CN101505127A

CN101505127A - 一种提高永磁无刷直流电机位置检测精度的方法

Info

Publication number: CN101505127A
Application number: CNA2008100524834A
Authority: CN
Inventors: 曲国杰; 王津; 吴静; 倪平
Original assignee: TIANJIN AEROSPACE XINMAO RARE-EARTH MECHANICAL AND ELECTRICAL TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: TIANJIN AEROSPACE XINMAO RARE-EARTH MECHANICAL AND ELECTRICAL TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2008-03-20
Filing date: 2008-03-20
Publication date: 2009-08-12

Abstract

一种提高永磁无刷直流电机位置检测精度的方法，克服了受位置传感器加工精度及安装精度的限制造成位置信号不对称的情况；降低了对无刷直流电动机位置传感器加工精度的要求。本方法利用霍尔位置传感器检测电机磁极位置，通过高速处理器用速度信号计算出当前的电机角度变量θ，进而算出电机的位置信号，精确的控制无刷直流电动机换相。利用该方法还可以对无刷直流电机进行移相控制，使永磁无刷直流电机工作在弱磁状态，可使电机的工作转速高于额定转速，扩大永磁无刷直流电机的转速范围，可广泛用于国防军工、工业及民用等领域。

Description

一种提高永磁无刷直流电机位置检测精度的方法

所属技术领域

本发明涉及一种永磁无刷直流电动机直流驱动控制系统，特别是对永磁无刷直流电动机换相控制的位置检测及计算方法。

背景技术

直流电动机具有非常优秀的线性机械特性、宽的调速范围、大的启动转矩、简单的控制电路等优点，长期以来一直广泛地应用在各种驱动装置和伺服系统中。但是直流电动机的电刷和换相器却成为阻碍它发展的障碍。机械电刷和换向器因强迫性接触，造成它结构复杂、可靠性差、变化的接触电阻、火花、噪声等一系列问题，影响了直流电动机的调速精度和性能。因此，长期以来人们一直在寻找一种不用电刷和换相器的直流电动机。随着电子技术、功率半导体技术和高性能的磁性材料制造技术的飞速发展，这种想法已经能够实现。无刷直流电动机利用电子换相器取代了机械电刷和机械换相器，因此使这种电动机不仅保留了直流电动机的优点，而且又具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点，使他一出现就以极快的速度发展和普及。

无刷直流电动机的工作离不开电子开关电路，因此由电动机本体、转子位置传感器、控制电路和电子开关电路组成了无刷直流电动机控制系统。其原理框图如图1所示。图中，直流电源通过开关电路向电动机定子绕组供电，控制电路通过位置传感器检测到转子所处的位置，并根据转子的位置信号来控制开关管的导通和截止，从而自动地控制了哪些绕组通电，哪些绕组断电，实现了电子换相。

根据三相无刷直流电动机星形连接驱动原理，无刷直流电动机霍尔位置传感器的位置检测信号如图2，控制电路根据检测到的转子磁极所在的区间控制电子开关电路导通和关断，实现无刷换相。

霍尔位置传感器主要由安装在电机转子上的磁钢盘与安装在电机定子上的U、V、W三相信号和‘Z’信号霍尔元件所共同组成。三相霍尔元件在空间上相差120度电角度，转子上磁钢盘的磁钢与转子的永磁体一一对应且数量与电机的极对数相同，霍尔元件通过检测磁钢的磁信号来得到电机转子磁极的位置信号。当转子磁极位于0～180度范围内时，对应的U相霍尔元件输出“1”信号，在180～360度时输出“0”信号。同时，V相及W相的霍尔元件也输出相应的“1”和“0”，只是它们各自相差120度而已，见图2。‘Z’信号霍尔元件在一个机械周期里产生一个很窄的“1”信号。

实际中由于受霍尔位置传感器使用的磁钢加工精度及安装精度的限制，使得实际的位置信号并不象图2中那样，在360度内‘1’‘0’完全对称，他们相差有时可达±8度，甚至更大。特别是极对数多的电机、直径小的位置传感器的磁钢盘，对磁钢加工精度及安装精度的要求很高。同样受霍尔元件安装精度的影响，U、V、W三相信号之间也不是标准的120度。因此检测到的位置信号与实际位置信号有很大的误差。这在电机低速运行时影响还不大，而在电机高速运行时会产生很大的脉动转矩和噪声。

