一种三相无刷电机控制系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种三相无刷电机控制系统，所述电机控制系统包括：防反电路，所述防反电路包括一NMOS管，所述NMOS管的源极与电源正极连接，其漏极分别与电机控制电路及三相六桥电路连接，其栅极与电机控制电路连接；电机控制电路，分别与防反电路、三相六桥电路、及采样电阻相连；三相六桥电路，与防反电路、电机控制电路、及采样电阻相连；采样电阻，与所述三相六桥电路、电机控制电路及电源负极相连。通过利用本实用新型所述的三相无刷电机控制系统，解决了现有技术中三相无刷电机因安装位置传感器导致体积较大、成本高、运行不稳定的问题。
【专利说明】
-种Ξ相无刷电机控制系统
技术领域
[0001] 本实用新型设及一种电机控制技术，特别是设及一种Ξ相无刷电机控制系统。
【背景技术】
[0002] 电机(Motor)是把电能转换成机械能的一种设备。电机主要由定子与转子组成，它 是利用通电线圈（也就是定子绕组)产生旋转磁场并作用于转子（如鼠笼式闭合侣框)形成 磁电动力旋转扭矩，通过磁场对电流受力的作用，使电机转动，通电导线在磁场中受力运动 的方向跟电流方向和磁感线(磁场方向）方向有关。由于电机的一系列优点，即使用和控制 非常方便，具有自起动、加速、制动、反转、擧住等能力，能满足各种运行要求;而且电机的工 作效率较高，又没有烟尘、气味，不污染环境，噪声也较小，所W在工农业生产、交通运输、国 防、商业及家用电器、医疗电器设备等各方面广泛应用。
[0003] 随着新能源汽车的开发使用的普及，W及传统汽车智能化、电子化的改进，原有的 机械水累、风扇和有刷电动水累、风扇明显的不能满足新发展的需求。Ξ相无刷直流电机具 有结构简单、运行效率高、调速性能好和控制简单等优点，已经在自动化控制领域得到了广 泛应用。一般的Ξ相无刷直流电机需要转子位置传感器提供转子位置信号，控制器根据位 置信号控制电力电子开关逆变器对Ξ相绕组进行换相控制，但安装位置传感器增大了电机 的体积和成本，且传感器连线较多，属于弱电信号，易受电机强电、外界信号干扰，降低了电 机运行的可靠性。
[0004] 鉴于此，有必要设计一种Ξ相无刷电机控制系统用W解决上述技术问题。 【实用新型内容】
[0005] 鉴于W上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种Ξ相无刷电机控 制系统，用于解决现有技术中Ξ相无刷电机因安装位置传感器导致体积较大、成本高、运行 不稳定的问题。
[0006] 为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种Ξ相无刷电机控制系统， 所述电机控制系统包括：
[0007] 防反电路，所述防反电路包括一醒0S管，所述醒0S管的源极与电源正极连接，其漏 极分别与电机控制电路及Ξ相六桥电路连接，其栅极与电机控制电路连接，用于电源反接 保护W及提供高功率电流通道W驱动电机；
[000引电机控制电路，分别与防反电路、Ξ相六桥电路、及采样电阻相连，用于驱动Ξ相 六桥电路W及实现电机的过流、过压、短路、开路保护；
[0009] Ξ相六桥电路，与防反电路、电机控制电路、及采样电阻相连，用于驱动电机运转；
[0010] 采样电阻，与所述Ξ相六桥电路、电机控制电路及电源负极相连，用于对所述Ξ相 六桥电路进行采样。
[0011] 优选地，所述电机控制电路包括微控制器，分别与所述微控制器及Ξ相六桥电路 连接的磁场定位控制电路，分别与所述微控制器及电机连接的转子位置监测电路，与所述 微控制器连接的模数转换电路，及与所述模数转换电路连接的信号放大器。
[0012] 优选地，所述磁场定位控制电路包括与所述微控制器连接的转速环PI控制器，连 接于所述转速环PI控制器且与所述微控制器连接的磁场定向控制器，分别与所述微控制 器、磁场定向控制器W及Ξ相六桥电路连接的空间矢量脉宽调制模块。
