CN102904508A - 基于线间反电动势的无刷直流电机转子位置检测方法 - Google Patents

基于线间反电动势的无刷直流电机转子位置检测方法 Download PDF

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杨影
陈鑫
俞志轩
涂小卫
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Abstract

本发明是一种基于线间反电动势的无刷直流电机转子位置检测方法，其步骤如下：（1）控制无刷直流电机工作在两两导通模式，采样三相电压、电流，并进行滑动滤波；（2）利用无刷直流电机三相端电压以及电流，计算线间反电动势；（3）电机驱动采用两两导通120度模式时，在不同导通模式下，利用线间反电动势计算磁链函数；（4）计算当前磁链函数与上一步磁链函数值之间的差值，判断磁链函数变化值是否达到预先设定的阈值；（5）当没有达到设定的阈值时，不进行换相，转至步骤（1）继续下一次的循环过程。达到阈值时，则指导电机换相，并计算转速，根据当前转速值的不同，修改滑动平均滤波数据个数；完成后转至步骤（1）继续下一次的循环过程。

Description

基于线间反电动势的无刷直流电机转子位置检测方法
技术领域
本发明涉及一种无刷直流电机转子位置估计方法，具体地是涉及一种基于线间反电动势估计无刷直流电机转子位置检测方法。
背景技术
在无刷直流电机控制系统中，逆变器常采用120度导通模式，为获得最大平均电磁转矩，应根据电机转子位置对其进行换相控制。但是外置式位置传感器带来了环境与空间的限制，使其在高温、有强腐蚀性气体等恶劣环境下和某些空间有限的应用场合难于使用。 直接利用反电动势的转子位置检测方法包括反电动势过零点检测法、反电动势积分过零点检测法及反电动势三次谐波检测方法易于实现，但在100                                                
Figure 2012103906428100002DEST_PATH_IMAGE001
以内低速运行时，因感应电动势幅值很小，采用以上方法难于可靠检测转子位置。利用相应线间反电动势相除得到磁链函数，并利用磁链函数的峰值点估计转子位置，这种转子位置检测方法理论上在电机低速运行时仍旧适用。但实际控制中存在干扰，每次得到的磁链函数的峰值点不同，峰值点设置过大可能会引起换相信息丢失，设置过小会引起位置估计偏差；此外在电机低速运行时，电压、电流测量干扰会引起误换相。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种基于线间反电动势的无刷直流电机转子位置检测方法，该方法可靠性高，易于实现，能实现100RPM以内的无刷直流电机转子位置的可靠检测。
为达到上述目的，本发明的构思是：利用滑动平均滤波滤除干扰对磁链函数的影响；在不同导通模式下，利用线间反电动势构造磁链函数，利用磁链函数在换相附近出现的剧烈变化提取转子位置信息。
根据上述构思，本发明采用下述技术方案：
（1）控制无刷直流电机工作在两两导通模式，采样三相电压、电流，并进行滑动滤波；
（2）利用无刷直流电机三相端电压即电机绕线端到直流母线地之间的电压以及电流，计算线间反电动势；
（3）电机驱动采用两两导通120度模式时，在不同导通模式下，利用线间反电动势计算磁链函数；
（4）计算当前磁链函数与上一步磁链函数值之间的差值，判断磁链函数变化值是否达到预先设定的阈值；
（5）当没有达到设定的阈值时，不进行换相，转至步骤（1）继续下一次的循环过程。达到阈值时，则指导电机换相，并计算转速，根据当前转速值的不同，修改滑动平均滤波数据个数；完成后转至步骤（1）继续下一次的循环过程。
      上述无刷直流电机转子位置检测方法中，所述步骤（3）中的利用线间电动势计算磁链函数时参照下列表1导通模式与磁链函数
Figure 100164DEST_PATH_IMAGE002
对应关系：
表1 导通模式与
Figure 392605DEST_PATH_IMAGE002
函数对应关系
导通模式
Figure 249702DEST_PATH_IMAGE002
函数
Figure 2012103906428100002DEST_PATH_IMAGE003
/
Figure 507771DEST_PATH_IMAGE004
Figure 2012103906428100002DEST_PATH_IMAGE005
Figure 159332DEST_PATH_IMAGE006
/
Figure 2012103906428100002DEST_PATH_IMAGE007
Figure 266965DEST_PATH_IMAGE008
Figure 2012103906428100002DEST_PATH_IMAGE009
/
Figure 662174DEST_PATH_IMAGE010
Figure 2012103906428100002DEST_PATH_IMAGE011
表中：
Figure 273284DEST_PATH_IMAGE012
、、、
Figure 2012103906428100002DEST_PATH_IMAGE015
、
Figure 690676DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 2012103906428100002DEST_PATH_IMAGE017
分别对应主回路中六个功率开关器件，
Figure 208287DEST_PATH_IMAGE018
为转子位置角度，、
Figure 136109DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 624859DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 689767DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 213152DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 377417DEST_PATH_IMAGE010
分别表示不同的导通模式，
Figure 619042DEST_PATH_IMAGE003
导通模式代表a相上桥臂b相下桥臂导通，
Figure 222062DEST_PATH_IMAGE004
导通模式代表a相下桥臂b相上桥臂导通，
Figure 599954DEST_PATH_IMAGE006
