CN117294184A - 一种基于端电压比较法的三相无刷直流电机控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于端电压比较法的三相无刷直流电机控制装置，包括三个分压电路、三个零相移滤波电路、三个端电压比较器电路和处理器，三个分压电路分别采集三相无刷直流电机的三相分压后的端电压，并将三相端电压通过三个端电压比较器电路进行两两比较，根据三个端电压比较器电路的输出信号，控制三相无刷直流电机的运行，实现三相无刷直流电机的换相运行。本发明提出一种端电压比较法，这种方法不存在移相角度的计算，电机绕组的换相时刻可以直接由电压比较器的输出上升沿和下降沿得到，比较的结果和霍尔位置传感器输出的信号完全一致，不用再计算移相角度，有效提高了电机在速度变换过程中的换相精度。

Description

一种基于端电压比较法的三相无刷直流电机控制装置

技术领域

本发明涉及直流电机控制领域，更具体地，涉及一种基于端电压比较法的三相无刷直流电机控制装置。

背景技术

近些年来，无位置传感器控制技术得到了飞速的发展。无位置传感器控制方法主要包括反电势法、端电压法、电感法、磁链法、续流二极管法等。在这些方法中，端电压在目前是应用最广泛，技术最成熟的一种检测转子位置的方法。

因为电机的反电势不容易直接获取，必须采用间接方法获得。“端电压”法，就是检测非导通相绕组对地的电压，即端电压。然后经过硬件电路或者软件算法得到反电势过零点，来控制电机的正确换向。

在端电压法中，电机绕组换相时刻是由反电势过零点再延迟30度电角度得到。但是电机的转速和换相角有直接的关系，在速度调节过程中，基于端电压法的控制会出现电机绕组换相不准确，导致电机不能正常工作。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种基于端电压比较法的三相无刷直流电机控制装置，包括三个分压电路、三个零相移滤波电路、三个端电压比较器电路和处理器，每一个所述分压电路包括两个电阻，其中一个电阻作为输入端与三相无刷直流电机的其中一相电机线连接，两个电阻的连接点作为输出端与对应的端电压比较器电路的同向输入端连接，每一个零相移滤波电路并联在两个电阻中的另一个电阻和地之间，每一个端电压比较器电路的反向输入端连接另外一个端电压比较器电路的同向输入端，三个端电压比较器电路的输出端连接处理器，所述处理器用于根据三个端电压比较器电路的输出信号，控制三相无刷直流电机的运行，其中，三个端电压比较器电路分别对无刷直流电机的三相端电压进行两两比较，三个端电压比较器的输出信号作为三相无刷直流电机的换相信号。

本发明提供的一种基于端电压比较法的无刷直流电机控制装置，三个分压电路分别采集三相无刷直流电机的三相分压后的端电压，并将三相端电压通过三个端电压比较器电路进行两两比较，根据三个端电压比较器电路的输出信号，控制三相无刷直流电机的运行，实现三相无刷直流电机的换相运行。本发明提出一种端电压比较法，这种方法不存在移相角度的计算，电机绕组的换相时刻可以直接由电压比较器的输出上升沿和下降沿得到，比较的结果和霍尔位置传感器输出的信号完全一致，不用再计算移相角度，有效提高了电机在速度变换过程中的换相精度。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于端电压比较法的三相无刷直流电机控制装置的结构示意图；

图2为电机驱动电路的结构示意图；

图3-1为三相无刷直流电机的三相端电压经过端电压比较器之前的波形图；

图3-2为三相无刷直流电机的三相端电压经过端电压比较器之后的波形图。

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、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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做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。另外，本发明提供的各个实施例或单个实施例中的技术特征可以相互任意结合，以形成可行的技术方案，这种结合不受步骤先后次序和/或结构组成模式的约束，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。

在端电压法的基础上，本发明提供了一种基于端电压比较法的无刷直流电机控制装置，如图1所示，该装置包括三个分压电路、三个零相移滤波电路、三个端电压比较器电路和处理器，每一个所述分压电路包括两个电阻，其中一个电阻作为输入端与三相无刷直流电机的其中一相电机线连接，两个电阻的连接点作为输出端与对应的端电压比较器电路的同向输入端连接，每一个零相移滤波电路并联在两个电阻中的另一个电阻和地之间，每一个端电压比较器电路的反向输入端连接另外一个端电压比较器电路的同向输入端，三个端电压比较器电路的输出端连接处理器，所述处理器用于根据三个端电压比较器电路的输出信号，控制三相无刷直流电机的运行，其中，三个端电压比较器电路分别对无刷直流电机的三相端电压进行两两比较，三个端电压比较器的输出信号作为三相无刷直流电机的换相信号。需要说明的是，第一端电压比较器电路、第二端电压比较器电路和第三端电压比较器电路的型号均为LM139。

