CN103199778A - 无传感器的直流无刷电机的转子位置检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无传感器的直流无刷电机的转子位置检测方法，包括转子启动位置的检测方法以及电机转动后转子位置的检测方法，其中转子启动位置的检测方法采用电机线圈磁通随永磁磁场变化的规律来判断线圈磁场与永磁磁场当前的相对位置，具体为：先给电机的三相电路v、u、w分别两两通入脉宽相等、电压值相同的对称电压Uvu、Uuv，Uvw、Uwv，Uuw、Uwu，该电压不足以让电机的转子发生偏转，对直流无刷电机线圈三相的电压或电流进行采样，根据电压回路方程可估算出电机的启动时转子线圈与永磁磁场当前的相对位置。该检测方法无需电机转动即可检测出转子的位置，从而替代了目前无霍尔传感器的直流无刷电机的盲启动方式。

Description

无传感器的直流无刷电机的转子位置检测方法

技术领域

本发明涉及一种直流无刷电机转子位置的检测方法，特别是指一种无传感器的直流无刷电机的转子位置检测方法。

背景技术

如今，随着无刷电机的推广和普及，与之俱来的问题也同时出现，也使广大用户群略感头痛。因为霍尔安装比较繁琐，并且无刷电机的故障有80%是由霍尔元件引起，甚至相当一部分无刷电机控制器的故障误判断也是由霍尔元件引起。霍尔元件的性能和寿命会受电路中电磁干扰的影响，从而影响整个电路系统的正常工作。由于其耐压值较低，在电机线圈漏电时，极易造成击穿。同时，霍尔元件的安装精度直接影响着无刷电动车电机的运行性能，如遇问题需更换霍尔，一般也要更换三颗，才能保证霍尔的一致性，使无刷电机正常工作，即使有的电机厂家采用高端霍尔元件，在电机功率不断增大的需求下，霍尔元件最终也是电机的瓶颈。在最近几年虽然无霍尔电动车控制器也在市面上出现，在之前的方案基础上没有霍尔控制器在电机转速接近零速度区域时无法知道当前转子的确切位置，靠盲启电机会抖动，会造成骑行、启动的不舒适感，甚至会出现在某些地区有一定坡度的路上或者重载下不能启动的现象。而现在的无霍尔说到底都需要判断当前线圈位置，市场上也有部分无霍尔控制器，都是利用电机转动起来检测反电动势来判断，但电机没速度也就没反电动势，零起点会带来电机抖动、无法启动、启动不良等多种问题，

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种无传感器的直流无刷电机的转子位置检测方法，该检测方法利用电机线圈的电感随永磁磁场变化的规律来确定电机转子的位置，无需电机转动即可检测出转子的位置，从而替代了目前无霍尔传感器的直流无刷电机的盲启动方式。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种无传感器的直流无刷电机的转子位置检测方法，该检测方法包括转子启动位置的检测方法以及电机转动后转子位置的检测方法，其中转子启动位置的检测方法采用电机线圈磁通随永磁磁场变化的规律来判断线圈磁场与永磁磁场当前的相对位置，具体为：预先给电机的三相电路v、u、w分别两两通入脉宽相等、电压值相同的对称电压Uvu、Uuv，Uvw、Uwv，Uuw、Uwu，该电压不足以让电机的转子发生偏转，对直流无刷电机线圈三相的电压或电流进行采样，根据电压回路方程可估算出电机的启动时转子线圈与永磁磁场当前的相对位置：其电压回路方程为：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{Uv}\\ \mathrm{Uu}\\ \mathrm{Uw}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{R}_s+p\·L& 0& 0\\ 0& R_s+p\·L& 0\\ 0& 0& R_s+p\·L\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}\mathrm{Iv}\\ \mathrm{Iu}\\ \mathrm{Iw}\end{array}\right]-{\mathrm{\ω}}_e{\mathrm{MI}}_f\left[\begin{array}{c}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\\ \sin (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ \sin (\mathrm{\θ}-\frac{4\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]$

其中L为各相的电感，p为微分算子，Rs为阻抗，θ为磁场方向和线圈的夹角，θ=ω_et、ω_e为转子旋转电角速度；MIf为转子磁链的幅值，Iv、Iu、Iw为各相的电流。

