一种无刷直流电机换向控制装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种可以调整无刷直流电机换向触发点的高精度的换向控制装置，尤其涉及一种无刷直流电机换向控制装置及方法，属于电机控制技术领域。
【背景技术】
[0002]永磁无刷直流电机(Brushless DC Permanent Magnet Motor)具有结构简单、可靠性高、效率高、起动性能好和调速性能好等优点，在各行各业中的应用越来越广泛。
[0003]转子位置是控制无刷直流电机所需的重要信号，目前的永磁无刷直流电机一般采用开关型霍尔传感器检测转子位置，根据转子位置进行换向。
[0004]通常霍尔传感器有两种安装方法:一种是直接安装在定子槽(或齿)中；另一种是单独安装在电机的非驱动端，并在轴上装有独立磁环，霍尔位置传感器的安装精度对永磁电机的运行性能影响很大。
[0005]直接安装霍尔传感器具有安装简便的优点，但是完全不能调整换向点触发点提前或者延迟；因此，电机全部参数设计必须很准确，否则有可能达不到额定转速或额定功率。
[0006]单独安装霍尔传感器，需要将霍尔传感器按照电角度为120°进行分布，一般做成环形印制电路板，需要独立的磁环，磁环不仅应当与电机转子具有相同的磁极数，而且从原理上说，磁环上的磁极分布与无刷直流电机转子的磁极分布也应当相同，但由于充磁工艺的限制，磁环的磁极分布与电机转子的磁极分布实际存在误差，这在一定程度上，影响了永磁无刷直流电机的性能的进一步提高。另外，对于单独安装的霍尔传感器，是通过旋转调整霍尔传感器印刷电路板，来微调电机换向触发点，这样的调整只能在电机装配的过程中进行；一旦完成，在运行当中，换向触发点是无法改变的，这直接限制了无刷直流电机的调速范围。
【发明内容】
[0007]为解决现有技术的不足，本发明提供一种无刷直流电机换向控制装置及方法；可以通过对无刷直流电机的转子磁极位置进行检测，并提供常规的换向控制信号，还可以准确给出提前或延迟换向触发点的指示信号。
[0008]本发明所采用的技术方案为:一种无刷直流电机换向控制装置，包括红外检测元件、硬质套环、逻辑控制电路模块、电子换向器；所述红外检测元件设置有三组，且所述三组红外检测元件设置在硬质套环的径向外侧，按照电角度120°分布在一块环形印制电路板上，并与逻辑控制电路模块连通；所述环形印制电路板悬空套在无刷直流电机非输出端的电机轴径向上方，所述硬质套环套接在无刷直流电机非输出端的电机轴上，且在所述硬质套环的表面印有周期重复的黑白图案，且每个周期的黑白图案与电机转子的一对磁极相对应；外部设备系统与逻辑控制电路模块和电子换向器顺序连通。
[0009]其中，所述的红外检测元件包括相互平行放置的砷化镓(GaAs)红外发光二极管和硅光电三极管；为了让红外检测元件更好的检测到硬质套环径向表面的黑白图案，所述红外检测元件悬空设置在硬质套环的径向外侧5_处。
[0010]进一步，所述硬质套环的表面印有与电机转子磁极等量多的黑白图案组；每组黑白图案中包括一个以120°电角全黑色图案区段对应电机转子一对磁极的S极下的中心区域；一个以120°电角全白色图案区段对应电机转子一对磁极的N极下的中心区域；在全黑色图案区段和全白色图案区段后面均有一个过渡图案区段，每个过渡图案区段对应60°电角，且所述过渡图案为黑白相间的条纹，每个条纹的宽度对应为1°电角。
[0011]进一步，所述逻辑控制电路模块包括换向逻辑电路和脉宽调制器；所述换向逻辑电路接收三组红外检测元件输出的位置检测脉冲序列及外部设备系统输入的方向控制信号；所述脉宽调制器接收外部设备系统输入的速度控制信号；并将外部设备系统发送来的速度控制信号调制成脉冲宽度调制信号(PWM);所述脉冲宽度调制信号(PWM)与所述换向逻辑电路输出的六路信号中的其中三路分别输入到三只与门，三只与门的输出信号经放大后发送到电子换向器高压侧的三只开关管的控制端，所述换向逻辑电路输出的六路信号中的另外三路信号经放大后直接发送到电子换向器低压侧的三只开关管的控制端，其中，所述的电子换向器为三相桥式逆变器；其中所述的三相桥式逆变器为智能功率模块IRAMX20UP60A。
[0012]进一步，在所述的电子换向器与逻辑控制电路模块之间还连通有过电流保护模块，用于电子换向器的过流保护。
[0013]一种无刷直流电机换向控制方法，步骤如下:
