CN105897081A - 一种无位置传感器无刷直流电机的低速启动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种无位置传感器无刷直流电机的低速启动方法，在电机静止或者低速时就可以判断出转子的位置信号，从而拓宽了低速运行的调速范围。该方法首先提供一个固定时间的正反方向的脉冲信号，从而会产生两个峰值电流；比较两个峰值电流，其中较大者意味着转子永磁体产生的磁场方向和定子线圈产生的磁场方向一致，此时产生增磁作用，铁心饱和程度增加，绕组电感减小，由于绕组电感是转子位置的函数，从而确定转子的位置在哪个半圆内；对其他两相重复上述的步骤，就可以把转子的位置限定在60°电角度内；再根据磁极位置和导通相之间的对应关系，就可以正确的换相了。优点：不仅解决了低速启动阶段的稳定性问题，同时拓宽了低速运行的调速范围。

Description

一种无位置传感器无刷直流电机的低速启动方法
技术领域
本发明涉及电机控制领域，具体涉及一种无位置传感器无刷直流电机的低速启动方法。
背景技术
对于无位置传感器无刷直流电机的控制，必须通过一定的方法检测转子位置信号才能实现准确的换相。在常用的转子位置检测方法中，由于电机在静止或者低速时，反电动势幅值几乎没有或者很小，所以在启动时检测不到准确的转子位置信号，所以如何使电机可以在低速阶段平稳启动到适当的转速以至于在中高速阶段的位置检测算法可以检测到转子位置信号至关重要。因此无位置传感器控制的低速阶段启动算法成为了研究的热点问题。
目前常用的无位置传感器控制的低速启动算法包括任意位置开环启动法、预定位法和三段式启动法。任意位置开环启动法不经过转子定位过程采用纯开环的启动方法，该方法的随意性大，且可能会出现比较严重的反转现象；预定位法由于通过强制换相的方法实现的，这种开环启动的随意性，不仅增加了低速阶段启动失败的概率，同时由于其通过强制换相的定位方法会导致启动抖动比较明显，最严重的情况可能会在启动的瞬间先反转，这对于那些严格单方向运转的应用，比如工业缝纫机和割草机等应用，是无法很好适用的；三段式启动法实现比较简单，但是由于该方法也是开环启动的，很容易因电机参数变化的影响低速阶段的启动性能，同时由于该方法在定位阶段属于强制换相，因此会导致启动电流较大、启动时间长和启动速度较大的问题。
发明内容
针对传统的低速启动算法存在以上的技术缺陷，本发明实现了一种无位置传感器无刷直流电机的低速启动方法，该方法不仅解决了低速启动阶段的稳定性问题，同时拓宽了电机低速启动阶段的调速范围。
本发明的技术方案时这样实现的：
一种无位置传感器无刷直流电机的低速启动方法，其特征在在于，低速启动方法包括：
以固定的时间周期导通三相其中一相的正反两个方向，产生两个方向相反的磁场，从而产生两个峰值电流；
通过比较两个峰值电流的大小来确定转子在哪个半圆内；
对其他两相重复上述的步骤，就可以把转子的位置限定在60°电角度内；
通过磁极位置和导通相之间的对应关系，实现电机正确换相。
所述的以固定的时间周期导通三相其中一相的正反两个方向会产生两个方向相反的磁场，即需要提供一个固定时间的电压值，所述其中一相需要给高电平同时另外两相给低电平，产生正向的磁场。然后将所述其中一相切换成低电平同时另外两相切换成高电平，产生反向的磁场，这样就形成了两个相反的磁场方向。
所述的两个峰值电流中大的峰值电流意味着转子上的永磁铁产生的磁场方向和定子线圈产生的磁场方向一致，此时产生增磁作用，铁心饱和程度增加，绕组电感减小，由于绕组电感是转子位置的函数，所以正反相通电峰值电流的大小就可以反应转子在哪个半圆内。
所述的对其他两相重复上述的步骤就可以把转子的位置限定在60°电角度内，即只需要三个正反脉冲电流检测就可以把转子的位置确定在60°电角度内。
