CN104092417B - 电机转子位置信号的自适应处理方法、装置和控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机转子位置信号的自适应处理方法、装置和控制系统，所述方法包括：在测量周期内，对电机转子的位置进行测量，获取电机转子位置信号；对所述电机转子位置信号进行分析，得到电机转子位置信号的噪声强度和噪声分布信息；根据一个或多个测量周期内的电机转子位置信号、电机转子位置信号的噪声强度和噪声分布信息确定所述电机转子位置信号的信号质量；根据所述信号质量对所述电机转子位置信号进行相应的滤波处理；根据所述滤波处理后的电机转子位置信号对电机的运行进行控制，本发明实施例提供的方法为电机控制器提供更可靠的电机转子位置信号，有效的抑制或消除因噪声等问题造成的错误的转子位置判断而引起的电机故障。

Description

电机转子位置信号的自适应处理方法、装置和控制系统

技术领域

本发明涉及工业自动化控制领域，尤其涉及一种电机转子位置信号的自适应处理方法、装置和控制系统。

背景技术

直流无刷电机以其高效率、噪声低等优点被广泛用于工业及家用电器的驱动系统。直流无刷电机的控制需要获取电机转子位置信号。常用的位置信号获取方法是通过使用光电码盘、旋转变压器、线性或开关型霍尔传感器得到。例如基于霍尔传感器的直流无刷电机控制方案中，一般会配置三个霍尔传感器，通过合理设置三个霍尔传感器的物理安装位置，三个霍尔输出的位置编码信号可以将电机的一个电周期(对应360度电角度)划分为六个区域，六个区域按60度电角度等间隔分布。方波驱动直流无刷电机直接使用三个霍尔输出的位置编码信号控制逆变器输出控制电压给定子线圈，控制电机的运转。

工业及家庭用电器对电机驱动系统的可靠性要求非常高，在实际使用中，由于高速运行的电机内部电磁干扰严重，以及位置传感器或其他电路器件由于老化造成性能下降甚至失效，这些都可能造成控制系统接收到的位置信号上存在不同程度的噪声干扰，严重影响位置信号的信号质量。一旦控制器接收的位置信号的噪声超出了电机控制系统的可接受范围，电机控制系统就有可能会作出错误的转子位置判断并随之产生错误的控制输出，导致电机出现转矩波动剧烈、相电流增大、电机发热严重等一系列故障现象。现有控制系统使用预先设定参数的位置信号处理，运行中不能改变参数，结果是当运行中位置信号质量变化时无法应对。

发明内容

本发明实施例提供了一种电机转子位置信号的自适应处理方法、装置和控制系统，能够在电机的一路或多路位置信号受到噪声干扰的情况下，保证电机可靠工作。

第一方面，本发明实施例提供了一种电机转子位置信号的自适应处理方法，包括：

在测量周期内，获取电机转子位置信号；

对所述电机转子位置信号进行分析，得到电机转子位置信号的噪声强度和噪声分布信息；

根据一个或多个测量周期内的电机转子位置信号、电机转子位置信号的噪声强度和噪声分布信息确定所述电机转子位置信号的信号质量；

根据所述信号质量对所述电机转子位置信号进行相应的滤波处理；

根据所述滤波处理后的电机转子位置信号对电机的运行进行控制。

优选的，所述电机转子位置信号具体包括多个传感器测量输出的多个位置编码信号。

进一步优选的，所述对根据一个或多个测量周期内的电机转子位置信号、电机转子位置信号的噪声强度和噪声分布信息确定所述电机转子位置信号的信号质量具体包括：

根据连续三个测量周期的所述位置编码信号确定所述第二个测量周期内是否存在位置编码信号的有效跳变沿；

如果所述第二个测量周期内存在位置编码信号的有效跳变沿，则所述第二个测量周期内的电机转子位置信号、电机转子位置信号的噪声强度和噪声分布信息不参与确定所述电机转子位置信号的信号质量。