发明内容

本发明的技术解决问题是：因位置传感器精度不高，导致永磁无刷直流电动机换相不准，影响电机平稳运行。提出一种解决方法。

本发明的技术解决方案是：将直接检测位置信号改为在低速时使用直接检测位置信号，高速时利用速度信号计算出当前的电机角度变量θ，并根据角度变量θ计算区间代号。通过“Z”信号或电周期信号对计算的角度进行修正，以消除累积误差。满足控制器对位置信号的精度要求。另外在两种方式间的转换加速度滞环，防止电机在某一速度点上运行时两种方式的频繁转换。通过增加移相角还可以对电机进行移相控制。

附图说明

图1为无刷直流电动机控制系统的原理框图；

图2为霍尔位置传感器的位置检测信号；

图3为三相无刷直流电动机星形连接驱动原理图。

具体实施方式

1.如图1所示，永磁无刷直流电动机直流驱动控制系统由直流电源、开关电路、电动机、位置传感器、控制电路组成。

2.确定控制电路CPU的采样周期为T1；

3.控制电路使用DSP的捕获功能检测电机转速n；

4.确定电机的极对数P的数值；

5.当转速n<100转/分钟，使用直接检测到的UVW位置信号，如图2所示，

计算区间代号D：

if(UVW＝101)D＝1；

if(UVW＝100)D＝2；

if(UVW＝110)D＝3；

if(UVW＝010)D＝4；

if(UVW＝011)D＝5；

if(UVW＝001)D＝6；

6.当转速n>80转/分钟，使用电机的角度变量θ计算出当前位置，

计算区间代号D：

if(60>θ≥0)D＝1；

if(180>θ≥60)D＝2；

if(180>θ≥120)D＝3；

if(240>θ≥180)D＝4；

if(300>θ≥240)D＝5；

if(360>θ≥300)D＝6；

if(420>θ≥360)D＝1；

if(480>θ≥420)D＝2；

7.利用U相的上升沿作为修正信号；每当捕获到修正信号，正转时令电机的角度变量θ＝0；反转时令电机的角度变量θ＝360；

8.计算电机的当前角度θ_i＝θ_i-1+ω×T1；

ω＝2×π×f＝2×π×n×P÷60＝360×n×P÷60＝6×n×P；

ω：电机转子电极电角速度；n：电机转速；P：电机极对数

θ_i-1：上次采样周期计算的电机角度θ

9.根据区间代号D并按照表1的规律，控制电子开关电路的功率管的状态，从而控制电机的运行。见表1和图3

表1 三相星形连接全桥驱动功率开关管通电规律表

注：表中“1”表示导通；“0”表示截止；

10.也可以利用“Z”信号作为修正信号，对电机的角度变量θ进行修正；这时在用电机的角度变量θ计算区间代号D时，需要先用360度对电机的角度变量θ求余数，根据余数值再计算区间代号D。

11.如果想对电机进行移相控制，只需在用电机角度变量θ_i计算区间代号D时，加上所需的移相角“Δθ”，再计算区间代号D即可。通过移相控制可使电机工作在弱磁方式，进而提高电机的转速上限。

Claims

1.一种提高永磁无刷直流电机位置检测精度的方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)采用磁霍尔位置传感器检测永磁无刷电机的磁极位置信号；

(2)利用数字信号处理器(DSP)实时采集上述位置信号；

(3)利用数字信号处理器(DSP)实时检测电机的转速；

(4)利用数字信号处理器(DSP)实时计算出电机的磁极位置区间；

(5)低速时，利用磁霍尔位置传感器检测永磁无刷电机的磁极位置信号，进行永磁无刷直流电机的换相控制；高速时利用处理器(DSP)实时计算出的电机磁极位置，进行永磁无刷直流电机的换相控制。

2.根据权利要求1所述的提高永磁无刷直流电机位置检测精度的方法，其特征在于：所述的步骤(4)实时计算出电机的磁极位置区间是通过电机转速n先计算角度变量θ，再利用角度变量θ计算出电机的磁极位置区间。每个电周期(或机械周期)对角度变量θ进行修正。

3.根据权利要求2所述的提高永磁无刷直流电机位置检测精度的方法，其特征在于：所述的利用角度变量θ计算出电机的磁极位置区间时，如果用移相角Δθ与角度变θ之和计算电机的磁极位置区间，就可对永磁无刷直流电机进行弱磁控制。

4.根据权利要求1所述的提高永磁无刷直流电机位置检测精度的方法，其特征在于：所述的步骤(5)进行永磁无刷直流电机的换相控制，低速和高速控制方式之间的转换采用速度滞环。既当速度从0开始升速到转换点V2时，控制方式由低速方式改成高速方式；当速度从高速开始降速低于转换点V1时，控制方式由高速方式改成低速方式。转换点V1小于转换点V2，具体数值由实际情况来定。