CN111049435B - 一种无刷直流电机无传感器驱动方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无刷直流电机无传感器驱动方法及系统，在无刷直流电机三段式启动达到速度阈值后，通过过零点检测带和三相反电动势，获取一个周期内的过零时刻，将过零时刻延时换相时间，得到实际换相时刻，根据实际换相时刻控制无刷直流电机换相，实现无刷直流电机无传感器驱动，与传统的方法相比，换相准确、效率高、可靠性好、带负载能力好。

Description

一种无刷直流电机无传感器驱动方法及系统

技术领域

本发明涉及一种无刷直流电机无传感器驱动方法及系统，属于无刷直流电机无传感器控制技术领域。

背景技术

随着工业自动化的不断进步，控制技术也在不断发展，人们对工业控制过程的执行机构不断提出新的控制要求，使工业控制过程更加安全可靠。电动调节系统是过程控制中非常重要的现场控制设备。其中，电动执行器是电动调节系统中的一个重要组成部分。它接收电动控制器输出的4～20毫安直流信号，将其转换成为系统力矩，操纵调节机构，从而达到连续调节生产过程中有关管路内流体的流量。

目前，提高系统运行效率，降低系统运行成本和提高运行可靠性是目前电动执行器发展的方向。目前常见的电动执行器通常采用的电机一般是高压大容量三相异步电机，该电机具有耗电高、体积大、安全性低、维修成本高等缺点。相比之下，无刷直流电机宽调速、小体积、高效率、稳态转速误差小、运行可靠和易于维修等特点在调速领域显现优势，现有无传感器驱动方法完全依赖于硬件电路，因此一般电阻电容选择错误势必造成反电动势过零点位置不准，导致直流无刷电机换相不准。

发明内容

本发明提供了一种无刷直流电机无传感器驱动方法及系统，解决了背景技术中披露的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种无刷直流电机无传感器驱动方法，包括，

响应于无刷直流电机三段式启动，计算母线电压校正值；

响应于无刷直流电机速度达到阈值，获取无刷直流电机三相反电动势和母线电压；

根据一半的母线电压和母线电压校正值，计算过零点检测带的最大值和最小值；

根据三相反电动势、过零点检测带的最大值和最小值，获取一个周期内的过零时刻；

将过零时刻延时换相时间，得到实际换相时刻；

根据实际换相时刻，控制无刷直流电机换相，实现无刷直流电机无传感器驱动。

母线电压校正值计算公式为，

其中，N为母线电压校正值，N_max为最大母线电压校正值，N_cal为母线电压校正计算初值，i为采样周期数，ΔN为母线电压校正常数增量，δ₀为正值常数阈值，参数δ_bemf＝MAX(|V_U|,|V_V|,|V_W|)-Kω_ref，V_U、V_V、V_W分别为无刷直流电机三相绕组的实际电压值，K为正值常系数，ω_ref为无刷直流电机期望转速，MAX(·)为取最大值函数。

过零点检测带的最大值和最小值的计算公式为，

其中，N为母线电压校正值，V_DC/2为一半的母线电压，V_DC/2max、V_DC/2min分别为过零点检测带的最大值和最小值。

一个周期内的过零时刻的公式为，

无刷直流电机正转：

无刷直流电机反转：

其中，t₁、t₂、t₃、t₄、t₅、t₆为六个过零时刻值，V_DC/2max、V_DC/2min分别为过零点检测带的最大值和最小值，V_{bemf_U}、V_{bemf_V}、V_{bemf_W}为无刷直流电机三相反电动势。

