一种超前角自适应补偿电路及无刷直流电机的制作方法

1.本发明涉及直流电机控制技术领域，具体涉及一种超前角自适应补偿电路及无刷直流电机。


背景技术：

2.无刷直流电机具有能效高、寿命长、控制性能优越等特点，因此在各领域得到了广泛的应用。现阶段无刷直流电机的控制方案可选用成本稍高，性能较好的矢量方案；也可选择成本低廉，性能与矢量相差不多的专用芯片方案。专用芯片方案应用简单，可靠性高，能够满足小功率及大部分无刷直流电机的开发。专用芯片是以120
°
转子磁极位置检测三相正弦波的无刷直流电机控制器，可实现svm的正弦波pwm输出，内部有工作时钟产生器，误差放大器，电流引导相位校正等特点，具有过压，过热、过流、霍尔信号异常等保护。其中电流引导相位技术尤为重要，主要是针对电流相位角度的补偿，直接影响电机效率。由于定子绕组的电感特性，实际流入三相线圈的正弦波电流将会落后三相输入电压一个角度，导致正弦波电流无法与反电动势同相，以致于输出效率无法完全发挥。因此在电机调试过程中，针对不同的负载需要进行不同的参数匹配。现有的的设计中由于超前角电压无法自动调节，在电机转速及负载发生变化时，导致电机的噪音增多，工作效率出现一定的降低。


