CN107359830A - 一种用于三相无刷直流电机的转子定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于三相无刷直流电机的转子定位方法，所述三相无刷直流电机不具有位置传感器，所述方法包括：a.收到启动信号后，施加至少一次固定电压矢量一段时间以拉动电机；b.延时一预定时间段；c.判断三相反电动势是否大于一阈值，当反电动势小于该阈值时，换一个方向通电一段时间，并重复步骤c；当反电动势不小于该阈值时，执行步骤d；d.判断所述三相反电动势的大小顺序；e.判断电机的正反转；f.根据所述三相反电动势的大小顺序以及所述正反转的判断结果，确定转子位置。

Description

一种用于三相无刷直流电机的转子定位方法

技术领域

本发明涉及三相无刷直流电机(BLDC)无传感器驱动技术领域。

背景技术

传统的三相无刷直流电机变频驱动方案的典型电路如图1所示。通过微控制器使三相逆变电路中一到两个上管及下管导通来驱动电流从各个方向流经电机，产生连续的旋转磁场驱动电机。实际使用中，可以将图1的六个高压大功率MOS管集成在一个电子元器件上，称为IPM模块(Intelligent Power Module，智能功率模块)，由于MCU最高只能输出5V，而驱动这些MOS管需要更高的电压，所以IPM模块中还集成了一套复杂的驱动电路。

直流电机的转子为永磁体，因此不同于交流异步感应电机，必须时刻确知转子磁极的位置方能正确驱动。位置传感器可以帮助驱动器时刻获取转子位置的信息。如果没有位置传感器，则必须通过其他手段来了解当前转子位置，而检测三相定子绕组的反电动势就是比较常用的手段之一。

如图1所示，当电机正常运行时，电机定子三相绕组上的端电压＝阻抗压降R+感抗压降L+感生电动势e(即反电动势)，其中电机的电阻和电感均可测量，这些对于固定应用均为已知量，可以测量后写在程序里，瞬时端电压由控制器(MCU)给定，因此，控制器(MCU)只需实时测量电流，，便可计算出感抗压降，最终算出感生电动势，从而确定电机的瞬时位置。并通过IPM模块给电机正确的通电方式，如此便可驱动电机正常运转。然而，在电机静止时，三相感生电动势均为零，这使得启动前转子预定位成为问题。

目前主流的无位置传感器BLDC驱动方案中，启动前确定转子位置的方法主要有两种。一种是转子预定位：将转子预先拉到某个确定位置，就是每次启动前都给电机固定的两相通电，比如令A相的上桥和B相的下桥两个MOS管导通并持续数秒的时间，使电流从A相流入电机，B相流出电机，强迫转子被吸引到固定位置，这样做一个显著的缺点就是电机启动前可能倒转一定角度，由于开机前转子可能停在任意位置，该定位动作最多可能引起180°电角度的倒转；另一种方法基于磁饱和效应，由于转子正对的定子已经被高度磁化，再给这个方向通电，定子会很快达到磁饱和，磁饱和后，感抗急剧下降，电流则急剧爬升。因此给六个基本方向(两两通)短时通电，必可看到有一个方向的电流爬升最快，如此便知转子的大概位置。由于定子上电流必须达到磁饱和的程度，电机难免发生振动。因此风扇启动时会发出“噔”一声，此声音在夜晚安静处听十分明显。