一种无刷直流电机无传感器驱动系统，包括，

校正值模块：响应于无刷直流电机三段式启动，计算母线电压校正值；

获取模块：响应于无刷直流电机速度达到阈值，获取无刷直流电机三相反电动势和母线电压；

过零检测带模块：根据一半的母线电压和母线电压校正值，计算过零点检测带的最大值和最小值；

过零时刻模块：根据三相反电动势、过零点检测带的最大值和最小值，获取一个周期内的过零时刻；

换相时刻模块：将过零时刻延时换相时间，得到实际换相时刻；

控制模块：根据实际换相时刻，控制无刷直流电机换相，实现无刷直流电机无传感器驱动。

校正值模块计算母线电压校正值的公式为，

其中，N为母线电压校正值，N_max为最大母线电压校正值，N_cal为母线电压校正计算初值，i为采样周期数，ΔN为母线电压校正常数增量，δ₀为正值常数阈值，参数δ_bemf＝MAX(|V_U|,|V_V|,|V_W|)-Kω_ref，V_U、V_V、V_W分别为无刷直流电机三相绕组的实际电压值，K为正值常系数，ω_ref为无刷直流电机期望转速，MAX(·)为取最大值函数。

过零检测带模块计算过零点检测带的最大值和最小值的公式为，

其中，N为母线电压校正值，V_DC/2为一半的母线电压，V_DC/2max、V_DC/2min分别为过零点检测带的最大值和最小值。

过零时刻模块获取一个周期内过零时刻的公式为，

无刷直流电机正转：

无刷直流电机反转：

其中，t₁、t₂、t₃、t₄、t₅、t₆为六个过零时刻值，V_DC/2max、V_DC/2min分别为过零点检测带的最大值和最小值，V_{bemf_U}、V_{bemf_V}、V_{bemf_W}为无刷直流电机三相反电动势。

一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行无刷直流电机无传感器驱动方法。

一种计算设备，包括一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行无刷直流电机无传感器驱动方法的指令。

本发明所达到的有益效果：本发明在无刷直流电机三段式启动达到速度阈值后，通过过零点检测带和三相反电动势，获取一个周期内的过零时刻，将过零时刻延时换相时间，得到实际换相时刻，根据实际换相时刻控制无刷直流电机换相，实现无刷直流电机无传感器驱动，与传统的方法相比，换相准确、效率高、可靠性好、带负载能力好。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种无刷直流电机无传感器驱动方法，包括以下步骤：

步骤1，响应于无刷直流电机三段式启动，计算母线电压校正值。

无刷直流电机无传感启动是基于三段式启动方法实现的，即依次为两次转子预定位、外同步加速和自同步切换。转子预定位是将转子的初始位置确定到某一位置，转子的预定位开始前，转子的位置是随机的、不确定的，因此需要通过转子的预定位将转子固定在一个已知的确定的位置上，从而为转子的加速打下基础；在转子定位后，通过外同步加速控制方式，逐渐增加转子的速度，一直到可以检测到反电动势时，便可以通过反电动势过零点检测法检测到转子位置。三段式启动后，无刷直流电机达到速度阈值ω。在外同步加速控制过程中，计算母线电压校正值，具体公式如下：

其中，N为母线电压校正值，N_max为最大母线电压校正值，N_cal为母线电压校正计算初值，i为采样周期数，ΔN为母线电压校正常数增量，δ₀为正值常数阈值，参数δ_bemf＝MAX(|V_U|,|V_V|,|V_W|)-Kω_ref，V_U、V_V、V_W分别为无刷直流电机三相绕组的实际电压值，K为正值常系数，ω_ref为无刷直流电机期望转速，MAX(·)为取最大值函数。

