CN113131805B - 一种无刷直流电机的控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无刷直流电机的控制装置及方法，所述装置包括：输出三相桥，连接无刷直流电机的三相输入端；输入电压检测电路，与所述输出三相桥并联在输入电源两极之间；微控制器，所述微控制器的输入端连接所述输入电压检测电路、所述无刷直流电机的三相输入端，所述微控制器的输出端连接所述输出三相桥，所述微控制器采用PWM‑ON调制方式向所述输出三相桥发送第一驱动信号，并检测所述无刷直流电机的三相输入端的反电势，采样所述反电势的过零点，结合输入电压检测电路采样得到的电源电压，计算得到提前换相的第二驱动信号，将所述第二驱动信号发送给输出三相桥。本发明采用150°驱动控制并进行超前控制，在改善电流波形的同时，也改善了换相时的续流状态，防止不同负载时续流时间过长导致过零点被淹没的问题。

Description

一种无刷直流电机的控制装置及方法

技术领域

本发明属于无刷直流电机技术领域，具体涉及一种采用12拍驱动方式的高速无刷直流电机无位置传感器控制装置及方法。

背景技术

无刷直流电机(BLDC)由于结构简单，效率高，去掉了电刷等优势在小型电动工具、手持式的真空吸尘器和医疗设备等领域应用越来越广泛。传统的BLDC采用120度方波方式进行驱动控制，这个工作方式俗称6拍控制。6拍控制的导通方式简单，驱动电路成熟是BLDC应用中最为成熟可靠的技术方案。但是每60度换相的方波控制在绕组端形成了很大的谐波电流，导致电机的谐波损耗增加、铁耗增加，使得电机效率降低。同时由于每60度导通和换相导致电机的电磁转矩脉动较大，电机运行中由于转矩脉动的原因产生振动和噪声影响设备整体的平稳性，使用体验感受变差。

通过增加360度电周期内的换相次数，可以有效改善电机的电流波形，降低电流谐波同时减轻转矩脉动的影响。例如，如果将一个电周期内的换相次数增加到12次，削减在原来两相导通的角度至30°，在每个两相导通中间插入30°的三相导通过程，这样120°方波控制就变成了150°控制俗称12拍方波控制。使用霍尔位置传感器的方式可以简便的获取转子的位置来进行换相操作，但是霍尔传感器的使用不仅仅增加了系统体积和复杂性也增加了系统成本，同时降低了系统的可靠性。与120°方波控制相同，在每一个两相导通的过程中，没有通电的悬空相可以通过读取反电势的方式进行位置判断，通过这种方式仍然可以实现无传感器的转子位置识别。与120°控制稍微有所区别的是，150°有效的判断区间从60°下降到30°，特别是对于高速旋转的应用场合，简单的利用30°来判断位置可能造成很多问题，导致换相失败。

发明内容

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

根据本申请的第一个方面，提出一种无刷直流电机的控制装置，包括：输出三相桥，连接外部无刷直流电机的三相输入端；输入电压检测电路，与所述输出三相桥并联在输入电源两极之间；微控制器，所述微控制器的输入端连接所述输入电压检测电路、所述无刷直流电机的三相输入端，所述微控制器的输出端连接所述输出三相桥，所述微控制器采用PWM-ON调制方式向所述输出三相桥发送第一驱动信号，并检测所述无刷直流电机的三相输入端的端电压，结合输入电压检测电路采样得到的电源电压，计算得到提前换相的第二驱动信号，将所述第二驱动信号发送给输出三相桥。

在本申请的一些实施例中，进一步包括：电流检测电路，串联在输入电源的负极与所述输出三相桥之间，并连接所述微控制器。

在本申请的一些实施例中，进一步包括：直流母线支撑电容，与所述输出三相桥并联在输入电源两极之间。

在本申请的一些实施例中，所述输入电压检测电路为两个串联的第一电阻和第二电阻，所述第一电阻连接输入电源的正极，所述第二电阻连接输入电源的负极。

在本申请的一些实施例中，所述电流检测电路为一个第三电阻。

根据本申请的第二个方面，提出一种无刷直流电机控制方法，采用PWM-ON调制方式向输出三相桥发送第一驱动信号；检测所述无刷直流电机的三相输入端的端电压，结合采样输入电源的电压得到的电源电压，计算得到提前换相的第二驱动信号；将所述第二驱动信号发送给输出三相桥。

