CN105048901A - 无刷电机的基于转子位置检测的自矫正启动方法 - Google Patents

Abstract

一种针对采用单个霍尔传感器检测转子位置的无刷电机的基于转子位置检测的自矫正启动方法，包括步骤：在电机启动前，读取转子位置传感器检测到的初始电压波形，根据初始电压波形与第一阈值的比较结果，设定转子位置状态变量为第一状态或者第二状态；如果转子位置状态变量为第一状态，则进行转子位置传感器的最大值检测过程；如果转子位置状态变量为第二状态，则进行转子位置传感器的最小值检测过程；如果完成了转子位置传感器的最大值检测过程、最小值检测过程，则结束所述的自矫正启动方法。

Description

无刷电机的基于转子位置检测的自矫正启动方法

技术领域

本发明属于无刷电机控制领域，具体地，涉及一种无刷电机的基于采用单个霍尔传感检测转子位置的自矫正启动方法。

背景技术

近年来，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展，无刷电动机得到了长足的发展。其中电机的转子位置的检测正确可靠，对缩短电机的启动时间和增加电机的启动成功率起到非常关键的作用。

然而由于传感器的安装位置，转子磁场强度的大小及生产工艺水平均影响转子位置的检测精度，检测反馈信号错误是难以避免的，当错误发生时，需要有一种方法自动对错误进行矫正，否则电机无法启动。尤其是对于采用单个霍尔传感器检测转子位置的无刷电机而言，情况更差。

因此，对于普通消费者来说，需要一种能够解决上述问题的无刷电机的基于转子位置检测的自矫正启动方法。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种针对如上所述的采用单个霍尔传感器检测转子位置的无刷电机的基于转子位置检测的自矫正启动方法。根据本发明的无刷电机的基于转子位置检测的自矫正启动方法，电机上电时，控制器通过检测霍尔信号快速判定转子的初始位置，并根据检测结果驱动电机启动。如果判定初始位置错误，控制器能够根据输入电压相位自动校正转子的相位，从而正确的驱动电机，解决了现有技术中单相无刷电机启动时转子位置判定错误无法启动的问题。使得转子位置的检测正确可靠，有利地缩短了电机的启动时间和并增加了启动成功率。