步骤2，响应于无刷直流电机速度达到阈值ω，获取无刷直流电机三相反电动势和母线电压。

如图2所示，通过与无刷直流电机三相绕组U、V、W相连的分压电阻电路，获取无刷直流电机三相绕组的反电动势；通过母线电压获取电路，获取母线电压。

步骤3，根据一半的母线电压和母线电压校正值，计算过零点检测带的最大值和最小值；具体公式如下：

其中，N为母线电压校正值，V_DC/2为一半的母线电压，V_DC/2max、V_DC/2min分别为过零点检测带的最大值和最小值。

步骤4，根据三相反电动势、过零点检测带的最大值和最小值，获取一个周期内的过零时刻。

将无刷直流电机三相绕组的反电动势与过零点检测带的最大值、最小值进行比较，得到一个最小值周期内的过零时刻；具体如下：

若无刷直流电机正转，

若无刷直流电机反转，

其中，t₁、t₂、t₃、t₄、t₅、t₆为六个过零时刻，V_{bemf_U}、V_{bemf_V}、V_{bemf_W}为无刷直流电机三相反电动势。

步骤5，将过零时刻延时换相时间，得到实际换相时刻。

通过上述六个过零时刻，计算得到一次60°换相时间T₆₀，计算公式如下：

T₆₀＝|t_j-t_j+1| j＝1、2、3、4、5

进而得到30°换相时间T₃₀，计算公式如下：

T₃₀＝T₆₀/2

分别将六个过零时刻延时30°换相时间，得到实际换相时刻

步骤6，根据实际换相时刻，控制无刷直流电机换相，实现无刷直流电机无传感器驱动。

上述方法在无刷直流电机三段式启动达到速度阈值后，通过过零点检测带和三相反电动势，获取一个周期内的过零时刻，将过零时刻延时换相时间，得到实际换相时刻，根据实际换相时刻控制无刷直流电机换相，实现无刷直流电机无传感器驱动。

使用起动过程中根据非导通相端电压进行换相的方法，具体是在电机启动后，通过采集非导通相端电压，经过分压后阻容滤波，并在一定的母线电压的情况下设置固定的阈值，两者进行比较，然后对其进行相应的相位补偿，进而确定换相点。

上述方法通过分析换相阈值与母线电压和负载转矩的关系，设计了简单的换向点补充函数对换相阈值进行不断优化，换相准确，在常规硬件基础上，利用上述方法可以有效提高系统运行的稳定性和带载能力，使之具有效率高，可靠性好等优点。

一种无刷直流电机无传感器驱动系统，包括：

校正值模块：响应于无刷直流电机三段式启动，计算母线电压校正值。

校正值模块计算母线电压校正值的公式为，

其中，N为母线电压校正值，N_max为最大母线电压校正值，N_cal为母线电压校正计算初值，i为采样周期数，ΔN为母线电压校正常数增量，δ₀为正值常数阈值，参数δ_bemf＝MAX(|V_U|,|V_V|,|V_W|)-Kω_ref，V_U、V_V、V_W分别为无刷直流电机三相绕组的实际电压值，K为正值常系数，ω_ref为无刷直流电机期望转速，MAX(·)为取最大值函数。

获取模块：响应于无刷直流电机速度达到阈值，获取无刷直流电机三相反电动势和母线电压。

过零检测带模块：根据一半的母线电压和母线电压校正值，计算过零点检测带的最大值和最小值。

过零检测带模块计算过零点检测带的最大值和最小值的公式为，

其中，N为母线电压校正值，V_DC/2为一半的母线电压，V_DC/2max、V_DC/2min分别为过零点检测带的最大值和最小值。

过零时刻模块：根据三相反电动势、过零点检测带的最大值和最小值，获取一个周期内的过零时刻。

过零时刻模块获取一个周期内过零时刻的公式为，

无刷直流电机正转：

无刷直流电机反转：

其中，t₁、t₂、t₃、t₄、t₅、t₆为六个过零时刻值，V_DC/2max、V_DC/2min分别为过零点检测带的最大值和最小值，V_{bemf_U}、V_{bemf_V}、V_{bemf_W}为无刷直流电机三相反电动势。

换相时刻模块：将过零时刻延时换相时间，得到实际换相时刻。

控制模块：根据实际换相时刻，控制无刷直流电机换相，实现无刷直流电机无传感器驱动。

一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备无刷直流电机无传感器驱动方法。

一种计算设备，包括一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行无刷直流电机无传感器驱动方法的指令。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种无刷直流电机无传感器驱动方法，其特征在于：包括，

