CN201509176U - 一种无刷电机控制系统及无刷电机 - Google Patents

一种无刷电机控制系统及无刷电机 Download PDF

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Abstract

本实用新型适用于汽车电子领域,提供了一种无刷电机控制系统及无刷电机;无刷电机控制系统包括:单片机、驱动电路、逆变电路、位置检测模块以及电流检测模块;单片机输出脉冲控制信号控制逆变电路将直流电压转换为交流电压并驱动电机运转;位置检测模块检测电机的反电势并输出位置信号,单片机根据位置信号输出调速控制信号对电机进行控制;单片机根据电机的力矩输出功率控制信号对电机进行控制。本实用新型提供的无刷电机控制系统通过位置检测模块对电机的反电势进行检测,单片机根据位置检测模块输出的位置信号输出调速控制信号对电机进行控制;实现了无位置传感器可以对电机进行控制的目的,降低了电机成本,提高了电机的稳定性。

Description

一种无刷电机控制系统及无刷电机
技术领域
[0001] 本实用新型属于汽车电子领域,尤其涉及一种应用于汽车电动车窗的无刷电机控
制系统及无刷电机。 背景技术
[0002] 永磁无刷直流电机由于其无换向火花,运行可靠,维护方便,结构简单,无励磁损 耗等众多优点,在很多场合得到越来越广泛的应用。现有的永磁无刷直流电机均需要附加 的位置传感器,用以向逆变电路提供必要的换向信号,然而位置传感器的存在会给直流无 刷电机的应用带来很多的缺陷与不便:位置传感器会增加直流无刷电机的体积和成本,同 时连线众多的位置传感器会降低电机运行的可靠性。另外,在某些恶劣的工作环境中(如 在密封的空调压縮机中),由于制冷剂的强腐蚀性,常规的位置传感器根本无法使用导致直 流无刷电机无法正常运转。此外,位置传感器的安装精度还会影响电机的运行性能,增加了 生产的工艺难度。
实用新型内容
[0003] 本实用新型的目的在于提供一种无刷电机控制系统,旨在解决现有的直流无刷电 机需要附加的位置传感器导致电机成本高、电机稳定性低的问题。
[0004] 本实用新型是这样实现的,一种无刷电机控制系统,所述无刷电机控制系统包括: 单片机、驱动电路、逆变电路、位置检测模块以及电流检测模块;所述单片机的输出端连接 至所述驱动电路的输入端,所述驱动电路的输出端连接至所述逆变电路的控制端,所述逆 变电路的输出端连接电机;所述单片机输出脉冲控制信号控制所述逆变电路将直流电压转 换为交流电压并驱动所述电机运转;所述位置检测模块的输入端连接至所述逆变电路的输 出端,所述位置检测模块的输出端连接至所述单片机的输入端;所述位置检测模块检测所 述电机的反电势并输出位置信号,所述单片机根据所述位置信号输出调速控制信号对电机 进行控制;所述电流检测模块的输入端连接所述电机,所述电流检测模块的输出端连接至 所述单片机的反馈端;所述单片机根据所述电流检测模块检测到的所述电机的力矩输出功 率控制信号对电机进行控制。
[0005] 其中,所述位置检测模块进一步包括:限流电阻、滤波电阻以及滤波电容;所述限 流电阻的一端连接至所述逆变电路的输出端,所述限流电阻的另一端连接至所述单片机的 输入端,所述限流电阻的另一端还通过所述滤波电阻接地;所述滤波电容与所述滤波电阻 并联连接。
[0006] 其中,所述无刷电机控制系统还包括:直流电源,其输出端分别连接至所述单片机 的电源端、所述驱动电路的电源端以及所述逆变电路的输入端。
[0007] 其中,所述逆变电路进一步包括:依次串联连接在所述直流电源的输出端与地之 间的第一开关管以及第二开关管;所述第一开关管与所述第二开关管的串联连接端连接所 述电机;所述第一开关管的控制端以及所述第二开关管的控制端分别连接至所述驱动电路
