CN105305896B - 一种无刷直流电机转子位置的在线辨识系统及其辨识方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无刷直流电机转子位置的在线辨识系统及其辨识方法，系统包括直流电压源、功率管驱动电路、三相桥式逆变器、起动控制器、位置辨识器和无刷直流电机，直流电压源连接三相桥式逆变器的电源端，起动控制器的输出端连接功率管驱动电路的输入端，功率管驱动电路的输出端连接三相桥式逆变器的控制输入端，三相桥式逆变器的输出端连接无刷直流电机，无刷直流电机内部的霍尔传感器连接位置辨识器的输入端。起动控制器采用“预定位+升压恒频+恒压恒频”起动方式，位置辨识器在电机恒速运行时记录霍尔信号边沿对应的给定转子位置角，经计算得到实际转子位置角。本发明实现成本低，完成周期短，实用性强，适用于批量化生产的场合。

Description

一种无刷直流电机转子位置的在线辨识系统及其辨识方法
技术领域
本发明涉及无刷直流电机转子位置检测技术领域，具体地说是一种无刷直流电机转子位置的在线辨识系统及其辨识方法。
背景技术
近年来，无刷直流电机(Brushless DC Motor,BLDC)因其功率密度大、转矩大等优点在电动车领域得到广泛应用。虽然BLDC的无位置控制方法已得到普遍应用，但对于以电动自平衡车为代表的一些低速以及转向频繁切换的场合，通常的无位置控制方法已不能保证电机性能。因此，为了实现电机绕组可靠换流，绝大多数永磁无刷直流电机仍然采用霍尔传感器，依据三路霍尔信号获取转子位置信息，据此实现绕组电流的换流。
无刷直流电机的反电势为梯形波，供电电流为方波，控制系统对转子位置信号的要求不高，只需获得若干个离散的转子关键位置信号。理想情况下霍尔信号与电机反电势以及转子位置之间具有固定的相位关系，但由于实际当中存在的安装偏差、电机端部磁场畸变等非理想因素会导致霍尔信号位置整体偏移或高低电平不等宽，这就导致霍尔信号计算出的转子位置与实际转子位置之间有偏差。转子位置的偏差直接影响磁场矢量控制(Field Oriented Control，FOC)的控制性能，导致转矩脉动增大。
通常的转子位置的校准方法是利用外部的电机带动测试电机，根据空载反电动势、霍尔信号确定出霍尔信号变化点转子位置，但是空载反电动势波形、霍尔信号波形都要通过示波器获取。这往往需要多通道输入示波器和外部的拖动设备，测试步骤复杂，而且这种方法获得的转子位置往往不够精确。因此，这种手动测试方法并不适用于批量化生产的场合。
发明内容
本发明正是针对现有技术中的缺陷和不足，提供一种无刷直流电机转子位置的在线辨识系统及其辨识方法，利用霍尔信号编程实现转子位置的自动精准辨识，为需要无刷直流电机低速以及转向频繁切换运行的高性能要求场合提供基础支持。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为，一种无刷直流电机转子位置的在线辨识系统，包括直流电压源、功率管驱动电路、三相桥式逆变器、起动控制器、位置辨识器和无刷直流电机，直流电压源和功率管驱动电路的输出端连接三相桥式逆变器的输入端，起动控制器的输出端连接功率管驱动电路的输入端，三相桥式逆变器的输出端连接无刷直流电机，无刷直流电机内部的霍尔传感器连接位置辨识器的输入端；起动控制器包括初始位置给定模块、定位时间给定模块、位置极限给定模块、位置周期给定模块、锯齿波产生模块、转向给定模块、直轴电压给定模块、交轴电压给定模块、SVPWM模块、PWM生成模块，初始位置给定模块、定位时间给定模块、位置极限给定模块和位置周期给定模块均连接至锯齿波产生模块的输入端，锯齿波产生模块的输出端连接SVPWM模块和位置辨识器的输入端，直轴电压给定模块和交轴电压给定模块均连接SVPWM模块的输入端，SVPWM模块的输出端连接PWM生成模块的输入端，PWM生成模块的输出端连接功率管驱动电路的输入端，转向给定模块的输出端连接交轴电压给定模块和位置辨识器的输入端，霍尔传感器的输出端连接位置辨识器的输入端。
