CN108011549A - 无位置传感器的bldc电机换相控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无位置传感器的BLDC电机换相控制方法及装置，其中，无位置传感器的BLDC电机换相控制方法包括以下步骤：在检测到BLDC电机换相后的续流时间完毕后，获取BLDC电机的反电动势信号；根据反电动势信号确定BLDC电机的反电动势过零点以及换相点时间；根据反电动势过零点以及换相点时间对BLDC电机进行换相控制。本发明能够可靠的获取反电动势有效采样区间，从而实现BLDC电机的超高转速运行。

Description

无位置传感器的BLDC电机换相控制方法及装置

技术领域

本发明涉及无位置传感器的BLDC电机技术领域，特别涉及一种无位置传感器的BLDC电机换相控制方法及装置。

背景技术

BLDC电机是一种结合了直流电机和交流电机优点的改进型电机，其转子采用永磁材料励磁，体积小、重量轻、结构简单、维护方便。BLDC电机又具有控制简便、高效节能等一系列优点，已广泛应用于仪表和家用电器等领域。

BLDC电机为实现高速运转，大多采用无位置传感器控制方法来进行调速控制，无位置传感器控制方法相比位置传感器控制方法减少了位置传感器，减少了成本，提高了电机的可靠性，如图1所示，无位置传感器控制方法通过控制装置输出PWM信号控制逆变器中开关管的导通或关闭控制，形成闭环控制，从而实现BLDC电机的高速运转。但是，无位置传感器控制方法在采用PWM斩波控制时，因为在PWM信号采样期间时，PWM信号会受到外围驱动电路的开关管的干扰、从而带有PWM信号的干扰，影响反电动势的有效采样区间，从而造成BLDC电机不能以最大转矩进行换相，而传统的软件控制例如DSP控制难以解决开关管的干扰带来的问题，从而达不到电机超高速运转的要求。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种无位置传感器的BLDC电机换相控制方法，旨在解决开关管对反电动势有效采样区间造成的干扰，从而实现BLDC电机的超高速运转。

为实现上述目的，本发明提出一种无位置传感器的BLDC电机换相控制方法，该方法包括：

S100、在检测到BLDC电机换相后的续流时间完毕后，获取BLDC电机的反电动势信号；S200、根据所述反电动势信号确定BLDC电机的反电动势过零点以及换相点时间；S300、根据所述反电动势过零点以及换相点时间对BLDC电机进行换相控制。

优选地，所述检测到BLDC电机换相后的续流时间完毕具体包括：

在检测到BLDC电机换相时，开始计时，并在计时时间到时，则确定续流时间完毕。

优选地，所述获取BLDC电机的反电动势信号具体包括：

S110、获取BLDC电机的中性点电压参数和BLDC电机三相的端电压参数；S120、根据所述BLDC电机的中性点电压参数和BLDC电机三相的端电压参数确定BLDC电机的反电动势信号。

优选地，所述根据所述反电动势信号确定BLDC电机的反电动势过零点以及换相点时间的步骤具体包括：

S210、判断获取的所述反电动势信号中是否包含BLDC电机的反电动势过零点；S220、当获取的所述反电动势信号中包含有BLDC电机的反电动势过零点时，执行所述步骤根据所述反电动势信号确定BLDC电机的反电动势过零点以及换相点时间；S230、当获取的所述反电动势信号中不包含BLDC电机的反电动势过零点时，在第一预设时间后对BLDC电机进行换相控制。

对应的，本发明还提出一种无位置传感器的BLDC电机换相控制装置，所述无位置传感器的BLDC电机包括反电动势信号采集模块、重载定时模块及换相模块；

反电动势信号采集电路，用于采集BLDC电机的反电动势信号；换相时间分析电路，用于根据所述反电动势信号确定BLDC电机的反电动势过零点以及换相点时间；换相控制电路，用于根据所述反电动势过零点以及换相点时间对BLDC电机进行换相控制。

优选地，反电动势信号采集电路包括中性点电压采集电路、三相端电压采集电路及比较器；

所述中性点电压采集电路，用于采集BLDC电机的中性点电压参数；所述三相端电压采集电路，用于采集BLDC电机三相的端电压参数；所述比较器，用于根据BLDC电机的中性点电压参数及端电压参数计算出反电动势信号。

