CN110365260B - 无刷直流电机起动控制方法及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无刷直流电机起动控制方法及控制系统，其中控制方法包括：获取无刷直流电机的极对数和额定转速；预设占空比；根据预设周期依次增加预设增长值；当PWM占空比小于第一预设值时，用极对数、额定转速、PWM占空比初始设置值和第一预设值计算第一换相时间，并作为换相定时器的定时时间；当PWM占空比大于等于第一预设值并小于第二预设值时，用极对数、额定转速、第一预设值和第二预设值计算第二换相时间，并作为改变换相定时器的定时时间；当换相定时器的定时时间到达时，执行换相。无刷直流电机在起动过程中，采用两段换相时间，提高了无刷直流电机起动顺滑程度，而且对控制器部分的运算能力依赖低。

Description

无刷直流电机起动控制方法及控制系统

技术领域

本发明涉及无传感器的无刷直流电机技术领域，具体涉及一种无刷直流电机起动控制方法及控制系统。

背景技术

无刷直流电机被广泛地用于日常生活用具、汽车工业、航空、消费电子、医学电子、工业自动化等装置和仪表。

无刷直流电机由方波驱动的无位置传感器控制中，起动时由于无法检测反电动势只能依靠开环起动，开环起动时只有适时设置换相时间才能达到顺滑起动的目的。目前，公知的无刷直流电机起动方法中换相时间大多为定值，并不能随着无刷直流电机起动时转速的增加来缩短换相时间，此种起动方法容易造成无刷直流电机起动时振动较大，起动性能难以满足要求，甚至会造成无刷直流电机抖动严重而无法成功起动的现象，更严重时会造成电机控制器的损坏。

因此，为使无刷直流电机顺滑起动，如何科学的调节换相时间，是现有技术中亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种无刷直流电机起动控制方法及控制系统，采用两段换相时间，以解决现有技术中无刷直流电机在方波驱动下无位置传感器控制的起动方法中换相时间大多为定值，导致无刷直流电机起动时振动较大，起动性能难以满足要求，甚至会造成无刷直流电机抖动严重而无法成功起动的问题。

本发明提供了一种无刷直流电机起动控制方法，包括如下步骤：

步骤1：获取无刷直流电机的极对数、无刷直流电机的额定转速；设置周期定时器的触发周期为预设周期；设置无刷直流电机的PWM占空比为预设占空比；

步骤2：计算第一换相时间，设置换相定时器的换相时间为第一换相时间，启动换相定时器以及周期定时器；

步骤3：判断周期定时器是否触发定时中断，当是时，则重置周期定时器，PWM占空比以预设增长值增加；

步骤4：判断PWM占空比是否大于等于第一预设值，当是时，则进入步骤5；当否时，返回步骤3；

步骤5：判断换相定时器是否为第一换相时间，当否时，则进入步骤6；当是时，则计算第二换相时间，设置换相定时器的换相时间为第二换相时间；

步骤6：判断PWM占空比是否大于等于第二预设值，当是时，则结束起动，进入闭环程序；当否时，返回步骤3。

可选地，所述预设增长值为0.5％。

可选地，所述步骤2中计算第一换相时间的具体方法为基于PWM占空比初始设置值、第一预设值、极对数以及额定转速计算第一换相时间，具体公式如下：

其中T_turn1为第一换相时间；T_Duty1为PWM占空比初始设置值T_{Duty_int}和第一预设值T_{Duty_first}的均值，即T_Duty1＝(T_{Duty_int}+T_{Duty_first})/2；

所述步骤5中计算第二换相时间的具体方法为基于第一预设值、第二预设值、极对数以及额定转速计算第二换相时间，具体公式如下：

其中，T_turn2为第二换相时间；T_Duty2为第一预设值T_{Duty_first}和第二预设值T_{Duty_second}的均值，即T_Duty2＝(T_{Duty_first}+T_{Duty_second})/2；p为极对数，n_e为额定转速。

