CN115224984A - 补偿无刷直流电机霍尔偏差的电路结构及角度控制器工作的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种补偿无刷直流电机霍尔偏差的电路结构，包括CPU，用于写入寄存器数值；角度控制器控制电机正反转以及补偿霍尔偏差；驱动波形发生器，根据角度控制器提供的角度信号DegOut和CPU提供的振幅信号rp_AmpIn生成驱动波形；PWM波发生器，生成驱动电机旋转的PWM信号；电机接收PWM波发生器产生的PWM信号开始旋转；霍尔信号检测器接收电机旋转后产生的霍尔传感器信号，经过处理传输给角度控制器，用于校准转子角度。本发明还涉及一种实现角度控制器工作方法。采用了本发明的补偿无刷直流电机霍尔偏差的电路结构及角度控制器工作的方法，上手快且操作方便简单，对技术人员要求不高，可以减少开发时间。本发明不需要复杂的软件程序，CPU占用资源少。

Description

补偿无刷直流电机霍尔偏差的电路结构及角度控制器工作的 方法

技术领域

本发明涉及补偿电机领域，尤其涉及霍尔偏差领域，具体是指一种补偿无刷直流电机霍尔偏差的电路结构及角度控制器工作的方法。

背景技术

通常在电机中安装霍尔传感器用于反馈电机转子的位置信息，然而霍尔传感器在安装时会存在一些机械偏差，会导致转子位置角估计偏差、转子平均速度波动、电机噪音增大。

目前大多采用软件程序来补偿霍尔偏差，需要软件人员编写复杂的软件程序，对软件人员的电机理论及数学理论要求较高，且CPU占用时间长。

以特定的方式按顺序给电机中的线圈交替供电才能使电机旋转起来，这种给线圈交替供电的行为称为换相。对于无刷直流电机必须根据转子的实际位置才能实现准确换相，霍尔传感器模式是取得电机转子位置信息的常用方法。一般而言，3个霍尔原件按照120°电角度均匀安装在电机中，理论上这样的排列会使霍尔信号跳变沿与电机的线反电动势过零点重合，如图1(a)所示，线反电动势过零点是无刷直流电机驱动控制的理想位置点，无刷直流电机直接利用该霍尔时刻作为电机理想换相点。然而由于安装产生的霍尔偏差会导致霍尔信号跳变沿相对于电机的线反电动势过零点超前或滞后的现象，如图1(b)和图1(c)所示，超前换相或滞后换相会引起电机端电压两侧波形不对称，使电机运转不稳，因此需要校准霍尔偏差才能换相。

目前大多采用软件程序来补偿霍尔传感器安装的机械偏差，软件补偿需要在高分辨率转子位置预估、转速预估及矢量控制的基础上得以实现，需要做零阶泰勒算法、傅里叶解耦变换等算法，需要大量的电机理论和数学理论的支持而且计算量大，实现过程比较复杂困难，而且复杂的软件程序会占用较多的CPU资源，不利于CUP进行其它控制。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种满足结构简便、有效性好、适用范围较为广泛的补偿无刷直流电机霍尔偏差的电路结构及角度控制器工作的方法。

为了实现上述目的，本发明的补偿无刷直流电机霍尔偏差的电路结构及角度控制器工作的方法如下：

该补偿无刷直流电机霍尔偏差的电路结构，其主要特点是，所述的电路结构包括：

CPU，用于写入寄存器数值，输出角度增量信号rp_DegCntInc、角度控制器的使能信号rp_DegCntEn、转子角度rp_UDeg1～6；

角度控制器，与所述的CPU、霍尔信号检测器和PWM波发生器相连接，用于控制电机正反转以及补偿霍尔偏差；

驱动波形发生器，与所述的CPU和角度控制器相连接，用于根据角度控制器提供的角度信号DegOut和CPU提供的振幅信号rp_AmpIn生成驱动波形；

PWM波发生器，与所述的角度控制器和驱动波形发生器相连接，用于根据驱动波形发生器提供的驱动波形信号生成驱动电机旋转的PWM信号；

电机，与所述的PWM波发生器相连接，用于接收PWM波发生器产生的PWM信号，并开始旋转；

霍尔信号检测器，与所述的电机和角度控制器相连接，用于接收电机旋转后产生的霍尔传感器信号，经过同步滤波处理，将霍尔信号PHU、PHV及PHW传输至角度控制器，选取需要校准的转子角度。