优选地，所述换相时间分析电路包括过零检测电路、基本定时器及重载定时器；

所述过零检测电路，用于根据所述BLDC电机的反电动势信号确定BLDC电机反电动势过零点信号；所述基本定时器，用于在获取的所述反电动势信号中不包含BLDC电机的反电动势过零点时，在第一预设时间后对BLDC电机进行换相控制；所述重载定时器，用于在获取的所述反电动势信号中包含有BLDC电机的反电动势过零点时，根据所述反电动势过零点以及换相点时间对BLDC电机进行换相控制。

优选地，所述换相控制电路包括写入时序电路和状态寄存器；所述写入时序电路，用于根据反电动势过零点以及换相点时间输出时序信号；所述状态寄存器，根据所述时序信号输出PWM控制信号以对BLDC电机进行换相控制。

本发明无位置传感器的BLDC电机换相控制方法中：首先，在检测到BLDC电机换相后的续流时间完毕后，获取BLDC电机的反电动势信号。然后，根据反电动势信号确定BLDC电机的反电动势过零点以及换相点时间。最后，根据反电动势过零点以及换相点时间对BLDC电机进行换相控制。因此，本技术方案可以避免开关管对BLDC电机的反电动势有效采样区间的干扰，相对于现有技术，本发明技术方案具有超高转速的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为BLDC电机无位置传感器电路结构示意图；

图2为本发明BLDC电机无位置传感器的控制方法一实施例流程示意图；

图3为本发明重载定时模块续流屏蔽和换相示意图；

图4为本发明PWM检测区间示意图；

图5为图2中步骤S100细化流程示意图；

图6为图2中步骤S200细化流程示意图；

图7为本发明无位置传感器的BLDC电机换相控制装置一实施例模块示意图；

图8为本发明无位置传感器的BLDC电机换相控制装置另一实施例电路结构示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作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。

需要说明，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，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。

本发明提出一种无位置传感器的BLDC电机换相控制方法。

如图2所示，本发明BLDC电机无位置传感器的控制方法一实施例中，该方法包括：

S100、在检测到BLDC电机换相后的续流时间完毕后，获取BLDC电机的反电动势信号。

需要说明的是，在第一次换相时，原来的导通相变为悬空相，此时该相的电感能量需要经过续流二极管释放到电源或者地，在续流过程中，滤波及采样模块会受到影响，所以需要屏蔽续流时间内的续流信号，以免续流产生的错误信号引起错误换相，即在换相后开始屏蔽一定角度不采样悬空相的反电动势信号。

S200、根据反电动势信号确定BLDC电机的反电动势过零点以及换相点时间。

需要说明的是，在BLDC电机换相控制中，根据反电动势过零点与BLDC电机换相点的关系，在确定了反电动势过零点后，再延迟30度电角度即为BLDC电机的换相点，转子转过30度电角度时间即为换相点时间。

S300、根据反电动势过零点以及换相点时间对BLDC电机进行换相控制；在换相时间结束后，换相点确定，此时BLDC电机可进行换相，到此一个换相周期结束，重复这个过程使得电机连续换相运转。

进一步的，本发明采用PWM信号控制逆变器中的开关管导通来实现BLDC电机换相控制，PWM信号容易受到开关速度或者驱动电阻大小的干扰，从而带有PWM信号的干扰噪声，造成PWM的跳变沿存在延迟，所以在采集反电动势的过零点时需要进行延时采样设置以躲避因开关管引起的干扰。

如图4所示，在PWM-ON采样期间，在获取反电动势时需要进行延时开启采样和关闭采样，A1时段表示延迟开启采样时间，B1表示延迟结束采样时间，C1为反电动势实际采样时间。在PWM-OFF采样期间，A2表示延时开启采样时间，B2表示延时结束采样时间，C2为反电动势实际采样时间，通过延时采样设置躲避因开关管引起的干扰，使得BLDC电机获得更好的反电动势采样区间。