优选的，所述测量周期为：

预设的测量周期；或者

根据所述电机的运行参数动态变化的测量周期。

第二方面，本发明实施例提供了一种电机转子位置信号的自适应处理装置，包括：

测量单元，用于在测量周期内，获取电机转子位置信号；

分析单元，用于对所述电机转子位置信号进行分析，得到电机转子位置信号的噪声强度和噪声分布信息；

确定单元，用于根据一个或多个测量周期内的电机转子位置信号、电机转子位置信号的噪声强度和噪声分布信息确定所述电机转子位置信号的信号质量；

处理单元，用于根据所述信号质量对所述电机转子位置信号进行相应的滤波处理；

执行单元，用于根据所述滤波处理后的电机转子位置信号对电机的运行进行控制。

优选的，所述电机转子位置信号具体包括多个位置编码信号；所述确定单元具体用于：

根据连续三个测量周期的所述位置编码信号确定所述第二个测量周期内是否存在位置编码信号的有效跳变沿；

如果所述第二个测量周期内存在位置编码信号的有效跳变沿，则所述第二个测量周期内的电机转子位置信号、电机转子位置信号的噪声强度和噪声分布信息不参与确定所述电机转子位置信号的信号质量。

优选的，所述装置还包括：

测量周期确定单元，用于根据预设参数确定所述测量周期；或者根据所述电机的运行参数确定所述测量周期。

第三方面，本发明实施例还提供了一种无刷电机控制系统，包括上述第二方面所述的电机转子位置信号的自适应处理装置。

优选的，所述系统还包括：多个位置传感器、转子位置估计电路、直流无刷电机控制装置和逆变器；

所述多个位置传感器对直流无刷电机的转子位置进行测量，输出电机转子位置信号；

所述自适应处理装置接收所述电机转子位置信号并进行分析，得到电机转子位置信号的噪声强度和噪声分布信息，并根据一个或多个测量周期内的电机转子位置信号、电机转子位置信号的噪声强度和噪声分布信息确定所述电机转子位置信号的信号质量；再根据所述信号质量对所述电机转子位置信号进行相应的滤波处理；

所述转子位置估计电路根据滤波处理后的电机转子位置信号对电机转子位置进行估计，生成转子位置估计信号；

所述直流无刷电机控制装置将所述转子位置估计信号处理为电机控制信号；

所述逆变器根据所述电机控制信号，将直流母线电压转换为交流电压，控制所述直流无刷电机的运行。

本发明实施例的电机转子位置信号的自适应处理方法，通过对电机转子位置信号的信号质量进行监控，并根据信号质量为电机转子位置信号动态选取相应的滤波处理方式，从而为电机控制器提供更可靠的电机转子位置信号，提高系统运行的可靠性，有效的抑制或消除因噪声等问题造成的错误的转子位置判断而引起的电机故障。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种电机转子位置信号的自适应处理方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的霍尔位置信号的信号质量确定方法示意图；

图3为本发明实施例提供的一种电机转子位置信号的自适应处理装置的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的处理单元的具体实现电路图；

图5为本发明实施例提供的一种三相方波驱动无刷电机系统示意图；

图6为本发明实施例提供的一个测量周期内的霍尔位置信号的信号质量监测示意图；

图7为本发明实施例提供的一个电周期内的有噪声三相霍尔位置信号波形示意图；

图8为本发明实施例提供的一个电周期内的无噪声三相霍尔位置信号波形示意图；

图9为本发明实施例提供的三相方波驱动无刷直流电机驱动波形与转子位置关系示意图；

图10为本实用新型实施例提供的逆变器的一种具体实现电路图。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例一提供了一种电机转子位置信号的自适应处理方法，如图1所示，所述包括如下步骤：

