CN111342713A - 一种单相无刷直流电机双向起动的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单相无刷直流电机双向起动的控制方法，该方法通过在电机无法起动的状态下，对转子位置进行重新定位，增大电机起动时的转子加速角度，使电机能够成功起动。本发明有效地提高了单相无刷直流电机的起动能力，能够解决单相无刷直流电机反向起动困难的问题；通过实验验证，本发明中的单相无刷直流电机正、反向都能成功起动，其控制效果十分明显。

Description

一种单相无刷直流电机双向起动的控制方法
技术领域
本发明属于电机控制领域，尤其涉及一种单相无刷直流电机双向起动的控制方法。
背景技术
单相无刷直流电机由于制造简单，成本较低，广泛应用于低成本、小功率的设备，如风机、水泵等。
单相无刷直流电机受到的转矩主要分为两类：一类是由于电机转动时定、转子之间气隙磁导发生变化引起的齿槽转矩，另一类是电动机定、转子磁动势相互作用产生的电磁转矩。
单相无刷直流电机静止时会停在齿槽转矩为零的位置，当采用对称结构时，齿槽转矩和电磁转矩的零点重合，通电后无法起动，这一位置称为死点。为解决起动死点问题，常将电机本体设计成不对称结构，使零电磁转矩位置和零齿槽转矩位置成一定角度，实现单相无刷直流电机的自起动。
但由于结构的不对称性，单相无刷直流电机双向起动能力有所差异，难以反向起动。因此，在单相无刷直流电机的研究中，十分有必要对起动的控制进行优化，采用合适的控制方法，提高单相无刷直流电机的双向起动能力。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种单相无刷直流电机双向起动的控制方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种单相无刷直流电机双向起动的控制方法，包括以下步骤：
(1)在第k个采样周期内，采集转子位置信号hallk。
(2)判断是否k≥2：如是，继续执行步骤(3)；如否，则跳转至步骤(5)。
(3)判断是否hallk＝hallk-1：如是，继续执行步骤(4)；如否，根据步骤(1)采集的转子位置信号hallk，导通使电机沿目标转向旋转的一对功率管，得到电压给定信号
Figure BDA0002398676260000011
跳转至步骤(6)；其中umax为软起动的电压限幅值。
(4)计算电机的起动时间k·Ts，其中tmax为电机起动最长时间，Ts为采样周期；判断是否k·Ts＞tmax：如是，根据步骤(1)采集的转子位置信号hallk，导通使电机沿目标转向的反方向旋转的一对功率管，得到电压给定信号
Figure BDA0002398676260000021
跳转至步骤(6)；如否，跳转至步骤(5)。
(5)根据步骤(1)采集的转子位置信号hallk，导通使电机沿目标转向旋转的一对功率管，根据方波软起动的起动控制方法，得到电压给定信号
Figure BDA0002398676260000022
Figure BDA0002398676260000023
式中，umin、n、tstep分别为软起动的电压初始值、升压步数、每步时间间隔，int表示将浮点类型变量转换为整型变量。
(6)根据电压给定信号
Figure BDA0002398676260000024
输出电压起动电机。
进一步地，所述步骤(1)中转子位置信号hallk由位置传感器获得。
进一步地，所述步骤(1)中转子位置信号hallk由霍尔传感器获得。
进一步地，所述步骤(1)中转子位置信号hallk由无传感器的控制方法获得。
进一步地，所述步骤(1)中转子位置信号hallk由磁链观测器获得。
本发明的有益效果是：本发明一种单相无刷直流电机双向起动的控制方法通过在电机无法起动的状态下，对转子位置进行重新定位，增大电机起动时的转子加速角度，使电机能够成功起动。本发明有效地提高了单相无刷直流电机的起动能力，能够解决单相无刷直流电机反向起动困难的问题；通过实验验证，本发明中的单相无刷直流电机正、反向都能成功起动，其控制效果十分明显。
附图说明
图1为单相无刷直流电机的主电路图；
图2为单相无刷直流电机反向起动转子位置信号与电流实验波形图。
具体实施方式
下面根据附图详细说明本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。
单相无刷直流电机SPBLDC的主电路如图1所示，设置电机正转和反转时对应的导通功率管的顺序，如表1所示。
表1单相无刷直流电机功率管导通顺序实例
Figure BDA0002398676260000025
根据转子位置信号和目标转向分别导通图1中G1、G4和G3、G2两对不同的功率管，改变绕组中的电流方向，保持转子的连续旋转。单相无刷直流电机的结构包含但不限于阶梯气隙结构、极弧不对称结构、极靴开槽结构、辅助磁极结构、气隙渐变结构、轴向结构。
本发明一种单相无刷直流电机双向起动的控制方法通过在电机无法起动的状态下，对转子位置进行重新定位，增大电机起动时的转子加速角度，使电机能够成功起动。本发明的控制方法适用于单相无刷直流电机正向、反向起动，采用目标转向为反转为例阐述本发明的具体实施方式。本发明单相无刷直流电机双向起动的控制方法包括以下步骤：
(1)在本系统的第k个采样周期内，采集转子位置信号hallk；采样周期为Ts；所述转子位置信号hallk，可以由位置传感器(霍尔传感器)获得，或由无传感器的控制方法(磁链观测器)获得。
(2)判断是否k≥2：如果是，继续执行步骤(3)；如果否，则本周期是系统的第1个采样周期，跳转至步骤(5)；
