CN106559014B - 一种基于旋转变压器的无刷直流电机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于旋转变压器的无刷直流电机控制方法，首先将旋转变压器和无刷直流电机的转子同轴安装，无刷直流电机脱开所有负载；然后对无刷直流电机进行标零，得到电机标零后旋转变压器所测得的位置；编写换相表，根据换相表对无刷直流电机进行控制，将旋转变压器返回的速度和位置，反馈到速度和位置控制器形成闭环控制。本发明既减小了体积，又提高了可靠性，耐高温，环境适应性非常好，位置精度高，可靠性高，防尘防油污，寿命长，且抗电磁干扰性好，适合用于航空航天伺服领域。

Description

一种基于旋转变压器的无刷直流电机控制方法

技术领域

本发明涉及一种无刷直流电机控制方法，适用于对位置、速度和可靠性要求较高的航空航天领域的伺服驱动。

背景技术

航空航天对驱动伺服电机的可靠性要求较高，因此采用旋转变压器作为位置传感器的无刷直流电机是很好的选择。同时旋转变压器也能作为速度传感器。

目前无刷直流电机位置传感器多采用霍尔传感器，然后外加光电编码器或旋转变压器作为速度传感器。当然如果伺服系统没有齿隙或齿隙较小，无刷直流电机的位置传感器可作为系统的位置闭环传感器，进一步减小系统体积和重量。

旋转变压器配合解调芯片位置精度可达5弧分，速度精度可达0.064rps。虽然旋转变压器测出的位置精度很高，但是旋转变压器没有标示零位。因此使用旋转变压器的无刷直流电机安转完成后，需要进行标零。同时由于无刷直流电机生产过程中，可能导致转子的磁钢和定子的极靴分布不均匀，这使得无刷直流电机换相位置并不是均匀分布的。对于无刷直流电机换相出现偏差会使效率降低，偏差越大效率越低。一般无刷直流电机由三个霍尔传感器作为位置传感器，当绕组不是均匀分布的时候，将会出现六个分布不均匀且不对称的换相点，此时用三个霍尔传感器就不能准确地确定六个换相点，换相不准确会导致无刷直流电机效率降低。而使用旋转变压器的无刷直流电机则可以对每个换相点进行测量矫正。其次，中国专利201410424873.5提供了一种旋转变压器随机安装无刷直流电机电气零位测试方法，需要上位机和示波器进行配合测试。测试方法和步骤复杂，需要根据示波器测试的电压波形判断位置是否准确。在初始测试无刷直流电机测试零位的时候，初始位置参数是估计的，无刷直流电机很有可能不正常转动。由于设置电流比较大，有可能损坏电机或实验设备。中国专利201410827893.7提供了一种基于角度传感器的无刷直流电机的换相方法，该专利只是测定了零位，而且测定的零位并不是无刷直流电机的换相点，需滞后或者超前30度作为换相点，其它换相点是根据换相点之间相差60度推算出来的。这样得到的换相表是不准确的，如果实际换相点不是均匀分布的，则其效率甚至不如使用霍尔传感器的无刷直流电机的效率高。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种使用旋转变压器作为位置传感器的无刷直流电机方案及其控制方法。只用到了一个旋转变压器，既减小了体积，又提高了可靠性。旋转变压器采用铁心和线圈绕制，硅钢转子保证转子不易损坏，运行温度-55℃到155℃，耐高温，环境适应性非常好，位置精度高，可靠性高，防尘防油污，寿命长，且抗电磁干扰性好，适合用于航空航天伺服领域。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

(1)将旋转变压器和无刷直流电机的转子同轴安装，无刷直流电机脱开所有负载；

(2)对无刷直流电机进行标零，包括以下内容：

(2.1)规定无刷直流电机的导通顺序为AC–BC–BA–CA–CB–AB，零位为AC相导通，逆时针旋转为正方向；

(2.2)对AC相通电，使电流由电机A相流到C相；

(2.3)断开AC相，对BC相通电，使电流由电机B相流到C相；

(2.4)断开BC相，对AC相通电，使电流由电机A相流到C相，并记录旋转变压器所读出的位置P1；

(2.5)断开AC相，对AB相通电，使电流由电机A相流到B相；

(2.6)断开AB相，对AC相通电，使电流由电机A相流到C相，并记录旋转变压器所读出的位置P2；

(2.7)重复步骤(2.3)～(2.6)，并记录位置，重复6次，将得到的12个位置取平均即为测得的零位Pav0；

(2.8)旋转变压器检测的位置减去Pav0即为对电机标零后所测得的位置；

(3)将AC替换为所需检测导通相序，将BC和AB替换为所需检测相序相邻的两个相序，重复(2.2)～(2.7)，分别检测BC、BA、CA、CB、AB导通时的位置Pav1、Pav2、Pav3、Pav4、Pav5；