作为本发明的一种改进，功率管驱动电路包括将起动控制器输出的PWM信号转变成能够驱动功率管的开关信号的IGBT/MOFET驱动芯片，所述IGBT/MOFET驱动芯片的输出端连接所述三相桥式逆变器的输入端；所述IGBT/MOFET驱动芯片的输入端连接所述起动控制器的输出端。功率管驱动电路的输入量为起动控制器输出的6路PWM弱电信号，通过该功率管驱动电路将该6路PWM弱电信号放大为6路PWM强电信号，用以驱动后级三相桥式逆变器的功率管。
作为本发明的一种改进，三相桥式逆变器采用三相桥式电压源型逆变器，包括三个桥臂，每个桥臂上设有两个功率管，功率管可以是MOS管或IGBT管之类的功率开关器件，从三个桥臂中位于同一桥臂上的两个功率管之间各引出一条支路并分别连接到无刷直流电机的三相绕组接线端，直流电压源的正负极分别连接至三相桥式逆变器的电源输入端的正负极。因此，三相桥式电压源型逆变器的输入量为功率管驱动电路输出的6路PWM强电信号和直流电压源提供的直流电压，输出量为三相交流电压，供给无刷直流电机的三相绕组，产生定子磁场以驱动电机。
作为本方明的一种改进，起动控制器与位置辨识器是采用单片机、DSP或FPGA之类的数字控制微处理器(简称“数字控制器”)实现。
作为本方明的一种改进，起动控制器采用“预定位+变压恒频+恒压恒频”方式来驱动电机起动并恒速运行。
作为本方明的一种改进，锯齿波产生模块的输入量有初始位置给定模块输出的θ0、定位时间给定模块输出的T0、位置极限给定模块输出的θmax和位置周期给定模块输出的Tc，锯齿波产生模块输出位置给定信号θ，其中θ0设为0°～360°内的任意值，θmax设为360°，θ的取值范围是0°～360°。于是，θ先保持为恒值θ0，维持时间为T0，之后为周期Tc、幅值从0增大到θmax的锯齿波。
作为本方明的一种改进，直轴电压给定模块的直轴电压给定值Vd设为常数0，也可将之设为适当的负值来提高输出转矩，缩短起动时间。交轴电压给定模块的给定交轴电压Vq的波形与转向有关，以正转为例，Vq在上电后的一段时间内保持恒值，将它设成最大值可以加快转子预定位过程，之后，Vq按一定的斜率从0开始上升至最大值并维持不变。同样可得反转运行时Vq的波形，不同之处在于预定位过程的恒值和最终的稳定值均为正转时最大值的负值。
作为本发明的一种改进，SVPWM模块包括Park逆变换单元、扇区判断单元、矢量作用时间单元和矢量切换点单元，直轴电压给定模块和交轴电压给定模块的输出端连接Park逆变换单元的输入端，Park逆变换单元的输出端连接扇区判断单元以及矢量作用时间单元的输入端，扇区判断单元的输出端分别连接矢量作用时间单元和矢量切换点单元的输入端，矢量作用时间单元的输出端连接矢量切换点单元的输入端。该模块的功能是确定某个空间矢量扇区内的定子磁场所对应的两个电压矢量以及零矢量的作用时间，实现方式是将给定的直轴电压与交轴电压转变成三个比较器计数值，用以与所述PWM生产模块中比较器的基准值相比较来获得高低电平，进而构成6路PWM开关信号。
作为本发明的一种改进，PWM生成模块包括时钟控制单元、三角载波单元、死区时间设置单元以及PWM产生单元，矢量切换点单元的输出端连接PWM产生单元的输入端，时钟控制单元与三角载波单元相连，三角载波单元与PWM产生单元相连，死区时间设置单元也与PWM产生单元相连，时钟控制单元决定三角载波单元上的三角载波的幅值与频率。该模块的功能是输出6路PWM弱电信号。
在上述无刷直流电机转子位置的在线辨识系统中，无刷直流电机是由三相桥式逆变器输出三相交流电提供定子磁场以驱动电机运行，可将定子磁场ψs方向对应的角度称为给定转子位置角θref，转子磁场ψf方向对应的角度称为实际转子位置角θreal，并假设摩擦负载导致的定转子磁场之间夹角为θL，假定霍尔信号的三个数码从左到右分别表示Hc、Hb、Ha，并且霍尔信号的高电平用“1”表示，低电平用“0”表示，于是一个完整的360°电周期共有6种霍尔信号组合001、011、010、110、100、101，每种霍尔信号组合维持60°电角度；则所述的在线辨识系统采用的在线辨识方法是通过记录霍尔信号Hc、Hb、Ha边沿对应的给定转子位置角θref计算得到实际转子位置角θreal，具体包括如下步骤：
步骤一：采用“预定位+变压恒频+恒压恒频”方式施加空间连续的正转定子磁场ψs使电机正转起动；
步骤二：检测霍尔信号Hc、Hb、Ha，并实时记录相邻两个霍尔信号组合切换点之间的时间；