其中，可参见图1，三个分压电路包括第一分压电路、第二分压电路和第三分压电路，三个端电压比较器电路包括第一端电压比较器电路、第二端电压比较器电路和第三端电压比较器电路，三个零相移滤波电路包括第一零相移滤波电路、第二零相移滤波电路和第三零相移滤波电路。

所述第一分压电路包括电阻R22和电阻R25，所述电阻R22的一端作为输入端与三相无刷直流电机M1的A相电机线连接，所述电阻R22的另一端与所述电阻R25的一端作为连接点连接第一端电压比较器电路的同向输入端，所述电阻R25的另一端接地，所述第一零相移滤波电路并联在所述电阻R25的两端，所述第一端电压比较器电路的反向输入端连接所述第三端电压比较器电路的同向输入端。

所述第二分压电路包括电阻R23和电阻R26，所述电阻R23的一端作为输入端与三相无刷直流电机M1的B相电机线连接，所述电阻R23的另一端与所述电阻R26的一端作为连接点连接第二端电压比较器电路的同向输入端，所述电阻R26的另一端接地，所述第二零相移滤波电路并联在所述电阻R26的两端，所述第二端电压比较器电路的反向输入端连接所述第一端电压比较器电路的同向输入端。

所述第三分压电路包括电阻R24和电阻R27，所述电阻R24的一端作为输入端与三相无刷直流电机M1的C相电机线连接，所述电阻R24的另一端与所述电阻R27的一端作为连接点连接第三端电压比较器电路的同向输入端，所述电阻R27的另一端接地，所述第三零相移滤波电路并联在所述电阻R27的两端，所述第三端电压比较器电路的反向输入端连接所述第二端电压比较器电路的同向输入端。

其中，所述第一零相移滤波电路包括电阻R16和R17、电容C7和C8以及第一集成运算放大器，电容C7并联在电阻R25两端，电容C8的一端与第一集成运算放大器的同向输入端连接，并与电容C7的一端连接，电容C8的另一端与第一集成运算放大器的输出端相连接，电阻R17的一端与第一集成运算放大器的反向输入端连接，电阻R17另一端与第一集成运算放大器的输出端相连接，电阻R16的一端与第一集成运算放大器的反向输入端连接，电阻R16另一端接地。其中，为提高精度，可在电阻R16和电阻R17之间增加一个滑动变阻R1’，可调节第一集成运算放大器的反向输入端的电压。

所述第二零相移滤波电路包括电阻R18和R19、电容C9和C10以及第二集成运算放大器，电容C9并联在电阻R26两端，电容C10的一端与第二集成运算放大器的同向输入端连接，并与电容C9的一端连接，电容C10的另一端与第二集成运算放大器的输出端相连接，电阻R19的一端与第二集成运算放大器的反向输入端连接，电阻R19另一端与第二集成运算放大器的输出端相连接，电阻R18的一端与第二集成运算放大器的反向输入端连接，电阻R18另一端接地。其中，可在电阻R18和电阻R19之间增加一个滑动变阻R1”，可调节第二集成运算放大器的反向输入端的电压。

所述第三零相移滤波电路包括电阻R20和R21、电容C11和C12以及第三集成运算放大器，电容C12并联在电阻R27两端，电容C11的一端与第三集成运算放大器的同向输入端连接，并与电容C12的一端连接，电容C11的另一端与第三集成运算放大器的输出端相连接，电阻R21的一端与第三集成运算放大器的反向输入端连接，电阻R21另一端与第三集成运算放大器的输出端相连接，电阻R20的一端与第三集成运算放大器的反向输入端连接，电阻R20另一端接地。其中，可在电阻R20和电阻R21之间增加一个滑动变阻R1”’，可调节第三集成运算放大器的反向输入端的电压。需要说明的是，第一集成运算放大器、第二集成运算放大器和第三集成运算放大器的信号为LM324。