步骤110，在测量周期内，获取电机转子位置信号；

具体的，电机转子位置信号可以是电机位置信号处理装置接收到的多个传感器测量输出的多个位置编码信号。

测量周期根据电机运行速度范围和电机参数来选择设定，在电机运行过程中，测量周期的长短可以是根据预设固定不变的，也可以是随电机运行速度和电机参数动态改变的。

步骤120，对所述电机转子位置信号进行分析，得到电机转子位置信号的噪声强度和噪声分布信息；

具体的，电机位置信号处理装置对接收到的电机转子位置信号进行实时分析和处理，使用如存储器等装置记录一个测量周期内的电机转子位置信号的实时分析和处理结果。

电机转子位置信号可以是转子的离散位置的位置信号，也可以是转子的连续位置的位置信号。

其中，对连续位置的位置信号的分析可以包括但不限于该测量周期内转子的位置平均值、位置中值和位置方差；对离散位置的位置信号的分析可以包括但不限于该测量周期内信号的高低电平数目、跳变次数、最大正向脉冲宽度和最大负向脉冲宽度等等。通过对位置信号的分析和处理，可以得到位置信号的噪声强度和噪声分布信息，它们具体可表示为连续型信号或者离散型信号。

步骤130，根据一个或多个测量周期内的电机转子位置信号、电机转子位置信号的噪声强度和噪声分布信息确定所述电机转子位置信号的信号质量；

具体的，可以通过如下方法来实现：

步骤131，根据连续三个测量周期的所述位置编码信号确定所述第二个测量周期内是否存在位置编码信号的有效跳变沿；

其中，位置编码信号的有效跳变沿是指检测到的电机转子的位置变化引起的信号跳变的跳变沿。有效跳变沿的识别具体可以通过一定的算法来实现。

步骤132，如果所述第二个测量周期内存在位置编码信号的有效跳变沿，则所述第二个测量周期内的电机转子位置信号、电机转子位置信号的噪声强度和噪声分布信息不参与确定所述电机转子位置信号的信号质量。

因为该方法是针对任意连续三个测量周期的位置编码信号来执行的，因此覆盖了连续的全部测量周期。

步骤140，根据所述信号质量对所述电机转子位置信号进行相应的滤波处理；

具体的，根据前述步骤得到的电机转子位置信号的位置信号，对相应的位置信号采用不同的滤波算法。

在一个例子中，对无噪声的一路位置信号不使用滤波算法处理或使用小时间常数的滤波算法处理，例如使用滤波器电路旁路或使用小时间常数的去毛刺电路；

在另一个例子中，对含有弱噪声的一路位置信号使用小时间常数滤波算法处理或中等时间常数滤波算法处理，例如使用小时间常数去毛刺电路和中等时间常数的去毛刺电路；

在又一个例子中，对含有强噪声的一路位置信号使用大时间常数滤波算法处理，例如使用大时间常数去毛刺电路；

在还一个例子中，对所有位置信号使用相同时间常数滤波算法处理，如使用同一时间常数去毛刺电路。

在一个具体实现方式中，可以将信号质量对应为量化的信号质量指示参数，用来指示对电机转子位置信号进行相应的滤波处理。比如通过信号质量指示参数来相应的动态调整滤波处理电路中的可变电容，从而对含噪声的位置信号进行动态的滤波处理。

步骤150，根据所述滤波处理后的电机转子位置信号对电机的运行进行控制。

下面以三相方波驱动无刷直流电机系统中对三相霍尔位置信号进行动态滤波处理的过程说明将信号质量对应为量化的信号质量指示参数，用来指示对电机转子位置信号进行相应的滤波处理的过程，具体如图2所示。

