CN108258950B - 永磁无刷直流电机驱动起动的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明展示了一种基于恒相电流激励下测量线感应电动势过零点的永磁无刷直流电机驱动起动的控制方法，在电机的起动过程中仅依靠测量电机端电压和电流来测量电机的换相转子位置，确定电机电流换相的准确时刻从而实现电机的可靠、快速起动。

Description

永磁无刷直流电机驱动起动的控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术，具体的，其展示一种基于恒相电流激励下测量线感应电动势过零点的的永磁无刷直流电机驱动起动的控制方法。

背景技术

永磁无刷直流电机由于拥有高功率密度、高转矩密度、效率高、体积小、免维护、转矩线性快速可控，在机器人、工业制动化设备、飞行器、自动行走车、汽车、新能源汽车、家用电气、电动工具、空气压缩机等都得到了广泛的应用。为了实现可靠起动和准确的转矩控制，大多数永磁无刷直流电机驱动控制器都要求在永磁无刷直流电机装有转子位置传感器。这增加了电机的体积和成本，降低了系统可靠性。许多科研人员对无位置传感器的永磁无刷直流电机驱动控制进行了广泛深入的研究，也取得了许多成果。

当永磁无刷直流电机没有位置传感器，其驱动控制器的最大难点是如何实现电机及其驱动负载的可靠和快速的起动，特别是在电机从静止开始起动的低速范围里，如何实现其快速和可靠的起动。

目前，通过对电机的电感测量可以知道电机的转子初始位置，或者给电机加两相激励电流使电机转动到特定的转子初始位置，然后施加正确的电机相绕组电流使电机产生方向正确、最大或接近最大的转矩起动，但是在这之后，何时进行电流换相，即如何随电机转子位置的改变而改变电机的相电流，以使得电机不论电机的速度如何而都能一直产生正确方向的最大或接近最大的转矩，确保电机及其驱动的负载可靠、快速起动到所需的运行速度。

现阶段使用的电机起动方法是建立在电机在第一次施加激励电流时产生电机正确的电动转矩后，电机的速度能立即加速到足够大，然后通过检测相感应电势过零点，测量电机的转子位置，通过一定的延时来保证电机在第二次施加激励电流即换相施加激励电流时仍然能产生正确方向且最大或接近最大的转矩；如果在一定的时间内，电机没有换相或电机的速度没有达到期望的值，就再次测量电机电感来估计电机转子位置所在。现阶段的方法存在起动失败的风险和起动时间长的问题，还存在起动过程耗能较多的问题。

因此，有必要提供一种永磁无刷直流电机驱动起动的控制方法来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于恒相电流激励下测量线感应电动势过零点的永磁无刷直流电机驱动起动的控制方法，在电机的起动过程中仅依靠可测的电机电压和电流信号来测量电机的转子位置，确定电机电流的换相准确时刻从而实现电机的可靠、快速起动。

本发明通过如下技术方案实现上述目的：

一种永磁无刷直流电机驱动起动的控制方法，包括如下步骤：

1)以下列方程表示三相永磁电机：

i_A+i_B+i_C＝0 (10)

2)简化电机模型，具体简化结果为：

3)应用恒电流控制系统于起动过程，此时可简化方程式(6)为：

4)将方程组(8)进行两两相减，通过电机的端电压和电流求得电机的线感应电动势，如方程组(9)-(11)：

e_AB＝V_A-V_B-R(i_A-i_B) (9)

e_BC＝V_B-V_C-R(i_B-i_C) (10)

e_CA＝V_C-V_A-R(i_C-i_A) (11)

5)进行电流检测电路和运算放大器增益，结合逆变器的开关器件控制信号及相应的选择开关，测量方程组(9)-(11)中的各相绕组电阻上恒起动的电阻压降以及各线感应电动势过零点；

6)根据测量的各线感应电动势过零点，利用逆变器开关器件进行逻辑控制，无刷直流电机驱动恒流起动模式在低速任何转子位置都能产生最大的起动转矩，从而实现电机的快速起动。

