CN205017238U

CN205017238U - 无刷直流电机相位控制电路

Info

Publication number: CN205017238U
Application number: CN201520736842.3U
Authority: CN
Inventors: 黄河; 郁炜嘉; 孙顺根
Original assignee: Shanghai Bright Power Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Shanghai semiconducto Limited by Share Ltd
Priority date: 2015-09-22
Filing date: 2015-09-22
Publication date: 2016-02-03
Anticipated expiration: 2025-09-22

Abstract

一种无刷直流电机相位控制电路，包括：编码器，分别与相位超前角信号输出端及相位计数器的输入端相接；第一速度计数器，其时钟端与时钟信号输出端相连，其清零端与霍尔边沿信号输出端相连，其输出端与速度寄存器的输入端相连；速度寄存器，其输出端与比较单元相连；第二速度计数器，其时钟端与时钟信号输出端相连，其输出端与比较单元相连；比较单元，其输出端分别与相位计数器的时钟端及速度计数器的清零端相连；相位计数器，其初始化端与霍尔边沿信号输出端相连，其输出端与输出控制单元相连；输出控制单元，用于输出相位超前角优化后的超前霍尔边沿信号以调整施加于无刷直流电机的相位。

Description

无刷直流电机相位控制电路

技术领域

本实用新型涉及无刷直流电机驱动技术领域，尤其涉及一种应用于无刷直流电机驱动的实现超前角优化的相位控制电路。

背景技术

无刷直流电机是集交流电机和直流电机优点于一体的机电一体化产品，它既具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电机运行效率高、调速性能好的特点，同时无励磁损耗，因此近年来无刷直流电机的应用日益普及。无刷电动机利用电子换向替代了机械换向，克服了传统直流电机由于电刷摩擦而产生的一系列问题，并且具有调速性能好、体积小、效率高等优点，因而广泛应用于国民经济生产的各个领域以及人们的日常生活中。

无刷电机的绕组呈电感特性，当无刷直流电机的转速较快时，由于电机线圈的电感特性，使得线圈电流会比逆变器电压延时一定时间，造成效率的下降。要补偿该延时，需要在霍尔信号翻转之前提前改变逆变器状态，即超前一定的相位角度。相位超前角的设置可以通过相电流检测实现，不过需要消耗较多的计算资源，硬件成本也高；可以采用间接估算的方法来进行相位超前角的计算，比如基于电机平均电流的自动超前角算法，但当电机轻载尤其是空载时会导致电机容易飞车；电机飞车会造成电机过热而受损，甚至威胁人员安全。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，针对现有技术中无刷直流电机相位超前角设置存在的问题，提供一种无刷直流电机相位控制电路，实现产生与霍尔信号同步的相位信息，以及控制相位相位超前角度。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种无刷直流电机相位控制电路，包括：编码器、第一速度计数器、第二速度计数器、速度寄存器、比较单元、相位计数器以及输出控制单元；所述编码器分别与相位超前角信号输出端以及所述相位计数器的输入端相接，用于接收相位超前角输入信号，并对所需的相位超前角度编码后输出至所述相位计数器；所述第一速度计数器的时钟端与无刷直流电机的时钟信号输出端相连，所述第一速度计数器的清零端与无刷直流电机的霍尔边沿信号输出端相连，所述第一速度计数器的输出端与速度寄存器的输入端相连，用于根据霍尔边沿信号将计数到的霍尔边沿信号周期时长存入到所述速度寄存器后清零准备下次计数；所述速度寄存器的输出端与所述比较单元的第一输入端相连；所述第二速度计数器的时钟端与所述时钟信号输出端相连，所述第二速度计数器的输出端与所述比较单元的第二输入端相连，所述第二速度计数器的清零端与所述比较单元的输出端相连；所述比较单元的输出端进一步与所述相位计数器的时钟端相连，用于对所述速度寄存器与所述第二速度计数器的输出进行比较，并输出相位计数信号至所述相位计数器以及清零所述第二速度计数器；所述相位计数器的初始化端与所述霍尔边沿信号输出端相连，用于根据霍尔边沿信号将计数初始化为所述编码器输出的编码，所述相位计数器的输出端与所述输出控制单元相连，用于将相位计数结果输出至所述输出控制单元；所述输出控制单元，用于输出相位超前角优化后的超前霍尔边沿信号以调整施加于所述无刷直流电机的相位。

