CN109687779B - 基于单相电感检测的无刷直流电机转子位置检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于单相电感检测的无刷直流电机转子位置检测方法，包括如下步骤：对电机定子绕组施加时间长度为ΔT₁的检测矢量，并在矢量施加开始时与施加结束时分别对检测相电流进行采样，两值相减得到电流变化率；对电机定子绕组施加时间长度为ΔT₂的驱动矢量，以驱动电机运转；在控制周期的剩余时间内施加循环续流矢量，使电感能量缓慢释放并维持电机驱动电流；判断

的变化趋势；当电机转子经过切换点后继续重复执行步骤，等待延时30度电角度后切换到下一个扇区。

Description

基于单相电感检测的无刷直流电机转子位置检测方法

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种无刷直流电机转子位置检测方法。

背景技术

无刷直流电机因其结构简单，运行效率高，维护方便等优点而得到了广泛应用。传统的无刷直流电机一般采用三相六状态两两导通方式进行驱动控制，需要转子位置传感器在一个电周期内检测六个转子位置信号以便对绕组进行换相控制。然而，转子位置传感器的安装增大了电机体积与成本，且传感器信号易受环境电磁信号干扰，降低了系统可靠性，因此无传感器转子位置检测技术的研究具有重要的理论研究意义与使用价值。

目前无刷直流电机转子位置检测方法有反电势法、电感法、高频脉冲注入法、观测器法、人工智能法等多种分类，其中电感法利用电机凸极效应，电机电感值中包含了转子位置信息。通过对电机绕组注入电压脉冲并检测电流变化率的方式检测电机电感变化，从而实现转子位置检测的目的。基于电感法的转子位置检测方法由于需要注入检测矢量脉冲，而检测矢量往往没有驱动效果或驱动效果很差，导致应用此种方法的电机转速、转矩性能相对较差；且检测矢量的加入延长了控制周期，使检测精度会随电机转速的提高而下降。

发明内容

本发明针对以上问题，采用单相电感检测的方法，通过施加三相电压检测矢量同时检测单相电流变化率的方式判断电机转子位置，检测矢量对电机同样具有驱动效果，可以增大电机的转矩与转速，且通过电机相电流循环续流，降低无功能量流动，提高能量利用效率，提高检测精度。技术方案如下：

一种基于单相电感检测的无刷直流电机转子位置检测方法，包括如下步骤：

(1)根据表1中对应的转子所在扇区，对电机定子绕组施加时间长度为ΔT₁的检测矢量，并在矢量施加开始时与施加结束时分别对检测相电流进行采样，两值相减得到电流变化率

表1各扇区矢量施加方法

表1是各扇区电压矢量施加方法，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ为扇区编号，矢量V_BA与V_BC之间为扇区Ⅰ，V_BC与V_AC之间为扇区Ⅱ，V_AC与V_AB之间为扇区Ⅲ，V_AB与V_CB之间为扇区Ⅳ，V_CB与V_CA之间为扇区Ⅴ，V_CA与V_BA之间为扇区Ⅵ；V_xyz为三相电压矢量，x、y、z分别为三相导通状态，取值为1时对应相上桥臂导通，下桥臂关断；取值为0时对应相下桥臂导通，上桥臂关断；取值为x时对应上下桥臂同时关断；V_AB、V_CB、V_CA、V_BA、V_BC、V_AC为两相电压矢量，V_AB表示A相上管与B相下管导通，其他关断，电机电流从A相流到B相；V_BA表示B相上管与A相下管导通，其他关断，电机电流从B相流到A相，以此类推；i_A、i_B、i_C分别为A、B、C三相电流。

(2)根据表1对电机定子绕组施加时间长度为ΔT₂的驱动矢量，以驱动电机运转；

(3)根据表1在控制周期的剩余时间内施加循环续流矢量，使电感能量缓慢释放并维持电机驱动电流；

(4)重复步骤(1)-(3)，并将电流变化率

记录下来；

(5)判断

的变化趋势，当

变大时证明电机转子未到切换点；当

不变时证明电机转子恰好到切换点；当

变小时证明电机转子已经过切换点；

其中切换点指电机A、B、C三轴的正半轴或负半轴；

(6)当电机转子经过切换点后继续重复执行步骤(1)-(3)，等待延时30度电角度后切换到下一个扇区。

本发明的有益效果如下：

1)可以实现转子位置检测，为电机换相提供依据。

2)检测矢量是驱动矢量的相邻矢量，在提供转子位置信息的同时也具有良好的驱动效果。

3)驱动矢量对检测相具有续流作用，且非检测相电流不会对检测相电流上升率的检测产生影响，因此不需要额外施加零矢量进行续流，缩短了控制周期。

4)循环续流阶段有效利用了电感中储存的能量作为驱动，降低了无功能量流动，提高了驱动效果。

5)循环续流使电枢电流缓慢下降，减小了转矩脉动，降低噪音。

6)随着电机转速的提高，控制周期可以调节，提高了中高转速范围检测精度。

附图说明

图1是无刷直流电机三相逆变电路图。

图中，VT₁、VT₂、VT₃、VT₄、VT₅、VT₆为开关管；VD₁、VD₂、VD₃、VD₄、VD₅、VD₆为反并联二极管；R为相电阻；L_A、L_B、L_C分别为三相电感；e_A、e_B、e_C分别为三相反电势。

