CN108054962B - 一种无刷直流电机无位置传感器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无刷直流电机无位置传感器控制方法，步骤是：根据电机反电势和相电流的关系将每个电周期分为六个区间，根据电机转子位置所在区间给每相绕组设定参考电流值，并通过三相功率开关管的开关状态计算三相绕组的端电压，不需要额外的硬件检测电路；通过计算获得的端电压和采样获得电流计算电机两相绕组匝链永磁磁链之差，并采用两相绕组匝链永磁磁链之差相比的方式获得三个磁链函数；根据电机转子位置所在区间选取相应的磁链函数，通过检测磁链函数的极值跳变沿并延迟30°电角度来得到电机的换相点，由于采用磁链函数的极值跳变沿确定电机的换相点，提高了换相信号的准确性。

Description

一种无刷直流电机无位置传感器控制方法

技术领域

本发明属于电机控制领域，具体涉及一种无刷直流电机无位置传感器控制方法。

背景技术

无刷直流电机具有结构简单、运行可靠、效率高等优点，在航空航天、工业应用、家用产品中得到了广泛应用。无刷直流电机通常需要通过位置传感器获得转子位置实现电机正常换相，而位置传感器安装不准确会降低电机运行的可靠性，同时也会影响电机的运行性能。为了避免位置传感器所带来的问题，提出一种适用于无刷直流电机的无位置传感器控制方法是非常必要的。

在众多的无位置传感器控制方法中反电势法是目前相对成熟、应用较为广泛的无刷直流电机位置检测方法。该方法通过检测电机反电势，并根据反电势与转子位置之间的关系获得转子位置。反电势法主要包括反电势三次谐波法、反电势积分法、线反电势法、滤波移相法、端电压法在内的多种具体实施方法。而电机低速运行时，反电势幅值较小，会导致上述方法难以实现或产生较大的换相误差。为了拓宽反电势法适用的电机转速范围，一些改进的无位置传感器控制方法被提出，但是在低速条件下仍存在较大的换相误差。

由于电机磁链和转子位置直接相关，并且电机磁链幅值一般不受电机转速影响，因此可以通过对电机电压和电流进行积分来估计磁链，从而获得电机转子位置。根据利用磁链获得转子位置方式的不同，磁链法可以分为观测器法和直接计算法。观测器法利用磁链和电机数学模型搭建转子位置观测器进行转子位置观测。直接计算法则是通过磁链与转子位置之间的关系直接获得转子位置。

已有的一些无位置传感器控制方法依然存在一些问题，低速时电机反电势幅值较小，直接利用反电势获得电机转子位置会存在较大的误差；磁链法中磁链估算是不可缺少的部分，磁链通常通过端电压和相电流计算获得，但是悬空相绕组的端电压会随反电势的变化而变化，从而增加了磁链计算的难度。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种无刷直流电机无位置传感器控制方法，包括无刷直流电机、三相逆变桥、直流电源和控制器；利用电机两相绕组匝链永磁磁链之差构建三个与电机转速无关的磁链函数，根据电机转子位置所在区间选择相应的磁链函数，并通过磁链函数的极值跳变沿确定电机的换相点；采用三相电流控制，对电机的三相绕组同时进行控制，并根据功率管的开关状态计算电机绕组端电压。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种无刷直流电机无位置传感器控制方法，具体步骤如下：

步骤一、根据无刷直流电机反电势和相电流的关系将每个电周期分为六个区间，将每个区间分为正常导通区和换相区，在每个区间将无刷直流电机三相绕组分为正常导通相和悬空相。

步骤二、正常导通期间，导通两相电流大小相等方向相反，而悬空相电流为零。因此根据三相电流之间的关系给每相绕组设定合适的电流参考值，将三相电流的反馈值与设定的参考电流值做差得到三相电流误差，并通过PI控制器得到三相功率管的占空比。

