CN102868350B - 无位置传感器无刷直流电机准闭环启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种无位置传感器无刷直流电机准闭环启动方法，也即转子初始位置精准预定位与加速过程中优化定位相结合的准闭环三段式启动方法。在电机绕组中施加短时间脉冲电压矢量，通过检测直流母线电流可以将转子位置锁定在60°电度角范围内，在此基础上通过向指定绕组通电与检测电流并比较电流从而完成转子精准预定位。预定位后进入优化定位与加速阶段，此时以电流差值在阈值范围内作为换相条件，保证转子在加速过程中准确换相，再将系统切换到反电势运行状态。实验结果表明，本发明提出的三段式准闭环启动方法，成本低，可靠性高，能保证系统在整个启动过程中均处于准闭环工作状态，不会出现失步与启动失败现象。

Description

无位置传感器无刷直流电机准闭环启动方法

技术领域

本发明属于机械工程领域，涉及一种无位置传感器无刷直流电机准闭环启动方法。

背景技术

无刷直流电机采用高磁能稀土永磁材料，具有体积小、质量轻、效率高、损耗小等特点，已广泛应用于航空、航天、机械、汽车等工业领域。通常，无刷直流电机一般采用位置传感器确定电机转子位置，但安装位置传感器提高了系统成本、增加了系统复杂性，降低了系统可靠性和抗干扰能力，这些问题将直接增加生产工艺的复杂度，有的甚至严重影响系统的使用寿命，因此无位置传感器无刷直流电机控制技术已成为当今研究的一个热点。目前，对无位置传感器无刷直流电机的研究主要有反电动势过零点检测法、续流二极管导通检测法、磁链法、反电动势三次谐波检测法等方法。其中，反电势过零检测法由于其成本低，性能稳定，已成为无位置传感器无刷直流电机控制技术中最为成熟的一种方法。但是，当电机处于静止或低速状态时，电机反电势为零或无法有效检测，这样就无法保证电机正常启动与运行。常用的基于反电势启动方法主要有三段式启动法、升频升压启动法、多脉冲检测法等方法。在此基础上国内外专家对无位置传感器无刷直流电机的启动方法做了大量深入的研究与探索，BehzadAsaei、AlirezaRostami等人【相关文献：AnovelstartingmethodforBLDCmotorswithoutthepositionsensors[J].EnergyConversionandManagement，2009(50)：337-343】提出了一种无位置传感器无刷直流电机无反转起动方法，通过在直流母线上增加一个电流传感器，然后通过交替给电机绕组输入直流电流，通过等效电路计算定子电感来确定转子位置；史婷娜、吴曙光等在中国电机工程学报的《无位置传感器永磁无刷直流电机的起动控制研究》中，根据无刷直流电机的起动换相时刻与直流母线电压直接相关的特点，提出一种插值起动方法，另一文献[王迎发，夏长亮，陈炜.基于模糊规则的无刷直流电机起动策略[J].中国电机工程学报，2009]提出一种基于模糊规则的无刷直流电机起动策略，通过模糊规则对换相指令进行在线调整，也可以避免电机起动过程中失步现象，但都没有考虑变负载转矩的影响；文献[刘玉庆，王冉冉.基于DSP的永磁无刷直流电动机起动策略[J].山东大学学报，2004，34(1)：47-50]采用端电压过零检测法和预定位起动方法实现电机启动控制，但启动过程中电流偏大；文献[林潇，潘双夏，胡晓杭.一种无位置传感器BLDC零启动的纯硬件实现方法[J].浙江大学学报，2008，42(9)：1591-1596]提出了一种可完全替换3路霍尔传感器的无刷无位置传感电机零启动的纯硬件方法，弥补了传统无传感控制策略运算要求高、成本大、可靠性不高、30°软件时延的缺点；文献[邹继斌，江善林，张洪亮.一种新型的无位置传感器无刷直流电机转子位置检测方法[J].电工技术学报，2009，24(4)：48-53]提出一种新型的无位置传感器无刷直流电机转子位置检测方法，设计了通过定子绕组的三相端电压提取反电势的基波信号的新型电路，研究了一种与电机转速无关的固定相位滞后的开关电容低通滤波器，在电机转速变化的情况下，相位滞后90°电角度不变，得到无需相位补偿的转子位置信号；文献[茅正冲.无传感器无刷直流电动机起动过程分析[J].微电机，2008，41(1)：82-84]通过仿真确定定位和起动过程中控制器的相关参数，解决了定位过程中初始角位于死角时无法定位和起动中失步的问题，但未能给出实验证明；文献[孟光伟，李槐树.无位置传感器双绕组永磁BLDCM起动控制系统[J].电力自动化设备，2011，31(3)：40-45]提出了具有SVPWM控制和电流调节控制的无位置传感器双绕组无刷直流电机的起动控制，但起动过程存在较大转速波动；文献[李凤祥，朱伟进.一种新无刷直流电机无位置传感器零起动方法[J].电力电子技术，2011，45(2)：100-102]改进了反电势过零检测电路，提高了反电动势检测灵敏性和可靠性，但加速过程中性能难以保证。以上启动方法普遍存在软件算法比较复杂，成本较高，电机参数及环境变化对系统启动性能影响较大等缺点，因此有必要设计一种成本低、可靠性较高、环境变化影响较小的启动方法。

