控制线电压采集模块的MOS管S7、MOS管S8和MOS管S9三个MOS管的关断采集两相之间的电压，操作简单、易于实现。通过电压互感器与MOS管S7、MOS管S8和MOS管S9的源极相连接，能够实现变换采集到的电压信号。
附图说明
图1为本发明具体实施例中的提高无刷直流电机低速性能装置的电路原理图。图2为本发明具体实施例中的提高无刷直流电机低速性能的指示方法流程图。
图3为本发明具体实施例中的提高无刷直流电机相电压及线电压示意图。
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。
本发明是一种提高无刷直流电机低速性能的装置，包括：驱动模块、无刷直流电机的三相定子绕组、控制器、线电压采集模块，驱动模块与无刷直流电机的三相定子绕组连接，用于驱动电机运行；线电压采集模块与无刷直流电机的三相定子绕组连接，用于采集相相之间的电压；
驱动模块包括直流电源VDC、MOS管S1～MOS管S6；
线电压采集模块包括MOS管S7～MOS管S9和电压互感器；
控制器具有十个IO接口，即，接口P1～接口P10；
其中：即，直流电源VDC的正极分别与MOS管S1、MOS管S3、MOS管S5的漏极连接，直流电源的负极分别和MOS管S4、MOS管S6、MOS管S2的源极连接，MOS管S1的源极、MOS管S4的漏极和无刷直流电机三相定子绕组中的A相连接，MOS管S1的源极和MOS管S4的漏极连接，MOS管S3的源极、MOS管S6的漏极和无刷直流电机三相定子绕组中的B相连接，MOS管S3的源极和MOS管S6的漏极连接，MOS管S5的源极、MOS管S2的漏极和无刷直流电机三相定子绕组中的C相连接，MOS管S5的源极和MOS管S2的漏极连接。
控制器的IO接口中的接口P1、接口P2、接口P3、接口P4、接口P5、接口P6分别和驱动模块的6个栅极输入相连，用于发送PWM给6个MOS管的栅极，可让电机正常转动，其中，MOS管S1的栅极和接口P1连接，MOS管S2的栅极和接口P2连接，MOS管S3的栅极和接口P3连接，MOS管S4的栅极和接口P4连接，MOS管S5的栅极和接口P5连接，MOS管S6的栅极和接口P6连接，控制器的IO接口中的接口P7、接口P8、接口P9分别与线电压采集模块的MOS管S7、MOS管S8和MOS管S9的栅极输入相连，用于控制MOS管的关断，从而控制所测的线电压，控制器的IO接口中的接口P10与线电压采集模块的电压互感器相连，用于变换采集到的电压并传送给控制器。
线电压采集模块中的MOS管S7的漏极与三相定子绕组中的A相连接，线电压采集模块中的MOS管S8的漏极与三相定子绕组中的B相连接，线电压采集模块中的MOS管S9的漏极与三相定子绕组中的C相连接，用于无刷直流电机低速运行时采集线电压；电压互感器相分别与线电压采集模块中的MOS管S7、MOS管S8、MOS管S9的源极相连接，用于变换采集到的电压信号。
本发明的提高无刷直流电机低速性能的控制方法包括如下步骤：
步骤1：通过线电压模块检测无刷直流电机的线电压；
步骤2：确定线反电动势过零点对应的电角度；
其中，线反电动势为：
其中，“Uba、Uac、Ubc”为三相定子线反电动势，“E”为无刷直流电机的反电动势常数，“ω”为电机谐振角频率；由线反电动势公式可得，在一个电周期内，线反电动势过零点对应的电角度分别为该组过零点依次滞后于反电动势过零点的电角度，因此与定子电流换向点同相位；
方波型无刷直流电机的理想反电势波形为120°平顶的梯形波，线反电动势波形为60°平顶的梯形波，根据上述推导可以看出，定子三相电流的换向点与线反电动势过零点同相位，所以线反电动势过零点的相位就是电机换向点的相位；步骤3：根据线反电动势与霍尔传感器信号确定无刷直流电机换向点；
