CN108832599B - 单线圈无刷直流电机控制***及控制方法 - Google Patents

单线圈无刷直流电机控制***及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种单线圈无刷直流电机控制***及控制方法，其中本发明单线圈无刷直流电机控制***应用于水泵类负载，包括：电机；用于驱动电机的H桥驱动线圈；用于检测电机的旋转位置且发出位置信号的霍尔传感器；用于接收反馈信号并进行反馈控制的单片机，反馈信号包括位置信号和电机的冷却液状态信号，单片机连接于霍尔传感器并接收位置信号，单片机连接并控制H桥驱动线圈。本发明通过单片机进行反馈控制；检测位置信号进行换向反馈控制；当冷却液较少或没有时，单片机控制电机停止转动；本发明可检测水泵是否是空转，保护叶轮机械磨损，堵转保护叶轮损坏和电机损坏。通过信号反馈输出当前电机工作状态。

Description

单线圈无刷直流电机控制***及控制方法
技术领域
本发明涉及电机领域，具体涉及一种单线圈无刷直流电机控制***及控制方法。
背景技术
目前市场上常见有刷直流电机和双线圈直流无刷电机，有刷直流电机存在电刷老化、磨损的问题，双线圈直流无刷电机线圈交替导通致使电机工作效率低、线圈成本高。
当负载为水泵时，大部分设备电机转子为无轴旋转结构，依靠转子在泵壳内液体悬浮转动，当液体不足(空转)出现转子机械磨损严重；水泵壳体内出混入杂质或低温冷凝造成电机转子(叶轮)出现卡死(堵转)现象，造成电机电流大损坏电机或杂质颗粒顺坏叶轮。
因此，有必要提供一种性能更加优良的单线圈无刷直流电机控制***及更加有效的控制方法。
发明内容
为了提供一种性能更加优良的电机控制***及更加有效的电机控制方法，本发明提供了一种单线圈无刷直流电机控制***及控制方法。
本发明提供的单线圈无刷直流电机控制***，应用于水泵类负载，包括：
电机；
连接于所述电机并用于驱动所述电机的H桥驱动线圈；
连接于所述电机并用于检测所述电机的旋转位置且发出位置信号的霍尔传感器；
用于接收反馈信号并进行反馈控制的单片机，所述反馈信号包括所述位置信号和所述电机的冷却液状态信号，所述单片机连接于所述霍尔传感器并接收所述位置信号，所述单片机连接并控制所述H桥驱动线圈。
本发明单线圈无刷直流电机控制***通过单片机进行反馈控制；检测位置信号进行换向反馈控制；当冷却液较少或没有时，单片机控制电机停止转动；本发明可检测水泵是否是空转，保护叶轮机械磨损，堵转保护叶轮损坏和电机损坏。可以通过信号反馈输出当前电机工作状态。本发明单线圈无刷直流电机控制***保护电机可靠工作、出现异常及时停机保护电气设备，电气恢复正常自动恢复，是一种性能更加优良的单线圈无刷直流电机控制***。
本发明单线圈无刷直流电机控制***的进一步改进在于，所述反馈信号还包括所述电机的母线电压和母线电流。
本发明单线圈无刷直流电机控制***的更进一步改进在于，所述单片机通过AD端口连接所述电机并获取所述母线电压和所述母线电流。
本发明还提供一种单线圈无刷直流电机控制方法，应用于水泵类负载，由单片机执行以下步骤：
获取反馈信号，所述反馈信号包括电机的位置信号和所述电机的冷却液状态信号；
反馈控制，根据所述反馈信号对所述电机进行反馈控制。
本发明单线圈无刷直流电机控制方法的进一步改进在于，当冷却液状态为冷却液较少或没有时，所述单片机控制所述电机停止转动。
本发明单线圈无刷直流电机控制方法的进一步改进在于，所述反馈控制步骤中包括以下步骤：所述单片机根据所述位置信号对所述电机进行换向反馈控制。
本发明单线圈无刷直流电机控制方法的进一步改进在于，所述获取反馈信号的步骤包括以下步骤：所述单片机还获取所述电机的母线电压和母线电流。
本发明单线圈无刷直流电机控制方法的更进一步改进在于，所述反馈控制步骤包括以下步骤：所述单片机根据所述母线电压定义用于对所述电机进行欠电压保护和过电压保护的第一阈值；当所述电机欠电压或过电压时所述单片机反馈控制所述电机。
