專利名稱：一種新型的無(wú)霍爾無(wú)刷控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是針對(duì)目前市場(chǎng)上的無(wú)刷電機(jī)控制器全部采用霍爾元件，損壞現(xiàn)象嚴(yán) 重而進(jìn)行的改進(jìn)，具體包括無(wú)霍爾無(wú)刷電機(jī)的檢測(cè)電路和表頭速度顯示電路兩部 分，能具體應(yīng)用于電動(dòng)車控制器領(lǐng)域。
無(wú)刷無(wú)霍爾電機(jī)的檢測(cè)電路包括電機(jī)三相線輸出、輸入到單片機(jī)外圍、供單 片機(jī)準(zhǔn)確判斷當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的電路,適合應(yīng)用于各個(gè)無(wú)刷電機(jī)與各種型號(hào)單 片機(jī)相匹配。
表頭速度顯示電路是從單片機(jī)輸出信號(hào)到電動(dòng)自行車(摩托車)速度顯示的 電路，能廣泛適合于電動(dòng)車的速度顯示。
背景技術(shù)：
無(wú)刷直流電機(jī)具有調(diào)速性好、體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在很多領(lǐng)域得到廣泛 應(yīng)用，但無(wú)刷直流電機(jī)沒(méi)有換相器，需要采用一定的方法獲取轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。傳 統(tǒng)的方法是采用傳感器獲取轉(zhuǎn)子位置，方法簡(jiǎn)單易行，但傳感器易受環(huán)境影響， 容易損壞，增加了成本，難以維修，使其使用受到限制。國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料也提供
了一系列的解決方案。但大多數(shù)都是基于DSP做處理器，檢測(cè)電路，偏重硬件， 增加成本。本發(fā)明通過(guò)借助單片機(jī)從軟件上實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)，同時(shí)利用表 頭速度顯示電路準(zhǔn)確顯示當(dāng)前速度，降低了生產(chǎn)成本和電動(dòng)車的售后維修成本， 能廣泛應(yīng)用于電動(dòng)車控制器中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種新型的無(wú)霍爾無(wú)刷控制器，其特點(diǎn)在于通過(guò)互感技術(shù)和帶通濾 波，快速準(zhǔn)確尋找靜止?fàn)顟B(tài)下的轉(zhuǎn)子位置，剔除干擾，實(shí)現(xiàn)寬負(fù)載變化范圍內(nèi) 地高效起動(dòng)；根據(jù)Kalman預(yù)測(cè)理論和PID理論以及互感理論，做出針對(duì)電動(dòng)車 用電機(jī)的無(wú)霍爾控制器。針對(duì)各種路況、車輛負(fù)載情況和啟動(dòng)路況的不同，來(lái)確 定在哪個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)啟動(dòng)，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)在測(cè)功機(jī)上預(yù)設(shè)負(fù)載下啟動(dòng)，觀察啟動(dòng) 時(shí)換向信號(hào)與霍爾信號(hào)的實(shí)際差異，從而實(shí)現(xiàn)在寬負(fù)載范圍內(nèi)的高效啟動(dòng)。具體 研究方案如下
1、 靜止?fàn)顟B(tài)下轉(zhuǎn)子位置的快速高效識(shí)別利用Kalman預(yù)測(cè)理論、PID理 論以及互感理論以實(shí)現(xiàn)超低轉(zhuǎn)速(1.85轉(zhuǎn)/分)以下時(shí)，快速識(shí)別轉(zhuǎn)子位置，具有 速度快，準(zhǔn)確性高的優(yōu)點(diǎn)，并且精確到30°電角度之內(nèi)，利用電機(jī)磁滯效應(yīng)尋 找轉(zhuǎn)子的南北極方向。
2、 啟動(dòng)階段轉(zhuǎn)把PID調(diào)節(jié)啟動(dòng)階段旨在設(shè)計(jì)成先是恒扭矩，后是恒加速 度啟動(dòng)模式，并依此來(lái)調(diào)節(jié)占空比。
3、 較低轉(zhuǎn)速下的運(yùn)行當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速介于1.85轉(zhuǎn)/^~3.2轉(zhuǎn)/分時(shí)，為了避
