CN203289362U - 一种无刷电机控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种无刷电机控制装置。它包括微控制器、电机驱动电路和三个过零点检测电路，所述三个过零点检测电路的第一输入端分别与无刷电机的三相定子线圈相连，所述三个过零点检测电路的第二输入端相连，所述三个过零点检测电路的输出端分别与微控制器相连，所述三个过零点检测电路的控制端分别与微控制器相连，所述微控制器还通过电机驱动电路与无刷电机相连，所述过零点检测电路包括比较器、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、开关模块和电容C。本实用新型能够自动调节过零点检测电路中RC低通滤波电路的滤波系数，保证无刷电机能够顺利启动和正常高速运行。

Description

一种无刷电机控制装置

技术领域

本实用新型涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种无刷电机控制装置。

背景技术

在无刷电机无传感器控制中，需要对电机的反电动势进行检测。检测的目的在于提取反电动势的过零点信号进行电机换相操作，一般常用的方案是采用硬件比较器对电机反电动势和中心点信号进行比较，得到比较器过零点信号翻转。而在控制运行中的无刷电机反电动势都带有PWM调制杂波及其他的噪声干扰，需要进行滤波处理。最简单常用有效的方法就是通过RC低通滤波电路将噪声滤除。这样就能得到较为纯净的反电动势信号进入到比较器。

RC低通滤波电路对信号会产生一定的相位滞后，且随着输入信号频率的增大滞后效果越严重。现有的无刷电机反电动势滤波电路都是固定参数的RC低通滤波电路，即时间常数固定，在电机启动时能较好的滤除反电动势上的噪声，比较器输出也比较稳定。但由于RC滤波参数固定，随着电机转速提高时，反电动势相位滞后越严重，当相位滞后角度超过30度后，造成电机换相滞后，不利于电机正常运行。当减小RC滤波系数后能在一定程度上降低信号相位滞后的角度，但又会造成启动时无法有效地滤除噪声，比较器输出不稳定，造成启动困难。所以目前的固定RC参数滤波方案在电机启动和高速运行两者之间无法较好的兼顾。

中国专利公开号CN201307842，公开日2009年9月9日，实用新型的名称为一种无传感直流无刷电机的反电动势过零点检测电路，该申请案公开了一种无传感直流无刷电机的反电动势过零点检测电路，它包括单片机、反电动势检测电路和驱动电压检测电路，反电动势检测电路由检测反电动势的分压电阻和滤波电容组成。其不足之处是，分压电阻和滤波电容组成的RC低通滤波电路的参数是固定的，固定RC参数滤波方案在无刷电机启动和高速运行两者之间无法较好的兼顾。

发明内容

本实用新型的目的是克服目前无刷电机控制装置的过零点检测电路使用固定参数的RC低通滤波电路将噪声滤除，RC滤波系数过高影响无刷电机正常高速运行，RC滤波系数过低会造成无刷电机启动困难的技术问题，提供了一种无刷电机控制装置，其能够自动调节过零点检测电路中RC低通滤波电路的滤波系数，保证无刷电机能够顺利启动和正常高速运行。

为了解决上位问题，本实用新型采用以下技术方案予以实现：

本实用新型的一种无刷电机控制装置，包括微控制器、电机驱动电路和三个过零点检测电路，所述三个过零点检测电路的第一输入端分别与无刷电机的三相定子线圈相连，所述三个过零点检测电路的第二输入端相连，所述三个过零点检测电路的输出端分别与微控制器相连，所述三个过零点检测电路的控制端分别与微控制器相连，所述微控制器还通过电机驱动电路与无刷电机相连，所述过零点检测电路包括比较器、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、开关模块和电容C，所述比较器的同相输入端与电阻R1一端、电阻R2一端，电阻R3一端、电阻R4一端和电容C一端相连，所述电阻R1另一端为过零点检测电路的第一输入端，所述电阻R2另一端接地，所述电阻R3另一端与开关模块的输入端相连，所述电容C另一端分别与开关模块的输出端和地线相连，所述开关模块的控制端为过零点检测电路的控制端，所述电阻R4另一端与比较器的反相输入端相连，所述比较器的反相输入端为过零点检测电路的第二输入端，所述比较器的输出端为过零点检测电路的输出端。

在本技术方案中，无刷电机的三相定子线圈分别输出反电动势到对应的过零点检测电路的第一输入端，反电动势经过分压后输入比较器的同相输入端。三个过零点检测电路的第二输入端的电压为无刷电机中心点电压，即过零点检测电路中的比较器的反相输入端的输入电压为无刷电机中心点电压。

电阻R1、电阻R2、电阻R3、开关模块和电容C组成RC低通滤波电路。电阻R2和电阻R3并联，它们的等效电阻R5=R2R3/（R2+R3）。RC低通滤波电路的滤波效果取决于电阻R1、等效电阻R5和电容C的参数，其截止频率f计算公式为：f=（R1+R5）/2π·R1R5·C，其相位延迟角度的计算公式为α=tan-1[2πf·R1R5·C/（R1+R5）]，可见通过等效电阻R5都能够对相位延迟角度进行调整。

