CN105680740B - 一种高转速无刷直流电机的无位置传感器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高转速无刷直流电机的无位置传感器控制方法，控制流程分3个阶段，第一阶段完成电机定位功能，第二阶段完成电机的强制启动功能，第三阶段，由于高转速电机，其换相时间短，需要增加额外的高速中断完成过零点的精确检测。第三阶段利用3个中断的相互配合，完成换相干扰时间的躲避、过零点的检测，以及换相时间的计算和换相切换操作，第三阶段反复循环执行，逆变器6种工作状态依次轮流自动切换。本发明高转速无刷直流电机的无位置传感器控制方法，成本较低，控制系统响应速度快、控制精度与灵活性高。

Description

一种高转速无刷直流电机的无位置传感器控制方法

技术领域

本发明属于微特电机控制领域，尤其涉及一种高转速无刷直流电机的无位置传感器控制方法。

背景技术

无刷直流电机是近年来随着电力电子发展和新型“永磁材料”出现而迅速广泛使用的一种新型电机。它以电子控制线路代替机械电刷和换向器实现直流电机的换相，是当今最高效率的调速电机。已经在商务设备、工厂自动化、航空航天、医疗机械，以及汽车和家电等领域中得到了广泛应用。采用无位置传感器控制技术，不但可以克服位置传感器的诸多弊端，而且能够达到提高电机动态特性与安全稳定运行能力，降低震动和噪声等目的。因此，无刷直流电机的无位置传感器控制方法越来越受到人们重视，并且朝着实用化的方向发展。

目前采用DSP或者MCU，配置外围的AD采样通道实现无刷直流电机的无位置传感器控制已经成为主流，其控制对象的转速多为每分钟几千转。但是，在一些工业、医疗、家电等行业要求电机转速达到每分钟数万转。这种状况下，一方面对控制方法的实现提出更高的要求，例如如何规避换相时刻的干扰，如何精确识别过零点，如何对换相时间误差进行修正，等等问题。另外一方面行业生产厂家对控制装置的成本有严格要求，如果采用DSP等高端芯片，虽然可以实现高速状态下的控制，但是昂贵的芯片价格将导致产品成本大幅度上升，产品的市场前景和竞争力受到较大的限制。现有其它种类的控制装置未能够对控制算法进行优化，使得成本较低的微处理器不能够良好完成高转速无刷直流电机的无位置传感器控制。

发明内容

本发明针对现有技术中的问题，提供一种高转速无刷直流电机的无位置传感器控制方法，成本较低，系统响应速度快、控制精度与灵活性高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种高转速无刷直流电机的无位置传感器控制方法，对于三相桥两电平的主电路，进行6种工作状态控制：P1状态～P6状态，主电路包含三相桥臂，每相桥臂上、下两个开关管不同时导通，且任意时刻都有三个开关管同时导通；第一相桥臂的上桥臂开关器件为AH，下桥臂开关器件为AL，AH的源极、AL的漏极与A相相连；第二相桥臂的上桥臂开关器件为BH，下桥臂开关器件为BL，BH的源极、BL的漏极与B相相连；第三相桥臂的上桥臂开关器件为CH，下桥臂开关器件为CL，CH的源极、CL的漏极与C相相连，主电路的6种工作状态中，P1状态为电机运行在0°～60°的电角度状态，对应AL，BH导通；P2状态为60°～120°的电角度状态，对应AL，CH导通；P3状态为120°～180°的电角度状态，对应BL，CH导通；P4状态为180°～240°的电角度状态，对应AH，BL导通；P5状态为240°～300°的电角度状态，对应AH，CL导通；P6状态为300°～360°的电角度状态，对应BH，CL导通；在一个工作周期中，6种工作状态驱动信号以PWM的形式工作，并依次轮流出现。由此产生旋转磁场，带动无刷直流电机旋转。

按上述技术方案，无刷直流电机控制流程分三个阶段，第一阶段进行电机定位功能，控制器首先使得逆变器工作在P1状态，并持续T时间(T根据不同电机参数及启动速度要求，设定在60到200ms之间)，之后，变换至P4状态，也持续T(根据不同电机参数设定)时间，此时无刷直流电机转速为S₁，第一阶段结束；第二阶段完成无刷直流电机的强制启动功能，逆变器工作状态由P4状态切换至P5状态，之后在P1状态到P6状态这6种工作状态下依次循环，总循环次数为N，N的范围设定在50～100，第x次循环状态持续的时间为Ptx，电机转速达到S₂(S₂需达到反电动势可稳定检测的转速)后，第二阶段结束；第三阶段利用3个中断的相互配合，完成换相干扰时间的躲避、过零点的检测，以及换相时间的计算和换相切换操作，第三阶段反复循环执行，逆变器的6种工作状态依次轮流自动切换。

