CN111293931A - 高精度低噪音无刷直流电机无位置传感器控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
高精度低噪音无刷直流电机无位置传感器控制系统及方法，在逆变器的输出端与电机绕组之间连接用于提供高频检测信号的高频检测信号注入机构，电机绕组的中性点或电机机壳连接采集电机绕组三相输出电流信号的电流或电压传感器组的信号输入端，电流或电压传感器组的信号输出端分别连接高频检测信号注入机构及带通滤波器的电流或电压信号输入端，带通滤波器的输出端连接控制器用于提供电机绕组所需的高频电流或电压分量，控制器的一个输出端连接逆变器的信号输入端用于提供驱动指令，另一个输出端连接高频检测信号注入机构的指令输入端，用于提供高频脉冲频率指令。本发明能够扩大无刷直流电机调速范围、提高位置检测精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种无刷直流电机控制技术。特别是涉及一种高精度低噪音无刷直流电机无位置传感器控制系统及方法。
背景技术
无刷直流电机具有结构简单、控制系统设计方便、运行稳定、维护成本低、功率密度高、调速性好等优点，已经在伺服控制、精密电子、办公自动化、医疗器械、家用电器、电动车辆、航天航空等行业内得到了广泛的应用。传统的无刷直流电机需要安装位置传感器，从而得到转子位置信号对电机进行换相控制。然而位置传感器的安装不但增加了系统自身的尺寸，导致内部结构变得复杂，而且在高温、高湿等恶劣的工作环境下，传感器信号线还容易受外界信号干扰，导致系统可靠性降低。因此，无位置传感器控制得到了国内外科研人员的广泛关注并不断地发展。
反电势法是目前最成熟、应用最广泛的一种无位置传感器控制方法，但是其在低速和零速时性能较差，而电感法不依赖转子磁场运动就可以获得转子位置，在转子低速和零速时性能较好，其基本原理是转子位置的改变会引起绕组电感的变化，在绕组中施加检测电压脉冲，根据测得的电流幅值比较后即可得到电感差异，再根据电感与转子位置之间的关系得到位置信号。
传统方法中，基于电感法原理的无刷直流电机无位置传感器的高频检测信号由逆变器产生，高频检测信号与无刷直流电机的驱动电压分时复用电源线和绕组。检测位置信号时不能输出驱动电压，影响了无刷直流电机的运动控制和调速，产生电机速度的偏差，特别是在电机起动和低速运行时系统性能下降严重；同时也影响了高频检测信号注入的实时性，造成位置信号的不准确。
常用无刷直流电机电感差异小，检测信号信噪比低，算法实现困难。传统方法中逆变器开关元件选定后最大开关频率固定，限制了高频检测信号频率的提高，从而限制了检测精度的提高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种应用在无刷直流电机中的能够扩大无刷直流电机调速范围、提高位置检测精度的高精度低噪音无刷直流电机无位置传感器控制系统及方法。
本发明所采用的技术方案是：一种高精度低噪音无刷直流电机无位置传感器控制系统，包括有电机绕组和电机机壳，以及电源输入端连接电源用于向电机绕组提供电源的逆变器，所述逆变器的输出端与电机绕组之间连接有用于向电机绕组提供高频检测信号的高频检测信号注入机构，所述电机绕组的中性点或电机机壳连接用于采集电机绕组的三相输出电流信号的电流或电压传感器组的信号输入端，所述电流或电压传感器组的信号输出端分别连接高频检测信号注入机构的电流或电压信号输入端，以及带通滤波器的电流或电压信号输入端，所述带通滤波器的输出端连接控制器用于向控制器提供电机绕组所需的高频电流或电压分量，所述控制器的一个输出端连接所述逆变器的信号输入端用于向逆变器提供驱动指令，所述控制器的另一个输出端连接所述高频检测信号注入机构的指令输入端，用于向高频检测信号注入机构提供高频脉冲频率指令。
