本发明涉及电机控制技术领域，尤其是涉及一种直流无刷电机及其控制方法。
背景技术：
伴随着国家新能源纯电动车的飞速发展，电动车直流无刷电机的控制技术及其产品得到广泛应用，直流无刷电机控制技术对电动车的发展起到关键作用。
直流无刷电机运行在理想状态下，当电机转速高于额定转速时，电机转矩会随着电机速度的增大而减小，由于受到电压饱和的限制，直流无刷电机在额定转速以上运行时，其调速范围受到限制，直流无刷电机在高速运行中无法实现恒功率输出。通过控制直流无刷电机提前换向可以解决上述问题。
另外直流无刷电机在运行中，由于受到电感饱和效应的影响，相电流会产生较大尖峰，尖峰电流的峰值能超过平均相电流的两倍以上，特别是对于纯电动汽车这种大功率驱动电机，尖峰电流必须加以限制，否者所选用的大功率器件会成倍增加成本。通过精确控制直流无刷电机输出可以解决上述问题。
目前常用的控制直流无刷电机提前换向的方法，是根据电机转速计算提前角对应的换向时间。使用上述方法预测提前角对应的换向时间，由于负载波动导致转速变化率过大或者主霍信号受到干扰时就会影响提前换向的精度和响应时间，提前角偏离目标值过大就会直接导致控制器烧毁。
目前常用的抑制直流无刷电机尖峰电流的方法，是通过改变电机定子齿槽，使用上述方法，电机适用调速范围窄，无法完全满足纯电动汽车全工况下运行要求。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种直流无刷电机及其控制方法，以增加相位采集精度，从而可以精确地控制直流无刷电机的提前换向角度，同时有效抑制电机运行过程中产生的尖峰电流。
第一方面，本发明实施例提供了一种直流无刷电机，包括电机本体和控制器；电机本体上设置有主磁场传感器和辅助磁场传感器；电机本体的随电机转子转动的机械结构上还设置有多个磁阻片；磁阻片的位置与辅助磁场传感器的位置在同一水平面相对应；主磁场传感器和辅助磁场传感器分别与控制器连接；主磁场传感器用于采集电机本体运行的扇区；辅助磁场传感器用于采集电机本体在扇区内的运行角度；控制器用于接收扇区和运行角度，输出对应的控制信号，以控制电机本体的旋转方向和输出电流。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，主磁场传感器包括主霍尔传感器；辅助磁场传感器包括辅助霍尔传感器。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，辅助磁场传感器设置于电机本体的后端盖上。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，多个磁阻片设置于电机本体的风扇叶轮上，且沿着风扇叶轮的圆周位置均匀分布。
第二方面，本发明实施例提供了一种直流无刷电机的控制方法，该方法应用于上述直流无刷电机的控制器；该方法包括：根据磁阻片的数量和电机本体的电机极对数，计算辅助磁场传感器输出的单个脉冲对应的电机角度；根据电机本体的理想换向角和预设的提前换向角，计算实际换向角度；根据实际换向角度和单个脉冲对应的电机角度，计算实际换向角度对应的辅助磁场传感器的脉冲数；采集换向点与当前换向周期内第一个脉冲的时间间隔；根据实际换向角度，计算经过脉冲数后，还需等待的换向时间；对时间间隔和换向时间进行校验；如果校验通过，当到达换向时间后，产生中断，控制电机本体换向。
结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，根据实际换向角度，计算经过脉冲数后，还需等待的换向时间的步骤，包括：
通过下述公式，计算换向时间th：
th＝agl_value*t_pulse/agl_pulse-t1-n_pulse*t_pulse
其中，agl_value为实际换向角度；t_pulse为辅助磁场传感器输出的单个脉冲对应的时间；agl_pulse为辅助磁场传感器输出的单个脉冲对应的电机角度；t1为换向点与当前换向周期内第一个脉冲的时间间隔；n_pulse为实际换向角度对应的辅助磁场传感器的脉冲数。