所述的磁极位置和导通相之间对应关系的确定方法是：由上一步可以确定内转子磁铁N极的60°范围，由此可以推出导通相所产生磁通矢量的范围，进而推出导通相。
根据上述方案，首先，在硬件上，构造一个峰值电流采样电路，由于在低速启动时占空比较小，所以对应的峰值电流也较小，因此需要对采样到的峰值电流进行信号放大处理，ADC才能采样到准确的峰值电流信号；其次，在软件上，以固定的时间周期导通其中一相的正反两个方向，当ADC采样到经放大后的峰值电流后，将这两个峰值电流进行大小比较，进而将转子位置限定在180°电角度；再次，对其他两相重复上述的步骤，就可以把转子的位置限定在60°电角度内；最后，根据磁极位置和导通相之间的对应关系，电机就可以正确换相。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细的说明。
附图说明
图1为本发明的低速启动方法的软件流程图；
图2(a)为本发明的峰值电流信号采样电路；
图2(b)为本发明的峰值电流信号放大电路；
图3为本发明的两个峰值电流示意图；
图4为本发明将转子限定在180°电角度示意图；
图5为本发明将转子限定在60°电角度示意图；
图6为本发明的磁通位置和导通相对应关系示意图；
图7为本发明的低速启动方法测试结果。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进行详细说明：
(1)低速启动方法的硬件电路设计
图2(a)、2(b)为本发明设计的低速启动方法的硬件电路原理图，包括峰值电流采样电路和信号放大处理电路两部分。由于低速启动阶段不希望转子出现抖动的现象，所以在软件控制上，选取的PWM的初始值不宜过大，这样就会带来一个问题，流经图2(a)中采样电阻的峰值电流信号十分微弱，以至于MCU无法准确的采样到峰值电流信号，从而无法根据反馈的电流信号准确的判断出转子的位置。基于此考虑，在发明中选用运放电路来对采样电流信号进行一定的信号放大，从而MCU可以获得较为准确的峰值电流信号。如图2(b)所示，为采样电流模块的信号处理电路。
(2)低速启动方法的算法设计
图1为本发明的低速启动方法的软件流程图。
首先，以固定的时间周期在正反方向导通一相之后，如图3所示，将会产生两个电流峰值；
其次，若ADC采样到的正向电流峰值大于反向电流峰值，这意味着正向磁场方向和转子的磁场方向一致，如图4所示，因此可以将转子的位置确定在已知的180°电角度以内；
再次，对于其他两相重复上述的步骤，如图5所示，就可以把转子的位置限定在60°电角度内，即只需要三个正反脉冲电流检测就可以把转子的位置确定在60°电角度内，确定的方法是：
假设ADC采样到的正向电流峰值大于反向电流峰值，那么用二进制位1标识；否则用位0标识。以A，C，B的相序重复这一过程三次，就会产生三位二进制编码组合。
此处记：A(BC)峰值电流大于(A)BC为100；B(AC)峰值电流大于(B)AC为010；C(AB)峰值电流大于(C)AB为001。
状态100表示：A(BC)峰值电流大于(A)BC为100，同时B(AC)峰值电流小于(B)AC，同时C(AB)峰值电流小于(C)AB，由于存在如下对应关系：
(a)A(BC)峰值电流大于(A)BC：内转子磁铁的N极位于-90°～90°
(b)B(AC)峰值电流小于(B)AC：内转子磁铁的N极位于-150°～30°
(c)C(AB)峰值电流小于(C)AB：内转子磁铁的N极位于-30°～150°
所以最终可以得出：内转子磁铁的N极在-30°到30°内。
状态010表示：A(BC)峰值电流小于(A)BC为100，同时B(AC)峰值电流大于(B)AC，同时C(AB)峰值电流小于(C)AB，由于存在如下对应关系：
