CN104378030A - 永磁无刷电机无位置传感器启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁无刷电机无位置传感器启动方法，它包括首先通过转子预定位将转子定位于特定位置，然后根据给定的单步加速电流和计算得到的单步加速时间进行单步加速，通过单步加速后直接切换到闭环加速，以固定周期检测三相悬空状态下的转子位置信号，并据此确定通电相序，闭环加速的同时通过信号对比法判定反电势信号是否稳定，当在一个换相周期内能检测到稳定的反电势信号时切换到正常反电势法运行；其中单步加速和信号对比法可以保证电机以最快速度启动，闭环加速过程可以保证电机在启动加速过程中准确供电，不会出现失步。该方法可以准确、快速、高效地启动高速永磁无刷电机，优化过程简单，通用性强，可以极大提高启动成功率，且对负载变化不敏感，当负载和工况在一定范围内变化时无需改变启动程序。

Description

永磁无刷电机无位置传感器启动方法

技术领域

本发明适用于高速永磁无刷电机控制领域，具体涉及一种高速永磁无刷电机无位置传感器启动方法。

技术背景

目前常见的方波驱动永磁无刷电机无位置传感器控制方法主要有反电势法、续流二极管法、磁链函数法、电流注入法和状态观测器法等。其中反电势法在实际开发中用的比较广泛，也是目前相对实用化的一种无位置传感器控制方式。由于永磁无刷电机的绕组反电动势与电机转速成正比,在启动之前, 不存在反电动势, 在低速运行时刻反电动势非常小，难以准确提取反电动势过零点信号，因此如何准确快速地启动电机是反电势法控制的难点所在。

常用的反电势法启动策略主要有三段式启动法、升频升压启动法和预定位启动法等。

其中三段式启动法和升频升压启动法是通过开环加速将电机驱动到能够稳定地检测到反电势信号的转速然后切换到闭环运行状态，这就导致了加速曲线复杂、启动过程优化难度大、启动程序兼容性差、抗干扰能力弱等问题。因为在开环启动过程中，即使很小的换相角度偏差都有可能因为偏差积累而引起换相错误最终导致启动失败，所以只要负载稍微发生变化，整个启动过程都必须重新优化，负载敏感性强。

预定位法对每次换相的切换时间有较为严格的要求, 而且要求电机转子转动惯量及其它电机参数必须非常准确,否则在加速过程中会因为误差积累而导致启动失败，当电机负载变化时,启动程序也要相应调整,否则就会造成堵转、反转等情况发生。另外由于电机在初始位置时并非完全静止，而是在预定位位置作小幅震颤，因此每次启动时初始状态不可能完全一致，这对于切换时间是一个无法避免的干扰，因此预定位启动法也存在启动失败的可能性，并且其计算量比较大，对控制芯片计算性能要求比较高。

上述三种常用的启动方法优化过程复杂，每次负载变化都需要对应地修改启动程序，通用性差，且存在不可避免的启动失败的可能性，这些问题阻碍了反电势法在永磁无刷电机控制领域的应用。

基于上述原因，寻找一种通用性强，优化过程简单，能适应负载变化且能够保证较高启动成功率的启动方法成为反电势法实用化过程中亟待解决的问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：

本发明提供了一种新型无位置传感器启动策略，该启动策略可以准确、快速、高效地启动永磁无刷电机，优化过程简单，并且可以极大提高启动成功率，该启动方法对负载变化不敏感，当负载和工况在一定范围内变化时无需改变启动程序。

本发明的技术解决方案是：

本发明通过转子预定位、单步加速、闭环加速和信号对比四步完成整个永磁无刷电机启动过程。

本发明中单步加速阶段通过单步通电使转子加速到Z点。

本发明中闭环加速阶段设定通电周期                                                ，关断延时和通电加速时间，在阶段结束后检测三相反电势信号，此时电机三相绕组处于悬空状态，反电势信号未受供电电压和绕组电流的干扰，转速较低时也可以准确提取出转子位置信息。

本发明中信号对比阶段通过准确的位置信号和受干扰的位置信号对比，可以在一个换相周期内实现由闭环加速阶段向正常反电势法运行阶段的切换，无需检测到6个稳定的换相信号，可以使电机尽快切换到正常反电势法运行阶段。

本发明与现有启动方法相比，优势在于：

1、启动速度快；

2、可以应用于多种类型的中高速轻载电机，适用范围广；

3、对负载变化不敏感，当负载和工况在一定范围内变化时无需改变启动程序；

4、转子预定位及单步加速阶段为开环，其它阶段为闭环，通过后续闭环加速阶段可以修正开环加速阶段产生的位置误差，极大提高启动成功率。

附图说明

图1为预定位阶段转子位置示意图；

图2为单步加速阶段示意图；

图3为单步加速阶段与闭环加速阶段切换点示意图；

图4为反电势信号分压滤波电路；

图5为闭环加速阶段示意图；

图6为A-B相通电及续流时电流流向示意图；

图7为信号对比法示意图；

图8为信号对比法程序流程图；

图9为整个启动过程示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以两极电机为例，结合具体图示，进一步阐述本发明。

