一種三相無刷電機控制系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供一種三相無刷電機控制系統，所述電機控制系統包括：防反電路，所述防反電路包括一NMOS管，所述NMOS管的源極與電源正極連接，其漏極分別與電機控制電路及三相六橋電路連接，其柵極與電機控制電路連接；電機控制電路，分別與防反電路、三相六橋電路、及采樣電阻相連；三相六橋電路，與防反電路、電機控制電路、及采樣電阻相連；采樣電阻，與所述三相六橋電路、電機控制電路及電源負極相連。通過利用本實用新型所述的三相無刷電機控制系統，解決了現有技術中三相無刷電機因安裝位置傳感器導致體積較大、成本高、運行不穩定的問題。
【專利說明】
-種Ξ相無刷電機控制系統
技術領域
[0001] 本實用新型設及一種電機控制技術，特別是設及一種Ξ相無刷電機控制系統。
【背景技術】
[0002] 電機(Motor)是把電能轉換成機械能的一種設備。電機主要由定子與轉子組成，它 是利用通電線圈（也就是定子繞組)產生旋轉磁場并作用于轉子（如鼠籠式閉合侶框)形成 磁電動力旋轉扭矩，通過磁場對電流受力的作用，使電機轉動，通電導線在磁場中受力運動 的方向跟電流方向和磁感線(磁場方向）方向有關。由于電機的一系列優點，即使用和控制 非常方便，具有自起動、加速、制動、反轉、擧住等能力，能滿足各種運行要求;而且電機的工 作效率較高，又沒有煙塵、氣味，不污染環境，噪聲也較小，所W在工農業生產、交通運輸、國 防、商業及家用電器、醫療電器設備等各方面廣泛應用。
[0003] 隨著新能源汽車的開發使用的普及，W及傳統汽車智能化、電子化的改進，原有的 機械水累、風扇和有刷電動水累、風扇明顯的不能滿足新發展的需求。Ξ相無刷直流電機具 有結構簡單、運行效率高、調速性能好和控制簡單等優點，已經在自動化控制領域得到了廣 泛應用。一般的Ξ相無刷直流電機需要轉子位置傳感器提供轉子位置信號，控制器根據位 置信號控制電力電子開關逆變器對Ξ相繞組進行換相控制，但安裝位置傳感器增大了電機 的體積和成本，且傳感器連線較多，屬于弱電信號，易受電機強電、外界信號干擾，降低了電 機運行的可靠性。
[0004] 鑒于此，有必要設計一種Ξ相無刷電機控制系統用W解決上述技術問題。 【實用新型內容】
[0005] 鑒于W上所述現有技術的缺點，本實用新型的目的在于提供一種Ξ相無刷電機控 制系統，用于解決現有技術中Ξ相無刷電機因安裝位置傳感器導致體積較大、成本高、運行 不穩定的問題。
[0006] 為實現上述目的及其他相關目的，本實用新型提供一種Ξ相無刷電機控制系統， 所述電機控制系統包括：
[0007] 防反電路，所述防反電路包括一醒0S管，所述醒0S管的源極與電源正極連接，其漏 極分別與電機控制電路及Ξ相六橋電路連接，其柵極與電機控制電路連接，用于電源反接 保護W及提供高功率電流通道W驅動電機；
[000引電機控制電路，分別與防反電路、Ξ相六橋電路、及采樣電阻相連，用于驅動Ξ相 六橋電路W及實現電機的過流、過壓、短路、開路保護；
[0009] Ξ相六橋電路，與防反電路、電機控制電路、及采樣電阻相連，用于驅動電機運轉；
[0010] 采樣電阻，與所述Ξ相六橋電路、電機控制電路及電源負極相連，用于對所述Ξ相 六橋電路進行采樣。
[0011] 優選地，所述電機控制電路包括微控制器，分別與所述微控制器及Ξ相六橋電路 連接的磁場定位控制電路，分別與所述微控制器及電機連接的轉子位置監測電路，與所述 微控制器連接的模數轉換電路，及與所述模數轉換電路連接的信號放大器。
[0012] 優選地，所述磁場定位控制電路包括與所述微控制器連接的轉速環PI控制器，連 接于所述轉速環PI控制器且與所述微控制器連接的磁場定向控制器，分別與所述微控制 器、磁場定向控制器W及Ξ相六橋電路連接的空間矢量脈寬調制模塊。