(3)判断是否hallk＝hallk-1：如果是，表明转子位置信号hallk未经过换相点，继续执行步骤(4)；如果否，表示转子位置信号经过换相点，根据步骤(1)采集的转子位置信号hallk，导通使电机沿目标转向(本例为反向)旋转的一对功率管，如果转子位置信号从hallk-1＝1到hallk＝0，则导通G1、G4，如果转子位置信号从hallk-1＝0到hallk＝1，则导通G3、G2，电压给定信号
Figure BDA0002398676260000031
起动过程结束，电机切入正常运行状态，跳过以下步骤；
(4)在步骤(3)判断结果为是的情况下，计算电机的起动时间k·Ts，其中tmax为设定的电机起动最长时间，判断是否k·Ts＞tmax：如果是，根据步骤(1)采集的转子位置信号hallk，导通使电机沿与目标转向相反的方向(本例为正向)旋转的一对功率管，如果转子位置信号hallk为0，则导通G3、G2，如果转子位置信号hallk为1，则导通G1、G4，电压给定信号
Figure BDA0002398676260000032
跳过步骤(5)；如果否，跳转至步骤(5)；
(5)根据步骤(1)采集的转子位置信号hallk，导通使电机沿目标转向(本例为反向)旋转的一对功率管，如果转子位置信号hallk为0，则导通G1、G4，如果转子位置信号hallk为1，则导通G3、G2。根据方波软起动的起动控制方法，得到电压给定信号
Figure BDA0002398676260000033
并输出，表达式如式(1)所示：
Figure BDA0002398676260000034
式中，umin、umax、n、tstep分别为软起动的电压初始值、电压限幅值、升压步数、每步时间间隔，int为将浮点类型变量转换为整型变量的强制转换。
以一台具有渐变气隙的单相无刷直流电机的研究进行本发明的控制效果分析。直流母线电压310V，电机的极对数为2。图2为单相无刷直流电机反向起动时的转子位置信号与电流的实验波形，本例中电机最长起动时间tmax设置为0.35s，在0～0.35s内，转子位置信号为0，导通使电机沿反向旋转的一对功率管G1、G4，电流方向为正，在软起动控制下电流分步上升，但转子始终没有经过换相点，电机未能成功起动，时间达到tmax后，转子位置信号为0，导通使电机正向旋转的一对功率管G3、G2，电流方向为负，转子沿正向加速旋转，当转子位置信号变为1(5V)后，即转子经过换相点后，导通使电机反向旋转的一对功率管G3、G2，电流方向为负，正向旋转的转子速度降低到零，重新定位于零速度位置后沿反向旋转，此时转子反向旋转的加速角度较大，可以成功反向起动。
以上描述了本发明的主要特征以及本发明的优点，上述仅是本发明的一种实例，并非对本发明做任何形式上的限制，对于应用于其他极对数的单相无刷直流电机，利用强制换相对转子进行重定位的控制策略来说也属于本发明的范围之内。任何熟悉本技术的人员可能对本发明中的方法进行变更或修饰来达到相同的效果，凡是未脱离本发明的任何变化的，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种单相无刷直流电机双向起动的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在第k个采样周期内，采集转子位置信号hallk。
(2)判断是否k≥2：如是，继续执行步骤(3)；如否，则跳转至步骤(5)。
(3)判断是否hallk＝hallk-1：如是，继续执行步骤(4)；如否，根据步骤(1)采集的转子位置信号hallk，导通使电机沿目标转向旋转的一对功率管，得到电压给定信号
Figure FDA0002398676250000011
跳转至步骤(6)；其中umax为软起动的电压限幅值。
(4)计算电机的起动时间k·Ts，其中tmax为电机起动最长时间，Ts为采样周期；判断是否k·Ts＞tmax：如是，根据步骤(1)采集的转子位置信号hallk，导通使电机沿目标转向的反方向旋转的一对功率管，得到电压给定信号
Figure FDA0002398676250000012
跳转至步骤(6)；如否，跳转至步骤(5)。
(5)根据步骤(1)采集的转子位置信号hallk，导通使电机沿目标转向旋转的一对功率管，根据方波软起动的起动控制方法，得到电压给定信号
Figure FDA0002398676250000013
Figure FDA0002398676250000014
式中，umin、n、tstep分别为软起动的电压初始值、升压步数、每步时间间隔等，int表示将浮点类型变量转换为整型变量。
(6)根据电压给定信号
Figure FDA0002398676250000015
输出电压起动电机。
2.根据权利要求1所述单相无刷直流电机双向起动的控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中转子位置信号hallk由位置传感器获得。
3.根据权利要求1所述单相无刷直流电机双向起动的控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中转子位置信号hallk由霍尔传感器获得。
4.根据权利要求1所述单相无刷直流电机双向起动的控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中转子位置信号hallk由无传感器的控制方法获得。
5.根据权利要求1所述单相无刷直流电机双向起动的控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中转子位置信号hallk由磁链观测器获得。
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