本发明第一步为转子预定位：

按照两两通电方式，欲将转子定位于图1（a）所示位置需导通A-C相（A-C代表电流由A相流入经C相流出），但是如果启动时转子恰巧位于图1（b）所示位置，则导通A-C相无法使转子定位于图1（a）所示位置，为防止图1（b）所示情况发生，预定位阶段采用先导通A-B相然后再导通A-C相的方式，其中导通A-B相时间可以较短，只需保证转子动起来即可，导通A-C相时间应该足够长以保证将转子稳定定位于图1（a）所示位置。

本发明第二步为单步加速：

转子定位于图1（a）所示位置后，根据换相表可知，若转子逆时针旋转，下一步需导通B-A相，如图2（a），通过B-A相导通可以使转子加速到闭环加速阶段所需的转速。此阶段应该在电机绕组允许范围内施加尽可能大的电流，较大的启动电流有助于启动过程顺利进行。

实验时应当根据电机特性及实验条件预先给定单步加速阶段的电流，然后根据给定的电流计算得到单步加速时间。

为了简化计算，在计算过程中作如下假设：

1、单步加速过程中电流为恒流；

2、转子磁感应强度在定子绕组中按正弦规律变化（若定子绕组中磁感应强度按梯形波规律变化，则计算公式相应改变）。

根据电磁感应定律，转子所受电磁力矩为： 

式中为电机电磁力矩，R为电枢绕组的等效半径，L为电枢绕组的有效长度，B为电枢绕组处的磁感应强度， N为绕组匝数，为B相绕组电流。如图2（b），磁感应强度B在OM方向上的分量为，为OM与转子N极之间的夹角，沿逆时针方向为正。

从图3中可以看出在B-A相通电条件下，转子N极由B点到C点时受到的电磁力矩为动力矩，在B点和A’点之间为锐角，受到的电磁力矩大，A’点和C点之间随着增加，受到的电磁力矩逐渐减小，在C点时为90度，此时转子受到的电磁力矩为零。令电磁力矩与阻力矩相等的点为Z点，Z点之前转子一直处于加速阶段，Z点之后转子开始减速，因此Z点是切换到下一阶段的最佳位置。在Z点处存在下式关系：

解得：

式中为转子N极在Z点时转子N极与OM的夹角，为阻力矩，其中包含了摩擦阻力矩，风阻，负载转矩等。

由电磁力矩公式结合能量守恒定律可知，在转子转角为时：

解得转角为时的角速度为：

上式中为转子角速度，J为电机转子的转动惯量，为转子N极与OM的夹角，为转子初始位置其值为。

由角速度公式和电磁力矩公式可得:

由上式可以得出单步加速时间：

该积分的原函数无法通过初等函数表达出来，因此无法用牛顿-莱布尼茨公式计算其定积分，但是借助MATLAB用数值积分的方法可以很容易得到其定积分的近似值。

以先前确定的电流作为加速电流，按照B-A相导通方式供电，导通时间，则可以得到在该电流下通过单步加速能够达到的最高速度。该速度如果无法满足后续闭环加速阶段的要求则需加大电流后重新计算单步加速时间。

本发明第三步为闭环加速：

由于单步加速法是通过单步加速将转子加速到一定速度，因而其得到的速度不可能很高，在切换点Z处反电势信号非常微弱。另外由于反电势检测电路中电压比较器可以承受的最大电压有限，为了保证反电势电压处于电压比较器工作范围以内，在反电势检测电路中进行了分压，图4为单相反电势信号分压电路，通过分压可以保证电压比较器在全电压全速度范围内正常运行，但是这样使得本来就很微弱的反电势信号减小到了原来的，极大地增加了启动的难度，其中为电机供电频率。

由于分压导致本身就很小的反电势信号变得更加微弱，在绕组通电和续流期间转子位置信号被供电电压和绕组电流的干扰所淹没，因此闭环加速时提取转子位置信号必须排除供电电压和绕组电流对反电势信号的干扰。

闭环加速过程如图5，以A-B相通电为例，将闭环加速阶段分为若干个通电周期，每个通电周期分为关断延时和通电加速两部分，在关断延时期间将六个功率开关全部关断，当结束时从反电势中提取转子位置信号，然后根据得到的转子位置信号决定阶段的导通方式。经实验验证，这样得到的转子位置信号不受供电电压和三相电流的干扰，可以准确反映转子位置信息。由于闭环加速阶段以为通电周期，因此其换相精度受影响较大，当小于换相周期时可以按照30度相位延时进行相位补偿，相位补偿公式为。若大于换相周期，无需进行相位补偿，直接依据检测到的反电势信号换相即可。