4的输出端。
[0008] 其中,所述第一开关管为第一 M0S管,所述第二开关管为第二 M0S管;所述第一 M0S管的栅极与所述第二 M0S管的栅极分别连接至所述驱动电路的输出端;所述第一 M0S 管的源极连接至所述直流电源的输出端,所述第一 M0S管的漏极连接至所述第二 M0S管的 源极;所述第二 M0S管的漏极接地。
[0009] 其中,所述无刷电机控制系统还包括:用于将主控机的控制信号传输给所述单片 机的LIN总线模块。
[0010] 其中,所述LIN总线模块采用串行通讯的方式将所述主控机的控制信号传输给所 述单片机。
[0011] 其中,所述LIN总线模块采用一根12V信号总线和一根无固定时间基准的节点同
步时钟线将所述主控机的控制信号传输给所述单片机。
[0012] 其中,所述LIN总线模块传输速率为20Kbit/s。
[0013] 本实用新型的目的还在于提供一种无刷电机,其包括:控制所述无刷电机工作的 无刷电机控制系统;所述无刷电机控制系统为上述无刷电机控制系统。
[0014] 本实用新型提供的无刷电机控制系统通过位置检测模块对电机的反电势进行检 测,单片机根据位置检测模块输出的位置信号输出调速控制信号对电机进行控制;实现了 无位置传感器同样可以对电机进行控制的目的,降低了电机成本,提高了电机的稳定性。
附图说明
[0015] 图1是本实用新型实施例提供的无刷电机控制系统的模块结构示意图; [0016] 图2是本实用新型实施例提供的无刷电机控制系统中位置检测模块的电路图; [0017] 图3是本实用新型实施例提供的无刷电机控制系统中驱动电路与逆变电路的电 路图。
具体实施方式
[0018] 为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施 例,对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释 本实用新型,并不用于限定本实用新型。
[0019] 本实用新型实施例提供的无刷电机控制系统通过位置检测模块对电机的反电势 进行检测,单片机根据位置检测模块输出的位置信号输出调速控制信号对电机进行控制; 实现了无位置传感器同样可以对电机进行控制的目的,降低了电机成本,提高了电机的稳 定性。
[0020] 本实用新型提供的无刷电机控制系统主要应用于汽车电子领域中控制无刷电机 工作,其模块结构如图l所示,为了便于说明,仅示出了与本实用新型相关的部分,详述如 下。
[0021] 无刷电机控制系统1包括:单片机11、驱动电路13、逆变电路14、位置检测模块15 以及电流检测模块16 ;其中,单片机11的输出端连接至驱动电路13的输入端,驱动电路13 的输出端连接至逆变电路14的控制端,逆变电路14的输出端连接电机3 ;单片机11输出 脉冲控制信号控制逆变电路14将直流电压转换为交流电压并驱动电机3运转;位置检测模块15的输入端连接至逆变电路14的输出端,位置检测模块15的输出端连接至单片机11 的输入端;位置检测模块15检测电机3的反电势并输出位置信号,单片机11根据位置信号 输出调速控制信号对电机3进行控制;电流检测模块16的输入端连接电机3,电流检测模 块16的输出端连接至单片机11的反馈端;单片机11根据电流检测模块16检测到的电机 3的力矩输出功率控制信号对电机3进行控制。
[0022] 在本实用新型中,为了提高电机3的稳定性及可靠性,省去了传统的位置传感器; 并利用反电势过零点检测技术,更好的获取到了反电势过零点;然后根据其过零点,再延迟 30°电角度时间为电动机的换向点。单片机11接收到电机3的位置信息和调速信息后,将 相应的P丽信号和驱动逻辑信号输送给驱动电路13,驱动电路13进行逻辑变换后驱动逆变 电路14,从而使电机3正常运转。再通过速度计算和电流检测模块16来反馈控制结果,在 单片机11中对反馈结果进行处理后再输出,形成闭环控制。
