CN111130404A - 基于单霍尔传感器的电机控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于单霍尔传感器的电机控制方法，包括以下步骤：a、测量电机的任意一相反电势与单个霍尔传感器的输出信号的相位差λ；b、给定电机的转速Vn，使电机启动，通过对给定转速Vn进行积分获得理论转子位置Pn；c、当检测到单个霍尔传感器的输出信号的上升沿时，用λ去校正通过积分所获得的理论转子位置，使得在检测到上升沿时刻的转子位置理论值P0等于λ；d、当检测到单个霍尔传感器的输出信号的下降沿时，用λ+180°去校正通过积分所获得的理论转子位置，使得在检测到下降沿时刻的转子位置理论值P1等于λ+180°。本发明提高了基于无位置传感器的电机控制方式估算出的转子位置精度，提高无位置控制可靠性。

Description

基于单霍尔传感器的电机控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术。

背景技术

图1示出了现有的用于驱动永磁无刷电机的电机控制器的原理框图。如图所示，该电机控制器包括电源管理单元、通信单元、单片机、PWM信号产生单元、三相桥预驱电路、三相桥电路以及传感器信号处理单元。

其中，电源管理单元用于为整个电机控制器提供电源。通信单元主要负责电机控制器与上层控制器的通讯。单片机接收上层控制器的指令，并把相应的状态反馈到上层控制器，根据接收的指令，控制永磁无刷电机执行相应的动作。此外，单片机还根据电机控制器中其它单元的信号反馈，执行电机控制算法，输出电机控制指令，同时对电机控制器进行保护。PWM信号产生单元用于根据单片机的指令产生驱动电机的PWM信号。由于PWM信号产生单元生成的PWM信号驱动能力弱，不足以驱动三相桥电路，因此需要三相桥预驱电路将PWM信号进行放大。某些三相桥预驱电路还具备短路、缺相、过流、过压等检测保护功能。三相桥电路根据PWM信号输出电压电流驱动永磁无刷电机转动。传感器信号处理单元用于采集和处理电机控制所需要的电压、电流、温度和永磁无刷电机转子位置信息等反馈信号。

转子位置传感器用于采集永磁无刷电机转子的位置信息。转子位置信息对于永磁无刷电机的控制至关重要，影响着永磁无刷电机的启动、旋转等。转子位置传感器可选用旋转变压器、光编码器、磁编码器等。在这些转子位置传感器中，最常见和安装最方便简单的当属开关霍尔传感器。其中，应用最广泛的方式是采用三个霍尔传感器（永磁无刷电机一般为三相，所以需要三个霍尔传感器）作为电机转子位置反馈。这种转子位置检测方式主要存在以下问题：

1、三个霍尔传感器本身需要占据很大的空间位置，这对空间要求极高的应用场合，会导致硬件设计的困难；

2、三个霍尔传感器对位置有严格要求（相位差要求120°），增加了对生产工艺精度的要求；

3、三个霍尔传感器价格也相对较高，增加了成本。

为了克服上述缺点，现有技术中也出现了去掉所有的位置传感器的方法。此时对永磁无刷电机的控制依赖于无位置传感器的控制方法，其输出位移（或者角度）也依赖于无位置传感器控制算法得到的电机转子位置。依据无刷电机的基本电压公式U=R∙i+L∙di/dt+K_e∙ω（U为电压，i为电流，R为电机绕组电阻，L为电机绕组电感，K_e为电机反电势系数，ω为转速），通过向电机施加一个电压或者电流，再施加一个合适的转速，无刷电机转子位置可以是给定转速的积分，根据转子位置信息进行合理的电机绕组换流的控制，这样无刷电机是可以转动起来的。当无刷电机启动起来并达到一定的转速后，对无刷电机转子位置的处理又有3种方法，第一种方法是转子位置始终是人为给定的转速的积分；第二种方法是利用反电势过零比较电路得到转子的位置信息；第三种方法是利用磁链估计或者凸极效应得到位置信息。这些方法结构简单，成本低廉，但可靠性变差，影响系统的安全使用，原因如下：