步骤三：当相邻两个霍尔信号组合切换点之间的时间保持不变时，电机进入恒速运行状态，此时，在霍尔信号组合的切换点位置，记录下当前的正转给定转子位置角，记作θref+[HcHbHa]，在一个360°电周期内，记录6个不同的θref+[HcHbHa]；
步骤四：停止施加正转定子磁场ψs，电机减速直至停转；
步骤五：采用“预定位+变压恒频+恒压恒频”方式施加空间连续的反转定子磁场ψs使电机反转起动；
步骤六：检测霍尔信号Hc、Hb、Ha，实时记录相邻两个霍尔信号组合切换点之间的时间；
步骤七：当相邻两个霍尔信号组合切换点之间的时间保持不变时，电机进入恒速运行状态，此时，在霍尔信号组合的切换点位置，记录下当前的反转给定转子位置角，记作θref-[HcHbHa]，在一个360°电周期内，记录6个不同的θref-[HcHbHa]；
步骤八：停止施加反转定子磁场，电机减速直至停转；
步骤九：将步骤三和步骤七记录的θref+[HcHbHa]和θref-[HcHbHa]代入下式
θreal-[HcHbHa]＝θreal+[HcHbHa]+60° (2)
从而计算出正反转时不同霍尔信号组合对应的实际转子初始角θreal+[HcHbHa]和θreal-[HcHbHa]。
相对于现有技术，本发明的优点如下，1)该在线辨识系统采用“预定位+升压恒频+恒压恒频”起动方式施加空间连续的定子磁场使电机预定位后起动并恒速正转以及反转运行，记录不同转向时霍尔信号组合切换点对应的给定转子位置角，最后加以简单计算得到每个霍尔信号组合对应的正转初始角和反转初始角，系统结构简单，无需额外的硬件电路，实现成本低，完成周期短，实用性强，适用面广，适用于批量化生产的场合；2)该在线辨识系统采用的“预定位+升压恒频+恒压恒频”起动方式下，首先实现转子的预定位，之后施加幅值由小变大、后保持不变并且一直以恒定转速旋转的定子磁场，驱动转子从预定位置开始加速再到恒速运行，并且该种起动方式可实现电机的正转和反转起动；3)该在线辨识系统所采用的在线辨识方法在实现过程中考虑了实际系统中存在的摩擦负载对电机实际转子位置角的影响，并通过一次正转和一次反转来消除摩擦转矩所产生的定转子磁场间摩擦角的影响，大大提高了电机实际转子位置角的辨识精准度；4)该在线辨识系统所采用的在线辨识方法对实际的霍尔信号与假定的霍尔信号的三个数码Hc、Hb、Ha的对应相序无特定要求，为高性能要求的电机控制场合提供了有利支持。
附图说明
图1为本发明所提出的在线辨识系统的实现结构图。
图2为无刷直流电机与三相桥式逆变器的连接图。
图3为本发明所提出的在线辨识系统的定子磁场位置给定与交轴电压给定的波形图。
图4为本发明所提出的在线辨识系统的SVPWM模块的实现结构框图。
图5为本发明所提出的在线辨识系统的PWM生成模块的实现结构框图。
图6为理想空载情况下，无刷直流电机稳定恒速正转运行时的转子位置示意图。
图7为实际使用情况下，无刷直流电机稳定恒速正转运行时的转子位置示意图。
图8为实际使用情况下，无刷直流电机稳定恒速反转运行时的转子位置示意图。
图9为测试过程中，无刷直流电机稳定恒速正转运行时的给定转子位置角θref与实际转子位置角θreal转子位置示意图。
图10为测试过程中，无刷直流电机稳定恒速反转运行时的给定转子位置角θref与实际转子位置角θreal转子位置示意图。
图11为无刷直流电机正转时的霍尔信号与线反电势的理想关系图。
图12为无刷直流电机反转时的霍尔信号与线反电势的理想关系图。
图13为无刷直流电机正转时的霍尔信号与线反电势的实际关系图。
图14为无刷直流电机反转时的霍尔信号与线反电势的实际关系图。
图15为采用本发明的在线辨识系统时无刷直流电机的起动实现流程图。
图16为本发明的电机转子位置的在线辨识方法的测试流程图。
图17为本发明所提出的在线辨识系统的功率管驱动电路的电路图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解和认识，下面结合附图对本发明作进一步描述和介绍。