步骤三、采用三相电流控制时，各相绕组端电压可以通过三相功率管的开关状态和直流母线电压计算得到，不需要额外的硬件检测电路，端电压的计算公式为：

式中，u_dc为直流母线电压，D_k为k相上桥臂功率管的占空比，k∈{a,b,c}。

步骤四、根据式(1)计算得到电机的三相绕组端电压，通过对端电压和相电流的积分可以得到两相绕组匝链永磁磁链之差，计算公式为：

将b相绕组和c相绕组匝链永磁磁链之差λ_bc与a相绕组和b相绕组匝链永磁磁链之差λ_ab的比值定义为电机磁链函数F_bc/ab，根据式(2)中的第1式和第2式，磁链函数F_bc/ab的表达式为：

同理，将两相绕组匝链永磁磁链之差λ_ab和λ_ca的比值定义为电机磁链函数F_ab/ca，将两相绕组匝链永磁磁链之差λ_ca和λ_bc的比值定义为电机磁链函数F_ca/bc，由式(2)可得磁链函数F_ab/ca和F_ca/bc的表达式为：

将a相绕组和b相绕组匝链永磁磁链之差λ_ab的过零点位置记为θ₀，根据λ_ab和λ_bc之间的关系可得：

在一个电周期内λ_ab存在两个过零点，因此会存在两个从正极大值变为负极大值的位置。由于两相绕组匝链永磁磁链之差的过零点再延迟30°电角度即为电机换相点，因此磁链函数的极值跳变沿延迟30°电角度同样为电机换相点。

步骤五、根据电机转子位置所在的区间，选取相应的磁链函数，通过检测磁链函数极值跳变沿并延迟30°电角度得到电机的换相点，从而实现无刷直流电机的无位置传感器控制。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明采用电机两相绕组匝链永磁磁链之差构造了磁链函数，在不同的转速下电机永磁磁链具有相同的幅值，同时磁链函数波形完全相同，因此拓宽了无位置传感器控制适用的电机转速范围。本发明采用磁链函数极值跳变沿确定电机换相点，无需设定阈值，避免了由于阈值设置不合理带来的换相误差，同时磁链函数在极值点附近变得十分明显，使得电机换相点更易于检测。与现有的无刷直流电机电流控制方式相比，采用三相电流控制，电机端电压根据功率管的开关状态计算获得，简化了硬件电路设计。

附图说明

图1是基于磁链函数的无刷直流电机无位置传感器控制原理图；

图2是无刷直流电机等效电路图；

图3是磁链函数波形图；

图4是两相绕组匝链永磁磁链之差，磁链函数和换相信号波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

本发明中整个无刷直流电机控制原理图如图1所示，该系统由直流电源、无刷直流电机、三相逆变桥、控制器四部分组成。图中n*为转速参考值，I*为转速PI控制器输出的参考电流，D_a、D_b、D_c为三相功率管的占空比，相电流i_a、i_b通过电流传感器测得，直流母线电压u_dc通过电压传感器测得，电机转速n通过估计的换相信号获得。控制器包括电机转速计算、电流控制和位置检测策略。

本发明利用电机两相绕组匝链永磁磁链之差构建三个与电机转速无关的磁链函数，根据电机转子位置所在区间选择相应的磁链函数，并通过磁链函数的极值跳变沿确定电机的换相点；采用三相电流控制，对电机的三相绕组同时进行控制，并根据功率管的开关状态计算电机绕组端电压，具体步骤如下：

步骤一、根据无刷直流电机反电势和相电流的关系将每个电周期分为六个区间S₁-S₆，将每个区间分为正常导通区和换相区，在每个区间将无刷直流电机三相绕组分为正常导通相和悬空相。

步骤二、在两相导通控制模式下，正常导通期间仅有两相绕组导通而第三相绕组悬空，此时悬空相绕组端电压会随导通两相绕组端电压和悬空相绕组反电势的变化而变化，因此需要额外的硬件电路来检测悬空相绕组端电压。为了简化硬件电路设计，本发明采用三相电流控制法。正常导通期间，导通两相电流大小相等方向相反，而悬空相电流为零。因此根据三相电流之间的关系给每相绕组设定合适的电流参考值，从而实现电机转速和电流的控制。各个区间三相电流参考值如表1所示，以区间S₁为例，a相电流参考值为I，b相电流参考值为-I，c相参考电流值为0，其中I为转速环输出的电流参考值。

