一种直流无刷电机的换相控制方法、直流无刷电机控制系统与流程

本发明涉及直流无刷电机领域，更具体地说，涉及一种直流无刷电机的换相控制方法、直流无刷电机控制系统。

背景技术：

随着技术的发展，电机控制的发展趋势使客户对电机控制MCU(微控制单元或单片机)，FPGA(现场可编程逻辑门阵列)和DSP(数字信号处理)性能的要求越来越高，MCU的功能也越来越多，计算能力也越来越强大。同时电机和电机控制也都一直在朝着高效能、小型化、低成本、高兼容性、结构简单化的方向发展。8位MCU因为价格便宜，性能稳定，在直流无刷电机控制领域应用范围极为广范。但8位MCU在变频器控制、伺服电机控制、超高速直流无刷电机控制、电力与能源监控，越来越多的以太网应用等现代工业环境下遇到了瓶颈。

例如在手持式吸尘器上应用的电机上，电机的转速需达到100krpm(千转/分钟)以上。这就要求控制器拥有足够的计算速度同时有较高的控制精度，较强的抗干扰能力，还要保证其结构简单、成本低廉、易于制造等。通常如果采用8位MCU，因受其计算能力的极大限制，无法快速的完成较复杂的运算，不能很好的解决驱动超高速电机的运行。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对MCU计算能力的限制，无法快速完成复杂运算，解决驱动超高速电机的运行的缺陷，提供一种直流无刷电机的换相控制方法、直流无刷电机控制系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种直流无刷电机的换相控制方法、直流无刷电机控制系统。

在本发明所述的直流无刷电机的换相控制方法中，可用于所述直流无刷电机匀速转动状态的换相控制，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在所述直流无刷电机启动进入匀速状态时，从任一次换相点开始进行换相时间计数增加和过零时间计数增加，其中所述换相时间计数的初始值为0，所述过零时间计数的初始值为所述过零时间计数的最大值或所述上一次换相点的最终值，所述过零时间计数的最大值根据所述直流无刷电机的转速决定；

S2：在计数过程中，检测所述直流无刷电机的不导通相的反电势是否到达过零点，若是，则过零时间计数不再增加，进行过零时间计数减少；

S3：判断过零时间计数的计算值是否小于换相时间计数的计算值，若是，则认为到达下一个换相点，换相时间计数的计数值清零，作为所述下一个换相点的换相时间计数的初始值，过零时间计数的计数值不变，作为所述下一个换相点的过零时间计数的初始值。

可选地，所述方法还包括：

S4：重复执行步骤S1-S3。

可选地，在所述步骤S1中，所述在所述直流无刷电机启动进入匀速状态时，从任一次换相点开始进行换相时间计数增加和过零时间计数增加，包括：

在所述直流无刷电机启动进入匀速状态时，判断所述直流无刷电机是否处于正常运行状态，若是，则从任一次换相点开始进行换相时间计数增加和过零时间计数增加。

可选地，在所述步骤S2中，所述检测所述直流无刷电机的不导通相的反电势是否到达过零点，包括：

检测所述直流无刷电机的不导通相的反电势电压是否与虚拟中性点电压相等，若是，则认为所述直流无刷电机的不导通相的反电势到达过零点。

可选地，在所述步骤S3中，所述判断过零时间计数的计算值是否小于换相时间计数的计算值，若是，则认为到达下一个换相点，包括：

判断过零时间计数的计算值是否小于换相时间计数的计算值，若是，则认为到达下一个换相点，输出控制信号控制直流无刷电机的换相。

在本发明所述的直流无刷电机控制系统中，包括：

直流无刷电机；

控制电路，通过驱动及功率电路与所述直流无刷电机相连接，用于输出控制信号至所述驱动及功率电路，所述驱动及功率电路控制所述直流无刷电机的转动；

转子位置检测电路，与所述直流无刷电机、所述控制电路相连接，用于检测所述直流无刷电机的转子位置，反馈给所述控制电路，所述控制电路根据所述转子位置进行换相控制；

其中，所述控制电路采用权利要求1-5任一项的换相控制方法进行所述直流无刷电机的换相控制。

可选地，所述直流无刷电机控制系统还包括：

DC/DC电源变换电路，外接直流电源输入，为所述控制电路和所述驱动及功率电路提供合适电压的工作电源。

可选地，所述直流无刷电机控制系统还包括：

过流保护电路，与所述控制电路、所述驱动及功率电路相连接，用于检测所述驱动及功率电路的电流是否超过预设阈值，若是，则输出控制信号至所述控制电路，控制所述直流无刷电机停止转动。