技术实现要素：

3.因此，为了克服现有技术中的超前角电压无法自动调节，在电机转速及负载发生变化时，导致电机效率及噪音均出现一定的降低的缺点，提供一种超前角自适应补偿电路及无刷直流电机，可以改善电机噪音，提升电机效率，使电机在各个转速段均处于效率最优。
4.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.本发明提供一种超前角自适应补偿电路，包括：相位超前电路模块、开关电路模块、电流采样电路模块及三相逆变电路模块，其中：
6.相位超前电路模块分别与外接电源和开关电路模块连接，用于将输入的超前角电压进行处理保持在预设电压范围之内，并将电压相对应的超前角度信号通过三相逆变电路模块输出给无刷直流电机；
7.电流采样电路模块，用于采样无刷直流电机运转时的绕组电流，并反馈至开关电路模块；
8.开关电路模块，还与外接电源连接，其根据外接电源输入的电压及电流采样电路模块采集电流对应的电压确定自身的导通状态，当处于导通状态时调节超前角电压，使相位超前电路模块调节调节对应的超前角角度。
9.在一实施例中，所述开关电路模块，包括：三极管、限流电阻、可变电阻，其中：
10.三极管发射极与外接电源连接，基极和限流电阻连接；
11.可变电阻，分别与三极管的集电极及相位超前电路模块连接，用于在三极管导通
时，改变自身电阻值，调节超前角电压。
12.在一实施例中，所述相位超前电路模块，包括：第一分压电阻和第二分压电阻、稳压二极管、滤波电容及相位角处理芯片，其中：
13.第一分压电阻的一端与模拟输入电压芯片的输出端连接，另一端与第二分压电阻串联连接，第二分压电阻另一端接地，稳压二极管并联连接于第二分压电阻的两端，滤波电容并联连接于稳压二极管两端，可变电阻连接于稳压二极管和滤波电容之间，相位角处理芯片并联连接与滤波电容两端。
14.在一实施例中，所述相位角处理芯片，包括：第三分压电阻、第四分压电阻和比较器，第三分压电阻并联连接于滤波电容两端，第四分压电阻一端与第三分压电阻并联连接，另一端与比较器的输入端连接，比较器的输出端与三相逆变电路模块连接，第三分压电阻和比较器负电压极均接地。
15.在一实施例中，外接电源的输入电压通过第一分压电阻和第二分压电阻分压后，输出的电压为超前角电压；
16.外接电源的电压输入值大于等于第一阈值且小于等于第二阈值时，电机启动且电机绕组电流在非额定转速下，在此电压区间若满足三极管导通条件时，调节可变电阻调节超前角电压，相位超前电路模块调节调节对应的超前角角度；若不满足三极管导通条件时，超前角电压值不变。
17.在一实施例中，外接电源的电压输入值大于第二阈值且小于等于第三阈值时，电机启动且电机绕组电流在额定转速下，在此电压区间若满足三极管导通条件时，调节可变电阻调节超前角电压，相位超前电路模块调节对应的超前角角度。
18.在一实施例中，所述稳压二极管的稳压值不大于外接电源的电压最大输入值。
19.在一实施例中，所述可变电阻为负温度系数的热敏电阻，当直流电机运行过程中温度升高且输出电流波形畸变，热敏电阻感应电机内部温度升高，阻值相应降低。
20.在一实施例中，可变电阻为可变电阻器，当直流电机运行过程中输出电流波形畸变，手动调节可变电阻器的电阻值。
21.本发明实施例还提供了一种无刷直流电动机，包括上述任一实施例的超前角自适应补偿电路。
22.本发明技术方案，具有如下优点：
23.1、本发明实施例提供的超前角自适应补偿电路，包括相位超前电路模块、开关电路模块、电流采样电路模块及三相逆变电路模块，通过采集电流采样电路模块中的电流，开关电路模块将采集到的电流转换反馈到开关电路模块中，通过开关电路模块的导通条件来调节超前角电压，从而自动调节绕组电流与反电动势的角度差，改善电机绕组电流波形，获得平滑的转矩，当电机使用在各种环境及各种负载上时，会跟随负载的改变而更改相应的超前角电压，使电机的电流与反电动势同相且自动调节相位角角度，改善电机各转速段所出现的噪音，提高电机的效率，使电机在各个转速段均处于效率最优。
24.2、本发明实施例提供的无刷直流电动机，包括超前角自适应补偿电路，基于此可以改善电机噪音，提升电机效率，使电机在各个转速段均处于效率最优。
附图说明
25.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。
26.图1为本发明实施例中提供的超前角自适应补偿电路的功能模块的连接示意图；
27.图2为本发明实施例中提供的超前角自适应补偿电路一个具体实施例的结构示意图；
28.图3为本发明实施例中提供的外接电源输入电压和占空比关系的示意图；
29.图4为本发明实施例中提供的超前角电压和相位关系的示意图；
30.图5为本发明实施例中提供的额定转速下绕组电流波形图；
31.图6均为本发明实施例中提供的未补偿前非额定转速下电流波形图。
具体实施方式
32.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。
33.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
34.由于无刷直流电机定子绕组的电感特性，实际流入三相线圈的正弦波电流将会落后三相输入电压一个角度，导致正弦波电流无法与反电动势同相，以致于输出效率无法完全发挥。以前的设计中由于超前角电压无法自动调节，致使在电机转速及负载发生变化时，产生噪音较大，电机效率降低。
35.基于以上问题，本发明提供的一种超前角自适应补偿电路，如图1所示，包括：相位超前电路模块、开关电路模块、电流采样电路模块及三相逆变电路模块，其中：
36.相位超前电路模块分别与外接电源和开关电路模块连接，用于将输入的超前角电压进行处理保持在预设电压范围之内，并将电压相对应的超前角度信号通过三相逆变电路模块输出给无刷直流电机；电流采样电路模块，用于采样无刷直流电机运转时的绕组电流，并传输至开关电路模块；开关电路模块，还与外接电源连接，其根据外接电源输入的电压及电流采样电路模块采集电流对应的电压确定自身的导通状态，当处于导通状态时调节超前角电压，使相位超前电路模块调节对应的超前角角度。
37.本发明实施例提供的超前角自适应补偿电路，会跟随负载的改变而更改相应的超前角电压，使相位超前电路模块调节调节对应的超前角角度，使电机的电流与反电动势同相且自动调节相位角角度，改善电机各转速段所出现的噪音，提高电机的效率，使电机在各个转速段均处于效率最优。
