CN103995144A - 一种无刷直流电机高性能测速方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无刷直流电机高性能测速方法，适用于对单、双向运行的无刷直流电机测速。本方法首先判断电机当前工作状态，在电机快速加/减速过程中，通过对各霍尔状态下电机转过的位移进行修正补偿，计算电机在每个霍尔状态下的平均转速，提高测速的快速性；当电机匀速旋转时，每改变一次霍尔状态，计算电机旋转一周的平均转速，优化测速的准确性；比较相邻两次霍尔状态，判断电机转向，实现双向测速；综合近两次霍尔状态及电机转向，分析当前获取的霍尔信号是否合理，提高测速方法的抗干扰性。本方法适用于对单、双向运行的无刷直流电机测速，兼具测速的准确性、快速性和抗干扰性。

Description

一种无刷直流电机高性能测速方法

(一)技术领域

本发明涉及一种无刷直流电机高性能测速方法，具体地说是一种针对无刷直流电机，兼具抗干扰性、快速性和准确性的单、双向霍尔测速方法。 

(二)背景技术

工程上通常要求无刷直流电机双向运行，具有快速的动态响应和良好的稳态特性，高速度、高精度、高抗干扰性的双向测速方法是电机具有优异速度调节性能的前提。传统的软件测速方法有：M测速法，T测速法和M/T测速法。M测速法是在相等的时间间隔内，通过检测的脉冲个数来计算转速，适用于测量中高速电机；T测速法通过测量相邻两脉冲的时间间隔计算电机转速，适用于中低速范围的速度测量；M/T测速法在高速时相当于M测速法，在低速时相当于T测速法，但工程实现比较困难。 

基于霍尔元件的无刷直流电机测速通常采用T测速法，但当霍尔传感器的定位存在误差时，传统的T测速法获取的电机转速波动较大。一种改进的T测速法在三相霍尔信号每变化一次更新一次转速，但测量对象为整数周，不适用于电机转速变化很快的场合；一种快速高精度测速方法在稳速条件下对被测电机旋转一周的过程中三个霍尔信号的长度进行标定，并追踪磁极实现了利用电机旋转过程中的一小段信号准确获得电机转速，这种测量方法要求电机先稳速运行一段时间才能正常工作，在实际应用中受限。因此，工程应用中需要一种兼具快速性、准确性和抗干扰性的单、双向测速方法，以保证电机的速度调节性能及调速系统的稳、动态特性。 

(三)发明内容

针对现有测速方法与工程要求的矛盾，本发明的目的是提供一种兼具快速性、准确性和抗干扰性的测速方法，并且在工程应用中具有可行性和实用性。 

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是(以三相六状态无刷直流电机为例)： 

在电机工作在不同状态时有针对性的提高电机测速的快速性或准确性，结合图1，对首次在调速系统中使用的无刷直流电机，令调速系统在占空比恒定的开环状态下，电机以恒定转速和转向运行，记录电机在三相六个霍尔状态下运行时间t₁～t₆；求得当前转速下，电机转过60°电角度所需时间t_ave，t_ave为t₁～t₆的平均值；计算六个霍尔状态下电机位移的修正系数k_i，其中，k_i＝t_i/t_ave，i＝1～6； 

当电机处于不同的工作状态时，采用不同的测速方法。当电机在加/减速阶段，如电机启动、制动时，为实现电机迅速跟踪给定转速，在霍尔状态不改变时，对高频时钟计数；当霍 尔状态发生改变时，读取前一时刻霍尔状态下计数值N，并获取相应的修正系数k_i，计算前一霍尔状态下电机平均转速当电机处于匀速运行阶段时，将电机旋转一周获取的2p个计数值相加求平均值N_ave，计算当前电机转速其中f_s为高频时钟信号频率，p为电机极对数；存储前一时刻霍尔状态，并与当前霍尔状态进行比较，判断当前电机转向，对计算的转速值添加正负号；对比近两次霍尔状态，并参考前一时刻电机的转向，若当前霍尔状态对应电机位置正确则更新转速，否则认为当前霍尔信号为干扰信号，不更新转速，提高测速的抗干扰性。 

利用霍尔元件测速的电机，霍尔传感器的安装误差是转速测量的主要误差，其表现为在电机旋转360°电角度时时，6个霍尔状态下电机转过的位移不同，在电机开环匀速旋转时，可以获得各霍尔状态下，电机转过位移相对于60°电角度的修正系数。当电机在加/减速阶段，利用相应的修正系数计算电机在各个霍尔状态下的平均转速，既提高了测速的快速性，又避免了由于霍尔传感器安装位置不准确带来的测速误差；当电机匀速运行时，对测速的准确性要求很高，对于多对极的无刷直流电机，此时应考虑转子磁极加工误差，通过计算电机旋转一圈获取的2p个计数值的平均值消除累积误差；通过对比近两次的三相霍尔信号，不仅获取了电机当前转向，又避免了霍尔信号的干扰带来测速不准确的问题。 

