CN102969955A - 永磁直流无刷双转电机的无位置检测 - Google Patents

Abstract

一种混合无位置控制方法用于控制三相永磁直流无刷双转电机。在控制永磁直流无刷双转电机时，采用无位置检测控制方案，可以简化系统的复杂性，增加系统的可靠性。通过利用电机定子铁芯饱和效应进行转子位置的初始定位，定位后，通过加速控制算法对电机进行加速，然后利用端电压的检测方式同步进行反电动势的过零检测，此过零检侧方式利用在两相绕组的PWM控制为导通状态时，比较另外非导通相绕组的端电压与母线电压V_dc/2的大小，得出非导通绕组过零检测点。此种方法能够防止电机在起动时失败，且防止在起动时出现电机反转的情况。

Description

永磁直流无刷双转电机的无位置检测

技术领域：

此发明是关于三相永磁直流无刷双转电机(简称DBLDC)的无位置检测方法。具体的是此发明是为实现永磁直流无刷双转电机无反转起动及起动后的采用端电压过零检测方案进行位置检测，实现PWM闭环调速控制。 

背景技术：

一般来说，永磁直流无刷双转电机主要由定子铁心绕组、永磁体转子、碳刷滑环组件和位置检测装置构成。定子绕组通电产生电流后，生成的磁链与永磁体磁链相互作用，通过控制两个磁链的角度大约为90°产生转子旋转的动力。在实际的三相DBLDC控制中，采用逆变装置控制三相定子绕组的导通，以产生不同方向的磁链。由于DBLDC的特殊性，我们同时需要检测定子和转子的位置去控制定子绕组的导通。此位置检测可以利用霍尔元件、光电式传感器、旋转编码器等方法实现。如采用霍尔元件进行位置检测，需要两套霍尔检测装置，需要从电机中引出许多位置信号线，容易出问题。特别在一些对环境要求比较苛刻的条件下，如高温、高压，需采用无位置控制方案。采用无位置方案后既可以增加电机的可靠性，同时在电机生产过程中降低生产难度和减少生产工艺。 

如果对DBLDCM采取无位置的方案进行控制，则和单轴转动的永磁直流无刷电机的无位置控制方式一样。对于无位置信号处理的方案有很多，DBLDCM无位置传感器控制研究的核心是构架转子位置信号检测电路，从软硬件两方面间接获得可靠的转子位置信号，从而触发导通相应的功率器件，驱动电机运转。到目前为止，在众多的位置信号检测方法中，应用和研究较多的主要有速度无关位置函数法、反电势法、基波电势换向法和状态观测器法等。 

反电势法是迄今为止最成熟、最有效，也是最常见和应用最为广泛的一种转子位置信号检测方法。该方法的基本原理是：在任意时刻，电机三相绕组只有二相导通，每相绕组正反向分别导通120°电角度；通过测量三相绕组端子及中性点相对于直流母线负端或正端的电位，当某端电位与中性点 电位相等时，则此时刻该相绕组反电势过零；再过30°或90°电角度就必须对功率器件进行换相；据此可以设计一过零检测及移相电路，从而得到全桥驱动6个功率器件的开关顺序。此方法非常简单，但缺点是：一般电机的中性点没有引出，在电机三相输入口加入三路电阻进行模拟，如对于高电压等不可取。且电机在转速较低或者静止时很难带载起动；滤波器的实际延时角度随电机转速而变，在低速时超前换流，高速时反而接近正常换流，这与实际要求恰恰相反。其他的方法转速较低或者静止时，也存在起动困难的问题。所以在转速较低或者静止时，起动时主要采取的是三段式起动方法和预定位法，都有可能存在起动失败或者是出现反转现象，这在有些场合是不允许的。 

为解决上述问题，使DBLDCM能够无反转起动及起动后平滑切换到反电动势位置检测上，本专利提出一种混和DBLDCM的无位置控制方法。即在静止或低速时利用电机定子铁芯饱和效应进行转子位置的初始定位在60°范围内，然后采用长短电压脉冲相结合的方式加速电机同时利用电机电流相应的变化动态检测转子位置。在转速上升可以检测到过零点时，将电机平滑切换至反电动势过零检测换向运行模式。对于过零检测，采用一种新的测试方法，不需要依附电机三相中点电压的采样，也不需要滤波电路的处理，通过分析直流无刷电机的控制特性，设计硬件检测电路，通过在某一路PWM斩波时，在PWM输出为高电平时刻，比较不导通相的端电压对V_dc/2大小来判定反电动势的过零点。 