参见图2，三相无刷直流电机控制装置还包括电机驱动电路，所述电机驱动电路包括六个逆变桥开关管，包括第一逆变桥开关管T1、第二逆变桥开关管T2、第三逆变桥开关管T3、第四逆变桥开关管T4、第五逆变桥开关管T5和第六逆变桥开关管T6。

其中，第一逆变桥开关管T1的漏极接电源正极，第一逆变桥开关管T1的源极接第四逆变桥开关管T4的漏极以及通过电阻R1和电感L1连接三相无刷直流电机的A相绕组，第四逆变桥开关管T4的源极接地。

第三逆变桥开关管T3的漏极接电源正极，第三逆变桥开关管T3的源极接第六逆变桥开关管T6的漏极以及通过电阻R2和电感L2连接三相无刷直流电机的B相绕组，第六逆变桥开关管T6的源极接地。

所述第五逆变桥开关管T5的漏极接电源正极，第五逆变桥开关管T5的源极接第二逆变桥开关管T2的漏极以及通过电阻R3和电感L3连接三相无刷直流电机的C相绕组，第二逆变桥开关管T2的源极接地。

可理解的是，图2为三相无刷直流电机驱动电路，用于驱动电机的运行。其中，图1为电机的三相端电压的采集，以及对三相电压通过三个端电压比较器进行两两比较的电路，通过三个端电压比较器电路的输出高低电平信号控制电机驱动电路驱动电机运转。

具体的，通过图1的电路采集无刷直流电机的三相端电压在经过端电压比较器电路之间的波形如图3-1，三相端电压分别为uAG、uBG和uCG，图3-2为三个端电压比较器电路的输出信号。根据三个端电压比较器电路的输出信号控制电机驱动电路的逆变桥开关管的开闭，进而控制电机的换向运转。参见表1，为无刷直流电机两两导通方式下的换向表，其中，A、B和C分别代表第一端电压比较器电路、第二端电压比较器电路和第三端电压比较器电路的输出信号。

表1无刷直流电机两两导通方式下的换向表

从表1中可知，只要知道了三个端电压比较器电路的输出信号，通过表1可查找到电机驱动电路中的各个逆变桥开关管的开闭，以及电机运转的方向。比如，当A、B和C为1、0、1时，电机驱动电路中的六个逆变桥开关管的导通状态分别为1、0、0、0、0、0、1，即逆变桥开关管T1和T6导通，其它的关断，电机逆时针运转。那么处理器会控制电机驱动电路中的逆变桥开关管T1和T6导通，，以控制电机的运转。

其中，对于三相无刷直流电机而言，三相无刷直流电机每运转60°时，处理器根据三个端电压比较器电路输出的高低电平信号，改变电机驱动电路中六个逆变桥开关管的其中两个开关管的导通，进而实现三相无刷直流电机的换相运行。可参见表1，比如，需要从目前的A、B、C为1、0、1的第一个状态转换到A、B、C为1、0、0的第六个状态，那么需要按照表1中的顺序换向五次，当电机每次运转60°时，换向一次，直到电机逆时针运转一圈360°时，即可将状态转换到第六个状态，完成换向。

下面对采用端电压比较法的工作原理进行说明：

无刷直流电机三相端电压uAG、uBG、uCG经过三个分压电路和零相移滤波电路后，得到幅值减小并且平滑的端电压uAG、uBG、uCG，滤波前后每一相端电压的移相角为：

公式(1.1)中的W是电机运行的角速度。由式(1.1)可以看出，只要C7＝C8*R17/R16，就可以保证滤波前后的移相角恒为零。但是，在实际电路中，由于电阻值和电容值都会有偏差，需要在电阻R16和R17之间加入一个10K的滑动变阻进行调整，使得公式(1.1)恒为零。

根据本设计实际状态下无刷直流电机运转情况，得出该电机两两导通方式下的换向表如表1所示。

将端电压通过软件计算得到反电势过零点的推导公式如下：

公式(2.1)中：Un是中性点电压；uAG、uBG、uCG是三相绕组对地的电压，即端电压，L-M是电机绕组的等效电感。

以A、C两相导通，B相悬空为例子分析如何通过端电压检测反电势，如图3所示。

此时，A、C两相反电势处于梯形波的平顶处，B相反电势处于梯形波的斜坡处，下面的EA、EB和EC分别表示A相反电势、B相反电势和C相反电势，这时候A、C两相电流和反电势的关系式如下：