如图1所示，为本发明提出的无刷直流电机转子位置的在线辨识系统，包括直流电压源、功率管驱动电路、三相桥式逆变器、起动控制器、位置辨识器和无刷直流电机，直流电压源功率管驱动电路的输出端连接三相桥式逆变器的输入端，起动控制器的输出端连接功率管驱动电路的输入端，三相桥式逆变器的输出端连接无刷直流电机，无刷直流电机内部的霍尔传感器连接位置辨识器的输入端。其中，起动控制器和位置辨识器采用单片机、DSP或FPGA之类的数字控制器实现。
图17给出了功率管驱动电路的电路图，包括IR2186芯片，芯片的HIN和LIN连接所述起动控制器的输出端，芯片的HO和LO连接所述三相桥式逆变器的输入端，其输入量为6路PWM弱电信号，经放大后为6路PWM强电信号，用以驱动后级三相桥式逆变器的功率管。
如图2所示，三相桥式逆变器采用三相桥式电压源型逆变器，包括三个桥臂，每个桥臂上设有两个功率管，功率管是MOS管或IGBT管之类的开关器件，将这三个桥臂中位于同一桥臂上的两个功率管之间各引出一条支路并分别连接到无刷直流电机的三相绕组接线端，直流电压源正负极连接三相桥式逆变器的输入端。因此，三相桥式逆变器的输入量有功率管驱动电路输出的6路PWM强电信号和直流电压源提供的直流电压，输出量为三相交流电压，供给无刷直流电机的三相绕组，产生定子磁场以驱动电机。
对于起动控制器，本发明基于FOC的思想，构建了一种“预定位+升压恒频+恒压恒频”起动方式，先是通过功率管驱动电路和三相桥式逆变器产生幅值不变的恒向静止定子磁场，实现转子的预定位，之后产生幅值由小变大、后保持不变并且一直以恒定转速旋转的定子磁场，定子磁场轨迹在空间上呈连续状态，驱动转子从预定位置开始加速再到恒速运行。对于位置辨识器，本发明是在电机恒速运行时记录霍尔信号边沿对应的给定转子位置角，经计算得到实际转子位置角。
从图1可以看出，起动控制器包括初始位置给定模块、定位时间给定模块、位置极限给定模块、位置周期给定模块、锯齿波产生模块、转向给定模块、直轴电压给定模块、交轴电压给定模块、SVPWM模块和PWM生成模块。位置辨识器包括转子位置辨识模块。初始位置给定模块、定位时间给定模块、位置极限给定模块和位置周期给定模块均连接至锯齿波产生模块的输入端，锯齿波产生模块的输出端连接SVPWM模块的输入端和转子位置辨识模块的输入端，直轴电压给定模块和交轴电压给定模块均连接SVPWM模块的输入端，SVPWM模块的输出端连接PWM生成模块的输入端，PWM生成模块的输出端连接功率管驱动电路的输入端，转向给定模块连接交轴电压给定模块和转子位置辨识模块，转子位置辨识模块的输入端与霍尔传感器输出端相连。
锯齿波产生模块的输入量有初始位置给定模块输出的θ0、定位时间给定模块输出的T0、位置极限给定模块输出的θmax和位置周期给定模块输出的Tc，锯齿波产生模块输出位置给定信号θ，其中θ0设为0°～360°内的任意值，θmax设为360°，θ的取值范围是0°～360°。如图3所示，θ先保持为恒值θ0，维持时间为T0，之后为周期Tc、幅值从0增大到θmax的锯齿波。
直轴电压给定模块的直轴电压给定值Vd设为常数0，也可将之设为适当的负值来提高输出转矩，缩短起动时间。
交轴电压给定模块的交轴电压给定位置Vq的波形如图3所示，以正转为例，Vq在上电后的T0时间内保持恒值，将它设成最大值Vqmax可以加快转子预定位过程，T0后，Vq按一定的斜率从0开始上升，经过时间Tr达到Vqmax，并维持Vqmax不变。同样可得反转运行时Vq的波形，不同之处在于预定位过程的恒值和最终的稳定值均为-Vqmax。
SVPWM模块的实现结构框图如图4所示，包括Park逆变换单元、扇区判断单元、矢量作用时间单元和矢量切换点单元，直轴电压给定模块和交轴电压给定模块的输出端连接Park逆变换单元的输入端，Park逆变换单元的输出端连接扇区判断单元以及矢量作用时间单元的输入端，扇区判断单元的输出端分别连接矢量作用时间单元和矢量切换点单元的输入端，矢量作用时间单元的输出端连接矢量切换点单元的输入端。该模块的输入量有直轴电压给定值Vd、交轴电压给定位置Vq和位置给定信号θ，其输出是三个比较器的计数值tcm1、tcm2、tcm3。主要功能是确定某个空间矢量扇区内的定子磁场所对应的两个电压矢量以及零矢量的作用时间。
