CN101355334A - 一种无位置传感器的无刷直流电机的相位修正控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无位置传感器的无刷直流电机的相位修正控制方法，其特征是依次有以下步骤：(1)在电机启动转速和额定转速之间等间隔设置至少一个采样点，通过记录对应相位延迟的电角度值测绘出速度和相位延迟的关系曲线；(2)编写电机控制程序，在采集BEMF的信号处理中加入相位延迟补偿程序，使其能在确切的换相点换相；(3)采用先定位再缓慢加速的方式启动电机；(4)在电机到达启动转速时，采集BEMF过零点信号，再通过编写的电机控制程序中的相位补偿子程序和换相控制子程序进行计算补偿。本发明具有简单灵活的优点，尤其是可以实时修正由位置检测电路造成的相位滞后。本方法可以广泛应用于各种无位置传感器的无刷直流电机的相位修正控制。

Description

一种无位置传感器的无刷直流电机的相位修正控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制，尤其是涉及一种无位置传感器的无刷直流电机的相位修正控制方法。

背景技术

现有无刷直流电机(Brushless DC Motor，简称BLDCM)运行时通常带有一个或多个转子位置传感器，逆变功率器件导通与关断取决于位置传感器实时检测出的电机转子位置。由于成本、可靠性以及机械装配等因素，尤其是当转子浸没在液体中运行时，安装转子位置传感器非常不便，而且稳定性和可靠性差。

为此，近年来推出了多种BLDCM的无传感器控制方法，其中反电动势(Back Electromotive Force，简称BEMF)法是目前最常用的一种无传感器的检测转子位置信号的控制方法，这种方法利用电机旋转时，各项绕组内BEMF信号过零点控制换相。而电路设计时都会采用滤波电路，保证信号平稳，以免出现错误的干扰信号，然而，采用滤波电路后与转速对应的不同频率会产生不同电角度相移，即相位延迟，导致BEMF过零信号不准确而推迟换相，使电机运行不稳定，甚至失步或停转的严重后果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是弥补上述现有技术的缺陷，提出一种无位置传感器的无刷直流电机的相位修正控制方法，因频率不同而产生电角度相移不同的相位补偿方法。

本发明的技术问题通过以下技术方案予以解决。

这种无位置传感器的无刷直流电机的相位修正控制方法，依次有以下步骤：

(1)在电机启动转速和额定转速之间等间隔设置至少一个采样点，通过记录对应相位延迟的电角度值测绘出速度和相位延迟的关系曲线；

(2)编写电机控制程序，在采集BEMF的信号处理中加入相位延迟补偿程序，使其能在确切的换相点换相；

(3)采用先定位再缓慢加速的方式启动电机；

(4)在电机到达启动转速时，采集BEMF过零点信号，再通过编写的电机控制程序中的相位补偿子程序和换相控制子程序进行计算补偿，达到电机稳定运行的效果。

本发明与现有技术对比的有益效果是：

本控制方法具有简单灵活的优点，尤其是可以实时修正由位置检测电路造成的相位滞后，弥补了传统无位置传感器无刷直流电机控制中的相位延迟导致换相时间不准确，调速范围窄、运行不够稳定可靠的缺陷。由于是通过记录对应相位延迟的电角度值测绘出速度和相位延迟的关系曲线，可以掌握相位延迟与电机转速的密切对应关系，从而增强了电机控制系统的安全性、稳定性和可靠性。由于在软件中使用了多次的相位检测判断比较补偿，不必增加硬件电路，可以方便调试和维护，显著降低成本，更加具有市场竞争力。本控制方法不必安装位置传感器，不必对滤波电路提出过高要求，可以减少高性能滤波电路的设计难度。本发明方法可以广泛应用于各种无位置传感器的无刷直流电机的相位修正控制。

附图说明

图1是本发明的具体实施方式的无刷直流电机驱动系统组成方框图；

图2是图1系统的电机控制程序编写流程图；

图3是图2中的相位补偿子程序和换相控制子程序的流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式并结合附图对本发明作进一步说明。

用于电动汽车空调控制系统中的无位置传感器的无刷直流电机的相位修正控制方法

采用本具体实施方法的无刷直流电机驱动系统组成如图1所示。包括：主控制器模块4、电动机模块2、电机驱动集成功率模块(Integrated PowerModule，简称IPM)1、由BEMF采集模块、滤波电路和比较电路模块组成的BEMF检测电路3，以及用于隔离主控制器模块4和电机驱动IPM 1的光耦隔离驱动模块5。