导通模式代表a相上桥臂c相下桥臂导通，
Figure 200699DEST_PATH_IMAGE007
导通模式代表a相下桥臂c相上桥臂导通，
Figure 726359DEST_PATH_IMAGE009
导通模式代表b相上桥臂c相下桥臂导通，
Figure 70752DEST_PATH_IMAGE010
导通模式代表b相下桥臂c相上桥臂导通，
Figure 568730DEST_PATH_IMAGE002
表示与转子位置角度
Figure 74798DEST_PATH_IMAGE018
相关的磁链函数，、
Figure 854797DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 2012103906428100002DEST_PATH_IMAGE021
表示与转子位置角度
Figure 737302DEST_PATH_IMAGE018
有关的线间反电动势，
Figure 152103DEST_PATH_IMAGE019
表示ca相的线间反电动势，
Figure 829072DEST_PATH_IMAGE020
表示bc相的线间反电动势，
Figure 267007DEST_PATH_IMAGE021
表示ab相的线间反电动势； 
Figure 953203DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 2012103906428100002DEST_PATH_IMAGE023
、
Figure 222510DEST_PATH_IMAGE024
分别对应不同导通模式下的磁链函数。
本发明的一种基于线间反电动势的无刷直流电机转子位置检测方法与现有技术相比具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步是：由于磁链函数值在线间反电势过零时会出现一个正无穷到负无穷的跳变，利用磁链函数数值的变化来决定换相，解决了低速情况下换相信号不准确问题、换相信号丢失和误换相的问题。该方法估算转子位置，低速检测范围宽、可靠性高、易于实现。
附图说明
图1为无刷直流电机逆变器主电路原理图；
图2为无刷直流电机无位置传感器算法流程图；
图3为45
Figure 335960DEST_PATH_IMAGE001
时的A相电流和
Figure 261190DEST_PATH_IMAGE002
函数的实测波形；
图4为减速过程中的磁链函数与六脉冲信号波形。
具体实施方式
下面对本发明的优选实施例作详细步说明：
实施例一：
参见图1～图2，本实施例基于线间反电动势的无刷直流电机位置检测方法，其具体操作步骤如下：
（1）控制无刷直流电机工作在两两导通模式，采样三相电压、电流，并进行滑动滤波；
（2）利用无刷直流电机三相端电压即电机绕线端到直流母线地之间的电压以及电流，计算线间反电动势；
（3）电机驱动采用两两导通120度模式时，在不同导通模式下，利用线间反电动势计算磁链函数
Figure 547815DEST_PATH_IMAGE002
；
（4）计算当前磁链函数与上一步磁链函数值之间的差值，判断磁链函数变化值是否达到预先设定的阈值；
（5）当没有达到设定的阈值时，不进行换相，转至步骤（1）继续下一次的循环过程。达到阈值时，则指导电机换相，并计算转速，根据当前转速值的不同，修改滑动平均滤波数据个数；完成后转至步骤（1）继续下一次的循环过程。
实施例二：
   本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：所述步骤（3）中的利用线间电动势计算磁链函数
Figure 874891DEST_PATH_IMAGE002
时参照下列表1导通模式与磁链函数
Figure 159242DEST_PATH_IMAGE002
对应关系：
表1 导通模式与
Figure 867042DEST_PATH_IMAGE002
函数对应关系
导通模式
Figure 895041DEST_PATH_IMAGE002
函数
Figure 76623DEST_PATH_IMAGE003
/
Figure 531875DEST_PATH_IMAGE004
Figure 494015DEST_PATH_IMAGE005
Figure 60126DEST_PATH_IMAGE006
/
Figure 96215DEST_PATH_IMAGE007
Figure 722368DEST_PATH_IMAGE008
Figure 906225DEST_PATH_IMAGE009
/
Figure 276026DEST_PATH_IMAGE010
Figure 432201DEST_PATH_IMAGE011
表中：
Figure 229256DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 900409DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 808322DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure 819003DEST_PATH_IMAGE015
、、
Figure 446873DEST_PATH_IMAGE017
分别对应主回路中六个功率开关器件，为转子位置角度，
Figure 289244DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 490418DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 808267DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 323562DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 308836DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 680911DEST_PATH_IMAGE010
分别表示不同的导通模式，
Figure 486056DEST_PATH_IMAGE003
导通模式代表a相上桥臂b相下桥臂导通，
Figure 539463DEST_PATH_IMAGE004
导通模式代表a相下桥臂b相上桥臂导通，
Figure 379243DEST_PATH_IMAGE006
导通模式代表a相上桥臂c相下桥臂导通，导通模式代表a相下桥臂c相上桥臂导通，