PWM生成模块的实现结构框图如图5所示，包括时钟控制单元、三角载波单元、死区时间设置单元以及PWM产生单元，矢量切换点单元的输出端连接PWM产生单元的输入端，时钟控制单元与三角载波单元相连，三角载波单元与PWM产生单元相连，死区时间设置单元也与PWM产生单元相连。该模块的输入量是SVPWM模块输出的三个比较器的计数值tcm1、tcm2、tcm3，时钟控制单元决定三角载波单元上的三角载波的幅值与频率，计数值tcm1、tcm2、tcm3与三角载波交截得到三相桥式逆变器上桥臂3个功率管的PWM调制信号，同一桥臂上的2个功率管的PWM调制信号互补，设置死区时间是为了防止上下桥臂同时导通而损坏逆变器。
在上述无刷直流电机转子位置的在线辨识系统中，无刷直流电机是由三相桥式逆变器输出三相交流电提供定子磁场以驱动电机运行，将定子磁场ψs方向对应的角度称为给定转子位置角θref，转子磁场ψf方向对应的角度称为实际转子位置角θreal。当电机稳定恒速正转运行时，理想空载情况下，定子磁场ψs会与转子磁场ψf重合，若给定转子位置角θref为90°，实际转子位置角θreal也为90°，具体见图6所示。然而，在实际系统中，由于摩擦负载的存在，实际转子位置角θreal并不是90°，当电机正转时，θreal<90°，电机反转时，θreal>90°，具体见图7和图8。假设摩擦负载导致的定转子磁场之间夹角为θL，则图9和图10所示的给定转子位置角θref与实际转子位置角θreal之间的关系为：
正转：θref++90°-θL＝θreal (1)
反转：θref-+90°+θL＝θreal (2)
上式(1)中的θref+对应同一个实际转子位置时的正转给定转子位置角，上式(2)中的θref-对应同一个实际转子位置时的反转给定转子位置角。
于是，可通过一次正转和一次反转将摩擦负载的影响消除掉，那么实际转子位置角θreal的计算公式为：
上述转子位置角在采用霍尔传感器中的霍尔信号进行标记时，情况有所不同，具体如下：假定霍尔信号的三个数码从左到右分别表示Hc、Hb、Ha，首先考虑霍尔传感器无安装偏差并且霍尔信号高低电平等宽的理想情况。以正转时Hc、Hb、Ha分别与线反电势Eca、Ebc、Eab同相为例，图11、12分别给出了正反转时的霍尔信号与线反电势的理想关系图。在图中，三根实线表示的方波代表霍尔信号Ha、Hb、Hc，两两互差120°电角度；三根实线表示的120°平顶梯形波代表线反电势Eab、Ebc、Eca，两两也互差120°电角度。并且Ha的跳变时刻对应Eab的过零点，Hb的跳变时刻对应Ebc的过零点，Hc的跳变时刻对应Eca的过零点。一般地，假设霍尔信号的高电平用“1”表示，低电平用“0”表示。于是一个完整的360°电周期共有6种霍尔信号组合001、011、010、110、100、101，每种霍尔信号组合维持60°电角度。
当霍尔信号Hc、Hb、Ha分别为高、低、高电平时，则对应的霍尔信号组合为101，此时正转时的实际转子位置角范围是[150°，210°]，霍尔信号组合从100切换到101时实际转子初始位置角(以下简称正转初始角θreal+)为150°；同样可得反转时的实际转子位置角范围是[210°，270°]，霍尔信号组合从001切换到101时实际转子初始位置角(以下简称反转初始角θreal-)为210°。从其他情况也可得出相似结论。由此可知，同一个霍尔信号组合对应的正转初始角θreal+比反转初始角θreal-少60°。
然而，在实际系统中，霍尔传感器有安装偏差并且霍尔信号高低电平存在不等宽的情况。以霍尔信号高电平小于180°为例，在图13和14中分别给出了正反转时的霍尔信号与线反电势的实际关系图。图中，θe1为霍尔传感器的安装偏差角度，则180°-θe1+θe2为霍尔信号高电平的宽度。当正转且霍尔信号组合从100切换到101时，正转初始角θreal+为150°+θe1，当反转且霍尔信号组合从001切换到101时，反转初始角θreal-为210°+θe2。从其他情况也可得出相似结论。θe1和θe2一般不可忽略，否则转子位置的准确度不高，不利于为后续控制提供有力支持。由于θe2-θe1一般很小，可忽略，因此，考虑霍尔传感器有安装偏差并且霍尔信号高低电平不等宽时，同一个霍尔信号组合对应的正转初始角θreal+比反转初始角θreal-少60°仍然成立。
