一种电动自行车无刷直流电机控制电路及方法与流程

本发明属于无刷直流电机控制技术领域，尤其涉及一种电动自行车无刷直流电机控制电路，同时，还提供一种电动自行车无刷直流电机控制方法。

背景技术：

电动自行车无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等，现有技术存在同步电动机虽然效率高、功率因数可调，但存在启动困难，重载时易振荡失步等问题。

技术实现要素：

本发明提供一种电动自行车无刷直流电机控制电路及方法，以解决上述背景技术中提出现有技术存在同步电动机虽然效率高、功率因数可调，但存在启动困难，重载时易振荡失步等问题。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种电动自行车无刷直流电机控制电路，包括电机控制单元和电机驱动单元，所述电机控制单元控制输出于电机驱动单元，所述电机驱动单元驱动输出于电动自行车的无刷直流电机；

所述控制电路还包括用于反馈无刷直流电机转子位置信号并估算转子的转速的位置跟踪单元，所述位置跟踪单元机械输入连接于无刷直流电机，其电气反馈输出连接于电机控制单元的转速反馈端。

进一步，所述控制电路还包括用于反馈无刷直流电机控制电压的电压检测器，所述电压检测器输入连接于直流供电单元，其输出连接于电机控制单元的电压反馈端。

进一步，直流供电单元调节直流电压根据电压反馈端反馈信号，动态调节电机驱动单元的供电电压。

进一步，所述位置跟踪单元的位置跟踪器采用双闭环控制，其两个反馈环节的调节器都均采用pid数字调节器。

进一步，所述位置跟踪器采用电磁感应式或光电式或霍尔开关式和接近开关式或霍尔检测元件。

进一步，所述位置跟踪单元包括转速比较器，所述转速比较器输入系统给定，其输出连接于转速pid调节器，所述转速pid调节器输出连接于电流比较器，所述电流比较器输出连接于电流pid调节器，所述电流pid调节器输出连接于pwm同步调节器，所述pwm同步调节器输出连接于无刷直流电机，所述无刷直流电机机械连接于位置跟踪器的霍尔检测元件，所述霍尔检测元件输出连接于速度反馈器，所述速度反馈器输出连接于转速比较器，所述pwm同步调节器同时输出连接于电流反馈器，所述电流反馈器输出连接于转速比较器。

进一步，所述电机驱动单元包括直流供电单元，所述直流供电单元供电输出于功率电子开关单元，所述功率电子开关单元输出连接于电流检测模块，所述电流检测模块驱动输出连接于无刷直流电机，所述控制器双向控制输出于集中控制模块，所述控制器控制输出于逻辑驱动器。

进一步，所述逻辑驱动器控制输出于功率电子开关单元的控制端，所述电流检测模块反馈输出于控制器的电流反馈端。

同时，本发明还提供一种电动自行车无刷直流电机控制方法，包括：基于所述无刷直流电机控制电路，所述无刷直流电机的电机定子电枢系统由位置跟踪单元控制。

进一步，若无刷直流电机的转速下降，则位置跟踪单元输出信号频率也降低；

若位置跟踪单元输出信号频率也降低，则电枢电流频率及其旋转磁场的速度也相应的降低；

若电枢电流频率及其旋转磁场的速度也相应的降低，则电枢磁场与励磁磁场的相对位置仍保持不变。

本发明的有益效果为：

1、本专利采用包括电机控制单元和电机驱动单元，所述电机控制单元控制输出于电机驱动单元，所述电机驱动单元驱动输出于电动自行车的无刷直流电机；所述控制电路还包括用于反馈无刷直流电机转子位置信号并估算转子的转速的位置跟踪单元，所述位置跟踪单元机械输入连接于无刷直流电机，其电气反馈输出连接于电机控制单元的转速反馈端，由于无刷电动机的转子采用永磁体，产生直轴位置的励磁磁场，定子为电枢绕组，通过功率控制器控制各相绕组的通断状态而产生旋转磁场，本发明设计无刷电动机控制系统，选择转子位置检测器，当电动机定子电枢系统直接由转子转速控制，当电动机速度降低时，位置检测器的输出信号频率也降低，电枢电流频率及其旋转磁场的速度也随之降低，但若使电枢磁场与励磁磁场的相对位置仍保持不变，则电动机就不会失步，转子位置检测器利用霍尔元件检测，并利用位置信号估算转子的转速，以实现转速闭环控制，因此，具有启动简单且重载时不易振荡失步的问题。