进一步的，步骤3)中恒电流控制系统为直流供电单元电压可调节的恒电流驱动系统、PWM电压斩波恒电流驱动系统、或基于三路双极性电流传感器和PWM斩波实现直流恒电流起动的无位置传感器的无刷永磁直流电机驱动系统。

进一步的，步骤6)具体为：

1)在第一次施加电流之前，各相绕组的电流都为零，这是控制单元先检查线感应电动势的过零点(Z_AB,Z_BC,Z_CA)的状态，都是为“0”或”1“，即(0，0，0)或(1，1，1)，这说明电机处于完全停止状态；

采用：加脉冲电压测量三相电机绕组的电感，然后根据电感的大小，估计电机转子所在的区间，保证施加的初始激励电流总是能产生较大的方向正确的转矩，电机按所要求的方向开始旋转；或在任意两相施加激励电流，这时电机可能按所需的方向旋转，也可能反转或停止。根据这两种情况其中之一来选择在第一次时先激励那两相绕组；

2)在第一次施加电流时候，电机大多数情况电机开始旋转，控制单元将一直检测线感应电动势的过零点(Z_AB,Z_BC,Z_CA)的状态，一旦发现线感应电动势的过零点(Z_AB,Z_BC,Z_CA)发生变化，电机就根据(Z_AB,Z_BC,Z_CA)，根据逻辑进行控制，从而电机以最大的可能转矩实现最快速度的起动。

进一步的，当速度达到的足够高时，电机控制就可以切换到以检测相感应电动势过零点来控制电机换相的控制模式。

与现有技术相比，本发明利用恒流控制技术，可以间接检测到电机的线感应电动势过零点，在没有转子位置传感器的情况下，实现电机的可靠和快速的起动；在没有转子位置传感器的情况下，能实现电机的可靠和快速的起动，从而电机驱动器可以不用转子位置传感器，可以减少电机驱动系统的体积、重量和成本。

附图说明

图1是典型无位置传感器的永磁无刷直流电机驱动控制器；

图2是自然换相角与转子位置的关系示意图；

图3是永磁无刷直流电机正常运行时一典型两相电流激励工作状态示意图；

图4是调节直流电压实现直流恒电流起动的无位置传感器的无刷永磁直流电机驱动系示意图；

图5是PWM斩波实现直流恒电流起动的无位置传感器的无刷永磁直流电机驱动系统示意图；

图6基于三路双极性电流传感器和PWM斩波实现直流恒电流起动的无位置传感器的无刷永磁直流电机驱动系统示意图；

图7是起动电流为is时电机绕组电阻压降示意图；

图8是无刷直流电机驱动恒流起动时线感应电动势过零点检测示意图；

图9是恒流起动时的三相电流波形示意图；

图10是在恒流起到模式下检测到的线感应电动势示意图；

图11根据图10所测量的线感应电动势和表1换相逻辑所进行换相控制示意图；

图12是一电机分别以0.75和1.3A起动电流从静止到5,400rpm起动过程示意图。

具体实施方式

图1展示一种典型无位置传感器的永磁无刷直流电机驱动控制器，其广泛应用于无位置传感器的永磁无刷直流电机的起动驱动；

电机在起动过程钟，为了在可供的电流下能产生最大的电磁转矩，电流的换相必须在适当的转子进行。

如图2描绘电流换相时刻与转子位置、特别是感应电动势的位置之间的关系。换相的时刻应该在相感应势的交点，即自然换相角，它滞后于相感应电动势过零点30度电角度。

为了电磁转矩最大的时刻进行换相，相邻两相感应电动势的交点，即转子的转角位置就必须要知道。对没有位置传感器的无刷直流电机来说，由于任何时候都有两相有外部施加的激励电压和电流，如图2、3所示，只有不通电流的那一相的感应电动势是可测的，因此换相交点并不容易被测量到。