综上，鉴于传统的两种定位方式都不适合用于立式风扇，亟需寻找一种既不会发生明显倒转，又无明显噪音的定位方式。

发明内容

本发明的目的是寻找一种既不会发生明显倒转、又无明显噪音的，用于三相无刷直流电机(BLDC)无传感器驱动技术领域的转子定位方式。

本发明提供了一种用于三相无刷直流电机的转子定位方法，所述三相无刷直流电机不具有位置传感器，所述方法包括：

a.收到启动信号后，施加至少一次固定电压矢量一段时间以拉动电机；

b.延时一预定时间段；

c.判断三相反电动势是否大于一阈值，当反电动势小于该阈值时，换一个方向通电一段时间，并重复步骤c；当反电动势不小于该阈值时，执行步骤d；

d.判断所述三相反电动势的大小顺序；

e.判断电机的正反转；

f.根据所述三相反电动势的大小顺序以及所述正反转的判断结果，确定转子位置。

在一个实施例中，所述三相反电动势的大小顺序包含六种相对大小顺序，该六种相对大小顺序对应了6个60度扇区。

在一个实施例中，判断电机的正反转包括确定起始拉动时电机的正反转。

在一个实施例中，在步骤a中，施加的固定电压时间为数十毫秒。

在一个实施例中，在步骤a中，如果通电方向恰好与所述转子位置接近，且产生的转矩无法拉动所述电机，则换一个角度再次拉动电机。

本发明的技术方案具有以下的技术效果：

首先，通用的给固定位置预定位的方法从理论上讲最多可引起接近180度电角度的倒转，对于本应用中的4对极电机，最大倒转物理角度就是45度。而采用本案提出的新方法，最多倒转60度电角度左右就可测准转子位置，也就是实际最大倒转15度(图5中三相反电动势未交叉，由此可知拉动角度必小于60度电角度)，达到风扇制造商可接受范围。

其次，由于不需要定子通电至饱和，电机启动时几乎没有噪音，对于整机降噪起到很大帮助。

再次，反电动势采样回路在高压立式风扇方案中还可用于实现未停稳启动、反转启动、逆风启动等功能。使无位置传感器的无刷直流方案在使用感观上更加逼近传统的单相电机方案。

附图说明

本发明的以上发明内容以及下面的具体实施方式在结合附图阅读时会得到更好的理解。需要说明的是，附图仅作为所请求保护的发明的示例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的元素。

图1示出传统的三相无刷直流电机变频驱动方案；

图2示出根据本发明一实施例的无刷直流电机系统；

图3示出根据本发明一实施例的无刷直流电机系统的工作流程；

图4A示出根据本发明一实施例的电机正转时的反电动势波形；

图4B示出根据本发明一实施例的电机反转时的反电动势波形；

图5示出根据本发明一实施例的实际定位波形。

附图标记说明

201 电机

202 IPM模块(Intelligent Power Module，智能功率模块)

203 控制模块

301-308 步骤

具体实施方式

以下在具体实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的说明书、权利要求及附图，本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。

由于直流电机的转子为永磁体，因此其也可被看作是发电机，高压(例如，220V)立式风扇的电机电磁耦合效应明显，稍稍转动电机就可在相线看到伏特级的发电波形，亦即反电动势，此反电动势就包含了转子位置的准确信息，本方法通过先通电拉动电机，然后采样三相发电波形，最后做分析处理来推算转子位置。给固定电压矢量拉动电机，然后依靠3套高灵敏度的采样电路采集三相反电动势，并由此推算转子位置。

图2示出根据本发明一实施例的无刷直流电机系统。该无刷直流电机系统包括电机201、IPM模块(Intelligent Power Module，智能功率模块)202、控制模块203。在一个实施例中，该控制模块203可以是MCU(微控制单元)。

图3示出根据本发明一实施例的无刷直流电机系统的工作流程。

步骤301：收到启动信号。

在一个实施例中，立式风扇的用户通过显示按键板发出启动信号，电机控制板接到显示按键板的启动信号后，开始执行启动动作。

步骤302：施加至少一次固定电压矢量一段时间以拉动电机。

本步骤与背景描述中第一个现有定位方法不同的地方在于，其通电时间短许多。预通电定位将转子强制拉到某个角度并等待其停止，对于立式风扇应用，通电时间需持续数秒。而本新方法目的在于将电机微微拉动，无需等待其静止，仅需通电数十毫秒。由于通电时间短很多，倒转角度相应的也较小。

通电的电压大小和通电时间长短取决于电机参数，只需使电机被拉动，产生足够清晰辨别的反电动势即可。如果通电方向恰好与转子位置接近，产生的转矩无法拉动电机，则需要换一个角度再次拉动。

步骤303：延时一段时间。

由于采样反电动势的电路存在电容滤波，必须延时一段时间才能采样到准确信号。

步骤304：判断反电动势是否够大。

当反电动势小于一阈值时，执行步骤305；否则，执行步骤306。

步骤306：判断三相反电动势的大小顺序。

三相反电动势成功采样后，MCU会判断反电动势的相对大小顺序，相对大小顺序就包含了位置信息，6种相对大小顺序对应了6个60度扇区。如果MCU发现采样到的三相反电动势相差很少(本应用中任意两相差值小于约50mV)，则表示电机未被明显拉动，需要换个方向再次通电。

步骤307：判断正反转。

需要特别注意，当电机被拉动有可能发生倒转，此时三相反电动势大小顺序与转子位置的对应关系和正转情形不同。因此，单纯判断大小顺序还不够，必须确定起始拉动时电机反转还是正转，由图4A和图4B中可以看出，反转和正转两种情形下，中间一相的变化趋势相反，由此就可以确定正反转。

