無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種無刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]無刷直流電機(jī)電機(jī)與有刷直流電機(jī)或感應(yīng)電機(jī)相比，具有更好的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩特性、較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和效率、較長的使用壽命、無噪音運(yùn)轉(zhuǎn)、較高的轉(zhuǎn)速范圍，以及可靠而堅(jiān)固的構(gòu)造等等。同時(shí)由于輸出轉(zhuǎn)矩與電機(jī)體積之比更高，使之在需要著重考慮空間與重量因數(shù)的應(yīng)用中，大有用武之地，如手持式電動(dòng)工具等。
[0003]在無刷直流電機(jī)的控制中，關(guān)鍵在于檢測轉(zhuǎn)子位置，然后根據(jù)位置信息，取得換相點(diǎn)，相應(yīng)繞組導(dǎo)通換相，導(dǎo)通電流與繞組的反電動(dòng)勢相位同步。對(duì)于電動(dòng)工具，大多數(shù)的應(yīng)用場合，都需要全扭矩啟動(dòng)。對(duì)于直流電動(dòng)工具來說，由于動(dòng)力部分為電池，需要整機(jī)有很高的效率，才能維持長時(shí)間的工作；對(duì)于一些場合，需要大扭矩輸出，所以對(duì)于換相時(shí)機(jī)的獲得和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)顯得格外的重要。
[0004]目前有兩種方式可以獲得轉(zhuǎn)子的位置:霍爾傳感器方式和無傳感器方式。由于傳感器的安裝精度直接影響無刷直流電機(jī)的使用效果，且成本也較高，無傳感器方式是無刷控制器追求的目標(biāo)。目前大多數(shù)無感方式大多采用反電動(dòng)勢過零法，電路簡單，成本低，但啟動(dòng)時(shí)，不能全扭矩啟動(dòng)，此時(shí)使用反電勢過零法檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子位置會(huì)使檢測結(jié)果不準(zhǔn)確，電機(jī)無法順利工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種成本較低，且在無刷直流電機(jī)尚未全扭矩啟動(dòng)時(shí)準(zhǔn)確檢測到轉(zhuǎn)子位置的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明的無刷直流電機(jī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)包含驅(qū)動(dòng)及輸出電路，用于產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并輸出電源使無刷直流電機(jī)工作；運(yùn)算控制電路，用于通過驅(qū)動(dòng)及輸出電路控制無刷直流電機(jī)的工作；反電勢檢測電路，用于檢測無刷直流電機(jī)的反電勢過零信號(hào)；以及電流檢測電路，用于檢測通過無刷直流電機(jī)繞組的電流；該運(yùn)算控制電路根據(jù)電流檢測電路根據(jù)電流檢測電路和該反電勢檢測電路的檢測值運(yùn)算得到無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，并依此驅(qū)動(dòng)其運(yùn)轉(zhuǎn)工作。
[0007]本發(fā)明的無刷直流電機(jī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)可以在無刷電機(jī)的任何工作狀態(tài)下準(zhǔn)確檢測到轉(zhuǎn)子的位置，且不需要安裝霍爾元件，成本較低，檢測方式簡單有效。
【附圖說明】
[0008]圖1是無刷直流電機(jī)定子電感與轉(zhuǎn)子位置變化的關(guān)系圖；
圖2是無刷直流電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的示意圖；
圖3是本發(fā)明的無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路在電動(dòng)工具上應(yīng)用的電路框圖；
圖4是無刷直流電機(jī)在6拍時(shí)檢測到的在加載電壓的瞬間流過電機(jī)繞阻的電流值；圖5是本發(fā)明的無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路的工作流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0009]無刷直流電機(jī)中繞于鐵芯的載流線圈，通入的電流增加，鐵芯中磁通量增大。當(dāng)鐵芯中所有的磁場朝同一個(gè)方向排列時(shí)，磁通量不再隨電流的增加而增大，鐵芯達(dá)到飽和狀態(tài)。線圈電感隨磁路飽和狀態(tài)變化，不是一個(gè)常量。當(dāng)外加磁場作用于線圈時(shí)，電感會(huì)隨著外磁場的變化而變化，當(dāng)外磁場方向與電流產(chǎn)生的磁場方向一致時(shí),產(chǎn)生增磁作用,磁路飽和增加，電感減小。反之，產(chǎn)生去磁作用，飽和減弱，電感增大。