1、在启动过程中，没有无刷电机真实的转子位置信息，启动可靠性低，启动失败是大概率事件；

2、启动失败后，由于信息没有真实的转子位置供参考（尤其是第一种方法），单片机无法准确判断出电机启动失败，从而造成电机控制的失效；

3、在启动的过程中，由于转子位置是人为给定的，并不能真实反映电机转过的实际角度。理论角度比实际角度超前一个电周期或者多个电周期是大概率发生的事件，而且超前的角度是不确定的，没有确切的方法计算得到，所以就会存在角度误差。对于部分驱动结构，这个误差会累计越来越大，从而影响整个系统的性能；

4、当电机的负载突然加大时，由于位置信息的判断准确性不高，会导致电机实际转速快速下降，甚至停止转动；

5、当电机带动的运动部件遇到障碍物时，第一种方法只能通过AD采集电流方法间接判断，费时而且未必可靠；第二和第三种方法可以通过估算位置信息做出判断，但由于反电势在低速情况下非常小，基本没有可用性，从而导致它同样存在误判的可能性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于单霍尔传感器的电机控制方法，其能以较低的成本实现提高基于无位置传感器的电机控制方式估算出的转子位置精度，提高电机运行的可靠性。

本发明实施例提供了一种基于单霍尔传感器的电机控制方法，所述单霍尔传感器用于检测电机转子的位置，该基于单霍尔传感器的电机控制方法包括以下步骤：

a、测量电机的任意一相反电势与单个霍尔传感器的输出信号的相位差λ；

b、给定电机的转速Vn，向电机输出电压或电流信号，使电机启动，通过对给定转速Vn进行积分获得理论转子位置Pn；

c、当检测到单个霍尔传感器的输出信号的上升沿时，用λ去校正通过积分所获得的理论转子位置，使得在检测到上升沿时刻的转子位置理论值P0等于λ，并以P0为基础进行后续的转子位置积分运算；

d、当检测到所述单个霍尔传感器的输出信号的下降沿时，用λ+180°去校正通过积分所获得的理论转子位置，使得在检测到下降沿时刻的转子位置理论值P1等于λ+180°，并以P1为基础进行后续的转子位置积分运算。

本发明至少具有以下技术效果：

1、本发明实施例的电机控制方法利用设置在电机控制器中的单个开关霍尔传感器，结合无刷电机无位置传感器控制的方法，既能保证永磁无刷电机的可靠运行，又能够保证整个电机转子位置的精度和驱动系统的可靠性，此外不至于体积过大而使得设计困难，也使得电机控制器成本可以接受；

2、单个开关霍尔传感器的使用，比现有的转子位置传感器的所占空间要小很多，成本也低得多，对安装位置的低要求也降低了生产工艺的难度。单个开关霍尔传感器可以较为直接地反映出电机转子运行的状态，确保无刷电机的可靠运行和驱动系统输出的位移精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明 实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明 的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了现有的用于驱动永磁无刷电机的电机控制器的原理框图。

图2示出了电机的A相反电势与单个霍尔传感器的输出信号的示意图。

图3示出了用霍尔传感器输出信号的上升沿和下降沿对通过积分得到的转子位置信号进行校正的示意图。

图4示出了采用磁链估算的方法或者凸极效应估算的转子位置。

图5示出了通过电机反电势估算理论转子位置的示意图。

具体实施方式

根据本发明一实施例的一种基于单霍尔传感器的电机控制方法，所述单霍尔传感器用于检测电机转子的位置，该基于单霍尔传感器的电机控制方法包括以下步骤：

a、测量电机的任意一相反电势与单个霍尔传感器的输出信号的相位差λ；

b、给定电机的转速Vn，向电机输出电压或电流信号，使电机启动，通过对给定转速Vn进行积分获得转子的理论位置Pn；

c、当检测到单个霍尔传感器的输出信号的上升沿时，用λ去校正通过积分所获得的理论转子位置，使得在检测到上升沿时刻的转子位置理论值P0等于λ，并以P0为基础进行后续的转子位置积分运算；

d、当检测到单个霍尔传感器的输出信号的下降沿时，用λ+180°去校正通过积分所获得的理论转子位置，使得在检测到下降沿时刻的转子位置理论值P1等于λ+180°，并以P1为基础进行后续的转子位置积分运算。