本实用新型的优点在于：本实用新型提供的无刷直流电机相位控制电路及控制方法，采用两路速度计数器来计算上一次霍尔周期的时长，通过寄存，比较的方法产生一个霍尔周期内的相位信息，再通过设置相位计数器初始值的方式设置相位超前角，实现产生与霍尔信号同步的相位信息，以及控制相位相位超前角度。且，本实用新型可应用于单相/三相无刷直流电机驱动，以及可应用于方波/梯形波/正弦波或其他波形电机驱动。

附图说明

图1，本实用新型无刷直流电机相位控制电路架构示意图；

图2，本实用新型无刷直流电机相位控制电路一实施方式示意图；

图3，本实用新型应用于单相方波驱动电机时各个节点的工作波形；

图4，本实用新型无刷直流电机相位控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型提供的无刷直流电机相位控制电路及控制方法做详细说明。

参考图1，本实用新型所述的无刷直流电机相位控制电路架构示意图。所述无刷直流电机相位控制电路包括编码器11、第一速度计数器12、第二速度计数器13、速度寄存器14、比较单元15、相位计数器16以及输出控制单元17。该电路采用两路速度计数器来分别计算上一次霍尔周期的时长，通过寄存、比较的方法产生一个霍尔周期内的相位信息，再通过设置相位计数器初始值的方式设置相位超前角；并控制相位超前角优化后的超前霍尔边沿信号输出以调整施加于所述无刷直流电机的相位，以下给出详细解释。

所述编码器11分别与相位超前角信号输出端以及所述相位计数器16的输入端相接，用于接收相位超前角输入信号，并对所需的相位超前角度编码后输出至所述相位计数器16。

所述第一速度计数器12的时钟端CK与无刷直流电机的时钟信号输出端相连，所述第一速度计数器12的清零端Reset与无刷直流电机的霍尔边沿信号(HallEdge)输出端相连，所述第一速度计数器12的输出端OUT与速度寄存器14的输入端相连。所述第一速度计数器12输入是周期为t的内部时钟CK，并根据霍尔边沿信号将计数到的霍尔边沿信号周期时长存入到所述速度寄存器14，之后清零准备下次计数。

所述速度寄存器14的输出端OUT与所述比较单元15的第一输入端相连。

所述第二速度计数器13的时钟端CK与所述时钟信号输出端相连，所述第二速度计数器13的输出端OUT与所述比较单元15的第二输入端相连；所述第二速度计数器13的清零端Reset与所述比较单元15的输出端相连。所述第二速度计数器13输入也为周期为t的内部时钟CK，其将计数到的霍尔边沿信号周期时长输入到所述比较单元15，并在所述比较单元15输出相位计数信号Step时清零准备下次计数。

所述比较单元15的输出端进一步与所述相位计数器16的时钟端CK相连，用于对所述速度寄存器14与所述第二速度计数器13的输出进行比较，并输出相位计数信号Step至所述相位计数器16；输出的相位计数信号Step同时清零所述第二速度计数器13，以使其准备下次计数。即当所述第二速度计数器13计数到Hall周期的1/2^M时，所述比较单元15输出相位计数信号Step作为时钟输入到相位计数器16，每个Step对应的相位为180°/2^M。其中，M为正整数，其取值根据相位控制的精度确定。

所述相位计数器16的初始化端Init与所述霍尔边沿信号输出端相连，用于根据霍尔边沿信号将计数初始化为所述编码器11输出的编码，所述相位计数器16的输出端OUT与所述输出控制单元17相连，用于将相位计数结果输出至所述输出控制单元17。所述相位计数器16的初始值为编码器11输出的编码，对比较单元15输出的相位计数信号Step计数，并将相位计数结果输出至所述输出控制单元17。

所述输出控制单元17，用于输出相位超前角优化后的超前霍尔边沿信号(LeadingHallEdge)以调整施加于所述无刷直流电机的相位。所述输出控制单元17判定相位计数结果满足相位超前角优化要求时，输出超前霍尔边沿信号。也即，通过设置所述相位计数器16的初始值，可以使换相信号超前相位0～180°，从而实现超前角的控制。

所述无刷直流电机可以为单相或三相无刷直流电机，也即，本实用新型可应用于单相/三相无刷直流电机驱动。

所述无刷直流电机驱动波形包括方波、梯形波以及正弦波，也即，本实用新型可应用于方波/梯形波/正弦波或其他波形电机驱动。

参考图2，本实用新型所述的无刷直流电机相位控制电路一实施方式示意图。在本实施方式中，所述第一速度计数器12采用N位速度计数器22，所述相位计数器16采用M位相位计数器26，所述第二速度计数器13采用N-M位速度计数器23，所述速度寄存器14采用N-M位速度寄存器24。其中，N、M为正整数，且N大于M。