发明内容：

在控制永磁直流无刷双转电机时，采用无位置检测控制方案。通过利用电机定子铁芯饱和效应进行转子位置的初始定位，并加速，通过端电压的检测方式同步进行反电动势的过零检测，到一定的转速后，切换到反电动势检测方案进行控制。 

附图说明：

图1描述的是PBLDCM的控制和驱动结构图。 

图2描述的是反电动势为梯形波的PBLDCM端电压与V_dc/2比较产生过零信号时刻。 

图3描述的是PBLDCM的定子电感随转子位置的变化而大小变化的关系图。 

图4描述的是PBLDCM旋转时换向时，采用的PWM控制策略图。 

图5描述的是PBLDCM控制换向的开关状态电压矢量图。 

图6描述的是PBLDCM反电动势过零硬件检测电路图。 

具体实施方式：

永磁直流无刷控制系统结构采用的是三相对称的逆变电路，控制芯片采用的是DSP+CPLD处理方案，其结构图1所示，所控制的电机的反电动势波形为方波，在占空比全打开情况下，忽略电机电感的影响，其三相端电压U_AN、U_BN、U_CN的波形图2所示。为实现无位置运行方案，解决思路主要有以下几个步骤：1)首先为解决上述介绍的在无位置控制在静止和低速控制难的问题；2)解决电机从低速检测方式平滑切换到反电动势切换方式；3)在反电动势检测方式中解决由于电机定子电感、内阻及PWM调制时产生的高频信号所带来的检测错误信号的处理，防止换向错误。 

为解决起动时的问题，依据电机定子铁心饱和效应，基于定子铁心的非线性磁化特性，即靠近转子永磁极的定子铁心能被强烈磁化。实际上由于永磁同步电机总是设计成主磁路的某些部分有一定的饱和度，以提高有效空间的利用率。即永磁磁势的作用，必然要影响相绕组磁路的饱和度，要影响它的电感值。由于定子存在铁心磁饱和现象，所以靠近转子永磁极的定子绕组，顺磁方向时的电流变化率大于逆磁方向时的变化率。电机定子电感随转子位置的变化图3所示，可以看到电机的定子电感变化反映了转子的位置。利用该特性，在转子初始定位时，采用连续发送6个T_s短时电压脉冲其所发送的矢量的顺序为F₁₆、F₃₄、F₁₂、F₄₅、F₂₃、F₅₆，，如图4(开关状态图)所示，通过分别比较F₁₆与F₃₄、F₁₂与F₄₅、F₂₃与F₅₆所产生的峰值电流的大小，可以将转子定位在60°范围内。其中T_s的确定很重要，要考虑电机的惯性，在T_s时间内，不允许电机转动，针对不同的负载采用不同的T_s，这需要在实 际的控制中去试验和校正。当转子的初始位置确定后，电机需要加速到一定的速度。上述连续发送6个短时脉冲的方法将不能使电机连续转动，一是因为在换向的时间内很难连续去发送6个T_s短时脉冲并作处相应的判断，二是发送的电压矢量有一半的电压矢量所产生的力矩是反向的，造成电机抖动。 

为顺利的起动电机能够达到一定的转速，假设电机转子的N极处在图5所示的1区间，认为电机的转速的正方向为逆时针旋转。如要产生正向的力矩，可以发送F₁₂、F₂₃电压矢量，为解决顺利正方向起动换向的问题，采用发送一电压矢量，其由一个短脉冲电压矢量F₁₂(时间为T₁)和一个长脉冲电压矢量F₂₃(时间为T₂)组成。当在相同的T₁时间内，短脉冲电压矢量产生的电流为i₁大于长脉冲在T₁时间内产生的电流i₂时，认为需要换向，接下来的时间内，短脉冲矢量为F₂₃，长脉冲电压矢量为F₃₄。如果上述判断时i₁＜i₂，则继续发送同样的电压矢量。通过图2所示可知，因为当转子的N极在旋转的过程中，越接近短脉冲电压矢量的绕组时，电感量就变得越来越小。短脉冲电压矢量产生的电流在相同的时间内产生的峰值就会大于长脉冲在相同时间内产生的峰值。这种现象在每60°的电角度发生一次。通过这种方法我们可以将电机加速到一定的转速，至少要达到额定转速的5％以上。 