(a)A(BC)峰值电流小于(A)BC：内转子磁铁的N极90°～270°
(b)B(AC)峰值电流大于(B)AC：内转子磁铁的N极30°～210°
(c)C(AB)峰值电流小于(C)AB：内转子磁铁的N极-30°～150°
所以最终可以得出：内转子磁铁的N极在90°到150°内。
状态110表示：A(BC)峰值电流大于(A)BC为100，同时B(AC)峰值电流大于(B)AC，同时C(AB)峰值电流小于(C)AB，由于存在如下对应关系：
(a)A(BC)峰值电流大于(A)BC：内转子磁铁的N极-90°～90°
(b)B(AC)峰值电流大于(B)AC：内转子磁铁的N极30°～210°
(c)C(AB)峰值电流小于(C)AB：内转子磁铁的N极-30°～150°
所以最终可以得出：内转子磁铁的N极在30°到90°内。
依次类推，同理可以得出其他几种状态对应的转子N极的所在的60°电角度位置。
最后，就要考虑磁极位置和导通相之间的对应关系，即已知转子磁极N极所在的60°电角度位置，判断如何进行通电。如图6所示，内转子磁铁的N极在-30°到30°内。对应的磁通矢量应该指向90～150°内，此时导通BC相，对应的磁通矢量指向90°方向，因此在该范围内应该导通BC相。同理可以得出其他N极所在位置与导通相之间的对应关系。因此，根据转子的N极位置可以得出对应的导通相。
(3)低速启动方法的测试结果
图7为本发明低速启动方法的测试结果，分别对采样峰值电流电路的输出及与之对应的电机三相A、B、C的相电压进行了测试，可以看出六个电流峰值在每一组电流峰值和调制激励阶段的电流值之间。从图7可以看出，本发明设计的低速启动算法在启动时无明显冲击电流，低速启动阶段波形平稳，无干扰杂波。同时从图7中可以也得知，该低速启动算法的最低稳定运行转速值低至1/ΔX＝12Hz。因此，可知本发明设计的低速启动算法不仅具有启动电流小和启动平稳的优点，同时也拓宽了低速稳定运行的调速范围。

Claims (5)

1.一种无位置传感器无刷直流电机的低速启动方法，其特征在在于，低速启动方法包括：
以固定的时间周期导通三相其中一相的正反两个方向，产生两个方向相反的磁场，从而产生两个峰值电流；
通过比较两个峰值电流的大小来确定转子在哪个半圆内；
对其他两相重复上述的步骤，把转子的位置限定在60°电角度内；
通过磁极位置和导通相之间的对应关系，实现电机正确换相。
2.根据权利要求1所示的低速启动方法，其特征在于：所述的以固定的时间周期导通三相其中一相的正反两个方向，产生两个方向相反的磁场，即提供一个固定时间的电压值，所述其中一相给高电平同时另外两相给低电平，产生了正向的磁场；然后将所述其中一相切换成低电平同时另外两相切换成高电平，产生反向的磁场，这样就形成了两个相反的磁场方向。
3.根据权利要求1所示的低速启动方法，其特征在于：所述的两个峰值电流中大的峰值电流意味着转子上的永磁磁铁产生的磁场方向和定子线圈产生的磁场方向一致，此时产生增磁作用，铁心饱和程度增加，绕组电感减小，由于绕组电感是转子位置的函数，所以通过比较正反相通电峰值电流的大小确定转子在哪个半圆内。
4.根据权利要求1所示的低速启动方法，其特征在于：所述的对其他两相重复上述的步骤就可以把转子的位置限定在60°电角度内，即只需要三个正反脉冲电流检测就可以把转子的位置确定在60°电角度内。
5.根据权利要求1所示的低速启动方法，其特征在于：所述的磁极位置和导通相之间对应关系的确定方法是：在把转子的位置限定在60°电角度内的基础上，确定内转子磁铁N极的60°范围，由此推出导通相所产生磁通矢量的范围，进而推出导通相。
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