專利名稱：直流無刷電機控制器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及電機驅動及控制領域，尤其涉及一種直流無刷電機控制器。
背景技術：
直流無刷電機，簡稱BLDC，其已逐步取代直流有刷電機。其由直流有刷 電機演變而來，其中，電機的定子采用線圈繞組，轉子采用永磁體。在轉子 運行過程中，使用直流無刷電機控制器檢測轉子位置，自動切換定子繞組的 通電順序，保證轉子旋轉及產生扭矩輸出。其中檢測轉子位置進行相位切換 為電機控制過程的關鍵部分。目前轉子位置的檢測主要有兩種
一、 傳感器檢測法
使用傳感器檢測轉子位置，目前主要使用霍爾器件。此種方法將轉子位 置信號轉換為電信號，從而提供換相信號以控制逆變器的功率器件的導通與 關斷，從而可以控制轉子的旋轉。但其對傳感器的安裝位置要求極為精確， 安裝誤差將導致換相不準，且其不適合電機在高速運行時使用，因為電機在 高速運行時效率快速下降，甚至會燒毀電機及控制器。
二、 反電動勢檢測法
永磁轉子在旋轉過程中，定子線圈產生感應電動勢，控制器檢測感應電 動勢以判斷轉子位置進行換相控制。但當電機轉子速度很低時，感應電動勢 幅值很低，使得檢測的誤差較大，因而本方法不適用于在電機低速運行時檢測轉子位置。
所以對于電機轉子位置的檢測，第一種方法不適用于電機高速運轉的情 形，而第二種方法不適用于電機低速運轉的情形。因此，上述兩種檢測法的 換相控制及動態適應性都受到一定的限制。
實用新型內容
本實用新型要解決的技術問題在于針對現有技術中直流無刷電機控制器 的動態適應范圍較小的缺陷，提供一種可以同時適用于電機在低速及高速運 轉時準確檢測轉子位置以使電機準確換相的直流無刷電機控制器。
本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是構造一種直流無刷電 機控制器，其包括與電機相連并用以驅動電機的驅動電路，還包括與所述驅 動電路相連的控制電路、同時與所述電機及控制電路相連的用以檢測電機中 轉子位置的轉子位置檢測電路，所述轉子位置檢測電路包括與電機相連的傳 感器轉子位置檢測電路及反電勢檢測電路，所述控制電路包括在電機達到切 換轉速時將所述傳感器檢測電路切換為反電勢檢測電路的單片機。
在本實用新型所述的直流無刷電機控制器中，所述傳感器轉子位置檢測 電路包括位置傳感器，所述位置傳感器設置于電機的轉子的軸上。
在本實用新型所述的直流無刷電機控制器中，所述位置傳感器為開關型
霍爾傳感器EW-632。
在本實用新型所述的直流無刷電機控制器中，所述單片機的輸入端連接 傳感器轉子位置檢測電路中的霍爾信號。
在本實用新型所述的直流無刷電機控制器中，所述單片機為MEGA48單片機。在本實用新型所述的直流無刷電機控制器中，所述反電勢檢測電路包括 過零檢測電路。
在本實用新型所述的直流無刷電機控制器中，所述過零檢測電路包括電 壓比較器。
在本實用新型所述的直流無刷電機控制器中，所述驅動電路包括與電機 相連的用以控制電機的轉速、轉向、及轉矩的功率開關。
在本實用新型所述的直流無刷電機控制器中，所述驅動電路為包括有電 力場效應管的全橋驅動電路。
實施本實用新型的直流無刷電機控制器，具有以下有益效果其混合使 用傳感器轉子位置檢測電路及反電勢檢測電路，通過控制電路中單片機及程 序以在電機不同運行速度下控制選擇使用不同的轉子位置檢測方法，從而準 確檢測轉子位置，以使電機進行準確換相，進一步控制驅動電路對電機運轉 的控制，其有效的適應了電機在啟動、低速、高速不同工作階段對換相準確 性的要求，拓寬了電機動態工作范圍，提高了工作效率。
下面將結合附圖及實施例對本實用新型作進一步說明，附圖中-
圖1是本實用新型直流無刷電機控制器的原理框圖2是本實用新型直流無刷電機控制器一實施例的結構示意圖3是本實用新型一實施例中控制電路里單片機的連接示意圖4是本實用新型一實施例的反電勢檢測電路的電路原理圖5是本實用新型一實施例的反電勢檢測的工作原理圖6是本實用新型一實施例的傳感器轉子位置檢測電路的輸出波形圖。
具體實施方式
本實用新型所提供的直流無刷電機控制器適用于電機在低速或高速運轉 時使其在不同階段準確換相及正常運轉。