无位置传感器的无刷直流电机换相控制方法中，通常都是测量不通电流那一相的感应电动势的过零点，如图2所示，然后延时30度电角度来进行换相。但是这个方法只在电机速度较高，速度变化不太的情况下有效。但是在电机低速起动过程中，速度在显著加速，这类方法就不能实现快速和可靠起动。在许多场合下，就采用慢起动的和开环大电流的步进控制方法，直至电机的转速足够大，然后测量上述的相感应电动势的过零点，然后延时30度电角度来进行换相的闭环控制方法。低速开环步进起动方法，特别是两种控制方法之间的转换速度取决于电机的很多参数，如系统的转动惯量、负载转矩、电机的电感，进行影响到起动的可靠性和起动时间的长短。

进而，本实施例提供一种基于恒电流起动控制下测量线感应电动势过零点的永磁无刷直流电机驱动起动的控制方法，即测量自然换相点的方法，无需延时30度电角度的方法，来实现无位置传感器的无刷永磁直流电机可靠和快速的起动：

具体如下：

一种基于测量线感应电动势过零点的永磁无刷直流电机驱动起动的控制方法，包括如下步骤：

1)以下列方程表示三相永磁电机：

i_A+i_B+i_C＝0 (17)

其中:

V_A,V_B和V_C是三相电机的端电压；V_n是其三相绕组的中的电压；i_A,i_B和i_C是三相电机绕组的相电流；e_A,e_B和e_C是相感应电动势；R_A,R_B和R_C是电机的相电阻；L_AA,L_BB和L_CC是每相自感；M_AB,M_BC和M_AC是相与相之间的互感；T_em是相电流产生的电磁转矩；T_cogging是齿槽转矩；J是旋转系统的转动惯量；ω_m是电机转子的机械旋转角速度,θ是转子的位置电角度；T_f是摩擦转矩；T_load是负载转矩；

2)考虑到永磁电机的气隙一般都比较大，所以电感在不同的转子位置变化比较下。另外在低速起动阶段，由于电感变化的产生感应电压与电机的速度成正比，因此在电机低速起动阶段，电感随转子变化的影响可以忽略不计。这时，在电机三相对称的条件下，电机的模型可以简化为：

其中：R＝R_A＝R_B＝R_C,M＝M_AB＝M_BC＝M_CA,L_s＝L_AA＝L_BB＝L_CC,L_e＝L_s–M，V_An,V_Bn和V_Cn相电压；

3)在起动过程钟，为了在可供的电流下能产生最大的电磁转矩，电流的换相必须在适当的转速下进行，应用恒电流控制系统于起动过程，此时可简化方程式(6)为：

4)将方程组(8)进行两两相减，通过电机的端电压和电流求得电机的线感应电动势，如方程组(9)-(11)：

e_AB＝V_A-V_B-R(i_A-i_B) (9)

e_BC＝V_B-V_C-R(i_B-i_C) (10)

e_CA＝V_C-V_A-R(i_C-i_A) (11)

5)进行电流检测电路和运算放大器增益，结合逆变器的开关器件控制信号及相应的选择开关，测量方程组(9)-(11)中的各相绕组电阻上恒起动的电阻压降以及各线感应电动势过零点；

6)根据测量的各线感应电动势过零点，利用逆变器开关器件进行逻辑控制，无刷直流电机驱动恒流起动模式在低速任何转子位置都能产生最大的起动转矩，从而实现电机的快速起动。

参照图4-6，其展示可作为步骤3)中恒电流控制系统的直流供电单元电压可调节的恒电流驱动系统、PWM电压斩波恒电流驱动系统、或基于三路双极性电流传感器和PWM斩波实现直流恒电流起动的无位置传感器的无刷永磁直流电机驱动系统；