在本申请的一些实施例中，所述计算得到提前换相的第二驱动信号，包括：以预设的超前角进行提前换相操作，得到第二驱动信号。

在本申请的一些实施例中，所述以预设的超前角进行提前换相操作，包括：在所述反电势的端电压后沿以脉宽调制开启时检测二分之一电源电压加上第一常数和脉宽调制关闭时检测0加上第一常数，以及在端电压前沿以脉宽调制开启时检测二分之一电源电压减去第一常数和脉宽调制关闭时检测电源电压减去第一常数，以检测到各数值的时刻作为换相时刻。

在本申请的一些实施例中，所述换相的逻辑为：

检测第一个过零点，然后进行奇数号换相，并记录下该过零点与上一个过零点之间的间隔时间T60，再除以2得到延迟30度所需要的时间T30＝T60/2；所述第一驱动信号的偶数号扇区为两相导通，奇数号为三相导通；

开启定时器延迟T30后进行偶数号换相；

开启续流屏蔽时间，在屏蔽结束后开启AD过零检测；

检测到过零点后再进行以上步骤的操作，以此循环往复。

在本申请的一些实施例中，所述检测第一个过零点，然后进行奇数号换相，包括：根据扇区是偶数号扇区并且完成第一时长延时，开启对应检测相的反电势AD扫描；根据端电压前后沿对应阈值判断是否发生换相。

根据本申请的第三个方面，提出一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序时执行以实现如第二个方面任一项所述的方法。

根据本申请的第四个方面，提出一种计算机可读介质，其上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令可被处理器执行以实现如第二个方面任一项所述的方法。

本发明的优点在于：

1、采用150°驱动控制BLDC相较于原120°驱动方案，流入到电机端的电流中的谐波成分大幅降低，转矩脉动减小，由电流谐波引起的电机损耗降低；

2、采用150°驱动控制并进行超前换相可以改善150°开通时电流波形，进一步削减电流谐波；

3、采用150°驱动控制并进行超前控制，在改善电流波形的同时，也改善了换相时的续流状态，防止不同负载时续流时间过长导致过零点被淹没的问题。使得续流时间缩减，进一步将可以有效检出位置的时间提前，同时改善了换相运行的稳定性；

4、通过将过零点判断值增加或减少一个增量的方式进一步提前了检出换相点的时刻，做到可以大于理论上的15°换相角度的新角度进行超前换相；

5、在超高速应用中15°换相时间对应只有十几微秒的时间，通过加减增量的方式延长了可有效检出过零点的时间，避免由于单次检出错误就导致换相失败的问题；

6、通过加减增量的超前换相方式解决了150°超高速控制时由于电路和采样延迟等因素导致换相不及时的问题，采用速度较慢的廉价的MCU也可以获取相对充足的处理时间，降低应用成本；

7、同时避免了需要霍尔信号来进行超越理论15°换相超前的限制问题，实现了150°驱动的无位置传感器控制；

8、通过选用合适的PWM调制方式，实现在反电势前/后沿都可以在PWM开通和关断时刻都进行有效提前检出；

9、通过加减增量的超前换相方式提升了转速可控的范围。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

附图1示出了本发明所述系统结构原理框图；

附图2示出了采用150°导通控制的BLDC方波驱动理论波形示意图(无超前控制)；

附图3示出了本发明所述换相操作方案原理图；

附图4示出了本发明所述软件反电势过零处理示意图；

附图5示出了一个电周期内超前控制换相的时序逻辑图；

附图6示出了本发明所述控制软件流程图；

附图7示出了进行超前的150°方波驱动控制的电流和电压相对位置图；

附图8示出了传统的150°控制后转速示意图；

附图9示出了根据本发明实施方式的超前换相控制后转速示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

图1示出了本发明所述系统结构原理框图。如图1所示，附图标记的含义如下：101直流母线电流采样电阻、102MCU、103直流母线Vdc采样、104电池输入、105电机端电压采样、106输出三相桥、107对应输出三相桥的MCU输出驱动信号、108BLDC电机和109直流母线支撑电容。其中Vdc为输入电源电压。