[0014](一 )三组红外检测元件检测硬质套环上周期重复的黑白图案并转换成三路位置检测脉冲序列，并将该脉冲序列发送到逻辑控制电路模块；其中所述的三路位置检测脉冲序列中每路脉冲序列都是周期重复的，三路位置检测脉冲序列互差120°电角；在每路一个周期脉冲序列中，包括一个120°电角高电平区段和一个120°电角低电平区段，还包括位于120°高电平区段和120°低电平区段之间的两个60°电角窄脉冲序列区段，所述60°电角窄脉冲序列区段为相互间隔排列的30个1°电角高电平序列和30个1°电角低电平序列；
[0015]( 二)逻辑控制电路模块中的换向逻辑电路结合三组红外检测元件发送来的脉冲序列和外部设备系统发送来的方向控制信号进行逻辑运算处理得到六路换向控制信号，其中三路用于控制电子换向器的高压侧三只开关管，另外三路用于控制电子换向器的低压侧三只开关管；
[0016](三)外部设备系统发送来的速度控制信号经过脉宽调制器调制产生脉冲宽度调制信号，脉冲宽度调制信号与高压侧三只开关管的三路换向控制信号分别进行逻辑与，形成复合调制信号用于控制电子换向器中高压侧的三只开关管，电子换向器中低压侧的三只开关管分别接受换向逻辑电路输出的另外三路换向控制信号控制；通过控制电子换向器完成无刷直流电机换向控制和速度控制。其中，所述的无刷直流电机换向控制的换向触发点在60°电角窄脉冲序列区段，在其中间30°电角点处发生换向，为正常换向；在小于30°电角处换向，为提前换向；在大于30°电角处换向，为延迟换向；逻辑控制电路模块依据换向电角的提前或延迟，调整无刷直流电机的基准转速。
[0017]本发明的有益效果在于:采用高精度的红外检测元件代替传统的霍尔元件，采用具有特殊黑白印刷图案的硬质套环代替传统的磁环，形成一种新型的永磁无刷直流电机换向控制装置，这种控制装置可以通过对无刷直流电机的转子磁极位置进行检测，并提供常规的换向控制信号，还可以准确给出提前或延迟换向控制触发点的指示信号；具有安装精度高、结构简单，造价廉价等特点。
【附图说明】
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[0018]图1为本发明各部分连接示意图；
[0019]图2为本发明红外检测元件示意图；
[0020]图3为本发明红外检测元件和硬质套环安装示意图；
[0021]图4为本发明硬质套环黑白图案沿径向展开图与无刷直流电机转子三相反电势A、B、C的对应关系不意图；
[0022]图5为本发明三路位置检测脉冲序列波形与电角度数和无刷直流电机转子三相反电势A、B、C的对应关系不意图；
[0023]图中主要附图标记含义如下:
[0024]1、红外检测元件，2、红外发光二极管，3、硅光电三极管，4、硬质套环，5、无刷直流电机非输出端的电机轴，6、环形印制电路板。
【具体实施方式】
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[0025]下面结合附图对本发明做具体的介绍。
[0026]图1为本发明各部分连接示意图；图2为本发明红外检测元件示意图；图3为本发明红外检测元件和硬质套环安装示意图；图4为本发明硬质套环黑白图案沿径向展开图与无刷直流电机转子三相反电势A、B、C的对应关系示意图；图5为本发明三路位置检测脉冲序列波形与电角度数和无刷直流电机转子三相反电势A、B、C的对应关系示意图；
[0027]实施例一
[0028]如图1和3所示:本实施例是一种无刷直流电机换向控制装置，包括红外检测元件1、硬质套环4、逻辑控制电路模块、电子换向器；红外检测元件I设置有三组，且三组红外检测元件I设置在硬质套环4的径向外侧，按照电角度120°分布在一块环形印制电路板6上，并与逻辑控制电路模块连通；如图2和3所示:本实施例所述的红外检测元件I包括相互平行放置的砷化镓(GaAs)红外发光二极管2和硅光电三极管3 ;为了让红外检测元件I更好的检测到硬质套环4表面的黑白图案，所述红外检测元件I悬空设置在硬质套环4的径向外侧5mm处。
[0029]本实施例采用的环形印制电路板6悬空套在无刷直流电机非输出端的电机轴5径向上方，所述的硬质套环4套接在无刷直流电机非输出端的电机轴5上，且在所述硬质套环4的表面印有一组黑白图案，所述的一组黑白图案与电机转子设置的一对磁极相对应；如图4所示:在硬质套环4的表面印有与电机转子一对磁极等量多的、相对应的一组黑白图案组；所述一组黑白图案中包括一个以120°电角全黑色图案区段对应电机转子一对磁极的S极下的中心区域；一个以120°电角全白色图案区段对应电机转子一对磁极的N极下的中心区域；在全黑色图案区段和全白色图案区段后面均有一个过渡图案区段，每个过渡图案区段对应60°电角，且所述过渡图案为黑白相间的条纹，每个条纹的宽度对应为1°电角。
[0030]如图1所示:外部设备系统与逻辑控制电路模块和电子换向器顺序连