进一步地，当未检测到单个霍尔传感器的输出信号的上升沿或下降沿时，则判断电机启动失败或电机堵转。

以下结合附图和具体实施方式对上述的方法进行更加详细的描述。该基于单霍尔传感器的电机控制方法包括以下步骤：

a、测量永磁无刷电机的A相反电势与单个霍尔传感器的输出信号的相位差λ，如图2所示，由于永磁无刷电机三相绕组本身的相位差是120°电角度，所以无论测定B相或者C相反电势与霍尔传感器输出信号的相位关系，具有同样的作用。

b、依据永磁无刷电机的基本电压公式、永磁无刷电机的反电势系数以及永磁无刷电机的带载情况，给定电机的转速Vn (Vn可以是一个变化的值)，同时向永磁无刷电机输出一个合适的电压或电流信号，使永磁无刷电机启动，通过对给定转速Vn进行积分获得理论转子位置Pn；

c、当检测到单个霍尔传感器的输出信号的上升沿时，用λ去校正通过积分所获得的理论转子位置，使得在检测到上升沿时刻的转子位置理论值P0等于λ，并以P0为基础进行后续的转子位置积分运算；在启动的过程中，给定转速积分得到的转子位置信号Pn是一个类似于三角波的信号，霍尔传感器输出的是高低电平信号。当检测到霍尔传感器输出信号的上升沿（低电平变换到高电平）时，转子位置的真实角度是λ，用这一个角度去校正理论转子位置，此时记为P0=λ。在这个点后面的位置，以这个点的角度值为基础，继续进行给定转速的积分计算；

d、当检测到单个霍尔传感器的输出信号的下降沿时，用λ+180°去校正通过积分所获得的理论转子位置，使得在检测到下降沿时刻的转子位置理论值P1等于λ+180°，并以P1为基础进行后续的转子位置积分运算。当检测到霍尔传感器输出信号的下降沿时（高电平变换到低电平），此时转子位置的真实角度是λ+180°，用这一个角度去校正理论转子位置，此时记为P1=λ+180°。在一个电周期（即一个霍尔信号周期）内，两次转子位置角度校正 (校正后的转子角度如图3中的虚线所示)，使得转子位置更准确，从而使得启动更加可靠。

进一步地，上述的基于单霍尔传感器的电机控制方法，还包括以下步骤：

e、在电机启动并达到预定的转速后，基于无位置传感器控制电机的方式估算出理论转子位置P'n；

f、当检测到单个霍尔传感器的输出信号的上升沿时，用λ去校正通过估算所获得的理论转子位置，使得在检测到上升沿时刻的转子位置理论值P'0等于λ，并以P'0为基础进行后续的转子位置估算；

g、当检测到所述单个霍尔传感器的输出信号的下降沿时，用λ+180°去校正通过估算所获得的理论转子位置，使得在检测到下降沿时刻的转子位置理论值P'1等于λ+180°，并以P'1为基础进行后续的转子位置估算。

当电机启动并且达到一定的转速后，基于无位置传感器控制电机的方式估算出理论转子位置P'n目前主要有三类方法，无论采用哪一种方式都可以得到转子位置信息，都可以通过适当的方法让电机运转。第一类方法是通过估算无刷电机的磁链，得到电机的理论转子位置；第二类方法是利用永磁无刷电机的凸极效应估算电机的理论转子位置；第三类方法是通过电机反电势估算出理论转子位置P'n。通过电机定子线圈的反电动势比较器，得到电机转子的一个周期内六个换相点的位置。

图4示出了采用磁链估算的方法或者凸极效应估算的转子位置（角度）。对该转子位置信号的校正，只是把步骤c和步骤d中给定转速积分得到的理论转子位置，替换为估算的转子位置信号即可。