主电路包含输入电源，电池和其他稳压电源皆可，直流母线支撑电容109用于母线电压(即电源电压)稳定，使用三相全桥对输入BLDC电机的电压进行控制。MCU对三相输出电压进行端电压检测，用于检测换相点。MCU采样母线电压和母线电流进行功率控制。MCU的驱动信号107通过驱动部件(未图示，属于公知技术)驱动输出三相桥106。

本发明中的MCU控制系统中，不同于120度的6拍换相，150度换相是在6拍两相导通的基础上，在两拍间隔之间插入一次三相导通状态，变原6拍为12拍换相。系统控制难点在于过零点的及时检出和换相的时间间隔短。具体表现为如下两点：

在超高速运行控制中，以150000rpm为例，即使电机只有一对极电频率也高达2500Hz，30°一个扇区的控制时间只有33.3us，而15°换相更只有16.7us的时间进行处理，而类似于电池应用的设备对成本要求高，MCU的计算和采样延迟对系统控制会产生影响，采用超前导通的方式过零判断和换相时间得到延长，利于计算能力有限的低价位MCU应用。只检下降沿的操作使得整个电周期控制中有270度的时间MCU计算压力较低，在这段时间内可以进行其他工作。由于以上原因及时检出过零点，并合理安排换相时机非常重要。

采用150°导通控制的BLDC方波驱动方案的理论换相开通逻辑图如图2所示：图2中粗线部分是方波驱动的反电势理论波形示意，细线是三相电流的波形示意，图中序号部分标示了150°驱动的换相扇区号，图中的翻转箭头表示换相点时刻。通过这种检出过零点后进行延后15°换相的理论方式可见，该方式下电流和反电势波形理论上重合。

具体PWM驱动和检出关系列表如下表1所示：

表1、150°换相逻辑和位置检出关系表

按照表1和图2的时序控制逻辑就可以实现理论的150°换相控制。理论的150°驱动控制BLDC适合于低速电机，MCU有足够时间检出过零点并进行15°延时的换相控制。在实际使用过程中特别是高速电机的应用在保持表1换相逻辑不变条件下，通过进行如下几项措施可以实现超高速电机性能的提升。

常规的斩波控制方式需要依靠不同的PWM调制方式配合来实现，比较经典的方式有H-PWM-L-ON、H-ON-L-PWM、PWM-ON和ON-PWM这几种，这些不同的调制方式决定了逆变器中的开关管/元件(例如Mosfet)的开关状态。不同的调制方式会产生不同的电机端电压波形，而这直接决定着AD采样反电势过零点的判断阈值，及控制策略。因此非常重要。

为了实现本发明的目的，本发明选用了PWM-ON的调制方式，因为这样能够得到本发明控制策略需要的三相端电压波形。再结合表1的换相逻辑，可以得到具体的开关管/元件(例如Mosfet)逻辑如表2所示。

表2、150°换相逻辑、位置检出关系及PWM调制方式表

如果采用表2的换相逻辑及PWM调制方式来执行换相操作，则可得到端电压波形如图3所示。其中，201为前续流时间、202为后续流时间、204为前PWM开通时刻的过零点、203为前PWM关断时刻的过零点、205为后PWM开通时刻的过零点、206为后PWM关断时刻的过零点、209为后PWM开通时刻的超前检测位置、210为后PWM关断时刻的超前检测位置、208为前PWM开通时刻的超前检测位置、207为前PWM关断时刻的超前检测位置，该位置无法检测、211为超前换相设置的提前检测的电压AD值增量。

由图3可知，若当采用PWM-ON的调制方式时，则过零点检测方案是在端电压前沿以PWM On时检测Vdc/2和PWM Off时检测Vdc，以及在端电压后沿以PWM ON时检测Vdc/2和PWMOff时检测0，作为反电势过零点来确定转子位置，然后提前进行换相操作。

本发明要进行超前角为θ的提前换相操作，则要把检测点变为，端电压后沿：PWMOn时＝Vdc/2+m；PWM Off时＝0+m。对于端电压前沿：PWM On时＝Vdc/2–m；PWM Off时＝Vdc–m。采用这样的方式，即可实现超前角为θ的提前换相。

如图4所示(以反电势后沿过零点检测为例)，301为理论反电势波形、302为t1时间用于躲避换相续流的屏蔽时间、303为t2时间用于超前检测的AD检测的过零处理时间、304为软件过零处理过程、305为t3软件设定的超前检测时间(超前角θ)、306为理论反电势过零点、307为实际设定的超前检出点(0+m)、308为理论检出时最大可超前的角度、309为采用超前检测的最大可超前控制角度。