2、本专利采用所述控制电路还包括用于反馈无刷直流电机控制电压的电压检测器，所述电压检测器输入连接于直流供电单元，其输出连接于电机控制单元的电压反馈端，直流供电单元调节直流电压根据电压反馈端反馈信号，动态调节电机驱动单元的供电电压，由于无刷电动机调速特性可知，调节直流电压的大小，可以改变电动机的转速性能，这与有刷直流电动机有相似的机械特性，因此，提高了电动机的转速性能。

3、本专利采用所述位置跟踪单元的位置跟踪器采用双闭环控制，其两个反馈环节的调节器都均采用pid数字调节器，所述位置跟踪器采用电磁感应式或光电式或霍尔开关式和接近开关式或霍尔检测元件，所述位置跟踪单元包括转速比较器，所述转速比较器输入系统给定，其输出连接于转速pid调节器，所述转速pid调节器输出连接于电流比较器，所述电流比较器输出连接于电流pid调节器，所述电流pid调节器输出连接于pwm同步调节器，所述pwm同步调节器输出连接于无刷直流电机，所述无刷直流电机机械连接于位置跟踪器的霍尔检测元件，所述霍尔检测元件输出连接于速度反馈器，所述速度反馈器输出连接于转速比较器，所述pwm同步调节器同时输出连接于电流反馈器，所述电流反馈器输出连接于转速比较器，由于电动机控制系统采用速度外环和电流内环的双闭环控制，两个反馈环节的调节器都采用pid数字调节器，计算电动机转子转速的目的是为了实现转速调节和计算出电枢电流的指令值，在直流母线上采集电流调节器的采样信号，采样信号与前端值比较计算后输出给pwm同步调节器。电流调节器、速度调节器的计算除了调节器设定的pid参数kp，ki和kd外，还要设定pwm周期参数等，在霍尔元件的输入端通入控制电流，当霍尔元件受到外磁场作用时，输出端便有了信号输出，根据霍尔元件的控制信号便可判断转子磁极的位置。同时利用定时器确定相邻两次霍尔位置状态变化所需的时间，就可以估算出转子的实际转数和转向，因此，实现转速调节和计算出电枢电流的指令值。

4、本专利采用所述电机驱动单元包括直流供电单元，所述直流供电单元供电输出于功率电子开关单元，所述功率电子开关单元输出连接于电流检测模块，所述电流检测模块驱动输出连接于无刷直流电机，所述控制器双向控制输出于集中控制模块，所述控制器控制输出于逻辑驱动器，由于本发明提供一种利用电子换向原理实现永磁无刷电动机控制创造了条件，特别是近几年推出的数字信号处理器(dsp)芯片，解决了原来微处理器结构复杂，单片微处理速度达不到实时系统控制的要求，为无刷电动机的复杂算法提供了软硬件基础。

5、本专利采用本发明还提供一种电动自行车无刷直流电机控制方法，包括：基于无刷直流电机控制电路，所述无刷直流电机的电机定子电枢系统由位置跟踪单元控制，若无刷直流电机的转速下降，则位置跟踪单元输出信号频率也降低；若位置跟踪单元输出信号频率也降低，则电枢电流频率及其旋转磁场的速度也相应的降低；若电枢电流频率及其旋转磁场的速度也相应的降低，则电枢磁场与励磁磁场的相对位置仍保持不变，因此，实现无刷电动机的实时控制和运行监视。

6、本专利采用所述位置跟踪器采用电磁感应式或光电式或霍尔开关式和接近开关式或霍尔检测元件，转子位置检测器是无刷电动机的重要组成部分，常用的转子位置检测器有电磁感应式、光电式、霍尔开关式和接近开关式，高性能的无刷电机位置检测器、磁电码盘和旋转变压器式，可根据实际控制系统的要求予以选择。

附图说明

图1是本发明一种电动自行车无刷直流电机控制电路的电原理图；

图2是本发明一种电动自行车无刷直流电机控制电路的位置跟踪单元的电原理图；

图3是本发明一种电动自行车无刷直流电机控制方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步描述：

图中：

1-电机控制单元，2-电机驱动单元，3-无刷直流电机，4-位置跟踪单元，5-电压检测器，6-转速比较器，7-转速pid调节器，8-电流比较器，9-电流pid调节器，10-pwm同步调节器，12-位置跟踪器，13-速度反馈器，15-电流反馈器，16-直流供电单元，17-功率电子开关单元，18-电流检测模块，19-控制器，20-集中控制模块，21-逻辑驱动器。

s101-无刷直流电机3的转速下降；

s102-位置跟踪单元4输出信号频率也降低；

s103-电枢电流频率及其旋转磁场的速度也相应的降低；

s104-电枢磁场与励磁磁场的相对位置仍保持不变；

实施例：

本实施例：如图1、2所示，一种电动自行车无刷直流电机控制电路，包括电机控制单元1和电机驱动单元2，所述电机控制单元1控制输出于电机驱动单元2，所述电机驱动单元2驱动输出于电动自行车的无刷直流电机3；