EA+EC＝0 (2.2)

iA+iC＝0 (2.3)

将A、C两相端电压相加，得到

将公式(2.2)、(2.3)带入公式(2.4)中，得到

此时，B相绕组悬空无电流，那么iB＝0,由公式(2.1)可以得到

同理可以得到

在端电压法中，电机绕组换相时刻是由反电势过零点再延迟30度电角度得到。但是电机的转速和换相角有直接的关系，在速度调节过程中，基于端电压法的控制会出现电机绕组换相不准确，导致电机不能正常工作。

现在，本发明提出一种端电压比较法，这种方法不存在移相角度的计算，电机绕组的换相时刻可以直接由电压比较器的输出上升沿和下降沿得到，不用再计算移相角度，有效提高了电机在速度变换过程中的换相精度。

将公式2.6-2.8计算可以得到线反电势EAC、EBA、ECB如下：

由公式(2.9)-(2.11)可以知道，线反电势EAC、EBA、ECB的过零点分别是uAG和uCG，uBG和uAG，uCG和uBG相等的时刻。那么就可以用电压比较器对端电压uAG、uBG和uCG进行两两比较。由图3-1和图3-2可以看出,电压比较器的输出上升沿和下降沿就是无刷直流电机的换相时刻，不用再计算延迟角，比较的结果和传统的霍尔位置传感器输出的信号完全一致。

本发明提供的一种端电压比较法的三相无刷直流电机控制装置，三个分压电路分别采集三相无刷直流电机的三相分压后的端电压，并将三相端电压通过三个端电压比较器电路进行两两比较，根据三个端电压比较器电路的输出信号，控制三相无刷直流电机的运行，实现三相无刷直流电机的换相运行。端电压比较法不存在移相角度的计算，电机绕组的换相时刻可以直接由电压比较器的输出上升沿和下降沿得到，比较的结果和霍尔位置传感器输出的信号完全一致，不用再计算移相角度，有效提高了电机在速度变换过程中的换相精度。

需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种基于端电压比较法的三相无刷直流电机控制装置，其特征在于，包括三个分压电路、三个零相移滤波电路、三个端电压比较器电路和处理器，每一个所述分压电路包括两个电阻，其中一个电阻作为输入端与三相无刷直流电机的其中一相电机线连接，两个电阻的连接点作为输出端与对应的端电压比较器电路的同向输入端连接，每一个零相移滤波电路并联在两个电阻中的另一个电阻和地之间，每一个端电压比较器电路的反向输入端连接另外一个端电压比较器电路的同向输入端，三个端电压比较器电路的输出端连接处理器，所述处理器用于根据三个端电压比较器电路的输出信号，控制三相无刷直流电机的运行，其中，三个端电压比较器电路分别对无刷直流电机的三相端电压进行两两比较，三个端电压比较器的输出信号作为三相无刷直流电机的换相信号。

2.根据权利要求1所述的三相无刷直流电机控制装置，其特征在于，三个分压电路包括第一分压电路、第二分压电路和第三分压电路，三个端电压比较器电路包括第一端电压比较器电路、第二端电压比较器电路和第三端电压比较器电路，三个零相移滤波电路包括第一零相移滤波电路、第二零相移滤波电路和第三零相移滤波电路；

所述第一分压电路包括电阻R22和电阻R25，所述电阻R22的一端作为输入端与三相无刷直流电机M1的A相电机线连接，所述电阻R22的另一端与所述电阻R25的一端作为连接点连接第一端电压比较器电路的同向输入端，所述电阻R25的另一端接地，所述第一零相移滤波电路并联在所述电阻R25的两端，所述第一端电压比较器电路的反向输入端连接所述第三端电压比较器电路的同向输入端；

所述第二分压电路包括电阻R23和电阻R26，所述电阻R23的一端作为输入端与三相无刷直流电机M1的B相电机线连接，所述电阻R23的另一端与所述电阻R26的一端作为连接点连接第二端电压比较器电路的同向输入端，所述电阻R26的另一端接地，所述第二零相移滤波电路并联在所述电阻R26的两端，所述第二端电压比较器电路的反向输入端连接所述第一端电压比较器电路的同向输入端；