较佳地，所述的角度控制器写入CPU传输的使能信号rp_DegCntEn，根据角度增量信号rp_DegCntInc的最高位，控制电机进行正向旋转或反向旋转；霍尔信号变化时将对应的补偿角度DegCnt_hUVWChg更新至角度信号DegOut中。

较佳地，所述的角度增量信号rp_DegCntInc的最高位为0的情况下，角度计数器做加法运算，角度信号DegOut的数值从0°递增，角度增量为寄存器信号rp_DegCntInc的数值，电机进行正向旋转；所述的角度增量信号rp_DegCntInc的最高位为1的情况下，角度计数器做减法运算，角度信号DegOut的数值从360°递减，角度减量为寄存器信号rp_DegCntInc的绝对值，电机进行反向旋转。

较佳地，所述的霍尔信号PHU、PHV及PHW每隔60度发生变化。

较佳地，所述的电机进行正向旋转的情况下，若角度信号DegOut的数值大于等于360°，则将角度信号DegOut清零，继续从0°递增；所述的电机进行反向旋转的情况下，若角度信号DegOut的数值小于等于0°，则将角度信号DegOut置为9’d360，继续从360°递减。

较佳地，所述的寄存器信号rp_DegCntInc的写入值为补码形式。

该基于上述电路结构实现角度控制器工作的方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：

(1)根据电机转速配置寄存器rp_DegCntInc，设置角度增量，根据霍尔传感器安装的实际位置配置寄存器rp_UDeg1～6设置补偿角度；在配置寄存器rp_DegCntEn为1的情况下，电机开始运转；

(2)判断角度信号w_DegOut是否大于等于360°，如果是，则电机已旋转一周，将角度信号w_DegOut清零，电机从零开始旋转；否则，继续步骤(3)；

(3)判断三相霍尔信号PHU、PHV和PHW是否发生变化，如果是，将霍尔信号对应的补偿角度DegCnt_hUVWChg更新到角度信号w_DegOut；否则，继续步骤(4)；

(4)判断角度自增触发信号TRIG是否有效，如果是，则角度信号w_DegOut进行自增操作，且增量为rp_DegCntInc；否则，继续步骤(5)；

(5)保持角度信号w_DegOut不变，继续步骤(2)。

采用了本发明的补偿无刷直流电机霍尔偏差的电路结构及角度控制器工作的方法，上手快且操作方便简单，对技术人员要求不高，可以减少开发时间。本发明不需要复杂的软件程序，CPU占用资源少，本发明补偿超前换相和滞后换相的代码一致，节省芯片面积。

附图说明

图1为现有技术的霍尔信号跳变沿与电机的线反电动势相对位置关系示意图。

图2为一实施例的补偿无刷直流电机霍尔偏差的电路结构的霍尔信号与转子角度的对应关系示意图。

图3为本发明的补偿无刷直流电机霍尔偏差的电路结构的硬件控制电路结构框图示意图。

图4为本发明的补偿无刷直流电机霍尔偏差的电路结构的角度控制器电路结构示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