表1参考电流值与区间表

区间

S<sub>1</sub>

S<sub>2</sub>

S<sub>3</sub>

S<sub>4</sub>

S<sub>5</sub>

S<sub>6</sub>

a相

I

I

0

-I

-I

0

b相

-I

0

I

I

0

-I

c相

0

-I

-I

0

I

I

步骤三、采用三相电流控制时，各相绕组端电压可以通过三相功率管的开关状态和直流母线电压计算得到，不需要额外的硬件检测电路。端电压的计算公式如下：

式中，u_dc为直流母线电压，D_k为k相上桥臂功率管的占空比，k∈{a,b,c}。

步骤四、图2是无刷直流电机等效电路图，R和L分别为电机绕组的相电阻和相电感；u_a、u_b、u_c分别为三相定子端电压；i_a、i_b、i_c分别为三相定子电流；e_a、e_b、e_c分别为三相反电势。根据图2可以列出端电压方程为：

由式(2)可知，若要求取电机相反电势需要已知电机中性点电压，而电机的中性点通常不引出，因此很难直接计算得到相反电势。通过式(2)可以得到电机的线电压方程为

电机永磁磁链等于反电势的积分，由式(3)可以得到电机两相绕组匝链永磁磁链之差方程为

式中，λ_ab，λ_bc，λ_ca为两相绕组匝链永磁磁链之差，其中λ_ab＝λ_a-λ_b，λ_bc＝λ_b-λ_c，λ_ca＝λ_c-λ_a。

两相绕组匝链永磁磁链之差也可以表示为反电势系数与磁链波形函数的乘积，即

λ_ab(θ)＝k_e·f_ab(θ) (5)

式中，k_e为反电势系数；f_ab(θ)是与电机转子位置相关的磁链波形函数。

由于两相绕组匝链永磁磁链之差为反电势系数与磁链波形函数的乘积，因此采用两个不同的永磁磁链之差相除便可以消除反电势系数的影响。同时可以得到一个与电机转子位置相关的函数，该函数不受电机的具体参数影响，并且与电机的转子位置具有一一对应关系。

将b相绕组和c相绕组匝链永磁磁链之差λ_bc与a相绕组和b相绕组匝链永磁磁链之差λ_ab的比值定义为电机磁链函数F_bc/ab，根据式(4)中的第1式和第2式，磁链函数F_bc/ab的表达式为：

同理，将两相绕组匝链永磁磁链之差λ_ab和λ_ca的比值定义为电机磁链函数F_ab/ca，将两相绕组匝链永磁磁链之差λ_ca和λ_bc的比值定义为电机磁链函数F_ca/bc，由式(4)可得磁链函数F_ab/ca和F_ca/bc的表达式为：

将a相绕组和b相绕组匝链永磁磁链之差λ_ab的过零点位置记为θ₀，根据λ_ab和λ_bc之间的关系可得

在一个周期内λ_ab存在两个过零点，因此会存在两个从正极大值变为负极大值的位置。由于两相绕组匝链永磁磁链之差过零点再延迟30°电角度即为电机换相点，因此磁链函数的极值跳变沿延迟30°电角度同样为电机换相点。

根据磁链函数的表达式和两相绕组匝链永磁磁链之差的波形，可以得到磁链函数波形如图3所示。通过图3可以看出，磁链函数除了在极值点幅值较大，其余位置幅值都较小，这对于电机换相点的确定是十分有利的。磁链函数极值跳变位置正好对应于相应的两相绕组匝链永磁磁链之差的过零点，因此磁链函数极值跳变沿延迟30°电角度即为电机的换相点。