本发明的高精度低噪音无刷直流电机无位置传感器控制系统及方法，能够扩大无刷直流电机调速范围、提高位置检测精度。具有如下有益效果
1、本发明可以产生频率高于20kHz的高频检测信号，检测时不会产生噪音。
2、不依赖无刷直流电机的逆变器即可注入高频检测信号，降低了对逆变器开关元件快速开关的要求，降低了系统成本，也降低了开关损耗。
3、本发明通过使用高频检测信号注入方法，检测电机断开相电感大小估计转子位置。高频检测信号注入机构一端与电机绕组连接，另一端与电机中性点、或是电机机壳、或是与机壳电势一致的地连接，检测信号与驱动电压互不影响，提高了位置信号的精度、准确性和实时性，便于对无刷直流电机的运动进行精确控制，并具有很好的低速和零速性能。
4、高频检测信号频率高，作用电机绕组时阻抗大，电流较小，不会造成电机转矩脉动。
附图说明
图1是本发明高精度低噪音无刷直流电机无位置传感器控制系统的原理图；
图2是本发明中耦合电路的第一实例原理图；
图3是本发明中耦合电路的第二实例原理图；
图4是本发明中耦合电路的第三实例原理图；
图5是本发明中信号源电路的一种电路原理图；
图6是无刷直流电机三相绕组电感的大小与转子位置关系示意图。
图中
1：逆变器 2：电机绕组
3：电机机壳 4：耦合电路
5：电流或电压传感器组 51：第一电流或电压传感器
52：第二电流或电压传感器 53：第三电流或电压传感器
6：控制器 7：信号源
71：第一信号源 72：第二信号源
73：第三信号源 8：带通滤波器
9：电源
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的高精度低噪音无刷直流电机无位置传感器控制系统及方法做出详细说明。
如图1所示，本发明的高精度低噪音无刷直流电机无位置传感器控制系统，包括有电机绕组2和电机机壳3，以及电源输入端连接电源9用于向电机绕组2提供电源的逆变器1，所述逆变器1的输出端与电机绕组2之间连接有用于向电机绕组2提供高频检测信号的高频检测信号注入机构，所述电机绕组2的中性点或电机机壳3连接用于采集电机绕组2的三相输出电流信号的电流或电压传感器组5的信号输入端，所述电流或电压传感器组5的信号输出端分别连接高频检测信号注入机构的电流或电压信号输入端，以及带通滤波器8的电流或电压信号输入端，所述带通滤波器8的输出端连接控制器6用于向控制器6提供电机绕组2所需的高频电流或电压分量，所述控制器6的一个输出端连接所述逆变器1的信号输入端用于向逆变器1提供驱动指令，所述控制器6的另一个输出端连接所述高频检测信号注入机构的指令输入端，用于向高频检测信号注入机构提供高频脉冲频率指令。
当电机机壳3上有电机绕组2的中性点引出线时，所述电流或电压传感器组5的信号输入端与电机中性点引出线连接，当电机机壳3上无电机绕组2的中性点引出线时，所述电流或电压传感器组5的信号输入端与电机机壳3或电机机壳3的接地端连接。当电机机壳3上无电机绕组2的中性点引出线时，对于高频信号来说，将中性点与电机机壳3之间的介质空间视为一个串联的电容Cv。
如图1所示，所述的高频检测信号注入机构包括有信号源7和与信号源7的输出端相连的耦合电路4，所述信号源7的输入端连接所述控制器6的输出端接收高频脉冲频率指令，所述信号源7根据高频脉冲频率指令产生高频检测脉冲信号，并输出给耦合电路4，所述耦合电路4的输出端连接在所述逆变器1的输出端与电机绕组2的输入端之间用于向电机绕组2提供高频检测信号。
本发明中，电机是无刷直流电机。从图1中可见，在电源传输线上的逆变器1的输出侧存在一套独立的高频检测信号注入机构，其中高频检测信号注入机构由信号源7和耦合电路4构成，高频检测信号以固定频率形式由信号源7产生，信号源7产生的高频信号通过耦合电路4直接传递到无刷直流电机的电源线上。由于高频检测信号注入断开相绕组时，逆变器1的开关管为关断状态，故高频检测信号进不到逆变器1和电网中，避免了由于逆变器1和电网的电感差异带来的检测误差。