实施本发明的直流无刷电机的换相控制方法、直流无刷电机控制系统，具有以下有益效果：通过双向计数确定换相点，降低了换相控制的数据处理量与计算难度，释放了MCU的空间与计算能力，能够对直流无刷电机转速实现超高转速驱动。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的直流无刷电机控制系统的原理示意图；

图2是本发明的直流无刷电机控制系统的转子位置检测电路的示意图；

图3是本发明的直流无刷电机控制系统的反电势检测的工作原理图；

图4是本发明的直流无刷电机的换相控制方法的流程示意图。

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，以下结合附图和具体实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了一种直流无刷电机控制系统的原理示意图。该直流无刷电机控制系统包括：直流无刷电机1、控制电路2、驱动及功率电路3、转子位置检测电路4、DC/DC电源变换电路5、过流保护电路6。

其中，直流无刷电机1为三相直流无刷无感电机。控制电路2通过驱动及功率电路3与直流无刷电机1相连接，用于输出控制信号至驱动及功率电路3，驱动及功率电路3控制直流无刷电机1的转动。在本发明实施例中，控制电路2为MCU控制芯片，该MCU控制芯片为8位的STM8S105K4。是意法半导体针对工业应用和消费电子开发的通用单片机，内置16MHz RC振荡器，并有专用于三相电机控制的2对PWM互补输出通道。可以理解的，MCU控制芯片不局限于上述芯片。

驱动及功率电路3同时与控制电路2和电机三相连并以驱动电机。在本发明实施例中，驱动电路分为U、V、W三组，每一组由一个驱动芯片IR2103和两个场效应晶体管组成，所述场效应晶体管分为上臂和下臂链接所述电机作为控制流经电机线圈的开关。可以理解的，驱动及功率电路属于现有技术，不局限于上述电路。

转子位置检测电路4，与直流无刷电机1、控制电路2相连接，用于检测直流无刷电机1的转子位置，反馈给控制电路2，控制电路2根据转子位置进行换相控制。如图2所示，转子位置检测电路4用于检测电机中转子位置，即过零检测电路，过零检测电路以LM339比较器为核心，通过反电势电压与虚拟中性点电压比较得到过零点的办法，来实现位置检测。在PWM导通器件的过零点时刻，U相端反电势电压与中性点电压相等。构建一个虚拟中性点，以虚拟中性点作为参考电压，在反电势电压与参考电压相同时，发生过零点，通过电压比较器U1实现过零点检测。

进一步的，本发明的直流无刷电机控制系统还包括：DC/DC电源变换电路5，外接输入直流电源7，为控制电路2和驱动及功率电路3提供合适电压的工作电源。可将接入的直流电源转换为驱动电路提供15V的工作电源以及MCU控制芯片5V的工作电源。

进一步的，本发明的直流无刷电机控制系统还包括：过流保护电路6，与控制电路2、驱动及功率电路3相连接，用于检测驱动及功率电路3的电流是否超过预设阈值，若是，则输出控制信号至控制电路2，控制直流无刷电机停止转动。过流保护电路6主要由双运放的LM358芯片构成。可以理解的，过流保护电路不局限于上述电路。

本发明所提供的直流无刷电机控制系统适用于电机在超高速运转时使其在不同阶段准确换相及正常运转。直流无刷电路通过控制驱动电路实现功率电路中的功率开关器件来控制电机的运转，速度、转矩以及保护电机等功能的。在转子位置检测电路中，其通过转子磁极位置信号作为电子开关线路的换相信号，并进而将检测到的信号反馈给控制电路，控制电路根据转子位置及时对功率器件进行切换。在转子检测电路中，采用LM339比较器作为核心器件，LM339比较器包含四组电压比较器，将输入信号U、V、W分别作为三相电压接入U4LM339。当截止相U反电势到达过零点时，LM339的U4B的输出1脚将会从高电平5V下降为低电平0V，即输出U为低电平，其他两相U4C和U4D输出V和输出W则保持为高电平，直到其中某一项反电势到达过零点时，变为低电平。所以，MCU通过检测输入的三相高低电平变化，即可得到电机转子的位置。其工作原理如图3所示，图3是本发明实施例的反电势检测的工作原理图。电机运转每一个周期有6个60°的扇区组成，每相绕组导通120°。当电机转子在0°电角度往60°电角度运行时，到达30°电角度位置时，W相反电动势过零点，再延后30°到达60°位置时，控制芯片根据转子检测电路检测到的信号，然后进行换相，即在0°电角度时UV绕组通电，开始检测W相绕组反电势。在电机运转的任何时刻，电机三相绕组只有两相导通，每相绕组正反相分别导通120°电角度。通过测量三相绕组端子及中性点相对于直流母线负端(或正端)的电位，当某点电位与中性点电位相等时，则此时刻该相绕组反电势过零，再过30°电角度就必须对功率器件进行换相。从而得知全桥驱动电路中功率器件的开关顺序。

