一种有感无刷直流电机驱动方法
【专利摘要】本发明公开了一种有感无刷直流电机驱动方法，其特征在于，主要包括以下步骤：（1）启动电源后，系统自动进入有感电机启动模式，然后按有感驱动模式运行；（2）系统根据转子位置传感器的信号计算电机转速n；（3）判定该电机转速n是否大于预定的“有感”驱动转换到“无感”驱动的门槛转速na等步骤。本发明不仅可以有效减小霍尔传感器的位置误差对无刷直流电机的运行效率和噪音的影响，而且本发明还可以有效提高单相无刷直流电机生产的良品率，从而降低电机的生产成本。
【专利说明】一种有感无刷直流电机驱动方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种驱动系统，具体是指一种有感无刷直流电机驱动方法。
【背景技术】
[0002]无刷直流电动机(以下简称电机)由于其电机和驱动器的成本较低，以及结构较为简单等特点而被广泛地运用在诸如计算机的冷却电风扇和洗衣机的排水泵等领域。在实际使用过程中，这类单相电机通常采用霍耳元件来作为电机转子位置的传感器，以根据转子位置产生切换电流所需要的控制信号。
[0003]为了确保其控制信号的精确度，这些霍耳元件必须准确、可靠地安装在电机转子磁钢的附近，以确保霍尔元件能准确、可靠地检测到转子磁钢的磁场变化。如果霍耳元件的位置发生偏差，则电机的效率不仅会下降，并且还会增大电机的运行噪音。目前人们为了降低成本，许多单相无刷直流电机无法采用复杂的霍尔元件紧固件。另外，因为生产过程必须简化，无法在生产过程中对霍尔器件的位置精度进行测试，这些因素不可避免造成电机的霍尔元件位置出现偏差，降低了电机生产合格率；此外，由于电机的霍耳元件在经过电机一段时间的运行之后，其位置往往也会因为震动等原因发生一些偏移，也会降低电机的效率和增加电机的噪音。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服目前无刷直流电动机因各种原因导致其霍尔元件产生位置偏差，从而导致电机生产合格率下降以及噪音增加的缺陷，提供一种能彻底解决以上缺陷的有感无刷直流电机驱动方法。
[0005]本发明通过以下技术方案来实现:一种有感无刷直流电机驱动方法，主要包括以下步骤:
(1)启动电源后，系统自动进入有感电机启动1吴式，然后按有感驱动1吴式运打;
(2)系统根据霍尔传感器的信号计算电机转速η;
(3)判定该电机转速η是否大于预定的“有感”驱动转换到“无感”驱动的门槛转速na?
(4)若电机转速n>门槛转速\，则系统切换到无感驱动模式，并执行步骤(5)，否则系统根据输入的运行控制信号再判定是否继续运行；若判定继续执行，则系统重新进入有感驱动模式，否则，系统停止运行；
(5)系统根据电机位置信号计算电机转速η;
(6)判定电机转速η是否大于预定的“无感”驱动转换到“有感”驱动的门槛转速nb?
(7)若电机转速n>nb，则系统继续在无感驱动模式下运行；gn￡nb，则根据运行状态控制信号再次判定是否继续运行，是则系统返回步骤(1)重新进入有感驱动模式，否则系统停止运行。
[0006]其中，步骤(4)中所述的“系统切换到无感驱动模式”，具体包括以下步骤:
(41)利用有感位置信号或者对反电势的过零点的检测，计算电机转速和驱动频率，并按预设的稳态运行的待电区的电角度生成下半周的待电区的宽度；
(42)判定半周频率是否大于预设最低速度的频率？
(43)是，则检测负半周或正半周反电势的过零点，计算其频率，并按预设的稳态运行的待电区的电角度生成下半周的待电区的宽度；否，则系统停止运行；
(44)判定半周频率是否大于预设最低速度的频率？是，则返回步骤(41);否，则系统停止运行。
[0007]步骤(41)和步骤(43)中所述的“计算电机驱动频率”是指根据公式来计算正半周或者负半周反电势的电压频率，其中，tnew为刚检测到的转子位置的时间，told为tnev之前的上一个转子位置检测到的时间。
[0008]步骤(41)和步骤(43)中所述的“并按预设的稳态运行的待电区的电角度生成下半周的待电区的宽度”根据公式TH。/ (180° /β s)来计算，其中，β s为预设的稳态运行的待电区的电角度，TTC为本半周期的时间长度。
[0009]为了确保使用效果，所生成的下半周待电区的宽度的取值范围为5°?90°电角度，且步骤(1)中所述的“有感”驱动转换到“无感”驱动的门槛转速na大于“无感”驱动转换到“有感”驱动的门槛转速nb。