作为一种优选的方案，电机转动后转子位置的检测方法为：根据上述方法确定电机的启动位置后，向电机的三相电路的某两相通入驱动电压，对这两相进行电压或电流进行采样，根据上述电压回路方程即可估算电机转动时转子线圈与永磁磁场之间的相对位置。

采用了上述技术方案后，本发明的效果是：该检测方法利用检测电路检测电压或电流，根据电压回路方程可知，线圈在永磁磁场中的位置不同、对应的电感也不同，从而得出线圈电感与θ之间的对应关系，确定转子的启动位置。该检测方法替代了检测反电动势来判断转子的位置的盲启动检测方式，避免了依靠盲启而电机会抖动、甚至会出现爬坡路上或者重载下不能启动的现象发生。

又由于电机转动后转子位置的检测方法为：根据上述方法确定电机的启动位置后，向电机的三相电路的某两相通入驱动电压，对这两相进行电压或电流进行采样，根据上述电压回路方程即可估算电机转动时转子线圈与永磁磁场之间的相对位置，同样，电机在转动过程中，利用线圈电感与θ之间的对应关系来时刻检测电机转子的位置。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明实施例中电机两相导通三相六状态方式图；

图2是本发明实施例中的检测电路图；

图3是本发明实施例中的电机模拟图；

图4是本发明实施例中的线圈与磁场夹角示意图；

图5是本发明实施例中的电感波形图；

图6是本发明实施例中的电机的反电动势波形、感应电压波形以及磁场方向的组合图；

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

一种无传感器的直流无刷电机的转子位置检测方法，该检测方法包括转子启动位置的检测方法以及电机转动后转子位置的检测方法，其中转子启动位置的检测方法采用电机线圈磁通随永磁磁场变化的规律来判断线圈磁场与永磁磁场当前的相对位置，具体为：预先给电机的三相电路v、u、w分别两两通入脉宽相等、电压值相同的对称电压Uvu、Uuv，Uvw、Uwv，Uuw、Uwu，该电压不足以让电机的转子发生偏转，对直流无刷电机线圈三相的电压或电流进行采样，根据电压回路方程可估算出电机的启动时转子线圈与永磁磁场当前的相对位置：其电压回路方程为：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{Uv}\\ \mathrm{Uu}\\ \mathrm{Uw}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{R}_s+p\·L& 0& 0\\ 0& R_s+p\·L& 0\\ 0& 0& R_s+p\·L\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}\mathrm{Iv}\\ \mathrm{Iu}\\ \mathrm{Iw}\end{array}\right]-{\mathrm{\ω}}_e{\mathrm{MI}}_f\left[\begin{array}{c}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\\ \sin (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ \sin (\mathrm{\θ}-\frac{4\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]$

其中L为各相的电感，p为微分算子，Rs为阻抗，θ为磁场方向和线圈的夹角，θ=ω_et、ω_e为转子旋转电角速度；MIf为转子磁链的幅值，Iv、Iu、Iw为各相的电流。

电机转动后转子位置的检测方法为：根据上述方法确定电机的启动位置后，向电机的三相电路的某两相通入驱动电压，对这两相进行电压或电流进行采样，根据上述电压回路方程即可估算电机转动时转子线圈与永磁磁场之间的相对位置。

电机控制首先要检测启动之前当前线圈的位置，最早有刷电机到无刷用霍尔元件检测位置，现在所说的无霍尔说到底都需要判断当前线圈位置，而本实施例利用电机线圈磁通随永磁磁场变化的规律来判断线圈磁场与永磁磁场当前的相对位置，电机线圈电感磁通包括自感和互感，自感是相对固定的，互感与环境有关，主要是与环境的磁场有关，若环境中有磁场（实际上几乎是肯定的），会影响互感值，将电感放到不同的位置，变化的是互感，尤其你把电感放置到大电流附近时，可能会有较大的影响。还有就是测量的线路也是有电感的，测量结果实际上反映的是线路电感与被测电感的总和。