结合第二方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第二方面的第二种可能的实施方式，其中，对时间间隔和换向时间进行校验的步骤，包括：
判断时间间隔和换向时间是否同时满足下述公式：
th<t_pulse,
t1<t_pulse,
(t1+th)<t_pulse,
如果是，确定校验通过。
结合第二方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第二方面的第三种可能的实施方式，其中，该方法还包括：
通过下述公式，计算到达换向时间后，电机本体的实际换向角度：
agl_value＝(t1+th+n_pulse*t_pulse)*360*n_pole/t_m；
其中，n_pole为电机极对数；t_m为电机本体的机械周期时间。
结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第四种可能的实施方式，其中，该方法还包括：采集电机本体输出的相电流在每个周期内的尖峰位置；通过辅助磁场传感器采集电机本体的运行角度；当运行角度到达尖峰位置时，降低控制器输出电压占空比，以降低尖峰位置的尖峰电流大小。
结合第二方面的第四种可能的实施方式，本发明实施例提供了第二方面的第五种可能的实施方式，其中，当运行角度到达尖峰位置时，降低控制器输出电压的占空比的步骤，包括：在辅助磁场传感器输出的脉冲信号的跳变沿位置处，检测运行角度是否到达尖峰位置；如果到达，产生中断，以降低控制器输出电压的占空比。
本发明实施例提供的一种直流无刷电机及其控制方法，电机本体上设置有主磁场传感器和辅助磁场传感器；主磁场传感器用于采集电机本体运行的扇区；辅助磁场传感器用于采集电机本体在扇区内的运行角度；控制器用于接收该扇区和运行角度，输出对应的控制信号，以控制电机本体的旋转方向和输出电流。该方式通过设置辅助磁场传感器可以增加相位采集精度，从而可以精确地控制直流无刷电机的提前换向角度，同时有效抑制电机运行过程中产生的尖峰电流。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本发明的上述技术即可得知。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施方式，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种直流无刷电机的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种直流无刷电机的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种直流无刷电机的控制方法流程图；
图4为本发明实施例提供的另一种直流无刷电机的控制方法流程图；
图5为本发明实施例提供的直流无刷电机的控制方法中，电机的控制时序图；
图6为本发明实施例提供的直流无刷电机运行过程中的相电流示意图；
图7为本发明实施例提供的直流无刷电机的控制方法中，得到的调整点波形图。
图标：100-电机本体；110-控制器；101-主磁场传感器；102-辅助磁场传感器；103-磁阻片；200-电机风扇罩；201-电机风扇；210-磁阻片；211-辅助霍尔传感器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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做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。
