CN103684139B - 无刷直流电机及其转子位置定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种无刷直流电机及其转子位置定位方法，所述方法包括加压步骤：当所述电机处于静止状态时，在电机绕组中施加一系列预定时长的脉冲电压矢量；检测步骤：检测由加压步骤产生的直流总线电流峰值；及定位步骤：根据所述电流峰值和转子位置的对应关系确定转子所在的60°扇区。本发明实施例通过采用在电机静止时，对电机绕组施加一系列预定时长的测试电压脉冲串，绕组响应电流分析并判断出绕组电感峰值，根据绕组电感与转子转角存在对应关系判断出转子所在60°扇区的技术方案，从而达到了负载小时无反转振荡,负载大时启动能力强的技术效果。
Description
技术领域
本发明涉及无刷直流电机领域，尤其涉及一种无刷直流电机及其转子位置定位方法。
背景技术
无刷直流电机具有高效、节能、寿命长及可靠性高的优点，与传统的有刷直流电机相比，无刷直流电机具有很大的性能优势。随着计算机、电力及电子技术的发展，无刷直流电机得到了越来越广泛的应用。
影响无刷直流电机广泛应用的主要原因是成本。与直流电机相比，无刷直流电机的成本相对要高。在硬件成本中，转子位置传感器占了较大的一部分。而且，转子的安装和接线也要增加很多成本。在某些特别的应用中，比如制冷压缩机，考虑到密封的因素，甚至不允许使用转子位置传感器。
在过去的30年里，不断的有不需要转子位置传感器的所谓无传感器方法开发出来。其中应用最广泛的是检测绕组反电动势过零点的方法，它通过检测120°导通模式中非通电相绕组反电动势的过零点，再延时30°来确定换相点，成功地解决了中高速换相的问题。但由于反电动势与转速成正比，在低速时信噪比过低，零速时甚至没有反电动势信号，所以这种方法对低速和零速启动都无效。
为了解决零速启动以及低速运行的问题，多年来人们提出了很多种方法。主要的方法是启动前对绕组施加一个直流定位脉冲，其产生的电磁力自动将转子拉到绕组特定的位置（直轴），然后以同步电机的方式启动无刷直流电机，直至达到一定转速，反电动势信噪比提高到一定程度，可以检测出换相位置后，转入无刷直流电机模式运行。
这种启动方法的问题是，施加的直流定位脉冲幅度相对较大，会造成噪音。而且，当电机启动负载较小时，有50%的概率电机会先反转振荡；当电机负载较大时，转子不能到达定位位置，启动不能成功。这个问题在很大程度上限制了这种技术的应用范围，比如说对启动转矩性能要求较高的压缩制冷以及水泵油泵等应用，很难采用这种技术。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种负载小时无反转振荡,负载大时启动能力强的无刷直流电机及其转子位置定位方法。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提出了一种无刷直流电机的转子位置定位方法，电源经过由6个功率晶体管Ta+、Ta-、Tb+、Tb-、Tc+及Tc-组成的三相逆变桥接无刷直流电机的定子三相绕组，其中Ta+和Ta-分别为A相的上、下桥臂两个功率晶体管；Tb+和Tb-分别为B相的上、下桥臂两个功率晶体管，Tc+和Tc-分别为C相的上、下桥臂两个功率晶体管；所述方法包括：加压步骤：当所述电机处于静止状态时，在电机绕组中施加一系列预定时长的脉冲电压矢量；检测步骤：检测由加压步骤产生的直流总线电流峰值；及定位步骤：根据所述电流峰值和转子位置的对应关系确定转子所在的60°扇区。
进一步地，所述定位步骤包括：变量因数选取子步骤：选取变量因数并构成代表三个绕组轴线且彼此相差120°的变量；计算子步骤：对正反两个脉冲所产生的直流总线电流峰值求差得到所述三个变量；及判断子步骤：通过所述三个变量的绝对值和符号与预先存储的所述绝对值、符号及扇区的关系表比较判断出转子所在的60°扇区，其中，电流峰值的差表示绕组的饱和程度，符号代表转子极性。
