CN103684140A - 无刷直流电机及其转子位置定位方法、启动方法 - 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、启动方法，通过采用对电机绕组施加预定的脉冲电压矢量，检测由加压步骤产生的振荡电流幅值的极值，根据所述振荡电流幅值的极值和转子位置的对应关系确定转子所在的60°扇区的技术方案，从而达到了启动可靠性高，大负载时启动能力强，噪音小的技术效果。
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、启动方法。
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，在开始阶段对转子的控制是盲目的，并不能确保转子跟上旋转磁场，因而起动的可靠性不高，有噪音，尤其是当负载及其转动惯量发生变化时，很难起动成功，大大限制了无位置传感器无刷直流电机技术的应用范围，尤其是对于高负载转矩的水泵、油泵等等，基本不能采用这种技术。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种启动可靠性高，大负载时启动能力强的无刷直流电机及其转子位置定位方法、启动方法。
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：对电机绕组施加预定的脉冲电压矢量；其中，不管电机是静止还是运转，都可以施加所述脉冲电压矢量以测量转子位置，应用范围广；
检测步骤：检测由加压步骤产生的振荡电流幅值的极值；及
定位步骤：根据所述振荡电流幅值的极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，所述加压步骤包括：
顺序确定子步骤：确定电机相邻120°的顺时针旋转顺序或相邻120°的逆时针旋转顺序；及
加压子步骤：对电机通电的两绕组施加预定类型的脉宽调制波形，对非通电的绕组交替接通总线和地电压，且切换时机与通电的两绕组同步。
进一步地，加压子步骤中，非通电的绕组在半个周期内切换一次，整个周期内切换两次；或者，非通电的绕组在整个周期内切换一次。
进一步地，加压子步骤中，所述预定类型的脉宽调制波形为双极互补脉宽调制、单极互补脉宽调制或单极独立脉宽调制波形。
进一步地，加压步骤所施加的脉冲电压矢量情况如表1所示；
表1
| 序号 | U | V | W |
| Pulse1 | + | x | - |
| Pulse2 | - | x | + |
| Pulse3 | x | + | - |
| Pulse4 | x | - | + |
| Pulse5 | + | - | x |
| Pulse6 | - | + | x |
其中，表1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。
相应地，本发明实施例还提供了一种无刷直流电机的启动方法，所述方法包括：
转子位置定位步骤：采用如上所述的转子位置定位方法；及
换相步骤：根据所述转子位置定位步骤确定的转子所在的60°扇区进行换相，使电机正常运行。
此外，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：
对电机绕组施加预定的脉冲电压矢量的驱动器；其中，不管电机是静止还是运转，都可以施加所述脉冲电压矢量以测量转子位置，应用范围广；
检测由加压步骤产生的振荡电流幅值的极值的电流检测器；及
分别与所述驱动器和电流检测器连接的、根据所述振荡电流幅值的极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，所述微处理器包括确定电机相邻120°的顺时针旋转顺序或相邻120°的逆时针旋转顺序的顺序确定模块，及存储有振荡电流幅值的极值和转子位置的对应关系的存储器；
所述驱动器包括对电机通电的两绕组施加预定类型的脉宽调制波形，对非通电的绕组交替接通总线和地电压，且使切换时机与通电的两绕组同步的加压模块。
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、启动方法的有益效果是：通过采用对电机绕组施加预定的脉冲电压矢量，检测由加压步骤产生的振荡电流幅值的极值，根据所述振荡电流幅值的极值和转子位置的对应关系确定转子所在的60°扇区的技术方案，从而达到了启动可靠性高，大负载时启动能力强，噪音小的技术效果。
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是本发明实施例的电压矢量示意图。
图3是本发明实施例采用双极互补脉宽调制方式时半频互补的振荡电流脉冲电压矢量示意图。
图4是本发明实施例采用双极互补脉宽调制方式时半频独立的振荡电流脉冲电压矢量示意图。
图5是本发明实施例采用双极互补脉宽调制方式时全频互补的振荡电流脉冲电压矢量示意图。
图6是本发明实施例采用双极互补脉宽调制方式时全频独立的振荡电流脉冲电压矢量示意图。
图7是本发明实施例采用单极互补脉宽调制方式时半频互补的振荡电流脉冲电压矢量示意图。
图8是本发明实施例采用单极互补脉宽调制方式时半频独立的振荡电流脉冲电压矢量示意图。
图9是本发明实施例采用单极互补脉宽调制方式时全频互补的振荡电流脉冲电压矢量示意图。
图10是本发明实施例采用单极互补脉宽调制方式时全频独立的振荡电流脉冲电压矢量示意图。
图11是本发明实施例采用单极独立脉宽调制方式时半频互补的振荡电流脉冲电压矢量示意图。
图12是本发明实施例采用单极独立脉宽调制方式时半频独立的振荡电流脉冲电压矢量示意图。
图13是本发明实施例采用单极独立脉宽调制方式时全频互补的振荡电流脉冲电压矢量示意图。
图14是本发明实施例采用单极独立脉宽调制方式时全频独立的振荡电流脉冲电压矢量示意图。