[0010]無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于轉(zhuǎn)子磁場的作用，定子電感隨著轉(zhuǎn)子位置的改變而呈規(guī)律性變化，轉(zhuǎn)子磁場和定子電流的合成磁場對(duì)定子電感的影響。變化趨勢如圖1所示，從圖中可以看出增磁N點(diǎn)的電感大于去磁M點(diǎn)電感。所以轉(zhuǎn)子與定子的相對(duì)位置不同，所產(chǎn)生電感大小也隨之不同。即轉(zhuǎn)子的位置與電感存在對(duì)應(yīng)的關(guān)系。
[0011]另外從無刷直流電機(jī)的電壓公式也可以得到上述結(jié)論。無刷直流電機(jī)的電壓工時(shí)為:
U=R*I+L*di/dt+E (I)
其中，U是施加電壓，I是線圈電流，R是線圈電阻，E是反電動(dòng)勢。當(dāng)電機(jī)靜止時(shí)，反電勢E為零，因此根據(jù)上述公式，可以獲得:
I = (Ι-el/ τ )*U/R (2)
其中，τ為時(shí)間常數(shù)。上述公式可以推導(dǎo)出時(shí)間常數(shù)τ與電流呈函數(shù)關(guān)系，即:
T=f ⑴(3)
而時(shí)間常數(shù)τ與位置存在一一映射的關(guān)系。當(dāng)轉(zhuǎn)子處于不同位置時(shí)，所對(duì)應(yīng)不同的τ值。
[0012]P=f，(τ) (4)
其中P為轉(zhuǎn)子的位置。由公式⑶和⑷可以得到:
P=f” (I) (5)
即轉(zhuǎn)子位置與電流呈函數(shù)關(guān)系。而電流與電感呈函數(shù)關(guān)系，即映證了上述的結(jié)論，轉(zhuǎn)子的位置與電感存在對(duì)應(yīng)的關(guān)系。
[0013]在具體的計(jì)算中，根據(jù)以上公式，檢測對(duì)比各相的電流變化即可以準(zhǔn)確確定轉(zhuǎn)子位置，即為電感法。這種方法與速度無關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)從零速到一定轉(zhuǎn)速情況下的轉(zhuǎn)子位置檢測，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的靜止起動(dòng)。
[0014]在具體實(shí)施方案中，本發(fā)明方案采用的無刷電機(jī)，其轉(zhuǎn)矩與重量之比大于1.88(Nm/Kg)，或無刷電機(jī)功率與重量之比大于2.94 (KW/Kg)。較優(yōu)的實(shí)施方案為質(zhì)量138g，扭矩0.45Nm,功率700W的無刷直流電機(jī)。
[0015]如圖2所示的無刷直流電機(jī)，定子的三個(gè)電極分別為A、B、C，轉(zhuǎn)子包含多對(duì)N、S極，此處圖示僅畫出兩對(duì)作為示意。圖3為本發(fā)明的無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路在電動(dòng)工具上應(yīng)用的電路框圖。無刷直流電機(jī)200受電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)100控制工作。電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)100包含運(yùn)算控制電路10，驅(qū)動(dòng)及輸出電路20，電流檢測電路30及反電勢檢測電路40。(請(qǐng)圖上加上標(biāo)號(hào))電源300經(jīng)驅(qū)動(dòng)及輸出電路20后驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)200。無刷直流電機(jī)200由電流檢測電路30檢測在加載電壓時(shí)流過電機(jī)繞阻的電流值，反電勢檢測電路40用于檢測無刷直流電機(jī)的反電勢。運(yùn)算控制電路10包含CPU或MCU等芯片，本實(shí)施例中優(yōu)選的為MCU。運(yùn)算控制電路10與電源300，電池檢測電路400，驅(qū)動(dòng)及輸出電路20，電流檢測電路30，反電勢檢測電路40，人機(jī)界面接口 500分別電連接。電池檢測電路400用于檢測電池電壓，電池溫度等電池信號(hào)，并將其提供給運(yùn)算控制電路10，當(dāng)電池出現(xiàn)過溫、過放等異常情況下時(shí)，運(yùn)算控制電路10及時(shí)將電源切斷。運(yùn)算控制電路10還連接無刷直流電機(jī)200的電流檢測電路30和反電勢檢測電路40，用于通過檢測到的電流值或反電勢值運(yùn)算得到無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，以根據(jù)電機(jī)所需要轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)下一拍，使電機(jī)朝給定的轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)。運(yùn)算控制電路10外接人機(jī)界面接口 500，以向使用者提供工具的信號(hào)，如工具運(yùn)行狀態(tài)，電池工作狀態(tài)，剩余電量等。
[0016]通過反電勢檢測電路40，