为保证电机正常启动，并获得有效反电势过零检测信号，三段式启动法是一种常用手段。传统的三段式启动法是在电机静止状态下完成转子位置定位后，采用外同步启动方式，通过按设定顺序依次给电机绕组通电，这时电机转子在绕组产生的旋转磁场中被拖动起来，一般情况下转子的位置都处于滞后状态，在电机空载的情况下滞后位置小，启动成功率高，但在电机负载较大的情况下，转子的滞后位置增大，容易产生转子无法被拖动，或者严重失步的情况。这两种情况均是由于在启动初期反电势过零检测无法有效检测，造成转子位置无法预知，系统完全工作在开环状态下。在开环状态下，系统经常无法在准确的时间给准确的绕组通电，无法保证电机转子获得有效转矩，从而导致电机启动失败。

因此，有必要设计一种无位置传感器无刷直流电机准闭环启动方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种无位置传感器无刷直流电机准闭环启动方法，该无位置传感器无刷直流电机准闭环启动方法基于闭合控制保证电机转子在加速过程中准确换相，避免出现失步与启动失败。

发明的技术解决方案如下：

一种无位置传感器无刷直流电机准闭环启动方法，电源经过由6个开关管Q₁-Q₆组成的三相逆变桥接无位置传感器无刷直流电机的定子三相绕组，其中Q1和Q4分别为A相的上下桥臂两个开关管；Q3和Q6分别为B相的上下桥臂两个开关管，Q5和Q2分别为C相的上下桥臂两个开关管；

包括以下步骤：

步骤1：转子初步预定位过程：

当电机处于静止状态时，在电机绕组中施加短时脉冲电压矢量，通过检测直流母线电流将转子位置锁定在60°电度角范围内；

步骤2：转子二次预定位过程：

通过向绕组通电矫正转子位置，实现转子二次预定位；

步骤3：转子加速过程

加速过程中，将电流差值在电流阈值范围内作为换相条件，保证转子在加速过程中准确换相，在加速过程中，当反电势过零信号产生时系统切换到反电势运行状态直到完成电机的启动。

步骤1中，在360°电度角空间范围内将开关管开关状态用V₀～V₇八组电压矢量来表示，其中V₀，V₇为零矢量，T_a，T_b，T_c三个变量来描述开关管状态(其中Ta，Tb，Tc分别对应ABC三相上桥臂的开关管状态)，电压矢量与开关管对应关系如表1所示：

表1：

V₁～V₆六个非零电压矢量为空间相距60°电度角的六个短时间脉冲电压；

将V₁与V₄分时通入电机绕组，在电压矢量结束时检测对应的母线电流I₁与I₄【母线电流就是直流侧电流】；分以下两种情况进行定位：V₁通入时形成2条回路，回路1：直流电源正极性端→Q₁→A相绕组正极性端→B相绕组负极性端负→Q₆→直流电源负极性端；回路2：直流电源正极性端→Q₁→A相绕组正极性端→C相绕组负极性端负→Q₂→直流电源负极性端。