N的值的设定满足：2N*T_CK>MAX(T_HallEdge)，其中，T_CK是时钟周期，MAX(T_HallEdge)是霍尔信号的最大周期；M的值根据相位控制的精度确定。

在本实施方式中，所述N位速度计数器22的高N-M位输出端与所述N-M位速度寄存器24的输入端相连(当N＝8，M＝3时，其D4-D8连接到所述N-M位速度寄存器24的输入端，如图2所示)。所述N位速度计数器22输入是周期为t的内部时钟CK，并根据霍尔边沿信号将计数到的霍尔边沿信号周期时长的高N-M位存入到所述N-M位速度寄存器24，之后清零准备下次计数。

在本实施方式中，所述比较单元25包括：一同或门组251以及一第一与门252。

所述同或门组251包括N-M个同或门；每一同或门的输入端分别与所述N-M位速度寄存器24以及所述N-M位速度计数器23的相应输出端相连，以对二者相应输出端的的输出做同或运算；所述同或门组251的输出端均接入所述第一与门252的输入端。每一同或门的输入端输入的N-M位速度计数器的计数的位和N-M位速度寄存器的位是一一对应的。例如，N-M位速度寄存器24缓存的第一位计数与N-M位速度计数器23的第一位计数输入到一个同或门的两输入端，N-M位速度寄存器24缓存的第二位计数与N-M位速度计数器23的第二位计数输入到一个同或门的两输入端，N-M位速度寄存器24缓存的第N-M位计数与N-M位速度计数器23的第N-M位计数输入到一个同或门的两输入端。

所述第一与门252的输出端与所述M位相位计数器26的时钟端CK相连，以输出相位计数信号Step至所述M位相位计数器26；所述第一与门252的输出端同时与所述N-M位速度计数器23的清零端Reset相连，所述第一与门252输出的相位计数信号Step同时清零所述N-M位速度计数器23，以使其准备下次计数。当所述N-M位速度计数器23计数到霍尔信号周期的每1/2^M时，所述第一与门252输出相位计数信号Step作为时钟输入到M位相位计数器26，每个相位计数信号Step对应的相位为180°/2^M。

在本实施方式中，所述输出控制单元27包括：一第二与门271，所述第二与门271的输入端与所述M位相位计数器26的输出端OUT相连，用于输出优化后的超前霍尔边沿信号。即，当所述M位相位计数器26的输出端输出全部为1时，第二与门271输出优化后的超前霍尔边沿信号。通过设置M位相位计数器26的初始值，可以使换相信号超前相位0～180°。

下面结合附图3，以单相方波驱动电机为例，对本实用新型所述的无刷直流电机相位控制电路作进一步说明。其中，图3为本实用新型应用于单相方波驱动电机时各个节点的工作波形，其以超前角为45°为例示意各波形。

每一个电气周期总相位为360°，霍尔信号(Hall)翻转两次，高低电平占空比为50％，每次霍尔边沿信号(HallEdge)之间相差180°相位。假设N位速度计数器22的位数N＝8，N-M位速度计数器23的位数N-M＝5，N-M位速度寄存器24的位数N-M＝5，M位相位计数器26的位数M＝3(即相位控制的精度为M＝3)；即每个霍尔边沿之间有8次相位输出，每个相位对应180°/8＝22.5°。

1、HallEdge信号连接到3位相位计数器26的Init端，超前角输入信号连接到编码器21，编码器21的输出连接3位相位计数器26的输入端；编码器21将所需的相位超前角度编码后，在每个HallEdge时刻，初始化到3位相位计数器26中。例如，需要超前22.5°，也即需要超前一个相位，则编码为001；需要超前45°，也即需要超前两个相位，则编码为010。

2、HallEdge信号同时连接到8位速度计数器22的Reset端，时钟CK连接到8位速度计数器22的CK端；8位速度计数器22的输入为周期为t的内部时钟CK，并且根据HallEdge信号来将计数到的HallEdge周期时长的高5位D<4:8>存入到5位速度寄存器24中，并且清零准备下次计数。

3、时钟CK同时连接到5位速度计数器23的CK端；因此，5位速度计数器23的输入亦为周期为t的内部时钟CK。

4、5个同或门组成的同或门组251分别对5位速度计数器23与5位速度寄存器24的相应输出端的输出做同或运算，5位同或的结果输入到第一与门252。即每当5位速度计数器23计数到Hall周期的1/8时，第一与门252输出一Step信号，每个Step信号对应的相位为180°/8＝22.5°。

5、将Step信号作为时钟输入到3位相位计数器26的CK端，3位相位计数器26以编码器21输出的编码为初始值，对Step信号进行计数。同时，将Step信号输入到5位速度计数器23的Reset端，以清零5位速度计数器23准备下次计数。