參見圖1及圖2，圖1是本實用新型直流無刷電機控制器的原理框圖； 圖2是本實用新型直流無刷電機控制器一實施例的結構示意圖。
本實用新型提供的直流無刷電機控制器包括與電機3相連并用以驅動
電機3的驅動電路2、與驅動電路2相連的控制電路1、同時與電機3及控制 電路1相連的轉子位置檢測電路4，轉子位置檢測電路4用以檢測電機3中 轉子的位置，因為檢測轉子位置進行相位切換是整個電機3控制過程的關鍵。 轉子位置檢測電路4包括:與電機3相連的傳感器轉子位置檢測電路41及反 電勢檢測電路42;控制電路1包括用來根據電機的切換轉速切換傳感器檢測 電路與反電勢檢測電路42的單片機11。
直流無刷電機3通過控制驅動電路2中的功率開關器件來控制電機3的 轉速、轉向、轉矩以及保護電機3。本實用新型中控制電路1主要采用單片 機，并通過程序來控制切換不同的轉子位置檢測電路。不同的電機有不同的 參數，其電勢系數不同，對應電機的切換轉速也不同，即不同的電機在不同 的切換轉速時進行從傳感器檢測電路到反電勢檢測電路的切換，該切換是通 過單片機的內置程序實現。
傳感器轉子位置檢測電路包括位置傳感器，位置傳感器設置于電機的轉 子的軸上。單片機的輸入端連接傳感器轉子位置檢測電路中的霍爾信號，即 電機在啟動時，其直接采用的是傳感器轉子位置檢測電路。電機控制器先根 據霍爾輸出信號進行轉子位置的初定位，定子電流逐漸增加，轉子開始逐漸加速，當速度達到電機切換轉速時，反電勢穩定可靠，則單片機自動轉入反
電動勢檢測運轉方式。通常使用的電機轉速(KV)值在2000以上，若KV為 2000，則電機切換轉速為1000。使用其它KV值的電機時，可改變切換轉速。 其間，單片機根據位置傳感器的信號就會輸出信號使轉子位置檢測電路進入 反電勢檢測電路。具體的換相原理如下
在轉子位置檢測電路4中，其通過轉子磁極位置信號作為電子開關線路 的換相信號，并進而將檢測到的信號反饋給控制電路1，控制電路根據轉子 位置及時對功率器件進行切換。
安裝于轉子軸上的位置傳感器，實現轉子位置的實時檢測。其優選為磁 敏式的霍爾位置傳感器，本實用新型采用開關型霍爾傳感器EW-632，其磁靈 敏度達3mT，其輸出波形如圖6，通常在電機3啟動及低速階段，使用霍爾信 號進行換相控制。
在反電勢檢測電路42中，優選地，反電勢的檢測采用過零法檢測，參見 圖4，其為一實施例的反電勢檢測電路的電路原理圖。其主要通過單片機檢 測脈沖的變化，本實施例采用四電壓比較器LM339，輸入信號U、 V、 W分別 為三相電壓。當截止相U反電勢到達過零點時，LM339將產生一個脈沖；當 反電勢為零時有2uU 二 uV + uW ，從圖中可見，當uU從+ —-過程中， LM339輸出一個下降沿脈沖，當uU從-一+過程中，LM339輸出一個上升沿 脈沖。所以，單片機通過檢測脈沖的變化，即可得到過零點的位置。其工作原 理如圖5所示，圖5是本實用新型一實施例的反電勢檢測的工作原理圖。在 任何時刻，電機3三相繞組只有兩相導通，每相繞組正反相分別導通120°電 角度。通過測量三相繞組端子及中性點相對于直流母線負端(或正端)的電位, 當某端點電位與中性點電位相等時，則此時刻該相繞組反電動勢過零，再過30°電角度就必須對功率器件進行換相。從而得知全橋驅動電路中功率器件
的開關順序。
從圖5可見，每一個周期由6個60。的扇區組成，每個元件導通120。， 即在兩個連續的扇區中導通。因此有兩種P麗調制方式半橋載波和全橋載 波。半橋載波截止相都會產生續流，導致其余兩相電流產生波動。而采用全橋 載波，則始終有兩相導通，截止相不會產生續流，電流波動和轉矩脈動都較 小。優選地，采用全橋驅動電路，即使用一對P溝道和N溝道的電力場效應 管控制。
當電機3高速運轉時(最高可達250000 r /min)，電機3的換相通過單 片機程序控制實現。當進入一個狀態的控制階段時，程序首先根據上一次換相 的時間，估算本次過零點時間，然后等待檢測反電勢過零點。當檢測到準確的 過零點時間后，程序計算出本次換相點理論時間(30。換相時間)。隨后根據 設置的參數對換相時間做修正，以發揮電機3的最大工作效率當換相時間到 達時，程序切換MOSFET管的通斷狀態，然后進入下一狀態的控制階段。
