CN101841291A - 一种直流无刷电机控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种直流无刷电机控制方法,其特征在于:电机进入稳态工作后,转子位置检测单元向电机控制单元发出换相信号,电机控制单元提前或者延迟一定的补偿电角度进行换相,记录并比较每次用不同补偿电角度的情况下的相电流值In,得到在该稳态工作条件时的最小相电流值Imin对应的最佳补偿角αm,然后使电机以最佳补偿角αm提前或者延迟换相。它在电机工作在稳态后,以最小的相电流值运行,节约电能,提高效率。

Description

一种直流无刷电机控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及无刷电机及电子控制换相技术领域,特别涉及一种直流无刷电机的控 制方法。

背景技术:

[0002] 以三相直流无刷电机为例说明其控制原理:如图1所示,直流无刷驱动器包括电 源部及控制部:电源部提供三相电源给电机,控制部则依需求转换输入电源频率。电源 部可以直接以直流电输入或以交流电输入(110V/220V),如果输入是交流电先经转换器 (AC-DCconverter)转成直流。不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈绕组前须 先将直流电由换流器(inverter)转成3相电压来驱动电机。换流器(inverter) —般由 6个功率晶体管(Ql〜Q6)分为上臂(Ql、Q3、Q5)/下臂(Q2、Q4、Q6)连接电机作为控制 流经电机线圈的开关。控制部则提供PWM(脉冲宽度调制)决定功率晶体管开关频度及 换流器(inverter)换相的时机。直流无刷电机一般希望使用在当负载变动时速度可以 稳定于设定值而不会变动太大的速度控制,所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器 (hall-sensor),做为速度之闭环回路控制,同时也做为相序控制的依据。

[0003] 要让电机转动起来,首先控制部就必须根据hall-sensor感应到的电机转子目前 所在位置,然后依照定子绕线决定开启或关闭换流器(inverter)中功率晶体管的顺序,如 下图1中inverter中之AH、BH、CH(这些称为上臂功率晶体管)及AL、BL、CL(这些称为下 臂功率晶体管),使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆向)旋转磁场,并与转子的磁铁 相互作用,如此就能使电机顺时/逆时转动。当电机转子转动到hall-sensor感应出另一组 信号的位置时,控制部又再开启下一组功率晶体管,如此循环电机就可以依同一方向继续 转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率晶体管(或只开下臂功率晶体管);要电 机转子反向则功率晶体管开启顺序相反。基本上功率晶体管的开法可举例如下:AH、BL — 组一AH、CL 一组一BH、CL 一组一BH、AL 一组一CH、AL 一组一CH、BL 一组很明显在图1的 无刷电机一个周期需要换相六次,每次分别接通不同的线圈绕组:W、V — W、U — V、U — V、 W — U、W — U、V。

[0004] 目前,直流无刷电机可以根据客户要求的条件下运行,例如恒速、恒力矩、恒功率 等条件下,电机控制器利用闭环控制可以使电机按预设条件下稳定运行,例如,要求直流无刷电机以1200转/分钟运行,当电机控制器使电机以1200转/分钟运行后即进入一个稳 定的状态。

[0005] 传统的电机换相是通过专门测量单元测量转子位置来实现,测量单元可以是霍尔 传感器或者测量线圈绕组的反电动势,但在安装霍尔传感器的位置误差或者测量单元的电 子元器件的精度问题,往往测量到转子的换相位置不是最合适的换相位置,从而使各相绕 组的工作电流过大,能耗增加。发明内容:

[0006] 本发明的一个目的是提供一种直流无刷电机控制方法,在电机工作在稳态后,以 最小的相电流值运行,节约电能,提高效率。

[0007] 本发明的目的是通过下述技术方案予以实现。

[0008] 一种直流无刷电机控制方法,其特征在于:电机进入稳态工作后,转子位置检测单 元向电机控制单元发出换相信号,电机控制单元提前或者延迟一定的补偿电角度α n进行 换相,记录并比较每次用不同补偿电角度an的情况下的相电流值In,得到在该稳态工作 条件时的最小相电流值Imin对应的最佳补偿角am,然后使电机以最佳补偿角a m提前或 者延迟换相。

[0009] 上述所述在该稳态工作时的最小相电流值Imin对应的最佳补偿角a m可以通过 如下方法得到:

[0010] SOl :电机进入稳态后,转子位置检测单元检测电机的转子位置,电机控制单元正 常换相,通过电流检测电路检测此时的电机定子的平均相电流IO ;

[0011] S02 :确定在该稳态条件时的最小补偿电角度Δ α ;

[0012] S03:通过转子位置检测单元检测到的电机转子正常换相位置时,提前或者延迟一 个补偿电角度△ α换相;通过电流检测电路检测此时的电机定子的平均相电流Il ;比较 IO和Il相电流值可知是提前还是延时换相;