优选地，检测到BLDC电机换相后的续流时间完毕具体包括：

在检测到BLDC电机换相时，开始计时，并在计时时间到时，则确定续流时间完毕。

需要说明的是，续流时间以BLDC电机转过15电角度的时间为基准，续流屏蔽时间为：

T1＝15/(128*60)

128为BLDC电机的细分数值，细分数值是指驱动器将上级装置发出的每个脉冲按驱动器设定的细分系数分成系数个脉冲输出，比如电机每转一圈为200个脉冲，如果电机驱动器细分为32,那么电机驱动器需要输出6400个脉冲步进电机才转一圈，60为BLDC电机换相电基准角度。

优选地，获取BLDC电机的反电动势信号具体包括：

S110、获取BLDC电机的中性点电压参数和BLDC电机三相的端电压参数；本发明采用反电动势过零点确定转子位置，为了确定反电动势过零点位置，通过端电压检测法检测反电动势过零点，端电压法即是通过检测BLDC电机的中性点电压参数和BLDC电机三相的端电压参数来确定反电动势过零点进而确定转子位置。

S120、根据BLDC电机的中性点电压参数和BLDC电机三相的端电压参数确定BLDC电机的反电动势信号。

需要说明的是，在确定了中性点电压参数和BLDC电机三相的端电压参数，根据端电压法可知，各相反电动势电压为：

U_S为驱动BLDC电机的电源电压，为中性点电压参数，U_a0，U_b0，U_c0为BLDC电机三相的端电压参数，当表示非导通相反电动势过零点时。

如图6所示，在本发明无位置传感器的BLDC电机换相控制方法另一实施例中，可选地，根据反电动势信号确定BLDC电机的反电动势过零点以及换相点时间的步骤具体包括：

S210、判断获取的反电动势信号中是否包含BLDC电机的反电动势过零点；当采样反电动势信号时，可能存在信号干扰而导致反电动势信号过零点检测不到，所以在检测反电动势过零点时，需要进行相应的换相控制。

S220、当获取的反电动势信号中包含有BLDC电机的反电动势过零点时，执行步骤根据反电动势信号确定BLDC电机的反电动势过零点以及换相点时间；当检测到反电动势过零点时，按照反电动势信号及换相点时间即转子转过30度电角度的时间进行换相控制。

S230、当获取的反电动势信号中不包含BLDC电机的反电动势过零点时，在第一预设时间后对BLDC电机进行换相控制；第一预设时间设定为BLDC电机换相的平均时间，即BLDC电机每60度换相的基准时间。

本发明无位置传感器的BLDC电机换相控制方法中：首先，在检测到BLDC电机换相后的续流时间完毕后，获取BLDC电机的反电动势信号。然后，根据反电动势信号确定BLDC电机的反电动势过零点以及换相点时间。最后，根据反电动势过零点以及换相点时间对BLDC电机进行换相控制。因此，本技术方案可以避免开关管对BLDC电机的反电动势有效采样区间的干扰，相对于现有技术，本发明技术方案具有超高转速的特点。

对应的，本发明还提出一种无位置传感器的BLDC电机换相控制装置，如图7所示，无位置传感器的BLDC电机包括反电动势信号采集电路10、换相时间分析电路20及换相控制电路30；

反电动势信号采集电路10，用于采集BLDC电机的反电动势信号；为了实现BLDC电机以最大转矩运转，需要确定BLDC电机的最佳换相点，又根据反电动势过零点位置与BLDC电机换相点的关系，确定了反电动势信号过零点时，就可以确定BLDC电机最佳换相点，所以本发明无位置传感器的BLDC电机换相控制装置采用采集反电动势信号来确定换相点。

换相时间分析电路20，用于根据反电动势信号确定BLDC电机的反电动势过零点以及换相点时间。

换相控制电路30，用于根据反电动势过零点以及换相点时间对BLDC电机进行换相控制。

需要说明的是，根据反电动势过零点与BLDC电机换相点的关系，在确定了反电动势过零点后，再延迟30度电角度即为BLDC电机的换相点，转子转过30度电角度时间即为换相点时间。

如图8所示，可选地，反电动势信号采集电路10包括三相端电压采集电路11、中性点电压采集电路12及比较器13；

中性点电压采集电路12，用于采集BLDC电机的中性点电压参数；本实施例中，采用分压电阻采集BLDC电机中性点电压，理想的，中性点电压为驱动电源电压的一半，所以中性点电压采集电路通过对电源电压进行分压采集即可实现。

