一种无霍尔直流无刷电机控制器及电机启动方法与流程

1.本发明涉及电机控制技术领域，具体涉及一种无霍尔直流无刷电机控制器及电机启动方法。


背景技术：

2.自1831年法拉第发现电磁感应现象以来，电能开始走进人们的生活，法国人皮克西应用电磁感应原理制成最初的电动机，1866年德国发明家西门子发明了实用的直流发电机，1870年比利时人格拉姆发明了电动机，发电机和电动机的出现拉开了第二次工业革命的帷幕，电机深入到人们生活的每一个角落。
3.有刷直流电机以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用，但是，机械电刷却是有刷直流电机的一个致命的弱点，机械换向导致换向不良，严重时会产生火花，调速范围较窄，维护量大。
4.为了解决这一问题，早在本世纪30年代，就有人开始研究以电子线路代替电刷机械换向的直流无刷电机，直到1955年，美国d.哈利森等人申请了应用晶体管换向代替电动机机械换向器的换向专利，这就是现代直流无刷电机的雏形。后又经过人们多年的努力，借助霍尔元件来实现换向的直流无刷电动机终于在1962年问世。直流无刷电机保留了有刷直流电机的优良调速性能，又省去了机械电刷和换器。它采用一种位置检测器和电子开关变换器替代电刷和换向器，既有传统直流电机的优良特性，又有交流电机的结构简单、运行可靠、寿命长的优点。在电磁结构上，直流无刷电机和有刷直流电机一样，但是它的电枢绕组放在定子上，转子上放置永磁磁钢。直流无刷电机的绕组像交流电机的绕组一样，采用多相形式，经由逆变器接到直流电源上，定子各相逐次接通电流，和转子磁场相互作用，产生转矩。这种直流无刷电机启动会有延迟，并且会发生反转、抖动现象。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种电机启动不会发生反转、抖动现象的无霍尔直流无刷电机控制器及电机启动方法。
6.本发明的目的通过以下的技术方案实现：
7.一种无霍尔直流无刷电机控制器，包括：mcu控制模块、预驱动模块、驱动模块和电流采样电路；mcu控制模块的输出端连接预驱动模块的输入端，预驱动模块的输出端连接驱动模块的输入端，驱动模块的输出端连接无霍尔电机的三相输入端；驱动模块包括由三路集成有pmos管 nmos管的驱动支路组成的全桥电路；全桥电路的输入端连接预驱动电路的输出端；全桥电路的输出端与无霍尔电机的三相输入端相连，其中，一路集成有pmos管 nmos管的驱动支路，用于控制无霍尔电机的其中一个定子绕组，电流采样电路的输入端连接全桥电路的输出端，电流采样电路的输出端连接mcu控制模块。
8.优选地，所述的无霍尔直流无刷电机控制器还包括与mcu控制模块连接的红外遥控接收单元，该红外遥控接收单元内设置有红外接收器，红外接收器连接mcu控制模块。
9.优选地，所述的无霍尔直流无刷电机控制器还包括与mcu控制模块连接的电源模块。
10.优选地，mcu控制模块包括：微控制器u1、电容c1、电容c2、电容c3、电容c4、电容c5、电容c6和电阻r1；微控制器u1的型号为swm260_48pin；微控制器u1的第一脚通过电容c1连接至地，微控制器u1的第一脚还连接 5v电源端，微控制器u1的第十二脚连接至地，微控制器u1的第十三脚通过电容c2连接至地，微控制器u1的第十四脚通过电容c3连接至地，微控制器u1的第十四脚还连接 5v电源端，微控制器u1的第二十四脚、第四十八脚、第三十三脚均连接至地，微控制器u1的第三十二脚、第三十一脚均连接 5v电源端，微控制器u1的第三十二脚还通过电容c4连接至地，微控制器u1的第三十二脚还通过电容c5连接至地，微控制器u1的第十七脚通过电容c6连接至地，微控制器u1的第十七脚还通过电阻r1连接 5v电源端。
