CN109842340B - 无位置传感器无刷直流电机起动控制及低速运行方法 - Google Patents

Abstract

无位置传感器无刷直流电机起动控制及低速运行方法，属于电机起动技术领域。本发明通过脉冲产生模块产生宽窄脉冲，位置检测模块利用电流传感器检测脉冲产生模块作用下的电流响应，以确定转子当前位置，利用转速计算模块估计转子大致转速，形成转速闭环，最后通过Buck变换器调整输出电压，调节功率管的导通占空比调节输出电压。本发明实现了无位置传感器无刷直流电机低速下运行，拓宽了无位置传感器无刷直流电机的速度范围，降低了无位置传感器无刷直流电机检测线电压等信号时的高频谐波，减小了无刷直流电机起动和低速运行过程中的转矩脉动并提高了平均转矩，有助于无刷直流电机的快速精确起动。

Description

无位置传感器无刷直流电机起动控制及低速运行方法

技术领域

本发明属于电机起动技术领域，具体涉及一种无位置传感器无刷直流电机起动控制及低速运行方法。

背景技术

无刷直流电机(Brushless DC Motor，以下简称BLDCM)具有结构简单、控制方便和运行可靠等许多突出优点，因此被广泛应用在各种领域。无刷直流电机的运行需要检测六个离散的转子位置来实现绕组换相，通常使用三个霍尔传感器来提供位置信息。然而，转子位置传感器增加了成本和体积并且降低了可靠性。因此，无位置传感器无刷直流电机及其控制方法成为了近些年来的研究热点。无位置传感器控制技术省去了位置检测装置，从而使系统体积更小、成本更低、可靠性更高。但是无刷直流电机在无位置传感器控制时，起动过程仍然是一个技术难点。当电机处于静止或低速运行状态时，反电动势过小无法检测，所有基于反电动势及其谐波无位置传感器控制技术在此阶段均不能应用。目前最常用的三段式起动法是一种开环起动法，在升速过程中不能确定转子位置，会造成过大的起动电流，影响电机运行，平均转矩过大，造成转速波动。在母线电压和电机负载发生变化时无法准确控制绕组换相，无法保证电机的可靠起动。

在张智尧《无位置传感器无刷直流电动机无反转起动及其平滑切换》的文章中提到了一种根据电动机定子铁心饱和效应，利用窄脉冲检测方法得到转子位置信息与施加宽脉冲对电机加速的方法。按照一定通电顺序给电动机两相绕组施加固定宽度的宽窄电压脉冲，对于相同的采样间隔T，当窄脉冲对应的直流母线电流值大于宽脉冲对应的直流母线电流值时，改变电动机通电状态进行换相，在得到转子位置信息的同时也能加速电动机。本发明在此基础上提出了一种改进的基于Buck变换器无位置传感器无刷直流电机起动、低速运行及提高平均转矩的控制方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无位置传感器无刷直流电机起动控制及低速运行方法，

本发明的目的是这样实现的：

一种基于三分支神经网络的目标追踪方法，包括如下步骤：

步骤一：将无刷直流电机转子预定位，在两相电机绕组中施加窄脉冲电压矢量，通过检测直流母线电流的电流响应，判断转子所在扇区，将转子位置锁定在指定位置；

步骤二：利用脉冲产生模块对两相定子绕组施加周期为T_pulse的窄脉冲和宽脉冲，转子初始位置与窄脉冲角度为150°、与宽脉冲角度为90°；

步骤三：检测到每一扇区的30°位置，交换宽窄脉冲顺序；

步骤四：采用相同的时间间隔T，采样得到窄脉冲作用下对应的直流母线电流值i_short和宽脉冲作用下对应的直流母线电流值i_long；

步骤五：比较i_short和i_long的幅值大小，当i_short幅值大于i_long的时候，改变电动机通电状态进行换相；

步骤六：根据经过相邻前后扇区宽窄脉冲的数量、时间，得到转速表达式为

其中m₁、m₂是前后扇区内脉冲数量，T_pulse是宽窄脉冲周期，n为转速，单位是rad/s；

步骤七：形成转速闭环，利用转速计算模块估计的转速对比给定切换转速，通过转速的调节器，形成调制信号施加给Buck变换器，通过Buck变换器调节功率管的导通占空比调节输出电压。

