一种无位置永磁无刷直流电机的控制装置及其控制方法与流程

本发明涉及电机控制技术领域，具体涉及一种无位置永磁无刷直流电机的控制装置以及一种无位置永磁无刷直流电机的控制方法。

背景技术：

无刷直流电机其相对于有刷直流电机，由于其具有适用范围广、使用寿命长、转速快、能耗小、便于维修等特点，因此无刷直流电机是电机未来发展的主要发展方向；其中，对无刷电机的控制方法是影响无刷直流电机性能的关键，但由于在现有技术中，无刷直流电机的位置采样基于霍尔传感器实现，其成本较为高昂和结构比较复杂，故在一些电动机设备，如：缝纫机上依然是采用有刷直流电机；其极大地阻碍了无刷直流电机在各行中的推广与使用，也阻碍着各种电动机设备的发展。

技术实现要素：

为克服上述缺陷，本发明的目的即在于提供一种无位置永磁无刷直流电机的控制装置以及一种无位置永磁无刷直流电机的控制方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明是一种无位置永磁无刷直流电机的控制装置，其与电机相配合，包括：相互连接的转速设定模块和电机控制模块；

所述转速设定模块用于对电机的预定转速数据进行设定；

所述电机控制模块与电机的三根相线相连接，其包括：反电动势采集器、信号处理器、信号比较器和电机驱动器；

所述反电动势采集器用于对电机上的反电动势进行采集，得到三组反电动势电信号；

所述信号处理器与所述反电动势采集器连接，用于按预定的顺序将所有同一时刻所采集到的反电动势电信号进行排列，得到位置信号，且每一个所述的位置信号均对应着唯一的转子移动区域；

所述信号比较器与所述信号处理器连接，用于接收所述信号处理器所发送的位置信号，并对预定时长内的所有位置信号进行统计，得到实际转速数据，再将实际转速数据与预定转速数据进行比较，若比较结果为不一致，则根据比较结果得到驱动信号；

所述电机驱动器与所述信号比较器相连接，用于根据驱动信号对电机进行驱动控制。

进一步，所述电机驱动器中包括：六路三桥逆变器；

所述六路三桥逆变器的六路输入端均与所述信号比较器中的控制芯片相连接，且其三路输出端均与电机的三根相线相连接。

进一步，所述反电动势采集器中包括：电压调整单元，所述电压调整单元将所采集到的反电动势电压与预设电压值进行对比，若采集到的反电动势电压高于预设电压值，则将当前的反电动势电信号定义为高电压信号；若采集到的反电动势电压低于预设电压值，则将当前的反电动势电信号定义为低电压信号。

本发明一种应用如上所述无位置永磁无刷直流电机的控制装置的控制方法，包括：

对电机的预定转速数据进行设定；

在电机运转时，对电机上的反电动势进行采集，得到三组反电动势电信号；

按预定的顺序将所有同一时刻所采集到的反电动势电信号进行排列，得到位置信号，且每一个所述的位置信号均对应着唯一的转子移动区域；

对预定时长内的所有位置信号进行统计，得到实际转速数据，再将实际转速数据与预定转速数据进行比较，若比较结果为不一致，则根据比较结果对电机的转速进行相应的调整控制。

进一步，所述对电机上的反电动势进行采集，得到三组反电动势电信号包括：

对电机上的反电动势进行采集，并分别将在每一电机相线端上所采集到的反电动势的电压值与预设电压值进行对比，若采集到的反电动势电压高于预设电压值，则将当前的反电动势电信号定义为高电压信号；若采集到的反电动势电压低于预设电压值，则将当前的反电动势电信号定义为低电压信号；得到三组反电动势电信号。

作为一种改进，所述若比较结果为不一致，则对电机的运行速度进行相应的调整控制包括：

若预定转速数据大于实际转速数据时，向电机发出增大电压的指令；若预定转速数据小于实际转速数据时，向电机发出减小电压的指令。

作为另一种改进，所述若比较结果为不一致，则对电机的运行速度进行相应的调整控制包括：

若预定速度大于实际转速数据时，向电机发出增大电流的指令，同时采集当前电机上的电流值，并判断其是否小于该增大电流的指令中所要求的电流值，若小于，则向电机发出增大电压的指令；