所述主控制器模块4，包括单片机和数字信号处理器(Digital SignalProcessing，简称DSP)，由单片机发出控制信号，通过光耦隔离驱动模块5隔离后送到电机驱动IPM1，电机驱动IPM1通过接收到的控制信号给U-V-W电机三相动力线通电，U-V-W三相动力线连接到电动机模块2的电机绕组U、V、W相线圈，在通电时会产生BEMF；所述主控制器模块4还基于BEMF检测电路3回送的其检测出的表示电机转子位置的BEMF信号，计算PWM占空比，输出换相信号，控制导通关断信号，并进行转速计算调节处理以及相位补偿处理和换相控制。

所述电动机模块2是无位置传感器的BLDCM，它将电能转换成机械能使空调运行。

所述电机驱动IPM 1，是电动机模块2的驱动板块，采用6个IGBT合成，可分为上、下桥臂。三个上桥臂的输入端与电源的正极母线相连接，三个下桥臂与电源的负极母线地相连接，每对上下桥臂的中间连接点分别与电动机模块2的电机绕组U、V、W相线圈相连接。

所述BEMF检测电路3中的BEMF采集模块，连接在给电动机模块2通电运行的U-V-W三相动力线上，在某相动力线无电流通过时，将所采集的由电机相应绕组线圈产生的BEMF，传送至滤波电路进行滤波和去扰，使BEMF信号更加稳定和准确，再由比较电路比较电机U-V-W三相电压的和与单相电压的比值，检测出反应电机转子位置的BEMF信号，并回送给主控制器模块4。

由于设有滤波电路，所采集的由电机相应绕组线圈产生的BEMF信号存在相位延迟，有必要采用本发明方法进行相位补偿，依次有以下步骤：

(1)在BLDCM启动转速和额定转速之间等间隔设置多个采样点，通过记录对应相位延迟的电角度值测绘出速度和相位延迟的关系曲线；

由于通过BEMF采集到准确的换相点是无位置传感器控制的核心，先要掌握实际的相位延迟的变化情况才能做出正确的换相控制。为此，先将霍尔位置传感器安装在BLDCM上，以通用的三相六拍的控制方式给电机三相通电，此时的换相信号来源是霍尔位置信号传感器反映的转子位置。调节下桥臂输出的PWM占空比，使BLDCM运转在各个采样点的转速，用示波器同时测试对应相的霍尔信号和BEMF反馈信号，比较其相位关系，记录BEMF落后真实霍尔位置的相位延迟电角度值。测量BEMF和霍尔传感器检测的电角度的角度差值，并记录下各个采样点的转速和相位，测绘出速度和相位延迟的关系曲线。

(2)编写电机控制程序，在采集BEMF的信号处理中加入相位延迟补偿程序，使其能在确切的换相点正确换相；

所述步骤(2)中电机控制程序编写流程依次有以下步骤：

1)主控制器模块4初始化。

2)使BLDCM进入开环启动运行状态，从静止加速到启动转速，可以采集BEMF。

3)进入主中断循环系统，依次有以下操作：

①电流检测：通过微处理器的AD口采集母线电流，检测电流情况，并且根据电流值控制PWM构成电流闭环回路；

②BEMF检测：通过微处理器的I/O口捕获BEMF模拟过零点的反馈信号，判断是否有BEMF过零信号发生，如果是，则计算出信号跳变时间和控制换相逻辑次序，如果否，则返回主程序；

③速度计算：通过公式RPM＝60/(T×N×6)计算出电机当前转速，式中T：BEMF检测函数提供的信号跳变时间；N：电机的极对数；

④速度调节：判断额定转速和计算出的当前转速是否相等.如果相等，则不需要速度调节，如果不相等，则缓慢调节PWM占空比，使电机最后达到额定转速；

⑤电流调节：检测当前母线电流，根据母线电流情况调节PWM占空比，使母线电流更加稳定；

⑥PWM调节：根据速度调节和电流调节的要求，调节PWM占空比；

⑦相位补偿：根据速度计算函数提供的电机当前转速，计算出对应的相位补偿值；

⑧换相控制：计算与换相对应的逻辑关系，控制换相时间和等待换相控制。

(3)采用先定位再缓慢加速的方式启动电机；在电机静止或者低速运行时，关断相的感应BEMF为零或者太小，不能采集到BEMF正确值，因此，必须先使电机从静止逐渐缓慢加速到BEMF可以采集的运行状态。