6、当3位相位计数器26的输出全部为1时，即其在初始值的基础上计满8个相位，则第二与门271输出超前的霍尔边沿信号。例如，初始值为001，则在7/8Hall周期时3位相位计数器26的输出全部为1，第二与门271输出优化后的超前霍尔边沿信号，使换相信号超前相位22.5°；初始值为010，则在6/8Hall周期时3位相位计数器26的输出全部为1，第二与门271输出优化后的超前霍尔边沿信号，使换相信号超前相位45°。也即，通过设置3位相位计数器26的初始值，可以使换相信号超前相位0～180°，而实现超前角的控制。

参考图4，本实用新型所述的无刷直流电机相位控制方法流程图。所述方法包括：S41：设定M位相位计数器初始值；S42：根据霍尔边沿信号将N位速度计数器计数到的霍尔边沿信号周期时长高N-M位存入N-M位速度寄存器，并清零所述N位速度计数器准备下次计数；S43：N-M位速度计数器对霍尔边沿信号周期时长进行计数，并将N-M位速度计数器各输出端的计数分别与N-M位速度寄存器相应的各输出端的计数进行比较，并输出相位计数信号至M位相位计数器，同时清零所述N-M位速度计数器准备下次计数；S44：判定所述M位相位计数器的相位计数结果满足相位超前角优化要求时，输出优化后的超前霍尔边沿信号以调整施加于所述无刷直流电机的相位，以下给出详细解释。

S41：设定M位相位计数器初始值。

所述初始值的设定可以为：根据霍尔边沿信号，将所需的相位超前角度编码后初始化到所述M位相位计数器，其中M为正整数，其取值根据相位控制的精度确定。所述编码可以通过编码器实现，也可以通过编程实现。

每一个电气周期总相位为360°，霍尔信号(Hall)翻转两次，高低电平占空比为50％，每次霍尔边沿信号(HallEdge)之间相差180°相位。假设每个霍尔边沿之间有8次相位输出，每个相位对应180°/8＝22.5°；相位控制的精度位数为3位，则编码器为3位输出。若需要超前22.5°，也即需要超前一个相位，则编码为001，并在每个HallEdge时刻初始化到所述M位相位计数器；若需要超前45°，也即需要超前两个相位，则编码为010，并在每个HallEdge时刻初始化到所述M位相位计数器。

S42：根据霍尔边沿信号将N位速度计数器计数到的霍尔边沿信号周期时长高N-M位存入N-M位速度寄存器，并清零所述N位速度计数器准备下次计数。

其中，N为大于M的正整数。N的值的设定满足：2N*T_CK>MAX(T_HallEdge)，其中，T_CK是时钟周期，MAX(T_HallEdge)是霍尔信号的最大周期。假设N＝8，M＝3，即采用8位速度计数器22和5位速度计数器23、5位速度寄存器24、3位相位计数器26；每个霍尔边沿之间有8次相位输出，相位控制的精度位数为3位。

8位速度计数器22的输入是周期为t的内部时钟CK，并且根据HallEdge信号来将计数到的HallEdge周期时长的高5位D<4:8>存入到5位速度寄存器24中，并清零准备下次计数。

S43：N-M位速度计数器对霍尔边沿信号周期时长进行计数，并将N-M位速度计数器各输出端的计数分别与N-M位速度寄存器相应的各输出端的计数进行比较，并输出相位计数信号至M位相位计数器，同时清零所述N-M位速度计数器准备下次计数。

步骤S43进一步可以为：1)对所述N-M位速度计数器各输出端的计数分别与N-M位速度寄存器相应的各输出端的计数进行同或运算，获取N-M位同或结果；2)对所述N-M位同或结果进行与运算，并输出相位计数信号。

例如，采用5个同或门组成的同或门组251分别对5位速度计数器23的输出与5位速度寄存器24的输出做同或运算，5位同或的结果输入到与门252；与门252输出相位计数信号Step作为时钟输入到3位相位计数器26中；同时，将Step信号输入到5位速度计数器23的Reset端，以清零5位速度计数器23准备下次计数。每当5位速度计数器23计数到Hall周期的1/8时，与门252输出一相位计数信号(Step信号)，每个Step信号对应的相位为180°/8＝22.5°。

因此，作为可选的实施方式，步骤S43也可以为：当所述N-M位速度计数器计数到霍尔信号周期的每1/2^M时，输出相位计数信号，每个相位计数信号对应的相位为180°/2^M。