[0010]一种有感无刷直流电机驱动方法，主要包括以下步骤:
(1)启动电源后，系统自动进入有感电机启动1吴式，然后按有感驱动1吴式运打;
(2)系统根据霍尔传感器的信号计算电机转速n，并记录在有感驱动模式状态下的转子旋转的圈数N;
(3)判断PWM的占空比控制电压upwm是否超过预设的从“有感”驱动到“无感”驱动的转换门槛电压ua，并且当电机在有感驱动模式下旋转的圈数N超过预设的值Na，则转入步骤(4);若圈数N〈预设的值Na，而控制信号要求继续运行，则重返步骤(1)的有感驱动；如果控制信号要求停止，则驱动过程停止；
(4)系统进入无感驱动模式，并且根据转子的位置信号计算电机速度η；
(5)在无感驱动过程中，如果11_高于预设的无感驱动到有感驱动的门槛转换电压ub，则系统继续在无感驱动模式下运行；如果upwm低于预设的无感驱动到有感驱动的门槛转换电压ub，而控制信号要求继续运行，则转入步骤(1)的有感驱动，否则系统停止运行。
[0011]本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果:
(1)本发明不仅可以有效减小霍尔传感器的位置误差对无刷直流电机的运行效率和噪音的影响，而且还可以有效提高无刷直流电机生产的良品率，从而降低电机的生产成本；
(2)本发明采用优化的运行电流，可以在提高无刷直流电机的运行效率的同时降低电机的运行噪音，同时还可以减小霍尔传感器的位置误差的影响，本发明可以提高无刷直流电机的可靠性；
(3)本发明启动后可以根据外部条件自动在有感驱动模式和无感驱动模式间进行切换，从而自动调整电机运行状态。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本发明的整体电路结构示意图；
图2为正确安装霍尔传感器时的霍尔传感器的输出波形和电枢绕组的反电势波形的关系不意图；
图3为霍尔传感器的安装位置有偏差时的霍尔传感器的输出波形和电枢绕组的反电势波形的关系示意图；
图4为本发明的有感和无感驱动模式之间的转换基于电机转速判断时的实现方式流程图；
图5为系统在无感驱动模式的流程图；
图6为本发明系统检测电路；
图7为本发明的有感和无感驱动模式之间的转换基于对PWM占空比电压判断时的实现方式流程图；
图8为PWM的duty-cycle为100%电压波形图；
图9为PWM的duty-cycle为50%电压波形图。
【具体实施方式】
[0013]下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0014]有感驱动，其为全称是“带有霍尔位置传感器的驱动”的简称，而“无感驱动”为全称是“无霍尔位置传感器的驱动”的简称。
[0015]实施例1
如图1?6所示，本发明的驱动系统由电机的线圈和一个H型的单相驱动桥连接组成，其中该H型单相驱动桥由场效应管MOT1、场效应管M0T2、场效应管M0T3及场效应管M0T4共同组成，即场效应管MOTl与场效应管M0T3相串联，场效应管M0T2与场效应管M0T4相串联，而场效应管MOTl和场效应管M0T2的漏极D则共同与输入电压Vdd相连接，场效应管M0T3与场效应管M0T4的源极S则连接后接地。场效应管MOTl与场效应管M0T3的桥接点(即连接点)与场效应管M0T2与场效应管M0T4的桥接点(即连接点)分别与爪极同步电机的电枢绕组的两个端口 Μ0Τ_Α和Μ0Τ_Β相连接。
[0016]如果霍尔传感器安装正确，它会根据反电势(back-emf)的极性来发出控制4个MOSFET管子的导通和断开，使得电机的绕组在其back-emf为正的时候，MOSFET管Mot_AH和Mot_BL导通而Mot_BH & Mot_AL关断，以使得绕组的电流为正向；当back-emf为负的时候，MOSFET管Mot_AH和Mot_BL关断而Mot_BH & Mot_AL导通，以使得绕组的电流为负向。这样能够保证流入线圈的电流所产生电磁转矩始终为正值，电机正向旋转，其输出信号和电机绕组的back-emf之间的关系如图其检测电压波形如图2所示。
