一种新型无刷直流电机无位置传感器控制系统和方法与流程

本发明涉及一种控制系统，特别是涉及一种新型无刷直流电机无位置传感器控制系统。

背景技术：

无刷直流电机的控制方式主要有两类，有位置传感器控制方式和无位置传感器控制方式。无位置传感器控制方式是目前比较广泛使用且较为新颖的一类控制方式，包含有反电动势控制方法、磁链计算法、状态观测器法和人工神经网络控制法等。传统的反电动势控制法中存在诸多的问题，比如反电动势过零点的检测不准、二极管续流的不可避免、需要人为的延时三十度电角度换相，以及三段式启动的时间过长等。这些问题都会给无刷直流电机的控制性能上带来巨大的影响，同时也加大了工作人员对软硬件的工作处理量。

无刷直流电机的反电动势波形呈现为梯形波，而端电压为反电动势波形的基础上叠加一个pwm（脉冲宽度调制）信号，故在接近换相的时刻我们能观察到非导通相端电压中前后相邻的pwm中点的差值在不断减小，最终在非导通相端电压中前后相邻的pwm中点差值很小的范围内电机进行了换相。由于反电动势不是理想平顶波，定子齿槽气隙不均匀和在换相期间电流发生波动等原因，都会造成转矩脉动的加剧。

另外，传统的三段式启动需要电机达到一定的转速后才能切换到无位置控制的程序中，这样的启动方式势必在电机启动的快速性上大打折扣，所以电机的启动控制上也需要做相应的革新。

无刷直流电机无位置传感器关键控制技术的创新，可以解决安装位置传感器给系统带来工艺复杂、受工作运行环境限制等诸多问题，同时可以提高系统可靠性和抗干扰性能，具有十分重要的理论研究意义与实践应用价值。随着各领域科学技术的发展和环境污染等问题的不断出现，近年来世界各地政府意识到，大力发展新能源电动车辆是解决日益严重的石油资源短缺和环境问题的有效途径之一，电动车以其小巧方便、节能、环保的特点，得到迅速发展。电动车中的无刷直流电机的控制技术是电动车的核心技术，所以这种新型无刷直流电机无位置传感器控制系统的设计，对于解决石油资源短缺和环境污染问题，具有长远的战略意义。

技术实现要素：

因此，本发明为了克服传统反电动势控制方法和三段式启动方法的缺陷，提供了一种新型无刷直流电机无位置传感器控制系统，实现无位置传感器无刷直流电机的直接换相和快速启动。

本发明所采用的技术方案是：一种新型无刷直流电机无位置传感器控制系统，其特征在于：硬件包括主控芯片、电路板、触摸显示屏。

所述主控芯片装在电路板上。

所述电路板板为pcb板（印制电路板），电路板上印制有开关电路和采样电路，所述开关电路串接在电源和电机连接的主电路中；所述采样电路连接电机输入和主控芯片。

所述触摸显示屏具备指令输入和显示两种功能，与主控芯片连接。

电源与电机连接的主电路中，直流电源正极串接保险丝和开关后，与开关管连接；直流电源的负极直接与开关管连接；在开关和开关管之间，引出电容器与电源的负极连接。

所述采样电路中包含电机端电压连续采样电路和采样值处理电路，采样值处理电路将端电压连续采样电路的电压值转换为数字信号，传递给主控芯片。

所述主控芯片中的信号调理模块和电流采样模块采集主电路中电流信息后，传递给电流调节模块；所述主控芯片中的转速估算模块通过控制换相模块获得的转速值传递给速度调节模块；所述主控芯片中的速度调节模块获取给定速度和转速估算模块的数值后，传递给电流调节模块；所述主控芯片中的pwm生成模块获取控制换相模块和电流调节模块的信息后，将控制电流传递给主电路的开关电路，实现电机的控制。

进一步讲，所述主控芯片的控制换相模块的控制方式为：进入定时器1的更新中断，将采样得到的端电压值分别赋予ua、ub、uc，然后做端电压相邻两时刻的差值，当端电压相邻两时刻的差值在特定范围内时，换相并记录下标志a；当端电压相邻两时刻的差值未在特定范围内时，不换相；结果判定后退出中断。