本发明提供一种硬件电路，不需要复杂的软件程序就可以实现有效地补偿电机中的霍尔传感器安装偏差，节省开发成本并减少CPU占用时间。

霍尔位置传感器按照120°电角度均匀排列在电机端部的集成电路板上，其磁极多采用与电机转子同级数的磁极片，理论上这样的排列会使霍尔信号跳变沿与电机的线反电动势过零点重合，此时在霍尔信号跳变沿处可以实现准确换相。霍尔传感器根据所对应的区域磁极片的极性产生0或1逻辑电平，电机顺时针旋转时三相霍尔信号{U，V，W}的顺序为5，4，6，2，3，1；逆时针旋转时三相霍尔信号{U，V，W}的顺序为1，3，2，6，4，5。顺时针旋转时三相霍尔信号{U，V，W}与转子角度的对应关系如图2(a)所示，5－＞30°，4－＞90°，6－＞150°，2－＞210°，3－＞270°，1－＞330°。由于霍尔偏差导致霍尔信号超前或滞后，图2(b)为霍尔信号超前，三相霍尔信号的跳变沿在理想换相时刻之前，例如5－＞28°，4－＞87°，6－＞149°，2－＞208°，3－＞268°，1－＞327°，图2(c)为霍尔信号滞后，三相霍尔信号的跳变沿在理想换相时刻之后，比如5－＞33°，4－＞94°，6－＞153°，2－＞215°，3－＞272°，1－＞331°。超前和滞后换相会引起电机电磁转矩波动，电机运行不平稳。

本发明提供一种硬件电路，简单有效地补偿电机中的霍尔传感器安装位置偏差。本发明的硬件电路结构包括CPU、角度控制器、驱动波形发生器、PWM波发生器、电机和霍尔信号检测器，结构框图如图3所示。CPU用于写入寄存器数值，寄存器rp_DegCntEn是角度控制器的使能信号，当rp_DegCntEn有效时角度控制器才工作；寄存器rp_DegCntInc是角度增量可以用于控制电机的正转和反转；寄存器rp_UDeg1、rp_UDeg2、rp_UDeg3、rp_UDeg4、rp_UDeg5、rp_UDeg6是转子角度用于更新角度控制器中的角度信号DegOut；寄存器rp_AmpIn是驱动电机的波形的振幅，振幅越大电机转速越快。

角度控制器是控制电机正反转以及补偿霍尔偏差的实现电路，是本发明的核心模块。

驱动波形发生器根据角度控制器提供的角度信号DegOut和CPU提供的振幅信号rp_AmpIn生成方波、弦波等驱动波形。

PWM波发生器根据驱动波形发生器提供的驱动波形信号生成直接驱动电机旋转的PWM信号。

电机接收到PWM信号开始旋转。

霍尔信号检测器接收到电机旋转后的霍尔传感器信号A、B、C，经过同步滤波等处理后将霍尔信号PHU、PHV、PHW发给角度控制器，用于选择需要校准的转子角度。

以下只详细说明角度控制器，角度控制器模块中含有一个角度计数器，来自PWM波发生器的角度自增触发信号TRIG和来自CPU的角度增量信号rp_DegCntInc可以控制这个角度计数器的计数值与电机转子的角度大体一致，而且霍尔信号{PHU，PHV，PHW}改变时会把当前实际的转子角度更新到角度计数器中，从而使角度计数器更加准确，可以看作该角度计数器与电机转子的角度是同步的，因此可以直接指定角度计数器的6个计数值作为换相点，分别是：9’d30、9’d90、9’d150、9’d210、9’d270、9’d330。

角度控制器的主要电路结构如图4所示，主要由选择器、比较器、加法器和触发器组成。角度控制器接收CPU提供的寄存器信号rp_DegCntEn、rp_UDeg1～6、rp_DegCntInc和霍尔信号检测器提供的三相霍尔信号PHU、PHV、PHW以及PWM波生成器提供的角度自增触发信号TRIG，最后输出角度信号DegOut。

寄存器rp_DegCntInc的写入值应为补码形式。

当角度增量信号rp_DegCntInc的最高位是0时，角度计数器做加法运算，角度信号DegOut的数值从0°开始递增，角度增量为寄存器信号rp_DegCntInc的数值，电机做正向旋转。

当角度增量信号rp_DegCntInc的最高位是1时，角度计数器做减法运算，角度信号DegOut的数值从360°开始递减，角度减量为寄存器信号rp_DegCntInc的绝对值，电机做反向旋转。