步骤五、无刷直流电机在运行过程中每个电周期需要6个换相信号，而每个磁链函数仅能够提供2个换相信号，因此需要根据电机转子位置所在区间，采用不同的磁链函数，各个区间所采用的磁链函数如表2所示。当检测到相应的磁链函数极值发生跳变，再延时30°电角度即可得到该区间的换相信号。在相邻两次换相时间内，电机转速基本维持不变，因此相邻两次换相时间的一半即为30°电角度时间。当换相信号产生后，将进入下一个区间。将各个区间的磁链函数波形结合起来便可以得到如图4所示的磁链函数F的波形，CP为电机的换相信号，CP的每个边沿都对应着一个换相点。

表2磁链函数与区间表

区间

S<sub>1</sub>

S<sub>2</sub>

S<sub>3</sub>

S<sub>4</sub>

S<sub>5</sub>

S<sub>6</sub>

磁链函数

F<sub>bc/ab</sub>

F<sub>ab/ca</sub>

F<sub>ca/bc</sub>

F<sub>bc/ab</sub>

F<sub>ab/ca</sub>

F<sub>ca/bc</sub>

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种无刷直流电机无位置传感器控制方法，包括无刷直流电机、三相逆变桥、直流电源和控制器，其特征在于，所述控制器包括PI控制器和电流控制器，利用电机两相绕组匝链永磁磁链之差构建三个与电机转速无关的磁链函数，根据电机转子位置所在区间选择相应的磁链函数，并通过磁链函数的极值跳变沿确定电机的换相点；采用三相电流控制，对电机的三相绕组同时进行控制，并根据功率管的开关状态计算电机绕组端电压，具体步骤如下：

步骤一、根据无刷直流电机反电势和相电流的关系将每个电周期分为六个区间，将每个区间分为正常导通区和换相区，在每个区间将无刷直流电机三相绕组分为正常导通相和悬空相；

步骤二、正常导通期间，导通两相电流大小相等方向相反，悬空相电流为零；根据三相电流之间的关系给每相绕组设定电流参考值，将三相电流的反馈值与设定的参考电流值做差得到三相电流误差，并通过PI控制器得到三相功率管的占空比；

步骤三、采用三相电流控制时，通过三相功率管的开关状态和直流母线电压计算得到各相绕组端电压，不需要额外的硬件检测电路，端电压的计算公式为：

式中，u_dc为直流母线电压，D_k为k相上桥臂功率管的占空比，k∈{a,b,c}；

步骤四、根据式(1)计算得到电机的三相绕组端电压，通过对端电压和相电流的积分得到两相绕组匝链永磁磁链之差，计算公式为：

R和L分别为电机绕组的相电阻和相电感，将b相绕组和c相绕组匝链永磁磁链之差λ_bc与a相绕组和b相绕组匝链永磁磁链之差λ_ab的比值定义为电机磁链函数F_bc/ab，根据式(2)中的第1式和第2式，磁链函数F_bc/ab的表达式为：

同理，将两相绕组匝链永磁磁链之差λ_ab和λ_ca的比值定义为电机磁链函数F_ab/ca，将两相绕组匝链永磁磁链之差λ_ca和λ_bc的比值定义为电机磁链函数F_ca/bc，由式(2)可得磁链函数F_ab/ca和F_ca/bc的表达式为：

将a相绕组和b相绕组匝链永磁磁链之差λ_ab的过零点位置记为θ₀，根据λ_ab和λ_bc之间的关系得：

在一个电周期内λ_ab存在两个过零点，因此会存在两个从正极大值变为负极大值的位置；由于两相绕组匝链永磁磁链之差的过零点再延迟30°电角度即为电机换相点，因此磁链函数的极值跳变沿延迟30°电角度同样为电机换相点；

步骤五、根据电机转子位置所在的区间，选取相应的磁链函数，通过检测磁链函数极值跳变沿并延迟30°电角度得到电机的换相点，从而实现无刷直流电机的无位置传感器控制。