所述控制电路还包括用于反馈无刷直流电机3转子位置信号并估算转子的转速的位置跟踪单元4，所述位置跟踪单元4机械输入连接于无刷直流电机3，其电气反馈输出连接于电机控制单元1的转速反馈端。

由于采用包括电机控制单元和电机驱动单元，所述电机控制单元控制输出于电机驱动单元，所述电机驱动单元驱动输出于电动自行车的无刷直流电机；所述控制电路还包括用于反馈无刷直流电机转子位置信号并估算转子的转速的位置跟踪单元，所述位置跟踪单元机械输入连接于无刷直流电机，其电气反馈输出连接于电机控制单元的转速反馈端，由于无刷电动机的转子采用永磁体，产生直轴位置的励磁磁场，定子为电枢绕组，通过功率控制器控制各相绕组的通断状态而产生旋转磁场，本发明设计无刷电动机控制系统，选择转子位置检测器，当电动机定子电枢系统直接由转子转速控制，当电动机速度降低时，位置检测器的输出信号频率也降低，电枢电流频率及其旋转磁场的速度也随之降低，但若使电枢磁场与励磁磁场的相对位置仍保持不变，则电动机就不会失步，转子位置检测器利用霍尔元件检测，并利用位置信号估算转子的转速，以实现转速闭环控制，因此，解决了启动困难，重载时易振荡失步的问题。

所述控制电路还包括用于反馈无刷直流电机3控制电压的电压检测器5，所述电压检测器5输入连接于直流供电单元16，其输出连接于电机控制单元1的电压反馈端。

由于采用所述控制电路还包括用于反馈无刷直流电机控制电压的电压检测器，所述电压检测器输入连接于直流供电单元，其输出连接于电机控制单元的电压反馈端，直流供电单元调节直流电压根据电压反馈端反馈信号，动态调节电机驱动单元的供电电压，由于无刷电动机调速特性可知，调节直流电压的大小，可以改变电动机的转速性能，这与有刷直流电动机有相似的机械特性，因此，提高了电动机的转速性能。

直流供电单元16调节直流电压根据电压反馈端反馈信号，动态调节电机驱动单元2的供电电压。

所述位置跟踪单元4的位置跟踪器12采用双闭环控制，其两个反馈环节的调节器都均采用pid数字调节器。

所述位置跟踪器12采用电磁感应式或光电式或霍尔开关式和接近开关式或霍尔检测元件。

由于采用所述位置跟踪器采用电磁感应式或光电式或霍尔开关式和接近开关式或霍尔检测元件，转子位置检测器是无刷电动机的重要组成部分，常用的转子位置检测器有电磁感应式、光电式、霍尔开关式和接近开关式，高性能的无刷电机位置检测器、磁电码盘和旋转变压器式，可根据实际控制系统的要求予以选择。

所述位置跟踪单元4包括转速比较器6，所述转速比较器6输入系统给定，其输出连接于转速pid调节器7，所述转速pid调节器7输出连接于电流比较器8，所述电流比较器8输出连接于电流pid调节器9，所述电流pid调节器9输出连接于pwm同步调节器10，所述pwm同步调节器10输出连接于无刷直流电机3，所述无刷直流电机3机械连接于位置跟踪器12的霍尔检测元件，所述霍尔检测元件输出连接于速度反馈器13，所述速度反馈器13输出连接于转速比较器6，所述pwm同步调节器10同时输出连接于电流反馈器15，所述电流反馈器15输出连接于转速比较器6。

