CN100388617C - 无刷直流电动机的控制方法 - Google Patents

无刷直流电动机的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种无刷直流电动机的控制方法，通过防止在无刷直流电动机的初始启动阶段、给无刷直流电动机提供过大的电流，从而稳定地切换到无传感器运转模式。无刷直流电动机的同步加速中、在规定的相位换向时刻进行相电流的相位换向；检测出给所述无刷直流电动机提供的所述相电流的大小超过预先设定值的相电流施加时刻，并根据从所述相位换向时刻起、至所述相电流施加时刻为止的时间，控制给对应转子旋转位置的定子绕组施加电压的时刻。

Description

无刷直流电动机的控制方法
技术领域
本发明涉及电动机的控制方法，特别是涉及无刷直流电动机(无刷直流电动机)的无传感器运转模式的控制方法。
背景技术
无刷直流电动机，使用由开关元件构成的换向电路替代电刷和换向器等机械元件。此无刷直流电动机的特点有：不会因电刷磨损而需要更换，电磁干扰(electromagnetic interference)和驱动噪音小。
无刷直流电动机，通过将工业交流电源变换为脉冲状的多相交流电源(通常为3相)的电力变换装置来接收电源。控制无刷直流电动机的速度的控制部，根据电力变换装置提供给无刷直流电动机的多相交流电源的相电流信息、和转子的位置及速度信息，控制无刷直流电动机的旋转速度。控制部控制无刷直流电动机的旋转速度，以令其满足外部输入的速度命令。
为了使无刷直流电动机达到最佳的效率，必须使转子的位置和相电流的换向(commutation)时刻精确一致。因此，需要检测转子位置的装置，一般来说，为了检测转子位置使用编码器(encoder)之类的位置检测传感器，然而这种编码器的缺点是体积大、价格高。因此，探索使用电路来检测转子的位置的方法，最终一般使用通过电动机反电动势的零交叉点(Zero Crossing Point)检测转子位置的电路。这种使用电路代替编码器之类的位置检测传感器检测转子位置的运转模式，称为无传感器运转模式。
为了让无刷直流电动机进行无传感器运转，在开始无传感器运转前需要规定的初始启动。即，实施初始化变极器(inverter)及控制变量的系统初始化，使2相(3相的情况下)励磁，将转子强制排列。如果转子的排列结束，实施电动机的同步加速使相电压和驱动频率增加到预先设定的值为止。如果通过同步加速使驱动频率和相电压达到一定水平，则使驱动频率固定、并使相电压可变，同时检测此时产生的反电动势的零交叉点，完成运转模式切换。利用在这种过程中检测出的零交叉点，实现控制相电流转换以及电动机旋转速度的无传感器运转模式。
在此初始启动阶段，因为反电动势微弱，所以不能确定转子的实际位置，由此，对定子绕组任意地施加电压，使转子同步加速。因而，如果无刷直流电动机的负载改变，对定子绕组施加电压的时刻与转子位置不能正确地同步的概率较高。这样的话，由于给电动机提供了过电流导致过电流保护装置动作，从而无法正常工作；或者由于产生严重的转矩波动，难以进行正确的反电动势的零交叉点检测，结果导致向无传感器运转模式的转换失败。
发明内容
本发明鉴于上述问题，目的在于提供一种无刷直流电动机的控制方法，通过防止在无刷直流电动机的初始启动阶段、给无刷直流电动机提供过大的电流，从而稳定地切换到无传感器运转模式。
为了达到上述目的，根据本发明的一个方面的无刷直流电动机的同步加速控制方法的特征在于，使转子强制性地排列；在无刷直流电动机的同步加速中规定的相位换向时刻进行相电流的相位换向；检测出提供给所述无刷直流电动机的所述相电流的大小超过预先设定的值的相电流施加时刻；根据从所述相位换向时刻起、至所述相电流施加时刻为止的时间，检测出给转子旋转位置对应的定子绕组的施加电压的时刻是超前还是延迟，并通过调整所述电压施加时刻，防止给无刷电动机提供的相电流变得过大。