电机旋转起来后，霍尔信号PHU、PHV、PHW每隔60度变化一次，每当霍尔信号发生改变，霍尔值{PHU，PHV，PHW}对应的补偿角度DegCnt_hUVWChg就会更新到角度信号DegOut中，使角度信号DegOut与转子的角度一致。

电机正转时当角度信号DegOut的数值大于等于360°，电机已经旋转一周，此时把角度信号DegOut清零，继续从0°递增；电机反转时当角度信号DegOut的数值小于等于0°，电机已经旋转一周，此时把角度信号DegOut置为9’d360，继续从360°递减。

本发明的利用上述电路结构实现角度控制器工作的方法，其中包括以下步骤：

(1)结合电机转速配置寄存器rp_DegCntInc，设置角度增量；根据霍尔传感器安装的实际位置配置寄存器rp_UDeg1～rp_UDeg6，设置补偿角度；配置寄存器rp_DegCntEn＝1，电机开始运转，继续步骤(2)；

(2)判断角度信号w_DegOut是否大于等于360°，如果是，说明电机已旋转一周，把角度信号w_DegOut清0，电机从0°开始旋转；如果否，继续步骤(3)；

(3)判断三相霍尔信号PHU、PHV、PHW是否发生变化，如果是，把霍尔信号对应的补偿角度DegCnt_hUVWChg更新到角度信号w_DegOut中；如果否，继续步骤(4)；

(4)判断角度自增触发信号TRIG是否有效(高有效)，如果是，角度信号w_DegOut＝w_DegOut+rp_DegCntInc；如果否，继续步骤(5)；

(5)角度信号w_DegOut保持不变，继续步骤(2)。

本发明仅以上述电路结构为例进行说明，本发明覆盖范围包括但不仅限于以上电路结构，对于其它能实现通过霍尔信号补偿霍尔偏差的硬件电路结构依然适用。

对于本发明，只需对寄存器rp_UDeg1～rp_UDeg6写入相应的实际转子角度就可以有效地补偿霍尔偏差带来的超前换相和滞后换相，操作简单灵活。

本发明的实施例1如图2(a)所示，霍尔信号跳变沿对应的转子角度与理想换相角度一致，步骤1中对寄存器rp_UDeg1～6的写入值为：rp_UDeg5－＞9’d30，rp_UDeg4－＞9’d90，rp_UDeg6－＞9’d150，rp_UDeg2－＞9’d210，rp_UDeg3－＞9’d270，rp_UDeg1－＞9’d330。步骤3中当霍尔信号改变时，把9’d30、9’d90、9’d150、9’d210、9’d270、9’d330更新到角度信号DegOut中，电机会立即换相。

本发明的实施例2如图2(b)所示，霍尔信号跳变沿对应的转子角度比理想换相角度超前，步骤1中对寄存器rp_UDeg1～6的写入值为：rp_UDeg5－＞9’d28，rp_UDeg4－＞9’d87，rp_UDeg6－＞9’d149，rp_UDeg2－＞9’d208，rp_UDeg3－＞9’d268，rp_UDeg1－＞9’d327。步骤3中当霍尔信号改变时，把9’d28、9’d87、9’d149、9’d208、9’d268、9’d327更新到角度信号DegOut中，会校准角度信号DegOut，角度信号DegOut继续递增到指定的换相角度进行换相。

本发明的实施例3如图2(c)所示，霍尔信号跳变沿对应的转子角度比理想换相角度滞后，步骤1中对寄存器rp_UDeg1～6的写入值为：rp_UDeg5－＞9’d33，rp_UDeg4－＞9’d94，rp_UDeg6－＞9’d153，rp_UDeg2－＞9’d215，rp_UDeg3－＞9’d272，rp_UDeg1－＞9’d331。步骤3中当霍尔信号改变时，电机已经按指定的角度进行换相，把9’d33、9’d94、9’d153、9’d215、9’d272、9’d331更新到角度信号DegOut中，会校准角度信号DegOut使下次换相的时机更准确。

采用了本发明的补偿无刷直流电机霍尔偏差的电路结构及角度控制器工作的方法，上手快且操作方便简单，对技术人员要求不高，可以减少开发时间。本发明不需要复杂的软件程序，CPU占用资源少，本发明补偿超前换相和滞后换相的代码一致，节省芯片面积。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (7)