按上述技术方案，第x次循环状态持续时间Ptx，通过以下公式计算得到：

式(1)中S₁为第一阶段结束时无刷直流电机的转速，N为第二阶段总共循环次数，x为第x次循环，S₂为第二阶段结束时无刷直流电机预定转速。

相比专用集成控制芯片而言，本发明方法可利用8位MCU或者成本较低的微处理器实现高转速无刷直流电机的无位置传感器控制，三个阶段的持续时间和切换次数可根据不同的无刷直流电机的参数进行调整。特别是第三阶段，躲避换相干扰信号的时间可以灵活设置；过零点的时间也可以加入滤波算法进行处理，从而使得电机转动更为平稳；同时，可以根据程序实现超前或者滞后换相，提高电机转矩的性能。本发明控制算法利用微处理器进行数字化处理以后，系统响应速度更快、控制精度与灵活性更高。

本发明高转速无刷直流电机的无位置传感器控制方法，是基于无刷直流电机三相反电动势波形检测技术，实现无刷直流电机的换向与控制，其基本原理如下：

无刷直流电机驱动电路为标准的三相两电平逆变电路，主电路结构为桥式拓扑如图1所示，有三相桥臂，每相桥臂上、下两个开关管不能同时导通，且任意时刻都有三个开关管同时导通。开关器件可以为IGBT，或者MOSFET-N等全控型电力电子开关器件，第一相桥臂的上桥臂开关器件为AH，下桥臂开关器件为AL，AH的源极、AL的漏极与A相相连；第二相桥臂的上桥臂开关器件为BH，下桥臂开关器件为BL，BH的源极、BL的漏极与B相相连；第三相桥臂的上桥臂开关器件为CH，下桥臂开关器件为CL，CH的源极、CL的漏极与C相相连。当AH导通AL关断时，A相接于直流电源正端；当AL导通AH关断时，A相接于直流电源负端。同理，B相和C相也是根据上、下管导通情况决定其电位的。对于无刷直流电机驱动控制而言，图1所示的电路存在6个工作状态，P1，P2，P3，P4，P5，P6，每个工作状态对应2相桥臂功率器件工作，输出电压接正电平或者负电平。另外一相桥臂功率器件全部关断，该相感应出反电动势，各状态详细情况如下：

(1)P1状态对应AL，BH导通，即，此状态下B相输出正电平，A相输出负电平，C相感应出反电动势。

(2)P2状态对应AL，CH导通，此状态下C相输出正电平，A相输出负电平，B相感应出反电动势。

(3)P3状态对应BL，CH导通，此状态下C相输出正电平，B相输出负电平，A相感应出反电动势。

(4)P4状态对应AH，BL导通，此状态下A相输出正电平，B相输出负电平，C相感应出反电动势。

(5)P5状态对应AH，CL导通，此状态下A相输出正电平，C相输出负电平，B相感应出反电动势。

(6)P6状态对应BH，CL导通，此状态下B相输出正电平，C相输出负电平，A相感应出反电动势。

以上6种工作状态以PWM的形式工作，在一个工作周期中6种状态依次轮流出现，由此产生旋转磁场，并带动电机旋转，一个周期之中6种状态下对应的各相电压以及反电动势如图2所示。通过调节PWM的占空比，可以达到调节输出电压的目的，由此实现控制电机的转速。

无刷直流电机的无位置传感器整体控制流程如图3所示，各阶段具体控制内容与方法如下：

第一阶段，图3中AB段所示，系统上电之后，控制程序首先进入该阶段，完成无刷直流电机的定位功能，具体实现方法为：首先使逆变器工作在P1状态，并持续T时间，变换至P4状态，同样也持续T时间，如图3，此时在B点的速度为S₁。

第二阶段，图3中BC段所示，完成无刷直流电机定位之后，控制程序进入该阶段，实现无刷直流电机的强制启动功能，具体实现方法为：逆变器工作状态由P4状态切换至P5状态，之后在P1状态到P6状态这6种工作状态下依次循环，循环次数N与各状态存在的时间P_tx，根据不同型号的电机参数来确定。当转速超过S₂r/min(S₂值根据电机不同而不同)，无刷直流电机反电动势达到一个可供稳定测量的数值时，第二阶段结束。

