CN115220431B

CN115220431B - 无感无刷电机控制器模拟负载电路及测试方法、设备

Info

Publication number: CN115220431B
Application number: CN202210907925.9A
Authority: CN
Inventors: 梁雄杰
Original assignee: Zhuhai Sv Tech Co ltd
Current assignee: Zhuhai Sv Tech Co ltd
Priority date: 2022-07-29
Filing date: 2022-07-29
Publication date: 2023-04-18
Anticipated expiration: 2042-07-29
Also published as: CN115220431A

Abstract

本发明提供一种无感无刷电机控制器模拟负载电路及测试方法、设备，该电路包括无刷电机控制器、控制芯片、开关控制电路、电压采集电路，在三相电机动力输出相线上连接有电机功率参数模拟电路，用于模拟电机所需功率参数；通过控制芯片获取到无刷电机控制器输出的三相电压信号，并产生一比较结果，控制芯片的控制端根据比较结果输出一模拟反电动势控制信号至开关控制电路，以控制开关控制电路进行模拟反电动势的变化过程，在无刷电机控制器进入工作状态后，通过改变模拟反电动势信号的频率来调节输出功率。本发明采用电路模拟电机负载的方式实现无刷电机控制器测试，无需外接实物电机，测试成本低，维护方便，噪音小，震动小，可靠性高。

Description

无感无刷电机控制器模拟负载电路及测试方法、设备

技术领域

本发明涉及电力配网技术领域，具体涉及一种无感无刷电机控制器模拟负载电路以及应用该测试仪的测试方法。

背景技术

市面上的无刷电机驱动器测试一般采用实物电机带负载的方式进行测试，将电机控制器与电机相连接，电机与测功机相连接，测功机负责给电机施加负载达到测试电机控制器的目的，这种直接带动实物电机的方式存在机械损耗，噪音大的缺点。

如图1所示，电机控制器作为整个动力系统组件进行测试，实物电机运作过程会产生机械损耗，轴与轴承之间会产生相对运动，久而久之电机轴和轴承就需要更换，从而造成机械损耗；实物电机运行时会产生电磁噪音和机械噪音，需要放置在专用的隔音房间；电机的旋转会产生震动，如果测试台没有进行减震处理震动会传递到楼层；该实物电机测试方式需要购买现成电机和测功机，测试成本高。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种无感无刷电机控制器模拟负载电路及其方法，该电路和方法可以解决实物电机工作时的机械损耗和电磁噪音等问题，其采用电路模拟电机负载的方式实现无刷电机控制器测试，无需外接实物电机，测试成本更低。

为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

无感无刷电机控制器模拟负载电路，包括：无刷电机控制器、控制芯片、开关控制电路、电压采集电路，所述无刷电机控制器的三相端子连接有三相电机动力输出相线，在所述三相电机动力输出相线上连接有电机功率参数模拟电路，用于模拟电机所需功率参数；

所述控制芯片的信号转换端通过所述电压采集电路获取到所述无刷电机控制器输出的三相电压信号，并产生一比较结果，所述控制芯片的控制端根据所述比较结果输出一模拟反电动势控制信号至所述开关控制电路，以控制所述开关控制电路进行模拟反电动势的变化过程，在所述无刷电机控制器进入工作状态后，通过改变模拟反电动势信号的频率来调节输出功率。

进一步的方案是，所述电机功率参数模拟电路包括三组RL网络电路，每一组RL网络电路均包括相互串联的电感和电阻。

更进一步的方案是，所述开关控制电路包括三个MOS管，三个所述MOS管的源极依次连接后接地，第一所述MOS管的栅极连接至所述控制芯片的EMF-U端，第二所述MOS管的栅极连接至所述控制芯片的EMF-V端，第三所述MOS管的栅极连接至所述控制芯片的EMF-W端，每个所述MOS管的漏极分别连接至所述三相电机动力输出相线，其中，在每一个所述MOS管的漏极上都连接有一个上拉电阻，用于将漏极电压上拉到VCC。