具体而言，根据本发明的一方面，提供一种针对采用单个霍尔传感器检测转子位置的无刷电机的基于转子位置检测的自矫正启动方法，包括步骤：

在电机启动前，读取转子位置传感器检测到的初始电压波形，根据初始电压波形与第一阈值的比较结果，设定转子位置状态变量为第一状态或者第二状态；

如果转子位置状态变量为第一状态，则进行转子位置传感器的最大值检测过程；

如果转子位置状态变量为第二状态，则进行转子位置传感器的最小值检测过程，

其中转子位置传感器的最大值检测过程包括：

向电机施加与第一状态对应的第一预定输入电压，并判断转子位置传感器此时检测到的电压波形是否逐渐增加；

如果判断转子位置传感器此时检测到的电压波形逐渐减小或者固定不变，则判定转子位置错误，修改转子位置状态变量为第二状态，

如果判断转子位置传感器此时检测到的电压波形逐渐增加，则将转子位置传感器当前检测到的电压波形值与转子位置传感器的最大电压波形阈值进行比较；

如果转子位置传感器当前检测到的电压波形值与上述最大电压波形阈值之差小于一容限阈值，则将转子位置状态变量更新为第二状态，完成了转子位置传感器的最大值检测过程；

如果线性霍尔传感器的转子位置传感器当前检测到的电压波形值与上述最大电压波形阈值之差大于等于容限阈值，则继续施加交流电压驱动电机，

其中转子位置传感器的最小值检测过程包括：

向电机施加与第二状态对应的第二预定输入电压，并判断转子位置传感器此时检测到的电压波形是否逐渐减小；

如果判断转子位置传感器此时检测到的电压波形逐渐增大或者固定不变，则判定转子位置错误，修改转子位置状态变量为第一状态；

如果判断转子位置传感器此时检测到的电压波形逐渐减小，则将线性霍尔传感器的转子位置传感器当前检测到的电压波形值与转子位置传感器的最小电压波形阈值进行比较；

如果转子位置传感器当前检测到的电压波形值与上述最小电压波形阈值之差大于一容限阈值，则将转子位置状态变量更新为第一状态，完成了转子位置传感器的最小值检测过程；

如果线性霍尔传感器的转子位置传感器当前检测到的电压波形值与上述最小电压波形阈值之差小于等于容限阈值，则继续施加交流电压驱动电机，

如果完成了转子位置传感器的最大值检测过程、最小值检测过程，则结束所述的自矫正启动方法。

其中，霍尔传感器采用线性霍尔传感器。

其中，第一状态是电机启动前转子位置传感器检测到的电压大于中点电压的、与最小齿槽转矩位置对应的转子位置；第二状态是电机启动前转子位置传感器检测到的电压小于中点电压、与最小齿槽转矩位置对应的转子位置，其中，转子位置传感器检测到的电压信号是以所述中点电压所在的横轴直线为基准进行正弦变化。

其中，转子位置传感器的最大电压波形阈值、最小电压波形阈值存储在控制无刷电机的单片机的存储器中。

其中，第一预定输入电压是L电压>N电压的交流电压，第二预定输入电压是N电压>L电压的交流电压。

其中，无刷电机是单相无刷电机或多相无刷电机。

附图说明

通过下面结合附图对示例实施例的详细描述，将更好地理解本发明。应当清楚地理解，所描述的示例实施例仅仅是作为说明和示例，而本发明不限于此。本发明的精神和范围由所附权利要求书的具体内容限定。下面描述附图的简要说明，其中：

图1示出单相无刷电机的内部结构框图；

图2示出单相无刷电机的控制系统框图；

图3示出单相无刷电机的同步检测电路输出的与交流输入电压同步的方波信号；

图4示出单相无刷电机的转子位置传感器输出的模拟电压波形；

图5示意示出了对转子位置传感器输出的反馈信号进行AD转换后的波形；

图6示出了达到单相无刷电机的同步转速时的信号关系波形图；

图7示出了单相无刷电机转子旋转一周的齿槽转矩波形和转子位置传感器输出的模拟电压波形；

图8示出了实际的单相无刷电机达到同步转速后霍尔状态信号的切换点；

图9示出了单相无刷电机转子静止时霍尔传感器检测到的电压信号；以及

图10示出了根据本发明的单相无刷电机的基于转子位置检测的自矫正启动方法的流程图。

具体实施方式

现在参照附图来详细地描述本发明。本发明以单相无刷电机为例进行说明是为了使本发明的原理能够容易被理解，但是以单相无刷电机为例的说明并不能将本发明的实际应用范围仅限于单相无刷电机，本发明的方法对多相无刷电机也是适用的，多相无刷电机同样也在本发明的范围之内。

图1示出单相无刷电机的内部结构框图。如图1所示，单相无刷电动机结构上一般由电子控制系统(未示出)、转子位置传感器11、转子12、定子13组成。

转子位置传感器11通常可选用利用电流的磁效应进行工作的磁敏式霍尔位置传感器，它们在磁场作用下会产生霍尔电势，经整形、放大后即可输出所需电平信号，构成了原始的转子位置信号。

转子12由一对极对子的永磁体组成。

定子13由单相电枢绕组组成。

图2示出单相无刷电机的控制系统框图。如图2所示，单相无刷电机的控制系统包括转子位置传感器21、同步检测电路22、直流电源生成电路23、单片机24、交流开关25。

单相交流输入电源为单相无刷电机20提供工作电压。

单相交流输入电源经直流电源生成电路23生成用于为单片机24供电的直流电压。

同步检测电路22检测单相交流输入电源的电压，把交流电压转换为与交流电压同步的单片机可检测的信号(例如，转换成50Hz的方波同步信号)，如图3所示。同步检测电路22将所生成的方波同步信号输出到单片机24。