图5示出了通过电机反电势估算出理论转子位置。对于通过反电势（BEMF）比较得到的转子位置信息，可以记录反电势比较器输出的信号的每个边沿的时间，从而得到两个边沿之间的时间为Tn。因为每两个边沿之间的角度是固定的60°，那么就可以得到转子平均的速度，V1n=60/Tn。进一步得到转子的平均加速度An = (V1n – V1n-1) / Tn。则以此将6个点的位置信息转换为线性转子信号（同磁链估算的转子位置信号）， P'n=P'n-1 + V1n *t + 0.5*An*t*t。采取与步骤c和步骤d类似的方法，只是把给定转速积分得到的理论转子位置信号，替换为由反电势估算的转子位置信号即可。

在电机运转过程中，由于位置信息大部分时间都是由估算产生，存在位置估算错误的机率，从而导致电机停止运行。此时，电机转子会完全静止或者在高频抖动。此时，霍尔传感器输出信号为恒定的高电平，或者是恒定的低电平，或者是频率远高于正常情况下的脉冲。据此，可以根据霍尔传感器信号的特性判断出电机启动失败或者堵转。当检测到霍尔传感器的输出信号异常时，就需要重新启动电机，恢复之前的运行状态。从而保证电机运行比完全没有位置传感器更加可靠。

根据本发明实施例的电机控制方法采用校正后的转子位置信息进行无位置传感器的无刷电机控制，使电机运行到指定位置后停止，能够保证整个电机转子位置的精度和驱动系统的可靠性。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种基于单霍尔传感器的电机控制方法，所述单霍尔传感器用于检测电机转子的位置，其特征在于，所述的基于单霍尔传感器的电机控制方法包括以下步骤：

a、测量电机的任意一相反电势与单个霍尔传感器的输出信号的相位差λ；

b、给定电机的转速Vn，向电机输出电压或电流信号，使电机启动，通过对给定转速Vn进行积分获得理论转子位置Pn；

c、当检测到所述单个霍尔传感器的输出信号的上升沿时，用λ去校正通过积分所获得的理论转子位置，使得在检测到上升沿时刻的转子位置理论值P0等于λ，并以P0为基础进行后续的转子位置积分运算；

d、当检测到所述单个霍尔传感器的输出信号的下降沿时，用λ+180°去校正通过积分所获得的理论转子位置，使得在检测到下降沿时刻的转子位置理论值P1等于λ+180°，并以P1为基础进行后续的转子位置积分运算。

2.根据权利要求1所述的基于单霍尔传感器的电机控制方法，其特征在于，当未检测到单个霍尔传感器的输出信号的上升沿或者下降沿时，判断电机启动失败或者电机堵转。

3.根据权利要求1或2所述的基于单霍尔传感器的电机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

e、在电机启动并达到预定的转速后，基于无位置传感器控制电机的方式估算出理论转子位置P'n；

f、当检测到所述单个霍尔传感器的输出信号的上升沿时，用λ去校正通过估算所获得的理论转子位置，使得在检测到上升沿时刻的转子位置理论值P'0等于λ，并以P'0为基础进行后续的转子位置估算；

g、当检测到所述单个霍尔传感器的输出信号的下降沿时，用λ+180°去校正通过估算所获得的理论转子位置，使得在检测到下降沿时刻的转子位置理论值P'1等于λ+180°，并以P'1为基础进行后续的转子位置估算。

4.根据权利要求3所述的基于单霍尔传感器的电机控制方法，其特征在于，所述电机为永磁无刷电机。

5.根据权利要求4所述的基于单霍尔传感器的电机控制方法，其特征在于，在所述的步骤e中，基于无位置传感器控制电机的方式估算出理论转子位置P'n包括以下几种方式中的任意一种：

通过估算无刷电机的磁链估算估算出理论转子位置P'n，利用永磁无刷电机的凸极效应估算出理论转子位置P'n，通过电机反电势估算出理论转子位置P'n。

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