本发明单线圈无刷直流电机控制方法的更进一步改进在于，所述反馈控制步骤包括以下步骤：所述单片机根据所述母线电流定义用于对所述电机进行短路保护和过流保护的第二阈值；当所述电机短路或过流时所述单片机反馈控制所述电机。
本发明单线圈无刷直流电机控制方法的更进一步改进在于，所述反馈控制步骤包括以下步骤：所述单片机根据所述母线电流、所述位置信号计算用于对所述电机进行空转保护和堵转保护的转速和输出占空比；当所述电机空转或堵转时所述单片机反馈控制所述电机。
附图说明
图1为本发明实施例的单线圈无刷直流电机控制***的信号关系示意图。
图2为本发明实施例的单线圈无刷直流电机控制***的电路关系示意图。
图3为本发明实施例的单线圈无刷直流电机控制方法的流程图。
具体实施方式
为了提供一种性能更加优良的电机控制***及更加有效的电机控制方法，解决现有技术中有刷直流电机存在电刷老化、磨损的问题，以及双线圈直流无刷电机线圈交替导通致使电机工作效率低、线圈成本高的不足，本发明提供了一种单线圈无刷直流电机控制***及控制方法。
下面结合附图和具体实施例对本发明单线圈无刷直流电机控制***及控制方法的较佳实施例作进一步说明。本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。
结合图1和图2所示，本发明单线圈无刷直流电机控制***，应用于水泵类负载，包括：电机M；连接于电机M并用于驱动电机M的H桥驱动线圈10；连接于电机M并用于检测电机M的旋转位置且发出位置信号的霍尔传感器20；用于接收反馈信号并进行反馈控制的单片机30，反馈信号包括位置信号和电机M的冷却液状态信号，单片机30连接于霍尔传感器20并接收位置信号，单片机30连接并控制H桥驱动线圈10。
本发明单线圈无刷直流电机控制***中，单片机30接收反馈信号并对电机M进行反馈控制；反馈信号包括位置信号和冷却液状态信号；单片机30根据位置信号控制电机M换向；当冷却液较少或没有时，单片机30控制电机M停止转动。
霍尔传感器20连接于电机M并检测位置信号，单片机30连接于霍尔传感器20并接收位置信号，且单片机30连接并控制H桥驱动线圈10导通或截止，从而通过改变H桥驱动线圈10的状态以实现电机M电流方向持续换向维持电机M持续旋转，实现对电机M的换向控制；此外，单片机30可以实时反馈电机M工作状态，当冷却液较少或没有时，单片机30控制电机M停止转动。本发明可检测水泵是否是空转，保护叶轮机械磨损，堵转保护叶轮损坏和电机M损坏。可以通过信号反馈输出当前电机M工作状态。
本发明单线圈无刷直流电机控制***保护电机M可靠工作、出现异常及时停机保护电气设备，电气恢复正常自动恢复，是一种性能更加优良的单线圈无刷直流电机控制***。
本实施例中，单片机30输出PWM直流调制信号驱动H桥驱动线圈10，单片机30通过非接触霍尔传感器20检测电机M转子位置，切换H桥驱动信号改变电流方向实现电机M换向。
进一步地，反馈信号还包括电机M的母线电压和母线电流。
更进一步地，单片机30通过AD端口连接电机M并获取母线电压和母线电流。
具体地，如图1和图2所示，H桥驱动线圈10包括开关元件H1、开关元件H2、开关元件H3和开关元件H4，单片机30的ENB端口接地，单片机30的VCC端口通过低压差线性稳压器LDO连接至电源，霍尔传感器20发送位置信号至单片机30的Hall端口，单片机30将处理后的PWM控制信号输入并控制H桥驱动线圈10。
此外，本发明还提供一种单线圈无刷直流电机控制方法，应用于水泵类负载，由单片机执行以下步骤：
步骤101：获取反馈信号，反馈信号包括电机的位置信号和电机的冷却液状态信号；
步骤102：反馈控制，根据反馈信号对电机进行反馈控制。