仅包括单个位置传感器的转子位置传感器21检测单相无刷电机20的转子位置，转子位置传感器21采用线性霍尔传感器检测转子位置，输出模拟电压，转子旋转一周，霍尔传感器检测到的电压波形如图4所示。

单片机24读取霍尔传感器21输出的电压反馈信号并进行AD转换，并按以下方式把霍尔传感器输出的反馈信号分为两种状态：霍尔传感器检测到的电压波形中电压上升的为1，电压下降的为0。参见图5，图5示意示出了对转子位置传感器输出的反馈信号进行AD转换后得到的霍尔状态信号的波形。在电机启动阶段，单片机24根据同步检测电路22输出的例如50Hz的方波同步信号以及对转子位置传感器输出的反馈信号进行AD转换后的霍尔状态信号的波形来驱动交流换流开关25，使得单相无刷电机运转并达到与交流输入电源的频率同步的同步转速，从而完成电机启动阶段的转速控制。之后，电机将进入其他阶段的转速控制，以达到用户期望的转速或额定转速。达到同步转速之后的转速控制不属于本发明所涉及的范围，因此省略其描述。

达到单相无刷电机同步转速时的信号关系波形图参见图6所示。(请注意，未达到单相无刷电机同步转速时的霍尔状态信号的高电平时段要大于达到单相无刷电机同步转速时的开关信号的高电平时段。达到同步转速时,霍尔状态信号与同步信号是同步的，未达到同步转速之前，两者是不同步的)。

参见图6，图6所示的同步信号是同步检测电路22输出的方波同步信号。当同步信号和霍尔状态信号同时为“1”时，或者当同步信号和霍尔状态信号同时为“0”时，单片机24输出高电平的开关信号以控制交流开关25为“导通”；单片机24输出低电平的开关信号以控制交流开关25为“截止”。尽管图6示出了单相无刷电机达到同步转速时的信号关系波形图，但是开始启动到达到同步转速这一过程中，单片机24也是根据同步检测电路22输出的方波同步信号以及对转子位置传感器输出的反馈信号进行AD转换后的霍尔状态信号的波形来驱动交流换流开关25，只是开关信号的占空比不同。

图7示出了单相无刷电机转子旋转一周的齿槽转矩波形和转子位置传感器输出的模拟电压波形。参照图7，电机转子旋转一周，齿槽转矩的变化波形如图7虚线所示，霍尔位置传感器检测到的与转子位置信息相关的反馈信号如图7实线所示。霍尔位置传感器检测到的与转子位置信息相关的反馈信号是以中点电压所在的横轴直线为基准进行正弦变化的正弦波形。当定子在非通电状态，转子停在最小齿槽转矩位置，此时霍尔位置传感器反馈信号点为A点或B点，此时霍尔位置传感器检测到的与转子位置信息相关的反馈信号分别大于中点电压或者小于中点电压。

图8示出了实际的单相无刷电机达到同步转速后霍尔状态信号的切换点，这时切换点靠近霍尔传感器检测到的电压信号的波峰值。

单相无刷电机的结构设计一般保证：电机在未驱动状态，转子受齿槽转矩影响，定位在固定位置，所以电机转子静止时，霍尔传感器检测到的电压信号是如图9中所示的A点或B点。

图10示出了根据本发明的单相无刷电机的基于转子位置检测的自矫正启动方法的流程图。

由于受电机齿槽转矩的影响，电机上电时转子停在固定的如图9所示的位置A点或B点。

因此，在步骤S1000，在电机启动前，电机转子静止，读取采用线性霍尔传感器的转子位置传感器检测到的初始电压波形，根据采用线性霍尔传感器的转子位置传感器检测到的初始电压波形与设定的阈值的比较结果，设定转子位置状态变量为N状态(转子位置处于A点)或者S状态(转子位置处于B点)。