[0013] 優選地，所述信號放大器的輸入端分別連接于所述采樣電阻的兩端，用于將采樣 電阻采集的信號進行放大。
[0014] 優選地，所述微控制器設有通訊接口，所述通訊接口為單線串行通訊總線或脈沖 寬度調制信號，用于接收上位機的控制命令，并將電機控制系統的狀態反饋給上位機。
[0015] 優選地，所述采樣電阻為電流采樣電阻。
[0016] 優選地，所述Ξ相六橋電路由6個M0S管組成。
[0017] 優選地，所述電機控制電路包括正弦波控制方式和梯形波控制方式。
[0018] 如上所述，本實用新型的一種Ξ相無刷電機控制系統，具有W下有益效果：
[0019] 1、本實用新型所述的Ξ相無刷電機控制系統提供了無位置傳感器的控制方案，大 大減小了電機的體積、及成本，同時提高了電機運行的穩定性。
[0020] 2、本實用新型所述的Ξ相無刷電機控制系統可兼容正弦波控制方式和梯形波控 制方式;在正弦波控制方式下，僅通過采樣電阻即可獲得電機相電流、電機轉子位置、轉速 等信息，實現了單電阻無位置傳感器控制方案;在梯形波控制方式下，通過轉子位置監測電 路測出電機各相反電動勢的過零點，微控制器通過計算即可得到轉子的位置信號，并根據 轉子的位置發出相應的驅動信息驅動所述Ξ相六橋電路W控制電機運轉。
[0021] 3、本實用新型所述的Ξ相無刷電機控制系統還通過在電源與電機控制電路、及電 源與Ξ相六橋電路之間設置NM0S防反電路，實現了電源反接保護，并通過醒0S管為Ξ相六 橋電路提供高功率電流用于驅動Ξ相無刷電機。
【附圖說明】

[0022] 圖1顯示為本實用新型所述Ξ相無刷電機控制系統的電路框圖。
[0023] 圖2顯示為本實用新型所述磁場定位控制電路的框圖。
[0024] 元件標號說明
[0025] 1 Ξ相無刷電機控制系統
[0026] 11 防反電路
[0027] 12 電機控制電路
[0028] 121 微控制器
[00巧]122 磁場定位控制電路
[0030] 1221 轉速環PI控制器
[0031] 1222 磁場定位控制器
[0032] 1223 空間矢量脈寬調制模塊
[0033] 123 轉子位置監測電路
[0034] 124 模數轉換電路
[00巧]125 信號放大器
[0036] 13 Ξ相六橋電路
[0037] 14 采樣電阻
【具體實施方式】
[0038] W下通過特定的具體實例說明本實用新型的實施方式，本領域技術人員可由本說 明書所掲露的內容輕易地了解本實用新型的其他優點與功效。本實用新型還可W通過另外 不同的【具體實施方式】加 W實施或應用，本說明書中的各項細節也可W基于不同觀點與應 用，在沒有背離本實用新型的精神下進行各種修飾或改變。
[0039] 請參閱圖1和圖2。須知，本說明書所附圖式所繪示的結構、比例、大小等，均僅用W 配合說明書所掲示的內容，W供熟悉此技術的人±了解與閱讀，并非用W限定本實用新型 可實施的限定條件，故不具技術上的實質意義，任何結構的修飾、比例關系的改變或大小的 調整，在不影響本實用新型所能產生的功效及所能達成的目的下，均應仍落在本實用新型 所掲示的技術內容得能涵蓋的范圍內。同時，本說明書中所引用的如"上"、"下"、"左"、 "右"、"中間"及"一"等的用語，亦僅為便于敘述的明了，而非用W限定本實用新型可實施的 范圍，其相對關系的改變或調整，在無實質變更技術內容下，當亦視為本實用新型可實施的 范疇。
[0040] 請參閱圖1和圖2,本實用新型提供一種Ξ相無刷電機控制系統，所述電機控制系 統包括：
[0041] 防反電路，所述防反電路包括一醒0S管，所述醒0S管的源極與電源正極連接，其漏 極分別與電機控制電路及Ξ相六橋電路連接，其柵極與電機控制電路連接，用于電源反接 保護W及提供高功率電流通道W驅動電機；