可选地，当无刷直流电机的负载小于无刷直流电机额定负载的40％时，预设占空比为0％～1％；

所述第一预设值为5％～6％；

所述第二预设值为10％～11％；

所述预设周期为50ms。

可选地，当无刷直流电机的负载大于等于无刷直流电机额定负载的40％时，预设占空比为5％～6％；

所述第一预设值为7％～8％；

所述第二预设值为10％～11％。

所述预设周期为100ms。

可选地，在执行所述步骤1之前，还包括通过磁场将无刷直流电机的转子定位到a轴方向。

本发明还提供了一种无刷直流电机起动控制系统，包括：

极对数获取模块，用于获取无刷直流电机的极对数；

额定转速获取模块，用于获取无刷直流电机的额定转速；

预设占空比模块，用于设置无刷直流电机转子的PWM占空比初始值；

PWM占空比增加模块，用于增加PWM占空比；

第一换相时间计算模块，用于当PWM占空比小于第一预设值时，根据极对数、额定转速、PWM占空比初始值和第一预设值计算第一换相时间；

第二换相时间计算模块，用于当PWM占空比大于等于第一预设值并小于第二预设值时，根据极对数、额定转速、第一预设值和第二预设值计算第二换相时间；

换相定时器设置模块，用于根据PWM占空比的大小，设置换相定时器的定时时间；

所述极对数获取模块、额定转速获取模块、预设占空比模块、PWM占空比增加模块将数据分别传递给所述第一换相时间计算模块以及第二换相时间计算模块；所述第一换相时间计算模块以及第二换相时间计算模块将数据传递给所述换相定时器设置模块。

本发明的有益效果：

1、无刷直流电机在起动过程中，根据PWM占空比的大小采用两段换相时间，一方面提高了无刷直流电机起动顺滑程度，另一方面起动时换相操作简便，对控制器部分的运算能力依赖低。

2、本发明的控制方法和传统的固定换相时间控制方法进行成功率实验对比，本发明的控制方法的电机起动效果更顺滑，起动成功率更高。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了本发明一种无刷直流电机起动控制方法的总流程图；

图2示出了本发明轻载时无刷直流电机起动控制方法的流程图；

图3示出了本发明重载时无刷直流电机起动控制方法的流程图；

图4示出了本发明无刷直流电机的转子定位示意图；

图5示出了本发明一种无刷直流电机起动控制系统的结构图；

图6示出了本发明换相定时器中断的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种无刷直流电机起动控制方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤S1：获取无刷直流电机的极对数、无刷直流电机的额定转速；设置周期定时器的触发周期为预设周期；设置无刷直流电机的PWM占空比为预设占空比；

步骤S2：计算第一换相时间，设置换相定时器的换相时间为第一换相时间，启动换相定时器以及周期定时器；

步骤S3：判断周期定时器是否触发，当是时，则重置周期定时器，PWM占空比以预设增长值增加；

步骤S4：判断PWM占空比是否大于等于第一预设值，当是时，则进入步骤S5；当否时，返回步骤S3；

步骤S5：判断换相定时器是否为第一换相时间，当否时，则进入步骤S6；当是时，则计算第二换相时间，设置换相定时器的换相时间为第二换相时间；

步骤S6：判断PWM占空比是否大于等于第二预设值，当是时，则结束起动，进入闭环程序；当否时，返回步骤S3。

其中，整个电机起动过程，根据PWM占空比的大小分两段换相时间，即第一换相时间和第二换相时间。以PWM占空比的第一预设值为界限，当PWM占空比小于第一预设值时，电机每隔一个第一换相时间执行一次换相；当PWM占空比大于等于第一预设值时，电机每隔一个第二换相时间执行一次换相；当PWM占空比大于等于第二预设值时，电机结束起动过程进入到闭环程序。

进一步地，步骤S3中预设增长值为0.5％，起动过程中为了转速平稳爬升选择0.5％，并且0.5％也方便控制系统进行运算。

进一步地，步骤S2中计算第一换相时间的具体方法为基于PWM占空比初始设置值、第一预设值、极对数以及额定转速计算第一换相时间，具体公式如下：

其中T_turn1为第一换相时间；T_Duty1为预设占空比T_{Duty_int}和第一预设值T_{Duty_first}的均值，即T_Duty1＝(T_{Duty_int}+T_{Duty_first})/2；