(4)根据步骤(2)和(3)所检测的位置，编写换相表；

(5)根据换相表对无刷直流电机进行控制，将旋转变压器返回的速度和位置，反馈到速度和位置控制器形成闭环控制。

本发明的有益效果是：

1)不用其它辅助设备，只需无刷直流电机控制器和电源就能完成标零和换相点的检测；

2)适应范围宽，无论无刷直流电机的旋转变压器的零位偏差多大，都能进行零位矫正；

3)换相点检测方法简单、准确，每个换相点都能进行修正，能有效降低由于加工不精确而造成的效率降低问题；

4)直接读出速度和位置，在没有传动间隙的系统中可以完成位置闭环控制。

附图说明

图1为使用旋转变压器的无刷直流电机的控制系统；

图中，1—控制电路，2—驱动电路，3—使用旋转变压器的无刷直流电机。

图2为无刷直流电机电气连接图；

图中，1—控制电路，2—驱动电路，4—旋转变压器。

图3为使用旋转变压器的无刷直流电机；

图中，4—旋转变压器，5—无刷直流电机的定子，6—无刷直流电机的转子。

图4为无刷直流电机定子磁动势示意图；

图中，转子磁通位置Φ_R为规定的电机零位，F_AC、F_BC、F_BA、F_CA、F_CB、F_AB分别对应AC、BC、BA、CA、CB、AB导通时对应的定子磁动势方向，Pav0、Pav1、Pav2、Pav3、Pav4、Pav5分别为无刷直流电机各个换相点，Pav0也是规定的电机零位，w表示无刷直流电机旋转方向。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明提供了一种使用旋转变压器作为位置传感器的无刷直流电机方案及其控制方法。控制无刷直流电机需要无刷直流电机的转子位置，根据转子位置进行换向。使用旋转变压器作为无刷直流电机作为位置传感器有很多优点：位置准确；换向位置精确，使得无刷直流电机的效率更高；旋转变压器通过解调芯片可输出速度，不需要额外增加速度传感器就能完成速度闭环。控制方法包括无刷直流电机的标零方法、测量换相点的方法和依据旋转变压器输出的速度信号形成速度闭环的方法。该方法能快速，精确地检测电机零位和换相点，抑制转矩脉动，提高电机效率，减小伺服系统的体积。

实现本发明的技术方案：使用旋转变压器的无刷直流电机的标零、测量换相点和实现转速闭环的方法，该方法具体包括以下步骤：

(1)将旋转变压器和无刷直流电机的转子同轴安装，电机脱开所有负载。

(2)对无刷直流电机进行标零。

(2.1)规定无刷直流电机运行导通顺序、零位和正转方向：导通顺序为AC–BC–BA–CA–CB–AB，零位为AC相导通，逆时针旋转为正方向；

(2.2)对AC相通电，使电流由电机A相流到C相；

(2.3)断开AC相，对BC相通电，使电流由电机B相流到C相；

(2.4)断开BC相，对AC相通电，使电流由电机A相流到C相，并记录旋转变压器所读出的位置P1；

(2.5)断开AC相，对AB相通电，使电流由电机A相流到B相；

(2.6)断开AB相，对AC相通电，使电流由电机A相流到C相，并记录旋转变压器所读出的位置P2；

(2.7)重复步骤(2.3)～(2.6)，并记录位置，重复6次，将12个位置取平均即为测得的零位Pav0；

(2.8)旋转变压器检测的位置减去Pav0即为对电机标零后所测得的位置。

(3)分别检测BC、BA、CA、CB、AB导通时的对应位置，分别为Pav1、Pav2、Pav3、Pav4、Pav5。检测方法同无刷直流电机零位的检测方法，步骤同(2.2)～(2.7)，只需将AC替换为所需检测导通相序，将BC和AB替换为所需检测相序相邻的两个相序。

(4)根据步骤(2)和(3)所检测的位置，编写换相表：

(5)根据步骤(4)中的换相表对无刷直流电机进行控制，将旋转变压器返回的速度和位置，反馈到速度和位置控制器形成闭环控制。

本发明的实施例包括以下步骤：

(1)图3为使用旋转变压器的无刷直流电机3图，图中旋转变压器4封装在无刷直流电机3内部，旋转变压器4和无刷直流电机的转子6同轴安装。检测无刷直流电机3的零位和换相点时，无刷直流电机3需要脱开所有负载。

(2)图4为无刷直流电机定子磁动势示意图，其中转子磁通位置Φ_R为规定的电机零位，F_AC、F_BC、F_BA、F_CA、F_CB、F_AB分别对应AC、BC、BA、CA、CB、AB导通时对应的定子磁动势方向，Pav0、Pav1、Pav2、Pav3、Pav4、Pav5分别为无刷直流电机各个换相点，Pav0也是规定的电机零位，w表示无刷直流电机旋转方向。