将上述实际转子位置角θreal的计算公式(3)中的θref+和θref-分别对应到某种霍尔信号组合下的正转给定转子位置角和反转给定转子位置角时，则计算公式(3)需修正为如下两个计算式：
θreal-＝θreal++60° (5)
因此，基于上述的理论分析，本发明所提出的BLDC转子位置角的在线辨识系统所采用的在线辨识方法，通过记录霍尔信号边沿对应的给定转子位置角计算得到实际转子位置角，具体步骤如下：
步骤一：采用“预定位+变压恒频+恒压恒频”方式施加空间连续的正转定子磁场ψs使电机正转起动；
步骤二：检测霍尔信号Hc、Hb、Ha，并实时记录相邻两个霍尔信号组合切换点之间的时间；
步骤三：当相邻两个霍尔信号组合切换点之间的时间保持不变时，电机进入恒速运行状态，此时，在霍尔信号组合的切换点位置，记录下当前的正转给定转子位置角，记作θref+[HcHbHa]，因此，在一个360°电周期内，记录6个不同的θref+[HcHbHa]；
步骤四：停止施加正转定子磁场ψs，电机减速直至停转；
步骤五：采用“预定位+变压恒频+恒压恒频”方式施加空间连续的反转定子磁场ψs使电机反转起动；
步骤六：检测霍尔信号Hc、Hb、Ha，实时记录相邻两个霍尔信号组合切换点之间的时间；
步骤七：当相邻两个霍尔信号组合切换点之间的时间保持不变时，电机进入恒速运行状态，此时，在霍尔信号组合的切换点位置，记录下当前的反转给定转子位置角，记作θref-[HcHbHa]，在一个360°电周期内，记录6个不同的θref-[HcHbHa]；
步骤八：停止施加反转定子磁场，电机减速直至停转；
步骤九：根据步骤三和步骤七记录的θref+[HcHbHa]和θref-[HcHbHa]，
θreal-[HcHbHa]＝θreal+[HcHbHa]+60° (7)
通过上式(6)和(7)计算出θreal+[HcHbHa]和θreal-[HcHbHa]。
实施例
起动控制过程：采用三个定时器分别载入计数值T0、Tc、Tr，电机起动的实现流程图如图15所示。首先给θ0、θmax、T0、Tc、Tr、Vd、Vqmax赋值，并将T0、Tc、Tr分别载入计时器Timer0、Timer1、Timer2，这里设置Vd＝0即可。接着启动计时器Timer0，当计时器未记满溢出时，令θ＝θ0，并按转向设置Vq为Vqmax或-Vqmax，θ、Vd以及Vq共同决定六个功率管的开关信号，逆变器产生恒定指向的定子磁场，使得电机的N极与定子磁场指向重合。待到Timer0记满溢出时，预定位阶段结束，此时同时启动计时器Timer1和Timer2，并实时检测θmax与Vqmax。对于Timer1，当计时器未记满溢出并且θ<θmax时，θ增加一个增量Δθ，Δθ由θmax与Tc共同决定，当计时器记满溢出或者θ≥θmax时，θ与Timer1的计数值均复位至0，再次循环。对于Timer2，当计时器未记满溢出并且|Vq|<Vqmax时，按转向使Vq增加或减少一个ΔVq，ΔVq由Vqmax与Tr共同决定，此阶段为升压恒频阶段，电机处于加速起动状态。待到Timer2记满溢出或者|Vq|≥Vqmax时，升压恒频阶段结束，此时令Vq保持不变，步入恒压恒频阶段，电机也逐步进入恒速运行状态。
位置辨识过程：为了便于检测霍尔信号的跳变沿，先对霍尔信号进行处理，即定义扇区sector，并令sector＝4*Hc+2*Hb+Hc，于是一个电周期内，sector有6种取值，分别为整数1～6。同时也可得出，电机正转时sector变化顺序为1—>3—>2—>6—>4—>5，反转时sector变化顺序为1—>5—>4—>6—>2—>3。
此外，预先定义四个6*1的数组θref+[6]、θref-[6]、θreal+[6]和θreal-[6]。其中，θref+[6]用于记录正转时不同sector对应的给定初始角，θref-[6]用于记录反转时不同sector对应的给定初始角，θreal+[6]用于存放正转时不同sector对应的实际初始角，θreal-[6]用于存放反转时不同sector对应的实际初始角。