所述控制系统采用新型的电机启动方法：通过人为的给定一个导通相及状态标志位a，并检测非导通相的端电压；此时虽然非导通相的反电动势很小，但是非导通相的端电压差值仍然满足在换相点附近的时候，非导通相前后时刻的端电压的差值很小且在一定的范围内，从而迅速的建立换相点实现了电机的快速启动。

本发明的原理为：在电机换相的时刻，非导通相端电压的前后差值将会变得很小。换相时刻非导通相端电压都处在某个范围内，并且非导通相的端电压前后时刻的差值也将会在某个范围之内，当非导通相端电压和端电压的差值满足上述的条件时，电机正在进行换相。所以可以通过不断检测端电压分析端电压的情况实现电机的直接换相。

本发明一种新型无刷直流电机无位置传感器控制系统具有如下优点：

(1)选取端电压的检测来实现电机的直接换相不再使用反电动势过零点检测延时30°角度换相，可以成功的避免二极管续流对电机换相的影响，且其外围电路也省去阻容滤波，实现了控制电路的简化与易操作；

(2)非导通相的端电压直接反映其反电动势与中性点电压，通过检测非导通相端电压还可以避免检测到无刷直流电机的开关噪声干扰的问题；

(3)通过这种新的启动方式能够在一个定时器的更新中断（40us）就建立起来换相点，实现的电机的快速启动。

所以，这种新型无刷直流电机无位置传感器控制系统，克服了传统反电动势控制方法和三段式启动方法的缺陷，实现无位置传感器无刷直流电机的直接换相和快速启动，具有十分重要的理论研究意义与实践应用价值。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1是本发明的硬件部分的连接示意图。

图2是本发明无刷直流电机的无位置传感器控制系统原理框图。

图3是本实施例中无刷直流电机的无位置传感器控制系统的端电压采样电路图。

图4是本发明无刷直流电机的无位置传感器控制系统的换相控制流程图。

图5是本发明无刷直流电机的无位置传感器控制系统的启动控制流程图。

图6是本实施例中无刷直流电机的无位置传感器控制系统的控制流程图。

图7是传统反电动势过零点法下的电机启动速度响应波形图。

图8是本实施例的无位置传感器控制方法的速度响应波形图。

图9b相端电压实际波形。

图10三相端电压分析图。

图11换相对比图。

图中标记：bldc-无刷直流电机，da-数模转换，pwm-脉冲宽度调制，cpu-主控芯片，btoc-一相导通状态，ea、eb、ec-反电动势，ia、ib、ic-电流，p1-带霍尔传感器的换相点，p2-本发明中新方法的换相点。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明一种新型无刷直流电机无位置传感器控制系统作进一步的详细描述，控制对象是杰美康公司的一款额定电压为24v、额定功率为50w、额定转速为3000转/分钟，极对数为4极对，无刷直流电机。

硬件包括主控芯片、电路板、触摸显示屏。

本实施例中，所述主控芯片采用st（意法半导体集团）公司的stm32f103c8t6，是一款基于armcortex-m内核stm32系列的32位的微控制器，程序存储器容量是64kb，需要电压2v~3.6v，工作温度为-40℃~85℃，此芯片的adc（数模转换）采样速率最快为10万次/秒；所述主控芯片装在电路板上。

所述电路板板为pcb板（印制电路板），电路板上印制有开关电路和采样电路，所述开关电路串接在电源和电机连接的主电路中；所述采样电路连接电机输入和主控芯片。

所述触摸显示屏具备指令输入和显示两种功能，与主控芯片连接，在本实施例中，采用了samkoon公司的ak-043ae触摸显示屏。此触摸显示屏是基于modbus通信协议。在程序中通过自己写定的modbus协议成功的实现了与sk-043ae的通信，实现了主控板与触摸屏的人机信息交换。