免不可抗的外界力導(dǎo)致的電機(jī)反轉(zhuǎn)引起的失布步，必須采用電機(jī)正反轉(zhuǎn)識(shí)別技 術(shù)，并且不能引起電機(jī)扭矩大的波動(dòng)。以實(shí)現(xiàn)寬大負(fù)載范圍內(nèi)的大扭矩起動(dòng)。
4、 低轉(zhuǎn)速下的運(yùn)行當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速介于3.2轉(zhuǎn)/分一4.6轉(zhuǎn)/分時(shí)，由于電機(jī) 的慣性存在，不用再考慮電機(jī)會(huì)在外力作用下在60°電角度之內(nèi)會(huì)改變運(yùn)行方 向的情況(盡管這種情況在某些人為的情況下可能會(huì)出現(xiàn))，故而可以采用專有 的探測(cè)技術(shù)在不知不覺(jué)之中采集轉(zhuǎn)子位置信號(hào)了，而此信號(hào)恰恰可以重合到反電 動(dòng)勢(shì)信號(hào)當(dāng)中，從而隨著轉(zhuǎn)速的提高，信噪比會(huì)成比例的提高。
5、 正常轉(zhuǎn)速下的運(yùn)行當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于4.6轉(zhuǎn)/分時(shí)，依靠反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn) 就可以快速簡(jiǎn)單的尋找到轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，此部分技術(shù)已相當(dāng)成熟，此不贅述。
6、 在較低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)相移的控制較低轉(zhuǎn)速下為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，必須 提前換向，即過(guò)零點(diǎn)后，延遲預(yù)測(cè)本周期T的1/4 (15° )換向，實(shí)現(xiàn)45° -105 °運(yùn)行。
7、 相移的問(wèn)題在10轉(zhuǎn)/分轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，濾波電路造成的相移很小，可 不予考慮，故而在反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)之后延遲30°電角度換向，實(shí)現(xiàn)60° —120 °運(yùn)行。當(dāng)轉(zhuǎn)速高于10轉(zhuǎn)/分時(shí)，濾波電路造成的相移越來(lái)越大，此時(shí)必須考慮 其影響，以軟件方式加以補(bǔ)償。
8、 周期長(zhǎng)度的Kalman預(yù)測(cè)為了保證其正常運(yùn)行，必須估測(cè)當(dāng)前周期長(zhǎng)度， 依據(jù)轉(zhuǎn)把信號(hào)，通過(guò)前幾次的周期信號(hào)來(lái)預(yù)測(cè)本次周期的長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)負(fù)載變化時(shí) 不失步。
9、 隨機(jī)PWM技術(shù)的運(yùn)用為了減少發(fā)熱量，降低了PWM的頻率，但是卻出 現(xiàn)了可聽(tīng)噪聲，采用隨機(jī)P麗技術(shù)后，有效地降低了規(guī)律性噪聲，將頻譜平鋪到 了很寬的頻率范圍內(nèi)，達(dá)到了可以接受的程度。
具體包括無(wú)刷無(wú)霍爾電機(jī)的檢測(cè)電路和表頭速度顯示電路兩部分，能廣泛應(yīng) 用于電動(dòng)車控制器領(lǐng)域。
本發(fā)明中的檢測(cè)電路解決其技術(shù)問(wèn)題是采取以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其具體 特征在于(參見(jiàn)圖l):
以A相為例，A-0UT與電阻R1的一端相連，電容C1、 C2與電阻R1的另 一端相連，電阻R2與R1相連，電容C3、 C4與R2相連，電阻R13與R2相連， 電容C5、 C14與電阻R13相連，電阻R26、 R27與R13相連，三極管Tl集電 極與電容C1另一端相連，三極管T1基極與電阻R3相連，三極管T1的發(fā)射極 接地。三極管T6的集電極與電容C4的另一端相連，三極管T6的基極與電阻 R4相連，T6的發(fā)射極接地。三極管T5集電極與電容C5另一端相連，三極管 T5的基極與電阻R14相連，三極管Tl的發(fā)射極接地。電容CIO、 C13和C14 另一端接地。電阻R27、 R28、 R29接到一起與ICIA的負(fù)極相連，ICIA的正極 接地，IC1A的電源接12V，負(fù)極接-12V，電阻R32與IC1A輸出端和電阻R30 的一端相連，電阻R30的另一端與電阻R28相連，電阻R32的另一端與IC2B 的負(fù)極相連，IC2B的正極接地，電阻R33的一端與IC2B的負(fù)極相連，另一端 與IC2B的輸出端相連，IC1B的輸出端與IC2A的正極相連，IC2A的正極與電 阻R13相連，IC2A的輸出端接到單片機(jī)的輸入引腳，電阻R19的一端與5.6V 相連，另一端與IC2A輸出端相連。