[0023] 作为本实用新型的一个实施例,单片机11还可以将通过串行通信接口将扭矩信 息传输到数码管上,显示当前的状态。
[0024] 在本实用新型实施例中,位置检测模块15的电路如图2所示,其中,位置检测模块 15进一步包括:限流电阻Rl、滤波电阻R2以及滤波电容C ;其中,限流电阻Rl的一端连接 至逆变电路14的输出端,限流电阻R1的另一端连接至单片机ll的输入端,限流电阻R1的 另一端还通过滤波电阻R2接地;滤波电容C与滤波电阻R2并联连接。 [0025] 无刷直流电动机运行中,在任意时刻逆变电路14中总有一相的功率管器件全部 关断,处于悬空状态,电机3中的绕组反电势的过零点就发生在该相绕组悬空的时间段内, 此时,只要检测绕组中相电压的变化,即可检测到反电势过零点。然而,为了降低成本或工 艺的原因,大多数无刷直流电机没有引出绕组中点,反电势过零检测法主要通过检测电动 机端电压获取反电势过零;检测到反电动势过零后,再延迟30。电角度时间即为换相点。 这种方法简单、灵活。
[0026] 其中,逆变电路14输出的三相交流电压通过滤波电阻以及滤波电容滤波后得到 位置检测信号河以算出位置检测模块15产生的相位移;以U相为例,其中UO为相端电压, VO为积分输出,f为反电动势运行频率,则有运行频率 [0027] u0/v0 = R2/ (WJ2 Ji fR凡C) [0028] 为:
[0029] 其中相角位移为:
[0030] " = aretan- 一 '
[0031] 在本实用新型中,无刷电机控制系统还包括:直流电源2,其输出端分别连接至单 片机11的电源端、驱动电路13的电源端以及逆变电路14的输入端。
[0032] 在本实用新型中,无刷电机控制系统1还包括:用于将主控机4的控制信号传输给 单片机11的LIN总线模块12。采用LIN总线模块12使得应用在汽车的模块化设计和模块 之间的交互通信得以实现,LIN总线模块12根据LIN协议,由主控机4发送约定好的命令信 号,从机进行信号的接收及处理,包括启动/停止,调速,扭矩检测,正反转切换等。其中,扭 矩检测功能主要是通过A/D转换模块实现,由于电机受力变化时,电流随之变化,所以应用
6单片机11的模数转换功能,将其量化处理,从而可间接地实时反映电机的受力变化情况。 [0033] 作为本实用新型的一个实施例,LIN总线模块12是一种低成本的串行通讯网络, 用于实现汽车中的分布式电子系统的控制;可以采用串行通讯的方式将主控机4的控制信 号传输给单片机ll。 LIN总线模块12是基于SCI(UART)数据格式,采用单主控制器/多从 设备的模式,仅采用一根12V信号总线和一根无固定时间基准的节点同步时钟线进行信号 传输,其传输速率可达20Kbit/s。在采用LIN总线模块12实现的系统中,通常将模拟信号 量用数字信号量代替,从而使总线性能得到优化。
[0034] 图3是本实用新型实施例提供的无刷电机控制系统中驱动电路13与逆变电路14 的电路图;为了便于说明,仅示出了与本实用新型相关的部分,详述如下。 [0035] 驱动电路13包括驱动芯片U4以及与之连接的外围电路。
[0036] 逆变电路14进一步包括:第一开关管141以及第二开关管142 ;其中,第一开关管 141以及第二开关管142依次串联连接在直流电源2的输出端与地之间的;第一开关管141 与第二开关管142的串联连接端连接电机3 ;第一开关管141的控制端以及第二开关管142 的控制端分别连接至驱动电路13的输出端。