Figure 480240DEST_PATH_IMAGE009
导通模式代表b相上桥臂c相下桥臂导通，
Figure 71758DEST_PATH_IMAGE010
导通模式代表b相下桥臂c相上桥臂导通，
Figure 31624DEST_PATH_IMAGE002
表示与转子位置角度
Figure 244037DEST_PATH_IMAGE018
相关的磁链函数，
Figure 23774DEST_PATH_IMAGE019
、
Figure 418984DEST_PATH_IMAGE020
、表示与转子位置角度
Figure 118135DEST_PATH_IMAGE018
有关的线间反电动势，
Figure 385169DEST_PATH_IMAGE019
表示ca相的线间反电动势，
Figure 584069DEST_PATH_IMAGE020
表示bc相的线间反电动势，
Figure 315264DEST_PATH_IMAGE021
表示ab相的线间反电动势； 
Figure 308628DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 62958DEST_PATH_IMAGE023
、
Figure 65549DEST_PATH_IMAGE024
分别对应不同导通模式下的磁链函数。
实施例三：
       本实施例原则上与实施例一相同，具体操作步骤如下，参考图1～图4：
（1）控制无刷直流电机工作在50us定时中断服务程序中，启动A/D转换，采样无刷直流电机三相端电压即电机绕线端到直流母线负端g的电压
Figure 2012103906428100002DEST_PATH_IMAGE025
和二相电流
Figure 651251DEST_PATH_IMAGE026
和
Figure DEST_PATH_IMAGE027
，根据
Figure 815516DEST_PATH_IMAGE028
，计算出第三相电流
Figure 2012103906428100002DEST_PATH_IMAGE029
，并对电压、电流进行滑动平均滤波。
（2）利用公式（1）计算离散化后第k时刻的线间反电动势
Figure DEST_PATH_IMAGE031
，
Figure 2012103906428100002DEST_PATH_IMAGE033
（1）
式中：为第k步的
Figure DEST_PATH_IMAGE035
线间反电动势，为第k步经过滑动平均滤波后的电机端电压，
Figure 2012103906428100002DEST_PATH_IMAGE037
，
Figure 601834DEST_PATH_IMAGE038
为第k步经过平均滤波后的相电流，
Figure 264897DEST_PATH_IMAGE035
表示
Figure 2012103906428100002DEST_PATH_IMAGE039
三相中任意两相， ，
Figure 2012103906428100002DEST_PATH_IMAGE041
为每相绕组的自感；
Figure 134950DEST_PATH_IMAGE042
为每项绕组的互感；
Figure 2012103906428100002DEST_PATH_IMAGE043
为每相绕组等效电阻，
Figure 367348DEST_PATH_IMAGE044
为采样时间。
（3）参考表1以
Figure 699847DEST_PATH_IMAGE006
/
Figure 650486DEST_PATH_IMAGE007
导通模式即
Figure DEST_PATH_IMAGE045
两相导通为例，利用线间反电动势计算磁链函数，离散后第k步的磁链函数
Figure 532991DEST_PATH_IMAGE046
如式（2）所示：
                             （2）
同理可计算第k步
Figure 947792DEST_PATH_IMAGE048
相导通和
Figure DEST_PATH_IMAGE049
相导通时所对应的磁链函数
Figure 952657DEST_PATH_IMAGE050
，
Figure 2012103906428100002DEST_PATH_IMAGE051
。
式中：
Figure 452908DEST_PATH_IMAGE052
、
Figure 2012103906428100002DEST_PATH_IMAGE053
为离散化后第k步的与转子位置有关的线间反电动势，
Figure 139105DEST_PATH_IMAGE046
、
Figure 909877DEST_PATH_IMAGE050
、
Figure 23326DEST_PATH_IMAGE051
离散化后第k步的磁链函数。
（4）比较磁链函数前后两步计算值之间的差值，判断磁链函数差值是否达到预先设定的阈值100，
Figure 948557DEST_PATH_IMAGE054
=
Figure 2012103906428100002DEST_PATH_IMAGE055
，其中
Figure 235182DEST_PATH_IMAGE056
为第k时刻计算磁链函数值，为第k-1时刻计算磁链函数值,
Figure 562258DEST_PATH_IMAGE054
为第K时刻的磁链变化。
（5）当没有达到设定的阈值时，不进行换相，转至步骤（2）继续下一次的循环过程。达到阈值时，则根据表1指导电机换相，并根据公式（3）计算转速。根据当前转速值的不同，修改滑动平均滤波数据个数，当转速低于100
Figure 581030DEST_PATH_IMAGE001
时，滑动平均滤波数据个数为32，当转速低于400
Figure 55873DEST_PATH_IMAGE001
时，滑动平均滤波数据个数为16，当转速在400到1000
Figure 83872DEST_PATH_IMAGE001
之间时，滑动平均滤波数据个数为4，当转速在1000
Figure 265455DEST_PATH_IMAGE001
以上时，不进行滤波处理，滑动平均滤波数据个数为0。完成后转至步骤（2）继续下一次的循环过程。
Figure 720707DEST_PATH_IMAGE058
                             （3）
式中：
Figure 2012103906428100002DEST_PATH_IMAGE059
为上一区间的的平均速度，
Figure 417267DEST_PATH_IMAGE060
为上一导通模式所用时间。