更进一步的方案是，所述电压采集电路包括三组分压电路，每一组分压电路均包括相互串联的两个电阻，其中，第一组分压电路连接至所述无刷电机控制器的U端，第二组分压电路连接至所述无刷电机控制器的V端，第三组分压电路连接至所述无刷电机控制器的W端。

无感无刷电机控制器模拟负载电路的测试方法，该方法应用于上述无感无刷电机控制器模拟负载电路进行测试，该方法包括以下步骤：将无刷电机控制器的S端与外部PWM信号发生器连接，由无刷电机控制器输出一三相电压信号；

控制芯片通过电压采集电路获取到无刷电机控制器输出的三相电压信号，并产生一比较结果，控制芯片根据该比较结果向开关控制电路的各相MOS管导通输入模拟反电动势脉冲信号；

根据控制芯片接收到的三相电压信号的压差值，通过执行数值比较函数即可确定导通相，再执行选择函数确定悬空相，给悬空相导入模拟反电动势脉冲信号，使得无刷电机控制器进入闭环控制模式，通过改变模拟反电动势脉冲信号的频率实时调节输出功率。

进一步的方案是，将无刷电机控制器的S端与定时器TIM连接，利用定时器TIM的输入捕捉功能捕捉外部PWM信号发生器的PWM信号，再根据PWM信号范围更改输出反电动势信号的输出频率，以模拟电机加速状态。

更进一步的方案是，所述通过执行数值比较函数Compare()即可确定导通相，包括将三相电压信号的压差值分为Vuv、Vvw和Vuw，将Vuv赋值给变量A，Vvw赋值给变量B，Vuw赋值给变量C；

把变量A赋值给中间变量MAX；判断变量B是否大于MAX；如是，则变量B赋值给MAX；判断变量C是否大于MAX；如是，则变量C赋值给MAX；

输出MAX，把MAX传递到选择函数；

若MAX值等于Vuv值，给W相MOS管导通输入模拟反电动势脉冲信号；

若MAX值等于Vvw值，给U相MOS管导通输入模拟反电动势脉冲信号；

若MAX值等于Vuw值，给V相MOS管导通输入模拟反电动势脉冲信号。

更进一步的方案是，在控制芯片ADC1、ADC2、ADC3分别获取到三相电压信号的压差值Vuv、Vvw、Vuw后，假设VCC为第一电压值，以及当前的导通相为UV相，悬空相为W相，则获取到的Vuv为第一电压值，Vvw为第二电压值，Vuw为第二电压值，执行数值比较函数Compare()确定Vuv为导通相，再执行选择函数Select()导通悬空相对应的IO输出，其中，第一电压值大于第二电压值。

更进一步的方案是，在VCC为第一电压值时，导通相的中点电压为零点电压，将悬空相的线圈连接在VCC和GND上，通过导通和关闭MOS管产生由VCC到GND的跳变电压，将控制芯片控制MOS管导通的EMF端口作为程序控制输出的IO口。

电机仿真测试设备，包括：外部PWM信号发生器、定时器TIM和上述的无感无刷电机控制器模拟负载电路；其中，所述外部PWM信号发生器、定时器TIM分别与无刷电机控制器连接。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、成本低，相比较于传统的实物电机测试方式，本发明无需购买现成电机和测功机，通过简单的电路结构(如负载器件电感、电阻和信号发生电路等)即可完成无刷电机控制器测试，操作简单，成本低廉，易于在市面推广使用。