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，本发明实施例提供了一种无刷直流电机，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；无刷直流电机包括驱动器、电流检测器及微处理器。
驱动器用于对电机绕组施加预定的脉冲电压矢量。
电流检测器用于检测由加压步骤产生的振荡电流幅值的极值。
微处理器分别与所述驱动器和电流检测器连接的、根据所述振荡电流幅值的极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，所述微处理器包括确定电机相邻120°的顺时针旋转顺序或相邻120°的逆时针旋转顺序的顺序确定模块，及存储有振荡电流幅值的极值和转子位置的对应关系的存储器。
所述驱动器包括对电机通电的两绕组施加预定类型的脉宽调制波形，对非通电的绕组交替接通总线和地电压，且使切换时机与通电的两绕组同步的加压模块。具体地，无刷直流电机通常都采用120°导通方式，即每次只有两相绕组通电，另一相不通电。对这个非通电相绕组，可以交替地施加正总线电压和地电压，相当于施加了一定的电压脉冲。其中，本领域技术人员知晓的是，不管静止还是运转状态，非通电绕组都可通过控制软件来确定，不再赘述。
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。
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。
为了增强无刷直流电机的启动可靠性，提高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其转子位置定位方法、启动方法，
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，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，所述方法包括：
加压步骤：对电机绕组施加预定的脉冲电压矢量；
检测步骤：检测由加压步骤产生的振荡电流幅值的极值；及
定位步骤：根据所述振荡电流幅值的极值和转子位置的对应关系确定转子所在的60°扇区。
优选地，所述加压步骤包括：
顺序确定子步骤：确定电机相邻120°的顺时针旋转顺序或相邻120°的逆时针旋转顺序；及
加压子步骤：对电机通电的两绕组施加预定类型的脉宽调制波形，对非通电的绕组交替接通总线和地电压，且切换时机与通电的两绕组同步。
进一步地，加压子步骤中，非通电的绕组在半个周期内切换一次，整个周期内切换两次；或者，非通电的绕组在整个周期内切换一次。
进一步地，加压子步骤中，所述预定类型的脉宽调制波形为双极互补脉宽调制、单极互补脉宽调制或单极独立脉宽调制波形。
进一步地，加压步骤所施加的脉冲电压矢量情况如表1所示；
表1
| 序号 | U | V | W |
| Pulse1 | + | x | - |
| Pulse2 | - | x | + |
| Pulse3 | x | + | - |
| Pulse4 | x | - | + |
| Pulse5 | + | - | x |
| Pulse6 | - | + | x |
其中，表1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。
举例来说，当电机绕组上施加的是Pulse6时，U-和V+相导通，W相不通电。交替地给W相接通总线电压和地电压，这时系统的电压矢量见图2。图中，U、V及W为三相绕组，产生有用转矩电流的主矢量为Pulse6，切换W相产生的振荡电流矢量为Pulse2（W+,U-）和Pulse3（W-,V+）。从图中可见，振荡电流矢量Pulse2和Pulse3在有用转矩电流主矢量Pulse6的左右两侧，与Pulse6分别相隔60°电角度。根据无刷直流电机的工作原理，如果转子顺时针旋转，当转子轴线与Pulse2的轴线重合时，电机需要换相，产生有用转矩电流的主矢量需要换为Pulse3。如果转子反时针旋转，当转子轴线与Pulse3的轴线重合时，电机需要换相，产生有用转矩电流的主矢量需要换为Pulse2。所以实现正确换相的关键是检测出转子轴线与Pulse2或者Pluse3轴线重合的时刻。根据永磁无刷直流电机的工作原理，饱和凸极效应造成当转子轴线与绕组轴线相重合时，取决于电机结构，绕组电感量达到最小值或者最大值，相应的振荡电流幅值也达到最大值或者最小值。通过直流总线检流电阻检测出振荡电流幅值的最大值或者最小值，根据这种对应关系，就可以确定出电机的转子位置。
根据上述原理，关键就是如何实现脉宽调制(PWM)方式，即如何应用表1中的各种脉冲。原则是根据微处理器的具体特性和功能，来实现电压矢量图。
无刷直流电机的脉宽调制(PWM)斩波方式有很多种，其对应的振荡电流脉冲生成方式也是多样化的。举例来说，当采用双极互补脉宽调制（Bipolarcomplementary PWM）方式时，图3到图6是对应的振荡电流脉冲产生方式。图4和图6中的灰色部分意味着高阻状态，这两个图中的W相工作在独立模式。图3和图5中的W相工作在互补模式。图3和图4产生的振荡电流频率为转矩电流频率的一半，而图5和图6产生的振荡电流频率与转矩电流的频率相同，这具有噪音方面的显著优势。但是微处理器的PWM模块需要具有半周期重载（Half period reload）功能。
当采用单极互补脉宽调制（Unipolar complementary PWM）方式时，图7到图10是对应的振荡电流脉冲产生方式。图8和图10中的灰色部分意味着高阻状态，这两个图中的W相工作在独立模式。图7和图9中的W相工作在互补模式。图7和图8产生的振荡电流频率为转矩电流频率的一半，而图9和图10产生的振荡电流频率与转矩电流的频率相同，这具有噪音方面的显著优势。但是微处理器的PWM模块需要具有半周期重载（Half period reload）功能。