关断延时时间需要通过计算得到，以A-B相通电为例，阶段电机绕组中电流流向如图6（a）所示，阶段关断所有功率开关，由于绕组为感性，电流不能突变，此时电机绕组中电流流向变为如图6（b）所示。由公式可得到绕组中电流续流时间，也就是关断延时时间，L为电机线电感，U为逆变器输入电压，I为线电流。由于高速电机电感很小，实际续流时间很短，插入关断延时对启动过程的影响较小，因此在实际中可以适当增加的值以保证三相绕组中续流完全结束。通电周期应大于以保证具有足够的加速电流，通电周期应小于换相周期，以保证闭环加速的换相精度，在允许范围内取值越小，换相精度越高。

本发明第四步为信号对比：

随着闭环加速的进行，反电势信号逐渐变强，当反电势信号能够克服供电电压和绕组电流的干扰时就可以切换到正常的反电势法运行状态。大多数无位置传感器启动方式是通过检测6个连续且按换相次序产生的反电势信号作为切换的依据，这种方式引起的问题是没法在检测到足够强的反电势信号时尽快切换到正常反电势法运行。

本发明采用了一种信号对比法来判断是否可以由闭环加速阶段切换到正常反电势法运行阶段，此方法可以在一个换相周期内判断反电势信号是否足以克服供电电压和绕组电流的干扰。

设两个用于存储信号的变量和，为闭环加速阶段所提取的反电势信号，采样周期为；同时周期性地采样检测反电势信号，的采样周期远小于。采样周期过短会占用过多CPU资源，采样周期过长则可能漏掉反电势信号中的杂波，导致误切换，根据经验此采样周期可以设为10-50us。

以A-B相通电为例，该信号对比法实现过程如图7，其中箭头所示位置为提取反电势信号的位置，是排除了供电电压和三相电流干扰的准确的反电势信号，是周期性采集的未排除干扰因素的反电势信号。当在一个换相周期内和时刻保持一致时说明反电势信号已经能够克服供电电压和三相电流引起的干扰，此时即可切换到正常反电势法运行阶段。

判定一个换相周期内和时刻保持一致的方法如下：

1、当改变时触发一次判定周期，记为，其中原值为，改变后的值为，在到期间，改变一次；

2、到过程中、均未改变且=；

3、当再次改变时，记为，其中原值为，改变后的值为，在到期间，改变一次。

其中是为了方便表述该过程而引入的不同时刻的值，中n值在每个判定周期从1开始递增。若在一个判定周期内上述三个条件都满足，则认为已经足够稳定，可以切换到正常反电势法运行阶段，若在整个过程中任何一个条件不满足则认为不稳定，从下次改变时开始新一轮判定周期。该信号对比法程序流程图如图8。

通过信号对比法，判定稳定后切换到正常反电势法运行状态，整个启动过程结束。

综合以上所述启动方案，整个启动过程如图9所示，需经历以下步骤：

1、转子预定位，通过转子预定位将转子定位于特定位置；

2、单步加速，确定单步加速电流并根据电流及电机参数确定单步加速时间；

3、闭环加速，以为周期检测转子位置信号，并依据关断延时结束时检测到的转子位置信号确定通电相序；

4、信号对比，在闭环加速阶段通过信号对比法判定反电势信号是否稳定，当在一个换相周期内能检测到稳定的反电势信号时切换到正常反电势法运行。

以上描述了本发明的基本原理和本发明的特点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明要求保护的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种永磁无刷电机无位置传感器启动方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：转子预定位，通过转子预定位将转子定位于特定位置；

步骤二：单步加速，确定单步加速电流并根据电流及电机参数确定单步加速时间；

步骤三：闭环加速，以                                                为周期检测转子位置信号，并依据关断延时结束时检测到的转子位置信号确定通电相序；

步骤四：信号对比，在闭环加速阶段通过信号对比法判定反电势信号是否稳定，当在一个换相周期内能检测到稳定的反电势信号时切换到正常反电势法运行。

2.根据权利要求1所述的永磁无刷电机无位置传感器启动方法，其特征在于闭环加速阶段以为周期进行通电，每个通电周期包括关断延时和通电加速时间，驱动器在结束时检测反电势信号，并以此作为确定通电相序的依据。

3.根据权利要求1所述的永磁无刷电机无位置传感器启动方法，其特征在于步骤四所述的信号对比法实现过程为：当改变时触发一次判定周期，记为，在到期间，改变一次；到过程中、均未改变且；当再次改变时，记为，在到期间，改变一次；若上述判定皆满足，则切换到正常反电势法运行，否则在下次发生变化时开始新一轮判定周期。

4.根据权利要求1所述的永磁无刷电机无位置传感器启动方法，其特征在于所述单步加速阶段与闭环加速阶段的切换点位于点Z左右各20度范围之内。

5.根据权利要求1所述的永磁无刷电机无位置传感器启动方法，其特征在于步骤二所述的单步加速时间计算公式为：

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