2、维护方便，相比较于传统的实物电机运作过程会产生机械损耗的问题，本发明仅仅通过电路形式就能完成无刷电机控制器测试，无机械损耗，维护更加方便。

3、噪音小，相比较于传统的实物电机运行时会产生电磁噪音和机械噪音，本发明并没有机械结构，不存在噪音问题。

4、震动小，相比较于传统的实物电机旋转会产生震动的问题，本发明并没有机械结构，不存在震动问题。

5、可靠性高，相比较于传统的实体电机，应用本发明可以更加节省成本，从而提高系统可靠性，减少电气连接的数量，消除机械对准问题并减小电机的尺寸和重量。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是现有技术中的一种无刷电机驱动器测试的示意图。

图2是本发明一种无感无刷电机控制器模拟负载电路实施例的电路原理图。

图3是本发明一种无感无刷电机控制器模拟负载电路的测试方法实施例的流程图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当人认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

无感无刷电机控制器模拟负载电路实施例：

参见图2，本发明提供的一种无感无刷电机控制器模拟负载电路，包括：无刷电机控制器U1、控制芯片U2、开关控制电路、电压采集电路，无刷电机控制器U1的三相端子连接有三相电机动力输出相线，在三相电机动力输出相线上连接有电机功率参数模拟电路，用于模拟电机所需功率参数。

在本实施例中，控制芯片U2的信号转换端通过电压采集电路获取到无刷电机控制器U1输出的三相电压信号，并产生一比较结果，控制芯片U2的控制端根据比较结果输出一模拟反电动势控制信号至开关控制电路，以控制开关控制电路进行模拟反电动势的变化过程，在无刷电机控制器U1进入工作状态后，通过改变模拟反电动势信号的频率来调节输出功率。

在本实施例中，电机功率参数模拟电路包括三组RL网络电路，每一组RL网络电路均包括相互串联的电感和电阻，其中，第一组RL网络电路包括电感L1和电阻R1，电感L1与电阻R1串联，第二组RL网络电路包括电感L2和电阻R2，电感L2与电阻R2串联，第三组RL网络电路包括电感L3和电阻R3，电感L3与电阻R3串联。

在本实施例中，开关控制电路包括三个MOS管，三个MOS管的源极依次连接后接地，MOS管MOS-U的栅极连接至控制芯片U2的EMF-U端，MOS管MOS-V的栅极连接至控制芯片U2的EMF-V端，MOS管MOS-W的栅极连接至控制芯片U2的EMF-W端，每个MOS管的漏极分别连接至三相电机动力输出相线，其中，在每一个MOS管的漏极上都连接有一个上拉电阻，用于将漏极电压上拉到VCC，如MOS管MOS-U的漏极上连接有上拉电阻R10，MOS管MOS-V的漏极上连接有上拉电阻R11，MOS管MOS-W的漏极上连接有上拉电阻R12。

在本实施例中，电压采集电路包括三组分压电路，每一组分压电路均包括相互串联的两个电阻，其中，第一组分压电路连接至无刷电机控制器U1的U端，第二组分压电路连接至无刷电机控制器U1的V端，第三组分压电路连接至无刷电机控制器U1的W端。其中，第一组分压电路包括电阻R4和电阻R5，电阻R4与电阻R5串联，第二组分压电路包括电阻R6和电阻R7，电阻R6与电阻R7串联，第三组分压电路包括电阻R8和电阻R9，电阻R8与电阻R9串联。

如图2所示，无刷电机控制器U1的U、V、W三线为电机动力输出相线，直接连接到三组由电阻R1、R2、R3和电感L1、L2、L3组成的电机功率参数功率模拟器件，电阻为模拟电机阻抗铜损等，电感为模拟续流阶段的损耗。EMF-U,EMF-V,EMF-W为控制芯片U2的模拟反电动势控制端，由控制芯片U2输出信号控制MOS-U、MOS-V和MOS-W，模拟反电动势在VCC到GND的变化过程。

进一步的，通过分压网络的电阻R4、R5、R6、R7、R8和R9得到Vuv、Vvw和Vuw，并输出至模拟数字转换模块ADC1、ADC2和ADC3，通过控制芯片U2将获取到的无刷电机控制器U1输出的线电压进行比较，进而判断导通相和悬空相。