三相端电压采集电路11，用于采集BLDC电机三相的端电压参数；本实施例中，同样采用分压电阻作为三相端电压采集电路来采集BLDC电机的三相端电压，并且三相端电压采集电路不设置滤波电容，因为在三相端电压采集电路中设置滤波电容会造成采样延迟，所以三相端电压采集电路只起分压作用。

比较器13，用于根据BLDC电机的中性点电压参数及端电压参数计算出反电动势信号。

可以理解的是，在确定了中性点电压参数和BLDC电机三相的端电压参数，根据端电压法可知，各相反电动势电压为：

U_S为驱动BLDC电机的电源电压，为中性点电压参数，U_a0，U_b0，U_c0为BLDC电机三相的端电压参数，比较器13通过对中性点电压参数和BLDC电机三相的端电压进行比较，输出高低电平，当电平跳变时，即表示悬空相反电动势过零点。

继续参阅图8，优选地，换相时间分析电路20包括过零检测电路21、基本定时器22及重载定时器23。

过零检测电路21，用于根据BLDC电机的反电动势信号确定BLDC电机反电动势过零点信号；根据反电动势信号的变化，反电动势每次换相过程均会经过零点位置，如图3所示，所以在反电动势每次过零点时，过零检测电路接收到反电动势过零点信号并输出位置检测信号到基本定时器22及重载定时器23。

基本定时器22，用于在获取的所述反电动势信号中不包含BLDC电机的反电动势过零点时，在第一预设时间后对BLDC电机进行换相控制；当采样反电动势信号时，可能存在信号干扰而导致反电动势信号过零点检测不到，所以在检测反电动势过零点时，需要进行相应的换相控制，在反电动势过零点检测不到时，基本定时器22以第一预设时间控制BLDC电机强制进行换相控制，第一预设时间设定为BLDC电机换相的平均时间，即BLDC电机每60度换相的基准时间，在基本定时器22第一次接收到换相控制电路30输出的换相信号时，基本定时器22开始计时，在过零检测电路21无位置检测信号输出时，基本定时器22以每60度换相基准时间计时结束后输出换相控制信号到换相控制电路30，换相控制电路30控制BLDC电机换相，换相基准时间：

T2＝60/(128*60)

128为BLDC电机的细分数值，60为BLDC电机换相电基准角度。

重载定时器23，用于在获取的反电动势信号中包含有BLDC电机的反电动势过零点时，根据反电动势过零点以及换相点时间对BLDC电机进行换相控制；当检测到反电动势过零点时，重载定时器23按照反电动势信号到换相点的时间即转子转过30度电角度的时间进行换相控制。重载定时器23设置换相点时间为：

T2＝30/(128*60)

128为BLDC电机的细分数值，60为BLDC电机换相电基准角度。

重载定时器23在换相点时间结束后输出换相控制信号到换相控制电路30控制BLDC电机换相并产生写入时序中断标记到换相控制电路30。

重载定时器23还对续流屏蔽时间进行设置，即当BLDC电机换相后，重载定时器23开始计时，续流屏蔽时间以BLDC电机转过15电角度的时间为基准，如图3所示，续流屏蔽时间为：

T1＝15/(128*60)

128为BLDC电机的细分数值，60为BLDC电机换相电基准角度。续流屏蔽时间结束后，重载定时器23输出续流屏蔽结束中断标记到换相控制电路30。

优选地，换相控制电路30包括写入时序电路31和状态寄存器32；

写入时序电路31，用于根据反电动势过零点以及换相点时间输出时序信号；写入时序电路31接收重载定时器输出的写入时序中断标记确定电机换相时刻，写入时序电路输出时序信号到状态寄存器。

状态寄存器32，根据所述时序信号输出PWM控制信号以对BLDC电机进行换相控制。状态寄存器32在无时序信号输入时，状态寄存器32保持PWM控制信号不变，当接收到时序信号时，PWM控制信号发生变更，控制逆变器中的开关管导通或者关闭，从而控制BLDC电机换相。