參見圖3所示，其為本實用新型一實施例中控制電路1里單片機的連接 示意圖。該單片機采用MEGA48，其為控制電路的核心。該單片機價格與低檔 單片機相當，具有高性價比，且其具有8通道10位A /D轉換，最多有23個可 編程的I/O 口，可任意定義I/O 口的輸出和輸入方向。輸出時為推挽輸出，可 直接驅動大電流負載。該單片機的輸入端連接霍爾信號，見圖3中HA、 HB、 HC三個霍爾信號。MEGA48單片機具有3個硬件P麗通道，可以實現任意〈16 位、相位和頻率可調的P麗脈寬調制輸出。程序使用MEGA48內部定時器作為 檢測調速信號的基準時鐘。當MEAGE48工作在16 MHz,定時器工作在8分頻 的模式下時，定時器的時間精度為0. 5us，程序檢測控制信號的精度達到0.5%。該系列單片機具有一定的靈活性，且可以簡化外部電路，其信號處理器 速度快，外圍電路少，系統組成簡單可靠，簡化了直流無刷電機的組成，大 大改進了電機的性能，且有利于電機的小型化和智能化。
驅動電路2受控于控制電路1以輸出電功率，進而驅動功率開關21以驅 動電機3的電樞繞組。可以采用全控型的功率開關器件，例如可關斷晶體 管(GT0)、電力場效應晶體管(M0SFET)、金屬柵雙極性晶體管IGBT模塊、 集成門極換流晶閘管(IGCT)、及電子注入增強柵晶體管(IEGT)。優選地， 驅動電路2為包括有電力場效應管的全橋驅動電路2。本驅動電路2采用全 控型開關器件，可便于驅動電路2實現智能化、高頻化、小型化。
綜上所述，本實用新型結合位置檢測方法及反電勢檢測方法，將兩種方 式混合使用。在電機啟動、低速運行時，使用傳感器檢測法，在高速運行時， 使用反電動勢檢測法。本方法極大的提高了直流無刷電機控制器的動態適應 范圍，調速范圍可以從0到10萬轉/分鐘以上。
以上所述僅為本實用新型的優選實施例，并不用以限制本實用新型，凡 在本實用新型的精神和原則內所作的任何修改、等同替換或改進等，均應包 含在本實用新型的保護范圍內。
權利要求1、一種直流無刷電機控制器，包括與電機相連并用以驅動電機的驅動電路，其特征在于，還包括與所述驅動電路相連的控制電路、同時與所述電機及控制電路相連的用以檢測電機中轉子位置的轉子位置檢測電路，所述轉子位置檢測電路包括與電機相連的傳感器轉子位置檢測電路及反電勢檢測電路，所述控制電路包括在電機達到切換轉速時將所述傳感器檢測電路切換為反電勢檢測電路的單片機。
2、 根據權利要求1所述的直流無刷電機控制器，其特征在于，所述傳感器轉子位置檢測電路包括位置傳感器，所述位置傳感器設置于電機的轉子的 軸上。
3、 根據權利要求2所述的直流無刷電機控制器，其特征在于，所述位置 傳感器為開關型霍爾傳感器EW-632。
4、 根據權利要求l所述的直流無刷電機控制器，其特征在于，所述單片 機的輸入端連接傳感器轉子位置檢測電路中的霍爾信號。
5、 根據權利要求1或4所述的直流無刷電機控制器，其特征在于，所述 單片機為MEGA48單片機。
6、 根據權利要求l所述的直流無刷電機控制器，其特征在于，所述反電 勢檢測電路包括過零檢測電路。
7、 根據權利要求6所述的直流無刷電機控制器，其特征在于，所述過零 檢測電路包括電壓比較器。
8、 根據權利要求l所述的直流無刷電機控制器，其特征在于，所述驅動 電路包括與電機相連的用以控制電機的轉速、轉向、及轉矩的功率開關。
9、根據權利要求8所述的直流無刷電機控制器，其特征在于，所述驅動 電路為包括有電力場效應管的全橋驅動電路。
專利摘要本實用新型涉及直流無刷電機控制器，其主要包括與電機相連并用以驅動電機的驅動電路，還包括與所述驅動電路相連的控制電路、同時與所述電機及控制電路相連的用以檢測電機中轉子位置的轉子位置檢測電路，所述轉子位置檢測電路包括與電機相連的傳感器轉子位置檢測電路及反電勢檢測電路，所述控制電路包括在電機達到切換轉速時將所述傳感器檢測電路切換為反電勢檢測電路的單片機。其適用于電機在不同轉速時準確檢測轉子位置，可使電機準確換相，擴大了電機的動態工作范圍，并提高了電機工作效率。
文檔編號H02P6/22GK201383787SQ200920136109
公開日2010年1月13日 申請日期2009年3月19日 優先權日2009年3月19日
發明者王永祿 申請人:深圳市拓邦電子科技股份有限公司