本發(fā)明中的速度顯示電路解決其技術(shù)問(wèn)題是采取以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其 具體特征在于(參見(jiàn)圖2):
電阻R72 —端連接5.6V,另一端和三極管Tl的基極以及電阻R14的一端相 連接，R14的另一端接地。三極管Tl的發(fā)射極與AT、 BT、 CT相連接，三極管 Tl的集電極與R78和R87相接，電阻R87的另一端與三極管T17的基極相接， 三極管T17的發(fā)射極和二極管D6的正極相連，二極管D6的另一端與A-OUT 相連，三極管T17的集電極分別接電阻R88和48-24表頭，電阻R88的另一端 接到二極管D7的負(fù)端，和三極管T12的基極，二極管D7的正極與電阻R80相 連接，三極管T12的集電極與電阻R81的一端相連，三極管T12的發(fā)射極分別 與電阻R89和三極管T7的基極相接，電阻R89的另一端接地，三極管T7的發(fā) 射極與0-24表頭相接，三極管T7的集電極與電阻R81、 R80、 R78的另一端相 接，共同連接到KPOWER。 工作原理1、檢測(cè)電路--vO=R, *va+R^R2*vb+RWR3*vc通過(guò)濾波后將電機(jī)輸出的三相線與三線的中點(diǎn)電壓進(jìn)行比較準(zhǔn)確得到當(dāng)前 電機(jī)轉(zhuǎn)子位置。2、表頭速度顯示電路當(dāng)有電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，BTCT為高，當(dāng)電機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí)，將該引腳置低，A-OUT (電 機(jī)三相線其中的一根，顯示當(dāng)前電機(jī)換相頻率)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)越快轉(zhuǎn)速越高， A-OUT的輸出頻率越高，當(dāng)BTCT為低時(shí)，由于三極管11的基極電壓為2.7￥， 三極管T1導(dǎo)通，三極管T17始終截止；當(dāng)BTCT為高，A-OUT為高時(shí)，三極 管T17截止，48-24為高；當(dāng)BTCT為高，A-OUT為低時(shí)，三極管T17導(dǎo)通， 48-24為低；當(dāng)48-24為高時(shí)，三極管T12截止，三極管T12的發(fā)射極為低電位， 三極管T2截止，0-24為低；反之，當(dāng)48-24為低時(shí)，0-24為高。優(yōu)點(diǎn)和有益效果1. 能夠準(zhǔn)確的判斷當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置及準(zhǔn)確顯示電動(dòng)車的運(yùn)行速度。2. 降低了對(duì)單片機(jī)的要求，電路簡(jiǎn)單實(shí)用，穩(wěn)定性好，節(jié)省了成本，降低故障率。3. 采用三階濾波后，能夠?qū)⒈容^高的電壓轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以接受的輸入電壓。4.通過(guò)無(wú)霍爾控制器的使用，能給整個(gè)電動(dòng)車行業(yè)帶來(lái)如下好處由于取消了 對(duì)霍爾元件的依賴，從而大大提高了電動(dòng)車的質(zhì)量和可靠性；電機(jī)不存在60°與120°相角之分，電動(dòng)車的配置走向了統(tǒng)一，使生產(chǎn)、安裝、調(diào)試、維修和維 護(hù)更為簡(jiǎn)單；因電機(jī)可以做到終身免維修的水平，節(jié)省了售后成本，解決了廠家、 經(jīng)銷商、電機(jī)生產(chǎn)商、消費(fèi)者的售后問(wèn)題；從整車的角度來(lái)看，整車質(zhì)量明顯提高，壽命延長(zhǎng)，電動(dòng)車廠及經(jīng)銷商的品牌和聲譽(yù)能得到巨大的提升。