本发明无位置传感器的BLDC电机换相控制装置中：首先，反电动势信号采集电路10在检测到BLDC电机换相后的续流时间完毕后，获取BLDC电机的反电动势信号。然后，换相时间分析电路20根据反电动势信号确定BLDC电机的反电动势过零点以及换相点时间。最后，换相控制电路30根据反电动势过零点以及换相点时间对BLDC电机进行换相控制。因此，本技术方案以硬件实现无位置传感器的BLDC电机运行，可以避免开关管对BLDC电机的反电动势有效采样区间的干扰，相对于现有技术，本发明技术方案具有超高转速的特点。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种无位置传感器的BLDC电机换相控制方法，其特征在于，该方法包括：

S100、在检测到BLDC电机换相后的续流时间完毕后，获取BLDC电机的反电动势信号；

S200、根据所述反电动势信号确定BLDC电机的反电动势过零点以及换相点时间；

S300、根据所述反电动势过零点以及换相点时间对BLDC电机进行换相控制。

2.如权利要求1所述的无位置传感器的BLDC电机换相控制方法，其特征在于，所述检测到BLDC电机换相后的续流时间完毕具体包括：

在检测到BLDC电机换相时，开始计时，并在计时时间到时，则确定续流时间完毕。

3.如权利要求1所述的无位置传感器的BLDC电机换相控制方法，其特征在于，所述获取BLDC电机的反电动势信号具体包括：

S110、获取BLDC电机的中性点电压参数和BLDC电机三相的端电压参数；

S120、根据所述BLDC电机的中性点电压参数和BLDC电机三相的端电压参数确定BLDC电机的反电动势信号。

4.如权利要求1所述的无位置传感器的BLDC电机换相控制方法，其特征在于，所述根据所述反电动势信号确定BLDC电机的反电动势过零点以及换相点时间的步骤具体包括：

S210、判断获取的所述反电动势信号中是否包含BLDC电机的反电动势过零点；

S220、当获取的所述反电动势信号中包含有BLDC电机的反电动势过零点时，执行所述步骤根据所述反电动势信号确定BLDC电机的反电动势过零点以及换相点时间；

S230、当获取的所述反电动势信号中不包含BLDC电机的反电动势过零点时，在第一预设时间后对BLDC电机进行换相控制。

5.一种无位置传感器的BLDC电机换相控制装置，其特征在于，所述无位置传感器的BLDC电机包括反电动势信号采集模块、重载定时模块及换相模块；

反电动势信号采集电路，用于采集BLDC电机的反电动势信号；

换相时间分析电路，用于根据所述反电动势信号确定BLDC电机的反电动势过零点以及换相点时间；

换相控制电路，用于根据所述反电动势过零点以及换相点时间对BLDC电机进行换相控制。

6.如权利要求5所述的无位置传感器的BLDC电机换相控制装置，其特征在于，反电动势信号采集电路包括中性点电压采集电路、三相端电压采集电路及比较器；

所述中性点电压采集电路，用于采集BLDC电机的中性点电压参数；

所述三相端电压采集电路，用于采集BLDC电机三相的端电压参数；

所述比较器，用于根据BLDC电机的中性点电压参数及端电压参数计算出反电动势信号。

7.如权利要求5所述的无位置传感器的BLDC电机换相控制装置，其特征在于，所述换相时间分析电路包括过零检测电路、基本定时器及重载定时器；

所述过零检测电路，用于根据所述BLDC电机的反电动势信号确定BLDC电机反电动势过零点信号；

所述基本定时器，用于在获取的所述反电动势信号中不包含BLDC电机的反电动势过零点时，在第一预设时间后对BLDC电机进行换相控制；

所述重载定时器，用于在获取的所述反电动势信号中包含有BLDC电机的反电动势过零点时，根据所述反电动势过零点以及换相点时间对BLDC电机进行换相控制。

8.所述的无位置传感器的BLDC电机换相控制装置，其特征在于，所述换相控制电路包括写入时序电路和状态寄存器；

所述写入时序电路，用于根据反电动势过零点以及换相点时间输出时序信号；

所述状态寄存器，根据所述时序信号输出PWM控制信号以对BLDC电机进行换相控制。