V₄通入时形成2条回路，回路1：直流电源正极性端→Q₃→B相绕组正极性端→A相绕组负极性端负→Q₄→直流电源负极性端。回路2：直流电源正极性端→Q₅→C相绕组正极性端→A相绕组负极性端负→Q₄→直流电源负极性端；

(A)第一种情况：|I₁-I₄|＞ΔI的情况：

如果I₁＞I₄，且|I₁-I₄|＞ΔI，ΔI为电流阈值，则可知转子的N极在270°～90°电角度的范围内，如果I₁＜I₄，且|I₁-I₄|＞ΔI，则可知转子的N极在90°～270°电角度的范围内；

当已知转子N极在270°～90°电角度的范围内时，再给绕组分时通入短时间脉冲电压矢量V₂与V₆，检测电流I₂、I₆，将转子定位；

当已知转子N极在90°～270°电角度的范围内时，再给绕组分时通入短时间脉冲电压矢量V₃与V₅，检测电流I₃、I₅，将转子定位；

定位过程如下表所示：

表3：|I₁-I₄|＞ΔI时转子位置、电压矢量、母线电流对应关系

(B)第二种情况：|I₁-I₄|＜ΔI的情况：

表4：|I₁-I₄|＜ΔI时转子位置、电压矢量、母线电流对应关系

表5：|I₂-I₅|＞ΔI时转子位置、电压矢量、母线电流对应关系

表6：|I₃-I₆|＞ΔI时转子位置、电压矢量、母线电流对应关系

如果|I₁-I₄|＜ΔI，则分时通入电压矢量V₂与V₅，检测I₂与I₅，根据表4重新将转子定位在180°电度角内；当|I₂-I₅|＞ΔI，根据表5将转子自定位在60°电度角内；如果|I₂-I₅|＜ΔI且|I₁-I₄|＜ΔI，则分时通入电压矢量V₃与V₆，检测I₃与I₆，根据表4重新将转子定位在180°电度角内；当|I₃-I₆|＞ΔI，根据表6将转子自定位在60°电度角内。

步骤2中，二次预定位按下表方式进行，

具体过程为，根据转子粗定位所在位置，长时间保持矫正开关管状态(长时间为电压矢量周期的3倍)再分时通入“检测电压矢量”栏中的2个电压矢量，，当检测到的对应电流值小于或等于ΔI时即到达精准预定位；如果在前一过程中检测到的对应电流值大于ΔI，则重复上一过程。

表7校正后位置在355°-5°区间电机优化定位加速过程

表8校正后位置在55°-65°区间电机优化定位加速过程

表9校正后位置在115°-125°区间电机优化定位加速过程

表10校正后位置在175°-185°区间电机优化定位加速过程

表11校正后位置在235°-245°区间电机优化定位加速过程

表12校正后位置在295°-305°区间电机优化定位加速过程

步骤3完成二次预定位后，转子所在位置有六种情况，根据转子初始位置对电机进行加速与优化定位，加速过程中开关管导通与换相条件如表7-12所示，从而保障电机在加速过程中准确换向，实现电机平稳启动。

本发明涉及的技术路线如下：

准闭环三段式启动策略

1.短时间脉冲转子定位原理

如图1(a)所示，Q₁～Q₆六个开关管组成的三相逆变电路，在预定位时每相上下桥臂开关管状态相反(用：1表示导通，0表示关闭)，因此可以用T_a，T_b，T_c三个变量来描述开关管状态。如图2所示，在360°电度角空间范围内将开关管开关状态用V₀～V₇八组电压矢量来表示(其中V₀，V₇为零矢量)，电压矢量与开关管对应关系如表1所示。短时间脉冲为本领域科技术语，英文为Short-width-timepulse。