进一步的，无刷电机控制器U1的S端与模拟负载的定时器TIM1连接实现识别当前占空比，实现输出频率控制。

无感无刷电机控制器模拟负载电路的测试方法实施例：

本实施例提供一种无感无刷电机控制器模拟负载电路的测试方法，该方法应用于上述一种无感无刷电机控制器模拟负载电路进行测试，如图3所示，该方法包括以下步骤：

步骤S1，将无刷电机控制器U1的S端与外部PWM信号发生器连接，由无刷电机控制器U1输出一三相电压信号。

步骤S2，控制芯片U2通过电压采集电路获取到无刷电机控制器U1输出的三相电压信号，并产生一比较结果，控制芯片U2根据该比较结果向开关控制电路的各相MOS管导通输入模拟反电动势脉冲信号。

步骤S3，根据控制芯片U2接收到的三相电压信号的压差值，通过执行数值比较函数即可确定导通相，再执行选择函数确定悬空相，给悬空相导入模拟反电动势脉冲信号，使得无刷电机控制器U1进入闭环控制模式，通过改变模拟反电动势脉冲信号的频率实时调节输出功率。

在本实施例中，将无刷电机控制器U1的S端与定时器TIM连接，利用定时器TIM的输入捕捉功能捕捉外部PWM信号发生器的PWM信号，再根据PWM信号范围更改输出反电动势信号的输出频率，以模拟电机加速状态。

具体的，首先，无刷电机控制器U1是由S端外部的PWM信号控制输出大小，单片机程序接收到PWM信号后判断PWM信号的范围，范围越大控制输出的三相线占空比越高，功率也就越大，但是由于模拟负载并没有真实转子，所以反电动势的变化频率并不会改变，因为反电动势的频率是由真实转子运动切割磁感线的速度快慢而产生的，所以本实施例将S端的PWM信号与虚拟负载的定时器TIM连接，利用定时器TIM的输入捕捉功能捕捉PWM信号，再根据PWM信号范围更改输出反电动势的频率，模拟电机加速状态。

在上述步骤S3中，通过执行数值比较函数Compare()即可确定导通相，包括将三相电压信号的压差值分为Vuv、Vvw和Vuw，将Vuv赋值给变量A，Vvw赋值给变量B，Vuw赋值给变量C。

接着，把变量A赋值给中间变量MAX；判断变量B是否大于MAX；如是，则变量B赋值给MAX；判断变量C是否大于MAX；如是，则变量C赋值给MAX。

然后，输出MAX，把MAX传递到选择函数；

通过单片机程序判断哪一组的压差最大就判定为导通相，剩下的一组则为悬空相，给悬空相导入模拟反电动势信号使得无刷电机控制器U1让其误认为进入闭环控制，最终让无刷电机控制器U1工作起来，通过改变反电动势信号的频率达到调节输出功率目的，通过改变模拟负载的电感，电阻达到改变模拟负载的目的。

在上述步骤S3中，在控制芯片U2的ADC1、ADC2、ADC3分别获取到三相电压信号的压差值Vuv、Vvw、Vuw后，假设VCC为第一电压值，以及当前的导通相为UV相，悬空相为W相，则获取到的Vuv为第一电压值，Vvw为第二电压值，Vuw为第二电压值，执行数值比较函数Compare()确定Vuv为导通相，再执行选择函数Select()导通悬空相对应的IO输出，其中，第一电压值大于第二电压值。

具体的，在控制芯片U2ADC1、ADC2、ADC3获取到三相电压的压差值Vuv、Vvw、Vuw后，假设VCC是12V，假设现阶段的导通相为UV相，悬空相为W相，那么获取到的Vuv为12V，Vvw为6V，Vuw为6V，只需要执行数值比较函数Compare()就能判断数值大的Vuv为导通相，再执行选择函数Select()导通悬空相对应的IO输出。