11.优选地，预驱动模块包括p n预驱芯片u2和电容c19；p n预驱芯片u2的型号是mx8324c；p n预驱芯片u2的第二脚通过电容c19连接p n预驱芯片u2的第十五脚，p n预驱芯片u2的第二脚还连接电源端vdd，p n预驱芯片u2的第十五脚还连接至地，p n预驱芯片u2的第九脚、第十脚、第十一脚、第十二脚、第十三脚、第十四脚分别连接微控制器u1的第四十七脚、第十六脚、第四十六脚、第十五脚、第十脚、第三十九脚。
12.优选地，驱动模块包括：场效应管g1、场效应管g2、场效应管g3、场效应管g4、场效应管g5、场效应管g6和电阻rs1；场效应管g1的漏极、场效应管g3的漏极、场效应管g5的漏极均和电源端vdd连接，场效应管g1的源极和场效应管g2的漏极连接，场效应管g3的源极和场效应管g4的漏极连接，场效应管g5的源极和场效应管g6的漏极连接，场效应管g2的源极、场效应管g4的源极、场效应管g6的源极均通过电阻rs1连接至地，场效应管g1的栅极、场效应管g2的栅极、场效应管g3的栅极、场效应管g4的栅极、场效应管g5的栅极、场效应管g6的栅极分别连接p n预驱芯片u2的第七脚、第八脚、第五脚、第六脚、第三脚、第四脚。
13.优选地，电流采样电路包括：电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r7、电阻r8、电容c7、电容c8和放大器u3，放大器u3的负向输入端通过电阻r2连接至地，放大器u3的正向输入端通过电阻r3连接场效应管g2的源极，放大器u3的正向输入端还通过电阻r4连接 5v电源端，放大器u3的正向输入端还通过电阻r5连接至地，放大器u3的负向输入端通过电容c7连接放大器u3的正向输入端，放大器u3的负向输入端通过电阻r6连接放大器u3的输出端，放大器u3的负向输入端还通过电阻r7连接放大器u3的输出端，放大器u3的输出端通过依次电阻r8、通过电阻r2连接至地，电阻r8的另一端还连接微控制器u1的第二十五脚。
14.一种无霍尔直流无刷电动机的启动方法，包括：
15.s1，无霍尔直流无刷电机控制器的全桥电路驱动无霍尔电机的任意两相导通k秒时间，使无霍尔电机内的转子与磁极发生角度偏移，k>0；
16.s2，mcu控制模块根据预设的角速度阈值输出控制信号至全桥电路，全桥电路根据控制信号控制磁极产生旋转磁场，无霍尔电机的转子在旋转磁场作用下旋转，从而拖动无霍尔电机动作；
17.s3，无霍尔电机在最开始进入开环启动时，无霍尔电机的转子角速度以变比例变化步进角度的方法进行加速；
18.s4，无霍尔电机的转子达到预设速度时，mcu控制模块控制驱动模块由开环状态转
为闭环状态，电流采样电路采集驱动模块的电流信号，并将电流信号发送至mcu控制模块，mcu控制模块对电流信号进行foc运算，输出电机相位和转速信息，并调节用于驱动全桥电路的六个mos管开关的pwm信号的输出，以控制电机稳定运行。
19.优选地，步骤s3包括：最开始进入开环启动时，调节无霍尔电机的转子角速度小于预设步进角度值，相同时间内，转子的相对位移减小，使无霍尔电机最初始启动缓慢平稳，无霍尔电机的转子的相对位移减小，使电机最初始启动缓慢平稳；待无霍尔电机平稳缓慢旋转时，调节无霍尔电机的转子角速度等于预设步进角度值，进行稳定升速；调节无霍尔电机的转子角速度为预设步进角度值的h倍，进行快速提升转速，以在z秒时间内达到切换闭环时所需转速，h＞1，z＞0。