本发明实施例中，
所述的控制器6可以采用基于TMS320 F28335的控制器。
所述的带通滤波器8可以采用型号为CF61A4801C或CF61A8001C或CF61A8701的芯片。
构成所述信号源7的第一信号源71、第二信号源72和第三信号源73结构相同，可以采用型号为AD9834或AD9951或ICM7555的芯片。图5是第一信号源71、第二信号源和第三信号源73的一种电路结构。该电路可以产生一个固定频率的高频检测信号，其输出频率f＝1/[1.278(R2+RP)C7]，可见其高频信号的频率取决于电阻R2、RP和电容C7的选择。
本发明的高精度低噪音无刷直流电机无位置传感器控制系统中，对于不同的信号源7可以选择不同的耦合电路4。
如图2所示，所述的耦合电路4包括有三组变压器，其中，第一变压器T1副边的一端通过第一电容C1连接电机绕组2的A相，另一端连接电流或电压传感器组5中的第一电流或电压传感器51的信号输出端；第二变压器T2副边的一端通过第二电容C2连接电机绕组2的B相，另一端连接电流或电压传感器组5中的第二电流或电压传感器52的信号输出端；第三变压器T3副边的一端通过第三电容C3连接三相绕组电机绕组2的C相，另一端连接电流或电压传感器组5中的第三电流或电压传感器53的信号输出端；所述信号源7包括有连接在所述第一变压器T1原边的第一信号源71，连接在所述第二变压器T2原边的第二信号源72，以及连接在所述第三变压器T3原边的第三信号源73。
如图3所示，所述的耦合电路4包括有第四电容C4、第五电容C5和第六电容C6，以及第一三极管S1、第二三极管S2和第三三极管S3，所述信号源7包括有第一信号源71、第二信号源72和第三信号源73，其中，所述第四电容C4的一端连接第一信号源71的输出端，另一端连接电机绕组2的A相，所述第五电容C5的一端连接第二信号源72的输出端，另一端连接电机绕组2的B相，所述第六电容C6的一端连接第三信号源73的输出端，另一端连接电机绕组2的C相；所述第一三极管S1的发射极连接第一信号源71的地端，集电极连接电流或电压传感器组5中的第二电流或电压传感器52的信号输出端，所述第二三极管S2的发射极连接第二信号源72的地端，集电极连接第二电流或电压传感器52的信号输出端，所述第三三极管S3的发射极连接第三信号源73的地端，集电极连接电流或电压传感器组5中的第三电流或电压传感器53的信号输出端；所述第一三极管S1、第二三极管S2和第三三极管S3的基极作为开关触发端连接所述控制器6的开关控制信号输出端。
如图4所示，所述的耦合电路4包括有包括有三组变压器，所述信号源7包括有第一信号源71、第二信号源72和第三信号源73，其中，第一变压器T1副边的一端连接电机绕组2的A相，另一端连接电流或电压传感器组5中的第一电流或电压传感器51的信号输出端；第二变压器T2副边的一端连接电机绕组2的B相，另一端连接电流或电压传感器组5中的第二电流或电压传感器52的信号输出端；第三变压器T3副边的一端连接三相绕组电机绕组2的C相，另一端连接电流或电压传感器组5中的第三电流或电压传感器53的信号输出端；所述第一变压器T1原边的一端连接第一信号源71的输出端，另一端通过第一三极管S1连接第一信号源71的地端，所述第二变压器T2原边的一端连接第二信号源72的输出端，另一端通过第二三极管S2连接第二信号源72的地端，所述第三变压器T3原边的一端连接第三信号源73的输出端，另一端通过第三三极管S3连接第三信号源73的地端；所述第一三极管S1、第二三极管S2和第三三极管S3的基极作为开关触发端连接所述控制器6的开关控制信号输出端。
本发明中的检测机构是由电流或电压传感器和带通滤波器组成，电流或电压传感器测量无刷直流电机的断开相高频电流或电压信号，断开相高频电流或电压信号经过带通滤波器滤波后送入控制器计算得到位置信号，控制器向逆变器发送驱动指令。