在步骤S1001读取转子位置状态变量的值，判断转子位置状态变量为N状态还是S状态。

如果在步骤S1001中判断转子位置状态变量为N状态(转子位置处于A点)，则在步骤S1002中，向电机施加与N状态对应的预定的输入电压(L电压>N电压)，并在步骤S1003中判断采用线性霍尔传感器的转子位置传感器此时检测到的电压波形是否逐渐增加。

如果在步骤S1003中，判断采用线性霍尔传感器的转子位置传感器此时检测到的电压波形逐渐减小或者固定不变，则在步骤S1004判定转子位置错误，修改转子位置状态变量为S状态，返回到步骤S1001，重新读取转子位置状态变量的值，判断转子位置状态变量为N状态还是S状态。

如果在步骤S1003中判断采用线性霍尔传感器的转子位置传感器此时检测到的电压波形逐渐增加，则在步骤S1004，从单片机的存储器中读取转子位置传感器的最大电压波形阈值。在步骤S1005，将线性霍尔传感器的转子位置传感器当前检测到的电压波形值与上述最大电压波形阈值进行比较。

在步骤S1005，如果线性霍尔传感器的转子位置传感器当前检测到的电压波形值与上述最大电压波形阈值之差小于一容限阈值，则在步骤S1006，将转子位置状态变量更新为S状态，完成了转子位置传感器的最大值检测过程。

在步骤S1005，如果线性霍尔传感器的转子位置传感器当前检测到的电压波形值与上述最大电压波形阈值之差大于等于容限阈值，则返回步骤S1002，继续施加交流电压驱动电机。

步骤S1004、S1005、S1006组成转子位置传感器的最大值检测过程。

在步骤S1006之后的步骤S1007中，进行转子位置传感器的最小值检测过程(具体参见下面描述的步骤S1014、S1015、S1016)。如果在步骤S1007通过最小值检测，则此时电机达到同步转速，转而结束本发明的控制方法。如果在步骤S1007没有通过最小值检测，则返回到步骤S1001，重新读取转子位置状态变量的值，判断转子位置状态变量为N状态还是S状态。

另一方面，如果在步骤S1001中判断转子位置状态变量为S状态(转子位置处于B点)，则在步骤S1012中，向电机施加与S状态对应的另一预定的输入电压(N电压>L电压)，并在步骤S1013中判断采用线性霍尔传感器的转子位置传感器此时检测到的电压波形是否逐渐减小。

如果在步骤S1013中，判断采用线性霍尔传感器的转子位置传感器此时检测到的电压波形逐渐增大或者固定不变，则在步骤S1014判定转子位置错误，修改转子位置状态变量为N状态，返回到步骤S1001，重新读取转子位置状态变量的值，判断转子位置状态变量为N状态还是S状态。

如果在步骤S1013中判断采用线性霍尔传感器的转子位置传感器此时检测到的电压波形逐渐减小，则在步骤S1014，从单片机的存储器中读取转子位置传感器的最小电压波形阈值。在步骤S1015，将线性霍尔传感器的转子位置传感器当前检测到的电压波形值与上述最小电压波形阈值进行比较。

在步骤S1015，如果线性霍尔传感器的转子位置传感器当前检测到的电压波形值与上述最小电压波形阈值之差大于一容限阈值，则在步骤S1016，将转子位置状态变量更新为N，完成了转子位置传感器的最小值检测过程。

在步骤S1015，如果线性霍尔传感器的转子位置传感器当前检测到的电压波形值与上述最小电压波形阈值之差小于等于容限阈值，则返回步骤S1012，继续施加交流电压驱动电机。

步骤S1014、S1015、S1016组成转子位置传感器的最小值检测过程。

在步骤S1016之后的步骤S1017进行转子位置传感器的最大值检测过程(具体参见上面描述的步骤S1004、S1005、S1006)。如果在步骤S1017通过最大值检测，则此时电机达到同步转速，转而结束本发明的控制方法。如果在步骤S1017没有通过最大值检测，则返回到步骤S1001，重新读取转子位置状态变量的值，判断转子位置状态变量为N状态还是S状态。