图4中的第一类驱动系统是采用直流供电单元电压可调节的恒流驱动系统，适合高速系统，成本稍微高一些。图5中的第二类驱动系统成本最低，采用PWM电压斩波恒电流驱动系统。在这两种驱动器电路中，其电机相电压采用带滤波电容的分压电阻来测量，而电流也可以采用电流采样电阻或霍尔电流传感器来测量。图6所示的基于三路双极性电流传感器和PWM斩波实现直流恒电流起动的无位置传感器的无刷永磁直流电机驱动系统能提供最好的性能但是成本也会高一些。

在这三类系统中，恒电流控制将一直应用于整个起动过程，从而保证电机的起动最快而可靠。

由于电机起动时间比较短，在上述的方程式里的电阻可以认为不变。同时在无刷永磁直流电机模式中，电机绕组的电流要么是正向激励电流，要么就是反向激励电流或零电流，如图7所示，激励电流i_s定义为可提供的最大起动激励电流；通过合理的电流检测电路和运算放大器增益的设计，结合逆变器的开关器件控制信号及相应的选择开关，公式(9-11)中的各相绕组电阻上恒起动电流的压降可以准确检测到。当这些电阻压降测量到以后，通过公式(9-11)各线感应电动势也就相应的被测量到。可参照图8展示的无刷直流电机驱动恒流起动时线感应电动势过零点检测方法和电路。

根据检测到的线感应电动势的过零点，逆变器开关器件的控制逻辑如表1所示。根据该表，无刷直流电机驱动恒流起动模式在低速任何转子位置都能产生最大的起动转矩，从而实现电机的快速起动。

步骤6)具体为：

1)在第一次施加电流之前，各相绕组的电流都为零，这是控制单元先检查线感应电动势的过零点(Z_AB,Z_BC,Z_CA)的状态，都是为“0”或”1“，即(0，0，0)或((1，1，1)，这说明电机处于完全停止状态；

采用：加脉冲电压测量三相电机绕组的电感，然后根据电感的大小，估计电机转子所在的区间，保证施加的初始激励电流总是能产生较大的方向正确的转矩，电机按所要求的方向开始旋转；或在任意两相施加激励电流，这时电机可能按所需的方向旋转，也可能反转或停止；的其中之一来选择在第一次时先激励那两相绕组；

如果线感应电动势的过零点(Z_AB,Z_BC,Z_CA)的状态是表1中所列状态一种，电机就按表1所示的逻辑选两相绕组进行通电。

表1起动过程中逆变器开关器件的控制逻辑

其中Z_AB，Z_BC和Z_CA是线感应电动势e_AB，e_BC和e_CA的过零点信号。

2)在第一次施加电流时候，电机大多数情况电机开始旋转，控制单元将一直检测线感应电动势的过零点(Z_AB,Z_BC,Z_CA)的状态，一旦发现线感应电动势的过零点(Z_AB,Z_BC,Z_CA)发生变化，电机就根据(Z_AB,Z_BC,Z_CA)，按表1中的根据逻辑进行控制，从而电机以最大的可能转矩实现最快速度的起动；

当速度达到的足够高时，电机控制就可以切换到以检测相感应电动势过零点来控制电机换相的控制模式；

具体结合图9到图11显示一台无位置传感器无刷直流电机在低速起动时的三相电流波形、线感应电动势波形和电流换相逻辑，利用本实施例的快速起动方法可进行其快速起动。

进一步的，为了更加完整的展示本实施例，可以一台电机分别以不同幅值起动电流进行恒流起动，具体参照图12，记录起动过程，可得结论：应用本实施例在进行0.75A恒流起动时，起动过程小于1.8秒，其它的方法需要约3-4秒。在才用1.3A恒电流起动时，起动时间可以进一步缩短到1.3秒。

与已有技术相比，本实施例在起动过程中利用恒电流控制技术，可以间接检测到电机的线感应电动势过零点，在没有转子位置传感器的情况下，实现电机的可靠和快速的起动；在没有转子位置传感器的情况下，能实现电机的可靠和快速的起动，从而电机驱动器可以不用转子位置传感器，可以减少电机驱动系统的体积、重量和成本。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种永磁无刷直流电机驱动起动的控制方法，其特征在于：