当采用单极独立脉宽调制（Unipolar independent PWM）方式时，图11到图14是对应的振荡电流脉冲产生方式。图12和图14中的灰色部分意味着高阻状态，这两个图中的W相工作在独立模式。图11和图13中的W相工作在互补模式。图11和图12产生的振荡电流频率为转矩电流频率的一半，而图13和图14产生的振荡电流频率与转矩电流的频率相同，这具有噪音方面的显著优势。但是微处理器的PWM模块需要具有半周期重载（Half period reload）功能。
从这些图中可以看出本发明实施例的规律（在一个扇区内）是：
U和V两相为常规的脉宽调制（PWM）波形，可以是各种不同的类型，比如说双极互补脉宽调制（Bipolar complementary PWM），单极互补脉宽调制（Unipolar complementary PWM），单极独立脉宽调制（Unipolar independentPWM）等等。
W相交替接通总线和地电压，产生振荡脉冲电压和电流，其切换的时机需要与U和V两相保持同步。
如果微处理器具有半周期重载（Half period reload）功能，W相可以在半个周期内切换一次，整个周期内切换两次，则产生的振荡电流频率与转矩电流的频率相同，具有噪音方面的显著优势。
如果微处理器不具备半周期重载（Half period reload）功能，W相只能在整个周期内切换一次，则产生的振荡电流频率为转矩电流频率的一半。滤波算法设计时需要考虑这一点。
在其它扇区之内，根据上述方法，本领域技术人员可以很容易地推导出脉宽调制（PWM）波形，不再赘述。
相应地，本发明实施例还提供了一种无刷直流电机的启动方法，所述方法包括：
转子位置定位步骤：采用如上所述的转子位置定位方法；及
换相步骤：根据所述转子位置定位步骤确定的转子所在的60°扇区进行换相，使电机正常运行。
本发明实施例的无刷直流电机及其转子位置定位方法、启动方法的有益效果是：通过采用对电机绕组施加预定的脉冲电压矢量，检测由加压步骤产生的振荡电流幅值的极值，根据所述振荡电流幅值的极值和转子位置的对应关系确定转子所在的60°扇区的技术方案，从而达到了启动可靠性高，大负载时启动能力强，噪音小的技术效果。
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 Access Memory，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 (10)
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：对电机绕组施加预定的脉冲电压矢量；
检测步骤：检测由加压步骤产生的振荡电流幅值的极值；及
定位步骤：根据所述振荡电流幅值的极值和转子位置的对应关系确定转子所在的60°扇区。
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，所述加压步骤包括：
顺序确定子步骤：确定电机相邻120°的顺时针旋转顺序或相邻120°的逆时针旋转顺序；及
加压子步骤：对电机通电的两绕组施加预定类型的脉宽调制波形，对非通电的绕组交替接通总线和地电压，且切换时机与通电的两绕组同步。
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，加压子步骤中，非通电的绕组在半个周期内切换一次，整个周期内切换两次；或者，非通电的绕组在整个周期内切换一次。
4.如权利要求2述的无刷直流电机的转子位置定位方法，其特征在于，加压子步骤中，所述预定类型的脉宽调制波形为双极互补脉宽调制、单极互补脉宽调制或单极独立脉宽调制波形。
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，加压步骤所施加的脉冲电压矢量情况如表1所示；
表1
其中，表1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。
6.一种无刷直流电机的启动方法，其特征在于，所述方法包括：
转子位置定位步骤：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；及
换相步骤：根据所述转子位置定位步骤确定的转子所在的60°扇区进行换相，使电机正常运行。
7.一种无刷直流电机，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，包括：
对电机绕组施加预定的脉冲电压矢量的驱动器；
检测由加压步骤产生的振荡电流幅值的极值的电流检测器；及
分别与所述驱动器和电流检测器连接的、根据所述振荡电流幅值的极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。
8.如权利要求7所述的无刷直流电机，其特征在于，
所述微处理器包括确定电机相邻120°的顺时针旋转顺序或相邻120°的逆时针旋转顺序的顺序确定模块，及存储有振荡电流幅值的极值和转子位置的对应关系的存储器；
所述驱动器包括对电机通电的两绕组施加预定类型的脉宽调制波形，对非通电的绕组交替接通总线和地电压，且使切换时机与通电的两绕组同步的加压模块。
9.如权利要求7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、绝缘栅双极型晶体管或绝缘栅双极型晶体管。
10.如权利要求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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