当线反电动势值为正时，相应的霍尔信号输出为高电平，当线反电动势值为负时，相应的霍尔信号输出为低电平；在一个周期内，每路信号高低电平分别持续180°电角度，三路信号之间相位依次相差120°，当任意一路霍尔信号发生正向跳变或负向跳变时，则表明此时需要进行换向操作；同时，检测其他两路信号的电平，就可准确地判断转子所在的位置区间，完成转子位置检测；
步骤4：根据换向点，判断无刷直流电机转子所在位置区间，完成位置检测；具体操作如下：通过控制MOS管S7、S9开，MOS管S8关检测AC两相之间的线反电动势，通过与霍尔信号对比，A相霍尔信号在AC两相线反电动势过零点时发生跳变，相当于有霍尔状态下的A相霍尔换向；通过控制MOS管S7、S8开，MOS管S9关来检测BA两相之间的线反电动势，A相电压、B相电压、BA两相的线反电动势，通过与霍尔信号对比，B相霍尔信号在BA两相线反电动势过零点时发生跳变，相当于有霍尔状态下B相霍尔换向；通过控制MOS管S8、S7开，MOS管S7关来检测BC两相之间的线反电动势，B相电压、C相电压、BC两相的线反电动势，通过与霍尔信号对比，C相霍尔信号在BC两相线反电动势过零点时发生跳变，相当于有霍尔状态下C相霍尔换向；从而实现无刷直流电机的六步换向。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限定于特定的细节。
Claims (3)
1.一种提高无刷直流电机低速性能的装置，包括驱动模块、无刷直流电机的三相定子绕组、控制器，所述驱动模块与所述无刷直流电机的三相定子绕组连接，用于驱动电机运行，其特征在于：线电压采集模块与所述三相定子绕组连接，用于采集相相之间的电压，所述控制器的数个IO接口分布与所述驱动模块的数个栅极输入相连，用于发送PWM给数个MOS管的栅极，所述控制器通过IO接口与所述线电压采集模块的3个MOS管的栅极输入和电压互感器相连；所述线电压采集模块中的MOS管S7的漏极与所述三相定子绕组中的A相连接，所述线电压采集模块中的MOS管S8的漏极与所述三相定子绕组中的B相连接，所述线电压采集模块中的MOS管S9的漏极与所述三相定子绕组中的C相连接，用于无刷直流电机低速运行时采集线电压；所述电压互感器相分别与所述线电压采集模块中的MOS管S7、MOS管S8、MOS管S9的源极相连接，用于变换采集到的电压信号。
2.根据权利要求1所述一种提高无刷直流电机低速性能的装置，其特征在于：所述驱动模块包括直流电源VDC、MOS管S1、MOS管S2、MOS管S3、MOS管S4、MOS管S5、第六MOS管，所述直流电源VDC的正极分别与MOS管S1的漏极、MOS管S3的漏极、MOS管S5的漏极连接，所述直流电源的负极分别和所述MOS管S4的源极、MOS管S6的源极、MOS管S2的源极连接，所述MOS管S1的源极、所述MOS管S4的漏极和所述三相定子绕组中的A相连接，所述MOS管S1的源极和所述MOS管S4的漏极连接；所述MOS管S3的源极、所述MOS管S6的漏极和所述三相定子绕组中的B相连接，所述MOS管S3的源极和所述MOS管S6的漏极连接，所述MOS管S5的源极、所述MOS管S2的漏极和所述三相定子绕组中的C相连接，所述MOS管S5的源极和所述MOS管S2的漏极连接。
3.根据权利要求2所述一种提高无刷直流电机低速性能的装置，其特征在于：所述控制器包括十个IO接口，分别为接口P1、接口P2、接口P3、接口P4、接口P5、接口P6、接口P7、接口P8、接口P9和接口P10，所述MOS管S1的栅极和所述接口P1连接，所述MOS管S2的栅极和所述接口P2连接，所述MOS管S3的栅极和所述接口P3连接，所述MOS管S4的栅极和所述接口P4连接，所述MOS管S5的栅极和所述接口P5连接，所述MOS管S6的栅极和所述接口P6连接。
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