所述步骤一中转子位置信息通过检测母线电流响应峰值来估算等效电感值确定，电流响应为

其中

L_s、R_s为等效电感和等效电阻。

所述步骤三中360°电角度空间范围内共分为6个扇区，开关管有七种开关状态，分别规定为V₁～V₇，其中V₇是零矢量，V₁～V₆是空间相距60°电度角的六个空间矢量。

本发明有益效果在于：与现有技术相比，本发明实现了无位置传感器无刷直流电机低速下运行，拓宽了无位置传感器无刷直流电机的速度范围，降低了无位置传感器无刷直流电机检测线电压等信号时的高频谐波，减小了无刷直流电机起动和低速运行过程中的转矩脉动并提高了平均转矩，有助于无刷直流电机的快速精确起动。

附图说明

图1为本发明方法控制框图；

图2为Buck变换器无刷直流电机等效电路图；

图3为无刷直流电动机三相绕组导通状态图；

图4为宽窄脉冲作用下的电流响应图；

图5为宽窄脉冲顺序调整及换相流程图；

图6为转矩与转子位置关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步描述。

图6中(a)为改进前的转矩(b)为改进后的转矩(c)为改进前后转矩大小对比图。

一种改进的无位置传感器无刷直流电机(Brushless DC Motor，以下简称BLDCM)起动控制及低速运行的方法，包括Buck变换器、无刷直流电机、脉冲产生模块、位置检测模块、控制器和转速计算模块；通过脉冲产生模块产生宽窄脉冲，位置检测模块利用电流传感器检测脉冲产生模块作用下的电流响应，以确定转子当前位置，利用转速计算模块估计转子大致转速，形成转速闭环，最后通过Buck变换器调整输出电压，调节功率管的导通占空比调节输出电压，总体流程图如图1所示。

通过调整宽窄脉冲施加顺序，可以抑制转矩脉动并提高平均转矩，拓宽无位置传感器无刷直流电机的速度范围，有利于无位置传感器无刷直流电机的起动。

Buck变换器为一种DC-DC斩波调压电路，可以通过调节功率管的导通占空比调节输出电压。基于Buck变换器的三相桥式驱动电路如图2所示，控制器向功率管VT1～VT6发送换相信号驱动电机旋转，功率管VT0发送PWM调制信号通过调节母线电压来调节电机转速。其中，Buck变换器代替三相桥式逆变电路进行电压调节功能，逆变电路只起换相作用，缓解逆变电路功率管既换相又调压的负担，降低故障率及总开关损耗。另外由于Buck变换器中电感L和电容C的缓冲续流作用，很大程度上衰减了PWM过程产生的高频谐波信号对前后级电路的冲击，改善了相电流波形，使得母线电流及线电压更加稳定，Buck变换器结合无刷直流电机原理图如图2所示。

BLDCM的定子铁心被磁化时呈现非线性磁路饱和特性，宽窄脉冲法检测转子位置正是基于定子铁心的这种特性。绕组电流产生的磁通和永磁磁通合成，共同影响定子铁心的饱和程度。当两者的磁通方向一致时，产生增磁作用，铁心的饱和程度增加，绕组电感减小；两者方向相反时，产生去磁作用，饱和程度减小，绕组电感增大。绕组电感取决于定转子合成磁通，也是转子位置的函数。通过向绕组注入诊断脉冲，此时定子绕组等效电压方程为