本方法相对于现有测速方法具有以下优点： 

本方法根据电机不同工作状态，在现有测速方法基础上，有针对性的提高电机测速的速度和精度，在工程中具有很好的实用价值； 

本方法实现了电机的双向测速，可对单、双向运行的无刷直流电机测速； 

本方法提高了测速的抗干扰性，可以避免由于霍尔的干扰信号带来测速误差。 

(四)附图说明

图1是本发明的应用流程说明图； 

图2是本发明的修正各霍尔状态下电机位移的原理示意图； 

图3是本发明的判断电机转向的原理示意图； 

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。按照图1的应用流程实施： 

(1)获取各霍尔状态下位移的修正系数。 

开环状态下，电机以恒定转速和转向运行，三相霍尔传感器的安装误差导致各霍尔状态下电机转过的电角度不完全相同，如图2所示。当霍尔信号不改变时，对高频时钟信号计数， 直至霍尔信号改变，读取并保存电机在前一霍尔状态下的计数值，即可获取电机在各霍尔状态下的运行时间。其中，各霍尔状态与计数值对应关系为：三相霍尔信号h_a、h_b、h_c为”101”，计数值为N₀；霍尔信号为”100”，计数值为N₁；霍尔信号为”110”，计数值为N₂；霍尔信号为”010”，计数值为N₃；霍尔信号为”011”，计数值为N₄；霍尔信号为”001”，计数值为N₅，则电机在六个霍尔状态下运行的时间t_i＝N_i/f_s，i＝0,1,2,3,4,5，f_s为高频时钟信号的频率。则当前转速下，电机每转过60°电角度所需的时间为：i取整数。当电机匀速运行时，位移与时间成正比，由此可求得各霍尔信号状态下，电机转过的位移相对于60°电角度修正系数为：k_i＝t_i/t_ave，i＝0,1,2,3,4,5； 

(2)计算电机转速 

当电机在加/减速阶段时，在霍尔状态不改变时，对高频时钟计数；当霍尔状态发生改变时，读取前一时刻霍尔状态下的脉冲计数值N，并获取前一霍尔状态的位移修正系数k_i，计算前一霍尔状态下电机平均转速当电机处于匀速运行阶段时，将电机旋转一周获取的2p个计数值相加求平均值N_ave，计算当前电机转速其中f_s为高频时钟信号频率，p为电机极对数； 

(3)判断电机转向 

当三相霍尔信号变化时，对比前一时刻霍尔信号与当前霍尔信号，分析电机的转向。分析过程如下：当前三相霍尔信号h_a、h_b、h_c为”101”时，若前一时刻霍尔信号为”001”，记为电机正向旋转，转速为正，若前一时刻霍尔信号为”100”，则电机反转，转速为负；当前霍尔信号为”100”时，若前一时刻霍尔信号为”101”，则电机正转，若为”110”，则电机反转；当前霍尔信号为”110”时，若前一时刻霍尔信号为”100”，则电机正转，若为”010”，则电机反转；当前霍尔信号为”010”时，若前一时刻霍尔信号为”110”，则电机正转，若为”011”，则电机反转；当前霍尔信号为”011”时，若前一时刻霍尔信号为”010”，则电机正转，若为”001”，则电机反转；当前霍尔信号为”001”时，若前一时刻霍尔信号为”011”，则电机正转，若为”101”，则电机反转。当电机正向转动时，对(2)中计算的转速n不作处理，若电机反转时，则对转速n取负，n'＝-n； 

(4)判断霍尔信号是否合理 

电机旋转过程中，霍尔信号的变化具有一定的规律，若当前读取的霍尔信号不满足该规律时，作干扰信号处理，前一霍尔状态下计数值不参与转速运算，转速不更新。规律如下：当电机正转时，若前一时刻三相霍尔信号h_a、h_b、h_c为”101”，则当前读取的霍尔信号应为”100”； 前一时刻霍尔信号为”100”时，当前霍尔信号应为”110”；前一时刻霍尔信号为”110”时，当前霍尔信号应为”010”；前一时刻霍尔信号为”010”时，当前霍尔信号应为”011”；前一时刻霍尔信号为”011”时，当前霍尔信号应为”001”；前一时刻霍尔信号为”001”时，当前霍尔信号应为”101”。当电机反转时，若前一时刻霍尔信号为”101”时，当前霍尔信号应为”001”；前一时刻霍尔信号为”001”时，当前霍尔信号应为”011”；前一时刻霍尔信号为”011”时，当前霍尔信号应为”010”；前一时刻霍尔信号为”010”时，当前霍尔信号应为”110”；前一时刻霍尔信号为”110”时，当前霍尔信号应为”100”；前一时刻霍尔信号为”100”时，当前霍尔信号应为”101”。但当电机在正转、反转状态不停切换时，前一时刻霍尔信号与当前霍尔信号满足正转或反转变化规律，均不作抗干扰处理。 

Claims (4)

1.一种无刷直流电机高性能测速方法，其特征是：在电机工作在不同状态时有针对性的提高电机测速的快速性或准确性，并在工程上具有很好的实用性。其测速方法如下：当电机处于快速加/减速阶段，利用各霍尔状态下电机的位移修正系数，计算电机在每个霍尔状态下的平均转速，实现快速测速；当电机处于匀速运行阶段时，求电机旋转一周各霍尔状态下运行的平均时间，计算电机旋转一周的平均转速，实现准确测速；然后判断电机转向并作抗干扰处理。 

2.根据权利要求1所述的一种无刷直流电机高性能测速方法，其特征在于：对首次在调速系统中使用的无刷直流电机，令调速系统工作在占空比恒定的开环状态下，电机以恒定转速和转向运行，记录电机在六个霍尔状态下运行时间t₁～t_n；求得当前转速下，电机转过60°电角度所需时间t_ave，t_ave为t₁～t_n的平均值；计算各霍尔状态下电机位移的修正系数k_i，其中，k_i＝t_i/t_ave，i＝1～n。 

3.根据权利要求1所述的一种无刷直流电机高性能测速方法，其特征在于：存储前一时刻霍尔状态，并与当前霍尔状态进行比较，判断当前电机转向，实现双向测速。 

4.根据权利要求1所述的一种无刷直流电机高性能测速方法，其特征在于：综合近两次霍尔状态及电机转向，分析当前获取的霍尔信号是否合理，信号合理则更新转速，否则认为当前霍尔信号为干扰信号，不更新转速，提高测速的抗干扰性。