目前，常用的直流无刷电机提前换向的控制方法容易受到负载波动或者主霍尔信号畸变的影响，导致提前换向的角度控制精度下降。而直流无刷电机尖峰电流的抑制方法也无法完全满足纯电动汽车全工况下运行要求。基于此，本发明实施例提供的一种直流无刷电机及其控制方法，可以应用于直流无刷电机的控制过程中，尤其可以应用于纯电动汽车的直流无刷电机中。
参见图1所示的一种直流无刷电机的结构示意图，该直流无刷电机包括电机本体100和控制器110；电机本体上设置有主磁场传感器101和辅助磁场传感器102；电机本体的随电机转子转动的机械结构上还设置有多个磁阻片103；磁阻片103的位置与辅助磁场传感器102的位置在同一水平面相对应；主磁场传感器101和辅助磁场传感器102分别与控制器110连接；主磁场传感器101用于采集电机本体运行的扇区；辅助磁场传感器102用于采集电机本体在扇区内的运行角度；控制器110用于接收扇区和运行角度，输出对应的控制信号，以控制电机本体100的旋转方向和输出电流。
具体地，上述主磁场传感器包括主霍尔传感器；辅助磁场传感器包括辅助霍尔传感器；上述控制器包括单片机芯片或dsp(digitalsignalprocessing，数字信号处理)芯片；电机本体内设置有定子绕组，该定子绕组包括三相定子绕组。
进一步地，该直流无刷电机还包括电机风扇罩；该电机风扇罩与电机本体的后端盖连接；风扇叶轮设置于电机风扇罩与后端盖之间；该直流无刷电机还包括电子开关线路；该电子开关线路中设置有多个功率开关器件；该功率开关器件用于控制电机本体换相。
本发明实施例提供了一种直流无刷电机，包括电机本体和控制器；电机本体上设置有主磁场传感器和辅助磁场传感器；主磁场传感器用于采集电机本体运行的扇区；辅助磁场传感器与电机本体的随电机转子转动的机械结构上的磁阻片协同工作，采集电机本体在扇区内的运行角度；主磁场传感器和辅助磁场传感器分别与控制器连接；控制器接收扇区和运行角度，输出对应的控制信号，以控制电机本体的旋转方向和输出电流。该方式通过设置辅助磁场传感器可以增加相位采集精度，从而可以精确地控制直流无刷电机的提前换向角度，同时有效抑制电机运行过程中产生的尖峰电流。
参见图2所示的另一种直流无刷电机的结构示意图，该直流无刷电机包括电机本体、辅助霍尔传感装置和控制器；该电机本体为三相直流无刷电机，含有两对电机极；电机本体上设置有主霍尔传感器；电机本体包括电机风扇罩200、电机风扇201及电机后端盖；电机风扇罩与电机后端盖连接；电机风扇叶轮设置于电机风扇罩与后端盖之间；辅助霍尔传感装置包括磁阻片210及辅助霍尔传感器211；辅助霍尔传感器固定在电机后端盖上，60个磁阻片均匀镶嵌在风扇叶轮中，辅助霍尔传感器正对着磁阻片，正常运行过程中磁阻片随风扇转动；主霍尔传感器和辅助霍尔传感器分别与控制器连接；主霍尔传感器用来采集电机本体的相序；辅助霍尔传感器用于采集电机本体的运行角度；控制器用于接收相序和运行角度，输出对应的控制信号，以控制电机本体的旋转方向和输出电流。
具体地，在电机运行过程中，通过辅助霍尔传感装置将电机运行角度信号转换成脉冲信号。经过辅助霍尔传感器转换后，角度信号转换成直观的机械硬线信号，利用这种机械硬线信号控制直流无刷电机的角度逻辑。
本发明实施例提供的直流无刷电机，通过增加辅助霍尔传感器，将电机运行过程中各个扇区的具体角度转换成辅助霍尔脉冲信号，增加了相位采集的精度；相比于传统方法通过计算电机各个扇区运行时间，利用运行时间来算相位角的方法，更加简单高效。
另一方面，利用辅助霍尔传感器采集电机角度，实际上是将电机的机械角转换成脉冲信号，电机运行过程中机械角度与电角度始终成一个固定的比例关系，所以电机在运行过程中不管转速和负载怎么变化，采集到的脉冲信号始终能对应电机的电角度。所以该方式可以满足纯电动汽车不同转速和负载，负载和转速变化率大的各种应用需求。
参见图3所示的一种直流无刷电机的控制方法流程图，该方法应用于上述直流无刷电机的控制器，该方法包括如下步骤：