步骤S5中计算第二换相时间的具体方法为基于第一预设值、第二预设值、极对数以及额定转速计算第二换相时间，具体公式如下：

其中，T_turn2为第二换相时间；T_Duty2为第一预设值T_{Duty_first}和第二预设值T_{Duty_second}的均值，即T_Duty2＝(T_{Duty_first}+T_{Duty_second})/2；p为极对数，n_e为额定转速。选择预设占空比和第一预设值的均值计算第一换相时间，选择第一预设值和第二预设值的均值计算第二换相时间，是因为一个换相时间可以适用一定范围的占空比下的换相。只采用两段换相时间不仅可以满足起动时换相的需要，还可以减小运算量。

进一步地，当无刷直流电机的负载小于无刷直流电机额定负载的40％时，即无刷直流电机的负载属于轻载状态，预设占空比为0％～1％；

第一预设值为5％～6％；

第二预设值为10％～11％；

预设周期为50ms。当无刷直流电机处于轻载状态时，起动时因负载惯性小，速度爬升快，则需要PWM占空比的递增周期短，所以设置预设周期为50ms。

进一步地，当无刷直流电机的负载大于等于无刷直流电机额定负载的40％时，即无刷直流电机的负载属于重载状态，预设占空比为5％～6％；

第一预设值为7％～8％；

第二预设值为10％～11％；

预设周期为100ms。当无刷直流电机处于重载状态时，起动时因负载惯性大，速度爬升慢，则需要PWM占空比的递增周期长，所以设置预设周期为100ms。

其中，第二预设值选择为10％～11％，是因为当PWM占空比为10％～11％时，能够保证无刷直流电机有清晰的反电动势信号进入闭环程序。

进一步地，在执行步骤S1之前，还包括通过磁场将无刷直流电机的转子定位到a轴方向。起动前固定无刷直流电机的转子位置，可以提高起动的成功率。

本发明还提供了一种无刷直流电机起动控制系统，如图5所示，包括：

极对数获取模块51，用于获取无刷直流电机的极对数；

额定转速获取模块52，用于获取无刷直流电机的额定转速；

预设占空比模块53，用于设置无刷直流电机转子的PWM占空比初始值；

PWM占空比增加模块54，用于根据预设周期依次增加PWM占空比；

第一换相时间计算模块55，用于当PWM占空比小于第一预设值时，根据极对数、额定转速、PWM占空比初始值和第一预设值计算第一换相时间；

第二换相时间计算模块56，用于当PWM占空比大于等于第一预设值并小于第二预设值时，根据极对数、额定转速、第一预设值和第二预设值计算第二换相时间；

换相定时器设置模块57，根据PWM占空比的大小确定换相定时器的定时时间；当PWM占空比小于第一预设值时，换相定时器的定时时间为第一换相时间；当PWM占空比大于等于第一预设值并小于第二预设值时，换相定时器的定时时间为第二换相时间；极对数获取模块51、额定转速获取模块52、预设占空比模块53、PWM占空比增加模块54将数据分别传递给第一换相时间计算模块55以及第二换相时间计算模块56；第一换相时间计算模块55以及第二换相时间计算模块56将数据传递给换相定时器设置模块57。

实施例一：

为本发明在无刷直流电机轻载条件下起动的应用过程。

无刷直流电机的参数选择为：极对数4对极，额定转速3000rpm，额定电压24V，额定电流2.3A，额定功率30W，额定负载0.1N.m，上述参数可以直接从无刷直流电机的参数表中获得。负载为半径为10cm的航模飞行器机用扇叶，负载小于无刷直流电机额定负载的40％。

如图2所示，具体过程如下：

步骤A1：给无刷直流电机的A相绕组通电流，通过磁场使转子定位到a轴方向，将a轴方向调整至如图4所示的方向；

步骤A2：设置周期定时器的触发周期为预设周期50ms，预设占空比T_{Duty_int}＝0％；

步骤A3：设置第一预设值T_{Duty_first}＝5％、第二预设值为T_{Duty_second}＝10％；计算第一换相时间T_turn1：

位Flag＝0，标志位Flag用于表示换相定时器定时时间状态，当标志位Flag＝0时定时时间为第一换相时间，当标志位Flag＝1时定时时间为第二换相时间；其中，通过在改变标志位的状态来避免当定时器触发时重复改变换相定时器定时时间；