进一步地，三相同时加载脉冲电压矢量情况如表1所示；
表1
| 序号 | U | V | W |
| Pulse1 | + | + | - |
| Pulse2 | - | - | + |
| Pulse3 | - | + | - |
| Pulse4 | + | - | + |
| Pulse5 | - | + | + |
| Pulse6 | + | - | - |
两相同时加载脉冲电压矢量情况如表2所示；
表2
| 序号 | U | V | W |
| Pulse7 | + | x | - |
| Pulse8 | - | x | + |
| Pulse9 | x | + | - |
| Pulse10 | x | - | + |
| Pulse11 | + | - | x |
| Pulse12 | - | + | x |
其中，表1表示的每个脉冲持续时间相同，表2表示的每个脉冲持续时间相同；U、V、W为三相桥输出，+表示正输出电压，等于直流总线电压，-表示负输出电压，等于直流总线电压，x表示高阻状态，即对应的上下两个桥臂都关断。
进一步地，所述三个变量为:
DVU=(CP5+CP8+CP12)–(CP6+CP7+CP11)；
DVV=(CP4+CP10+CP11)–(CP3+CP9+CP12)；
DVW=(CP1+CP7+CP9)–(CP2+CP8+CP10)；
其中，变量因数CP1～P12分别为脉冲Pulse1～Pulse12所产生的直流总线电流峰值，DVU、DVV及DVW为三个变量，用于进行判断的虚拟的变量。
进一步地，所述三个变量为:
DVUV=(CP11+CP10+CP7)–(CP12+CP9+CP8)；
DVVW=(CP9+CP7+CP12)–(CP10+CP8+CP11)；
DVWU=(CP8+CP12+CP10)–(CP7+CP11+CP9)；
其中，变量因数CP7～P12分别为脉冲Pulse7～Pulse12所产生的直流总线电流峰值，DVUV、DVVW及DVWU为三个变量，用于进行判断的虚拟的变量。
进一步地，所述预定时长的选取以在得到预定大的信噪比的前提下，消减电流峰值所造成的噪音至预定值以下，并避免在脉冲过程中电机发生转动为准则。
相应地，本发明实施例还提供了一种无刷直流电机，所述无刷直流电机采用如上所述的转子位置定位方法进行启动，包括：当所述电机处于静止状态时，在电机绕组中施加一系列预定时长的脉冲电压矢量的驱动器；检测由加压步骤产生的直流总线电流峰值的电流检测器；及分别与所述驱动器和电流检测器连接的、根据所述电流峰值和转子位置的对应关系确定转子所在的60°扇区的微处理器。
进一步地，所述微处理器包括：选取变量因数并构成代表三个绕组轴线且彼此相差120°的变量的变量因数选取模块；连接于所述变量因数选取模块的、对正反两个脉冲所产生的直流总线电流峰值求差得到所述三个变量的计算模块；及连接于所述计算模块的、通过所述三个变量的绝对值和符号与预先存储的所述绝对值、符号及扇区的关系表比较判断出转子所在的60°扇区的判断模块；其中，其中，电流峰值的差表示绕组的饱和程度，符号代表转子极性。
进一步地，所述功率晶体管为金氧半场效晶体管、绝缘栅双极型晶体管或绝缘栅双极型晶体管。
进一步地，所述驱动器为门级驱动器。
本发明实施例的无刷直流电机及其转子位置定位方法的有益效果是：通过采用在电机静止时，对电机绕组施加一系列预定时长的测试电压脉冲串，绕组响应电流分析并判断出绕组电感峰值，根据绕组电感与转子转角存在对应关系判断出转子所在60°扇区的技术方案，从而达到了负载小时无反转振荡,负载大时启动能力强的技术效果。
附图说明
图1是本发明实施例的无刷直流电机的结构示意图。
图2是本发明实施例的无刷直流电机对应的扇区示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
请参考图1～图2，无刷直流电机每60°电角度需要换一次相，就是说在每个换相点所分隔出的60°扇区内，电机换相状态不变。我们只需要测出转子所在的每个60°扇区，就可以满足电机正常运行的条件。