步骤s300，根据磁阻片的数量和电机本体的电机极对数，计算辅助磁场传感器输出的单个脉冲对应的电机角度；
步骤s302，根据电机本体的理想换向角和预设的提前换向角，计算实际换向角度；
步骤s304，根据实际换向角度和单个脉冲对应的电机角度，计算实际换向角度对应的辅助磁场传感器的脉冲数；
步骤s306，采集换向点与当前换向周期内第一个脉冲的时间间隔；
步骤s308，根据实际换向角度，计算经过上述脉冲数后，还需等待的换向时间；
具体地，上述步骤s308，具体可以通过下述方式实现：通过下述公式，计算换向时间th：
th＝agl_value*t_pulse/agl_pulse-t1-n_pulse*t_pulse
其中，agl_value为实际换向角度；t_pulse为辅助磁场传感器输出的单个脉冲对应的时间；agl_pulse为辅助磁场传感器输出的单个脉冲对应的电机角度；t1为换向点与当前换向周期内第一个脉冲的时间间隔；n_pulse为实际换向角度对应的辅助磁场传感器的脉冲数。
步骤s310，对时间间隔和换向时间进行校验；
具体地，该步骤s310，具体可以通过下述方式实现：
判断时间间隔和换向时间是否同时满足下述公式：
th<t_pulse,
t1<t_pulse,
(t1+th)<t_pulse,
如果是，确定校验通过。
步骤s312，如果校验通过，当到达换向时间后，产生中断，控制电机本体换向；其中，产生中断即为调用中断函数。
进一步地，该方法还包括：通过下述公式，计算到达换向时间后，电机本体的实际换向角度：
agl_value＝(t1+th+n_pulse*t_pulse)*360*n_pole/t_m；
其中，n_pole为电机极对数；t_m为电机本体的机械周期时间。
进一步地，该方法还包括：采集电机本体输出的相电流在每个周期内的尖峰位置；通过辅助磁场传感器采集电机本体的运行角度；当运行角度到达尖峰位置时，降低控制器输出电压的占空比，以降低尖峰位置的尖峰电流大小。
具体地，上述当运行角度到达尖峰位置时，降低控制器输出电压的占空比的步骤，具体可以通过下述方式实现：在辅助磁场传感器输出的脉冲信号的跳变沿位置处，检测运行角度是否到达尖峰位置；如果到达，产生中断，以降低控制器输出电压的占空比。
本发明实施例提供的直流无刷电机的控制方法，增加了相位采集的精度，进一步提高了提前换向的角度精度。该方法可以自适应调整，满足客户对电机多转速、多功率的应用，使电机始终工作在高效区，并且保证电机高转速功率输出，这样提升了电机的使用范围，同时提升了电机输出效率，减少了电机使用成本。
进一步地，该方法根据相电流变化规律，在每个相序内利用辅助霍尔脉冲中断调整控制器输出电压，可有效地抑制直流无刷电机运行过程中产生的尖峰电流。通过抑制尖峰电流可以减少器件发热量，减小器件损耗，降低器件成本，同时提升产品可靠性。
参加图4所示的另一种直流无刷电机的控制方法流程图。该方法应用于上述直流无刷电机的控制器，该方法包括如下步骤：
步骤s400,根据磁阻片数量和电机极对数，算出每个脉动对应电机角度；
具体地，总磁阻片数对应一个完整机械周期的脉冲数，电机电角度等于机械角度乘极对数。单个脉动对应电角度的表达式如下：
agl_pulse＝360*n_pole/n_numbe,
其中，agl_pulse为单个辅助霍尔信号脉冲对应电角度，n_pole为电机极对数，n_numbe为磁阻片数量。
步骤s402，计算实际换向角度对应的辅助霍尔传感器脉冲数；
具体地，该步骤s402包括以下步骤：
(1)根据需求提前角，计算实际换向角度：
agl_value＝agl_set–agl_ahead
其中，agl_value为实际换向角度；agl_set为理想状态下电机换向角度，一般三相直流无刷电机为60°；agl_ahead为需求的提前换向角。
(2)根据单个霍尔脉冲对应电角度,计算实际换向角度对应脉冲数：
n_pulse＝agl_value/agl_pulse,