[0013] 优选地，所述信号放大器的输入端分别连接于所述采样电阻的两端，用于将采样 电阻采集的信号进行放大。
[0014] 优选地，所述微控制器设有通讯接口，所述通讯接口为单线串行通讯总线或脉冲 宽度调制信号，用于接收上位机的控制命令，并将电机控制系统的状态反馈给上位机。
[0015] 优选地，所述采样电阻为电流采样电阻。
[0016] 优选地，所述Ξ相六桥电路由6个M0S管组成。
[0017] 优选地，所述电机控制电路包括正弦波控制方式和梯形波控制方式。
[0018] 如上所述，本实用新型的一种Ξ相无刷电机控制系统，具有W下有益效果：
[0019] 1、本实用新型所述的Ξ相无刷电机控制系统提供了无位置传感器的控制方案，大 大减小了电机的体积、及成本，同时提高了电机运行的稳定性。
[0020] 2、本实用新型所述的Ξ相无刷电机控制系统可兼容正弦波控制方式和梯形波控 制方式;在正弦波控制方式下，仅通过采样电阻即可获得电机相电流、电机转子位置、转速 等信息，实现了单电阻无位置传感器控制方案;在梯形波控制方式下，通过转子位置监测电 路测出电机各相反电动势的过零点，微控制器通过计算即可得到转子的位置信号，并根据 转子的位置发出相应的驱动信息驱动所述Ξ相六桥电路W控制电机运转。
[0021] 3、本实用新型所述的Ξ相无刷电机控制系统还通过在电源与电机控制电路、及电 源与Ξ相六桥电路之间设置NM0S防反电路，实现了电源反接保护，并通过醒0S管为Ξ相六 桥电路提供高功率电流用于驱动Ξ相无刷电机。
【附图说明】
[0022] 图1显示为本实用新型所述Ξ相无刷电机控制系统的电路框图。
[0023] 图2显示为本实用新型所述磁场定位控制电路的框图。
[0024] 元件标号说明
[0025] 1 Ξ相无刷电机控制系统
[0026] 11 防反电路
[0027] 12 电机控制电路
[0028] 121 微控制器
[00巧]122 磁场定位控制电路
[0030] 1221 转速环PI控制器
[0031] 1222 磁场定位控制器
[0032] 1223 空间矢量脉宽调制模块
[0033] 123 转子位置监测电路
[0034] 124 模数转换电路
[00巧]125 信号放大器
[0036] 13 Ξ相六桥电路
[0037] 14 采样电阻
【具体实施方式】
[0038] W下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说 明书所掲露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可W通过另外 不同的【具体实施方式】加 W实施或应用，本说明书中的各项细节也可W基于不同观点与应 用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。
[0039] 请参阅图1和图2。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用W 配合说明书所掲示的内容，W供熟悉此技术的人±了解与阅读，并非用W限定本实用新型 可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的 调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型 所掲示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如"上"、"下"、"左"、 "右"、"中间"及"一"等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用W限定本实用新型可实施的 范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的 范畴。