本发明单线圈无刷直流电机控制方法中，单片机获取反馈信号并反馈控制电机。霍尔传感器检测电机的旋转位置并发出位置信号，单片机接收位置信号，本实施例中，单片机发出处理后的PWM控制信号至H桥驱动线圈；此外，单片机还获取电机的冷却液状态信号，单片机根据冷却液状态信号对电机进行反馈控制。
进一步地，当冷却液状态为冷却液较少或没有时，单片机控制电机停止转动。负载为水泵时可以检测水泵是否是空转，保护叶轮机械磨损，堵转保护叶轮损坏和电机损坏。可以通过信号反馈输出当前电机工作状态。现有无刷水泵(叶轮转子)很大一部分都是无轴承设计，叶轮转子靠冷却液体悬浮润滑工作，当冷却液少，叶轮转子和固定轴间摩擦阻力增大，长时间旋转造成叶轮转子栓坏，本发明可以检测冷却液较少或没有的状态，从而可以使电机停止转动保护叶轮转子，并上报故障信息。
更进一步地，步骤102中还包括以下步骤：单片机根据位置信号对电机进行换向反馈控制。单片机根据位置信号控制H桥驱动线圈导通或截止以对电机进行换向控制。
更进一步地，步骤101中还包括以下步骤：单片机还获取电机的母线电压和母线电流。
更进一步地，步骤102中还包括以下步骤：单片机根据母线电压定义用于对电机进行欠电压保护和过电压保护的第一阈值；当电机欠电压或过电压时单片机反馈控制电机。
更进一步地，步骤102中还包括以下步骤：单片机根据母线电流定义用于对电机进行短路保护和过流保护的第二阈值；当电机短路或过流时单片机反馈控制电机。
更进一步地，步骤102中还包括以下步骤：单片机根据母线电流、位置信号计算用于对电机进行空转保护和堵转保护的转速和输出占空比；当电机空转或堵转时单片机反馈控制电机。
具体地，单片机通过AD端口获取母线电压，通过定义设置保护电压阈值保护电机欠电压、过电压；单片机通过AD端口获取母线电流，通过定义设置保护电压阈值保护电机短路、过流；单片机通过AD端口获取母线电流，获取位置信号计算电机转速及输出占空比，判断是否空转或堵转，并输出故障信号。单片机获取母线电流后，将电流信号换算成电压信号，再定义设置保护电压阈值。
输入PWM信号可以调节电机转速，PWM输入信号频率、占空比及调节对应转速可以自定义。实现对电机可靠性保护如欠电压、过电压、过流、短路等故障可以可靠停止电机避免电机电气损坏，当电气参数恢复正常电机正常工作。
进一步地，电机每旋转180度霍尔传感器的状态改变一次。
采用霍尔磁传感器检测电机旋转位置，把检测得到的位置信号送到单片机处理，单片机输出换向后PWM控制信号，电机每旋转180度霍尔传感器状态发生一次改变，假定电机旋转0度至180度霍尔传感器检测位置1，电机旋转181度至359度霍尔传感器检测位置2。过程一：当电机从0度开始旋转霍尔传感器检测到位置1，单片机处理输出PWM控制信号导通H1、H4关闭H3、H2，电流方向H1至H4；过程二：当电机旋转到181度霍尔传感器检测到位置2，单片机处理输出PWM控制信号导通H3、H2，关闭H1、H4，电流方向H3至H2。重复过程一和过程二，实现电机M电流方向持续换向维持电机持续旋转。位置1、位置2根据实际电机设计进行选择，通常位置为磁极交叉点，具体根据电机设计选择。
本发明单线圈无刷直流电机控制***及控制方法，使用霍尔传感器检测电机的旋转位置并发出位置信号至单片机；单片机根据位置信号发出PWM控制信号控制H桥驱动线圈导通或关断；通过改变H桥驱动线圈的状态以实现电机电流方向持续换向维持电机持续旋转；同时，单片机对电机进行反馈控制，对电机进行欠电压保护、过电压保护、短路保护、过流保护，当负载为水泵时还可进行空转保护和堵转保护。
此处根据电机转速对应负载状况判断电机是否空转，负载状况根据输出PWM占空比和当前母线电流获取。综合判断条件：当前转速、当前输出PWM调制信号、当前母线电流综合运算判断。