在VCC为第一电压值时，导通相的中点电压为零点电压，将悬空相的线圈连接在VCC和GND上，通过导通和关闭MOS管产生由VCC到GND的跳变电压，将控制芯片U2控制MOS管导通的EMF端口作为程序控制输出的IO口。

具体的，本实施例无传感器无刷电机控制器U1工作原理为：

1、预定位，无传感器电机由于没有传感器无法直接知道当前转子位置，需要对其中两相绕组进行导通，强行把转子定位到预设位置。

2、加速，预定位后无刷电机控制器U1已经知道转子的初始位置，但是由于转子处于静止状态或者转速不足，反电动势还处于非常弱的状态，所以无法获取到有效的反电动势过零信号，需要再执行六步换相程序，通过改变换相频率或者电压来实现转速增加达到提高反电动势目的。

3、切闭环，加速过程虽然转子也是在转动，但这个过程是开环的，本实施例需要切换到闭环模式，具体地当速度增加到足够大反电动势信号也随之增加，无刷电机控制器U1程序切换到闭环模式检测悬空相反电动势过零时刻，进入闭环工作模式。

因此，要使无传感器电机控制器工作需要两个条件：1、知道导通相是那组；2、对悬空相进行模拟反电动势信号输入。

在本实施例中，如何通过导通和关闭MOS管产生由VCC到GND的跳变电压，需要了解电机的反电动势过零事件，假设现在VCC电压为12V，导通相的中点电压为6V，该中点电压为所需要的零点，悬空相的线圈是连接在中点上的，所以悬空相的感生电动势是叠加在中点上的，真实电机转子转动会带动磁瓦切割磁感线产生一个正向和负向的电压，假设这个感生电压为±3V，那么悬空相电压会在6V-3V＝3V至6V+3V＝9V之间的范围变化，而当电压由9V变化到6V或者由3V变化到6V的过程，叫过零事件。可见，该电压变化范围要模拟这个过零事件最简单就是把悬空相接到VCC和GND上，通过导通和关闭MOS产生由VCC到GND的跳变值，而控制MOS导通的EMF端口为程序控制输出的IO口。

进一步的，对于Int Compare()//数值比较函数，返回值MAX

{

int a,b,max；//定义变量a,b,max

a＝Vuv；//通过ADC的ADC_GetValue()函数获取Vuv值并赋值给a变量

b＝Vvw；//通过ADC的ADC_GetValue()函数获取Vvw值并赋值给b变量

max＝Vuw；//通过ADC的ADC_GetValue()函数获取Vuw值并赋值给max变量

if(a>max)//如果a的值比MAX大，把a的值赋值给MAX

{max＝a；}

if(b>max)//如果b的值比MAX大，把b的值赋值给MAX

{max＝b；}

return max；//返回max

}。

进一步的，对于Select()//选择函数

{

switch(max)

case Vuv:GPIO_SetBit(EMF-W)；

delay US(100)；

GPIO_ResetBit(EMF-W)；//max的值与Vuv相等证明UV相为导通相，导通EMF-W引脚延时100US再关闭EMF-W引脚，模拟反电动势产生的跳变弦

break；

case Vvw:GPIO_SetBit(EMF-U)；

delay US(100)；

GPIO_ResetBit(EMF-U)；//max的值与Vvw相等证明VW相为导通相，导通EMF-U引脚延时100US再关闭EMF-U引脚，模拟反电动势产生的跳变弦

break；

case Vuw:GPIO_SetBit(EMF-V)；

delay US(100)；

GPIO_ResetBit(EMF-V)；//max的值与Vuw相等证明UW相为导通相，导通EMF-V引脚延时100US再关闭EMF-V引脚，模拟反电动势产生的跳变弦

break；

}

本实施例还提供一种电机仿真测试设备，包括：外部PWM信号发生器、定时器TIM和上述的无感无刷电机控制器U1模拟负载电路；其中，外部PWM信号发生器、定时器TIM分别与无刷电机控制器U1连接。