包括如下步骤：

1)以下列方程表示永磁无刷直流电机：

其中：e_p(t)是第p相的感应电动势,ω_m(t)是电机旋转角速度,

第p相的第j次感应电动势系数,

第p相的第j次感应电动势的相位角；

i_A+i_B+i_C＝0 (3)

2)简化电机模型，具体简化结果为：

3)应用恒电流控制系统于起动过程，此时电流的变化率为零，可简化方程式(6)为：

所述恒电流控制系统为直流供电单元电压可调节的恒电流驱动系统、PWM电压斩波恒电流驱动系统、或基于三路双极性电流传感器和PWM斩波实现直流恒电流起动的无位置传感器的永磁无刷直流电机驱动系统；

4)将方程组(8)进行两两相减，通过电机的端电压和电流求得电机的线感应电动势，如方程组(9)-(11)：

e_AB＝V_A-V_B-R(i_A-i_B) (9)

e_BC＝V_B-V_C-R(i_B-i_C) (10)

e_CA＝V_C-V_A-R(i_C-i_A) (11)

其中：

V_A、V_B和V_C是三相电机的端电压；V_n是其三相绕组的中点电压；i_A、i_B和i_C是三相电机绕组的相电流；e_A、e_B、e_C是相感应电动势；R_A,R_B和R_C是电机的相电阻；L_AA,L_BB和L_CC是每相自感；M_AB、M_BC和M_AC是相与相之间的互感；T_em是相电流产生的电磁转矩；T_cogging是齿槽转矩；J是旋转系统的转动惯量；ω_m是电机转子的机械旋转角速度，θ是转子的位置电角度；T_f是摩擦转矩；T_load是负载转矩；e_AB、e_BC和e_CA为线感应电动势，V_An,V_Bn和V_Cn为相电压；R＝R_A＝R_B＝R_C，Le＝Ls–M，M＝M_AB＝M_BC＝M_CA，Ls＝L_AA＝L_BB＝L_CC；

5)根据电流检测电路和运算放大器电路，结合逆变器的开关器件控制信号及对应的选择开关，间接测量方程组(9)-(11)中的各相绕组电阻上恒电流起动的电阻压降以及各线感应电动势过零点；

6)根据测量的各线感应电动势过零点，利用逆变器开关器件进行逻辑控制，永磁无刷直流电机驱动恒流起动模式在低速任何转子位置都能产生最大的起动转矩，从而实现电机的快速起动。

2.根据权利要求1所述的一种永磁无刷直流电机驱动起动的控制方法，其特征在于：步骤6)具体为：

1)在第一次施加电流之前，各相绕组的电流都为零，这时控制单元先检查线感应电动势的过零点(Z_AB,Z_BC,Z_CA)的状态，都是为“0”或“1”，即(0，0，0)或(1，1，1)，这说明电机处于完全停止状态；

采用加脉冲电压测量三相电机绕组的电感，然后根据电感的大小，估计电机转子所在的区间，保证施加的初始激励电流总是能产生较大的且方向正确的转矩，电机按所要求的方向开始旋转；或在任意两相施加激励电流，这时电机可能按所需的方向旋转，也可能反转或停止；根据这两种情况的其中之一来选择在第一次激励时先激励对应的两相绕组；

2)在第一次施加电流时候，电机开始旋转，控制单元将一直检测线感应电动势的过零点(Z_AB,Z_BC,Z_CA)的状态，一旦发现线感应电动势的过零点(Z_AB,Z_BC,Z_CA)发生变化，电机就根据三相线感应电动势过零点状态(Z_AB,Z_BC,Z_CA)和设定的换相逻辑进行控制，从而电机以最大的可能转矩实现最快速度的起动。

3.根据权利要求2所述的一种永磁无刷直流电机驱动起动的控制方法，其特征在于：当速度达到的足够高时，电机控制就可以切换到以检测相感应电动势过零点来控制电机换相的控制模式。

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