表1：电压矢量与开关管对应关系

其中：1表示开关管导通，0表示开关管关断

八组电压矢量与电机运行时开关管状态不同，实质上，V₁～V₆六个非零电压矢量为空间相距60°电度角的六个短时间脉冲电压。电机在运行过程中开关状态切换则如表2所示。电压矢量V₁～V₆分别作用时，它们具有相同的主回路与电机绕组，等效电路如图1(b)所示，可得式(1)

$V_{\mathrm{dc}}=R_{\mathrm{eq}}{i}_x+L_x\frac{{\mathrm{di}}_x}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

式(1)中R_eq实际上很小，所以在直接忽略R_eqi_x后，Vdc为直流母线电压，Req为定子绕组等效电阻，Lx为定子绕组等效电感，ix为等效电路感应电流，可以得到：

$V_{\mathrm{dc}}=L_x\frac{{\mathrm{di}}_x}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

从(2)式可知当V_dc为定值时，L_x与di_x的变化成反比，即：电感L_x越大，则di_x变化就越小，反之亦然。

表2无刷直流电机运行时开关状态切换表

由于转子为永磁体，对带铁心的绕组线圈(呈感性)在宏观上具有增磁或者去磁作用，转子位置与电感变化规律如图3所示，即：当电感变化时能引起di_x变化。如图4所示，当对定子绕组线圈施加短时间脉宽电压矢量后，不同的电感值Lx对应不同的直流母线峰值电流，即：电感L_x越小，则对应的峰值电流越大，反之亦然。这样可以通过检测直流母线峰值电流，估算转子所在位置。

2.转子精准预定位(精准预定位又称二次预定位)方法

本专利提出了一种短时间脉冲电压矢量(Short-width-timepulsevoltagevectors)，短时间脉冲电压矢量即按不同组合逻辑(如前所述用T_a，T_b，T_c三个变量来描述开关管状态，将开关管开关状态用V₀～V₇八组电压矢量来表示)给三相绕组施加短时间脉冲电压。短脉冲时间一般取等效电路时间常数[相关文献：AnewstartingmethodforBLDCmotorswithoutpositionsensors[J].IEEETransactionsonIndustryApplications，2006，42(6)：1532～1538]。初步定位与指定绕组通电完成精准预定位的方法。

下面，根据转子位置与绕组电流、电感的关系具体描述转子如何进行精准预定位。如图2所示，将短时间脉冲电压矢量V₁与V₄(电度角相差180°，脉冲周期为10μs，【脉冲宽度为30μs】)分时通入电机绕组，在电压矢量结束时检测对应的母线电流I₁与I₄，如果I₁＞I₄，且|I₁-I₄|＞ΔI(ΔI为电流阈值)，则可知转子的N极在v1矢量所在位置的正负90°电角度的范围内，即：可将转子位置定位在180°电度角范围内。如果I₁＜I₄，且|I₁-I₄|＞ΔI，则可知转子的N极在v4矢量所在位置的正负90°电角度的范围内。当已知转子N极在v1矢量所在位置的正负90°电角度的范围内时，再给绕组分时通入短时间脉冲电压矢量V₂与V₆，检测电流I₂、I₆，如果I₁＞I₂且I₁＞I₆，则转子的位置可进一步定位在v1矢量所在位置的正负30°电角度的范围内(同理可知当I₂＞I₁且I₂＞I₆时，则转子的位置可进一步定位在v2矢量所在位置的正负30°电角度的范围内；I₆＞I₁且I₆＞I₂时，则转子的位置可进一步定位在v6矢量所在位置的正负30°电角度的范围内)。转子位置、电压矢量、母线电流对应关系如表3所示。

表3：大于电流比较时转子位置、电压矢量、母线电流对应关系

根据图3转子位置与定子电感对应关系，V₁与V₄分时作用时转子的位置可能会出现使|I₁-I₄|＜ΔI的情况，即可能出现I₁与I₄基本上相等的情况，这时无法将转子定位在180°的电度角空间内。本发明提出的解决办法是：如果出现|I₁-I₄|＜ΔI的情况，则分时通入电压矢量V₂与V₅，检测I₂与I₅，根据上述规则，则可重新将转子定位在180°电度角内，定位方法如表4所示，60°电度角定位方法则重新按表3规律进行判断(参见发明内容部分)