为了避免无刷直流电机小负载启动时的反转振荡问题，提高无刷直流电机大负载时的启动能力，本发明实施例提出了一种无刷直流电机及检测转子所在60°扇区的方法，主要原理是在电机静止时，对电机绕组施加一系列预定时长的测试电压脉冲串，绕组响应电流分析并判断出绕组电感峰值，根据绕组电感与转子转角存在对应关系判断出转子所在60°扇区。绕组电感量越小，则脉冲电流峰值越大；反之，绕组电感量越大，则脉冲电流峰值越小。通过脉冲电流峰值，可以判断出绕组电感量的大小。所述方法适用于多种类型的无刷直流电机，包括两相、多相、星形及三角形连接的电机，永磁同步电机，120°导通及80°导通的电机等等。但为了更简洁的说明问题，本说明书以三相无刷直流电机为例，具体实施时当然不仅限于这种无刷直流电机。
由于无刷直流电机采用永久磁铁，它会造成定子对应部分的饱和，而转子结构和磁铁安装位置也会造成某些程度的凸极效应。这两种效应造成绕组电感量随电机转子位置的变化而变化，呈现出明显的对应关系。根据这种对应关系，通过对绕组电感量的测量，就可以确定出电机的转子位置。
本发明实施例的无刷直流电机的转子位置定位方法，电源经过由6个功率晶体管Ta+、Ta-、Tb+、Tb-、Tc+及Tc-组成的三相逆变桥接无刷直流电机的定子三相绕组，其中Ta+和Ta-分别为A相的上、下桥臂两个功率晶体管；Tb+和Tb-分别为B相的上、下桥臂两个功率晶体管，Tc+和Tc-分别为C相的上、下桥臂两个功率晶体管；所述方法包括：加压步骤：当所述电机处于静止状态时，在电机绕组中施加一系列预定时长的脉冲电压矢量；检测步骤：检测由加压步骤产生的直流总线电流峰值；及定位步骤：根据所述电流峰值和转子位置的对应关系确定转子所在的60°扇区。
所述预定时长的长短可以调整，其选取以在得到预定大的信噪比的前提下，消减电流峰值所造成的噪音至预定值以下，并避免在脉冲过程中电机发生转动为准则。
优选地，所述定位步骤包括：变量因数选取子步骤：选取变量因数并构成代表三个绕组轴线且彼此相差120°的变量；计算子步骤：对正反两个脉冲所产生的直流总线电流峰值求差得到所述三个变量；及判断子步骤：通过所述三个变量的绝对值和符号与预先存储的所述绝对值、符号及扇区的关系表比较判断出转子所在的60°扇区，其中，正反两个脉冲所产生的电流峰值的差表示绕组的饱和程度，符号代表转子极性。
三相同时加载脉冲电压矢量情况如表1所示；
表1
| 序号 | U | V | W |
| Pulse1 | + | + | - |
| Pulse2 | - | - | + |
| Pulse3 | - | + | - |
| Pulse4 | + | - | + |
| Pulse5 | - | + | + |
| Pulse6 | + | - | - |
两相同时加载脉冲电压矢量情况如表2所示；
表2
| 序号 | U | V | W |
| Pulse7 | + | x | - |
| Pulse8 | - | x | + |
| Pulse9 | x | + | - |
| Pulse10 | x | - | + |
| Pulse11 | + | - | x |
| Pulse12 | - | + | x |
如上两表共采用了12种电压脉冲，其中，表1表示的每个脉冲持续时间相同，表2表示的每个脉冲持续时间相同，以保证共同的比较基础；U、V、W为三相桥输出，+表示正输出电压，等于直流总线电压，-表示负输出电压，等于直流总线电压，x表示高阻状态，即对应的上下两个桥臂都关断。
十二种脉冲可以有多种选取方法，可以选全部十二种，也可以选其中的一部分，或者自由组合,选取的原则是使信噪比最大化。但是，当同时采用表1和表2的脉冲时，表1的脉冲持续时间可以不需要和表2的脉冲持续时间相同。这是因为三相导通和两相导通产生的绕组磁势不同，采用不同的脉冲持续时间可以更好地补偿这一差别，使其产生的绕组磁势尽量一致，从而提高位置检测的精确度。