在进入到可以进行反电势检测的2、4、6、8、10、12号扇区时，首先是完成t1时间的延迟，该时间段内主要是躲避由于上一个换相完成时绕组内电流方向改变而由电感因素造成的开关管续流状态导致的反电势判断失效的区间，称之为续流屏蔽时间或不可检测时间。t1时间的延迟完成后开启对应相的AD采样，然后开始AD连续扫描对应相的端电压值，端电压判断的标准是在反电势上升沿时，PWM On时＝Vdc/2–m；PWM Off时＝Vdc–m；在反电势下降沿时，PWM On时＝Vdc/2+m；PWM Off时＝0+m。可供检查的区间时间是t2，t2是一个随机时间，其长度取决于何时采样到适合的电压值。AD扫描到合适的电压值后，按最优的提前角值进行换相。随着t2时间的结束，提前角θ可以由t3设定值决定。与传统方案不同，采用本方案后超前角理论上可以跨越15°的范围由θ增加至θ’。

对于换相逻辑，结合表1，本发明规定偶数号换相为两相导通，奇数号为三相导通。则换相逻辑如下所示：

(1)检测到第一个过零点后立马进行奇数号换相，并记录下该过零点与上一个过零点之间的间隔时间T60，再除以2得到延迟30度所需要的时间T30＝T60/2；

(2)开启定时器延迟T30后进行偶数号换相；

(3)开启续流屏蔽时间，在屏蔽结束后开启AD过零检测；

(4)检测到过零点后再进行第一条的操作，以此循环往复。

具体细节操作如图5所示，401为扇区编号、402为扇区对应的电角度、403为T30两次换相的时间推定的非过零点检测区、404为T60两次有效过零判断的时间间隔、405为t1时间即续流屏蔽时间、406为过零检测(ZC)和超前换相处理。

过零处理的软件的控制流程图如图6所示，过零判断的过程在偶数号扇区进行，进入过零判断前先确保通过延时t1的时间来躲避续流。完成t1延时后开启对应相的反电势AD扫描，通过前述的根据端电压前后沿对应阈值来判断是否换相。该角度值对应的延时时间与电机运行速度相关，靠查表来确定。电机运行速度慢时该时间长，运行速度快时该时间短，与速度成反比。完成换相后记录下该过零点与上一个过零点之间的间隔时间T60，再除以2得到延迟30度所需要的时间，计算出奇数号换相的时刻T30＝T60/2和躲避续流时间t1，然后开启定时功能。

根据上述方案进行处理后理论电流位置和反电势位置相比将出现超前的趋势，本发明称之为超前控制，其波形表现将出现如图7所示的变化。其中，501为扇区编号、502为扇区对应的电角度、503为U相反电势波形、504为U相电流波形、505为V相反电势波形、506为V相电流波形、507为W相反电势波形、508为W相电流波形。

本发明采用150°驱动控制BLDC相较于原120°驱动方案，由于插入三相导通过程，电流台阶数增加，电流波形更趋近于正弦波，流入到电机端的电流中的谐波成分大大降低。通过在两相导通过程中检测悬空相反电势的方法来判断过零点，进而获取转子位置的方式，实现了150度驱动的无位置传感器控制，降低了系统成本。在检出过零点获取转子位置进行换相过程中，改变换相点的位置使之前后移动一定的角度(称为超前换相或滞后换相)可以得到不同的控制效果，尤其是流入电机的电流波形将进一步发生变化。采用超前换相的方式在原有的电流波形改善的基础上，可以进一步改善电流波形降低谐波。并且超前角度越多，电流的续流时间越短。故而采用超前换相可以有效减低电流谐波，提升电机效率，同时还可以减少由于续流时间过长造成过零点被淹没的风险，大大提高换相的稳定性。

特别是在低压大电流的BLDC高速应用中，随着电流的不断升高，续流时间也会加长，最终会导致过零点被淹没。如图8所示，采用传统的方式进行150°控制，转速为114780rpm。对于超高速应用，由于反电势检测硬件延迟，低价位MCU的运行速度等问题，不进行超前控制时，进入12万转左右可控位置检测的时间就变得非常短，再提速系统将失控。