20.优选地，步骤s2包括：mcu控制模块根据预设的角速度阈值确定无霍尔电机的转子相对于定子的初始位置和全桥电路的六个mos管的开关顺序，mcu控制模块输出控制信号以控制六个mos管的开关，驱动磁极产生旋转磁场。
21.本发明相对于现有技术具有如下优点：
22.本发明无霍尔直流无刷电机控制器的由六个绝缘栅双极型mos管组成的全桥电路的输出端连接电机的三相输入端，以实现两个mos管控制其中一相定子绕组的状态，并且在全桥电路输出端接入采样电路。本发明先将无霍尔电机的转子定位，确定六个mos管的开关顺序，在开环状态下带动电机到一定速度，再经过mcu控制模块控制驱动模块由开环状态转为采样状态，采样电路检测转子的位置并将信号反馈到mcu控制系统中。本发明最开始进入开环启动时，调节无霍尔电机的转子角速度小于预设步进角度值，相同时间内，转子的相对位移减小，使无霍尔电机最初始启动缓慢平稳，无霍尔电机的转子的相对位移减小，使电机最初始启动缓慢平稳；待无霍尔电机平稳缓慢旋转时，调节无霍尔电机的转子角速度等于预设步进角度值，进行稳定升速；调节无霍尔电机的转子角速度为预设步进角度值的h倍，进行快速提升转速，以在短时间内达到切换闭环时所需转速，这样可以平稳地启动电机，加速到较高的速度，不会出现反转，使无刷吊扇控制更加稳定，解决了无刷吊扇在启动时会存在抖动、启动慢以及存在反转的现象。此外，无霍尔无刷电机无需由于内部器件损坏而更换霍尔传感器和电刷，寿命大大增加，同时也减少劳动力。
附图说明
23.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
24.图1为本发明的无霍尔直流无刷电机控制器的原理框图。
25.图2为本发明的mcu控制模块的电路图。
26.图3为本发明的预驱动模块的电路图。
27.图4为本发明的驱动模块的电路图。
28.图5为本发明的电流采样电路的电路图。
29.图6为本发明的电源模块的电路图。
30.图7为本发明的外设的电路图。
31.图8为技术现状的开机启动采取的步进角度变化示意图。
32.图9为本发明采用的变比例步进角度示意图。
具体实施方式
33.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
34.参见图1
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7、一种无霍尔直流无刷电机控制器，包括：mcu控制模块、预驱动模块、驱动模块和电流采样电路；mcu控制模块的输出端连接预驱动模块的输入端，预驱动模块的输出端连接驱动模块的输入端，驱动模块的输出端连接无霍尔电机的三相输入端；驱动模块包括由三路集成有pmos管 nmos管的驱动支路组成的全桥电路；全桥电路的输入端连接预驱动电路的输出端；全桥电路的输出端与无霍尔电机的三相输入端相连，其中，一路集成有pmos管 nmos管的驱动支路，用于控制无霍尔电机的其中一个定子绕组，电流采样电路的输入端连接全桥电路的输出端，电流采样电路的输出端连接mcu控制模块。
35.其中，预驱动模块将mcu控制模块输出的3.3v信号电平转换成可供全桥电路使用的12v电压。
36.本发明的无霍尔电机控制器应用于吊扇中，用于驱动、控制吊扇的无霍尔无刷直流电机。
37.在本实施例，所述的无霍尔直流无刷电机控制器还包括与mcu控制模块连接的红外遥控接收单元，该红外遥控接收单元内设置有红外接收器，红外接收器连接mcu控制模块。本发明可以通过红外遥控传输控制吊扇的启动、调速以及吊扇上灯具亮度的控制，简单方便。
