CN108809161A - 一种基于bldc的无位置传感器低速控制方法 - Google Patents

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苏江华
伍小娟
朱孙勇
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Abstract

本发明提出一种基于BLDC的无位置传感器低速控制方法，利用独立于转速的磁链函数进行转子位置估算，对估算函数与转子位置信息之间的对应关系和位置估算的具体实现进行论证，本文提出的这种无位置传感器方案在不同转速区使用时为保持一定的位置估算精度受到的约束条件，通过本发明的转子位置估算可以适用于整个转速范围，本发明的方法不仅能够在稳态过程中得到比较准确的电机换相信息，在暂态过程中也能得到比较准确的电机换相信息。

Description

一种基于BLDC的无位置传感器低速控制方法
技术领域
本发明涉及无刷直流电机控制领域，尤其涉及一种低速BLDC无传感器控制领域。
背景技术
随着无刷直流电机的应用范围扩大，无刷直流的控制方法控制方案也越来越多样化，主要包括反电动势端电压检测法、反电动势3次谐波检测法、续流二极管导通法、反电动势积分法、磁链估测法。以上方法在应用到滑板车领域这种低速，大启动力矩，功率密度大的场景难以平稳控制，因此提出一种低速平稳控制的方案专应用于电动滑板车领域。
本文基于磁链函数的无位置传感器的方案，借助于独立于转速的函数进行转子位置估算，因此在低速时能平稳控制，并分析估算函数与转子位置信息之间的对应关系。其特点是在电动滑板车这种低速运行性能良好，完全通过软件实现，降低了成本。
发明内容
本发明为了克服现有技术的不足，提出一种基于BLDC的无位置传感器低速控制方法。
为了解决上述的技术问题，本发明提出的基本技术方案为：
一种基于BLDC的无位置传感器低速控制方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)利用基尔霍夫电压定律分析每相的电压方程，得到a，b两相的线间电压方程；根据电压方程确定磁链函数Hab(θ)；
(2)通过分析磁链函数Hab(θ)来确定转子磁链函数G(θ)；
(3)根据转子磁链函数G(θ)以及傅里叶级数来确定反电动势；
(4)根据反电动势来判断电机的换相时刻，利用线间反电动势过零时G(θ)函数值出现的正无穷到负无穷的跳变来检测电机换相时刻，从而实现低速控制。
进一步的，所述步骤(1)具体包括：无刷直流电机的三相绕组对称，且定子绕组为星形连接，计算a，b两相的线间电压方程，并以此得到Vac，Vbc式中：ia,ib为相电流，L为漏电感，Ke为常数，ω为电机角速度，fabτ(θ)为线间磁链形式的函数，定义函数为：
进一步的，所述步骤(2)具体包括：根据所述定义函数确定转子磁链函数，首先，以此得到G(θ)ab_ca，G(θ)ca_bc，由G(θ)bc_ab，G(θ)ab_ca，G(θ)ca_bc得到G(θ)函数。
进一步的，所述步骤(3)具体包括：分析所述G(θ)函数的分子分母，可以看出分别对应线间反电动势，而无刷直流电机每相绕组感应出的反电动势是转子磁体和绕组间的函数，利用傅里叶函数，每两相反电动势依次相减得到相应的线间反电动势。表达式如下：
从上式可以得出反电动势没有3次谐波及其倍数次谐波分量，只有基波分量和5次，7次，11次高次的谐波分量，因此可简化为：
进一步的，所述步骤(4)具体包括：在一个360电角度内，当分别为0，π/3，2π/3，3π/3，4π/3，5π/3，6π/3时，线间反电动势eabs，ebcs，ecas交替为零，这些过零点正好是换相时刻点，当采用两两导通模式时，这六个过零点将一个周期分割成六个区间，利用过零点G(θ)函数值从正无穷到负无穷的跳变，来判断换相时刻，从而消除低速的影响，而达到控制低速的目的。
本发明的有益效果是：本文提出的这种无位置传感器方案在不同转速区使用时为保持一定的位置估算精度受到的约束条件，通过本发明的转子位置估算可以适用于整个转速范围,本发明的方法不仅能够在稳态过程中得到比较准确的电机换相信息，在暂态过程中也能得到比较准确的电机换相信息，消除低速的影响，而达到控制低速的目的。
具体实施方式
以下将对本发明做进一步的说明，但不应以此来限制本发明的保护范围。为了方便说明并且理解本发明的技术方案。
一种基于BLDC的无位置传感器低速控制方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)利用基尔霍夫电压定律分析每相的电压方程，得到a，b两相的线间电压方程；根据电压方程确定磁链函数Hab(θ)；
(5)通过分析磁链函数Hab(θ)来确定转子磁链函数G(θ)；
(6)根据转子磁链函数G(θ)以及傅里叶级数来确定反电动势；
(7)根据反电动势来判断电机的换相时刻，利用线间反电动势过零时G(θ)函数值出现的正无穷到负无穷的跳变来检测电机换相时刻，从而实现低速控制。
进一步的，所述步骤(1)具体包括：无刷直流电机的三相绕组对称，且定子绕组为星形连接，计算a，b两相的线间电压方程，并以此得到Vac，Vbc式中：ia,ib为相电流，L为漏电感，Ke为常数，ω为电机角速度，fabτ(θ)为线间磁链形式的函数，定义函数为：
进一步的，所述步骤(2)具体包括：根据所述定义函数确定转子磁链函数，首先，以此得到G(θ)ab_ca，G(θ)ca_bc，由G(θ)bc_ab，G(θ)ab_ca，G(θ)ca_bc得到G(θ)函数。
进一步的，所述步骤(3)具体包括：分析所述G(θ)函数的分子分母，可以看出分别对应线间反电动势，而无刷直流电机每相绕组感应出的反电动势是转子磁体和绕组间的函数，利用傅里叶函数，每两相反电动势依次相减得到相应的线间反电动势。表达式如下：
从上式可以得出反电动势没有3次谐波及其倍数次谐波分量，只有基波分量和5次，7次，11次高次的谐波分量，因此可简化为：
进一步的，所述步骤(4)具体包括：在一个360电角度内，当分别为0，π/3，2π/3，3π/3，4π/3，5π/3，6π/3时，线间反电动势eabs，ebcs，ecas交替为零，这些过零点正好是换相时刻点，当采用两两导通模式时，这六个过零点将一个周期分割成六个区间，利用过零点G(θ)函数值从正无穷到负无穷的跳变，来判断换相时刻，从而消除低速的影响，而达到控制低速的目的。
具体控制实现
在不同的导通模式下一次计算G()即可得到换相时刻点。其对应关系如下：
导通模式 ab/ba ac/ca bc/cb
G(θ)函数 G(θ)ca_bc G(θ)bc_ab G(θ)ab_ca
在模式1时，用G(θ)ca_bc作为转子的估算方程，运行60°后，进入模式2，G(θ)bc_ab作为转子的估算方程。设定一个阈值，当G(θ)达到一定阈值后，电机进行换相。假定电机为120°宽度的梯形波，反电动势为理想的梯形波，电机转速为ω(rad/s)，T为旋转60°所需要的时间可以得到：
在一个60°内G(θ)函数是单调的。一定的G(θ)对应一个电角度。越接近60°时，G(θ)变化率越快。所以给定一个阈值，达到阈值就产生换相。
将其转换为软件的控制表达式如下：
这里sa(k-1)，sb(k-1)，sc(k-1)分别为a相，b相，c相的开关函数。其值介于0到1之间。
但是随着转速的提高，在转速达到某个临界转速时，G(θ)函数计算频率将影响转子位置估算的分辨率。假定电机的极对数为P，转速为N(r/min)，则G(θ)函数的频率为NP/10，假定位置估算的分辨率为m(电角度)，则G(θ)函数的计算频率为6NP/m。如果电机极对数为3，电流采样频率为20kHz，位置估算分辨率为0.9(电角度)，则根据6NP/m>50e-6，计算出在采样频率为20kHz时，在保证位置估算分辨率为0.9(电角度)时，电机运行的上限速度1000r/min。如果要求转速升2000r/min，则采样频率要升到40kHz或者把位置估算的分辨率降为1.8(电角度)。当然在实际使用中为了克服这个问题，可以在低速时采用基于磁链函数的无位置传感器控制方案，在转速升到1000r/min以上时使用传统的反电动势检测法，这种方法实现简单，且在转速超过1000r/min以上时能够保证比较好的位置估算精度。
本发明的有益效果是：本文提出的这种无位置传感器方案在不同转速区使用时为保持一定的位置估算精度受到的约束条件，通过本发明的转子位置估算可以适用于整个转速范围,本发明的方法不仅能够在稳态过程中得到比较准确的电机换相信息，在暂态过程中也能得到比较准确的电机换相信息，消除低速的影响，而达到控制低速的目的。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (5)