具體實(shí)施例具體研究過(guò)程如下:首先進(jìn)行前沿技術(shù)研究，從理論上實(shí)現(xiàn)無(wú)霍爾定位檢測(cè); 然后根據(jù)電動(dòng)車的實(shí)際應(yīng)用提出相關(guān)的功能和性能指標(biāo)要求；最后進(jìn)行軟件編 程，實(shí)現(xiàn)利用互感技術(shù)在3ms內(nèi)快速尋找靜止?fàn)顟B(tài)下的轉(zhuǎn)子位置，并且精確到 30°電角度。實(shí)施例l (參見(jiàn)圖l):以A相為例，A-0UT與電阻R1的一端相連，電容C1、 C2與電阻R1的另 一端相連，電阻R2與R1相連，電容C3、 C4與R2相連，電阻R13與R2相連， 電容C5、 C14與電阻R13相連，電阻R26、 R27與R13相連，三極管Tl集電 極與電容C1另一端相連，三極管T1基極與電阻R3相連，三極管T1的發(fā)射極 接地。三極管T6的集電極與電容C4的另一端相連，三極管T6的基極與電阻 R4相連，T6的發(fā)射極接地。三極管T5集電極與電容C5另一端相連，三極管 T5的基極與電阻R14相連，三極管Tl的發(fā)射極接地。電容C10、 C13和C14 另一端接地。電阻R27、 R28、 R29接到一起與ICIA的負(fù)極相連，ICIA的正極 接地，IC1A的電源接12V，負(fù)極接-12V,電阻R32與IC1A輸出端和電阻R30 的一端相連，電阻R30的另一端與電阻R28相連，電阻R32的另一端與IC2B 的負(fù)極相連，IC2B的正極接地，電阻R33的一端與IC2B的負(fù)極相連，另一端 與IC2B的輸出端相連，IC1B的輸出端與IC2A的正極相連，IC2A的正極與電 阻R13相連，IC2A的輸出端接到單片機(jī)的輸入引腳，電阻R19的一端與5.6V 相連，另一端與IC2A輸出端相連。實(shí)施例2 (參見(jiàn)圖2):電阻R72 —端連接5.6V，另一端和三極管Tl的基極以及電阻R14的一端相 連接，R14的另一端接地。三極管Tl的發(fā)射極與AT、 BT、 CT相連接，三極管 Tl的集電極與R78和R87相接，電阻R87的另一端與三極管T17的基極相接， 三極管T17的發(fā)射極和二極管D6的正極相連，二極管D6的另一端與A-OUT 相連，三極管T17的集電極分別接電阻R88和48-24表頭，電阻R88的另一端 接到二極管D7的負(fù)端，和三極管T12的基極，二極管D7的正極與電阻R80相 連接，三極管T12的集電極與電阻R81的一端相連，三極管T12的發(fā)射極分別 與電阻R89和三極管T7的基極相接，電阻R89的另一端接地，三極管T7的發(fā) 射極與0-24表頭相接，三極管T7的集電極與電阻R81、 R80、 R78的另一端相 接，共同連接到KPOWER。
權(quán)利要求
1、一種新型的無(wú)刷控制器，它是在常規(guī)無(wú)刷控制器的基礎(chǔ)上取消了霍爾元件，其特征在于根據(jù)Kalman預(yù)測(cè)理論、PID理論及互感理論，針對(duì)各種路況、車輛負(fù)載情況和啟動(dòng)路況的不同，來(lái)確定在哪個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)啟動(dòng)，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)在測(cè)功機(jī)上預(yù)設(shè)的負(fù)載下啟動(dòng)，觀察啟動(dòng)時(shí)換向信號(hào)與霍爾信號(hào)的實(shí)際差異，從而實(shí)現(xiàn)在寬負(fù)載范圍內(nèi)的高效啟動(dòng)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)刷控制器，其特征在于利用Kalman 預(yù)測(cè)理論、PID理論以及互感理論以實(shí)現(xiàn)超低轉(zhuǎn)速(1.85轉(zhuǎn)/分)以下時(shí)，快速識(shí) 別轉(zhuǎn)子位置，具有速度快，準(zhǔn)確性髙的優(yōu)點(diǎn)，并且精確到30°電角度之內(nèi)，利 用電機(jī)磁滯效應(yīng)尋找轉(zhuǎn)子的南北極方向。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)刷控制器，其特征在于啟動(dòng)階段的轉(zhuǎn) 把PID調(diào)節(jié)，在啟動(dòng)階段設(shè)計(jì)成先是恒扭矩，后是恒加速度啟動(dòng)模式，并依此來(lái) 調(diào)節(jié)占空比。