表4：小于电流阈值时转子位置、电压矢量、母线电流对应关系

如果转子的N极在v1矢量所在位置的正负30°电角度的范围内时，这时转子所在位置将有如图5(c)、(d)、(e)三种情况，如果要保证电机按指定方向加速且得到理想的启动转矩，需要在60°电度角的范围内进行二次精准定位。现在以矫正到图5(c)所示位置进行说明，当已知转子位于图5(b)阴影区域后，根据表一可知，通过给指定两相绕组(Q5、Q6闭合)较长时间通电，通电时间大于等效电路时间常数，小于设定时间常数。其中设定时间常数以不影响淹没最佳换相点为准则，工程上一般取2-3倍等效电路时间常数。[相关文献：林明耀，刘文勇，周谷庆.无位置传感器无刷直流电机短时脉冲定位加速方法[J].电工技术学报，2011，26(9)：80-86.]通电可以进行矫正，此后注入短时间【短脉冲时间一般取等效电路时间常数】。脉冲电压矢量V₂、V₆，当|I₂-I₆|≤ΔI，转子将矫正到如图5(c)所示的理想位置-Q5、Q6作用时，在定子绕组中产生的磁力线与图5(c)转子所产生磁力线重合，此时所产生的电磁力矩可将转子矫正到图5(c)所示位置。通过检测|I₂-I₆|≤ΔI，即可知是否己矫正到位。其中ΔI为电流阈值，其值大小可以调节矫正精度【取值范围一般是将转子范围控制在预定位±5°电度角范围内，即转子位置偏离±5°时，采样|I₂-I₆|定义为ΔI。】，转子精准预定位的具体实现过程如图6所示。

转子位置如果位于其他位置时，定位方法如下。

3转子优化定位与加速方法

精准预定位完成后，按一定规律给电机绕组进行通电，驱动电机加速旋转，电机在加速过程中如何保证准确换相是加速过程中的一个难点，也是本发明要重点解决的问题。换相提前或滞后都将引起过流和失步现象，更严重的将会导致启动失败。本发明提出一种优化定位与阈值比较电流实时检测相结合的准闭环加速方法，这样能保证实时跟踪转子当前所在位置，并及时进行换相。现以电机正转(逆时针)为例进行说明。如图5(c)所示，转子所在阴影部分位置与表1习惯上所示转子位置相位差30度，为表示方便，将表2中的转子位置顺时针旋转30度，则如表5所示。

表5调整后无刷直流电机电机开关状态切换表(表中数字的单位为度)

表6电机的加速过程中换相条件

查表3可知，导通Q5、Q6就可以将转子位置精准定位在如图5(c)所示位置(在上节中已经说明)，然后按开关表依次导通两相绕组使电机加速旋转，加速过程中关键是要知道何时切换开关状态。现在以Q5Q6->Q4Q5->Q3Q4的开关状态切换为例来进行说明。转子的初始位置如图5(c)所示，此时|I₂-I₆|≤ΔI，I₁＞I₂，I₁＞I₆，其中ΔI为本发明设置的电流比较，阈值大小同时可以用来调节换相的灵敏度。当检测到|I₂-I₆|≤ΔI时，开关管状态由Q5Q6切换到Q4Q5，转子开始逆时针方向旋转。为优化旋转加速过程中转子位置的检测，可以在前一次转子状态基础上只使用两个短时间脉冲电压矢量进行转子定位。当电机旋转到第1扇区后，发出短时间脉冲电压矢量V₁、V₃，检测相应电流I₁、I₃，当满足条件|I₁-I₃|≤ΔI时，转子到达图5(f)所示位置，开关管状态由Q4Q5切换到Q3Q4，电机继续逆时钟加速旋转，依次类推可以使电机正向旋转起来。加速过程中，短时间脉冲检测电压矢量及换相条件如表3所示。由此可见，加速过程中通过电流差值小于电流阈值作为换相条件，简化了加速过程中转子定位方式，可以保证系统在一个准闭环的状态下完成电机的加速过程，具体实现过程如图7所示。

