CN101635548A - 无刷直流电机无位置传感器控制的平滑切换方法 - Google Patents

Abstract

无刷直流电动机无位置传感器控制的平滑切换方法针对传统无刷直流电动机无位置传感器控制在由外同步加速切换至自同步运行时存在切换时刻选择困难、切换过程中转子容易产生振动甚至失步的问题，提出了解决方案。在电机达到一定转速后，关断逆变器，电机利用惯性旋转，根据绕组端电压波形与导通相之间的对应关系来确定最佳切换时刻，在切换完成后通过动态调整换相时间使得电动机尽快进入产生最大平均电磁转矩的最佳换相逻辑运行状态。本方法无需附加专门的硬件电路，原理清晰，实现简单，运行可靠。

Description

无刷直流电机无位置传感器控制的平滑切换方法

技术领域

本发明所涉及的是一种无刷直流电动机由外同步加速切换至自同步运行状态时的平滑切换方法，是对传统无刷直流电机无位置传感器控制技术的改进，属于电机控制领域。

背景技术

基于反电动势检测法的无刷直流电动机无位置传感器控制技术，在工业和商业领域获得了广泛应用。但由于电动机绕组中感应的反电动势大小与转子转速成正比，电动机在静止或低速运行时反电动势为零或很小，致使反电动势法不再适用，须采用其他方法控制电机的运行。经过多年努力，在这方面已取得了不少成果，常见的起动方法有预定位法、升压升频同步法和短时检测脉冲转子定位法等。但无论采用哪种方法，当电机由外同步运行方式切换到基于反电动势检测的自同步运行方式时，切换时刻的选择在很大程度上影响了电机运行的稳定性，不合适的切换时刻甚至可能导致电机失步停转。目前还没有切换方法方面的专利。

发明内容

技术问题：针对传统无刷直流电动机无位置传感器控制由外同步加速切换至自同步运行方式时存在的问题，本发明提出一种无刷直流电机无位置传感器控制的平滑切换方法，根据在逆变器关断瞬间电机旋转时，绕组端电压波形与导通相之间的对应关系来确定最佳切换时刻。

技术方案：本发明的无刷直流电机无位置传感器控制的平滑切换方法为：在电机加速至反电动势过零点可以被检测到时，关断逆变器功率开关，电机依靠惯性继续旋转，根据三相端电压波形及其位置关系确定切换时刻和需要导通的两个功率开关，到达切换时刻触发功率开关导通；在切换完成后检测反电动势过零点，在反电动势过零点检测到后，设置新的延时时间T_NEW等于从换相时刻到出现反电动势过零点的时间T_CZ加上原来的延时时间T_OLD的一半；整个过程在不到一个电周期内实现电机由外同步运行状态平稳过渡至基于反电动势法的自同步运行状态。

关断逆变器功率开关后，端电压波形呈现为反电动势的线电压波形，根据三相端电压波形及其位置关系确定切换时刻和需要导通的两个功率开关；通过检测电机某一相的端电压波形，计时得到对应120°电角度的时间2T；切换完成后，延迟对应60°电角度的时间T后换相。

有益效果：本发明所提出的无刷直流电机无位置传感器控制平滑切换方法，克服了传统无位置传感器控制中由外同步加速切换至自同步运行方式时切换时刻不易选择的缺点，提高了电机运行的可靠性，简化了控制方法。

附图说明

图1为电机驱动电路结构图。

图2为逆变器关断后三相端电压波形示意图

图3.逆变器关断后的主电路等效电路

图4.平滑切换方法的流程图

具体实施方式

本发明所提无刷直流电动机无位置传感器控制平滑切换方法无需附加任何检测电路。硬件电路由MCU(微控制器)、功率逆变器及其驱动电路组成。三相端电压检测电路如图1所示，其中R_dc1＝R_A1＝R_B1＝R_C1，R_dc2＝R_A2＝R_B2＝R_C2，由检测电阻R_T将电流响应信号转化为电压信号，经运算放大器对此电压信号进行放大。

当电机由外同步方式加速到一定转速后，关闭所有功率器件(也即关闭逆变器)，电机转子在惯性作用下继续保持旋转，转子磁场切割定子绕组感应出反电动势，由此时的三相端电压波形和导通相之间的对应关系得到最佳切换时刻。