电源与电机连接的主电路中，直流电源正极串接保险丝和开关后，与开关管连接；直流电源的负极直接与开关管连接；在开关和开关管之间，引出电容器与电源的负极连接。

所述采样电路中包含电机端电压连续采样电路和采样值处理电路，采样值处理电路将端电压连续采样电路的电压值转换为数字信号，传递给主控芯片。

如图2所示，所述主控芯片中的信号调理模块和电流采样模块采集主电路中电流信息后，传递给电流调节模块；所述主控芯片中的转速估算模块通过控制换相模块获得的转速值传递给速度调节模块；所述主控芯片中的速度调节模块获取给定速度和转速估算模块的数值后，传递给电流调节模块；所述主控芯片中的pwm生成模块获取控制换相模块和电流调节模块的信息后，将控制电流传递给主电路的开关电路，实现电机的控制。

进一步讲，如图4所示，所述主控芯片的控制换相模块的控制方式为：进入定时器1的更新中断，将采样得到的端电压值分别赋予ua、ub、uc，然后做端电压相邻两时刻的差值，当端电压相邻两时刻的差值在特定范围内时，换相并记录下标志a；当端电压相邻两时刻的差值未在特定范围内时，不换相；结果判定后退出中断。

换相控制是通过采样端电压，依靠非导通相端电压和非导通相端电压的差值来实现换相，依靠此换相方式，给定一个导通状态后其实它的非导通相的端电压蕴含着一个换相信息（换相点），只要有了第一个换相点它在后面的换相中就是完全按照上述换相方式实现电机的换相运转。

如图5所示，所述控制系统采用新型的电机启动方法：通过人为的给定一个导通相及状态标志位a，并检测非导通相的端电压；此时虽然非导通相的反电动势很小，但是非导通相的端电压差值仍然满足在换相点附近的时候，非导通相前后时刻的端电压的差值很小且在一定的范围内，从而迅速的建立换相点实现了电机的快速启动。

在电机换相的时刻，非导通相端电压的前后差值将会变得很小。换相的时候非导通相端电压都处在某个范围内，并且非导通相的端电压前后时刻的差值也将会在某个范围之内，当非导通相端电压和端电压的差值满足上述的条件时，电机正在进行换相。所以可以通过不断检测端电压分析端电压的情况实现电机的直接换相。

本实施例对采样得到的端电压的数据做了如图6所示的流程图的处理实现电机的直接换相，在刚启动的时候通过人为的给定一相导通状态（btoc)以及状态标志位a后，同时端电压连续采样电路和采样值处理电路也正在采样端电压，当电机启动完成后通过时时采样端电压然后做端电压的差值，并判断端电压及端电压差值以及状态标志位的值，实现电机的直接换相。

进一步讲，主控芯片内程序中运用的是pwm中点采样，同时要通过程序严格控制好对端电压前后两个时刻的采样。

进一步讲，采样频率和采样周期过快或者过慢都会导致采样出来的数据不能够严格的反应端电压的变化情况，采样频率为8mhz，采样周期为3us最为合适。

无刷直流电机控制常采用两两导通的模式，每只开关管的导通电角度120°，每时刻只有两相绕组导通，每间隔60°电角度就有一相开关管关断、一相开关管导通、另一相开关管保持恒通。

如图8所示，本实施例中，可以发现在该无位置传感器控制新方法下启动速度响应时间在0.4s左右，从图7可以看到在传统反电动势过零点法下的启动速度的响应时间在0.6s左右。因此在该无刷直流电机无位置传感器控制新方法下的启动速度的响应时间是明显的要优于传统反电动势过零点下的启动速度的响应时间的。同时可以看出在无位置传感器控制新方法下速度的变化比在传统的反电动势过零点法速度变化更加稳定。

如图9所示，本实施例中通过示波器实际观测的端电压波形，通过分析端电压波形得出换相点与端电压大小之间的关系，以确定换相点。

如图10所示，根据一相端电压波形得到三相端电压波形，并与反电动势波形对比，进一步确定换相方法的正确性。

如图11所示，通过在有位置传感器（霍尔传感器）的电机实验观测，位置传感器输出的换相信号与本发明方法实现的换相信号一致，说明本发明方法的准确性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。