在无刷电机启动时，反电动势幅值较小且包含的噪声干扰较为严重，微控制器控制开关模块断开，等效电阻R5阻值最大，保证有足够大的反电动势分压幅值进入到比较器，同时RC低通滤波电路的滤波效果也会增强，能够较好地滤除反电动势内的干扰噪声，这样比较器能够稳定地输出过零点信号，无刷电机启动就变得非常稳定可靠。

在无刷电机正常启动后，随着转速的提高，反电动势的幅值和平率f也随之增加。这时如果RC低通滤波电路还是原来启动时的参数的话，一方面会导致反电动势相位延迟角度超过30度，不利于无刷电机控制，另一方面输入到比较器的反电动势幅值会超过比较器的工作电压，造成比较器不能正常比较过零点信号。所以这时，微控制器控制开关模块导通，等效电阻R5阻值变小，这样RC低通滤波电路的滤波系数减小，能够有效地抑制反电动势相位延迟角度，同时能保证输入到比较器的反电动势幅值不会过大，这样就能保证无刷电机在较高转速正常运行。

微控制器对三个过零点检测电路输出的过零点信号进行处理，通过电机驱动电路驱动无刷电机换相。

作为优选，所述开关模块为三极管Q，所述三极管Q的基极为过零点检测电路的控制端，所述三极管Q的集电极与电阻R3一端相连，所述电阻R3另一端与比较器的同相输入端相连，所述三极管Q的发射极与电容C一端和地线相连，电容C另一端与比较器的同相输入端相连。

微控制器采用PWM连续调制方式控制三极管Q的导通和关断，从而影响等效电阻R5的阻值。当PWM信号为高电平时，三极管Q饱和导通，电阻R2和电阻R3并联接地；当PWM信号为低电平时，三极管Q截止，电阻R3与地断开，直接由电阻R2分压。微控制器通过调节PWM信号的占空比，可以改变等效电阻R5的等效阻值，进而改变RC低通滤波电路的时间常数，即改变RC低通滤波电路的相位延迟角。在无刷电机控制中，过零点信号与无刷电机换相时刻需存在30度延迟，那么通过微控制器检测无刷电机转速，实时调节PWM信号占空比，使RC低通滤波电路的相位延迟角度始终等于30度，这样就能实现无刷电机从低速到高速的全速范围内实现恒定的30度相移。微控制器可对过零点信号进行计时，计算出无刷电机三相输出的反电动势频率，从而计算出无刷电机的转速。

作为优选，所述电机驱动电路为H桥电路。

本实用新型的有益效果是：能够自动调节过零点检测电路中RC低通滤波电路的滤波系数，保证无刷电机能够顺利启动和正常高速运行。

附图说明

图1是本实用新型的一种电路原理图；

图2是本实用新型的一种工作流程图。

图中：1、无刷电机，2、微控制器，3、电机驱动电路，4、过零点检测电路，5、比较器。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的一种无刷电机控制装置，如图1所示，包括微控制器2、电机驱动电路3和三个过零点检测电路4，三个过零点检测电路4的第一输入端分别与无刷电机1的三相定子线圈相连，三个过零点检测电路4的第二输入端相连，三个过零点检测电路4的输出端分别与微控制器2相连，三个过零点检测电路4的控制端分别与微控制器2相连，微控制器2还通过电机驱动电路3与无刷电机1相连，电机驱动电路3为H桥电路，过零点检测电路4包括比较器5、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、开关模块和电容C，开关模块为三极管Q，比较器5的同相输入端与电阻R1一端、电阻R2一端，电阻R3一端、电阻R4一端和电容C一端相连，电阻R1另一端为过零点检测电路4的第一输入端，电阻R2另一端接地，电阻R3另一端与三极管Q的集电极相连，电容C另一端分别与地线和三极管Q的发射极相连，三极管Q的基极为过零点检测电路4的控制端，电阻R4另一端与比较器5的反相输入端相连，比较器5的反相输入端为过零点检测电路4的第二输入端，比较器5的输出端为过零点检测电路4的输出端。

无刷电机1的三相定子线圈分别输出反电动势到对应的过零点检测电路4的第一输入端，反电动势经过分压后输入比较器5的同相输入端。三个过零点检测电路4的第二输入端的电压为无刷电机1中心点电压，即过零点检测电路4中的比较器5的反相输入端的输入电压为无刷电机1中心点电压。

电阻R1、电阻R2、电阻R3、三极管Q和电容C组成RC低通滤波电路。电阻R2和电阻R3并联，它们的等效电阻R5=R2R3/（R2+R3）。RC低通滤波电路的滤波效果取决于电阻R1、等效电阻R5和电容C的参数，其截止频率f计算公式为：f=（R1+R5）/2π·R1R5·C，其相位延迟角度的计算公式为α=tan-1[2πf·R1R5·C/（R1+R5）]，可见通过等效电阻R5都能够对相位延迟角度进行调整。