在一个测量周期范围内对三相霍尔位置信号(霍尔UVW编码信号)的八种可能组合使用八个计数器进行分类计数，在一个测量周期内计时完毕后对八个计数器的计数值按照数值大小进行排序，根据排序结果可使用排序为最大值的霍尔位置信号组合作为该测量周期的位置编码判决，排序为第二大值的霍尔位置信号组合可用于霍尔有效跳变沿位置的判断。对霍尔UVW编码信号进行边沿检测和脉冲宽度计数后，分析出最大负向脉冲宽度和最大正向脉冲宽度，通过选择器选择其中一个输出为最大噪声脉冲宽度。根据最大噪声脉冲宽度在预先设定的脉冲宽度-信号质量映射表中查询，得到与该最大噪声脉冲宽度相对应的信号质量指示参数，用来表征该霍尔UVW编码信号的信号质量。再根据这个信号质量指示参数对霍尔UVW编码信号进行相应的滤波处理，并根据滤波处理后的霍尔UVW编码信号对电机的运行进行控制。

本发明实施例的电机转子位置信号的自适应处理方法，通过对电机转子位置信号的信号质量进行监控，并根据信号质量为电机转子位置信号动态选取相应的滤波处理方式，从而为电机控制器提供更可靠的电机转子位置信号，提高系统运行的可靠性，有效的抑制或消除因噪声等问题造成的错误的转子位置判断而引起的电机故障。

相应的，本发明实施例二还提供了一种电机转子位置信号的自适应处理装置，用以实现上述实施例一提供的方法。

如图3所示，本发明实施例提供的电机转子位置信号的自适应处理装置包括：测量单元310、分析单元320、确定单元330、处理单元340和执行单元350。

测量单元310，用于在测量周期内，获取电机转子位置信号；

分析单元320，用于对所述电机转子位置信号进行分析，得到电机转子位置信号的噪声强度和噪声分布信息；

确定单元330，用于根据一个或多个测量周期内的电机转子位置信号、电机转子位置信号的噪声强度和噪声分布信息确定所述电机转子位置信号的信号质量；

具体的，电机转子位置信号具体包括多个位置编码信号；

确定单元330根据连续三个测量周期的位置编码信号确定第二个测量周期内是否存在位置编码信号的有效跳变沿；如果第二个测量周期内存在位置编码信号的有效跳变沿，则第二个测量周期内的电机转子位置信号、电机转子位置信号的噪声强度和噪声分布信息不参与确定电机转子位置信号的信号质量；如果第二个测量周期内不存在位置编码信号的有效跳变沿，则该第二个测量周期内的电机转子位置信号、电机转子位置信号的噪声强度和噪声分布信息参与确定电机转子位置信号的信号质量。

因为位置编码信号的测量周期是一个接一个连续的，因此除了第一个和最后一个测量周期外，其余每一个测量周期都可以按照上述方式处理为第二个测量周期，从而确定每一个测量周期内的信号是否参与确定电机转子位置信号的信号质量。

处理单元340，用于根据所述信号质量对所述电机转子位置信号进行相应的滤波处理；

在一个具体实现方式中，可以将信号质量对应为量化的信号质量指示参数，用来指示对电机转子位置信号进行相应的滤波处理。比如如图4所示的电路中，通过信号质量指示参数来相应的动态调整滤波处理电路中的可变电容41，从而对含噪声的位置信号进行动态的滤波处理。

执行单元350，用于根据所述滤波处理后的电机转子位置信号对电机的运行进行控制。

具体各单元的功能与上述方法实施例中的各步骤一一对应，此处不再赘述。

本发明实施例的电机转子位置信号的自适应处理装置，通过对电机转子位置信号的信号质量进行监控，并根据信号质量为电机转子位置信号动态选取相应的滤波处理方式，从而为电机控制器提供更可靠的电机转子位置信号，提高系统运行的可靠性，有效的抑制或消除因噪声等问题造成的错误的转子位置判断而引起的电机故障。

相应的，本发明实施例三还提供了一种无刷电机控制系统，以三相方波驱动无刷直流电机系统为例，在本实施例的具体说明中均以三相方波驱动无刷直流电机为例，但需要明确指出本发明并不局限于在三相方波驱动无刷直流电机中的应用。