式中，L_s、R_s代表等效电感和等效电阻，当电机静止时反电动势e＝0，上式可简化为

初始条件i(0)＝0，求解该非齐次线性一阶微分方程，可得电流响应方程为

显然，在施加等宽的检测电压矢量下，电流响应与定子绕组等效电感成反比。线圈电感越小，电流响应越大。因此可以通过检测母线电流响应峰值来估算等效电感值，进而确定转子位置信息。

步骤一：将无刷直流电机转子预定位，在两相电机绕组中施加窄脉冲电压矢量，通过检测直流母线电流的电流响应，判断转子所在扇区，将转子位置锁定在指定位置。

步骤二：利用脉冲产生模块对两相定子绕组施加周期为T_pulse的窄脉冲和宽脉冲。转子初始位置与宽脉冲角度为90°、与窄脉冲角度为150°。

步骤三：检测到每一扇区的30°位置，交换宽窄脉冲顺序。

在360°电角度空间范围内开关管有七种开关状态，分别规定为V₁～V₇，其中V₇是零矢量，V₁～V₆是空间相距60°电度角的六个空间矢量，空间关系如图3所示。VT₁～VT₆是六个开关管。窄脉冲电压矢量的作用是检测转子位置，宽脉冲电压矢量的作用是加速电机。

表1电压矢量与开关管对应关系

设A相绕组通电磁动势的方向为转子N极初始位置，设转子N极与A轴夹角为θ。

1.在第一扇区中，当θ在0°～30°时，施加宽脉冲V₁、窄脉冲V₂；当θ在30°～60°时，施加宽脉冲V₂，窄脉冲V₁；

2.在第二扇区中，当θ在60°～90°时，施加宽脉冲V₂、窄脉冲V₃；当θ在90°～120°时，施加宽脉冲V₃，窄脉冲V₂；

3.在第三扇区中，当θ在120°～150°时，施加宽脉冲V₃、窄脉冲V₄；当θ在150°～180°时，施加宽脉冲V₄，窄脉冲V₃；

4.在第四扇区中，当θ在180°～210°时，施加宽脉冲V₄、窄脉冲V₅；当θ在210°～240°时，施加宽脉冲V₅，窄脉冲V₄；

5.在第五扇区中，当θ在240°～270°时，施加宽脉冲V₅、窄脉冲V₆；当θ在270°～300°时，施加宽脉冲V₆，窄脉冲V₅；

6.在第六扇区中，当θ在300°～330°时，施加宽脉冲V₆、窄脉冲V₁；当θ在330°～360°时，施加宽脉冲V₁，窄脉冲V₆。

通过调整宽窄脉冲施加顺序，可以抑制转矩脉动并提高平均转矩，拓宽无位置传感器无刷直流电机的速度范围，有利于无位置传感器控制中转子位置信息的检测、有利于无位置传感器无刷直流电机起动。

步骤四：对于相同的采样间隔T，测得窄脉冲作用下的直流母线电流为i_short,宽脉冲作用下的直流母线电流为i_long。

步骤五：将宽窄脉冲作用下的直流母线电流幅值进行比较。当i_short幅值大于i_long的时候，改变电动机的通电状态进行换相。宽窄脉冲作用下的电流响应如图4所示。

由于宽电压脉冲矢量、窄电压脉冲矢量磁动势与转子磁动势角度不同，在同一扇区内总有一个位置使宽窄电压脉冲矢量分别作用下的直流母线电流响应相等。只要能够检测到某个时刻对于相同的采样时间T，在窄脉冲对应的电流值仍小于宽脉冲对应的电流值时维持原来通电状态不变；窄脉冲对应的电流值大于宽脉冲对应的电流值时，表示转子将出当前扇区控制绕组进行换相。宽窄脉冲顺序调整及换相流程如图5所示。

步骤六：根据经过相邻前后扇区宽窄脉冲的数量、周期，得到转速表达式为：

其中m₁、m₂是前后扇区内脉冲数量，T_pulse是宽窄脉冲周期。

步骤七：形成转速闭环，利用转速计算模块估计的转速对比给定切换转速，通过转速的调节器，形成调制信号施加给Buck变换器，通过Buck变换器调节功率管的导通占空比调节输出电压。