若预定速度小于实际转速数据时，向电机发出减少电流的指令。

进一步，所述将实际转速数据与预定转速数据进行比较还包括：

若比较结果为一致，则不对电机的运行速度进行调整控制。

本发明提供了一种无位置永磁无刷直流电机的控制装置与其控制方法，其采用无位置的控制方法，使得电机的生产成本较为便宜和结构比较简单，有利于无刷直流电机在各行中的推广与使用，也促进了各种电动机设备的发展。

附图说明

为了易于说明，本发明由下述的较佳实施例及附图作详细描述。

图1为本发明控制电路的结构原理示意图；

图2为本发明中的反电动势采集器的电路结构示意图；

图3为本发明中反电动势的波形信号转换对照图；

图4为本发明中的六路三桥逆变器的电路结构示意图；

图5为本发明控制方法的工作原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1至图4，本发明是一种无位置永磁无刷直流电机的控制装置，其与电机相配合，包括：相互连接的转速设定模块100和电机控制模块200；

所述转速设定模块100用于对电机的预定转速数据进行设定；

所述电机控制模块200与电机的三根相线相连接，其包括：反电动势采集器201、信号处理器202、信号比较器203和电机驱动器204；

所述反电动势采集器201用于对电机上的反电动势进行采集，得到三组反电动势电信号；

所述信号处理器202与所述反电动势采集器201连接，用于按预定的顺序将所有同一时刻所采集到的反电动势电信号进行排列，得到位置信号，且每一个所述的位置信号均对应着唯一的转子移动区域；

所述信号比较器203与所述信号处理器202连接，用于接收所述信号处理器202所发送的位置信号，并对预定时长内的所有位置信号进行统计，得到实际转速数据，再将实际转速数据与预定转速数据进行比较，若比较结果为不一致，则根据比较结果得到驱动信号；

所述电机驱动器204与所述信号比较器203相连接，用于根据驱动信号对电机进行驱动控制。

根据电平衡公式为： U=I*R1+E；

其中 E=K*w； (K 是个常数，由电机决定。w是电机角速度。）

Te=K1*I；(K1 是个常数，由电机决定。Te是电机电磁扭矩。）

Te-TL= K2*W’；(K2 是个常数，由电机和负载决定。TL是负载扭矩，W’是角加速度。）

本方案提出的控制方法是：当设定速度大于实际电机转速时，发出增大电流I的指令，当判断出当前电流值小于电流指令要求的电流值时，发出增大电压U指令。斩波占空比随之增大。因为电机速度不能突变，所以电机反电动势E不能突变，于是I会增大，随之Te会增大，变会打破平衡，产生角加速度让电机转速增加。反之，当实际电机转速大于设定转速时，会要求减弱电流，产生负的角加速度，使电机转速减小，如此不断调节，最终让转速稳定在设定的转速上。

而上述控制流程可简化为：当设定速度大于实际电机转速时，发出增大电压U指令。斩波占空比随之增大。因为电机速度不能突变，所以电机反电动势E不能突变，于是I会增大，随之Te会增大，变会打破平衡，产生角加速度让电机转速增加。反之，当实际电机转速大于设定转速时，发出减小电压U指令，产生负的角加速度，使电机转速减小，如此不断调节，最终让转速稳定在设定的转速上。

进一步，所述电机驱动器204中包括：六路三桥逆变器；

所述六路三桥逆变器的六路输入端均与所述信号比较器203中的控制芯片相连接，且其三路输出端均与电机的三根相线相连接。

其中，所述六路三桥逆变器包括：六路MOS管，其分别被UH、UL、VH、VL、WH、WL控制，其中POWEER_U接电机的U线端，POWEER_V接电机的V线端，POWEER_W接电机的W线端。UH、UL、VH、VL、WH、WL六端均由信号比较器203所控制输入。

进一步，所述反电动势采集器201中包括：电压调整单元，所述电压调整单元将所采集到的反电动势电压与预设电压值进行对比，若采集到的反电动势电压高于预设电压值，则将当前的反电动势电信号定义为高电压信号，输出信号为1；若采集到的反电动势电压低于预设电压值，则将当前的反电动势电信号定义为低电压信号，输出信号为0。