Claims (2)

1.一种基于线间反电动势的无刷直流电机转子位置检测方法，其具体操作步骤如下：
（1）控制无刷直流电机工作在两两导通模式，采样三相电压、电流，并进行滑动滤波；
（2）利用无刷直流电机三相端电压即电机绕线端到直流母线地之间的电压以及电流，计算线间反电动势；
（3）电机驱动采用两两导通120度模式时，在不同导通模式下，利用线间反电动势计算磁链函数                                                
Figure 970213DEST_PATH_IMAGE001
；
（4）计算当前磁链函数与上一步磁链函数值之间的差值，判断磁链函数变化值是否达到预先设定的阈值；
（5）当没有达到设定的阈值时，不进行换相，转至步骤（1）继续下一次的循环过程；达到阈值时，则指导电机换相，并计算转速，根据当前转速值的不同，修改滑动平均滤波数据个数；完成后转至步骤（1）继续下一次的循环过程。
2.根据权利要求1所述的基于线间反电动势的无刷直流电机转子位置检测方法，其特征在于所述步骤（3）中的利用线间电动势计算磁链函数时参照下列表1导通模式与磁链函数
Figure 819800DEST_PATH_IMAGE001
对应关系：
表1 导通模式与
Figure 104150DEST_PATH_IMAGE001
函数对应关系
导通模式
Figure 516677DEST_PATH_IMAGE001
函数
Figure 606993DEST_PATH_IMAGE002
/
Figure 788576DEST_PATH_IMAGE003
Figure 978248DEST_PATH_IMAGE004
Figure 878071DEST_PATH_IMAGE005
/
Figure 808167DEST_PATH_IMAGE007
Figure 168741DEST_PATH_IMAGE008
/
Figure 555860DEST_PATH_IMAGE009
Figure 987979DEST_PATH_IMAGE010
表中：、、
Figure 284465DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 18809DEST_PATH_IMAGE014
、、
Figure 997447DEST_PATH_IMAGE016
分别对应主回路中六个功率开关器件，为转子位置角度，、、
Figure 871545DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 454973DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 767005DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 752279DEST_PATH_IMAGE009
分别表示不同的导通模式，
Figure 62038DEST_PATH_IMAGE002
导通模式代表a相上桥臂b相下桥臂导通，
Figure 132762DEST_PATH_IMAGE003
导通模式代表a相下桥臂b相上桥臂导通，
Figure 186168DEST_PATH_IMAGE005
导通模式代表a相上桥臂c相下桥臂导通，
Figure 88265DEST_PATH_IMAGE006
导通模式代表a相下桥臂c相上桥臂导通，
Figure 568925DEST_PATH_IMAGE008
导通模式代表b相上桥臂c相下桥臂导通，
Figure 861366DEST_PATH_IMAGE009
导通模式代表b相下桥臂c相上桥臂导通，
Figure 718464DEST_PATH_IMAGE001
表示与转子位置角度
Figure 976532DEST_PATH_IMAGE017
相关的磁链函数，
Figure 628093DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 673410DEST_PATH_IMAGE019
、
Figure 68619DEST_PATH_IMAGE020
表示与转子位置角度
Figure 679729DEST_PATH_IMAGE017
有关的线间反电动势，表示ca相的线间反电动势，
Figure 34804DEST_PATH_IMAGE019
表示bc相的线间反电动势，
Figure 233704DEST_PATH_IMAGE020
表示ab相的线间反电动势； 
Figure 699320DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 958264DEST_PATH_IMAGE022
、分别对应不同导通模式下的磁链函数。
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