1.一种补偿无刷直流电机霍尔偏差的电路结构，其特征在于，所述的电路结构包括：

CPU，用于写入寄存器数值，输出角度增量信号rp_DegCntInc、角度控制器的使能信号rp_DegCntEn、转子角度rp_UDeg1～6；

角度控制器，与所述的CPU、霍尔信号检测器和PWM波发生器相连接，用于控制电机正反转以及补偿霍尔偏差；

驱动波形发生器，与所述的CPU和角度控制器相连接，用于根据角度控制器提供的角度信号DegOut和CPU提供的振幅信号rp_AmpIn生成驱动波形；

PWM波发生器，与所述的角度控制器和驱动波形发生器相连接，用于根据驱动波形发生器提供的驱动波形信号生成驱动电机旋转的PWM信号；

电机，与所述的PWM波发生器相连接，用于接收PWM波发生器产生的PWM信号，并开始旋转；

霍尔信号检测器，与所述的电机和角度控制器相连接，用于接收电机旋转后产生的霍尔传感器信号，经过同步滤波处理，将霍尔信号PHU、PHV及PHW传输至角度控制器，选取需要校准的转子角度。

2.根据权利要求1所述的补偿无刷直流电机霍尔偏差的电路结构，其特征在于，所述的角度控制器写入CPU传输的使能信号rp_DegCntEn，根据角度增量信号rp_DegCntInc的最高位，控制电机进行正向旋转或反向旋转；霍尔信号变化时将对应的补偿角度DegCnt_hUVWChg更新至角度信号DegOut中。

3.根据权利要求1所述的补偿无刷直流电机霍尔偏差的电路结构，其特征在于，所述的角度增量信号rp_DegCntInc的最高位为0的情况下，角度计数器做加法运算，角度信号DegOut的数值从0°递增，角度增量为寄存器信号rp_DegCntInc的数值，电机进行正向旋转；所述的角度增量信号rp_DegCntInc的最高位为1的情况下，角度计数器做减法运算，角度信号DegOut的数值从360°递减，角度减量为寄存器信号rp_DegCntInc的绝对值，电机进行反向旋转。

4.根据权利要求1所述的补偿无刷直流电机霍尔偏差的电路结构，其特征在于，所述的霍尔信号PHU、PHV及PHW每隔60度发生变化。

5.根据权利要求1所述的补偿无刷直流电机霍尔偏差的电路结构，其特征在于，所述的电机进行正向旋转的情况下，若角度信号DegOut的数值大于等于360°，则将角度信号DegOut清零，继续从0°递增；所述的电机进行反向旋转的情况下，若角度信号DegOut的数值小于等于0°，则将角度信号DegOut置为9’d360，继续从360°递减。

6.根据权利要求1所述的补偿无刷直流电机霍尔偏差的电路结构，其特征在于，所述的寄存器信号rp_DegCntInc的写入值为补码形式。

7.一种基于权利要求1所述的电路结构实现角度控制器工作的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

(1)根据电机转速配置寄存器rp_DegCntInc，设置角度增量，根据霍尔传感器安装的实际位置配置寄存器rp_UDeg1～6设置补偿角度；在配置寄存器rp_DegCntEn为1的情况下，电机开始运转；

(2)判断角度信号w_DegOut是否大于等于360°，如果是，则电机已旋转一周，将角度信号w_DegOut清零，电机从零开始旋转；否则，继续步骤(3)；

(3)判断三相霍尔信号PHU、PHV和PHW是否发生变化，如果是，将霍尔信号对应的补偿角度DegCnt_hUVWChg更新到角度信号w_DegOut；否则，继续步骤(4)；

(4)判断角度自增触发信号TRIG是否有效，如果是，则角度信号w_DegOut进行自增操作，且增量为rp_DegCntInc；否则，继续步骤(5)；

(5)保持角度信号w_DegOut不变，继续步骤(2)。

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