本发明的直流无刷电机控制系统的控制电路采用如图4所示的换相控制方法进行直流无刷电机的换相控制。通过双向计数确定换相点，降低了换相控制的数据处理量与计算难度，释放了MCU的空间与计算能力，能够对直流无刷电机转速实现超高转速驱动。

如图4所示，本发明提供一种直流无刷电机的换相控制方法，可用于直流无刷电机匀速转动状态的换相控制，包括以下步骤：

S1：在直流无刷电机启动进入匀速状态时，从任一次换相点开始进行换相时间计数增加和过零时间计数增加，其中换相时间计数的初始值为0，过零时间计数的初始值为过零时间计数的最大值或上一次换相点的最终值，过零时间计数的最大值根据直流无刷电机的转速决定。

可以理解的，开始进行第一次换相时间计数增加和第一次过零时间计数增加时，换相时间计数的初始值为0，过零时间计数的初始值为过零时间计数的最大值，也就是说，第一次计数时，过零时间计数实际上不变，一直保持最大值。

进一步的，在步骤S1中，所述在直流无刷电机启动进入匀速状态时，从任一次换相点开始进行换相时间计数增加和过零时间计数增加，包括：在直流无刷电机启动进入匀速状态时，判断直流无刷电机是否处于正常运行状态，若是，则从任一次换相点开始进行换相时间计数增加和过零时间计数增加。

S2：在计数过程中，检测直流无刷电机的不导通相的反电势是否到达过零点，若是，则过零时间计数不再增加，进行过零时间计数减少。

进一步的，在步骤S2中，所述检测直流无刷电机的不导通相的反电势是否到达过零点，包括：检测直流无刷电机的不导通相的反电势电压是否与虚拟中性点电压相等，若是，则认为直流无刷电机的不导通相的反电势到达过零点。

S3：判断过零时间计数的计算值是否小于换相时间计数的计算值，若是，则认为到达下一个换相点，换相时间计数的计数值清零，作为下一个换相点的换相时间计数的初始值，过零时间计数的计数值不变，作为下一个换相点的过零时间计数的初始值。

进一步的，在所述步骤S3中，所述判断过零时间计数的计算值是否小于换相时间计数的计算值，若是，则认为到达下一个换相点，包括：判断过零时间计数的计算值是否小于换相时间计数的计算值，若是，则认为到达下一个换相点，输出控制信号控制直流无刷电机的换相。

S4：重复执行步骤S1-S3。

在本发明的直流无刷电机的换相控制方法中，其中换相时间计数值的作用主要是计算过零点的前后30°电角度所需的换相时间，即图3中W相从0°到60°所需时间，每换完一次相后就会被清零，然后开始计算下一相所需时间；过零点计数值的主要作用是计算过零点到换相点的时间。计算过程是在换相开始还未到达过零点时，换相时间计数值与过零点计数值是同时增加的，当到了过零点时，换相时间计数值保持增加，而过零点计数则开始减少，当减少到与换相时间计数值相同时，则认为到了换相点，需要立即换相。该种方法利用了双向计数法，避免了一个方向的加数据使数据变大、变复杂，极大的降低了数据量与计算难度，释放了MCU的空间与计算能力，且所计算出的换相位置准确性十分高。为了不给MCU造成更多的负担，将程序中断设置每8μs的TIM2中断，进入中断后的程序会首先对当前运行状态进行判断，如果电机处于非正常状态或非运行状态时，则立即跳出TIM2中断去执行其他程序；若为正常状态，换相时间计数初始值小于过零时间计数初始值，换相时间则开始计数，此时对应0°电角度时W相正往过零点进入的状态。当通过转子位置检测电路检测到W相过零点后，过零点时间计数器则开始反向计数，当过零点时间计数器的计数值反向计数值大于换相时间计数值时，则说明此时电机已经到了60°电角度的位置，需要立即执行换相程序，切换场效应晶体管的通断状态，然后进入下一个状态的控制阶段。

本发明所提供的超高速直流无刷电机控制器，其中MCU STM8S105k4的时钟频率可达16MHz，若将TIM2设置成每8μs中断一次，然后在TIM2中断中进行换相的处理。对于1对极的电机每转一圈分为6步，所以当该电机转速为100krpm时，电机每步换相所需时间T＝100μs，在100μs的时间内TIM2可以中断12次，通常这个中断次数需大于6次，大于6次才能较好的驱动电机，反之则会对电机的换相和运转造成不适，甚至导致电机不转。因此采用此种方式可以驱动电机的最高转速大200krpm以上。

可以理解的，以上实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，可以对上述技术特点进行自由组合，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，凡跟本发明权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。