S44：判定所述M位相位计数器的相位计数结果满足相位超前角优化要求时，输出优化后的超前霍尔边沿信号以调整施加于所述无刷直流电机的相位。

步骤S44进一步可以为：1)所述M位相位计数器累加所述初始值与相位计数信号值，并输出M位相位计数结果；2)对M位相位计数结果进行与运算，以判断所述M位相位计数器的相位计数结果是否满足相位超前角优化要求。

例如，3位相位计数器26以编码器21输出的编码为初始值，对Step信号进行计数。当3位相位计数器26的输出全部为1时，即其在初始值的基础上计满8个相位，则与门271输出优化后的超前霍尔边沿信号。例如，初始值为001，则在7/8Hall周期时3位相位计数器26的输出全部为1，与门271输出优化后的超前霍尔边沿信号，使换相信号超前相位22.5°；初始值为010，则在6/8Hall周期时3位相位计数器26的输出全部为1，与门271输出优化后的超前霍尔边沿信号，使换相信号超前相位45°。也即，通过设置3位相位计数器26的初始值，可以使换相信号超前相位0～180°，而实现超前角的控制。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，仅用以说明本实用新型的技术方案而非对本实用新型的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种无刷直流电机相位控制电路，其特征在于，包括：编码器、第一速度计数器、第二速度计数器、速度寄存器、比较单元、相位计数器以及输出控制单元；

所述编码器分别与相位超前角信号输出端以及所述相位计数器的输入端相接，用于接收相位超前角输入信号，并对所需的相位超前角度编码后输出至所述相位计数器；

所述第一速度计数器的时钟端与无刷直流电机的时钟信号输出端相连，所述第一速度计数器的清零端与无刷直流电机的霍尔边沿信号输出端相连，所述第一速度计数器的输出端与所述速度寄存器的输入端相连，用于根据霍尔边沿信号将计数到的霍尔边沿信号周期时长存入到所述速度寄存器后清零准备下次计数；

所述速度寄存器的输出端与所述比较单元的第一输入端相连；

所述第二速度计数器的时钟端与所述时钟信号输出端相连，所述第二速度计数器的输出端与所述比较单元的第二输入端相连，所述第二速度计数器的清零端与所述比较单元的输出端相连；

所述比较单元的输出端进一步与所述相位计数器的时钟端相连，用于对所述速度寄存器与所述第二速度计数器的输出进行比较，并输出相位计数信号至所述相位计数器以及清零所述第二速度计数器；

所述相位计数器的初始化端与所述霍尔边沿信号输出端相连，用于根据霍尔边沿信号将计数初始化为所述编码器输出的编码，所述相位计数器的输出端与所述输出控制单元相连，用于将相位计数结果输出至所述输出控制单元；

所述输出控制单元，用于输出相位超前角优化后的超前霍尔边沿信号以调整施加于所述无刷直流电机的相位。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第一速度计数器为N位速度计数器，所述相位计数器为M位相位计数器，所述第二速度计数器为N-M位速度计数器，所述速度寄存器为N-M位速度寄存器，其中N、M为正整数，且N大于M。

3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述N位速度计数器的高N-M位输出端分别与所述N-M位速度寄存器的输入端相连，用于根据霍尔边沿信号将计数到的霍尔边沿信号周期时长的高N-M位存入到所述N-M位速度寄存器后清零准备下次计数。

4.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述比较单元进一步包括一同或门组以及第一与门；

所述同或门组包括N-M个同或门，每一同或门的输入端分别与所述N-M位速度寄存器以及所述N-M位速度计数器的相应输出端相连，所述同或门组的输出端均接入所述第一与门的输入端；

所述第一与门的输出端分别与所述M位相位计数器的时钟端以及所述N-M位速度计数器的清零端相连，以输出相位计数信号至所述M位相位计数器以及清零所述N-M位速度计数器。

5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述输出控制单元进一步包括第二与门，所述第二与门的输入端与所述相位计数器的输出端相连，用于输出优化后的超前霍尔边沿信号。

6.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，N的值的设定满足：2N*T_CK>MAX(T_HallEdge)，其中，T_CK是时钟周期，MAX(T_HallEdge)是霍尔信号的最大周期；M的值根据相位控制的精度确定。

7.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，当所述N-M位速度计数器计数到霍尔信号周期的每1/2^M时，比较单元输出相位计数信号，每个相位计数信号对应的相位为180°/2^M。

8.根据权利要求7所述的电路，其特征在于，通过设置相位计数器的初始值使换相信号超前相位0～180°。

9.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述无刷直流电机为单相或三相无刷直流电机。

10.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述无刷直流电机驱动波形包括方波、梯形波以及正弦波。