有益效果：

本发明针对无位置传感器无刷直流电机启动问题，提出了一种无位置传感器无刷直流电机准闭环启动方法，也即转子初始位置精准预定位与加速过程中优化定位相结合的准闭环三段式启动方法。在电机绕组中施加短时间脉冲电压矢量，通过检测直流母线电流可以将转子位置锁定在60°电度角范围内，在此基础上通过向指定绕组通电与检测电流并比较电流从而完成转子精准预定位。预定位后进入优化定位与加速阶段，此时电流比较作为换相条件，保证转子在加速过程中准确换相，当转速达到一定值时(反电势过零信号产生时)系统切换到反电势运行状态。实验结果表明，本发明提出的三段式准闭环启动方法只需一个电流传感器，成本低，可靠性高，能保证系统在整个启动过程中均处于准闭环工作状态，不会出现失步与启动失败现象。

本发明提出了一种无位置传感器无刷直流电机准闭环启动方法，也可以称为准闭环三段式启动方法，与传统的三段式启动方法相比，转子从静止精准预定位后进入优化定位与加速阶段直到切换到反电势检测换相电路，整个系统均处于准闭环工作状态，能保证电机转子在加速过程中准确换相，不会出现失步与启动失败现象。

与常规三段式启动控制方式相比，本发明是在准闭环情况下完成的启动过程，避免了起动时的抖动和反转现象，改善了起动效果，克服了传统方法靠经验引起起动失败的缺点，适合于恒定负载和变负载运行环境，是一种启动性能较好、可靠性较高、环境变化影响较小的启动方法。同时还具备以下有益效果：

1、电流比较作为反馈量，保证了启动过程中电机在定位、加速、切换等各个环节中均形成闭环控制。设置电流比较实现了精准预定位与优化定位。常规预定位一般只能将转子定位在60°电度角空间内，精准预定位可以将转子定位进一步精确到±5°的电度角空间内，从而保证电机在启动时得到最理想启动转矩。加速过程中常规的转子定位一般采用估算法，依靠经验值，通过设置电流比较，保证了电机在加速过程中转子定位成为闭环控制。加速过程中优化定位不仅克服了传统方法依靠估算和依赖经验值的不足，还简化了电机在加速过程中换相时刻的检测，避免了电机在加速时反转矩的形成，从而保证电机准确换相与最短的加速时间。

2、当电机转速达到一定值时，电机切换到反电势检测运行状态，这时电机不再进行优化定位与加速。在切换时刻，由于电机绕组形成的反电势尚未足够稳定而无法确保反电势检测电路正常工作，这时可能会产生不准确换相点时间。本发明在反电势电路能检测到有效反电势时，并不马上进行反电势切换，而是通过二次加速(仍然采用优化定位与加速的方法)进一步增加反电势值，可以保证反电势切换的稳定性过渡。

通过设置电流比较的大小不仅可以调节预定位精度还能调节加速过程中换相的灵敏度，以适应各种不同性能需求与应用。

附图说明

图1为主电路拓补结构及等效电路图(其中a为主电路拓扑图，b为等效电路图，c为简化电路图)；

图2为短脉冲电压矢量图；

图3为转子位置与定子电感对应关系示意图；

图4为绕组脉冲通电电流特性图；

图5为转子精准预定位及优化定位图；a图是I₁＞I₄时转子位置图；b图是I₁＞I₂，I₁＞I₆时转子位置图；c图是|I₂-I₆|≤ΔI时转子位置图；d图是|I₂-I₆|≥ΔI时转子位置图；e图是|I₂-I₆|≥ΔI时转子位置图；f图是|I₁-I₃|≤ΔI时转子位置图。

图6为转子精准预定位流程图；

图7为转子加速阶段流程图；

图8为准闭环三段式启动过程波形图；图a为电机定位、加速、切换过程波形图，图b为启动到匀速运行全过程的波形图；图c为二次加速过程波形图，图d为低通滤波后反电势波形。