因此，在图16中给出了本发明所提出的无刷直流电机转子位置的在线辨识方法的测试流程，首先采用“预定位+升压恒频+恒压恒频”方式施加正转定子磁场使电机正转起动，检测霍尔信号、计算扇区sector值，并实时记录相邻两个sector跳变沿之间的时间。当相邻两个sector跳变沿之间的时间保持不变时，表明电机已达恒速运行状态，此时在sector的跳变沿处，将当前给定位置角存放于θref+[sector]，经过一个完整的360°电周期，得到正转时不同sector对应的给定位置角，存放于θref+[6]中，之后停止施加给定位置角使电机减速直至停转。接着，采用“预定位+升压恒频+恒压恒频”方式施加反转定子磁场使电机反转起动，按照同样的步骤将反转时不同sector对应的给定位置角存放于θref-[6]中，并使电机停机。最后，根据θref+[6]和θref-[6]计算得出正反转时不同sector对应的实际初始角，具体数值存放于θreal+[6]和θreal-[6]，供后续使用。
需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。

Claims (10)

1.一种无刷直流电机转子位置的在线辨识系统，其特征在于：包括直流电压源、功率管驱动电路、三相桥式逆变器、起动控制器、位置辨识器和无刷直流电机，所述直流电压源和所述功率管驱动电路的输出端连接所述三相桥式逆变器的输入端，所述起动控制器的输出端连接所述功率管驱动电路的输入端，所述三相桥式逆变器的输出端连接所述无刷直流电机，所述无刷直流电机内部的霍尔传感器连接所述位置辨识器的输入端；所述起动控制器包括初始位置给定模块、定位时间给定模块、位置极限给定模块、位置周期给定模块、锯齿波产生模块、转向给定模块、直轴电压给定模块、交轴电压给定模块、SVPWM模块、PWM生成模块，所述初始位置给定模块、定位时间给定模块、位置极限给定模块和位置周期给定模块均连接至所述锯齿波产生模块的输入端，所述锯齿波产生模块的输出端连接所述SVPWM模块和位置辨识器的输入端，所述直轴电压给定模块和交轴电压给定模块均连接所述SVPWM模块的输入端，所述SVPWM模块的输出端连接所述PWM生成模块的输入端，所述PWM生成模块的输出端连接所述功率管驱动电路的输入端，所述转向给定模块连接交轴电压给定模块和位置辨识器的输入端。
2.如权利要求1所述的一种无刷直流电机转子位置的在线辨识系统，其特征在于，所述三相桥式逆变器采用三相桥式电压源型逆变器，包括三个桥臂，每个桥臂上设有两个功率管，从三个桥臂中位于同一桥臂上的两个功率管之间各引出一条支路并分别连接到无刷直流电机的三相绕组接线端，所述直流电压源正负极连接三相桥式逆变器输入端。
3.如权利要求2所述的一种无刷直流电机转子位置的在线辨识系统，其特征在于，所述功率管采用功率开关器件。
4.如权利要求1所述的一种无刷直流电机转子位置的在线辨识系统，其特征在于，所述起动控制器与位置辨识器采用数字控制器实现。
5.如权利要求4所述的一种无刷直流电机转子位置的在线辨识系统，其特征在于，所述起动控制器采用“预定位+变压恒频+恒压恒频”方式来驱动电机起动并恒速运行。
6.如权利要求5所述的一种无刷直流电机转子位置的在线辨识系统，其特征在于，所述SVPWM模块包括Park逆变换单元、扇区判断单元、矢量作用时间单元和矢量切换点单元，直轴电压给定模块和交轴电压给定模块的输出端连接Park逆变换单元的输入端，Park逆变换单元的输出端连接扇区判断单元以及矢量作用时间单元的输入端，扇区判断单元的输出端分别连接矢量作用时间单元和矢量切换点单元的输入端，矢量作用时间单元的输出端连接矢量切换点单元的输入端。
7.如权利要求5所述的一种无刷直流电机转子位置的在线辨识系统，其特征在于，所述PWM生成模块包括时钟控制单元、三角载波单元、死区时间设置单元以及PWM产生单元，矢量切换点单元的输出端连接PWM产生单元的输入端，时钟控制单元与三角载波单元相连，三角载波单元与PWM产生单元相连，死区时间设置单元也与PWM产生单元相连。