响应于无刷直流电机三段式启动，计算母线电压校正值；

母线电压校正值计算公式为，

其中，N为母线电压校正值，N_max为最大母线电压校正值，N_cal为母线电压校正计算初值，i为采样周期数，ΔN为母线电压校正常数增量，δ₀为正值常数阈值，参数δ_bemf＝MAX(|V_U|,|V_V|,|V_W|)-Kω_ref，V_U、V_V、V_W分别为无刷直流电机三相绕组的实际电压值，K为正值常系数，ω_ref为无刷直流电机期望转速，MAX(·)为取最大值函数；

响应于无刷直流电机速度达到阈值，获取无刷直流电机三相反电动势和母线电压；

根据一半的母线电压和母线电压校正值，计算过零点检测带的最大值和最小值；

根据三相反电动势、过零点检测带的最大值和最小值，获取一个周期内的过零时刻；

将过零时刻延时换相时间，得到实际换相时刻；

根据实际换相时刻，控制无刷直流电机换相，实现无刷直流电机无传感器驱动。

2.根据权利要求1所述的一种无刷直流电机无传感器驱动方法，其特征在于：过零点检测带的最大值和最小值的计算公式为，

其中，N为母线电压校正值，V_DC/2为一半的母线电压，V_DC/2max、V_DC/2min分别为过零点检测带的最大值和最小值。

3.根据权利要求1所述的一种无刷直流电机无传感器驱动方法，其特征在于：一个周期内的过零时刻的公式为，

无刷直流电机正转：

无刷直流电机反转：

其中，t₁、t₂、t₃、t₄、t₅、t₆为六个过零时刻值，V_DC/2max、V_DC/2min分别为过零点检测带的最大值和最小值，V_{bemf_U}、V_{bemf_V}、V_{bemf_W}为无刷直流电机三相反电动势。

4.一种无刷直流电机无传感器驱动系统，其特征在于：包括，

校正值模块：响应于无刷直流电机三段式启动，计算母线电压校正值；

校正值模块计算母线电压校正值的公式为，

其中，N为母线电压校正值，N_max为最大母线电压校正值，N_cal为母线电压校正计算初值，i为采样周期数，ΔN为母线电压校正常数增量，δ₀为正值常数阈值，参数δ_bemf＝MAX(|V_U|,|V_V|,|V_W|)-Kω_ref，V_U、V_V、V_W分别为无刷直流电机三相绕组的实际电压值，K为正值常系数，ω_ref为无刷直流电机期望转速，MAX(·)为取最大值函数；

获取模块：响应于无刷直流电机速度达到阈值，获取无刷直流电机三相反电动势和母线电压；

过零检测带模块：根据一半的母线电压和母线电压校正值，计算过零点检测带的最大值和最小值；

过零时刻模块：根据三相反电动势、过零点检测带的最大值和最小值，获取一个周期内的过零时刻；

换相时刻模块：将过零时刻延时换相时间，得到实际换相时刻；

控制模块：根据实际换相时刻，控制无刷直流电机换相，实现无刷直流电机无传感器驱动。

5.根据权利要求4所述的一种无刷直流电机无传感器驱动系统，其特征在于：过零检测带模块计算过零点检测带的最大值和最小值的公式为，

其中，N为母线电压校正值，V_DC/2为一半的母线电压，V_DC/2max、V_DC/2min分别为过零点检测带的最大值和最小值。

6.根据权利要求4所述的一种无刷直流电机无传感器驱动系统，其特征在于：过零时刻模块获取一个周期内过零时刻的公式为，

无刷直流电机正转：

无刷直流电机反转：

其中，t₁、t₂、t₃、t₄、t₅、t₆为六个过零时刻值，V_DC/2max、V_DC/2min分别为过零点检测带的最大值和最小值，V_{bemf_U}、V_{bemf_V}、V_{bemf_W}为无刷直流电机三相反电动势。

7.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于：所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据权利要求1至3所述的方法中的任一方法。

8.一种计算设备，其特征在于：包括，

一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行根据权利要求1至3所述的方法中的任一方法的指令。

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