[0037] 作为本实用新型的一个实施例,第一开关管141可以为第一M0S管Q2,第二开关管 142为第二 M0S管Ql ;第一 M0S管Q2的栅极与所述第二 M0S管Ql的栅极分别连接至驱动 电路的输出端;第一 M0S管Q2的源极连接至直流电源的输出端,第一 M0S管Q2的漏极连接 至第二 M0S管Ql的源极;第二 M0S管Ql的漏极接地。
[0038] 在本实用新型中,可以采用三相桥式逆变电路:6只功率M0SFET管Q1、Q2、Q3、Q4、 Q5、Q6作为开关器件使用,组成三相桥式结构。如果将他们按照一定的组合方式和频率进行 开关即能驱动三相无刷直流电机3转动。 一般功率MOSFET管的栅极驱动电压为10〜15V, 且在开关态中需要较大的电流驱动,否则上升下降时间会变得很慢,影响驱动效率。从单片 机11输出的数字信号是不能达到要求的,需要设计外围电路加大驱动能力。在电机驱动电 路13中,由于电流较大,上管都采用N型M0SFET管。每个上管的源极电压是浮动的,上管 的栅极驱动电压也必须浮置在源极的电压之上才能有效地开启上管;为了达到上面两点要 求,可以采用分离器件搭建三极管驱动电路,达到悬浮和驱动的要求,为了提高稳定性,可 以采用IR公司的驱动芯片IR2136驱动M0SFET。
[0039] 为了更进一步说明本实用新型实施例提供的无刷电机控制系统l,现结合图1详 述其工作原理如下:
[0040] 单片机11的主程序主要完成系统初始化、直流电机启动,P丽信号输出,LIN总线 信号接收处理,扭矩检测等功能。系统初始化主要是对单片机ll的端口工作状态,内部寄 存器参数,程序中用到的变量等进行设定。在电机3启动程序中,根据直流无刷电机的运行 原理,采用预定位启动法,首先给任意两相通电,转子将旋转到相应的位置,然后根据所需 转向给定下一个状态,两次定位结束后,为保证启动平稳及有效性,依次改变电机3绕组的 导通状态进行换相,同时位置检测模块15检测逆变电路14的输出信号,当能连续检测到 N次位置信号时,则由他控运行状态切换到自同步运行状态,在电机3刚启动时由于转速较 低,反电动势很小,所以会产生很大的启动电流,因此采取软启动措施,即逐渐增加P丽信 号的占空比,使加在电机3上的电压在一段时间内逐渐增加,从而抑制启动过程中的大电 流。LIN总信号接收处理即根据LIN协议,由主控系统发送约定好的命令信号,从机进行信号的接收及处理,包括启动/停止,调速,扭矩检测,正反转切换等。
[0041] 其中,扭矩检测功能主要是通过A/D转换模块实现,由于电机3受力变化时,电流 随之变化,所以应用单片机11的模数转换功能,将其量化处理,从而可间接地实时反映电 机的受力变化情况。
[0042] 从机部分主要是由单片机11、驱动电路13、逆变电路14、电流检测模块16、位置检 测模块15和LIN总线模块12组成;通过LIN总线获得控制信号,单片机11取得信号后驱 动电机转动;通过检测电机3三相的反电动势波形,获得电机3的位置信号,通过单片机11 处理,输出6路逻辑驱动信号,由于要实现调速功能,采用上桥脉宽调制的方式,但由于PIC 单片机只有一路P丽输出,所以在这里采用的方法是将上桥换相逻辑信号与P丽信号进行 逻辑与运算,从而控制相应的功率管以P丽载波频率开关工作,以达到调节绕组电压的目 的。电机运行后,通过A/D转换,采集检流电阻两端电压,也就可以计算出相电流大小。 [0043] 在本实用新型中,利用单片机11能够进行脉宽调制,使用P丽的电机驱动方式可 以延长电机使用寿命,应用在汽车车窗控制系统中时能提高车窗升降的性能,降低运行噪 声°
[0044] 本实用新型实施例提供的无刷电机控制系统通过位置检测模块对电机的反电势 进行检测,单片机根据位置检测模块输出的位置信号输出调速控制信号对电机进行控制; 实现了无位置传感器同样可以对电机进行控制的目的,降低了电机成本,提高了电机的稳 定性;同时采用单片机进行脉宽调制使得脉宽调制的电机驱动方式可以严惩电机的使用寿 命。