所述第三分压电路包括电阻R24和电阻R27，所述电阻R24的一端作为输入端与三相无刷直流电机M1的C相电机线连接，所述电阻R24的另一端与所述电阻R27的一端作为连接点连接第三端电压比较器电路的同向输入端，所述电阻R27的另一端接地，所述第三零相移滤波电路并联在所述电阻R27的两端，所述第三端电压比较器电路的反向输入端连接所述第二端电压比较器电路的同向输入端。

3.根据权利要求2所述的三相无刷直流电机控制装置，其特征在于，所述第一零相移滤波电路包括电阻R16和R17、电容C7和C8以及第一集成运算放大器，电容C7并联在电阻R25两端，电容C8的一端与第一集成运算放大器的同向输入端连接，并与电容C7的一端连接，电容C8的另一端与第一集成运算放大器的输出端相连接，电阻R17的一端与第一集成运算放大器的反向输入端连接，电阻R17另一端与第一集成运算放大器的输出端相连接，电阻R16的一端与第一集成运算放大器的反向输入端连接，电阻R16另一端接地。

4.根据权利要求2所述的三相无刷直流电机控制装置，其特征在于，所述第二零相移滤波电路包括电阻R18和R19、电容C9和C10以及第二集成运算放大器，电容C9并联在电阻R26两端，电容C10的一端与第二集成运算放大器的同向输入端连接，并与电容C9的一端连接，电容C10的另一端与第二集成运算放大器的输出端相连接，电阻R19的一端与第二集成运算放大器的反向输入端连接，电阻R19另一端与第二集成运算放大器的输出端相连接，电阻R18的一端与第二集成运算放大器的反向输入端连接，电阻R18另一端接地。

5.根据权利要求2所述的三相无刷直流电机控制装置，其特征在于，所述第三零相移滤波电路包括电阻R20和R21、电容C11和C12以及第三集成运算放大器，电容C12并联在电阻R27两端，电容C11的一端与第三集成运算放大器的同向输入端连接，并与电容C12的一端连接，电容C11的另一端与第三集成运算放大器的输出端相连接，电阻R21的一端与第三集成运算放大器的反向输入端连接，电阻R21另一端与第三集成运算放大器的输出端相连接，电阻R20的一端与第三集成运算放大器的反向输入端连接，电阻R20另一端接地。

6.根据权利要求1所述的三相无刷直流电机控制装置，其特征在于，还包括电机驱动电路，所述电机驱动电路包括六个逆变桥开关管，包括第一逆变桥开关管T1、第二逆变桥开关管T2、第三逆变桥开关管T3、第四逆变桥开关管T4、第五逆变桥开关管T5和第六逆变桥开关管T6；

所述第一逆变桥开关管T1的漏极接电源正极，第一逆变桥开关管T1的源极接第四逆变桥开关管T4的漏极以及通过电阻R1和电感L1连接三相无刷直流电机的A相绕组，第四逆变桥开关管T4的源极接地；

所述第三逆变桥开关管T3的漏极接电源正极，第三逆变桥开关管T3的源极接第六逆变桥开关管T6的漏极以及通过电阻R2和电感L2连接三相无刷直流电机的B相绕组，第六逆变桥开关管T6的源极接地；

所述第五逆变桥开关管T5的漏极接电源正极，第五逆变桥开关管T5的源极接第二逆变桥开关管T2的漏极以及通过电阻R3和电感L3连接三相无刷直流电机的C相绕组，第二逆变桥开关管T2的源极接地。

7.根据权利要求6所述的三相无刷直流电机控制装置，其特征在于，所述处理器用于根据三个端电压比较器电路的输出信号，控制三相无刷直流电机的运行，包括：

处理器根据三个端电压比较器电路输出的高低电平信号控制所述电机驱动电路中六个逆变桥开关管的各个开关管的导通，进而实现三相无刷直流电机的换相运行。

8.根据权利要求7所述的三相无刷直流电机控制装置，其特征在于，

三相无刷直流电机每运转60°时，处理器根据三个端电压比较器电路输出的高低电平信号，改变所述电机驱动电路中六个逆变桥开关管的其中两个开关管的导通，进而实现三相无刷直流电机的换相运行。