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)刷控制器，其特征在于當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速介 于1.85轉(zhuǎn)/ih"3.2轉(zhuǎn)/分時(shí)，采用電機(jī)正反轉(zhuǎn)識(shí)別技術(shù)，來(lái)避免不可抗的外界 力導(dǎo)致的電機(jī)反轉(zhuǎn)引起的不失步，以實(shí)現(xiàn)寬大負(fù)載范圍內(nèi)的大扭矩起動(dòng)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)刷控制器，其特征在于當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速介于 3.2轉(zhuǎn)/分一4.6轉(zhuǎn)/分時(shí)，由于電機(jī)的慣性存在，可不考慮電機(jī)會(huì)在外力作用下 在60°電角度內(nèi)會(huì)改變運(yùn)行方向，采用專有的探測(cè)技術(shù)采集轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，并 將此信號(hào)重合到反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)當(dāng)中。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)刷控制器，其特征在于在轉(zhuǎn)速介于1.85 轉(zhuǎn)/分-3.2轉(zhuǎn)/分運(yùn)行時(shí)相移的控制，為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，必須提前換向，即過(guò)零 點(diǎn)后，延遲預(yù)測(cè)本周期T的1/4 (15。)換向，實(shí)現(xiàn)45° -105°運(yùn)行。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)刷控制器，其特征在于電機(jī)在10轉(zhuǎn)/ 分的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，濾波電路造成的相移很小，可不予考慮，在反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn) 之后延遲30°電角度換向，實(shí)現(xiàn)60° —120°運(yùn)行；當(dāng)轉(zhuǎn)速高于10轉(zhuǎn)/分時(shí)，利 用軟件方式來(lái)補(bǔ)償濾波電路造成的相移影響。
8、根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)刷控制器，其特征在于利用帶通濾 波，取出有用的信息，剔除了 PWM的噪聲干擾和在某速度范圍內(nèi)的 反電動(dòng)勢(shì)干擾，確保加速階段不出現(xiàn)失步。
全文摘要
本發(fā)明是一種新型的無(wú)霍爾無(wú)刷控制器，其特點(diǎn)在于通過(guò)互感技術(shù)和帶通濾波，快速準(zhǔn)確尋找靜止?fàn)顟B(tài)下的轉(zhuǎn)子位置，剔除干擾，實(shí)現(xiàn)寬負(fù)載變化范圍內(nèi)地高效起動(dòng)；根據(jù)Kalman預(yù)測(cè)理論和PID理論以及互感理論，做出針對(duì)電動(dòng)車用電機(jī)的無(wú)霍爾控制器。針對(duì)各種路況、車輛負(fù)載情況和啟動(dòng)路況的不同，來(lái)確定在哪個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)啟動(dòng)，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)在測(cè)功機(jī)上預(yù)設(shè)負(fù)載下啟動(dòng)，觀察啟動(dòng)時(shí)換向信號(hào)與霍爾信號(hào)的實(shí)際差異，從而實(shí)現(xiàn)在寬負(fù)載范圍內(nèi)的高效啟動(dòng)。具體包括無(wú)刷無(wú)霍爾電機(jī)的檢測(cè)電路和表頭速度顯示電路兩部分，能廣泛應(yīng)用于電動(dòng)車控制器領(lǐng)域。該項(xiàng)技術(shù)對(duì)硬件要求簡(jiǎn)單，成本低廉，啟動(dòng)性能和正常運(yùn)行性能都好，具有很好的推廣性。
文檔編號(hào)H02P6/14GK101166009SQ20061001614
公開(kāi)日2008年4月23日 申請(qǐng)日期2006年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月17日
發(fā)明者林 鄧 申請(qǐng)人:林 鄧