图2是无刷直流电机矢量图。

图中，V₁₁₀、V₁₀₀、V₁₀₁、V₀₀₁、V₀₁₁、V₀₁₀为施加的三相电压矢量，V_AB、V_CB、V_CA、V_BA、V_BC、V_AC为两相电压矢量；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ为扇区编号。

图3是扇区Ⅲ控制周期内电压矢量施加方法图。

图中，ΔT₁为检测矢量施加时间，与电机电磁时间常数有关；ΔT₂为驱动矢量施加时长；T_C为控制周期；VT₁、VT₂、VT₃、VT₄、VT₅、VT₆是开关管导通情况，高电平对应开关管导通，低电平对应开关管关断。

图4是三相反电势及电流变化率图。

图中，

是对电机A相施加固定电压后的电流变化率。

表1是各扇区电压矢量施加方法，V_00x为导通AB两相下管，其他开关管关断；V_0x0为导通AC两相下管，其他开关管关断；V_x00为导通BC两相下管，其他开关管关断。

具体实施方式

无刷直流电机三相逆变电路图如图1所示，三相电压方程为

式中：U_A、U_B、U_C分别为A、B、C相端电压；i_A、i_B、i_C分别为A、B、C相相电流；e_A、e_B、e_C分别为A、B、C相反电动势；R为绕组电阻；L_A、L_B、L_C为A、B、C相绕组等效电感；U_N为电机中性点对地电压。

各扇区电压矢量施加方法如表1所示，以扇区Ⅲ为例介绍本发明的检测方法原理。

图3为扇区Ⅲ控制周期内电压矢量施加方法，V₁₀₁、V_CB、V_x00三个电压矢量将控制周期分为三个阶段。

阶段一：

施加三相电压矢量V₁₀₁，此时A支路满足方程

由于初始情况时i_A＝0，则电阻项可以忽略，方程改写为

方程右侧U_A为A相电源电压，在检测扇区内e_B、e_C保持不变，U_N会受到L_B、L_C与高次谐波影响产生少许偏移，但变化很小可以忽略，因此可以认为A相电压U_A与中性点电压U_N为常数。

假设相邻两次检测时A相电感值分别为L_A1、L_A2，电流为i_A1、i_A2，A相反电势为e_A1、e_A2，分别代入式(3)中相减得

变换后可得

其中

Δe为两次检测之间A相反电势变化量，k_e为电机反电势系数，n为电机转速，f为30度电角度内的控制周期个数。

由公式(6)可以看出，Δe正比于电机转速，反比于检测频率。在电机低速启动时，转速很低，Δe可以忽略。随着电机转速的提高Δe的影响逐渐加大，实测当电机速度提高到300r/min，控制周期T_C＝500us时，与

相比，Δe对公式右侧的影响约占8.1％。由于我们只对电感变化做定性判断而不做定量计算，且反电势影响占比较小；同时本方法检测扇区切换时刻与实际换相时刻不同，后续可以通过调节滞后次数改善反电势带来的滞后影响，因此将Δe忽略后公式变为：

由上式可以看出电机A相电感L_A的变化可以通过电流变化率

的变化来判断，同理可以通过检测

来判断电感L_B、L_C的变化。

在此阶段对定子绕组施加固定时间长度ΔT₁的电压矢量，并在施加开始与结束时分别对A相电流值进行采样并做差的方法获得A相电流的变化率。由于电机存在凸极效应，A相电感L_A会在电机转子转动到A相d轴时达到极小值，在转子转动到q轴时达到极大值。相对应的，A相电流变化率

在转动到A相d轴时达到极大值，在转动到A相q轴时达到极小值。本方法将检测A相电流变化率达到极大值作为转子永磁体转动到A相d轴的正负半轴的依据。

阶段二：

施加电压矢量V_CB，此时BC两相电流继续增加驱动电机转动，并对BC两相电感充电。A相电感能量经反并联二极管逐渐释放，电流减小至零，为下次检测A相电流变化率做准备。

阶段三：

施加电压V_x00，此阶段由于A相电流已经续流完成，因此没有电流流过，BC两相循环续流。此时BC两相电路符合一阶微分方程

其中L_S＝L_B+L_C

解此方程得电流

I_f为上阶段结束时的电感电流值。

由公式可以看出阶段二中储存在电感L_B、L_C中的能量在此阶段随时间逐渐释放，电流方向不变，电流值逐渐减小并持续输出转矩。经过这一阶段后，BC两相电感中的能量释放完毕，电路回到初始状态。