[0013] S04:按最小补偿电角度单位Δ α累计增加补偿电角度ηΔ α (η = 2,3,4, ···), 根据步骤S03确定的提前或者延时换相关系,在通过转子位置检测单元检测到的电机转子 正常换相位置时,提前或者延迟该补偿电角度ηΔ α换相;通过电流检测电路检测每次改 变补偿电角度值后的电机定子的平均相电流In,比较用不同补偿电角度的情况下的相电流 值In,寻找到最小相电流值Imin和对应的最佳补偿角a m。

[0014] 上述所述的稳态是电机在特定控制要求下的运行状态,可以是恒速运行稳态、可 以恒力矩运行稳态、或者是恒功率运行的稳态。

[0015] 上述所述对于单相直流无刷电机,所述的换相信号是指电流换向信号。

[0016] 本发明与现有技术相比具有如下优点:在电机工作在稳态后,通过追踪电机换相 时的最小的相电流值运行对应的最佳补偿角,使电机以最佳补偿角am提前或者延迟在换 相或者换向,使线圈绕组工作电流处于最小值,从而节约电能,降低运行成本。

附图说明:

[0017] 图1是直流无刷电机的运行原理图;

[0018] 图2是本发明的流程图。

[0019] 图3是本发明实施例一的换相电角度示意图;

[0020] 图4是本发明实施例一的结构示意图;

[0021] 图5是本发明实施例二的电路原理图。

[0022] 具体实施方法

[0023] 下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。

[0024] 如图2所示,本发明的一种直流无刷电机控制方法,其特征在于:电机进入稳态工 作后,转子位置检测单元向电机控制单元发出换相信号,电机控制单元提前或者延迟一定的补偿电角度进行换相,记录并比较每次用不同补偿电角度的情况下的相电流值In,得到 在该稳态工作条件时的最小相电流值Imin对应的最佳补偿角a m,然后使电机以最佳补偿 角am提前或者延迟换相。

[0025] 上述所述在该稳态工作时的最小相电流值Imin对应的最佳补偿角a m可以通过 如下方法得到:

[0026] S01 :电机进入稳态后,转子位置检测单元检测电机的转子位置,电机控制单元正 常换相,通过电流检测电路检测此时的电机定子的平均相电流10 ;

[0027] S02 :确定在该稳态条件时的最小补偿电角度A a ;

[0028] S03:通过转子位置检测单元检测到的电机转子正常换相位置时,提前或者延迟一 个补偿电角度△ a换相;通过电流检测电路检测此时的电机定子的平均相电流II ;比较 10和II相电流值可知是提前还是延时换相;

[0029] S04:按最小补偿电角度单位A a累计增加补偿电角度n A a (n = 2,3,4,...),根 据步骤S03确定的提前或者延时换相关系,在通过转子位置检测单元检测到的电机转子正常 换相位置时,提前或者延迟该补偿电角度n A a换相;通过电流检测电路检测每次改变补偿 电角度值后的电机定子的平均相电流In,比较用不同补偿电角度的情况下的相电流值In,寻 找到最小相电流值tain和对应的最佳补偿角am。所述的稳态是电机在特定控制要求下的 运行状态,可以是恒速运行稳态、可以恒力矩运行稳态、或者是恒功率运行的稳态。

[0030] 具体实施例一:见图1、图3、图4所示,以三相直流无刷电机为例说明本发明的控 制方法,图3中设置有六个换相时刻,分别为Tl、T2、T3、T4、T5、T6,经过6次换相后形成 一个换相周期,电机转子转动一圈,开关管的动作如下:AH、BL 一组一AH、CL 一组一BH、CL 一组一BH、AL 一组一CH、AL 一组一CH、BL 一组,每次分别接通不同的线圈绕组:W、V — W、 U — V、U — V、W — U、W — U、V。从理论上讲,60度的电角度换相一次,但在安装霍尔传感器 的位置误差或者测量单元的电子元器件的精度问题,往往测量到转子的换相位置不是最合 适换相位置,从而使各相绕组的工作电流过大,能耗增加。因此,在电机进入稳态后(例如 以1000转/分恒速运动),需要寻找最佳的换相位置,使相电流最小。从图4中,也可以看 出一个周期有6个换相时间点,定子1上的霍尔传感器3可以感应转子2所处位置,当转子 到达某个位置,霍尔传感器3马上发出换相信号。

[0031] 假设T1时刻霍尔传感器发出信号,开关管的动作如下:AH、BL—组打开通电,线圈 绕组W、V得电开始工作,

[0032] 现采用如下方法获得最小相电流值Imin和对应的最佳补偿角a m :

[0033] A :S01 :电机进入稳态后,转子位置检测单元检测电机的转子位置,电机控制单元 正常换相,通过电流检测电路检测此时的电机定子的平均相电流10 ;

[0034] B :确定在该稳态条件时的最小补偿电角度A a = 0. 1度;