[0040] 请参阅图1和图2,本实用新型提供一种Ξ相无刷电机控制系统，所述电机控制系 统包括：
[0041] 防反电路，所述防反电路包括一醒0S管，所述醒0S管的源极与电源正极连接，其漏 极分别与电机控制电路及Ξ相六桥电路连接，其栅极与电机控制电路连接，用于电源反接 保护W及提供高功率电流通道W驱动电机；
[0042] 电机控制电路，分别与防反电路、Ξ相六桥电路、及采样电阻相连，用于驱动Ξ相 六桥电路W及实现电机的过流、过压、短路、开路保护；
[0043] Ξ相六桥电路，与防反电路、电机控制电路、及采样电阻相连，用于驱动电机运转；
[0044] 采样电阻，与所述Ξ相六桥电路、电机控制电路及电源负极相连，用于对所述Ξ相 六桥电路进行采样。
[0045] 所述电机控制电路包括微控制器，分别与所述微控制器及Ξ相六桥电路连接的磁 场定位控制电路，分别与所述微控制器及电机连接的转子位置监测电路，与所述微控制器 连接的模数转换电路，及与所述模数转换电路连接的信号放大器。
[0046] 所述磁场定位控制电路包括与所述微控制器连接的转速环PI控制器，连接于所述 转速环PI控制器且与所述微控制器连接的磁场定向控制器，分别与所述微控制器、磁场定 向控制器W及Ξ相六桥电路连接的空间矢量脉宽调制模块。
[0047] 需要说明的是，所述微控制器设有通讯接口，所述通讯接口为单线串行通讯总线 或脉冲宽度调制信号，用于接收上位机的控制命令，并将电机控制系统的状态反馈给上位 机。
[0048] 需要说明的是，所述信号放大器的输入端分别连接于所述采样电阻的两端，用于 将采样电阻采集的信号进行放大。
[0049] 需要说明的是，所述采样电阻为电流采样电阻。
[0050] 需要说明的是，所述Ξ相六桥电路是由6个M0S管构成Ξ个半桥，同一桥臂的上、下 半桥的信号相反，Ξ相六桥电路通过W确定的时间使上桥、下桥的M0S管导通和关断，从而 在输出端得到相位相差120度的Ξ相交流电，用W驱动直流无刷电机转动。
[0051] 下面请参阅图1和图2对本实用新型所述的Ξ相无刷电机控制系统的功能进行说 明。
[0052] 如图1和图2所示，对所述Ξ相无刷电机控制系统上电，当电源正负极接反时，由于 醒0S管内存在寄生二极管，故电流无法输入所述Ξ相无刷电机控制系统；当电源正确连接 时，电流首先经过NM0S管内部的寄生二极管给电机控制电路供电，电机控制电路得电后输 出高电压驱动NM0S管完全打开，提供高功率电流通道用于驱动电机。
[0053] 在每次系统上电后、驱动电机工作之前，所述电机控制电路会控制关闭Ξ相六桥 的所有下桥，打开上桥中的两相，检测关闭的一相的电压，由此判定运一相电机与所述Ξ相 无刷电机控制系统的连接是否断开；同理，按上述方法检测另外两相的电压，通过Ξ次就可 判定电机的Ξ线是否存在断线问题。
[0054] 所述电机控制电路通过通讯接口接收上位机传来的控制指令后，电机控制电路将 接收的控制指令转化为Ξ相六桥电路的6路开关状态，控制Ξ相六桥电路输出W驱动电机 运转。其中，所述电机控制电路包括正弦波控制方式和梯形波控制方式。
[0055] 需要说明的是，所述电机控制电路通过实时监测Ξ相六桥电路中每个M0S管的漏 极与源极间的电压差VDS，判断是否有短路发生；即如果VDS大于限值(所述限值为预设值）， 则电机控制电路快速关断Ξ相六桥电路，保证Ξ相六桥电路中各M0S及电机的安全。
[0056] 需要说明的是，所述电机控制电路通过监测采样电阻的电流值，判断所述Ξ相无 刷电机控制系统是否过载;如果监测到的电流过大、超过限值(所述限值为预设值），则降低 甚至关断电机控制电路的功率输出，W此控制电流小于设定值，实现保证电机控制电路及 电机的安全。