因此，通过上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

1、成本低，相比较于传统的实物电机测试方式，本发明无需购买现成电机和测功机，通过简单的电路结构(如负载器件电感、电阻和信号发生电路等)即可完成无刷电机控制器U1测试，操作简单，成本低廉，易于在市面推广使用。

2、维护方便，相比较于传统的实物电机运作过程会产生机械损耗的问题，本发明仅仅通过电路形式就能完成无刷电机控制器U1测试，无机械损耗，维护更加方便。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims

1.无感无刷电机控制器模拟负载电路的测试方法，其特征在于，该方法应用于一种无感无刷电机控制器模拟负载电路进行测试，所述无感无刷电机控制器模拟负载电路包括：

无刷电机控制器、控制芯片、开关控制电路、电压采集电路，所述无刷电机控制器的三相端子连接有三相电机动力输出相线，在所述三相电机动力输出相线上连接有电机功率参数模拟电路，用于模拟电机所需功率参数；

所述控制芯片的信号转换端通过所述电压采集电路获取到所述无刷电机控制器输出的三相电压信号，并产生一比较结果，所述控制芯片的控制端根据所述比较结果输出一模拟反电动势控制信号至所述开关控制电路，以控制所述开关控制电路进行模拟反电动势的变化过程，在所述无刷电机控制器进入工作状态后，通过改变模拟反电动势信号的频率来调节输出功率；

所述方法包括以下步骤：

将无刷电机控制器的S端与外部PWM信号发生器连接，由无刷电机控制器输出一三相电压信号；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述电机功率参数模拟电路包括三组RL网络电路，每一组RL网络电路均包括相互串联的电感和电阻。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述开关控制电路包括三个MOS管，三个所述MOS管的源极依次连接后接地，第一所述MOS管的栅极连接至所述控制芯片的EMF-U端，第二所述MOS管的栅极连接至所述控制芯片的EMF-V端，第三所述MOS管的栅极连接至所述控制芯片的EMF-W端，每个所述MOS管的漏极分别连接至所述三相电机动力输出相线，其中，在每一个所述MOS管的漏极上都连接有一个上拉电阻，用于将漏极电压上拉到VCC。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：

所述电压采集电路包括三组分压电路，每一组分压电路均包括相互串联的两个电阻，其中，第一组分压电路连接至所述无刷电机控制器的U端，第二组分压电路连接至所述无刷电机控制器的V端，第三组分压电路连接至所述无刷电机控制器的W端。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

将无刷电机控制器的S端与定时器TIM连接，利用定时器TIM的输入捕捉功能捕捉外部PWM信号发生器的PWM信号，再根据PWM信号范围更改输出反电动势信号的输出频率，以模拟电机加速状态。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过执行数值比较函数Compare()即可确定导通相，包括：

将三相电压信号的压差值分为Vuv、Vvw和Vuw，将Vuv赋值给变量A，Vvw赋值给变量B，Vuw赋值给变量C；

输出MAX，把MAX传递到选择函数；

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：

在控制芯片ADC1、ADC2、ADC3分别获取到三相电压信号的压差值Vuv、Vvw、Vuw后，假设VCC为第一电压值，以及当前的导通相为UV相，悬空相为W相，则获取到的Vuv为第一电压值，Vvw为第二电压值，Vuw为第二电压值，执行数值比较函数Compare()确定Vuv为导通相，再执行选择函数Select()导通悬空相对应的IO输出，其中，第一电压值大于第二电压值。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：

在VCC为第一电压值时，导通相的中点电压为零点电压，将悬空相的线圈连接在VCC和GND上，通过导通和关闭MOS管产生由VCC到GND的跳变电压，将控制芯片控制MOS管导通的EMF端口作为程序控制输出的IO口。