[0035] C :提前电角度单位A a = 0. 1度换相,记录相电流值II,并比较相电流值II与 初始相电流值10的大小,则判断出,提前还是延迟换相。

[0036] 若提前换相(II < 10),下次换相时,提前2 A a = 0. 2度换相,并记录相电流值 12,比较相电流值12与II的大小,若12 < II,换相时继续增大补偿电角度,提前补偿电角 度nA a换相;若n = 8时,若In_l < In,则Imin = In_l,am = 7 A a n ;寻找到最小相 电流值Imin和对应的最佳补偿角am。那末,在该稳态的情况下,开关管AH、BL —组打开通电的最佳角度是比正常换相提前0.7度换相,使线圈绕组W、V得工作电流最小。其它绕 组的换相方法可以参考上述方法。

[0037] 若延迟换相时(II >10),下次换相时,延迟2 A a = 0. 2度换相,并记录相电流值 12,比较相电流值12与II的大小,若12 < II,换相时继续增大补偿电角度,延时补偿电角 度nA a换相;若n = 8时,若In_l < In,则Imin = In_l,am = 7 A a n ;寻找到最小相 电流值Imin和对应的最佳补偿角am。那末,在该稳态的情况下,开关管AH、BL —组打开 通电的最佳角度是比正常换相延迟0.7度换相,使线圈绕组W、V得工作电流最小。其它绕 组的换相方法可以参考上述方法。

[0038] 实施例二 :如图5所示的单相直流无刷电机,它不存在换相问题,但需要换向,即 改变电流方向。通过打开开关管Ql、Q4可以实现电流的一个流向,通过打开开关管Q2、Q3 可以实现电流的另一个流向,从理论上讲,180度的电角度换向一次,但在安装霍尔传感器 的位置误差或者测量单元的电子元器件的精度问题,往往测量到转子的换向位置不是最合 适的换向位置,从而使绕组的工作电流过大,能耗增加。因此,在电机进入稳态后(例如以 1000转/分恒速运动),需要寻找最佳的换向位置,使相电流最小。

[0039] 假设某时刻霍尔传感器发出信号,开关管Ql、Q4的动作,线圈绕组得电开始工作, 现采用如下方法获得最小相电流值Imin和对应的最佳补偿角a m :

[0040] A :程序开始运作时,记录第一次换向的初始相电流值10 ;

[0041] B :确定在该稳态条件时的最小补偿电角度A a = 0. 2度;

[0042] C:延迟电角度单位A a = 0. 2度换向,记录相电流值11,并比较相电流值11与初 始相电流值10的大小,假设II < 10,则判断出,应该延迟换向,下次换向时,延迟2 A a = 0. 4度换相,并记录相电流值12,比较相电流值12与II的大小,若12 < II,换向时继续增 大补偿电角度,当延时补偿电角度n A a换相,若n = 8时,若17 < 18,则Imin = 17,am =7A an= 1. 4度;寻找到最小相电流值Imin和对应的最佳补偿角am。那末,在该稳态 的情况下,开关管Q1、Q4—组打开通电的最佳角度是滞后电角度1.4度换向,使线圈绕组工 作电流最小。开关管Q2、Q3换向方法可以参考上述方法。

[0043] 上述实施例为本发明的较佳实施方法,但本发明的实施方法不限于此,其他任何 未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均为等效的置换方 法,都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

  1. 一种直流无刷电机控制方法,其特征在于:电机进入稳态工作后,转子位置检测单元向电机控制单元发出换相信号,电机控制单元提前或者延迟一定的补偿电角度进行换相,记录并比较每次用不同补偿电角度的情况下的相电流值In,得到在该稳态工作条件时的最小相电流值Imin对应的最佳补偿角αm,然后使电机以最佳补偿角αm提前或者延迟换相。
  2. 2.根据权利要求1所述的一种直流无刷电机控制方法,其特征在于:在该稳态工作时 的最小相电流值Imin对应的最佳补偿角a m可以通过如下方法得到:501 :电机进入稳态后,转子位置检测单元检测电机的转子位置,电机控制单元正常换 相,通过电流检测电路检测此时的电机定子的平均相电流10 ;502 :确定在该稳态条件时的最小补偿电角度△ a ;503 :通过转子位置检测单元检测到的电机转子正常换相位置时,提前或者延迟一个补 偿电角度△ a换相;通过电流检测电路检测此时的电机定子的平均相电流II ;比较10和 II相电流值可知是提前还是延时换相;S04:按最小补偿电角度单位A a累计增加补偿电角度n A a (n = 2,3,4, •••),根据 步骤S03确定的提前或者延时换相关系,在通过转子位置检测单元检测到的电机转子正常 换相位置时,提前或者延迟该补偿电角度nA a换相;通过电流检测电路检测每次改变补 偿电角度值后的电机定子的平均相电流In,比较用不同补偿电角度的情况下的相电流值 In,寻找到最小相电流值Imin和对应的最佳补偿角a m。
  3. 3.根据权利要求1或2所述的一种直流无刷电机控制方法,其特征在于:所述的稳态 是电机在特定控制要求下的运行状态,可以是恒速运行稳态、可以恒力矩运行稳态、或者是 恒功率运行的稳态。
  4. 4.根据权利要求1或2所述的一种直流无刷电机控制方法,其特征在于:对于单相直 流无刷电机,所述的换相信号是指电流换向信号。
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