步骤A4：启动周期定时器开始计时；初始化换相定时器的定时时间T_turn为第一换相时间T_turn1，并启动周期定时器开始计时；

步骤A5：判断周期定时器是否触发定时中断，当是时，则进入步骤A6；当否时，则继续等待计时；

步骤A6：周期定时器计时值清零；

步骤A7：PWM占空比增加预设增长值0.5％；

步骤A8：判断PWM占空比是否大于等于5％，若满足条件则转入步骤A9，否则返回步骤A5；

步骤A9：判断标志位Flag是否等于0，当是时，则计算第二换相时间T_turn2：

将换相定时器的定时时间T_turn改为T_turn2，并令标志位Flag＝1；当否时，则进入步骤A10；

步骤A10：判断PWM占空比是否达到10％，若PWM占空比达到则转到步骤A11，否则返回步骤A5。

步骤A11：起动过程结束，进入闭环程序。

无刷直流电机换相的执行在换相定时器的中断中完成：具体步骤如图6所示，当换相定时器的定时到达设置值，触发中断；进入中断后，首先清除中断标志位，并执行无刷直流电机换相，清除换相定时器计时值，最后退出中断。

如表1为周期定时器的每个计时周期时，PWM占空比与换相时间的对应表。

表1

如表2所示，采用本发明方法对无刷直流电机进行100次轻载起动，其中99次成功；1次失败，成功率达99％。而采用传动方法对无刷直流电机进行100次轻载启动，其中85次成功；15次失败，成功率达85％。起动过程中无刷直流电机抖动严重，无法进入闭环程序时认定起动失败。

控制方法	本发明控制方法	传统控制方法
			成功次数	99	85
失败次数	1	15
			成功率	99％	85％

表2

实施例二：

为本发明在无刷直流电机重载条件下起动的应用过程

实施例中，无刷直流电机参数为：极对数2对极，额定转速3000rpm，额定电压24V，额定电流8.7A，额定功率150W，额定负载0.8N.m；负载为半径为60cm的工业用风扇扇叶，负载大于无刷直流电机额定负载的40％。

如图3所示，具体过程如下：

步骤B1：给无刷直流电机的A相绕组通电流，通过磁场使转子定位到a轴方向，将a轴方向调整至如图4所示的方向；

步骤B2：设置周期定时器的触发周期为预设周期100ms，预设占空比T_{Duty_int}＝5％；

步骤B3：初始化第一预设值T_{Duty_first}＝7.5％、第二预设值为T_{Duty_second}＝10％；计算第一换相时间T_turn1：

设置标志位Flag＝0，标志位Flag用于表示换相定时器定时时间状态，当标志位Flag＝0时定时时间为第一换相时间，当标志位Flag＝1时定时时间为第二换相时间；其中，通过在改变标志位的状态来避免当定时器触发时重复改变换相定时器定时时间；

步骤B4：启动周期定时器开始计时；初始化换相定时器的定时时间T_turn为第一换相时间T_turn1，并启动周期定时器开始计时；

步骤B5：判断周期定时器是否触发定时中断，当是时，则进入步骤B6；当否时，则继续等待计时；

步骤B6：周期定时器计时值清零；

步骤B7：PWM占空比增加0.5％；

步骤B8：判断PWM占空比是否大于等于7.5％，若满足条件则转入步骤B9，否则返回步骤B5；

步骤B9：判断标志位Flag是否等于0，当是时，则将换相定时器的定时时间T_turn改变为T_turn2：

；并令标志位Flag＝1；当否时，则进入步骤B10。

步骤B10：判断PWM占空比是否达到10％，若PWM占空比达到则转到步骤B11，否则返回步骤B5；

步骤B11：起动过程结束，进入闭环程序。

无刷直流电机换相的执行在换相定时器的中断中完成：具体步骤如图6所示，当换相定时器的定时到达设置值，触发中断；进入中断后，首先清除中断标志位，并执行无刷直流电机换相，清除换相定时器计时值，最后退出中断。

如表3为周期定时器的每个计时周期时，PWM占空比与换相时间的对应表。

表3

如表3所示，采用本发明方法对无刷直流电机进行100次重载起动，其中99次成功；1次失败，成功率达99％。而采用传动方法对无刷直流电机进行100次重载启动，其中79次成功；21次失败，成功率达79％。起动过程中无刷直流电机抖动严重，无法进入闭环程序时认定起动失败。