如图3所示，R为线圈阻抗，Lu、Lv、Lw为线圈的三相电感，M为互感，Muv=Mvu,即u相对v相之间的互感与v相对u相之间的互感相等。

由此可得电压矢量

为三相线圈电压矢量，

为三相线圈电流矢量，

为线圈中磁通矢量，L为线圈中电感，带入公式可得：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{Vu}\\ \mathrm{Vv}\\ \mathrm{Vw}\end{array}\right]=R\left[\begin{array}{c}\mathrm{Iu}\\ \mathrm{Iv}\\ \mathrm{Iw}\end{array}\right]+\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}\mathrm{\λu}\\ \mathrm{\λv}\\ \mathrm{\λw}\end{array}\right]$ 化简后：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\λu}\\ \mathrm{\λv}\\ \mathrm{\λw}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{Lu}& \mathrm{Muv}& \mathrm{Muw}\\ \mathrm{Mvu}& \mathrm{Lv}& \mathrm{Mvw}\\ \mathrm{Mwu}& \mathrm{Mwv}& \mathrm{Lw}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{Iu}\\ \mathrm{Iv}\\ \mathrm{Iw}\end{array}\right]+\mathrm{\φm}\left[\begin{array}{c}\cos \mathrm{\θ}\\ \cos (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ \cos (\mathrm{\θ}-\frac{4\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right],$ 如图4所示，

θ为磁场方向和线圈的夹角

在变化的磁场下电感值方程：

Lu=Ls+lg0-lg2cos2θ

Lv=Ls+lg0-lg2cos2（θ-2/3π）

Lw=Ls+lg0-lg2cos2（θ-4/3π）

Muv=Mvu=-1/2lg0-lg2cos2（θ-4/3π）

Mvw=Mwv=-1/2lg0-lg2cos22θ

Muw=Mwu=-1/2lg0-lg2cos2(θ-2/3π)

Ls为线圈漏感，lg0为绕线间的自感，lg2为绕线间的互感，根据电感方程得出如图5所示的波形。根据电感方程和电机驱动波形我们可推导出如图6所示波形：如图6所示，上边部分是电机驱动一个周期内线圈产生的反电动势波形，下边部分是由三相线圈在磁场中电感上的感应电压波形，中间部分是在线圈在当前位置磁场的方向，而三相线圈的感应电压波形，实际也就是电感的波形，由图可知，当已知三相线圈中各线圈的电感值大小，例如:Lu＞Lv＞Lw时，此时，从感应电压波形即可得出，该线圈处在永磁磁场210°-240°之间，然后在根据Lu、Lv、Lw之间的具体大小，以及相互之间的差值，即可比较准确的判断出此时线圈处在210°-240°之间的具体某个角度。

在PMSM无位置传感器检测技术中，转子位置和速度的估算需要用到两相静止坐标系下的数学模型；对PMsM进行矢量控制则需要在旋转坐标系下的数学模型，因此有必要介绍PMsM在不同坐标系下的数学模型以及它们之间的转换方法。

永磁同步电动机在三相静止坐标系下定子绕组电压平衡方程为：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{Uv}\\ \mathrm{Uu}\\ \mathrm{Uw}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{R}_s& 0& 0\\ 0& R_s& 0\\ 0& 0& R_s\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}\mathrm{Iv}\\ \mathrm{Iu}\\ \mathrm{Iw}\end{array}\right]+p\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_v\\ {\mathrm{\ψ}}_u\\ {\mathrm{\ψ}}_w\end{array}\right]---\left(1.1\right)$

其中UV、Uu、Uw为各相绕组两端的电压，Iv、Iu、Iw为各相电流，Ψv、Ψu、Ψw为各相绕组总磁链。

连接方程为：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Ψv}\\ \mathrm{\Ψu}\\ \mathrm{\Ψw}\end{array}\right]={\mathrm{MI}}_f\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{Lvv}\left(\mathrm{\θ}\right)& \mathrm{Mvu}\left(\mathrm{\θ}\right)& \mathrm{Mvw}\left(\mathrm{\θ}\right)\\ \mathrm{Luu}\left(\mathrm{\θ}\right)& \mathrm{Muv}\left(\mathrm{\θ}\right)& \mathrm{Muw}\left(\mathrm{\θ}\right)\\ \mathrm{Lww}\left(\mathrm{\θ}\right)& \mathrm{Mwv}\left(\mathrm{\θ}\right)& \mathrm{Mwu}\left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}\mathrm{Iv}\\ \mathrm{Iu}\\ \mathrm{Iw}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Ψ}}_r^v\\ {\mathrm{\Ψ}}_r^u\\ {\mathrm{\Ψ}}_r^w\end{array}\right]---\left(1.2\right)$