[0057] 当采用正弦波控制方式时，所述电机控制电路采用磁场定位控制电路实现电机的 驱动；即所述微控制器接收到控制指令后，将控制指令发送给转速环PI控制器，所述转速环 PI控制器比较当前电机转速与从通讯接口获得的转速指令的差值，给出电机所需的电流 值，所述磁场定向控制器根据所述转速环PI控制器给出的电流指令及当前电流数值，计算 给出电机所需的电压矢量值，所述空间矢量脉宽调制模块将磁场定向控制器给出的电压矢 量转化为Ξ相六桥电路的6路开关状态，控制Ξ相六桥电路的输出，所述采样电阻采集Ξ相 六桥电路的母线电流，经信号放大器放大后，由模数转换电路转换为数字信号，微控制器根 据当前的Ξ相六桥电路的开关状态及电流值，重构出电机的Ξ相相电流值;微控制器通过 重构的Ξ相相电流值，进行电机磁通估计，得到电机磁场角度，从而得到电机转子的位置角 度，并通过固定时间周期内的位置角度差值计算出电机转速。
[0058] 下面对相电流重构、电机磁通计算、电机磁场角度计算、电机转子位置角度计算W 及电机转速计算进行说明。
[0059] 根据空间矢量脉宽调制原理，Ξ相六桥的开关状态共有8种，其中每相上桥与下桥 的状态相反，Ξ相上桥U、V、W的开关状态为:000、100、110、010、011、001、101、111;0代表关 断，1代表导通;其中〇〇〇、111为零矢量状态，是没有有效电流的。另外6种状态下采集到的母 线电流与相电流的对应关系如下表所示：
[0060]
[0061]
[0062] 具体计算步骤如下：
[0063] 步骤一:在空间矢量脉宽调制的每个脉冲宽度调制(PWM)周期内有巧巾有效开关状 态，可在相应状态采集两次获得两相的相电流，并根据Ξ相相电流相加之和为零，计算出另 一相的相电流。
[0064] 步骤二:将相电流进行克拉克(Clark)变换，公式如下，切换为α-β坐标系内的电流 Ia、Ie。其中，Ιυ和Iw为相电流值。
[00化]Ia=Iu [0066]
[0067]步骤Ξ:根据步骤二得到的α-β坐标系内的电流Ια、le，按下述公式计算在α-β坐标 系下的电机磁链Wsa、Wse。其中U。、化为α-β坐标系下的电压，R为电机相电阻。
[006引 4sa = /(Ua-R*Ia)dt
[0069] Φse=パUe-R*Ie)dt
[0070] 步骤四：根据步骤；的电机磁链Wsa、Wse，按下述公式计算转子磁链Ψρα、ΨρΡ。其 中，L为电机相电感。
[0071] 恥。=托广1>1。= /化广帖1。化-1>1。
[0072] 恥e=^e-L* Ιβ=/ (Ue-R* ledt-L* le
[0073] 步骤五:根据步骤四的转子磁链Ψρα、ΨρΡ，按下述公式计算转子角度φ。
[0074]
[0075] 步骤六:转子角度每个脉冲宽度调制(PWM)周期计算一次，前后两周期的角度差除 W周期值，即得到电机转速ω，公式如下。其中，T为脉冲宽度调制周期，恥、为前后两 周期的转子角度差。
[0076]
[0077] 当采用梯形波控制方式时，所述电机控制电路通过转子位置监测电路得出电机各 相反电动势的过零点，微控制器通过计算即可得到转子的位置信号，并根据转子的位置发 出相应的驱动信息驱动所述Ξ相六桥电路W控制电机运转。
[0078] 当电机的某相绕组反电动势过零时，再延迟30度电角度即为该相需要切换状态的 位置；因此只要检测到Ξ相绕组反电动势的上下过零点，然后再将运些检测到的反电动势 过零点信号延迟30度电角度，就可获知转子的6个离散的位置信号，从而为Ξ相六桥电路提 供正确的换相信息，实现对电机的控制。
[0079] 综上所述，本实用新型的一种Ξ相无刷电机控制系统，具有W下有益效果：
[0080] 1、本实用新型所述的Ξ相无刷电机控制系统提供了无位置传感器的控制方案，大 大减小了电机的体积、及成本，同时提高了电机运行的稳定性。