[0042] 電機控制電路，分別與防反電路、Ξ相六橋電路、及采樣電阻相連，用于驅動Ξ相 六橋電路W及實現電機的過流、過壓、短路、開路保護；
[0043] Ξ相六橋電路，與防反電路、電機控制電路、及采樣電阻相連，用于驅動電機運轉；
[0044] 采樣電阻，與所述Ξ相六橋電路、電機控制電路及電源負極相連，用于對所述Ξ相 六橋電路進行采樣。
[0045] 所述電機控制電路包括微控制器，分別與所述微控制器及Ξ相六橋電路連接的磁 場定位控制電路，分別與所述微控制器及電機連接的轉子位置監測電路，與所述微控制器 連接的模數轉換電路，及與所述模數轉換電路連接的信號放大器。
[0046] 所述磁場定位控制電路包括與所述微控制器連接的轉速環PI控制器，連接于所述 轉速環PI控制器且與所述微控制器連接的磁場定向控制器，分別與所述微控制器、磁場定 向控制器W及Ξ相六橋電路連接的空間矢量脈寬調制模塊。
[0047] 需要說明的是，所述微控制器設有通訊接口，所述通訊接口為單線串行通訊總線 或脈沖寬度調制信號，用于接收上位機的控制命令，并將電機控制系統的狀態反饋給上位 機。
[0048] 需要說明的是，所述信號放大器的輸入端分別連接于所述采樣電阻的兩端，用于 將采樣電阻采集的信號進行放大。
[0049] 需要說明的是，所述采樣電阻為電流采樣電阻。
[0050] 需要說明的是，所述Ξ相六橋電路是由6個M0S管構成Ξ個半橋，同一橋臂的上、下 半橋的信號相反，Ξ相六橋電路通過W確定的時間使上橋、下橋的M0S管導通和關斷，從而 在輸出端得到相位相差120度的Ξ相交流電，用W驅動直流無刷電機轉動。
[0051] 下面請參閱圖1和圖2對本實用新型所述的Ξ相無刷電機控制系統的功能進行說 明。
[0052] 如圖1和圖2所示，對所述Ξ相無刷電機控制系統上電，當電源正負極接反時，由于 醒0S管內存在寄生二極管，故電流無法輸入所述Ξ相無刷電機控制系統；當電源正確連接 時，電流首先經過NM0S管內部的寄生二極管給電機控制電路供電，電機控制電路得電后輸 出高電壓驅動NM0S管完全打開，提供高功率電流通道用于驅動電機。
[0053] 在每次系統上電后、驅動電機工作之前，所述電機控制電路會控制關閉Ξ相六橋 的所有下橋，打開上橋中的兩相，檢測關閉的一相的電壓，由此判定運一相電機與所述Ξ相 無刷電機控制系統的連接是否斷開；同理，按上述方法檢測另外兩相的電壓，通過Ξ次就可 判定電機的Ξ線是否存在斷線問題。
[0054] 所述電機控制電路通過通訊接口接收上位機傳來的控制指令后，電機控制電路將 接收的控制指令轉化為Ξ相六橋電路的6路開關狀態，控制Ξ相六橋電路輸出W驅動電機 運轉。其中，所述電機控制電路包括正弦波控制方式和梯形波控制方式。
[0055] 需要說明的是，所述電機控制電路通過實時監測Ξ相六橋電路中每個M0S管的漏 極與源極間的電壓差VDS，判斷是否有短路發生；即如果VDS大于限值(所述限值為預設值）， 則電機控制電路快速關斷Ξ相六橋電路，保證Ξ相六橋電路中各M0S及電機的安全。
[0056] 需要說明的是，所述電機控制電路通過監測采樣電阻的電流值，判斷所述Ξ相無 刷電機控制系統是否過載;如果監測到的電流過大、超過限值(所述限值為預設值），則降低 甚至關斷電機控制電路的功率輸出，W此控制電流小于設定值，實現保證電機控制電路及 電機的安全。