本发明的高精度低噪音无刷直流电机无位置传感器控制系统的控制方法，通过信号源7产生高频检测脉冲信号，所述的高频检测脉冲信号通过耦合电路4耦合到无刷直流电机的电机绕组2上，通过电流或电压传感器5检测电机绕组2的高频响应电流或电压，经过带通滤波器8后，控制器6得到其中的高频电流或电压分量，再根据高频电流或电压分量的最大值估计转子位置，并选择开关导通状态控制电机进行换相。
本发明的高精度低噪音无刷直流电机无位置传感器控制系统的控制方法中，当逆变器1导通状态为A+B-时，C相为断开相，此时信号源7通过耦合电路4向电机绕组2的C相绕组注入高频检测信号，由于在高频条件下，电机绕组电阻R＜＜XL，所以电机绕组2的的电阻可以忽略不计，此时可由公式高频电流
得到电机绕组2的C相绕组的高频电流，XL为绕组电感的阻抗，XC为电机绕组2的中性点与机壳之间的等效电容的阻抗，若此时高频电流幅值较小，则通过电阻将电流信号放大为高频电压信号，由电压传感器采回。由于电机绕组2的中性点与机壳之间的等效电容不变，所以XC也不变，若电机有中性点引出线，则XC＝0。所以，高频电流i与绕组电感的阻抗XL呈反比例关系，当XL取得最小值时，即绕组电感最小时，i最大，而由图6可知，当检测到高频电流或电压分量最大值时，C相绕组电感最小时，这时转子位置为电机反电势过零点处，再延时30电角度即得到电机换相点，控制器6选择开关导通状态使电机进行换相。
Claims (8)
1.一种高精度低噪音无刷直流电机无位置传感器控制系统，包括有电机绕组(2)和电机机壳(3)，以及电源输入端连接电源(9)用于向电机绕组(2)提供电源的逆变器(1)，其特征在于，所述逆变器(1)的输出端与电机绕组(2)之间连接有用于向电机绕组(2)提供高频检测信号的高频检测信号注入机构，所述电机绕组(2)的中性点或电机机壳(3)连接用于采集电机绕组(2)的三相输出电流信号的电流或电压传感器组(5)的信号输入端，所述电流或电压传感器组(5)的信号输出端分别连接高频检测信号注入机构的电流或电压信号输入端，以及带通滤波器(8)的电流或电压信号输入端，所述带通滤波器(8)的输出端连接控制器(6)用于向控制器(6)提供电机绕组(2)所需的高频电流或电压分量，所述控制器(6)的一个输出端连接所述逆变器(1)的信号输入端连接用于向逆变器(1)提供驱动指令，所述控制器(6)的另一个输出端连接所述高频检测信号注入机构的指令输入端，用于向高频检测信号注入机构提供高频脉冲频率指令。
2.根据权利要求1所述的高精度低噪音无刷直流电机无位置传感器控制系统，其特征在于，当电机机壳(3)上有电机绕组(2)的中性点引出线时，所述电流或电压传感器组(5)的信号输入端与电机中性点引出线连接，当电机机壳(3)上无电机绕组(2)的中性点引出线时，所述电流或电压传感器组(5)的信号输入端与电机机壳(3)或电机机壳(3)的接地端连接。
3.根据权利要求2所述的高精度低噪音无刷直流电机无位置传感器控制系统，其特征在于，当电机机壳(3)上无电机绕组(2)的中性点引出线时，对于高频信号来说，将中性点与电机机壳3之间的介质空间视为一个串联的电容Cv。
4.根据权利要求1所述的高精度低噪音无刷直流电机无位置传感器控制系统，其特征在于，所述的高频检测信号注入机构包括有信号源(7)和与信号源(7)的输出端相连的耦合电路(4)，所述信号源(7)的输入端连接所述控制器(6)的输出端接收高频脉冲频率指令，所述信号源(7)根据高频脉冲频率指令产生高频检测脉冲信号，并输出给耦合电路(4)，所述耦合电路(4)的输出端连接在所述逆变器(1)的输出端与电机绕组(2)之间用于向电机绕组(2)提供高频检测信号。