图2是无刷直流电机电气连接图。图4是无刷直流电机定子磁动势示意图，该图是规定的电机零位时定子磁动势和转子磁通的位置关系。Udc是母线电压，T1-T6是6个开关管。转子磁通位置Φ_R为规定的电机零位，F_AC、F_BC、F_BA、F_CA、F_CB、F_AB分别对应AC、BC、BA、CA、CB、AB导通时对应的定子磁动势方向。F_AC对应的是图2中的开关管T1和T6导通，其它开关管断开，电流由电机A相流过C。此时，对应的定子磁动势如图4中F_AC所示，在电机没有负载的情况下，稳定后转子磁通位置如Φ_R所示。检测无刷直流电机零位和换相点时，母线电压U，电流：I＝U/R，其中R为无刷直流电机线电阻。电流不能很大，应在电源和控制器的允许范围内，在转子磁通和定子磁动势方向不重合时，转矩能克服零负载时的阻力，使电机转子能转到零位即可。从图4可以看出当规定无刷直流电机产生规定的6中磁动势时，只有无刷直流电机的转子转到换相点转子是不受力的，因此转子固定在换相点是稳定的。在实际应用时，可取额定电流的10％。从图3可以看出，零位也是换相点。检测其它换相点和检测零位的方法和步骤是相同的。从图4无刷直流电机定子磁动势示意图可以看出无刷直流电机的零位同样也是一个换相点，下面以测试无刷直流电机的零位为例说明测试零位或换相点的方法：

1)首先使无刷直流电机的转子转到规定的零位，对AC相通电，使电流由电机A相流到C相。

2)为克服无刷直流电机的齿槽力矩，摩擦力矩和转子惯量对测零位及换相点的影响，需断开AC相，对BC相通电，使电流由电机B相流到C相。

3)断开BC相，对AC相通电，使电流由电机A相流到C相，并记录旋转变压器所读出的位置P1。

4)为克服无刷直流电机的齿槽力矩，摩擦力矩和转子惯量对测零位及换相点的影响，需断开AC相，对AB相通电，使电流由电机A相流到B相。

5)断开AB相，对AC相通电，使电流由电机A相流到C相，并记录旋转变压器所读出的位置P2。通过3)和5)的两次测试，取P1和P2的平均值可减小误差。

6)重复步骤(2.3)～(2.6)，并记录位置位置，重复6次，将12个位置取平均即为测得的零位Pav0。

(3)分别检测BC、BA、CA、CB、AB导通时，对应的位置如图4无刷直流电机定子磁动势示意图所示。检测方法同无刷直流电机3零位的检测方法，只需将AC替换为所需检测导通相序，将BC和AB替换为所需检测相序相邻的两个相序。值分别为Pav1、Pav2、Pav3、Pav4、Pav5。根据图4无刷直流电机定子磁动势示意图和所检测的位置，编写换相表：

转子位置	正转	反转
			Pav0-Pav1	BA	AB
Pav1-Pav2	CA	AC
			Pav2-Pav3	CB	BC
Pav3-Pav4	AB	BA
			Pav4-Pav5	AC	CA
Pav5-Pav0	BC	CB

(4)根据换相表对无刷直流电机进行控制，根据需要读取旋转变压器的速度和位置进行转速和位置闭环控制。如图1使用旋转变压器的无刷直流电机的控制系统所示，电流闭环采的时母线电流。通过解调芯片可以从旋转变压器4中读出速度(如AD2S1210)，其速度误差小于等于0.064rps，其位置误差小于等于5弧分。在没有传动间隙的系统或者传动间隙比较小的系统中，完全可以用图1所示的结构进行闭环控制。

Claims (1)

1.一种基于旋转变压器的无刷直流电机控制方法，其特征在于包括下述步骤：

(1)将旋转变压器和无刷直流电机的转子同轴安装，无刷直流电机脱开所有负载；

(2)对无刷直流电机进行标零，包括以下内容：

(2.1)规定无刷直流电机的导通顺序为AC–BC–BA–CA–CB–AB，零位为AC相导通，逆时针旋转为正方向；

(2.2)对AC相通电，使电流由电机A相流到C相；

(2.3)断开AC相，对BC相通电，使电流由电机B相流到C相；

(2.4)断开BC相，对AC相通电，使电流由电机A相流到C相，并记录旋转变压器所读出的位置P1；

(2.5)断开AC相，对AB相通电，使电流由电机A相流到B相；

(2.6)断开AB相，对AC相通电，使电流由电机A相流到C相，并记录旋转变压器所读出的位置P2；

(2.7)重复步骤(2.3)～(2.6)，并记录位置，重复6次，将得到的12个位置取平均即为测得的零位Pav0；

(2.8)旋转变压器检测的位置减去Pav0即为对电机标零后所测得的位置；

(3)将AC替换为所需检测导通相序，将BC和AB替换为所需检测相序相邻的两个相序，重复(2.2)～(2.7)，分别检测BC、BA、CA、CB、AB导通时的位置Pav1、Pav2、Pav3、Pav4、Pav5；

(4)根据步骤(2)和(3)所检测的位置，编写换相表；

转子位置 正转 反转 Pav0-Pav1 BA AB Pav1-Pav2 CA AC Pav2-Pav3 CB BC Pav3-Pav4 AB BA Pav4-Pav5 AC CA Pav5-Pav0 BC CB

(5)根据换相表对无刷直流电机进行控制，将旋转变压器返回的速度和位置，反馈到速度和位置控制器形成闭环控制。