阅读说明：本技术 一种无霍尔元件的电机控制装置、方法和存储介质 (hall element-free motor control device, method and storage medium ) 是由 黄润宇 高晓峰 李庆 侯海杰 王莉 钟绍民 陈东锁 于 2019-09-11 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种无霍尔元件的电机控制装置和方法。一种无霍尔元件的电机控制装置包括：控制芯片、前置驱动电路、驱动电路、采样电路和检测电路。一种无霍尔元件的电机控制方法利用一种无霍尔元件的电机控制装置提高了无感控制器检测转子位置的精度,并且能在电机运转情况下进行调节转子位置偏差,结构简单,稳定性高。(the invention provides a motor control device and method without a Hall element. A motor control device without a Hall element includes: the device comprises a control chip, a pre-drive circuit, a sampling circuit and a detection circuit. A motor control method without Hall element utilizes a motor control device without Hall element to improve the precision of a non-inductive controller for detecting the position of a rotor, and can adjust the position deviation of the rotor under the running condition of the motor, and has simple structure and high stability.)

一种无霍尔元件的电机控制装置、方法和存储介质

技术领域

本发明涉及控制技术领域，尤其涉及一种无霍尔元件的电机控制装置、方法和存储介质。

技术背景

如今，直流无刷电机在市场比重越来越大，使用控制器进行控制是直流无刷电机的特点。根据有没有霍尔传感器，可将控制器分为有感控制器和无感控制器。无感控制器是通过采集采样电阻的信号，经过放大电路放大信号，来将信号输送给芯片，此后，芯片根据内部算法，计算出转子的位置，输出合适的PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)信号，使得电机转子和电机绕组通电相序对应，从而驱动电机正常转动。

由于算法精度问题，目前的无传感位置控制器算法，在计算出转子位置时存在转子位置的偏差。这种偏差，在电机运转时无法调整，只能通过在电机运转前，慢慢调整程序PWM发生信号来改善情况。转子位置和电机绕组通电不对应，会导致存在噪音，效率低等问题。

目前的有传感位置控制器，通常使用位置传感器来检测电机转子位置，特别是低成本的电机经常使用一个或多个离散位置传感器(如霍尔效应元件或霍尔效应集成电路)来检测电机转子位置，并根据转子位置信号及调制算法输出各相驱动信号，进而形成旋转磁场推动转子旋转。例如对于三相电机，位置检测单元通常包括三个霍尔效应集成电路，并相隔一定电角(如120度)排列。霍尔效应集成电路根据电机转子磁场来检测转子位置并输出三相位置信号HU、HV以及HW。然而，电机的绕组呈电感特性，因此电机相电流滞后于所施加的驱动电压。为达成效率优化等控制目标，通常需要在相调制信号上施加一定的相位调整。此种有传感位置控制器的方案结构复杂，且存在价格昂贵，稳定性较差的问题。

发明内容

本发明旨在解决的如下技术问题：

设计一种无霍尔元件的电机控制方案，解决电机转子位置精度不高，转子位置偏差无法在电机运转下进行调节的技术问题。

为了实现上述目的，本申请实施例提供的技术方案如下：

第一方面，本发明提供一种无霍尔元件的电机控制装置，包括：

控制芯片，其用于产生并输出PWM控制信号；

前置驱动电路，其连接所述控制芯片，用于根据所述控制芯片提供的所述PWM控制信号输出前置驱动信号；

驱动电路，其一端连接所述前置驱动电路，另一端连接电机，用于根据所述前置驱动电路提供的所述前置驱动信号输出用于驱动电机转动的驱动信号；

采样电路，其一端连接所述驱动电路，另一端连接所述控制芯片，用于获取与所述驱动电路输出的所述驱动信号相关的采样信号，并将所述采样信号反馈给所述控制芯片；

检测电路，其一端耦接电机，另一端连接所述控制芯片，用于获取与电机的反电动势相关的检测信号，并将所述检测信号反馈给所述控制芯片；

其中，所述控制芯片还设置成，用于对比根据所述采样信号计算出来的电机的转子位置和根据所述检测信号计算出来的电机的转子位置，并根据对比结果实时调节PWM控制信号，以精确控制电机的转子位置。