38.在本实施例，所述的无霍尔直流无刷电机控制器还包括与mcu控制模块连接的12
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24v输入的电源模块。
39.在本实施例，mcu控制模块包括：微控制器u1、电容c1、电容c2、电容c3、电容c4、电容c5、电容c6和电阻r1；微控制器u1的型号为swm260_48pin；微控制器u1的第一脚通过电容c1连接至地，微控制器u1的第一脚还连接 5v电源端，微控制器u1的第十二脚连接至地，微控制器u1的第十三脚通过电容c2连接至地，微控制器u1的第十四脚通过电容c3连接至地，微控制器u1的第十四脚还连接 5v电源端，微控制器u1的第二十四脚、第四十八脚、第三十三脚均连接至地，微控制器u1的第三十二脚、第三十一脚均连接 5v电源端，微控制器u1的第三十二脚还通过电容c4连接至地，微控制器u1的第三十二脚还通过电容c5连接至地，微控制器u1的第十七脚通过电容c6连接至地，微控制器u1的第十七脚还通过电阻r1连接 5v电源端。
40.在本实施例，预驱动模块包括p n预驱芯片u2和电容c19；p n预驱芯片u2的型号是mx8324c；
41.p n预驱芯片u2的第二脚通过电容c19连接p n预驱芯片u2的第十五脚，p n预驱芯片u2的第二脚还连接电源端vdd，p n预驱芯片u2的第十五脚还连接至地，p n预驱芯片u2的第九脚、第十脚、第十一脚、第十二脚、第十三脚、第十四脚分别连接微控制器u1的第四十七脚、第十六脚、第四十六脚、第十五脚、第十脚、第三十九脚。
42.在本实施例，驱动模块包括：场效应管g1、场效应管g2、场效应管g3、场效应管g4、场效应管g5、场效应管g6和电阻rs1；场效应管g1的漏极、场效应管g3的漏极、场效应管g5的漏极均和电源端vdd连接，场效应管g1的源极和场效应管g2的漏极连接，场效应管g3的源极和场效应管g4的漏极连接，场效应管g5的源极和场效应管g6的漏极连接，场效应管g2的源极、场效应管g4的源极、场效应管g6的源极均通过电阻rs1连接至地，场效应管g1的栅极、场
效应管g2的栅极、场效应管g3的栅极、场效应管g4的栅极、场效应管g5的栅极、场效应管g6的栅极分别连接p n预驱芯片u2的第七脚、第八脚、第五脚、第六脚、第三脚、第四脚。
43.在本实施例，电流采样电路包括：电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r7、电阻r8、电容c7、电容c8和放大器u3，放大器u3的负向输入端通过电阻r2连接至地，放大器u3的正向输入端通过电阻r3连接场效应管g2的源极，放大器u3的正向输入端还通过电阻r4连接 5v电源端，放大器u3的正向输入端还通过电阻r5连接至地，放大器u3的负向输入端通过电容c7连接放大器u3的正向输入端，放大器u3的负向输入端通过电阻r6连接放大器u3的输出端，放大器u3的负向输入端还通过电阻r7连接放大器u3的输出端，放大器u3的输出端通过依次电阻r8、通过电阻r2连接至地，电阻r8的另一端还连接微控制器u1的第二十五脚。
44.适用于上述无霍尔直流无刷电机控制器的一种无霍尔直流无刷电动机的启动方法包括：
45.s1，无霍尔直流无刷电机控制器的全桥电路驱动无霍尔电机的任意两相导通k秒时间，使无霍尔电机内的转子与磁极发生角度偏移，k>0；全桥电路驱动无霍尔电机的任意两相导通且控制无霍尔电机内的电流，通电一段预设的短暂时间后，转子与磁极存在位移以完成转子的拖动定位，短暂通电时间，再开环启动时，开环启动的步进角度设定值比以往大一点点，由于定位时间很短，移相稍快，在启动时并不会出现明显的反转现象。