将控制方法施加前后的转矩波形进行对比。设窄脉冲磁动势与转子N极所成角度为θ₁，宽脉冲磁动势与转子N极所成角度为θ₂。在每一个扇区内，θ₁由90°减小到60°，再由60°增加到90°；θ₂由150°减小到90°。在起动阶段的电磁转矩为T_e＝K_TI_msinθ，其中K_T为电机的转矩，I_m为直流母线电流幅值。由此公式可知，转矩与角度的正弦值成正比关系，由此可得到图6所示转矩与转子位置关系图。可以看出转矩脉动明显减小，平均转矩提高。

实验结果表明本发明提出的改进的基于Buck变换器的起动及低速运行方法能保证电机正常启动和低速运行，并且有效减小了转矩脉动，提高了平均转矩。

Claims (1)

1.无位置传感器无刷直流电机起动控制及低速运行方法，其特征在于，包括Buck变换器、无刷直流电机、脉冲产生模块、位置检测模块、控制器和转速计算模块，具体包括以下步骤：

步骤一、将无刷直流电机转子预定位，在两相电机绕组中施加窄脉冲电压矢量，通过检测直流母线电流的电流响应，判断转子所在扇区，将转子位置锁定在指定位置；

转子位置信息通过检测母线电流响应峰值来估算等效电感值确定，电流响应为：

其中，

L_s、R_s为等效电感和等效电阻；

步骤二、利用脉冲产生模块对两相定子绕组施加周期为T_pulse的窄脉冲和宽脉冲，转子初始位置与窄脉冲角度为150°、与宽脉冲角度为90°；

步骤三、检测到每一扇区的30°位置，交换宽窄脉冲顺序；

在360°电角度空间范围内共分为6个扇区，开关管有七种开关状态，分别规定为V₁～V₇，其中V₇是零矢量，V₁～V₆是空间相距60°电度角的六个空间矢量；

在第一扇区中，当θ在0°～30°时，施加宽脉冲V₁、窄脉冲V₂；当θ在30°～60°时，施加宽脉冲V₂，窄脉冲V₁；

在第二扇区中，当θ在60°～90°时，施加宽脉冲V₂、窄脉冲V₃；当θ在90°～120°时，施加宽脉冲V₃，窄脉冲V₂；

在第三扇区中，当θ在120°～150°时，施加宽脉冲V₃、窄脉冲V₄；当θ在150°～180°时，施加宽脉冲V₄，窄脉冲V₃；

在第四扇区中，当θ在180°～210°时，施加宽脉冲V₄、窄脉冲V₅；当θ在210°～240°时，施加宽脉冲V₅，窄脉冲V₄；

在第五扇区中，当θ在240°～270°时，施加宽脉冲V₅、窄脉冲V₆；当θ在270°～300°时，施加宽脉冲V₆，窄脉冲V₅；

在第六扇区中，当θ在300°～330°时，施加宽脉冲V₆、窄脉冲V₁；当θ在330°～360°时，施加宽脉冲V₁，窄脉冲V₆；

步骤四、采用相同的时间间隔T，采样得到窄脉冲作用下对应的直流母线电流值i_short和宽脉冲作用下对应的直流母线电流值i_long；

步骤五、比较i_short和i_long的幅值大小，当i_short幅值大于i_long的时候，改变电动机通电状态进行换相；

步骤六、根据经过相邻前后扇区宽窄脉冲的数量、时间，得到转速表达式为

其中m₁、m₂是前后扇区内脉冲数量，T_pulse是宽窄脉冲周期，n为转速，单位是rad/s；

步骤七、形成转速闭环，利用转速计算模块估计的转速对比给定切换转速，通过转速的调节器，形成调制信号施加给Buck变换器，通过Buck变换器调节功率管的导通占空比调节输出电压。

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