由于采用所述位置跟踪单元的位置跟踪器采用双闭环控制，其两个反馈环节的调节器都均采用pid数字调节器，所述位置跟踪器采用电磁感应式或光电式或霍尔开关式和接近开关式或霍尔检测元件，所述位置跟踪单元包括转速比较器，所述转速比较器输入系统给定，其输出连接于转速pid调节器，所述转速pid调节器输出连接于电流比较器，所述电流比较器输出连接于电流pid调节器，所述电流pid调节器输出连接于pwm同步调节器，所述pwm同步调节器输出连接于无刷直流电机，所述无刷直流电机机械连接于位置跟踪器的霍尔检测元件，所述霍尔检测元件输出连接于速度反馈器，所述速度反馈器输出连接于转速比较器，所述pwm同步调节器同时输出连接于电流反馈器，所述电流反馈器输出连接于转速比较器，由于电动机控制系统采用速度外环和电流内环的双闭环控制，两个反馈环节的调节器都采用pid数字调节器，计算电动机转子转速的目的是为了实现转速调节和计算出电枢电流的指令值，在直流母线上采集电流调节器的采样信号，采样信号与前端值比较计算后输出给pwm同步调节器。电流调节器、速度调节器的计算除了调节器设定的pid参数kp，ki和kd外，还要设定pwm周期参数等，在霍尔元件的输入端通入控制电流，当霍尔元件受到外磁场作用时，输出端便有了信号输出，根据霍尔元件的控制信号便可判断转子磁极的位置。同时利用定时器确定相邻两次霍尔位置状态变化所需的时间，就可以估算出转子的实际转数和转向，因此，实现转速调节和计算出电枢电流的指令值。

所述电机驱动单元2包括直流供电单元16，所述直流供电单元16供电输出于功率电子开关单元17，所述功率电子开关单元17输出连接于电流检测模块18，所述电流检测模块18驱动输出连接于无刷直流电机3，所述控制器19双向控制输出于集中控制模块20，所述控制器19控制输出于逻辑驱动器21。

由于采用所述电机驱动单元包括直流供电单元，所述直流供电单元供电输出于功率电子开关单元，所述功率电子开关单元输出连接于电流检测模块，所述电流检测模块驱动输出连接于无刷直流电机，所述控制器双向控制输出于集中控制模块，所述控制器控制输出于逻辑驱动器，由于本发明提供一种利用电子换向原理实现永磁无刷电动机控制创造了条件，特别是近几年推出的数字信号处理器(dsp)芯片，解决了原来微处理器结构复杂，单片微处理速度达不到实时系统控制的要求，为无刷电动机的复杂算法提供了软硬件基础。

所述逻辑驱动器21控制输出于功率电子开关单元17的控制端，所述电流检测模块18反馈输出于控制器19的电流反馈端。

如图3所示，一种电动自行车无刷直流电机控制方法，包括：基于所述的无刷直流电机控制电路，所述无刷直流电机3的电机定子电枢系统由位置跟踪单元4控制。

若无刷直流电机3的转速下降s101，则位置跟踪单元4输出信号频率也降低s102；

若位置跟踪单元4输出信号频率也降低s102，则电枢电流频率及其旋转磁场的速度也相应的降低s103；

若电枢电流频率及其旋转磁场的速度也相应的降低s103，则电枢磁场与励磁磁场的相对位置仍保持不变s104。

由于采用本发明还提供一种电动自行车无刷直流电机控制方法，包括：基于无刷直流电机控制电路，所述无刷直流电机的电机定子电枢系统由位置跟踪单元控制，若无刷直流电机的转速下降，则位置跟踪单元输出信号频率也降低；若位置跟踪单元输出信号频率也降低，则电枢电流频率及其旋转磁场的速度也相应的降低；若电枢电流频率及其旋转磁场的速度也相应的降低，则电枢磁场与励磁磁场的相对位置仍保持不变，因此，实现无刷电动机的实时控制和运行监视。

工作原理：

本专利通过包括电机控制单元和电机驱动单元，所述电机控制单元控制输出于电机驱动单元，所述电机驱动单元驱动输出于电动自行车的无刷直流电机；所述控制电路还包括用于反馈无刷直流电机转子位置信号并估算转子的转速的位置跟踪单元，所述位置跟踪单元机械输入连接于无刷直流电机，其电气反馈输出连接于电机控制单元的转速反馈端，由于无刷电动机的转子采用永磁体，产生直轴位置的励磁磁场，定子为电枢绕组，通过功率控制器控制各相绕组的通断状态而产生旋转磁场，本发明设计无刷电动机控制系统，选择转子位置检测器，当电动机定子电枢系统直接由转子转速控制，当电动机速度降低时，位置检测器的输出信号频率也降低，电枢电流频率及其旋转磁场的速度也随之降低，但若使电枢磁场与励磁磁场的相对位置仍保持不变，则电动机就不会失步，转子位置检测器利用霍尔元件检测，并利用位置信号估算转子的转速，以实现转速闭环控制，本发明解决了现有技术存在同步电动机虽然效率高、功率因数可调，但存在启动困难，重载时易振荡失步等问题，具有启动简单且重载时不易振荡失步、转速性能好、转速调节能力强、软硬件基础好、实时控制和运行监视的有益技术效果。

利用本发明的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本发明的保护范围。