所述步骤(3)中先定位再缓慢加速的启动电机方式，依次有如下步骤；

1)首先对电机转子定位，给固定的两相动力线如U-V通电，并延时一段时间，使电机转动到一个固定状态等待；

2)然后对依照需要的通电次序如U-V、U-W、V-W、V-U、W-U、W-V，导通下一项如U-W通电，使电机向一个方向旋转并延时一段时间，再导通下一项如V-W，使电机有序的转动，在转动过程中逐渐的阶梯形增加占空比，并且缩短导通关断时间，使电机缓慢加速至稳定的启动转速后，再保持当前PWM占空比和导通关断时间。

(4)在电机到达启动转速时，采集BEMF过零点信号，再通过编写的电机控制程序中的相位补偿子程序和换相控制子程序进行计算补偿，计算出准确的换相点，使其换相，达到电机稳定运行的效果。

从开环切换到闭环状态时，需要先通过初始调节PWM占空比调节电机初始相位，步骤如下：

1)比较开环状态的导通关断的相位时序，检测的BEMF过零信号的相差电角度，是否和当前转速对应的相位延迟的电角度相同；

2)如果不同，则用调节PWM占空比的方法使其相差的电角度相同。

所述步骤(4)中相位补偿子程序和换相控制子程序的流程如图6所示，依次有以下步骤：

1)进入相位和换相补偿程序，输入BEMF采集信号；

2)判断是否有BEMF过零点信号，如果否，返回主程序；如果是，继续步骤3)；

3)如果有BEMF过零点信号，有以下子步骤：

①停止定时器；

②读取定时器时间T；

③清零定时器；

④重新开启定时器；

4)将定时器时间T代入计算公式RPM＝60/(T×N×6)计算出电机当前转速，式中N为电机极对数；

5)通过已经测绘出的速度和相位延迟的关系曲线，将计算出的当前转速代入对应速度和相位延迟的关系曲线的程序函数，通过该程序函数计算出与当前转速对应的相位延迟电角度。

6)根据不同的延迟电角度a，进入不同支路，导通对应的通电相；

7)当延迟电角度a≤30°时，

①直接通过计算30°-a＝b得到等待电角度b；

②进入等待状态，当等待时间等于等待电角度b对应的时间时，导通当前项桥臂；

③设置30°导通控制标志位，解决平稳过渡问题；

8)当30°＜延迟电角度a≤90°时，

①判断是否是第一次进入该循环，且最后一次进入30°电角度延迟的标志位Last30AngleFlg＝1，如果否，直接计算等待电角度b，如果是，继续进入下步骤②；

②如果是第一次进入该循环，将最后一次进入30°电角度延迟的标志位Last30AngleFlg标志位清零，Last30AngleFlg＝0，再导通通过BEMF计算的对应的当前项桥臂，使其不用等待一个电角度60°的导通周期；

③计算90°-a＝b得到等待电角度b；

④进入等待状态，当等待时间等于等待电角度b对应的时间时，导通下一项桥臂；

⑤设置90°导通控制标志位，解决平稳过渡问题；

9)当90°＜延迟电角度a≤150°时，

①判断是否是第一次进入该循环，且最后一次进入90°电角度延迟的标志位Last30AngleFlg＝1，如果否，直接计算等待电角度b，如果是，继续进入下步骤2)；

②如果是第一次进入该循环，将最后一次进入90°电角度延迟的标志位Last30AngleFlg标志位清零，Last90AngleFlg＝0，再导通通过BEMF计算的对应的下一项桥臂，使其不用等待一个电角度60°的导通周期；

③计算150°-a＝b得到等待电角度b；

④进入等待状态，当等待时间等于等待电角度b对应的时间时，导通下两项桥臂；

10)返回主程序。

为了电机运行的稳定效果，优选地，相位补偿电角度扩大至150°。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (4)

1.一种无位置传感器的无刷直流电机的相位修正控制方法，其特征在于：

依次有以下步骤：

(1)在电机启动转速和额定转速之间等间隔设置至少一个采样点，通过记录对应相位延迟的电角度值测绘出速度和相位延迟的关系曲线；

(2)编写电机控制程序，在采集BEMF的信号处理中加入相位延迟补偿程序，使其能在确切的换相点换相；

(3)采用先定位再缓慢加速的方式启动电机；

(4)在电机到达启动转速时，采集BEMF过零点信号，再通过编写的电机控制程序中的相位补偿子程序和换相控制子程序进行计算补偿，达到电机稳定运行的效果。

2.如权利要求1所述的无位置传感器的无刷直流电机的相位修正控制方法，其特征在于：

所述步骤(2)中电机控制程序编写流程依次有以下步骤：

1)主控制器模块初始化；

2)使BLDCM进入开环启动运行状态，从静止加速到启动转速，可以采集BEMF；

3)进入主中断循环系统，依次有以下操作：

①电流检测：通过微处理器的AD口采集母线电流，检测电流情况，并且根据电流值控制PWM构成电流闭环回路；

②BEMF检测：通过微处理器的I/O口捕获BEMF模拟过零点的反馈信号，判断是否有BEMF过零信号发生，如果是，则计算出信号跳变时间和控制换相逻辑次序，如果否，则返回主程序；