当电机在起动达到一定的转速后，通过反电动势检测电路进行过零检测。对电机进行控制采用的是PWM控制方式，电机的换向采用的是两两导通方式，其换向顺序如表1所示：其中“1”表示高电平，“0”表示低电平，“PWM”表示脉宽调制，在设计IGBT管Q1～Q6时，低电平驱动有效。假如在某一时刻，A+和B-导通，在Q1管和Q4管都导通的时刻，忽略三相不对称性和高次谐波的印象，不导通相C的端电压可以表示为V_CN＝3/2e_C+1/2U_dc，从此我们可以知道，端电压和1/2U_dc比较值的正负值变化时刻就表示了C相反电动势的过零时刻。通过此原理，我们采用了软件和硬件相结合的检测方法。其电路检测原理图6所示：由于采样的电压值可能会较高如大于100V以上，采取差分放大电路进行采样，有效的将直流U_dc、U_AN、U_BN、U_CN的高压参考地和模拟采样低压参考地隔离开，增强系统的可靠性。差分放大电路的输 出需要进行上下限幅处理，上述4个电压采样的比例系数要设计成一致。接下来，对采样的信号分别要进行硬件上和软件上的处理。硬件处理上，需分别比较U_AN与1/2U_dc、U_BN与1/2U_dc、U_CN与1/2U_dc的大小输出s_a、s_b、s_c三路信号，比较器设计成滞环形式的比较器，滞环值为0.3V左右，防止频繁误动作。此时的三路输出信号没有经过处理，因为电机的电感和PWM调试时产生的高频信号，使输出信号具有很多错误的过零信号检测点，我们需要将此信号隔离出来。采用图6中采用的电路，对A相信号，将s_a信号给D触发器的输入信号，将A+与A-的PWM调制信号进行相与取反输出到D触发器的时钟信号，即只有在PWM信号为有效电平时，信号才能通过，这样可以将PWM斩波时带来的高频错误信号虑掉。通过这样处理，可以得到输出信号s_a′、s_b′、s_c′，这3路输出信号能够反映3相反电动势的过零检测信号。此输出信号还有可能由于电机电感的作用，在换向时刻，存在3相绕组都有电流通过的时刻，此时会出现错误的过零信号。这种错误的电压检测持续时间可以通过电流波形观察到，大约时间不超过几十微秒，根据具体的电机和负载大小有关。此信号可以经过输入到CPLD进行数字滤波处理，消除掉短时突变信号。经过上述的数字处理后，我们可以得到正确的过零信号检测点。同时在软件方面，采用DSP芯片处理时，通过软件在PWM定时周期中断里，对上述4路电压进行多次采样处理比较，也可以得出过零检测点。上述的两种方法在实际的使用过程中可以同时进行，最后相互比较，当两者相一致时，认为此过零信号检测正确。 

永磁直流无刷电机的无位置控制方法有很多，在一些特定的场合已经得到的推广和应用。本发明提出的方案主要是在永磁直流无刷双转电机上，利用上述的原理可以推广到普通的永磁直流无刷电机。 

Claims (7)

1.一种混合无位置控制方法用于永磁直流无刷双转电机的控制。通过利用电机定子铁芯饱和效应进行转子位置的初始定位，定位后，通过加速控制算法对电机进行加速，然后利用端电压的检测方式同步进行反电动势的过零检测，此过零检侧方式利用在两相绕组的PWM控制为导通状态时，比较另外非导通相绕组的端电压与母线电压V_dc/2的大小，得出非导通绕组过零检测点。通过同时检测三相绕组的过零检测点，通过延时计算出连续的换向点，控制相应功率管的导通和截止。

2.根据权利要求1所述，其特征在于：利用电机定子铁芯饱和效应进行转子位置的初始定位，同时使用软件算法对电机进行加速，能够有效的起动电机，并且防止反转；

3.根据权利要求1所述，其特征在于：采用DSP+CPLD相结合的控制方式，具有配置灵活、可拓展性强；

4.根据权利要求1所述，其特征在于：电机的反电动势过零端电压检测电路采用差分放大电路，能使高电压地和低电压地有效隔离；

5.根据权利要求1所述，其特征在于：对于反电动势过零检测，采用软件和硬件分别进行检测。当两种方式进行多次判断相同后，确认为正常检测。

6.根据权利要求5所述软件采用PWM周期定时采样，同时进行电机3相端电压采样和直流母线电压采样，在中断周期中进行软件计算，得出转子所在的区间，

7.根据权利要求5所述，其特征在于：硬件通过逻辑电路处理，在PWM信号为有效电平时，输出过零检测信号，防止干扰信号；

Images