在高速BLDC电机运行的场合采用150°驱动，反电势过零位置和换相点间差距只有15°，尤其是对于超高速电机，15°往往只有十几微妙的时间。过短的检测到动作的反应时间导致反电势检出后没有足够的提前时间来进行超前换相。本实施例提出的方法，在不增加任何硬件成本的前提下，通过选用合适的PWM调制方式，并且对反电势上/下降沿检测加过零预测的方式，实现了过零点的提前判断，将提前判断时间再应用到超前换相上，进一步提升电流波形的谐波质量，进而提升高速BLDC电机的效率。图9是采用本实施例所提出方法的控制结果，转速为149220rpm。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种无刷直流电机的控制装置，其特征在于，包括：

输出三相桥，连接外部无刷直流电机的三相输入端；

输入电压检测电路，与所述输出三相桥并联在输入电源两极之间；

微控制器，所述微控制器的输入端连接所述输入电压检测电路、所述无刷直流电机的三相输入端，所述微控制器的输出端连接所述输出三相桥，所述微控制器采用PWM-ON调制方式向所述输出三相桥发送第一驱动信号，并检测所述无刷直流电机的三相输入端的端电压，结合输入电压检测电路采样得到的电源电压，计算得到提前换相的第二驱动信号，将所述第二驱动信号发送给输出三相桥；所述换相的逻辑为：检测第一个过零点，然后进行奇数号换相，并记录下该过零点与上一个过零点之间的间隔时间T₆₀，再除以2得到延迟30度所需要的时间T₃₀＝T₆₀/2；所述第一驱动信号的偶数号扇区为两相导通，奇数号为三相导通；开启定时器延迟T₃₀后进行偶数号换相；开启续流屏蔽时间，在屏蔽结束后开启AD过零检测；检测到过零点后再进行以上步骤的操作，以此循环往复；

电流检测电路，串联在输入电源的负极与所述输出三相桥之间，并连接所述微控制器。

2.根据权利要求1所述的一种无刷直流电机的控制装置，其特征在于，进一步包括：

直流母线支撑电容，与所述输出三相桥并联在输入电源两极之间。

3.根据权利要求1所述的一种无刷直流电机的控制装置，其特征在于，

所述输入电压检测电路为两个串联的第一电阻和第二电阻，所述第一电阻连接输入电源的正极，所述第二电阻连接输入电源的负极。

4.根据权利要求1所述的一种无刷直流电机的控制装置，其特征在于，

所述电流检测电路为一个第三电阻。

5.一种无刷直流电机的控制方法，其特征在于，

采用PWM-ON调制方式向输出三相桥发送第一驱动信号；

检测所述无刷直流电机的三相输入端的端电压；

采样所述端电压，结合采样输入电源的电压得到的电源电压，计算得到提前换相的第二驱动信号，包括：以预设的超前角进行提前换相操作，得到第二驱动信号，包括：在反电势的所述端电压后沿以脉宽调制开启时检测二分之一电源电压加上第一常数和脉宽调制关闭时检测过零点加上第一常数，以及在端电压前沿以脉宽调制开启时检测二分之一电源电压减去第一常数和脉宽调制关闭时检测电源电压减去第一常数，以检测到各数值的时刻作为换相时刻；

将所述第二驱动信号发送给输出三相桥；

所述换相的逻辑为：

检测第一个过零点，然后进行奇数号换相，并记录下该过零点与上一个过零点之间的间隔时间T₆₀，再除以2得到延迟30度所需要的时间T₃₀＝T₆₀/2；所述第一驱动信号的偶数号扇区为两相导通，奇数号为三相导通；

开启定时器延迟T₃₀后进行偶数号换相；

开启续流屏蔽时间，在屏蔽结束后开启AD过零检测；

检测到过零点后再进行以上步骤的操作，以此循环往复。

6.根据权利要求5所述的一种无刷直流电机的控制方法，其特征在于，

所述检测第一个过零点，然后进行奇数号换相，包括：

根据扇区是偶数号扇区并且完成第一时长延时，开启对应检测相的反电势AD扫描；

根据端电压前后沿对应阈值判断是否发生换相，所述阈值为具有超前角度的阈值根据端电压达到所述阈值，进行换相操作。

7.一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器运行所述计算机程序时执行以实现如权利要求5或6所述的方法。

8.一种计算机可读介质，其特征在于，其上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令可被处理器执行以实现如权利要求5或6所述的方法。

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