38.在一实施例中，如图2所示，vsp_in为模拟输入电压芯片，作为外接电源用于控制电机旋转的模拟电压，通过vsp_in输入电压来控制输出占空比，vsp_in与占空比的关系如图3所示。本发明实施例定义输入模拟电压的范围2.1v≤vsp_in≤5.5v，仅作为举例，不以此为限，实际应用中，根据电机所需电压要求及芯片规格书来确定。
39.如图2所示，本实施例中的开关电路模块，包括：pnp三极管q1、限流电阻r2、可变电阻r1，其中：三极管发射极与外接电源连接，基极和限流电阻连接；可变电阻r1，分别与三极管的集电极及相位超前电路模块连接，用于在三极管导通时，改变自身电阻值，调节超前角电压。在其他实施例中可以设置带有电压比较器的多路开关装置，来代替三极管，仅作为举例，不以此为限。
40.在一实施例中，可变电阻为负温度系数的热敏电阻，当直流电机运行过程中温度升高且输出电流波形畸变，噪音变大，热敏电阻感应到电机内部温度升高，则阻值相加降低，则as处的电压变大，自动调节畸变的电流波形，使电机处于最优运行。
41.在另一实施例中，可变电阻采用可变电阻器，则需根据实际使用工况，手动调节可变电阻。可变电阻的数值是根据电流的正弦度来确定，如果调节可变电阻，电流正弦度高，效率最优，且无噪音，则此时的可变电阻值即为确定值。
42.如图2所示，相位超前电路模块，包括：第一分压电阻rl1和第二分压电阻rl2、稳压二极管z1、滤波电容c1及相位角处理芯片，其中：第一分压电阻rl1的一端与模拟输入电压芯片vsp_in的输出端连接，另一端与第二分压电阻rl2串联连接，第二分压电阻rl2、另一端接地，稳压二极管z1并联连接于第二分压电阻rl2的两端，滤波电容c1并联连接于稳压二极管z1两端，可变电阻r2连接于稳压二极管r1和滤波电容c1之间，相位角处理芯片并联连接与滤波电容两端。需要说明的是，稳压二极管的稳压值不大于模拟输入电压芯片的电压最大输入值。
43.如图2所示，相位角处理芯片包括：第三分压电阻r3、第四分压电阻r4和比较器u1，第三分压电阻r3并联连接于滤波电容c1两端，第四分压电阻r4一端与第三分压电阻r3并联连接，另一端与比较器u1的输入端连接，比较器的输出端与三相逆变器连接,第三分压电阻r3和比较器u1负电压极均接地。相位角处理芯片的作用在于基于其内部的电压和角度对应关系，将输入的前角电压对应转换为超前角角度信号，使电机一直处于最优运行状态。
44.本发明实施例中，模拟输入电压芯片vsp_in的输入电压通过第一分压电阻rl1和第二分压电阻rl2分压后，如图2所示，as输出的电压为超前角电压u
as
，超前角自适应补偿电路的工作原理如下：
45.模拟输入电压芯片的电压输入值小于第一阈值时，电机不启动；模拟输入电压芯片的电压输入值大于等于第一阈值且小于等于第二阈值时，电机启动且电机绕组电流在非额定转速下，在此电压区间若满足三极管导通条件时，调节可变电阻调节超前角电压，相位超前电路模块调节对应的超前角角度，使直流电机的电流输出波形接近正弦；若不满足三极管导通条件时，超前角电压值不变。模拟输入电压芯片输入值大于第二阈值且小于等于第三阈值时，在此电压区间若满足三极管导通条件时，调节可变电阻调节超前角电压，相位超前电路模块调节对应的超前角角度。
46.在一具体实施例中，当vsp_in输入电压值＜2.1v时，无占空比输出，若不满足启动要求，电机不运转。当2.1v≤vsp_in输入电压值≤2.5v时电机启动，随着vsp_in输入电压值的增加，电机转速也随之增加，此时vsp_in的输入电压通过分压电阻rl1和rl2分压后输出的电压为u
as
，由于vsp_in输入电压小，则u
as
经过分压后输出较小的电压。u
as
通过电容c1滤波、电阻r3和r4分压进入比较器u1，经过处理后的u
as
电压信号流入三相逆变电路模块最后施加在电机绕组上,由于转速相对较低，电机输出扭矩变小；电机运转时通过电流采样电路
模块检测到绕组电流i，同时由于定子绕组的电感特性，实际流入三相线圈的正弦波电流将会落后三相输入电压一个角度，导致正弦波电流无法与反电动势同相，以致于输出效率无法完全发挥。电流i流经电阻r2进入pnp三极管q1的基极，此时三极管基极电压检测到若ub＞ue，ub＞uc，则三极管饱和导通，随着三极管q1的导通，u
as
也随之增大，同步将增大后的电压反馈给后级电路(即三极管q1后面的电路包含的元器件)，随着u
as
电压增大，对应电机电流与反电动势落后的角度变小，电机绕组电流在非额定转速下，波形接近正弦，输出平滑的转矩。效率提高，温升降低，同步噪音得到改善，若三极管基极电压若不满足导通条件，则u
as
电压不变。
47.当2.6≤vsp_in输入电压值≤5.5v时，as处的电压u
as
经过分压电阻rl1和rl2分压后变大，经过电容c1滤除掉干扰电压后经分压电阻r3和r4及u1后进入三相逆变电器变换后施加在电机绕组上。此时由于vsp_in电压增大，输入绕组电压的占空比变大，电机输出扭矩变大，当vsp_in电压升高到额定转速时，电机电流波形为正弦波，波形平滑，未发生畸变如图4所示，此时噪音及温升均为最佳状态。当vsp_in电压再增大时，电机转速增大，电感阻碍作用变大，电流与反电动势的夹角变大，所需超前角电压u
as
变大，由于vsp_in电压达到最大值，u
as
处的电压未发生变化，但电机绕组电流波形受电感作用，发生畸变，如图5所示，电流与反电动势之间所需的夹角更大，电机输出功率变大，电流变大，出现噪音，电机内部温度升高。此时电流采样电路模块将采集到的电流通过限流电阻r2进入三极管的基极，若满足三极管导通，调节电阻r1使u
as
处电压变大，电流波形正弦，达到了自动调节超前角的目的，使电机一直处于最优运行状态。
48.本发明提供的超前角自适应补偿电路，通过采集电流采样电路模块中的电流，并将采集到的电流反馈到三极管基极的电压，通过三极管的导通情况来改善超前角电压，从而自动调节绕组电流与反电动势的角度差，改善电机绕组电流波形，获得平滑的转矩，当电机使用在各种环境及各种负载上时，会跟随负载的改变而更改相应的超前角电压，使电机的电流与反电动势同相且自动调节相位角角度，改善电机各个转速段所出现的噪音，提高电机的效率，使电机在各个转速段均处于效率最优。
49.本发明实施例还提供了一种无刷直流电动机，该无刷直流电动机包括以上任一实施例所述的超前角自适应补偿电路。基于所述超前角自适应补偿电路，可以改善无刷直流电动机绕组电流波形，获得平滑的转矩，改善电机噪音，提升电机效率，使电机在各个转速段均处于效率最优。
50.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。