③速度计算：通过公式RPM＝60/(T×N×6)计算出电机当前转速，式中T：BEMF检测函数提供的信号跳变时间；N：电机的极对数；

④速度调节：判断额定转速和计算出的当前转速是否相等.如果相等，则不需要速度调节，如果不相等，则缓慢调节PWM占空比，使电机最后达到额定转速；

⑤电流调节：检测当前母线电流，根据母线电流情况调节PWM占空比，使母线电流更加稳定；

⑥PWM调节：根据速度调节和电流调节的要求，调节PWM占空比；

⑦相位补偿：根据速度计算函数提供的电机当前转速，计算出对应的相位补偿值；

⑧换相控制：计算与换相对应的逻辑关系，控制换相时间和等待换相控制。

3.如权利要求1或2所述的无位置传感器的无刷直流电机的相位修正控制方法，其特征在于：

所述步骤(3)中先定位再缓慢加速的启动电机方式，依次有如下步骤；

1)首先对电机转子定位，给固定的两相动力线通电，并延时一段时间，使电机转动到一个固定状态等待；

2)然后对依照需要的通电次序，导通下一项通电，使电机向一个方向旋转并延时一段时间，再导通下一项，使电机有序的转动，在转动过程中逐渐的阶梯形增加占空比，并且缩短导通关断时间，使电机缓慢加速至稳定的启动转速后，再保持当前占空比和导通关断时间。

4.如权利要求3所述的无位置传感器的无刷直流电机的相位修正控制方法，其特征在于：

所述步骤(4)中相位补偿子程序和换相控制子程序的流程，依次有以下步骤：

1)进入相位和换相补偿程序，输入BEMF采集信号；

2)判断是否有BEMF过零点信号，如果否，返回主程序；如果是，继续步骤3)；

3)如果有BEMF过零点信号，有以下子步骤：

①停止定时器；

②读取定时器时间T；

③清零定时器；

④重新开启定时器；

4)将定时器时间T代入计算公式RPM＝60/(T×N×6)计算出电机当前转速，式中N为电机极对数；

5)通过已经测绘出的速度和相位延迟的关系曲线，将计算出的当前转速代入对应速度和相位延迟的关系曲线的程序函数，通过该程序函数计算出与当前转速对应的相位延迟电角度；

6)根据不同的延迟电角度a，进入不同支路，导通对应的通电相；

7)当延迟电角度a＜30°时，

①直接通过计算30°-a＝b得到等待电角度b；

②进入等待状态，当等待时间等于等待电角度b对应的时间时，导通当前项桥臂；

③设置30°导通控制标志位，解决平稳过渡问题；

8)当30°＜延迟电角度a＜90°时，

①判断是否是第一次进入该循环，且最后一次进入30°电角度延迟的标志位Last30AngleFlg＝1，如果否，直接计算等待电角度b，如果是，继续进入下步骤2)；

②如果是第一次进入该循环，将最后一次进入30°电角度延迟的标志位Last30AngleFlg标志位清零，Last30AngleFlg＝0，再导通通过BEMF计算的对应的当前项桥臂，使其不用等待一个电角度60°的导通周期；

③计算90°-a＝b得到等待电角度b；

④进入等待状态，当等待时间等于等待电角度b对应的时间时，导通下一项桥臂；

⑤设置90°导通控制标志位，解决平稳过渡问题；

9)当90°＜延迟电角度a＜150°时，

①判断是否是第一次进入该循环，且最后一次进入90°电角度延迟的标志位Last30AngleFlg＝1，如果否，直接计算等待电角度b，如果是，继续进入下步骤②；

②如果是第一次进入该循环，将最后一次进入90°电角度延迟的标志位Last30AngleFlg标志位清零，Last90AngleFlg＝0，再导通通过BEMF计算的对应的下一项桥臂，使其不用等待一个电角度60°的导通周期；

③计算150°-a＝b得到等待电角度b；

④进入等待状态，当等待时间等于等待电角度b对应的时间时，导通下两项桥臂；

10)返回主程序。

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