根据本发明的实施例，上述驱动电路包括由电机驱动电压驱动的U相桥电路、V相桥电路、W相桥电路；所述驱动电路输出的所述驱动信号包括用于控制所述电机的U相绕组的U相电流信号，用于控制所述电机的V相绕组的V相电流信号以及用于控制所述电机的W相绕组的W相电流信号；

所述采样电路获取的所述采样信号为与所述U相电流信号、V相电流信号和W相电流信号中的至少一种驱动信号相关的采样信号。

根据本发明的实施例，上述控制芯片的输出端包括六个输出接口，所述前置驱动电路的输入端包括用于分别与所述控制芯片的六个输出接口对应连接的六个输入接口；所述前置驱动电路的输出端包括分别与所述六个输入接口对应的六个输出接口；

所述U相桥电路包括串联的HU电路模块和LU电路模块，所述HU电路模块和LU电路模块之间的连接点连接所述电机的U相绕组，以输出用于控制所述电机的U相绕组的U相电流信号；

所述V相桥电路包括串联的HV电路模块和LV电路模块，所述HV电路模块和LV电路模块之间的连接点连接所述电机的V相绕组，以输出用于控制所述电机的V相绕组的V相电流信号；

所述W相桥电路包括串联的HW电路模块和LW电路模块，所述HW电路模块和LW电路模块之间的连接点连接所述电机的W相绕组，以输出用于控制所述电机的W相绕组的W相电流信号；

其中，所述HU电路模块、LU电路模块、HV电路模块、LV电路模块、HW电路模块和LW电路模块分别包括开关半导体元件；六个所述开关半导体元件的控制端用于分别与所述前置驱动电路的六个输出接口对应连接，每个所述开关半导体元件的另外两端并联一个二极管，并且所述二极管的电流能够以与其并联的所述开关半导体元件的电流方向的相反方向流动。

根据本发明的实施例，上述采样电路包括采样模块和第一放大模块，所述采样模块的输入端连接所述驱动电路，所述采样模块的输出端连接所述第一放大模块的输入端，所述第一放大模块的输出端连接所述控制芯片；其中，所述第一放大模块用于对所述采样模块采集的与所述驱动电路输出的所述驱动信号相关的信号进行放大，以获得所述采样信号。

根据本发明的实施例，上述采样模块包括一个采样电阻，所述采样电阻的第一端连接所述LU电路模块、LV电路模块和LW电路模块中的各所述二级管的阳极，所述采样电阻的第二端接地。

所述第一放大模块包括第一运算放大器、第一电阻、第二电阻和第三电阻，所述第一运算放大器的输出端连接所述控制芯片，所述第一运算放大器的同相端与反相端之间跨接有所述第一电阻，所述第一运算放大器的同相端通过所述第二电阻连接所述采样电阻的第一端，所述第一运算放大器的反相端通过所述第三电阻连接所述采样电阻的第二端。

根据本发明的实施例，上述检测电路包括检测模块和第二放大模块，所述检测模块的输入端耦接所述电机，所述检测模块的输出端连接所述第二放大模块的输入端，所述第二放大模块的输出端连接所述控制芯片；其中，所述第二放大模块用于对所述检测模块测得的与电机的反电动势相关的信号进行放大，以获得所述检测信号。

根据本发明的实施例，上述检测模块包括一个或多个绕组线圈，其与所述电机的一相绕组或多相绕组耦合。

根据本发明的实施例，上述检测模块包括一个绕组线圈，其与所述电机的一相绕组耦合；

所述第二放大模块包括第二运算放大器、第四电阻、第五电阻、第六电阻；所述第二运算放大器的输出端连接所述控制芯片，所述第二运算放大器的同相端与反相端之间跨接有所述第四电阻，所述第二运算放大器的同相端通过所述第五电阻连接所述绕组线圈的第一端，所述第二运算放大器的反相端通过所述第六电阻连接所述绕组线圈的第二端。

第二方面，本发明还提供一种无霍尔元件的电机控制方法，包括如下步骤：

根据PWM控制信号输出驱动信号，以驱动电机开始转动；

获取与所述驱动信号相关的采样信号，根据所述采样信号计算电机的转子位置；

获取与电机的反电动势相关的检测信号，根据所述检测信号计算电机的转子位置；

将根据所述检测信号计算的电机的转子位置与根据所述采样信号计算的电机的转子位置进行对比，以判断电机的转子位置是否存在偏差；

当存在偏差时，根据所述检测信号重新调整PWM控制信号。

第三方面，本发明还提供一种存储介质，其上存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述的无霍尔元件的电机控制方法。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：提高了无感控制器检测转子位置的精度并且能在电机运转情况下进行调节转子位置偏差，结构简单，稳定性高。