[0017]即两者之间没有相位差。这种情况下，霍尔传感器产生的信号能够让MOSFET管Mot_AH和Mot_BL将只在back-EMF为正的时候导通。此时，驱动电流由电枢绕组的端口Mot_A流进而由Mot_B流出。当back-emf为负时，霍尔传感器产生的信号能够让MOSFET管Mot_AL和Mot_BH导通,而驱动电流由端口 Mot_B流进而由Mot_A流出。依靠这样的驱动方式，正向的电流始终与与正向的back-emf作用使得电机在任何子位置所产生的电磁转矩都是正向的，因而转子能够被电机的正向电磁转矩所连续驱动。
[0018]如果霍尔传感器在电机中的位置有偏差，则有部分正向的电流会与负向的back-emf作用，以及则有部分负向的电流会与正向的back-emf作用，产生负的转矩。在电机正向旋转的时候如果偶尔出现负向的转矩，会使得电机的效率变差、振动和噪音增加。此时，传感器的送出的信号如图3所不，这时候霍尔传感器的输出信号和back-emf之间会有相位差。在这样情况下，MOSFET管在电枢绕组中产生的电流会在部分运动区域产生负向的电磁转矩。当正向电磁转矩的均值大于负向转矩的均值的时候，转子仍然会正向旋转，但负向电磁转矩的存在使得电机的损耗和噪音增加。
[0019]当转子位置能够被准确地检测出时，为了产生正向转矩，MOSFET管Mot_AH和Mot_BL将只在back-EMF为正的时候导通。此时，驱动电流由电枢绕组的端口 Mot_A流进而由Mot_B流出。当back-emf为负时，此时，MOSFET管Mot_AL和Mot_BH导通，而驱动电流由端口 Mot_B流进而由Mot_A流出。依靠这样的驱动方式，无论电机电枢绕组中的电流为正还是负，电机产生的转矩永远是正的。而且，可以通过对back-emf各个部分的值的判断，能够确保驱动电流为最优电流。
[0020]back-emf变化可以从其过零点(zero crossing point,简称ZCP)获得。本发明采用这个技术来检测back-emf的状况。图6显示了实现这一技术的电路图。采用比较器可以获得back-emf极性变化的信息。在可对back-emf进行检测的短暂期间，所有MOSFET管子处于关断状态。此时电机电枢绕组端口的电压信号即为back-emf的信号。因此，在电机工作期间，电机分别工作于“待电区”与“驱动区”，在ZCP发生区域附近，驱动器工作于“待电区”进行电机的位置和back-emf的极性检测。当back-emf的极性判别清楚后，电机工作于“驱动区”以产生驱动转矩。由于“待电区”中back-emf的值较小，并且该区间较短，待电区在存在对电机转矩的影响较小。
[0021]采用本发明，所生成的下半周待电区的宽度的取值范围为5°~90°电角度，但其最佳的宽度取值范围为5°~30°电角度的范围。采用这种无感技术后，驱动电路的换向是由转子位置决定的，因此电流频率是由电机的负载决定的。当负载较大的时候，电机转速较慢，电流的切换频率就较低。
[0022]前述单相无感驱动方案在电机正常运行的时候很有效，但在电机启动和低速运行的时候会有问题，因为此时电 机的back-emf很低，ZCP无法被检测到，也就无法实现电机的无传感器驱动。因此在电机启动和低速运行而使得反电势无法有效地检测到的时候，本发明仍然考虑采用传统的有传感器的运行方案。
[0023]本发明的技术方案不仅对单相电机有效，对三相电机和其他多相电机也具有同样的效果。使用本发明的时候，电机的驱动由两个环节组成，即有感驱动和无感驱动，其具体流程如下:
(1)启动电源后，系统自动进入有感电机启动1吴式，然后按有感驱动1吴式运打;
(2)系统根据霍尔传感器的信号计算电机转速η;
(3)判定该电机转速η是否大于预定的“有感”驱动转换到“无感”驱动的门槛转速na?；
(4)若电机转速n>门槛转速\，则系统切换到无感驱动模式，并执行步骤(5)，否则系统根据输入的运行控制信号再判定是否继续运行；若判定继续执行，则系统重新进入有感驱动模式，否则，系统停止运行；
(5)系统根据电机位置信号计算电机转速η;
(6)判定电机转速η是否大于预定的“无感”驱动转换到“有感”驱动的门槛转速nb?在实际设置过程中，该门槛转速nb要小于门槛转速\的转速；
(7)若电机转速n>nb，则系统继续在无感驱动模式下运行；gn￡nb，则根据运行状态控制信号再次判定是否继续运行，是则系统返回步骤(1)重新进入有感驱动模式，否则系统停止运行。
[0024]在实际使用时，所述的“有感”驱动转换到“无感”驱动的门槛转速na大于“无感”驱动转换到“有感”驱动的门槛转速nb。而所述的“系统切换到无感驱动模式”，具体包括以下步骤:
(41)利用有感位置信号或者对反电势的过零点的检测，计算电机转速和驱动频率，并按预设的稳态运行的待电区的电角度生成下半周的待电区的宽度；
(42)判定半周频率是否大于预设最低速度的频率？
(43)是，则检测负半周或正半周反电势的过零点，计算其频率，并按预设的稳态运行的待电区的电角度生成下半周的待电区的宽度；否，则系统停止运行；
(44)判定半周频率是否大于预设最低速度的频率？是，则返回步骤(41);否，则系统停止运行。
[0025]同时，步骤(41)和步骤(43)中所述的“计算电机驱动频率”是指根据公式
【权利要求】
1.一种有感无刷直流电机驱动方法，其特征在于，主要包括以下步骤:(1)启动电源后，系统自动进入有感电机启动1吴式，然后按有感驱动1吴式运打;(2)系统根据霍尔传感器的信号计算电机转速η;(3)判定该电机转速η是否大于预定的“有感”驱动转换到“无感”驱动的门槛转速na?(4)若电机转速n>门槛转速\，则系统切换到无感驱动模式，并执行步骤(5)，否则系统根据输入的运行控制信号再判定是否继续运行；若判定继续执行，则系统重新进入有感驱动模式，否则，系统停止运行；(5)系统根据电机位置信号计算电机转速η;(6)判定电机转速η是否大于预定的“无感”驱动转换到“有感”驱动的门槛转速nb?(7)若电机转速n>nb，则系统继续在无感驱动模式下运行；gn￡nb，则根据运行状态控制信号再次判定是否继续运行，是则系统返回步骤(1)重新进入有感驱动模式，否则系统停止运行。
2.根据权利要求1所述的一种有感无刷直流电机驱动方法，其特征在于，步骤(4)中所述的“系统切换到无感驱动模式”，具体包括以下步骤:(41)利用有感位置信号或者对反电势的过零点的检测，计算电机转速和驱动频率，并按预设的稳态运行的待电 区的电角度生成下半周的待电区的宽度；(42)判定半周频率是否大于预设最低速度的频率？(43)是，则检测负半周或正半周反电势的过零点，计算其频率，并按预设的稳态运行的待电区的电角度生成下半周的待电区的宽度；否，则系统停止运行；(44)判定半周频率是否大于预设最低速度的频率？是，则返回步骤(41);否，则系统停止运行。
3.根据权利要求2所述的一种有感无刷直流电机驱动方法，其特征在于，步骤(41)和步骤(43)中所述的“计算电机驱动频率”是指根据公式
4.根据权利要求2所述的一种有感无刷直流电机驱动方法，其特征在于，步骤(41)和步骤(43)中所述的“并按预设的稳态运行的待电区的电角度生成下半周的待电区的宽度”根据公式TH。/ (180° /β s)来计算，其中，β s为预设的稳态运行的待电区的电角度，ΤΗ。为本半周期的时间长度。
5.根据权利要求4所述的一种有感无刷直流电机驱动方法，其特征在于，所生成的下半周待电区的宽度的取值范围为5°~90°电角度。
6.根据权利要求1所述的一种有感无刷直流电机驱动方法，其特征在于，步骤(1)中所述的“有感”驱动转换到“无感”驱动的门槛转速na大于“无感”驱动转换到“有感”驱动的门滥转速nb。
7.—种有感无刷直流电机驱动方法，其特征在于，主要包括以下步骤:(1)启动电源后，系统自动进入有感电机启动1吴式，然后按有感驱动1吴式运打;(2)系统根据霍尔传感器的信号计算电机转速n，并记录在有感驱动模式状态下的转子旋转的圈数N; (3)判断PWM的占空比控制电压Upwm是否超过预设的从“有感”驱动到“无感”驱动的转换门槛电压ua，并且当电机在有感驱动模式下旋转的圈数N超过预设的值Na，则转入步骤(4);若圈数N〈预设的值Na，而控制信号要求继续运行，则重返步骤(1)的有感驱动；如果控制信号要求停止，则驱动过程停止； (4)系统进入无感驱动模式，并且根据转子的位置信号计算电机速度η； (5)在无感驱动过程中，如果u_高于预设的无感驱动到有感驱动的门槛转换电压ub，则系统继续在无感驱动模式下运行；如果Upwm低于预设的无感驱动到有感驱动的门槛转换电压ub，而控制信号要求继续`运行，则转入步骤(1)的有感驱动，否则系统停止运行。
【文档编号】H02P6/06GK103684120SQ201210321206
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年9月3日 优先权日:2012年9月3日
【发明者】毕磊 申请人:峰岹科技（深圳）有限公司