作为一种实施方式，我们选取全部十二种脉冲，所述三个变量为:
DVU=(CP5+CP8+CP12)–(CP6+CP7+CP11)；
DVV=(CP4+CP10+CP11)–(CP3+CP9+CP12)；
DVW=(CP1+CP7+CP9)–(CP2+CP8+CP10)；
其中，变量因数CP1～P12分别为脉冲Pulse1～Pulse12所产生的直流总线电流峰值，DVU、DVV及DVW为三个变量，用于进行判断的虚拟的变量。这些变量的选取原则是每个虚拟变量代表一个电机绕组轴线，彼此相差120度，正反脉冲峰值相减。当绕组轴线与转子轴线重合时，正反脉冲峰值差距最大，虚拟判断变量的绝对值也最大。其它直流总线电流峰值变量都为对称分布。
作为另一种实施方式，与上述实施方式不同的是，我们只选取表2中的脉冲。这种方法比较更适合于180°导通的条件下，当然也适合120°导通的条件。定义所述三个变量为:
DVUV=(CP11+CP10+CP7)–(CP12+CP9+CP8)；
DVVW=(CP9+CP7+CP12)–(CP10+CP8+CP11)；
DVWU=(CP8+CP12+CP10)–(CP7+CP11+CP9)；
其中，变量因数CP7～P12分别为脉冲Pulse7～Pulse12所产生的直流总线电流峰值，DVUV、DVVW及DVWU为三个变量，用于进行判断的虚拟的变量。
作为在一种实施方式，我们可只选取表1中的脉冲。这种方法比较更适合于120°导通的条件，当然也适合于180°导通的条件。相应的判断变量地定义同理不在赘述。
三个判断变量都是与无刷直流电机电周期同频率的周期函数，彼此相位相差120°。由周期函数的理论可以看出，三者之中绝对值最大者对应着两个相隔180°的60°扇区。通过判断三个判断变量的符号，可以区分出这两个相隔180°的扇区。这样就检测出了转子所在的60°扇区。同样道理，也可以选取三者之中绝对值最小者，其对应着两个相隔180°的60°扇区。通过判断其余两个判断变量的符号，就可以区分出这两个相隔180°的扇区。这样也就检测出了转子所在的60°扇区。
本发明实施例提供的无刷直流电机，所述无刷直流电机采用如上所述的转子位置定位方法进行启动，包括：当所述电机处于静止状态时，在电机绕组中施加一系列预定时长的脉冲电压矢量的驱动器；检测由加压步骤产生的直流总线电流峰值的电流检测器；及分别与所述驱动器和电流检测器连接的、根据所述电流峰值和转子位置的对应关系确定转子所在的60°扇区的微处理器。如图1所示，Rs为总线电流检测电阻，A、B及C为无刷直流电机三相绕组。可以看出，其与普通的无刷直流电机控制部分相比，硬件部分基本相同，没有增加的硬件成本。
作为一种实施方式，所述微处理器包括：选取变量因数并构成代表三个绕组轴线且彼此相差120°的变量的变量因数选取模块；连接于所述变量因数选取模块的、对正反两个脉冲所产生的直流总线电流峰值求差得到所述三个变量的计算模块；及连接于所述计算模块的、通过所述三个变量的绝对值和符号与预先存储的所述绝对值、符号及扇区的关系表比较判断出转子所在的60°扇区的判断模块；其中，其中，电流峰值的差表示绕组的饱和程度，符号代表转子极性。
优选地，所述功率晶体管为金氧半场效晶体管、绝缘栅双极型晶体管或绝缘栅双极型晶体管。所述驱动器为门级驱动器。
另外，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体（Read-Only Memory，ROM）或随机存储记忆体（Random AccessMemory，RAM）等。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。
Claims (8)
1.一种无刷直流电机的转子位置定位方法，电源经过由6个功率晶体管Ta+、Ta-、Tb+、Tb-、Tc+及Tc-组成的三相逆变桥接无刷直流电机的定子三相绕组，其中Ta+和Ta-分别为A相的上、下桥臂两个功率晶体管；Tb+和Tb-分别为B相的上、下桥臂两个功率晶体管，Tc+和Tc-分别为C相的上、下桥臂两个功率晶体管；其特征在于，所述方法包括：