1.一种基于BLDC的无位置传感器低速控制方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)利用基尔霍夫电压定律分析每相的电压方程，得到a，b两相的线间电压方程；根据电压方程确定磁链函数Hab(θ)；
(2)通过分析磁链函数Hab(θ)来确定转子磁链函数G(θ)；
(3)根据转子磁链函数G(θ)以及傅里叶级数来确定反电动势；
(4)根据反电动势来判断电机的换相时刻，利用线间反电动势过零时G(θ)函数值出现的正无穷到负无穷的跳变来检测电机换相时刻，从而实现低速控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于BLDC的无位置传感器低速控制方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括：无刷直流电机的三相绕组对称，且定子绕组为星形连接，计算a，b两相的线间电压方程，并以此得到Vac，Vbc式中：ia,ib为相电流，L为漏电感，Ke为常数，ω为电机角速度，fabτ(θ)为线间磁链形式的函数，定义函数为：
3.根据权利要求2所述的一种基于BLDC的无位置传感器低速控制方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括：根据所述定义函数确定转子磁链函数，首先，以此得到G(θ)ab_ca，G(θ)ca_bc，由G(θ)bc_ab，G(θ)ab_ca，G(θ)ca_bc得到G(θ)函数。
4.根据权利要求3所述的一种基于BLDC的无位置传感器低速控制方法，其特征在于，所述步骤(3)具体包括：分析所述G(θ)函数的分子分母，可以看出分别对应线间反电动势，而无刷直流电机每相绕组感应出的反电动势是转子磁体和绕组间的函数，利用傅里叶函数，每两相反电动势依次相减得到相应的线间反电动势。表达式如下：
从上式可以得出反电动势没有3次谐波及其倍数次谐波分量，只有基波分量和5次，7次，11次高次的谐波分量，因此可简化为：
5.根据权利要求4所述的一种基于BLDC的无位置传感器低速控制方法，其特征在于，所述步骤(4)具体包括：在一个360电角度内，当分别为0，π/3，2π/3，3π/3，4π/3，5π/3，6π/3时，线间反电动势eabs，ebcs，ecas交替为零，这些过零点正好是换相时刻点，当采用两两导通模式时，这六个过零点将一个周期分割成六个区间，利用过零点G(θ)函数值从正无穷到负无穷的跳变，来判断换相时刻，从而消除低速的影响，而达到控制低速的目的。
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