其中θ=ωt、ω为转子旋转电角速度，

为转子磁链在v、u、w相绕组上的交链，是θ的函数。Lvv（θ）、Luu（θ）、Lww（θ）为各绕组的自感，Mvu(θ)、Muv(θ)、Mvw(θ)、Mwv(θ)、Mwu(θ)、Muw(θ)为绕组间的互感。一般对于直流无刷电机而言，可假定以下条件成立，则可以使上述电压平衡方程简化：(1)气隙分布均匀，磁回路与转子的位置无关，即各相绕组的自感、绕组之间的互感与转子的位置无关；(2)不考虑磁饱和现象，即各相绕组的自感、绕组之间的互感，与绕组中通过的电流无关，忽略漏磁通的影响；(3)转子磁链在气隙中呈正弦分布，转子磁链在各相绕组中的交链为：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Ψ}}_r^v\\ {\mathrm{\Ψ}}_r^u\\ {\mathrm{\Ψ}}_r^w\end{array}\right]={\mathrm{MI}}_f\left[\begin{array}{c}\cos \mathrm{\θ}\\ \cos (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ \cos (\mathrm{\θ}-\frac{4\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]---\left(1.3\right)$

MI_f为转子磁链的幅值，对PMSM来说为常数。

此外，考虑到三相绕组对称分布，并且三相电流对称则有以下等式成立：i+iB+iC=0，三相绕组的自感相等并记为L1，绕组间互感相等记为MI_f。基于以上假设，并将1．2式代入1．1式得简化了的电压回路方程：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{Uv}\\ \mathrm{Uu}\\ \mathrm{Uw}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{R}_s+p\·L& 0& 0\\ 0& R_s+p\·L& 0\\ 0& 0& R_s+p\·L\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}\mathrm{Iv}\\ \mathrm{Iu}\\ \mathrm{Iw}\end{array}\right]-{\mathrm{\ω}}_e{\mathrm{MI}}_f\left[\begin{array}{c}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\\ \sin (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ \sin (\mathrm{\θ}-\frac{4\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]---\left(1.4\right)$

其中L为电感，L=L1-M（互感），p为微分算子。根据以上方程在外围增加采样电路，采样出无刷电机线圈三相上电压变化可以估算出电机的启动位置和换相位置。

直流无刷电动机的运行，首先必须了解定子绕组与换向器部件之间的连接方法，而在本系统中采用的是三相丫型连接全控电路，电机采用三相丫形绕组接法,桥式逆变电路,工作在两相导通三相六状态方式，如图1所示,每隔60°电角度换相一次三个互差120°电角度的转子位置信号经过逻辑运算得到60°电角度的方波信号，虚拟霍尔传感器采集到的三路磁极位置信号送入MCU,每当电机转子转过60°电角度,进行一次换相处理后,判断应向哪两个功率管输出控制信号，其中Q1,Q2为U相上管及下管；Q3,Q4为V相上管及下管；Q5,Q6为W相上管及下管。MOSFET全部使用AOT430。MOSFET工作在两两导通方式，导通顺序为Q1Q4→Q1Q6→Q3Q6→Q3Q2→Q5Q2→Q5Q4→Q1Q4，控制器的输出通过调整上桥PWM脉宽实现，从而电机线圈得以换相，PWM频率一般设置为16KHz左右，应用中根据实际功率需要，功率晶体管相应的增加（常见规格6管、9管、12管、15管、18管等）。