在不考虑机械损耗等因素的情况下，无刷直流电机的电磁转矩方程为

其中T_e为电磁转矩，ω_r为电机转子机械角速度。

由于在此阶段A相不导通，BC两相电流大小相同方向相反，且在本扇区内两相反电动势大小相同方向相反，因此稳态条件下转矩公式可改写为

式中k为反电势系数，E为反电势幅值，由公式可知两相导通状态下，电机电磁转矩只与导通相电流有关。与传统续流方法相比，本方法在续流阶段电流缓慢下降，降低了转矩波动，且在循环续流阶段电流持续驱动电机，增大了电机输出转矩与转速。

以转子位于扇区Ⅲ、顺时针转动为例，转子位置检测点为A轴正半轴即V₁₀₀矢量处，对应A相电感极小值点。由式(7)可知A相电流上升率

反应了A相电感的大小，且

极大值对应电感极小值点。当电机转子N极处于切换点V₁₀₀前时，随着转子的转动

逐渐增大；当转子转到切换点V₁₀₀时

到达极大值；当转子转过切换点V₁₀₀后

逐渐减小。故在电机运行过程中，在扇区Ⅲ时不断循环施加矢量V₁₀₁、V_CB、V_x00并检测A相电流变化率的大小，当

时，表明转子未达扇区切换点；当

时，表明转子已经到达切换点或超过切换点，此时需要延时30度电角度到达V_AB处进行换相。继续施加V₁₀₁、V_CB、V_x00矢量组，持续检测电流上升率确保扇区切换点判断准确，并记录矢量组施加次数，在到达滞后次数后进行换相。改变滞后次数可以调节换相点的滞后程度，由于电机低速启动过程中并不需要绝对精确的换相点，通过合理的设置与调试滞后次数可以达到电机稳定换相的要求。

本发明提出的基于单相电感检测的转子位置检测方法，控制周期分为三个阶段，阶段一施加三相电压矢量并检测单相电流变化率以判断转子位置；阶段二施加与三相电压矢量相邻的驱动矢量，对电机进行驱动，同时对检测相电流进行续流，保证每次电流变化率的检测准确；阶段三对驱动矢量的电流进行循环续流，将电感中储存的电能缓慢释放并维持驱动效果。由于本方法基于单相电感检测，非检测相循环续流不会对检测相检测精度产生负面影响，且提高了平均驱动电流，从而增强了电机驱动效果。

Claims (1)

1.一种基于单相电感检测的无刷直流电机转子位置检测方法，包括如下步骤：

(1)根据表1中对应的转子所在扇区，对电机定子绕组施加时间长度为ΔT₁的检测矢量，并在矢量施加开始时与施加结束时分别对检测相电流进行采样，两值相减得到电流变化率

表1 各扇区矢量施加方法

扇区位置 检测矢量 驱动矢量 续流矢量 换相检测 Ⅰ V₁₁₀ V_AC V_0x0 i_B Ⅱ V₁₀₀ V_AB V_00x i_C Ⅲ V₁₀₁ V_CB V_x00 i_A Ⅳ V₀₀₁ V_CA V_0x0 i_B Ⅴ V₀₁₁ V_BA V_00x i_C Ⅵ V₀₁₀ V_BC V_x00 i_A

表1是各扇区电压矢量施加方法，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ为扇区编号，矢量V_BA与V_BC之间为扇区Ⅰ，V_BC与V_AC之间为扇区Ⅱ，V_AC与V_AB之间为扇区Ⅲ，V_AB与V_CB之间为扇区Ⅳ，V_CB与V_CA之间为扇区Ⅴ，V_CA与V_BA之间为扇区Ⅵ；V_xyz为三相电压矢量，x、y、z分别为三相导通状态，取值为1时对应相上桥臂导通，下桥臂关断；取值为0时对应相下桥臂导通，上桥臂关断；取值为x时对应上下桥臂同时关断；V_AB、V_CB、V_CA、V_BA、V_BC、V_AC为两相电压矢量，V_AB表示A相上管与B相下管导通，其他关断，电机电流从A相流到B相；V_BA表示B相上管与A相下管导通，其他关断，电机电流从B相流到A相，以此类推；i_A、i_B、i_C分别为A、B、C三相电流；

(2)根据表1对电机定子绕组施加时间长度为ΔT₂的驱动矢量，以驱动电机运转；

(3)根据表1在控制周期的剩余时间内施加循环续流矢量，使电感能量缓慢释放并维持电机驱动电流；

(4)重复步骤(1)-(3)，并将电流变化率

记录下来；

(5)判断

的变化趋势，当

变大时证明电机转子未到切换点；当

不变时证明电机转子恰好到切换点；当

变小时证明电机转子已经过切换点；

其中切换点指电机A、B、C三轴的正半轴或负半轴；

(6)当电机转子经过切换点后继续重复执行步骤(1)-(3)，等待延时30度电角度后切换到下一个扇区。

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