图5为本发明实施例三提供的三相方波驱动无刷电机控制系统示意图，包括：上述实施例二中的电机转子位置信号的自适应处理装置510、多个位置传感器530、转子位置估计电路540、直流无刷电机控制装置550和逆变器560。所述无刷电机控制系统用于控制图中所示的直流无刷电机520的运转。

多个位置传感器530对所述直流无刷电机520的转子位置进行测量，输出电机转子位置信号；

虽然图中仅示出了三个位置传感器530，并且本实施例也是以三相霍尔传感器为例进行说明的，但是在实际应用中，传感器的个数可以根据实际需要来确定，并不限于本发明实施例给出的情况。

自适应处理装置510可以具体包括位置信号质量监测模块511和位置信号滤波电路512。

其中，位置信号质量检测模块511接收电机转子位置信号并进行分析，得到电机转子位置信号的噪声强度和噪声分布信息，并根据一个或多个测量周期内的电机转子位置信号、电机转子位置信号的噪声强度和噪声分布信息确定所述电机转子位置信号的信号质量；

结合如图6所示，霍尔位置信号质量监测同时对三相霍尔位置信号进行。首先根据直流无刷电机控制装置550的运行速度范围选择测量周期，例如一至两个脉冲宽度调制(PWM)载波周期。在一个测量周期范围内对三相霍尔位置信号的每一路的高低电平和跳变沿使用一组计数器进行计数，在一个测量周期计时完毕后，三个高低电平计数器的计数值为该测量周期内高电平时间计数个数。根据高电平计数个数并结合预设的判决阈值，判决该测量周期内的霍尔位置信号为高电平还是低电平。组合三相判决结果作为该测量周期的位置编码判决，使用与判决结果相反的电平计数值、最大正向脉冲宽度计数器、最大负向脉冲宽度计数器和跳变沿计数器计数值得出该相霍尔位置信号噪声强度指示,例如最大噪声脉冲宽度和噪声脉冲个数等等。再据此得到电机转子位置信号的信号质量。例如可以采用前述图4方式获得。

在具体的实现方案中，可以通过软件或硬件实现方式可以对一个电周期内霍尔位置信号噪声强度进行分析，判断出每一路霍尔位置信号的质量，例如根据噪声强度指示将霍尔位置信号质量分为无噪声、弱噪声、中等噪声和强噪声等等。

位置信号滤波电路512根据所述信号质量对电机转子位置信号进行相应的滤波处理。

在一个具体例子中，通过应用自适应处理装置520，可以将获取的如图7所示的一个电周期内的有噪声三相霍尔位置信号波形转换为如图8所示的一个电周期内的无噪声三相霍尔位置信号波形输出。

在另一个具体例子中，无刷电机控制系统可以对电机系统运行过程中的霍尔位置信号质量动态变化作出反应，采取合适的霍尔位置信号滤波算法对每一路霍尔位置信号进行分别处理。方波驱动的一个电周期可以分割对应六个相位参考位置，在控制算法中六个区间分别对应驱动波形的六段，当电机运行中三路霍尔位置信号质量为由无噪声变化为弱噪声时，由选择小时间常数去毛刺电路切换至选择使用中等时间常数去毛刺电路，根据滤波后三路霍尔位置信号编码查驱动波形表，如图9所示，得到当前相位的对应输出波形，由此可以减弱或消除位置传感器530上的噪声对直流无刷电机520运行的干扰。

转子位置估计电路540根据滤波处理后的电机转子位置信号对电机转子位置进行估计，生成转子位置估计信号；

直流无刷电机控制装置550将所述转子位置估计信号处理为电机控制信号；

逆变器560根据所述电机控制信号，将直流母线电压转换为交流电压，控制直流无刷电机520的运行。

逆变器560的一种具体实现方式可以如图10所示，由多个功率管和相应的控制开关V1-V6组成。电机控制信号控制所述控制开关V1-V6的断开和闭合，从而控制直流母线电压通过逆变器560转换后的输出电压。