第三阶段，图3中CD段所示，完成无刷直流电机强制启动之后，控制器根据图4所示的流程，完成过零点的识别与状态切换时间的计算，并执行逆变器工作状态的连续切换。具体实现方法为：在换相点T₀到来后，程序开始计时，为了躲避换相干扰信号的影响，即T₀到T₁期间程序不进行过零点的判断，当换相干扰时间结束后，程序开始检测过零点，一旦出现过零点，则记录换相点到过零点的时间，并即T₀到T₂的时间。并重新开始计时，当计时时间等于T₀到T₂的时间后，执行换相操作。该过程反复循环执行，6种工作状态依次轮流切换，由此产生旋转磁场，并带动电机旋转。由于高转速无刷直流电机(例如2万转/分钟)换相时间短，需要利用高频的中断完成过零点的精确检测，本发明是利用3个中断相互配合完成以上功能。

本发明产生的有益效果是：本发明高转速无刷直流电机的无位置传感器控制方法，成本较低，控制系统响应速度快、控制精度与灵活性高。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例高转速无刷直流电机的无位置传感器控制方法系统框图；

图2是逆变电路6种工作状态下对应的各相电压以及反电动势示意图；

图3是本发明实施例高转速无刷直流电机的无位置传感器控制方法流程图；

图4是过零点识别与换相时间计算原理图；

图5是系统初始化、电机启动、以及主程序循环，PWM输出程序流程图；

图6是过零点识别与换相时间计算程序流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例中，提供一种高转速无刷直流电机的无位置传感器控制方法，对于三相桥两电平的主电路，进行6种工作状态控制：P1状态～P6状态，主电路包含三相桥臂，每相桥臂上、下两个开关管不同时导通，且任意时刻都有三个开关管同时导通；第一相桥臂的上桥臂开关器件为AH，下桥臂开关器件为AL，AH的源极、AL的漏极与A相相连；第二相桥臂的上桥臂开关器件为BH，下桥臂开关器件为BL，BH的源极、BL的漏极与B相相连；第三相桥臂的上桥臂开关器件为CH，下桥臂开关器件为CL，CH的源极、CL的漏极与C相相连，主电路的6种工作状态中，P1状态为电机运行在0°～60°的电角度状态，对应AL，BH导通；P2状态为60°～120°的电角度状态，对应AL，CH导通；P3状态为120°～180°的电角度状态，对应BL，CH导通；P4状态为180°～240°的电角度状态，对应AH，BL导通；P5状态为240°～300°的电角度状态，对应AH，CL导通；P6状态为300°～360°的电角度状态，对应BH，CL导通；在一个工作周期中，6种工作状态驱动信号以PWM的形式工作，并依次轮流出现。由此产生旋转磁场，带动无刷直流电机旋转。

进一步地，无刷直流电机控制流程分三个阶段，第一阶段进行电机定位功能，控制器首先使得逆变器工作在P1状态，并持续T时间(T根据不同电机参数及启动速度要求，设定在60到200ms之间)，之后，变换至P4状态，也持续T(根据不同电机参数设定)时间，此时无刷直流电机转速为S₁，第一阶段结束；第二阶段完成无刷直流电机的强制启动功能，逆变器工作状态由P4状态切换至P5状态，之后在P1状态到P6状态这6种工作状态下依次循环，总循环次数为N，N的范围设定在50～100，第x次循环状态持续的时间为Ptx，电机转速达到S₂(S₂需达到反电动势可稳定检测的转速，一般在几百转每分钟，本例为800r/min)后，第二阶段结束；第三阶段利用3个中断的相互配合，完成换相干扰时间的躲避、过零点的检测，以及换相时间的计算和换相切换操作，第三阶段反复循环执行，逆变器的6种工作状态依次轮流自动切换。

进一步地，第x次循环状态持续时间Ptx，通过以下公式计算得到：

式(1)中S₁为第一阶段结束时无刷直流电机的转速，N为第二阶段总共循环次数，x为第x次循环，S₂为第二阶段结束时无刷直流电机预定转速。

本发明的较佳实施例中，根据控制算法基本原理，结合微处理器技术，按照规律完成无刷直流电机的无位置传感器控制，程序流程图如图5，图6所示。

本发明实施例方法中，第一阶段的程序流程如图5(a)左半部流程所述，首先是“系统初始化”，设定PWM输出通道与开关频率、AD采样通道、中断执行时间等各项参数，之后判断是否有“启动命令”，如果无启动则一直待机，如果接收到启动命令，一方面进入“电机定位程序”，即首先使逆变器工作在P1状态，并持续T(本实施例中为100ms)时间，变换至P4状态，同样也持续T时间，如图3，此时在B点的速度为S₁，另外一方面，在PWM中断的入口，如果“启动命令”有效则开放PWM功能。