本方案采用的串级闭环控制系统，整个系统由两个控制器组成。电流数字PI控制器称为副控制器构成电机控制系统的内环。主控制器输出的控制量作为副控制器的给定量。采用串级控制的结构可以有效提高系统的抗干扰能力，并能够通过调整副回路的参数提高系统的稳定性。如图2所示，相电流检测是通过电阻采样，经过MCU的的AD数模转换通道得到采样相应的电压值，这样可以间接测出主回路的电流，采样电阻串联在MOSFET的下桥和地线之间，采样的值经过放大传递给MCU处理，从而监控无刷电机在运转时刻的电流。为了实时监控电流值，在每个PWM周期测出电流值，以产生下一新的占空比的PWM波形。

由上可知，该虚拟霍尔传感器直流无刷电机的转子位置检测方法区别于传统检测方法，该检测方法利用电机线圈磁通随永磁磁场变化的规律来确定启动时电机转子的位置，从而避免了盲启动带来的一些不利影响。

而利用该检测方法的电机真正意义上，省去了电机霍尔，使电机良率大大提高，实现了真正意义上的无传感控制。它也在一定程度上极大提高了控制精度和控制效率。该以往的电动车及电动工具相比，其具体优点是：

1、因为没有了霍尔元件，当然电机也就不存在60°与120°相角之分了；那由霍尔元件损坏而导致的整机质量问题，全部都没有了。

2、无刷电机走向了统一，使电机生产、电动车、电动工具维修相当简单，不用再为复杂的电动车型号和繁多的品种而苦恼，全部通用，顾客将更为自由和便捷。

3、整机安装、调试、维修和维护的过程将变得更简单。虚拟传感控制对电机的整体性能要求不严，任何无刷电机都可以与虚拟传感控制相匹配，安装调试过程中，将不再一味地去花更多的时间去倒相序，因为它去除了以前的霍尔线，只有三根相线，这三根相线与电机线任意相接即可，如果反转，对调其中任意两线即可，其间不会损伤电路系统和元件。由此一来，虚拟传感控制器极大地简化了工人的操作流程，提高了电动车生产，电动车调试以及电动车维修的效率。

4、降低了电动车售后服务成本，因此电机可以做到终身免维修的水平，从而使电动车因电机构成的问题几乎为零，令电动车厂家、电动车经销商、电动车电机生产商、电动车消费者最头痛的售后问题，因此电动车故障率下降一半以上。

Claims (2)

1.无传感器的直流无刷电机的转子位置检测方法，该检测方法包括转子启动位置的检测方法以及电机转动后转子位置的检测方法，其中转子启动位置的检测方法采用电机线圈磁通随永磁磁场变化的规律来判断线圈磁场与永磁磁场当前的相对位置，具体为：先给电机的三相电路v、u、w分别两两通入脉宽相等、电压值相同的对称电压Uvu、Uuv，Uvw、Uwv，Uuw、Uwu，该电压不足以让电机的转子发生偏转，对直流无刷电机线圈三相的电压或电流进行采样，根据电压回路方程可估算出电机的启动时转子线圈与永磁磁场当前的相对位置：其电压回路方程为：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{Uv}\\ \mathrm{Uu}\\ \mathrm{Uw}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{R}_s+p\·L& 0& 0\\ 0& R_s+p\·L& 0\\ 0& 0& R_s+p\·L\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}\mathrm{Iv}\\ \mathrm{Iu}\\ \mathrm{Iw}\end{array}\right]-{\mathrm{\ω}}_e{\mathrm{MI}}_f\left[\begin{array}{c}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\\ \sin (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ \sin (\mathrm{\θ}-\frac{4\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]$

其中L为各相的电感，p为微分算子，Rs为阻抗，θ为磁场方向和线圈的夹角，θ=ω_et、ω_e为转子旋转电角速度；MIf为转子磁链的幅值，Iv、Iu、Iw为各相的电流。

2.如权利要求1所述的无传感器的直流无刷电机的转子位置检测方法，其特征在于：电机转动后转子位置的检测方法为：根据上述方法确定电机的启动位置后，向电机的三相电路的某两相通入驱动电压，对这两相进行电压或电流进行采样，根据上述电压回路方程即可估算电机转动时转子线圈与永磁磁场之间的相对位置。

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