当电机转子加速到一定转速，可以检测到反电动势过零点时，应切换至反电动势运行方式，选择好合适的切换时刻和与之对应的导通相是保证可靠切换的关键，否则可能导致电机换相失败甚至失步停转；另外，切换之后应根据检测到的过零点位置调整换相时间，使电机尽快进入最佳换相逻辑状态。

逆变器关断瞬间，电机在转子惯性作用下继续旋转，转子磁场切割定子绕组感应出反电动势，电机工作在发电状态。在没有外施激励的作用，电机的转速将会下降，反电动势的幅值也会逐渐衰减至零，由于整个切换过程持续时间很短，对电机转速的影响很小，反电动势的幅值基本没有衰减。逆变器关断后的三相绕组端电压波形呈现为反电动势的线电压波形，如图2所示。此时的等效电路如图3所示，VD₂、VD₄、VD₆是与逆变桥三个下桥臂功率器件反并联的续流二极管，R_A＝R_B＝R_C是端电压检测电阻，Z_A、Z_B、Z_C是电机三相绕组等效阻抗。当电机某一相绕组的端电压较其他两相都小时，与该相绕组连接的下桥臂二极管导通。以A相绕组端电压为例，当A点的电位较之B、C两点的电位都低时(此状态对应120°电角度)，VD₄导通，A点的电位即为地电位，处于恒“零”状态。当B点或C点的电位处于最低时(这两个状态共对应240°电角度)，A点的端电压实际为AB两点间的线电压或AC两点间的线电压。其他两相端电压的变化规律相同，只是相位相差120°电角度。

端电压波形和导通相之间存在着对应关系。在每相绕组端电压波形水平部分(对应于120°电角度)应使下桥臂导通，在突起部分中间120°电角度范围应使上桥臂导通，中间凹陷处为换相点位置。

通过以上分析，如图2所示，从C相绕组端电压波形计时起点t₁时刻开始计时到t₂时刻停止计时，经过时间2T，T为对应于60°电角度的时间。计时结束时刻t₂即是切换时刻，对应的导通相为B+A-，延迟时间T后在t₃时刻换相，同时在延时过程中检测反电动势过零点，将检测到的过零点时刻和延时时间T综合后得到新的延时时间。调整延时时间的目的是为了使过零点始终位于延时时间间隔的中间位置，相当于在过零点之后延时30°电角度换相，这保证了电动机转子不会失步，并很快进入最佳换相逻辑状态。设从换相时刻至检测到反电动势过零点的时间为T_CZ，则新的延时时间T_NEW和前一次的延时时间T_OLD之间的关系为

$T_{\mathrm{NEW}}=T_{\mathrm{CZ}}+\frac{1}{2}{T}_{\mathrm{OLD}}$

检测电机A相或B相端电压均可实现平滑切换，只要相应地改变切换后对应的导通相即可。从逆变器关断到完成检测所需的时间不到一个电周期(对于极数较多的电机，检测所需的时间更短)，检测完成后马上进行切换，不会影响电机的运行。

Claims (2)

1.一种无刷直流电机无位置传感器控制的平滑切换方法，其特征在于，该方法在电机加速至反电动势过零点可以被检测到时，关断逆变器功率开关，电机依靠惯性继续旋转，根据三相端电压波形及其位置关系确定切换时刻和需要导通的两个功率开关，到达切换时刻触发功率开关导通；在切换完成后检测反电动势过零点，在反电动势过零点检测到后，设置新的延时时间T_NEW等于从换相时刻到出现反电动势过零点的时间T_CZ加上原来的延时时间T_OLD的一半；整个过程在不到一个电周期内实现电机由外同步运行状态平稳过渡至基于反电动势法的自同步运行状态。

2.根据权利要求1所述的无刷直流电机无位置传感器控制的平滑切换方法，其特征在于，关断逆变器功率开关后，端电压波形呈现为反电动势的线电压波形，根据三相端电压波形及其位置关系确定切换时刻和需要导通的两个功率开关；通过检测电机某一相的端电压波形，计时得到对应120°电角度的时间2T；切换完成后，延迟对应60°电角度的时间T后换相。

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