附图说明

图1为本发明的一种无霍尔元件的电机控制装置的组成示意图；

图2为本发明的一种无霍尔元件的电机控制方法的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案做详细描述。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

实施例一：

如图1所示，本发明实施例一公开了一种无霍尔元件的电机控制装置，包括：控制芯片1、前置驱动电路2、驱动电路3、由第一放大模块4和采样模块5组成的采样电路以及检测电路6。

控制芯片1包括第一输入端11、输出端12、第二输入端13。

控制芯片1通过输出端12与前置驱动电路2连接，前置驱动电路2连接到驱动电路3。驱动电路3与电机连接。驱动电路3还连接到第一放大模块4和采样模块5。第一放大模块4的输出端连接到芯片1的第二输入端13，以将采样信号发送至控制芯片1。检测电路6与电机耦合并将检测信号通过控制芯片1的第二输入端13发送到控制芯片1。

控制芯片1用于对根据采样信号计算出来的电机的转子位置和根据检测信号计算出来的电机的转子位置进行对比，并根据对比结果实时调节PWM控制信号。

控制芯片1还具有存储功能，能够存储算法和程序。所述的存储功能可以通过非易失性存储器来实现，该非易失性存储器可以电擦除和重写。控制芯片1还能够通过第一输入端11进行接收算法和程序。第一输入端11为通讯接口，能够向控制芯片1输入控制指令以及从控制芯片1输出数据。具体地，控制芯片1可以为单片机。单片机的具体型号本领域技术人员可以根据设计需要具体选择，本发明并不以此为限。

前置驱动电路2用于将控制芯片1输出的PWM信号转换为驱动电路3中的IGBT开关半导体元件S的栅极的驱动信号。前置驱动电路2的一端与控制芯片1的输出端12连接，前置驱动电路2另一端与驱动电路3连接。在电机为三相电机时，驱动电路3中的IGBT开关半导体元件S的栅极的驱动信号包括HU、LU、HV、LV、HW、LW。具体地，前置驱动电路2与控制芯片1输出端12的引脚P1.0、P1.2、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5依次连接。

驱动电路3用于接收前置驱动电路2发送的驱动信号驱动电机转动，使电机绕组能够根据芯片中所预先烧录的程序通电工作。驱动电路3由电机驱动电压驱动，包括U相、V相、W相的桥电路。U相桥电路在HU电路31HU和LU电路31LU之间的耦合点处耦合到电机的U相绕组；V相桥电路在HV电路31HV和LV电路31LV之间的耦合点处耦合到电机的V相绕组；W相桥电路在HW电路31HW和LW电路31LW之间的耦合点处耦合到电机的W相绕组。HU电路31HU、LU电路31LU、HV电路31HV、LV电路31LV、HW电路31HW和LW电路31LW在配置上相同，分别包括IGBT开关半导体元件S和二极管D。二极管D并联地设置于IGBT开关半导体元件S的发射极和集电极之间。二极管D耦合为使得电流可以以流经IGBT开关半导体元件S的电流方向相反的方向流动。

第一放大模块4用于按比例放大采样信号的电路，其放大的比例可以根据算法需求调整。第一放大模块4包括第一运算放大器41、第一电阻42、第二电阻43和第三电阻44。第一电阻42跨接在第一运算放大器41的同相端和输出端之间；第二电阻43的一端与第一运算放大器41的同相端连接，第二电阻43的另一端与LU电路31LU、LV电路31LV、LW电路31LW的IGBT开关半导体元件S的发射极连接；第三电阻44的一端与第一运算放大器41的反相端连接，第三电阻44的另一端与采样模块5连接。第一运算放大器41的输出与控制芯片1的第二输入端13连接。具体地，第一运算放大器41的输出与控制芯片1的第二输入端13的引脚P2.0连接。