本发明实施例提供的无刷电机控制系统，通过对电机转子位置信号的信号质量进行监控，并根据信号质量为电机转子位置信号动态选取相应的滤波处理方式，从而为电机控制器提供更可靠的电机转子位置信号，提高系统运行的可靠性，有效的抑制或消除因噪声等问题造成的错误的转子位置判断而引起的电机故障。

专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件来实现，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明实施例的范围。具体地，所述运算和控制部分都可以通用逻辑硬件实现，其可以是使用集成电路工艺制造出来的逻辑集成电路，本实施例对此不作限定。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电机转子位置信号的自适应处理方法，其特征在于，所述方法包括：

在测量周期内，获取电机转子位置信号；

对所述电机转子位置信号进行分析，得到电机转子位置信号的噪声强度和噪声分布信息；

根据一个或多个测量周期内的电机转子位置信号、电机转子位置信号的噪声强度和噪声分布信息确定所述电机转子位置信号的信号质量；

其中，根据连续三个测量周期的位置编码信号确定第二个测量周期内是否存在位置编码信号的有效跳变沿；如果所述第二个测量周期内存在位置编码信号的有效跳变沿，则所述第二个测量周期内的电机转子位置信号、电机转子位置信号的噪声强度和噪声分布信息不参与确定所述电机转子位置信号的信号质量；

根据所述信号质量对所述电机转子位置信号进行相应的滤波处理；

根据所述滤波处理后的电机转子位置信号对电机的运行进行控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电机转子位置信号具体包括多个传感器测量输出的多个位置编码信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量周期为：

预设的测量周期；或者

根据所述电机的运行参数动态变化的测量周期。

4.一种电机转子位置信号的自适应处理装置，其特征在于，所述装置包括：

测量单元，用于在测量周期内，获取电机转子位置信号；

分析单元，用于对所述电机转子位置信号进行分析，得到电机转子位置信号的噪声强度和噪声分布信息；

确定单元，用于根据一个或多个测量周期内的电机转子位置信号、电机转子位置信号的噪声强度和噪声分布信息确定所述电机转子位置信号的信号质量；

其中，根据连续三个测量周期的位置编码信号确定第二个测量周期内是否存在位置编码信号的有效跳变沿；如果所述第二个测量周期内存在位置编码信号的有效跳变沿，则所述第二个测量周期内的电机转子位置信号、电机转子位置信号的噪声强度和噪声分布信息不参与确定所述电机转子位置信号的信号质量；

处理单元，用于根据所述信号质量对所述电机转子位置信号进行相应的滤波处理；

执行单元，用于根据所述滤波处理后的电机转子位置信号对电机的运行进行控制。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

测量周期确定单元，用于根据预设参数确定所述测量周期；或者根据所述电机的运行参数确定所述测量周期。

6.一种无刷电机控制系统，其特征在于，所述系统包括如上述权利要求4-5任一权项所述的电机转子位置信号的自适应处理装置。

7.根据权利要求6所述的无刷电机控制系统，其特征在于，所述系统还包括：多个位置传感器、转子位置估计电路、直流无刷电机控制装置和逆变器；

所述多个位置传感器对直流无刷电机的转子位置进行测量，输出电机转子位置信号；

所述自适应处理装置接收所述电机转子位置信号并进行分析，得到电机转子位置信号的噪声强度和噪声分布信息，并根据一个或多个测量周期内的电机转子位置信号、电机转子位置信号的噪声强度和噪声分布信息确定所述电机转子位置信号的信号质量；再根据所述信号质量对所述电机转子位置信号进行相应的滤波处理；

所述转子位置估计电路根据滤波处理后的电机转子位置信号对电机转子位置进行估计，生成转子位置估计信号；

所述直流无刷电机控制装置将所述转子位置估计信号处理为电机控制信号；

所述逆变器根据所述电机控制信号，将直流母线电压转换为交流电压，控制所述直流无刷电机的运行。