具体地，在一些实施例中，当转速3000转/分，空转状态电流为100mA，输出PWM控制占空比<10％时，可以判定为空转。非空转状态，最小负载情况：转速3000转/分、空转电流300mA，输出控制占空比>20％，则判定正常运行。在另一些实施例中，通过传感器检测冷却液状态，获得冷却液状态信号，当冷却液少于一定量时，单片机通过蜂鸣器采取报警措施。
本发明单线圈无刷直流电机控制***及控制方法中的霍尔传感器(位置传感器)用于采集电机的旋转位置信号，产生硬件控制信号并发送至的单片机程序处理实现电子换向维持电机持续工作；PWM输入控制电机转速，转速可调，调节曲线可定义；可以实时反馈电机工作状态；保护电机可靠工作、出现异常及时停机保护电气设备，电气恢复正常自动恢复；保护水泵类负载出现非正常机械磨损或异常损坏。
本发明单线圈无刷直流电机控制***及控制方法解决了现有技术中存在的原有电刷换向长时间运行磨损的问题、双线圈直流电机换向效率低的问题，实现对电机控制，并实时监控电机工作状态，保护电机可靠稳定工作，避免电气波动引起损坏，避免水泵类负载的非正常损坏，具有优异的技术效果。
以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容的能涵盖的范围内。

Claims (9)

1.一种单线圈无刷直流电机控制***，应用于水泵类负载，其特征在于，包括：
电机；
连接于所述电机并用于驱动所述电机的H桥驱动线圈；
连接于所述电机并用于检测所述电机的旋转位置且发出位置信号的霍尔传感器；
用于接收反馈信号并进行反馈控制的单片机，所述反馈信号包括所述位置信号和所述电机的母线电流、冷却液状态信号，所述单片机连接于所述霍尔传感器并接收所述位置信号，所述单片机连接并控制所述H桥驱动线圈，单片机输入PWM信号可以调节电机转速，根据所述电机转速对应输出PWM占空比和当前所述母线电流综合运算判断电机是否空转。
2.如权利要求1所述的单线圈无刷直流电机控制***，其特征在于：所述反馈信号还包括所述电机的母线电压。
3.如权利要求2所述的单线圈无刷直流电机控制***，其特征在于：所述单片机通过AD端口连接所述电机并获取所述母线电压和所述母线电流。
4.一种单线圈无刷直流电机控制方法，应用于水泵类负载，其特征在于，由单片机执行以下步骤：
获取反馈信号，所述反馈信号包括电机的位置信号和所述电机的母线电流、冷却液状态信号；
反馈控制，根据所述反馈信号对所述电机进行反馈控制；
输入PWM信号调节电机转速，根据所述电机转速对应输出PWM占空比和当前所述母线电流综合运算判断电机是否空转；
所述反馈控制步骤中，进一步包括以下步骤：所述单片机根据所述位置信号对所述电机进行换向反馈控制。
5.如权利要求4所述的单线圈无刷直流电机控制方法，其特征在于：当冷却液状态为冷却液较少或没有时，所述单片机控制所述电机停止转动。
6.如权利要求4所述的单线圈无刷直流电机控制方法，其特征在于，所述获取反馈信号的步骤中，进一步包括以下步骤：所述单片机还获取所述电机的母线电压。
7.如权利要求6所述的单线圈无刷直流电机控制方法，其特征在于，所述反馈控制步骤中，进一步包括以下步骤：
所述单片机根据所述母线电压定义用于对所述电机进行欠电压保护和过电压保护的第一阈值；
当所述电机欠电压或过电压时所述单片机反馈控制所述电机。
8.如权利要求6所述的单线圈无刷直流电机控制方法，其特征在于，所述反馈控制步骤中，进一步包括以下步骤：所述单片机根据所述母线电流定义用于对所述电机进行短路保护和过流保护的第二阈值；
当所述电机短路或过流时所述单片机反馈控制所述电机。
9.如权利要求6所述的单线圈无刷直流电机控制方法，其特征在于，所述反馈控制步骤中，进一步包括以下步骤：所述单片机根据所述母线电流、所述位置信号计算用于对所述电机进行空转保护和堵转保护的转速和输出占空比；
当所述电机空转或堵转时所述单片机反馈控制所述电机。
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