[0057] 當采用正弦波控制方式時，所述電機控制電路采用磁場定位控制電路實現電機的 驅動；即所述微控制器接收到控制指令后，將控制指令發送給轉速環PI控制器，所述轉速環 PI控制器比較當前電機轉速與從通訊接口獲得的轉速指令的差值，給出電機所需的電流 值，所述磁場定向控制器根據所述轉速環PI控制器給出的電流指令及當前電流數值，計算 給出電機所需的電壓矢量值，所述空間矢量脈寬調制模塊將磁場定向控制器給出的電壓矢 量轉化為Ξ相六橋電路的6路開關狀態，控制Ξ相六橋電路的輸出，所述采樣電阻采集Ξ相 六橋電路的母線電流，經信號放大器放大后，由模數轉換電路轉換為數字信號，微控制器根 據當前的Ξ相六橋電路的開關狀態及電流值，重構出電機的Ξ相相電流值;微控制器通過 重構的Ξ相相電流值，進行電機磁通估計，得到電機磁場角度，從而得到電機轉子的位置角 度，并通過固定時間周期內的位置角度差值計算出電機轉速。
[0058] 下面對相電流重構、電機磁通計算、電機磁場角度計算、電機轉子位置角度計算W 及電機轉速計算進行說明。
[0059] 根據空間矢量脈寬調制原理，Ξ相六橋的開關狀態共有8種，其中每相上橋與下橋 的狀態相反，Ξ相上橋U、V、W的開關狀態為:000、100、110、010、011、001、101、111;0代表關 斷，1代表導通;其中〇〇〇、111為零矢量狀態，是沒有有效電流的。另外6種狀態下采集到的母 線電流與相電流的對應關系如下表所示：
[0060]
[0061]
[0062] 具體計算步驟如下：
[0063] 步驟一:在空間矢量脈寬調制的每個脈沖寬度調制(PWM)周期內有巧巾有效開關狀 態，可在相應狀態采集兩次獲得兩相的相電流，并根據Ξ相相電流相加之和為零，計算出另 一相的相電流。
[0064] 步驟二:將相電流進行克拉克(Clark)變換，公式如下，切換為α-β坐標系內的電流 Ia、Ie。其中，Ιυ和Iw為相電流值。
[00化]Ia=Iu [0066]
[0067]步驟Ξ:根據步驟二得到的α-β坐標系內的電流Ια、le，按下述公式計算在α-β坐標 系下的電機磁鏈Wsa、Wse。其中U。、化為α-β坐標系下的電壓，R為電機相電阻。
[006引 4sa = /(Ua-R*Ia)dt
[0069] Φse=パUe-R*Ie)dt
[0070] 步驟四：根據步驟；的電機磁鏈Wsa、Wse，按下述公式計算轉子磁鏈Ψρα、ΨρΡ。其 中，L為電機相電感。
[0071] 恥。=托廣1>1。= /化廣帖1。化-1>1。
[0072] 恥e=^e-L* Ιβ=/ (Ue-R* ledt-L* le
[0073] 步驟五:根據步驟四的轉子磁鏈Ψρα、ΨρΡ，按下述公式計算轉子角度φ。
[0074]
[0075] 步驟六:轉子角度每個脈沖寬度調制(PWM)周期計算一次，前后兩周期的角度差除 W周期值，即得到電機轉速ω，公式如下。其中，T為脈沖寬度調制周期，恥、為前后兩 周期的轉子角度差。
[0076]
[0077] 當采用梯形波控制方式時，所述電機控制電路通過轉子位置監測電路得出電機各 相反電動勢的過零點，微控制器通過計算即可得到轉子的位置信號，并根據轉子的位置發 出相應的驅動信息驅動所述Ξ相六橋電路W控制電機運轉。
[0078] 當電機的某相繞組反電動勢過零時，再延遲30度電角度即為該相需要切換狀態的 位置；因此只要檢測到Ξ相繞組反電動勢的上下過零點，然后再將運些檢測到的反電動勢 過零點信號延遲30度電角度，就可獲知轉子的6個離散的位置信號，從而為Ξ相六橋電路提 供正確的換相信息，實現對電機的控制。
[0079] 綜上所述，本實用新型的一種Ξ相無刷電機控制系統，具有W下有益效果：
[0080] 1、本實用新型所述的Ξ相無刷電機控制系統提供了無位置傳感器的控制方案，大 大減小了電機的體積、及成本，同時提高了電機運行的穩定性。