图9为转速为900rpm时电机线电压波形图；

图10为减速过程反电势与反电势过零信号波形图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1：

无位置传感器无刷直流电机控制系统试验平台由无刷直流电机本体、DSP(TMS3202812)控制板、功率驱动板、磁粉制动器、测量仪器等构成。试验过程中采用H_PWM-L_PWM调制方式，PWM调制载波频率为20KHz，定位检测脉冲周期设置为10μs，电机参数如表7所示。磁粉制动器为本电机试验系统负载，在磁粉制动器中通入激磁电流0.1A，即设定负载转矩为1N.m。

表7电机参数

经过测量本电机等效时间常数为10μs，在本例中短脉冲电压矢量周期取10μs。图8为电机试验平台转速设定为2000rpm时采用本发明所提出的准闭环启动方式的启动波形。图8(a)中上通道为电机绕组反电势信号，下通道为滤除6个过零信号后输出的有效反电势过零信号。由图分析可知，本发明提出的准闭环三段式启动方式也分为定位、加速(图中加速阶段分为加速与二次加速两个过程，将在下面说明)、切换三个阶段，从转子精准预定位到优化加速直到切换到反电势运行整个启动过程约为1.2s。，图8(b)为启动过程完整波形，从图中可知电机从静止加速到指定速度匀速运行，时间约为5s。从反电势过零检测有效后脉冲宽度仍不断变窄可知，反电势运行过程中电机仍处于加速过程。在实验过程中发现，如果系统检测到反电势过零信号后马上切换到反电势运行状态容易引起系统抖动或启动失败。为解决此问题本发明在系统检测到6个过零信号后才切换到反电势运行状态，在此期间仍然采用优化定位与加速方法，这个过程即为前面所提到的二次加速过程。如图8(c)所示，上半幅为启动全过程，下半幅为二次加速过程，从图可知在最初的6个过零信号检测期间，反电势值较小，容易出现反电势过零信号丢失现象。为保证有效检测，在此期间电机仍然采用优化定位与加速方法，这样电机仍然在准闭环状态下加速运行，反电势继续增加，就保证了反电势幅值完全满足过零检测要求，不会出现过零信号丢失现象。图8(d)上通道为反电势分压与低通滤波器后信号，下通道为过零检测信号。图9为转速为900rpm时电机线电压波形，由于采用H_PWM-L_PWM调制方式，实验波形十分理想，说明电机换相时刻准确。图10为电机减速过程中反电势与反电势过零信号波形。由于采用磁粉制动器，输出力矩为持续的恒定值且为被动加载方式，在静止时无反作用力矩施加给电机，所以采用减速停车方式。综上所述，系统从启动、加速、匀速直到停车，整个过程运行十分稳定，证明了本发明所提方法的正确性与可行性。

结论

实验结果表明本发明提出的准闭环三段式启动方式能保证电机在带负载情况下正常启动、加速至匀速运行，在整个过程中运行稳定，无失步与启动失败现象。

Claims (3)

1.一种无位置传感器无刷直流电机准闭环启动方法，电源经过由6个开关管Q₁-Q₆组成的三相逆变桥接无位置传感器无刷直流电机的定子三相绕组，其中Q1和Q4分别为A相的上下桥臂两个开关管；Q3和Q6分别为B相的上下桥臂两个开关管，Q5和Q2分别为C相的上下桥臂两个开关管；

其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：转子初步预定位过程：

当电机处于静止状态时,在电机绕组中施加短时脉冲电压矢量，通过检测直流母线电流将转子位置锁定在60°电度角范围内；

步骤2：转子二次预定位过程：

通过向绕组通电矫正转子位置，实现转子二次预定位；

步骤3：转子加速过程

加速过程中，将电流差值在电流阈值范围内作为换相条件，保证转子在加速过程中准确换相，在加速过程中，当反电势过零信号产生时系统切换到反电势运行状态直到完成电机的启动；