其中，n_pulse为实际角度对应脉冲数量，且为正整数。
步骤s404，根据换向点到第一个辅助脉冲信号的时间间隔，计算最后一个辅助脉冲信号到下一个换向点的时间；
具体地，由以下步骤实现：
(1)计算单个脉冲对应时间：
t_pulse＝t_m/n_numbe,
其中t_pulse为单个脉冲对应时间；n_numbe为磁阻片数量；t_m为一个机械周期时间。
(2)计算最后一个辅助脉冲信号到下一个换向点的时间：
t4＝agl_value*t_pulse/agl_pulse-t1-n_pulse*t_pulse
其中，t4为最后一个辅助脉冲信号到下一个换向点的时间；t1为换向点到第一个辅助脉冲信号的时间间隔。
步骤s406，换向时间校验；
具体地，判断最后一个辅助脉冲信号到下一个换向点的时间与换向点到第一个辅助脉冲信号的时间间隔是否同时满足以下公式：
t4<t_pulse,
t1<t_pulse,
(t1+t4)<t_pulse,
如果是，则校验通过。否则，由于磁阻片数量决定一个脉冲对应时间，需通过调整磁阻片的数量，保证电机提前角达到精度要求。
步骤s408，控制直流无刷电机换向；
步骤s410，根据辅助霍尔信号脉冲调整控制器输出信号。
具体地，利用辅助霍尔传感器采集到脉冲信号的跳变沿设置中断，作为信号调整点。在信号调整点可调整控制器输出电压的占空比，调整输出电压从而抑制尖峰电流。
实现上述方法需要采集t1的时间，计算t4、t_m的时间；n_pulse、n_pole数量。n_pulse、n_pole根据电机特性可以简单算出，t_m通过辅助霍尔传感器或者主霍尔传感器可准确采集。图5所示为直流无刷电机的控制方法中，电机的控制时序图，hall_ref是辅助霍尔传感器信号，hall_a、hall_b、hall_c是主霍尔传感器信号，out_uh、out_ul、out_vh、out_vl、out_wh、out_wl是电机控制器输出信号。t1为换向点到第一个辅助脉冲信号的时间间隔；t2为实际换向时间；t3a为理想状态下电机换向时间，t5为需求的提前换向时间。
在实际实现时，假设直流无刷电机为三相直流无刷电机，具有两对电机极，设置了1个辅助霍尔传感器，60片磁阻片。以此电机为例，每个辅助霍尔传感器脉冲对应12°电角度，如果当前请求提前角为15°，实际换向角度为45°。换向角度对应4个辅助霍尔传感器脉冲加上t1和t4时间,测试t1时间，计算t4时间，当到达t4时间后定时器中断控制电机换向。
如图6所示为直流无刷电机运行过程中的相电流示意图，每个换向周期内有四处尖峰电流；在每个换向周期内，通过辅助磁场传感器电平控制pwm调整；如图7所示为直流无刷电机的控制方法中，得到的调整点波形图，trg为pwm控制触发信号。换向点位置不调整pwm占空比，输出过程中根据高低电平触发信号，共有7个输出调整点(如图5所示)，通过实时调整控制器输出，达到抑制抑制尖峰电流的目的。
本发明实施例提供的一种直流无刷电机的控制方法，需借助辅助霍尔传感器实现。在电机中未设置辅助霍尔传感器时，若通过主霍尔传感器测得三相电机的主霍尔位置为001，只能判断电机当前转子位置为状态1扇区，但是具体位置不清楚；增加辅助霍尔传感器后，若测得电机运行到1扇区后又运行了2个辅助霍尔脉冲的位置，根据单个脉动对应电角度就能计算出电机具体角位。从而将直流无刷电机在每个扇区的运行角度进一步细分，可精确采集电机运行位置，从而提高了电机的换向精度。
在尖峰电流抑制的过程中，辅助霍尔传感器的脉冲信号相当于是一个基准角度信号，利用这个基准角度信号作为外部中断来控制电机输出信号，保证输出时刻的精度，更为有效地抑制尖峰电流。
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，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所述以权利要求的保护范围为准。