[0081] 2、本實用新型所述的Ξ相無刷電機控制系統可兼容正弦波控制方式和梯形波控 制方式;在正弦波控制方式下，僅通過采樣電阻即可獲得電機相電流、電機轉子位置、轉速 等信息，實現了單電阻無位置傳感器控制方案;在梯形波控制方式下，通過轉子位置監測電 路測出電機各相反電動勢的過零點，微控制器通過計算即可得到轉子的位置信號，并根據 轉子的位置發出相應的驅動信息驅動所述Ξ相六橋電路W控制電機運轉。
[0082] 3、本實用新型所述的Ξ相無刷電機控制系統還通過在電源與電機控制電路、及電 源與Ξ相六橋電路之間設置NM0S防反電路，實現了電源反接保護，并通過醒0S管為Ξ相六 橋電路提供高功率電流用于驅動Ξ相無刷電機。
[0083] 上述實施例僅例示性說明本實用新型的原理及其功效，而非用于限制本實用新 型。任何熟悉此技術的人±皆可在不違背本實用新型的精神及范疇下，對上述實施例進行 修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本實用新型所掲示的精 神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本實用新型的權利要求所涵蓋。
【主權項】
1. 一種三相無刷電機控制系統，其特征在于:所述電機控制系統包括： 防反電路，所述防反電路包括一 NMOS管，所述NMOS管的源極與電源正極連接，其漏極分 別與電機控制電路及三相六橋電路連接，其柵極與電機控制電路連接，用于電源反接保護 以及提供高功率電流通道以驅動電機； 電機控制電路，分別與防反電路、三相六橋電路、及采樣電阻相連，用于驅動三相六橋 電路以及實現電機的過流、過壓、短路、開路保護； 三相六橋電路，與防反電路、電機控制電路、及采樣電阻相連，用于驅動電機運轉； 采樣電阻，與所述三相六橋電路、電機控制電路及電源負極相連，用于對所述三相六橋 電路進行米樣。2. 根據權利要求1所述的三相無刷電機控制系統，其特征在于:所述電機控制電路包括 微控制器，分別與所述微控制器及三相六橋電路連接的磁場定位控制電路，分別與所述微 控制器及電機連接的轉子位置監測電路，與所述微控制器連接的模數轉換電路，及與所述 模數轉換電路連接的信號放大器。3. 根據權利要求2所述的三相無刷電機控制系統，其特征在于，所述磁場定位控制電路 包括與所述微控制器連接的轉速環PI控制器，連接于所述轉速環PI控制器且與所述微控制 器連接的磁場定向控制器，分別與所述微控制器、磁場定向控制器以及三相六橋電路連接 的空間矢量脈寬調制模塊。4. 根據權利要求2所述的三相無刷電機控制系統，其特征在于:所述信號放大器的輸入 端分別連接于所述采樣電阻的兩端，用于將采樣電阻采集的信號進行放大。5. 根據權利要求2所述的三相無刷電機控制系統，其特征在于，所述微控制器設有通訊 接口，所述通訊接口為單線串行通訊總線或脈沖寬度調制信號，用于接收上位機的控制命 令，并將電機控制系統的狀態反饋給上位機。6. 根據權利要求1所述的三相無刷電機控制系統，其特征在于:所述采樣電阻為電流采 樣電阻。7. 根據權利要求1所述的三相無刷電機控制系統，其特征在于，所述三相六橋電路由6 個MOS管組成。8. 根據權利要求1所述的三相無刷電機控制系統，其特征在于，所述電機控制電路包括 正弦波控制方式和梯形波控制方式。
【文檔編號】H02P6/182GK205693592SQ201620581778
【公開日】2016年11月16日
【申請日】2016年6月15日 公開號201620581778.0, CN 201620581778, CN 205693592 U, CN 205693592U, CN-U-205693592, CN201620581778, CN201620581778.0, CN205693592 U, CN205693592U
【發明人】韓偉, 吳文臣, 劉榮鵬
【申請人】上海英恒電子有限公司