根据本发明的另一个方面的无刷直流电动机的同步加速控制方法的特征在于，强制排列转子；在规定的相位换向时刻，对给定子绕组提供的相电流进行相位换向；检测出给所述无刷直流电动机提供的所述相电流的大小超过预先设定的值的相电流施加时刻；判断从所述相位换向时刻起、至所述相电流施加时刻为止的时间是否在第1范围或者第2范围内；如果所述时间在第1范围内，判定为给所述转子位置对应的所述定子绕组施加电压的电压施加时刻超前，并使所述相电流的下一个相位换向时刻只延迟规定时间；如果所述时间在第2范围内，判定为给所述转子位置对应的所述定子绕组施加电压的电压施加时刻延迟，并使所述相电流的下一个相位换向时刻只提前规定的缩短时间；根据所述被延迟或者缩短之后生成的相位换向时刻，再次进行相位换向；如果驱动频率达到了预先设定的值，切换为无传感运转模式。
依照本发明中的无刷直流电动机的控制方法，通过防止在无刷直流电动机的初始启动阶段给无刷直流电动机提供过大的电流，从而减少转矩波动和启动噪音，并且能稳定地切换到同步加速以后的无传感器运转模式。
附图说明
图1是表示本发明实施方式下的无刷直流电动机的控制装置的方框图。
图2是表示本发明实施方式下的无刷直流电动机在无传感器运转的初始启动时的频率以及相电压的变化的波形图。
图3是表示当无刷直流电动机的相电压为适当大小时的相电流以及反电动势的波形的图。
图4是表示在无刷直流电动机的初始启动阶段，根据转子的位置(反电动势)和电压施加时刻的电流波形的关系的图。
图5是表示因给转子位置对应的定子绕组施加电压的时刻的不同、相电流变化的图。
图6是表示本发明实施方式下的无刷直流电动机的控制方法的顺序图。
图7是分别表示现有技术以及本发明中的初始同步加速阶段的电流波形。
具体实施方式
以下，参照附图1～附图7详细说明本发明的优选实施方式。
图1是表示本发明实施方式下的无刷直流电动机的控制装置的方框图。如图1所示，由变换器(converter)104、电容108及变极器(inverter)106构成的电力变换装置，将由交流电源装置102提供的交流电源变换为脉冲状的3相交流电源，提供给无刷直流电动机110。位置检测部112从变极器106给无刷直流电动机110提供的3相交流电源(U、V、W)中，获取转子的位置信息，生成位置检测信号118。位置检测部112的位置检测信号118被提供给控制部114，并根据此位置检测信号118，生成变极器控制信号120。控制部114，输出用于控制从变极器106输出的3相交流电源(U、V、W)的相位换向(phase commutation)时刻、及相电流的大小的变极器控制信号120，以使无刷直流电动机110的旋转速度遵循速度命令122。电流检测部116，检测出变换器104给变极器106提供的直流电源的电流，并将该值提供给控制部114。控制部114根据此电流值的信息，控制给定子绕组施加电压的时刻，以避免给无刷直流电动机110提供过电流。
图2是表示本发明实施方式下的无刷直流电动机在无传感器运转的初始启动时的频率以及相电压的变化的波形图。如图2所示，使驱动频率202和相电压204分别从f0和V0起上升至f1和V1之后，令驱动频率202固定为f1，而令相电压204在V1附近变化。在相电压204变化过程中检测出反电动势的零交叉点后获取转子的位置信息、并且电动机的定子的磁场和转子的磁场在稳定的范围内同步后，切换为无传感器运转模式后运转无刷直流电动机。
图3是表示当无刷直流电动机的相电压为适当大小时的相电流以及反电动势的波形的图。如图3所示，如果相电压的大小适当，则各相的相电流和反电动势的相位差为一定范围内的值，事实上是被同步了。
图4是表示在无刷直流电动机的初始启动阶段，转子的位置(反电动势)、和电压施加时刻下的电流波形的关系的图。图4(A)是给转子位置对应的定子绕组施加电压的时刻延迟的情况，能看出不仅反电动势和相电流的相位相互不一致，而且在相电流的后半部分，相电流的大小变得过大。图4(B)是给转子位置对应的定子绕组施加电压的时刻适当的情况，能看出不但反电动势和相电流的相位相互一致，而且由于没有相电流变得过大的区间，因此非常稳定。图4(C)是给转子位置对应的定子绕组施加电压的时刻超前的情况，能看出不仅反电动势和相电流的相位相互不一致，而且在相电流的前半部分，相电流的大小变得过大。
图5是表示因给转子位置对应的定子绕组施加电压的时刻不同而带来的相电流的变化的图。在本发明实施方式下的无刷直流电动机的控制方法中，根据给定子绕组施加电压的时刻起、至相电流变得过大的时刻为止的时间，检测出给转子位置对应的定子绕组施加电压的时刻是超前还是延迟，并通过调整此电压施加时刻，防止给无刷电动机提供的相电流变得过大。