8.如权利要求1-7任一项所述的一种无刷直流电机转子位置的在线辨识系统，在该系统中无刷直流电机由所述三相桥式逆变器输出三相交流电提供定子磁场以驱动电机运行，将定子磁场ψs方向对应的角度称为给定转子位置角θref，转子磁场ψf方向对应的角度称为实际转子位置角θreal，假定霍尔信号的三个数码从左到右分别表示Hc、Hb、Ha，并且霍尔信号的高电平用“1”表示，低电平用“0”表示，于是一个完整的360°电周期共有6种霍尔信号组合001、011、010、110、100、101，每种霍尔信号组合维持60°电角度；则所述的在线辨识系统采用的在线辨识方法是通过记录霍尔信号Hc、Hb、Ha边沿对应的给定转子位置角θref计算得到实际转子位置角θreal；其特征在于，在线辨识方法具体包括如下步骤：
步骤一：采用“预定位+变压恒频+恒压恒频”方式施加空间连续的正转定子磁场ψs使电机正转起动；
步骤二：检测霍尔信号Hc、Hb、Ha，并实时记录相邻两个霍尔信号组合切换点之间的时间；
步骤三：当相邻两个霍尔信号组合切换点之间的时间保持不变时，电机进入恒速运行状态，此时，在霍尔信号组合的切换点位置，记录下当前的正转给定转子位置角，记作θref+[HcHbHa]，在一个360°电周期内，记录6个不同的θref+[HcHbHa]；
步骤四：停止施加正转定子磁场ψs，电机减速直至停转；
步骤五：采用“预定位+变压恒频+恒压恒频”方式施加空间连续的反转定子磁场ψs使电机反转起动；
步骤六：检测霍尔信号Hc、Hb、Ha，实时记录相邻两个霍尔信号组合切换点之间的时间；
步骤七：当相邻两个霍尔信号组合切换点之间的时间保持不变时，电机进入恒速运行状态，此时，在霍尔信号组合的切换点位置，记录下当前的反转给定转子位置角，记作θref-[HcHbHa]，在一个360°电周期内，记录6个不同的θref-[HcHbHa]；
步骤八：停止施加反转定子磁场，电机减速直至停转；
步骤九：将步骤三和步骤七记录的θref+[HcHbHa]和θref-[HcHbHa]代入下式
θreal-[HcHbHa]＝θreal+[HcHbHa]+60° (2)
从而计算出正反转时不同霍尔信号组合对应的实际转子初始角θreal+[HcHbHa]和θreal-[HcHbHa]。
9.如权利要求8所述的一种无刷直流电机转子位置的在线辨识系统，其特征在于，定义扇区sector对霍尔信号Hc、Hb、Ha进行处理，并令sector＝4*Hc+2*Hb+Hc，则在一个电周期内，sector有6种取值，分别为整数1～6。
10.如权利要求9所述的一种无刷直流电机转子位置的在线辨识系统，其特征在于，定义四个一维数组θref+[6]、θref-[6]、θreal+[6]和θreal-[6]，其中，θref+[6]用于记录正转时不同sector对应的给定初始角，θref-[6]用于记录反转时不同sector对应的给定初始角，θreal+[6]用于存放正转时不同sector对应的实际初始角，θreal-[6]用于存放反转时不同sector对应的实际初始角；则所述的在线辨识方法进一步包括如下步骤：
步骤一：采用“预定位+变压恒频+恒压恒频”方式施加空间连续的正转定子磁场使电机正转起动，
步骤二：检测霍尔信号、计算扇区sector值，并实时记录相邻两个sector跳变沿之间的时间；
步骤三：当相邻两个sector跳变沿之间的时间保持不变时，表明电机已达恒速运行状态，此时在sector的跳变沿处，将当前给定位置角存放于θref+[sector]，经过一个完整的360°电周期，得到正转时不同sector对应的给定位置角，存放于θref+[6]中；
步骤四：停止施加给定位置角使电机减速直至停转；
步骤五：采用“预定位+变压恒频+恒压恒频”方式施加空间连续的反转定子磁场使电机反转起动；
步骤六：检测霍尔信号、计算扇区sector值，并实时记录相邻两个sector跳变沿之间的时间；
步骤七：当相邻两个sector跳变沿之间的时间保持不变时，表明电机已达恒速运行状态，此时在sector的跳变沿处，将当前给定位置角存放于θref-[sector]，经过一个完整的360°电周期，得到正转时不同sector对应的给定位置角，存放于θref-[6]中；
步骤八：停止施加给定位置角使电机减速直至停转；
步骤九：根据θref+[6]和θref-[6]计算得出正反转时不同sector对应的实际初始角，具体数值存放于θreal+[6]和θreal-[6]。
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