本发明实施例方法中，第二阶段的程序流程如图5(a)右半部流程所述，逆变器工作状态由P4切换至P5状态，之后在P1到P6这6种工作状态下依次循环，循环次数N(本实施例中为50次)与各状态存在的时间Ptx，根据不同型号的电机确定。当转速超过S₂r/min(本实施例中为800转/分钟)，电机反电动势达到一个可供稳定测量的数值时，第二阶段结束。

本发明实施例方法中，第三阶段的程序流程如图6所示，该阶段具体实施方案如下，利用微处理器的3个中断实现图4所述各项功能，具体步骤如下：

第一步，当从第二阶段进入第三阶段时，首先开放中断3，并且设置中断3的计数目标值为第二阶段最后一次换相设定时间的1/2(本发明中设定换相干扰时间为换相时间的1/2)，当计数器到达中断3目标值后，进入中断3，根据规则确定逆变器状态，之后关闭中断，并且开放中断1。

第二步，中断1不断执行，中断1响应频率为20kHz(例如，当转速为2万转/分钟时，每转时间约为3毫秒，换相时间仅为0.5ms，因此，中断1的响应频率必须足够高，否则过零点检测会产生较大误差，20kHz频率下中断1程序每0.05ms执行一次，精度能够满足要求，该频率可根据电机实际情况进行调节)。当启动中断1之后，程序完成过零点的检测，如果未检测到过零点则退出中断，如果检测到过零点则根据中断3计数器的时间计算得到换相时间(换相时间就为中断3计数器的数值)，并将该数值作为中断2的计数器目标值，之后清除中断3计数器，并且关闭中断1(即停止过零点检测)，开放中断2。

第三步，中断2计数器数值到达目标值后，进入中断2程序，此时已经达到换相时间，因此首先重新设定PWM输出端口，使得逆变器进入下一个状态，之后计算换相干扰时间，清除中断2计数器，关闭中断2，然后将中断3的计数器目标值设置为换相干扰时间，并开放中断3。最后中断2程序返回。

之后将重复第一步到第三步的流程，该流程可根据电机转速的不同自动识别过零点，并重新设置换相时间，完成无刷直流电机的无位置传感器自动控制。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种高转速无刷直流电机的无位置传感器控制方法，其特征在于，对于三相桥两电平的主电路，进行6种工作状态控制：P1状态～P6状态，主电路包含三相桥臂，每相桥臂上、下两个开关管不同时导通，且任意时刻都有两个开关管同时导通；第一相桥臂的上桥臂开关器件为AH，下桥臂开关器件为AL，AH的源极、AL的漏极与A相相连；第二相桥臂的上桥臂开关器件为BH，下桥臂开关器件为BL，BH的源极、BL的漏极与B相相连；第三相桥臂的上桥臂开关器件为CH，下桥臂开关器件为CL，CH的源极、CL的漏极与C相相连，主电路的6种工作状态中，P1状态为电机运行在0°～60°的电角度状态，对应AL，BH导通；P2状态为60°～120°的电角度状态，对应AL，CH导通；P3状态为120°～180°的电角度状态，对应BL，CH导通；P4状态为180°～240°的电角度状态，对应AH，BL导通；P5状态为240°～300°的电角度状态，对应AH，CL导通；P6状态为300°～360°的电角度状态，对应BH，CL导通；在一个工作周期中，6种工作状态驱动信号以PWM的形式工作，并依次轮流出现，无刷直流电机控制流程分三个阶段，第一阶段进行电机定位功能，控制器首先使得逆变器工作在P1状态，并持续T时间，之后，变换至P4状态，也持续T时间，此时无刷直流电机转速为S₁，第一阶段结束；第二阶段完成无刷直流电机的强制启动功能，逆变器工作状态由P4状态切换至P5状态，之后在P1状态到P6状态这6种工作状态下依次循环，总循环次数为N，N的范围设定在50～100，第x次循环状态持续的时间为P_tx，电机转速达到S₂后，第二阶段结束；第三阶段利用3个中断的相互配合，完成换相干扰时间的躲避、过零点的检测，以及换相时间的计算和换相切换操作，第三阶段反复循环执行，逆变器的6种工作状态依次轮流自动切换。

2.根据权利要求1所述的高转速无刷直流电机的无位置传感器控制方法，其特征在于，第x次循环状态持续时间P_tx，通过以下公式计算得到：

式(1)中S₁为第一阶段结束时无刷直流电机的转速，N为第二阶段总共循环次数，x为第x次循环，S₂为第二阶段结束时无刷直流电机预定转速。