将三个反电动势电信号按预定的顺序组成一个二进制数，则按照顺序，分别是101、100、110、010、011、001，转换成十进制就是5、4、6、2、3、1，这个数值称作Hall值，由于在前期已经将电机转子的转动范围划分为6个移动区域，每个移动区域对应60°的范围；将每个Hall值分别与一个移动区域相对应，如：Hall值为1时对应0°-59°的范围，Hall值为2时对应60°-119°的范围等；故通过获取Hall值，即可知道转子所在的区域，可Hall值作为位置信号。

请参阅图5，本发明一种应用如上所述无位置永磁无刷直流电机的控制装置的控制方法，包括：

501.设定预定转速

对电机的预定转速数据进行设定，在应用于缝纫机领域时，可采用脚踏板对预定转速进行设定。

502.采集反电动势电信号

对电机上的反电动势进行采集，并分别将在每一电机相线端上所采集到的反电动势的电压值与预设电压值进行对比，若采集到的反电动势电压高于预设电压值，则将当前的反电动势电信号定义为高电压信号；若采集到的反电动势电压低于预设电压值，则将当前的反电动势电信号定义为低电压信号；得到三组反电动势电信号。

其具体为：从电机的相线U、V、W上获取三路反电动势，并将所采集到的反电动势的电压值与预设电压值进行对比，若采集到的反电动势电压高于预设电压值，则将当前的反电动势电信号定义为高电压信号，输出信号为1；若采集到的反电动势电压低于预设电压值，则将当前的反电动势电信号定义为低电压信号，输出信号为0。

503.计算实际转速

按预定的顺序将所有同一时刻所采集到的反电动势电信号进行排列，得到位置信号，且每一个所述的位置信号均对应着唯一的转子移动区域；

再对预定时长内的所有位置信号进行统计，得到实际转速数据。

其具体为：按照预定的顺序U、V、W，将三个反电动势电信号组成一个二进制数，其分别是101、100、110、010、011、001，转换成十进制就是5、4、6、2、3、1，这个数值称作Hall值，由于在前期已经将电机转子的转动范围划分为6个移动区域，每个移动区域对应60°的范围；将每个Hall值分别与一个移动区域相对应，如：Hall值为1时对应0°-59°的范围，Hall值为2时对应60°-119°的范围等；故通过获取Hall值，即可知道转子所在的区域，可Hall值作为位置信号；

在得知Hall值后，通过统计在预定时长内转子所进入区域的数量，即可计算其转子的转速，如在10S内，转子通过了3个移动区域，即其速度就为：3*60/10=18度/秒。

504.判断转速之间的大小

将实际转速数据与预定转速数据进行比较，判断预定转速数据与实际转速数据之间的大小。

505.控制电机加速

若预定转速数据大于实际转速数据时，向电机发出增大电压的指令；或，先向电机发出增大电流的指令，同时采集当前电机上的电流值，并判断其是否小于该增大电流的指令中所要求的电流值，若小于，则向电机发出增大电压的指令；

根据电平衡公式为： U=I*R1+E；

其中 E=K*w； (K 是个常数，由电机决定。w是电机角速度。）

Te=K1*I；(K1 是个常数，由电机决定。Te是电机电磁扭矩。）

Te-TL= K2*W’；(K2 是个常数，由电机和负载决定。TL是负载扭矩，W’是角加速度。）

向电机发出增大电压U的指令，使得斩波占空比随之增大。因为电机速度不能突变，所以电机反电动势E不能突变，于是I会增大，随之Te会增大，变会打破平衡，产生角加速度让电机转速增加。

先向电机发出增大电流I的指令，同时采集当前电机上的电流值，并判断其是否小于该增大电流的指令中所要求的电流值，若小于，则向电机发出增大电压U的指令；使得斩波占空比随之增大。因为电机速度不能突变，所以电机反电动势E不能突变，于是I会增大，随之Te会增大，变会打破平衡，产生角加速度让电机转速增加。

506.控制电机减速

若预定转速数据小于实际转速数据时，向电机发出减小电压U的指令；以产生负的角加速度，使电机转速减小，或，向电机发出减少电流I的指令，以产生负的角加速度，使电机转速减小。

507.保持现有转速

若比较结果为一致，则不对电机的运行速度进行调整控制。

508.电机执行驱动

根据所接收到的指令，电机执行相应调整的驱动动作；在没接收到新的指令时，则保持执行现有的驱动动作，并在执行驱动动作后，重新返回步骤502. 采集反电动势电信号。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。