首先，图5的(B)是给转子位置对应的定子绕组施加电压的时刻适当的情况。平均电流值(TH)是在无刷直流电动机的同步加速阶段中、给电动机施加额定负载、给定子绕组施加电压的时刻适当的情况下测量得到的、通电的非换向相电流的平均值。在本发明实施方式中，将相电流的大小超过此平均值(TH)10～20％左右的值设定为过电流值(TH1)，若相电流值超过此过电流值(TH1)，则判断为产生了过电流。
另外，在本发明的实施方式中，根据相电流值超过此过电流值(TH1)的时刻，判断给转子位置对应的定子绕组施加电压的时刻是超前还是延迟。即，在图5(A)中，与从相位换向时刻(t0)起、至检测出过电流值(TH1)的时刻为止的时间、即过电流检测时间(δt)比较长相对，在图5(C)中，此过电流检测时间(δt)较短。
在本发明实施方式中，计算出预计转子从相位换向时刻(t0)起转过15°的时间t_15°，如果过电流检测时间(δt)小或相于15°旋转预计时间(t_15°)(δt≤t_15°)，则判断为如图5(C)所示、给转子位置对应的定子绕组施加电压的时刻超前，并通过令下一个相位换向时刻(t1)延迟为图5(A)的t+，以使给定子绕组施加电压的时刻延迟。与此相对，计算出预计转子从相位换向时刻(t0)起旋过45°的时间t_45°，如果过电流检测时间(δt)大于15°的旋转预计时间(t_15°)、小于等于45°的旋转预计时间(t_45°)(t_15°＜δt≤t_45°)，则判断为如图5(A)所示、给转子位置对应的定子绕组施加电压的时刻延迟，并通过令下一个相位换向时刻(t1)提前为图5的t_，以使给定子绕组施加电压的时刻提前。
图6是表示本发明实施方式下的无刷直流电动机的控制方法的顺序图，表示从无刷直流电动机的初始启动开始、至切换为无传感器运转模式时为止的控制方法。如图6所示，如果无刷直流电动机是3相，使其中2相励磁以使转子强制性地排列；转子的排列结束后，使相电压和驱动频率增加到预先设定的值为止，进行电动机的同步加速(步骤S602)。同步加速开始后，则行相位换向(S604)。例如，如果在强制排列时使U-V相绕组励磁，相位换向为U-W相后使U-W相绕组励磁。控制部114利用内置定时器(图中未表示)，计算出到下一个相位换向时刻的时间(t_com)，并将内部定时器复位为“0”(步骤606)。接着，控制部114利用电流检测部116检测出通电的非换向相电流的大小(步骤608)，比较相电流是否比过电流值(TH1)大(步骤610)。如果相电流比过电流值(TH1)大，控制部114计算出从相位换向时刻开始至过电流检测时刻为止的时间、即过电流检测时间(δt)(步骤612)。另一方面，如果相电流没有超过过电流值(TH1)，则重复进行相电流检测(步骤608)以及比较动作(步骤610)，直到下一个相位换向时刻(t_com)为止(步骤614)。如果到达下一个相位换向时刻(t_com)，则进行相位换向(步骤626)。
接着，计算出过电流检测时间(δt)(步骤612)之后，首先与15°旋转预计时间(t_15°)进行比较(步骤616)，如果过电流检测时间(δt)小于等于15°的旋转预计时间(t_15°)，则使下一个相位换向时刻只延迟α(步骤618)。优选此α值为比15°旋转预计时间(t_15°)小的值(例如，转子的10°旋转预计时间(t_10°)的绝对值)。如果过电流检测时间(δt)超过了15°旋转预计时间(t_15°)，则比较过电流检测时间(δt)和45°旋转预计时间(t_45°)(步骤620)。如果过电流检测时间(δt)小于等于45°旋转预计时间(t_45°)，使下一个相位换向时刻只缩短(提前)α(步骤622)。
之后，比较内部定时器的计数值和以前算出的下一个相位换向时刻(步骤624)，如果达到了下一个相位换向时刻，则进行相位换向(步骤626)。此时的相位换向时刻或者是以前由控制部114算出的相位换向时刻，或者是此相位换向时刻被通过过电流检测延迟/缩短后的时刻中的某一个。
通过同步加速，如果同步加速频率达到了预先设定的频率(无传感器运转所必要的频率f_set)(步骤628)，则使频率固定、使相电压可变，同时切换为对此时产生的反电动势的零交叉点进行检测的无传感器运转模式(步骤630)。利用通过上述过程检测出的零交叉点，控制相位换向以及电动机的旋转速度，实现无传感器运转模式。