[0081] 2、本实用新型所述的Ξ相无刷电机控制系统可兼容正弦波控制方式和梯形波控 制方式;在正弦波控制方式下，仅通过采样电阻即可获得电机相电流、电机转子位置、转速 等信息，实现了单电阻无位置传感器控制方案;在梯形波控制方式下，通过转子位置监测电 路测出电机各相反电动势的过零点，微控制器通过计算即可得到转子的位置信号，并根据 转子的位置发出相应的驱动信息驱动所述Ξ相六桥电路W控制电机运转。
[0082] 3、本实用新型所述的Ξ相无刷电机控制系统还通过在电源与电机控制电路、及电 源与Ξ相六桥电路之间设置NM0S防反电路，实现了电源反接保护，并通过醒0S管为Ξ相六 桥电路提供高功率电流用于驱动Ξ相无刷电机。
[0083] 上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新 型。任何熟悉此技术的人±皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行 修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所掲示的精 神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。
【主权项】
1. 一种三相无刷电机控制系统，其特征在于:所述电机控制系统包括： 防反电路，所述防反电路包括一 NMOS管，所述NMOS管的源极与电源正极连接，其漏极分 别与电机控制电路及三相六桥电路连接，其栅极与电机控制电路连接，用于电源反接保护 以及提供高功率电流通道以驱动电机； 电机控制电路，分别与防反电路、三相六桥电路、及采样电阻相连，用于驱动三相六桥 电路以及实现电机的过流、过压、短路、开路保护； 三相六桥电路，与防反电路、电机控制电路、及采样电阻相连，用于驱动电机运转； 采样电阻，与所述三相六桥电路、电机控制电路及电源负极相连，用于对所述三相六桥 电路进行米样。2. 根据权利要求1所述的三相无刷电机控制系统，其特征在于:所述电机控制电路包括 微控制器，分别与所述微控制器及三相六桥电路连接的磁场定位控制电路，分别与所述微 控制器及电机连接的转子位置监测电路，与所述微控制器连接的模数转换电路，及与所述 模数转换电路连接的信号放大器。3. 根据权利要求2所述的三相无刷电机控制系统，其特征在于，所述磁场定位控制电路 包括与所述微控制器连接的转速环PI控制器，连接于所述转速环PI控制器且与所述微控制 器连接的磁场定向控制器，分别与所述微控制器、磁场定向控制器以及三相六桥电路连接 的空间矢量脉宽调制模块。4. 根据权利要求2所述的三相无刷电机控制系统，其特征在于:所述信号放大器的输入 端分别连接于所述采样电阻的两端，用于将采样电阻采集的信号进行放大。5. 根据权利要求2所述的三相无刷电机控制系统，其特征在于，所述微控制器设有通讯 接口，所述通讯接口为单线串行通讯总线或脉冲宽度调制信号，用于接收上位机的控制命 令，并将电机控制系统的状态反馈给上位机。6. 根据权利要求1所述的三相无刷电机控制系统，其特征在于:所述采样电阻为电流采 样电阻。7. 根据权利要求1所述的三相无刷电机控制系统，其特征在于，所述三相六桥电路由6 个MOS管组成。8. 根据权利要求1所述的三相无刷电机控制系统，其特征在于，所述电机控制电路包括 正弦波控制方式和梯形波控制方式。
【文档编号】H02P6/182GK205693592SQ201620581778
【公开日】2016年11月16日
【申请日】2016年6月15日 公开号201620581778.0, CN 201620581778, CN 205693592 U, CN 205693592U, CN-U-205693592, CN201620581778, CN201620581778.0, CN205693592 U, CN205693592U
【发明人】韩伟, 吴文臣, 刘荣鹏
【申请人】上海英恒电子有限公司