控制方法	本发明控制方法	传统控制方法
			成功次数	99	79
失败次数	1	21
			成功率	99％	79％

表4

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (5)

1.一种无刷直流电机起动控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：获取无刷直流电机的极对数、无刷直流电机的额定转速；设置周期定时器的触发周期为预设周期；设置无刷直流电机的PWM占空比为预设占空比、第一预设值以及第二预设值；

步骤2：基于PWM占空比初始设置值、第一预设值、极对数以及额定转速计算第一换相时间，具体公式如下：

其中T_turn1为第一换相时间；T_Duty1为PWM占空比初始设置值T_{Duty_int}和第一预设值T_{Duty_first}的均值，即T_Duty1＝(T_{Duty_int}+T_{Duty_first})/2，

设置换相定时器的换相时间为第一换相时间，启动换相定时器以及周期定时器；

步骤3：判断周期定时器是否触发定时中断，当是时，则重置周期定时器，PWM占空比以预设增长值增加；

步骤4：判断PWM占空比是否大于等于第一预设值，当是时，则进入步骤5；当否时，返回步骤3；

步骤5：判断换相定时器是否为第一换相时间，当否时，则进入步骤6；当是时，则基于第一预设值、第二预设值、极对数以及额定转速计算第二换相时间，具体公式如下：

其中，T_turn2为第二换相时间；T_Duty2为第一预设值T_{Duty_first}和第二预设值T_{Duty_second}的均值，即T_Duty2＝(T_{Duty_first}+T_{Duty_second})/2；p为极对数，n_e为额定转速，

设置换相定时器的换相时间为第二换相时间；

步骤6：判断PWM占空比是否大于等于第二预设值，当是时，则结束起动，进入闭环程序；当否时，返回步骤3。

2.如权利要求1所述的无刷直流电机起动控制方法，其特征在于，所述步骤3中所述预设增长值为0.5％。

3.如权利要求1所述的无刷直流电机起动控制方法，其特征在于，当无刷直流电机的负载小于无刷直流电机额定负载的40％时，

所述预设占空比为0％～1％；

所述第一预设值为5％～6％；

所述第二预设值为10％～11％；

所述预设周期为50ms；

当无刷直流电机的负载大于等于无刷直流电机额定负载的40％时，所述预设占空比为5％～6％；

所述第一预设值为7％～8％；

所述第二预设值为10％～11％；

所述预设周期为100ms。

4.如权利要求1所述的无刷直流电机起动控制方法，其特征在于，在执行所述步骤1之前，还包括通过磁场将无刷直流电机的转子定位到a轴方向。

5.一种无刷直流电机起动控制系统，其特征在于，包括如下模块：

极对数获取模块，用于获取无刷直流电机的极对数；

额定转速获取模块，用于获取无刷直流电机的额定转速；

预设占空比模块，用于设置无刷直流电机转子的PWM占空比初始值；

PWM占空比增加模块，用于增加PWM占空比；

第一换相时间计算模块，用于当PWM占空比小于第一预设值时，根据极对数、额定转速、PWM占空比初始值和第一预设值计算第一换相时间，具体公式如下：

其中T_turn1为第一换相时间；T_Duty1为PWM占空比初始设置值T_{Duty_int}和第一预设值T_{Duty_first}的均值，即T_Duty1＝(T_{Duty_int}+T_{Duty_first})/2；

第二换相时间计算模块，用于当PWM占空比大于等于第一预设值并小于第二预设值时，根据极对数、额定转速、第一预设值和第二预设值计算第二换相时间，具体公式如下：

其中，T_turn2为第二换相时间；T_Duty2为第一预设值T_{Duty_first}和第二预设值T_{Duty_second}的均值，即T_Duty2＝(T_{Duty_first}+T_{Duty_second})/2；p为极对数，n_e为额定转速；

换相定时器设置模块，用于根据PWM占空比的大小，设置换相定时器的定时时间；

所述极对数获取模块、额定转速获取模块、预设占空比模块、PWM占空比增加模块将数据分别传递给所述第一换相时间计算模块以及第二换相时间计算模块；所述第一换相时间计算模块以及第二换相时间计算模块将数据传递给所述换相定时器设置模块。

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