加压步骤：当所述电机处于静止状态时，在电机绕组中施加一系列预定时长的脉冲电压矢量；
检测步骤：检测由加压步骤产生的直流总线电流峰值；及
定位步骤：根据所述电流峰值和转子位置的对应关系确定转子所在的60°扇区，具体包括：
变量因数选取子步骤：选取检测步骤中所检测到的直流总线电流峰值作为变量因数；
计算子步骤：分别对所选取的变量因数中对应于同一个绕组轴线的正反两个脉冲所产生的直流总线电流峰值求差得到彼此相差120°的三个变量；及
判断子步骤：通过所述三个变量的绝对值和符号与预先存储的所述绝对值、符号及扇区的关系表比较判断出转子所在的60°扇区，其中，电流峰值的差表示绕组的饱和程度，符号代表转子极性。
2.如权利要求1所述的无刷直流电机的转子位置定位方法，其特征在于，三相同时加载脉冲电压矢量情况如表1所示；
表1
两相同时加载脉冲电压矢量情况如表2所示：
表2
其中，表1表示的每个脉冲持续时间相同，表2表示的每个脉冲持续时间相同；U、V、W为三相桥输出，+表示正输出电压，等于直流总线电压，-表示负输出电压，等于直流总线电压，x表示高阻状态，即对应的上下两个桥臂都关断。
3.如权利要求2所述的无刷直流电机的转子位置定位方法，其特征在于，所述三个变量为：
DVU=(CP5+CP8+CP12)–(CP6+CP7+CP11) ；
DVV=(CP4+CP10+CP11)–(CP3+CP9+CP12) ；
DVW=(CP1+CP7+CP9)–(CP2+CP8+CP10) ；
其中，变量因数CP1～CP12分别为脉冲Pulse1～Pulse12所产生的直流总线电流峰值，DVU、DVV及DVW为三个变量，用于进行判断的虚拟的变量。
4.如权利要求2所述的无刷直流电机的转子位置定位方法，其特征在于，所述三个变量为：
DVUV=(CP11+CP10+CP7)–(CP12+CP9+CP8) ；
DVVW=(CP9+CP7+CP12)–(CP10+CP8+CP11) ；
DVWU=(CP8+CP12+CP10)–(CP7+CP11+CP9) ；
其中，变量因数CP7～CP12分别为脉冲Pulse7～Pulse12所产生的直流总线电流峰值，DVUV、DVVW及DVWU为三个变量，用于进行判断的虚拟的变量。
5.如权利要求1所述的无刷直流电机的转子位置定位方法，其特征在于，所述预定时长的选取以在得到预定大的信噪比的前提下，消减电流峰值所造成的噪音至预定值以下，并避免在脉冲过程中电机发生转动为准则。
6.一种无刷直流电机，其特征在于，所述无刷直流电机采用如权利要求1至5中任一项所述的转子位置定位方法进行启动，还包括：
当所述电机处于静止状态时，在电机绕组中施加一系列预定时长的脉冲电压矢量的驱动器；
检测由加压步骤产生的直流总线电流峰值的电流检测器；及
分别与所述驱动器和电流检测器连接的、根据所述电流峰值和转子位置的对应关系确定转子所在的60°扇区的微处理器，所述微处理器包括：
选取电流检测器所检测到的直流总线电流峰值作为变量因数的变量因数选取模块；
连接于所述变量因数选取模块的、分别对所选取的变量因数中对应于同一个绕组轴线的正反两个脉冲所产生的直流总线电流峰值求差得到彼此相差120°的三个变量的计算模块；及
连接于所述计算模块的、通过所述三个变量的绝对值和符号与预先存储的所述绝对值、符号及扇区的关系表比较判断出转子所在的60°扇区的判断模块；其中，电流峰值的差表示绕组的饱和程度，符号代表转子极性。
7.如权利要求6所述的无刷直流电机，其特征在于，所述功率晶体管为金氧半场效晶体管或绝缘栅双极型晶体管。
8.如权利要求6或7所述的无刷直流电机，其特征在于，所述驱动器为门级驱动器。
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