图7是分别表示现有技术和本发明中的同步加速阶段的电流波形的图。图7(A)中的纵向刻度的单位为2A/div，图7(B)中的纵向刻度的单位为0.5A/div。可以看出，图7(A)中用圆圈表示的702，是现有技术中的同步加速阶段的电流波形很大，大小约为3～4A；而图7(B)中704表示的本发明实施方式中的同步加速阶段的电流波形却非常小，大小约为0.25A。

Claims (12)

1.一种无刷直流电动机的同步加速控制方法，其特征在于，
使转子强制性地排列；
在无刷直流电动机的同步加速中规定的相位换向时刻进行相电流的相位换向；
检测出提供给所述无刷直流电动机的所述相电流的大小超过预先设定的值的相电流施加时刻；
根据从所述相位换向时刻起、至所述相电流施加时刻为止的时间，检测出给转子旋转位置对应的定子绕组的施加电压的时刻是超前还是延迟，并通过调整所述电压施加时刻，防止给无刷电动机提供的相电流变得过大。
2.根据权利要求1所述的无刷直流电动机的同步加速控制方法，其特征在于，
所述相电流的大小，是给所述无刷直流电动机提供的非换向相电流的大小。
3.根据权利要求1所述的无刷直流电动机的同步加速控制方法，其特征在于，
设定所述预先设定的值为，具有相对给所述无刷直流电动机提供的非换向相电流的平均值为110～120％的值，
所述非换向相电流的平均值，通过在所述无刷直流电动机的同步加速阶段给所述无刷直流电动机施加额定负载，并在所述电压施加时刻与所述转子的旋转位置同步的状态下测量得到。
4.根据权利要求1所述的无刷直流电动机的同步加速控制方法，其特征在于，
判断所述时间是否在第1范围或者第2范围内；
如果所述时间在第1范围内，判断为所述电压施加时刻超前，并使所述相电流的下一个相位换向时刻只延迟规定的延迟时间；
如果所述时间在第2范围内，判断为所述电压施加时刻延迟，并使所述相电流的下一个相位换向时刻只提前规定的缩短时间。
5.根据权力要求4所述的无刷直流电动机的同步加速控制方法，其特征在于，
所述第1范围，是从相位换向时刻起、至预计所述转子从所述相位换向时刻开始只转过第1角度的第1时刻为止的时间；
所述第2范围，是从所述第1时刻起、至预计所述转子从所述相位换向时刻开始只转过第2角度的时刻为止的时间。
6.根据权力要求5所述的无刷直流电动机的同步加速控制方法，其特征在于，
所述第1角度是15°；
所述第2角度是45°。
7.根据权力要求4所述的无刷直流电动机的同步加速控制方法，其特征在于，
所述延迟或者缩短时间，是所述转子转过10°～15°所需时间的绝对值。
8.根据权力要求4所述的无刷直流电动机的同步加速控制方法，其特征在于，
根据所述被延迟或者缩短之后生成的相位换向时刻，再次进行相位换向。
9.一种无刷直流电动机的同步加速控制方法，其特征在于，
强制排列转子；
在规定的相位换向时刻，对给定子绕组提供的相电流进行相位换向；
检测出给所述无刷直流电动机提供的所述相电流的大小超过预先设定的值的相电流施加时刻；
判断从所述相位换向时刻起、至所述相电流施加时刻为止的时间是否在第1范围或者第2范围内；
如果所述时间在第1范围内，判定为给所述转子位置对应的所述定子绕组施加电压的电压施加时刻超前，并使所述相电流的下一个相位换向时刻只延迟规定时间；
如果所述时间在第2范围内，判定为给所述转子位置对应的所述定子绕组施加电压的电压施加时刻延迟，并使所述相电流的下一个相位换向时刻只提前规定的缩短时间；
根据所述被延迟或者缩短之后生成的相位换向时刻，再次进行相位换向；
如果驱动频率达到了预先设定的值，切换为无传感运转模式。
10.根据权力要求9所述的无刷直流电动机的同步加速控制方法，其特征在于，
所述第1范围，是从相位换向时刻起、至预计所述转子从所述相位换向时刻开始只转过第1角度的第1时刻为止的时间；
所述第2范围，是从所述第1时刻起、至预计所述转子从所述相位换向时刻开始只转过第2角度的时刻为止的时间。
11.根据权力要求10所述的无刷直流电动机的同步加速控制方法，其特征在于，
所述第1角度是15°；
所述第2角度是45°。
12.根据权力要求9所述的无刷直流电动机的同步加速控制方法，其特征在于，
所述延迟或者缩短时间，是所述转子转过10°～15°所需时间的绝对值。
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