在无刷电机1启动时，反电动势幅值较小且包含的噪声干扰较为严重，微控制器2控制三极管Q断开，等效电阻R5阻值最大，保证有足够大的反电动势分压幅值进入到比较器5，同时RC低通滤波电路的滤波效果也会增强，能够较好地滤除反电动势内的干扰噪声，这样比较器5能够稳定地输出过零点信号，无刷电机1启动就变得非常稳定可靠。

在无刷电机1正常启动后，随着转速的提高，反电动势的幅值和平率f也随之增加。这时如果RC低通滤波电路还是原来启动时的参数的话，一方面会导致反电动势相位延迟角度超过30度，不利于无刷电机1控制，另一方面输入到比较器的反电动势幅值会超过比较器5的工作电压，造成比较器5不能正常比较过零点信号。所以这时，微控制器2控制三极管Q导通，等效电阻R5阻值变小，这样RC低通滤波电路的滤波系数减小，能够有效地抑制反电动势相位延迟角度，同时能保证输入到比较器5的反电动势幅值不会过大，这样就能保证无刷电机1在较高转速正常运行。

微控制器2可采用PWM连续调制方式控制三极管Q的导通和关断，从而影响等效电阻R5的阻值。当PWM信号为高电平时，三极管Q饱和导通，电阻R2和电阻R3并联接地；当PWM信号为低电平时，三极管Q截止，电阻R3与地断开，直接由电阻R2分压。微控制器2通过调节PWM信号的占空比，可以改变等效电阻R5的等效阻值，进而改变RC低通滤波电路的时间常数，即改变RC低通滤波电路的相位延迟角

在无刷电机1控制中，过零点信号与无刷电机1换相时刻需存在30度延迟，那么通过微控制器2检测无刷电机转速，实时调节PWM信号占空比，使RC低通滤波电路的相位延迟角度始终等于30度，这样就能实现无刷电机1从低速到高速的全速范围内实现恒定的30度相移。微控制器2可对过零点信号进行计时，计算出无刷电机1三相输出的反电动势频率，从而计算出无刷电机1的转速。

微控制器2对三个过零点检测电路4输出的过零点信号进行处理，通过电机驱动电路3驱动无刷电机1换相。

如图2所示，微控制器2对过零点检测电路4的控制流程包括以下步骤：

 步骤一：微控制器2控制三极管Q断开，等效电阻R5阻值最大，使RC低通滤波电路具有最大滤波系数；

步骤二：微控制器2通过电机驱动电路3启动无刷电机1；

步骤三：微控制器2检测三个比较器5输出的反电动势过零点信号，计算出当前无刷电机1转速；

步骤四：微控制器2判断电机转速是否大于设定的高速值，如果是则执行步骤五，否则执行步骤六；

步骤五：微控制器2控制三极管Q导通，等效电阻R5阻值变小，使RC低通滤波电路滤波系数变小；

步骤六：微控制器2判断电机转速是否小于设定的低速值，如果是则执行步骤七，否则执行步骤三；

步骤七：微控制器2控制三极管Q断开，等效电阻R5阻值变大，使RC低通滤波电路滤波系数变大，之后执行步骤三。

Claims (3)

1. 一种无刷电机控制装置，其特征在于：包括微控制器（2）、电机驱动电路（3）和三个过零点检测电路（4），所述三个过零点检测电路（4）的第一输入端分别与无刷电机（1）的三相定子线圈相连，所述三个过零点检测电路（3）的第二输入端相连，所述三个过零点检测电路（4）的输出端分别与微控制器（2）相连，所述三个过零点检测电路（3）的控制端分别与微控制器（2）相连，所述微控制器（2）还通过电机驱动电路（3）与无刷电机（1）相连，所述过零点检测电路（4）包括比较器（5）、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、开关模块和电容C，所述比较器（5）的同相输入端与电阻R1一端、电阻R2一端，电阻R3一端、电阻R4一端和电容C一端相连，所述电阻R1另一端为过零点检测电路（4）的第一输入端，所述电阻R2另一端接地，所述电阻R3另一端与开关模块的输入端相连，所述电容C另一端分别与开关模块的输出端和地线相连，所述开关模块的控制端为过零点检测电路（4）的控制端，所述电阻R4另一端与比较器（5）的反相输入端相连，所述比较器（5）的反相输入端为过零点检测电路（4）的第二输入端，所述比较器（5）的输出端为过零点检测电路（4）的输出端。

2.根据权利要求1所述的一种无刷电机控制装置，其特征在于：所述开关模块为三极管Q，所述三极管Q的基极为过零点检测电路（4）的控制端，所述三极管Q的集电极与电阻R3一端相连，所述电阻R3另一端与比较器（5）的同相输入端相连，所述三极管Q的发射极与电容C一端和地线相连，电容C另一端与比较器（5）的同相输入端相连。

3.根据权利要求1或2所述的一种无刷电机控制装置，其特征在于：所述电机驱动电路（3）为H桥电路。

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