5.根据权利要求1所述的高精度低噪音无刷直流电机无位置传感器控制系统，其特征在于，所述的耦合电路(4)包括有三组变压器，其中，第一变压器(T1)副边的一端通过第一电容(C1)连接电机绕组(2)的A相，另一端连接电流或电压传感器组(5)中的第一电流或电压传感器(51)的信号输出端；第二变压器(T2)副边的一端通过第二电容(C2)连接电机绕组(2)的B相，另一端连接电流或电压传感器组(5)中的第二电流或电压传感器(52)的信号输出端；第三变压器(T3)副边的一端通过第三电容(C3)连接三相绕组电机绕组(2)的C相，另一端连接电流或电压传感器组(5)中的第三电流或电压传感器(53)的信号输出端；所述信号源(7)包括有连接在所述第一变压器(T1)原边的第一信号源(71)，连接在所述第二变压器(T2)原边的第二信号源(72)，以及连接在所述第三变压器(T3)原边的第三信号源(73)。
6.根据权利要求1所述的高精度低噪音无刷直流电机无位置传感器控制系统，其特征在于，所述的耦合电路(4)包括有第四电容(C4)、第五电容(C5)和第六电容(C6)，以及第一三极管(S1)、第二三极管(S2)和第三三极管(S3)，所述信号源(7)包括有第一信号源(71)、第二信号源(72)和第三信号源(73)，其中，所述第四电容(C4)的一端连接第一信号源(71)的输出端，另一端连接电机绕组(2)的A相，所述第五电容(C5)的一端连接第二信号源(72)的输出端，另一端连接电机绕组(2)的B相，所述第六电容(C6)的一端连接第三信号源(73)的输出端，另一端连接电机绕组(2)的C相；所述第一三极管(S1)的发射极连接第一信号源(71)的地端，集电极连接电流或电压传感器组(5)中的第二电流或电压传感器(52)的信号输出端，所述第二三极管(S2)的发射极连接第二信号源(72)的地端，集电极连接第二电流或电压传感器(52)的信号输出端，所述第三三极管(S3)的发射极连接第三信号源(73)的地端，集电极连接电流或电压传感器组(5)中的第三电流或电压传感器(53)的信号输出端；所述第一三极管(S1)、第二三极管(S2)和第三三极管(S3)的基极作为开关触发端连接所述控制器(6)的开关控制信号输出端。
7.根据权利要求1所述的高精度低噪音无刷直流电机无位置传感器控制系统，其特征在于，所述的耦合电路(4)包括有包括有三组变压器，所述信号源(7)包括有第一信号源(71)、第二信号源(72)和第三信号源(73)，其中，第一变压器(T1)副边的一端连接电机绕组(2)的A相，另一端连接电流或电压传感器组(5)中的第一电流或电压传感器(51)的信号输出端；第二变压器(T2)副边的一端连接电机绕组(2)的B相，另一端连接电流或电压传感器组(5)中的第二电流或电压传感器(52)的信号输出端；第三变压器(T3)副边的一端连接三相绕组电机绕组(2)的C相，另一端连接电流或电压传感器组(5)中的第三电流或电压传感器(53)的信号输出端；所述第一变压器(T1)原边的一端连接第一信号源(71)的输出端，另一端通过第一三极管(S1)连接第一信号源(71)的地端，所述第二变压器(T2)原边的一端连接第二信号源(72)的输出端，另一端通过第二三极管(S2)连接第二信号源(72)的地端，所述第三变压器(T3)原边的一端连接第三信号源(73)的输出端，另一端通过第三三极管(S3)连接第三信号源(73)的地端；所述第一三极管(S1)、第二三极管(S2)和第三三极管(S3)的基极作为开关触发端连接所述控制器(6)的开关控制信号输出端。
8.一种权利要求1所述的高精度低噪音无刷直流电机无位置传感器控制系统的控制方法，其特征在于，通过信号源(7)产生高频检测脉冲信号，所述的高频检测脉冲信号通过耦合电路(4)耦合到电机绕组(2)上，通过电流或电压传感器(5)检测电机绕组(2)的高频响应电流或电压，经过带通滤波器(8)后，控制器(6)得到其中的高频电流或电压分量，再根据高频电流或电压分量的最大值估计转子位置，并选择开关导通状态控制电机进行换相。
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