46.s2，mcu控制模块根据预设的角速度阈值输出控制信号至全桥电路，全桥电路根据控制信号控制磁极产生旋转磁场，无霍尔电机的转子在旋转磁场作用下旋转，从而拖动无霍尔电机动作；具体地，步骤s2包括：mcu控制模块根据预设的角速度阈值确定无霍尔电机的转子相对于定子的初始位置和全桥电路的六个mos管的开关顺序，mcu控制模块输出控制信号以控制六个mos管的开关，驱动磁极产生旋转磁场。mcu通过预设角速度值进行对三路全桥的状态控制，mcu控制输出6路pwm信号驱动mos管来产生旋转磁场，在磁场驱动下驱动转子旋转，从而使无霍尔无刷电机旋转。
47.s3，无霍尔电机在最开始进入开环启动时，无霍尔电机的转子角速度以变比例变化步进角度的方法进行加速；具体地，步骤s3包括：最开始进入开环启动时，调节无霍尔电机的转子角速度小于预设步进角度值，相同时间内，转子的相对位移减小，使无霍尔电机最初始启动缓慢平稳，无霍尔电机的转子的相对位移减小，使电机最初始启动缓慢平稳；待无霍尔电机平稳缓慢旋转时，调节无霍尔电机的转子角速度等于预设步进角度值，进行稳定升速；调节无霍尔电机的转子角速度为预设步进角度值的h倍，h＞1，进行快速提升转速，以在z秒时间(短时间)内达到切换闭环时所需转速，z＞0。在刚开始拖动电机开始旋转时，无霍尔电机的转子角速度为零开始以恒定步进角度加速，直至预设步进角度值后保持恒速，这种步进角度太快，会导致电机抖动，越来越剧烈，以致启动失败，特别是吊扇固定杆连接屋顶为螺丝固定的结构，会导致风扇不动，杆抖动剧烈。如图8为开机启动技术现状采取的步进角度变化示意图；本发明在这个步骤采取了变比例变化步进角度的方法，如图9所示，最开始进入开环启动时，将预设的步进角度采取减少，以求让电机顺利旋转，当速度到正常转动时，步进角度增加到原始值，旋转明显正常，且适合增速的情况下，将步进角度增加到原始值一定倍数，待达到预设速度，切换到闭环。此发明方法可以明显改善启动抖动，启动反转问题，并且在相同时间下，在切换闭环时，与现存技术比较能达到相同的转速。
48.s4，无霍尔电机的转子达到预设速度时，mcu控制模块控制驱动模块由开环状态转为闭环状态，电流采样电路采集驱动模块的电流信号，并将电流信号发送至mcu控制模块，mcu控制模块对电流信号进行foc运算(clarke、park、svpwm等)，输出电机相位和转速信息，并调节用于驱动全桥电路的六个mos管开关的pwm信号的输出，以控制电机稳定运行。mcu控制模块对电流信号进行foc运算，由于为对无霍尔电机失电状态的绕组的反电动势进行检测，在该失电状态的绕组过零点时，将该失电状态绕组的反电动势过零点脉冲输入到mcu控制模块中，得出转子的位置。检测出转子的位置，得出无霍尔电机的实际转速，根据实际转速输出电机相位和转速信息，并调节用于驱动全桥电路的六个mos管开关的pwm信号的输出，以控制电机稳定运行。
49.需要说明的是，开环启动就是启动的时候是不运行速度环的，待达到一定速度时，电流采样达到标准，再切入闭环，开环运行时是根据预设的角速度使电机启动，闭环时，电机根据电流采样，通过计算可以识别电机相位和转速，进行对相位和转速控制。开环情况下不能识别转速和相位，是根据预设的参数进行启动，提高转速。
50.综上，本发明使无霍尔无刷直流电机快速启动，并且不会发生反转、抖动现象。无需霍尔传感器提供转子位置信号。具备了电机寿命长，更好的控制效果，维护成本低等特点。
51.上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。