步骤308：在确定旋转方向后，即可确定转子位置。

本发明的技术方案具有以下的技术效果：

首先，通用的给固定位置预定位的方法从理论上讲最多可引起接近180度电角度的倒转，对于本应用中的4对极电机，最大倒转物理角度就是45度。而采用本案提出的新方法，最多倒转60度电角度左右就可测准转子位置，也就是实际最大倒转15度(图5中三相反电动势未交叉，由此可知拉动角度必小于60度电角度)，达到风扇制造商可接受范围。

其次，由于不需要定子通电至饱和，电机启动时几乎没有噪音，对于整机降噪起到很大帮助。

再次，反电动势回路在高压立式风扇方案中还可用于实现未停稳启动、反转启动、逆风启动等功能。使无位置传感器的无刷直流方案在使用感观上更加逼近传统的单相电机方案。

虽然本申请对根据本申请的实施例的系统中的某些模块做出了各种引用，然而，任何数量的不同模块可以被使用并运行在电机系统和/或控制模块上。所述模块仅是说明性的，并且所述系统和方法的不同方面可以使用不同模块。

本申请中使用了流程图用来说明根据本申请的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或下面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各种步骤。同时，或将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。

此外，除非权利要求中明确说明，本申请所述处理元素和序列的顺序、数字字母的使用、或其他名称的使用，并非用于限定本申请流程和方法的顺序。尽管上述披露中通过各种示例讨论了一些目前认为有用的发明实施例，但应当理解的是，该类细节仅起到说明的目的，附加的权利要求并不仅限于披露的实施例，相反，权利要求旨在覆盖所有符合本申请实施例实质和范围的修正和等价组合。例如，虽然以上所描述的系统组件可以通过硬件设备实现，但是也可以只通过软件的解决方案得以实现，如在现有的服务器或移动设备上安装所描述的系统。

同理，应当注意的是，为了简化本申请披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本申请实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本申请对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

一些实施例中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解的是，此类用于实施例描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“约”、“接近”或“大体上”来修饰。除非另外说明，“约”、“接近”或“大体上”表明所述数字允许有±20％的变化。相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本申请一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。

这里采用的术语和表述方式只是用于描述，本发明并不应局限于这些术语和表述。使用这些术语和表述并不意味着排除任何示意和描述(或其中部分)的等效特征，应认识到可能存在的各种修改也应包含在权利要求范围内。其他修改、变化和替换也可能存在。相应的，权利要求应视为覆盖所有这些等效物。

此外，本领域技术人员可以理解，本申请的各方面可以通过若干具有可专利性的种类或情况进行说明和描述，包括任何新的和有用的工序、机器、产品或物质的组合，或对他们的任何新的和有用的改进。相应地，本申请的各个方面可以完全由硬件执行、可以完全由软件(包括固件、常驻软件、微码等)执行、也可以由硬件和软件组合执行。以上硬件或软件均可被称为“数据块”、“模块”、“引擎”、“单元”、“组件”或“系统”。此外，本申请的各方面可能表现为位于一个或多个计算机可读介质中的计算机产品，该产品包括计算机可读程序编码。

同样，需要指出的是，虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可做出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (5)

1.一种用于三相无刷直流电机的转子定位方法，其特征在于，所述三相无刷直流电机不具有位置传感器，所述方法包括：

a.收到启动信号后，施加至少一次固定电压矢量一段时间以拉动电机；

b.延时一预定时间段；

c.判断三相反电动势是否大于一阈值，当反电动势小于该阈值时，换一个方向通电一段时间，并重复步骤c；当反电动势不小于该阈值时，执行步骤d；

d.判断所述三相反电动势的大小顺序；

e.判断电机的正反转；

f.根据所述三相反电动势的大小顺序以及所述正反转的判断结果，确定转子位置。

2.如权利要求1所述的用于三相无刷直流电机的转子定位方法，其特征在于，所述三相反电动势的大小顺序包含六种相对大小顺序，该六种相对大小顺序对应了6个60度扇区。

3.如权利要求1所述的用于三相无刷直流电机的转子定位方法，其特征在于，判断电机的正反转包括确定起始拉动时电机的正反转。

4.如权利要求1所述的用于三相无刷直流电机的转子定位方法，其特征在于，步骤a中，施加的固定电压时间为数十毫秒。

5.如权利要求1所述的用于三相无刷直流电机的转子定位方法，其特征在于，步骤a中，如果通电方向恰好与所述转子位置接近，且产生的转矩无法拉动所述电机，则换一个角度再次拉动电机。