步骤1中，在360°电度角空间范围内将开关管开关状态用V₀～V₇八组电压矢量来表示，其中V₀，V₇为零矢量，T_a,T_b,T_c三个变量来描述开关管状态，其中Ta，Tb，Tc分别对应ABC三相上桥臂的开关管状态，电压矢量与开关管对应关系如表1所示：

表1：

V₁～V₆六个非零电压矢量为空间相距60°电度角的六个短时间脉冲电压；

将V₁与V₄分时通入电机绕组，在电压矢量结束时检测对应的母线电流I₁与I₄；分以下两种情况进行定位：V₁通入时形成2条回路,回路1:直流电源正极性端→Q₁→A相绕组正极性端→B相绕组负极性端→Q₆→直流电源负极性端；回路2:直流电源正极性端→Q₁→A相绕组正极性端→C相绕组负极性端→Q₂→直流电源负极性端；

V₄通入时形成2条回路,回路1:直流电源正极性端→Q₃→B相绕组正极性端→A相绕组负极性端→Q₄→直流电源负极性端；回路2:直流电源正极性端→Q₅→C相绕组正极性端→A相绕组负极性端→Q₄→直流电源负极性端；

(A)第一种情况：|I₁-I₄|＞ΔI的情况：

如果I₁＞I₄，且|I₁-I₄|＞ΔI，ΔI为电流阈值，则可知转子的N极在270°～90°电角度的范围内，如果I₁＜I₄，且|I₁-I₄|＞ΔI，则可知转子的N极在90°～270°电角度的范围内；

当已知转子N极在270°～90°电角度的范围内时，再给绕组分时通入短时间脉冲电压矢量V₂与V₆，检测电流I₂、I₆，将转子定位；

当已知转子N极在90°～270°电角度的范围内时，再给绕组分时通入短时间脉冲电压矢量V₃与V₅，检测电流I₃、I₅，将转子定位；

定位过程如下表所示：

表3：|I₁-I₄|＞ΔI时转子位置、电压矢量、母线电流对应关系

(B)第二种情况：|I₁-I₄|＜ΔI的情况：

表4：|I₁-I₄|＜ΔI时转子位置、电压矢量、母线电流对应关系

表5：|I₂-I₅|＞ΔI时转子位置、电压矢量、母线电流对应关系

表6：|I₃-I₆|＞ΔI时转子位置、电压矢量、母线电流对应关系

如果|I₁-I₄|＜ΔI，则分时通入电压矢量V₂与V₅，检测I₂与I₅，根据表4重新将转子定位在180°电度角内；当|I₂-I₅|＞ΔI，根据表5将转子自定位在60°电度角内；如果|I₂-I₅|＜ΔI且|I₁-I₄|＜ΔI，则分时通入电压矢量V₃与V₆，检测I₃与I₆，根据表4重新将转子定位在180°电度角内；当|I₃-I₆|＞ΔI，根据表6将转子自定位在60°电度角内。

2.根据权利要求1所述的无位置传感器无刷直流电机准闭环启动方法，其特征在于，步骤2中，二次预定位按下表方式进行，

具体过程为，根据转子粗定位所在位置，长时间保持矫正开关管状态再分时通入“检测电压矢量”栏中的2个电压矢量，长时间为电压矢量周期的3倍，当检测到的对应电流值小于或等于ΔI时即到达精准预定位；如果在前一过程中检测到的对应电流值大于ΔI，则重复上一过程。

3.根据权利要求2所述的无位置传感器无刷直流电机准闭环启动方法，其特征在于，

表7校正后位置在355°-5°区间电机优化定位加速过程

表8校正后位置在55°-65°区间电机优化定位加速过程

表9校正后位置在115°-125°区间电机优化定位加速过程

表10校正后位置在175°-185°区间电机优化定位加速过程

表11校正后位置在235°-245°区间电机优化定位加速过程

表12校正后位置在295°-305°区间电机优化定位加速过程

步骤3完成二次预定位后，转子所在位置有六种情况，根据转子初始位置对电机进行加速与优化定位，加速过程中开关管导通与换相条件如表7-12所示，从而保障电机在加速过程中准确换向，实现电机平稳启动。