根据本发明的单相无刷电机的基于转子位置检测的自矫正启动方法，电机上电时，控制器通过检测霍尔信号快速判定转子的初始位置，并根据检测结果驱动电机启动。如果判定初始位置错误，控制器能够根据输入电压相位自动校正转子的相位，从而正确的驱动电机，解决了现有技术中单相无刷电机启动时转子位置判定错误无法启动的问题。使得转子位置的检测正确可靠，有利地缩短了电机的启动时间和并增加了启动成功率。

虽然已经图示和描述了所考虑的本发明的示例实施例，但是本领域技术人员可以理解，随着技术的进步，可以作出各种变更和修改并可以用等价物替换其元素而不背离本发明的真实范围。

Claims (6)

1.一种针对采用单个霍尔传感器检测转子位置的无刷电机的基于转子位置检测的自矫正启动方法，包括步骤：

在电机启动前，读取转子位置传感器检测到的初始电压波形，根据初始电压波形与第一阈值的比较结果，设定转子位置状态变量为第一状态或者第二状态；

如果转子位置状态变量为第一状态，则进行转子位置传感器的最大值检测过程；

如果转子位置状态变量为第二状态，则进行转子位置传感器的最小值检测过程，

其中转子位置传感器的最大值检测过程包括：

向电机施加与第一状态对应的第一预定输入电压，并判断转子位置传感器此时检测到的电压波形是否逐渐增加；

如果判断转子位置传感器此时检测到的电压波形逐渐减小或者固定不变，则判定转子位置错误，修改转子位置状态变量为第二状态，

如果判断转子位置传感器此时检测到的电压波形逐渐增加，则将转子位置传感器当前检测到的电压波形值与转子位置传感器的最大电压波形阈值进行比较；

如果转子位置传感器当前检测到的电压波形值与上述最大电压波形阈值之差小于一容限阈值，则将转子位置状态变量更新为第二状态，完成了转子位置传感器的最大值检测过程；

如果线性霍尔传感器的转子位置传感器当前检测到的电压波形值与上述最大电压波形阈值之差大于等于容限阈值，则继续施加交流电压驱动电机，

其中转子位置传感器的最小值检测过程包括：

向电机施加与第二状态对应的第二预定输入电压，并判断转子位置传感器此时检测到的电压波形是否逐渐减小；

如果判断转子位置传感器此时检测到的电压波形逐渐增大或者固定不变，则判定转子位置错误，修改转子位置状态变量为第一状态；

如果判断转子位置传感器此时检测到的电压波形逐渐减小，则将线性霍尔传感器的转子位置传感器当前检测到的电压波形值与转子位置传感器的最小电压波形阈值进行比较；

如果转子位置传感器当前检测到的电压波形值与上述最小电压波形阈值之差大于一容限阈值，则将转子位置状态变量更新为第一状态，完成了转子位置传感器的最小值检测过程；

如果线性霍尔传感器的转子位置传感器当前检测到的电压波形值与上述最小电压波形阈值之差小于等于容限阈值，则继续施加交流电压驱动电机，

如果完成了转子位置传感器的最大值检测过程、最小值检测过程，则结束所述的自矫正启动方法。

2.如权利要求1所述的方法，其中

霍尔传感器采用线性霍尔传感器。

3.如权利要求1所述的方法，其中

第一状态是电机启动前转子位置传感器检测到的电压大于中点电压、与最小齿槽转矩位置对应的转子位置；

第二状态是电机启动前转子位置传感器检测到的电压小于中点电压、与最小齿槽转矩位置对应的转子位置，

其中，转子位置传感器检测到的电压信号是以所述中点电压所在的横轴直线为基准进行正弦变化。

4.如权利要求1所述的方法，其中

转子位置传感器的最大电压波形阈值、最小电压波形阈值存储在控制无刷电机的单片机的存储器中。

5.如权利要求1所述的方法，其中

第一预定输入电压是L电压>N电压的交流电压，第二预定输入电压是N电压>L电压的交流电压。

6.如权利要求1所述的方法，其中

无刷电机是单相无刷电机或多相无刷电机。