[0045] 以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已,并不用以限制本实用新型,凡在本 实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本实用新型 的保护范围之内。

Claims (10)

  1. 一种无刷电机控制系统,其特征在于,所述无刷电机控制系统包括:单片机、驱动电路、逆变电路、位置检测模块以及电流检测模块;所述单片机的输出端连接至所述驱动电路的输入端,所述驱动电路的输出端连接至所述逆变电路的控制端,所述逆变电路的输出端连接电机;所述单片机输出脉冲控制信号控制所述逆变电路将直流电压转换为交流电压并驱动所述电机运转;所述位置检测模块的输入端连接至所述逆变电路的输出端,所述位置检测模块的输出端连接至所述单片机的输入端;所述位置检测模块检测所述电机的反电势并输出位置信号,所述单片机根据所述位置信号输出调速控制信号对电机进行控制;所述电流检测模块的输入端连接所述电机,所述电流检测模块的输出端连接至所述单片机的反馈端;所述单片机根据所述电流检测模块检测到的所述电机的力矩输出功率控制信号对电机进行控制。
  2. 2. 如权利要求1所述的无刷电机控制系统,其特征在于,所述位置检测模块进一步包括:限流电阻、滤波电阻以及滤波电容;所述限流电阻的一端连接至所述逆变电路的输出端,所述限流电阻的另一端连接至所 述单片机的输入端,所述限流电阻的另一端还通过所述滤波电阻接地; 所述滤波电容与所述滤波电阻并联连接。
  3. 3. 如权利要求1所述的无刷电机控制系统,其特征在于,所述无刷电机控制系统还包括:直流电源,其输出端分别连接至所述单片机的电源端、所述驱动电路的电源端以及所 述逆变电路的输入端。
  4. 4. 如权利要求3所述的无刷电机控制系统,其特征在于,所述逆变电路进一步包括: 依次串联连接在所述直流电源的输出端与地之间的第一开关管以及第二开关管; 所述第一开关管与所述第二开关管的串联连接端连接所述电机;所述第一开关管的控制端以及所述第二开关管的控制端分别连接至所述驱动电路的 输出端。
  5. 5. 如权利要求4所述的无刷电机控制系统,其特征在于,所述第一开关管为第一 M0S 管,所述第二开关管为第二MOS管;所述第一 M0S管的栅极与所述第二 M0S管的栅极分别连接至所述驱动电路的输出端; 所述第一 M0S管的源极连接至所述直流电源的输出端,所述第一 M0S管的漏极连接至 所述第二MOS管的源极;所述第二 M0S管的漏极接地。
  6. 6. 如权利要求1所述的无刷电机控制系统,其特征在于,所述无刷电机控制系统还包括:用于将主控机的控制信号传输给所述单片机的LIN总线模块。
  7. 7. 如权利要求6所述的无刷电机控制系统,其特征在于,所述LIN总线模块采用串行通 讯的方式将所述主控机的控制信号传输给所述单片机。
  8. 8. 如权利要求7所述的无刷电机控制系统,其特征在于,所述LIN总线模块采用一根 12V信号总线和一根无固定时间基准的节点同步时钟线将所述主控机的控制信号传输给所述单片机。
  9. 9. 如权利要求6所述无刷电机控制系统,其特征在于,所述LIN总线模块的传输速率为 20Kbit/s。
  10. 10. —种无刷电机,其包括:控制所述无刷电机工作的无刷电机控制系统;其特征在 于,所述无刷电机控制系统为权利要求1-9任一项所述的无刷电机控制系统。
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