采样模块5用于采集总电流或电机某相的电流。采样模块5的一端连接到驱动电路3，另一端连接到地。采样模块5包含至少一个采样电阻。采样电阻还可以为多个。

检测电路6用于检测电机的感应反电势，包括第二放大模块和绕组线圈65。第二放大模块包括第二运算放大器61、第四电阻62、第五电阻63、第六电阻64。第四电阻62跨接在第二运算放大器61的同相端和输出端之间；绕组线圈65串联在第五电阻63和第六电阻64之间；第二运算放大器61的输出端连接到控制芯片1的第二输入端；绕组线圈65与电机的任意一相绕组耦合。检测电路6在电机转子转动时能够通过电磁感应产生反电动势。反电动势通过第一放大模块4将反电动势信号发送给控制芯片1。控制芯片1根据所检测的反电动势的信号调节控制芯片1产生的PWM发生信号，使得电机的转子位置更加精确。

具体地，电机转起来会产生电流，电流经过采样电阻，使得采样电阻两端产生信号。控制芯片1将经放大后的与反电动势信号相关的检测信号和采集采样电阻的信号计算出来的转子位置进行对比，根据对比结果调节PWM控制信号，进而调整电机的相位角度。

控制芯片1获取检测电路产生的反电动势信号的周期可以根据设计需要调节。例如可以始终获取检测电路产生的反电动势信号，实时调节控制芯片1产生的PWM信号。上述周期还可以设置为每隔n个相或线电流周期调节控制芯片1产生的PWM信号，其中n大于等于0.5。

检测电路6的绕组线圈65为至少一个。检测电路6不仅可以检测相反电势，也可以检测线反电势，检测的相数或者是线数可以为1个或m个，其中m为电机的绕组相数。例如三相电机包括U相绕组、V相绕组、W相绕组。此时m＝3，检测电路可以设置为串联的3个，每相或每线至多有一个检测电路，分别与三相电机的U相绕组、V相绕组、W相绕组耦合。

第二运算放大器61的输出连接到控制芯片1的第二输入端13。具体地，第二运算放大器61的输出连接到控制芯片1的第二输入端13的引脚P2.2。

实施例二：

实施例二与实施例一的区别在于，检测电路6的绕组线圈为两个，两个绕组线圈串联连接在第五电阻63和第六电阻64之间，用于检测电机的反电动势。两个绕组线圈与电机的任意两相绕组耦合。实施例二的其余特征与实施例一相同。

实施例三：

实施例三与实施例一的区别在于，检测电路6的绕组线圈为三个，三个绕组线圈串联连接在第五电阻63和第六电阻64之间。三个绕组线圈与电机的三相绕组一一耦合。实施例三的其余特征与实施例一相同。

实施例四：

一种无霍尔元件的电机控制方法，如图2所示，包括如下具体步骤：

S1、控制芯片先给出特定的驱动PWM信号，使得电机开始转动；

S2、采样电机采样信号，通过第一放大模块反馈到控制芯片；

S3、根据采集采样电阻两端的信号计算转子位置，重新调整PWM发生信号，使得电机正常稳定运转；

S4、判断控制芯片采集感应反电势的检测电路的信号，然后与算法算出的转子位置进行对比，检测转子位置是否存在偏差，如果是则执行步骤S5，如果否则执行步骤S6；

S5、控制芯片根据检测电路的信号重新调整PWM发生信号；

S6、电子正常运转；

S7、经过n个电流周期后判断电机是否继续运转，如果是则执行步骤S4，如果否则结束。

所述步骤S1之前，还包括将程序和算法通过第一输入端烧录进控制芯片中的步骤。

所述步骤S3中，控制芯片以预定周期根据采集到检测电路信号，调节产生的PWM信号。

本发明的一个方面，提供了一种装置，所述装置包括至少一个处理器(例如CPU)，存储器。处理器用于执行存储器中存储的可执行模块，例如计算机程序。存储器可能包含高速随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。

在一些实施方式中，存储器存储了程序，程序可以被处理器执行，用于执行前述本申请实施例的一种无霍尔元件的电机控制方法。

应理解，在本申请实施例中，终端设备可以执行上述实施例中的部分或全部步骤，这些步骤或操作仅是示例，本申请实施例还可以执行其它操作或者各种操作的变形。此外，各个步骤可以按照上述实施例呈现的不同的顺序来执行，并且有可能并非要执行上述实施例中的全部操作。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请实施例的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

另外，在申请实施例各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请实施例各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本申请实施例的具体实施方式，但本申请实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请实施例揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请实施例的保护范围之内。因此，本申请实施例的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。