CN111585480A - 无位置传感器bldcm转子初始位置检测电路及方法 - Google Patents

无位置传感器bldcm转子初始位置检测电路及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种无位置传感器BLDCM转子初始位置检测电路及方法。本发明中的检测电路由电源、控制器、逆变器、电压采集电路以及无刷直流电机本体组成。本发明提出了一种通过注入二三相混合导通所产生的12个电压空间矢量，可以将转子位置定位在30°扇区范围内的无刷直流电机转子位置检测方法。本发明不仅解决了无位置传感器无刷直流电机在静止时转子位置难以检测的问题，而且能有效避免电机启动反转，并提高电机启动时的带载能力，该方法实现仅需使用电压检测单元，对AD采样的精度要求较低，极大降低了电机的控制成本。

Description

无位置传感器BLDCM转子初始位置检测电路及方法
技术领域
本发明属于无刷直流电机控制技术领域，特别涉及一种无位置传感器 BLDCM转子初始定位方法。
背景技术
无刷直流电机(Brushless DC Motor，BLDCM)在继承了直流电机控制简单、效率高等优点的同时，又解决了其机械换相所带来的火花、噪音等问题，因此在很多行业，BLDCM均得到了广泛应用。常规BLDCM依靠位置传感器获得转子位置，以保证电机的可靠启动。然而，位置传感器不仅增加了电机体积，而且对使用环境还有一定要求，因此在某些特殊场合，BLDCM的使用仍将受到限制。
近几年，伴随BLDCM的快速发展，国内外专家学者提出了许多用于确定无位置传感器BLDCM转子初始位置的方法，这些方法大致可分为两类：一类是转子预定位法，该类方法常被用于电机的三段式启动过程。但由于该类方法注入的电压空间矢量与转子磁场相对位置未知，因此使用该类方法时很可能使电机发生反转。另一类方法则是基于磁饱和效应的位置检测方法。在电机内部，绕组磁路磁饱和程度的变化可通过绕组电感的变化呈现，因此该类方法也被称之为电感法，此方法根据注入信号的不同类型又分为电压空间矢量注入法和高频信号注入法。相比转子预定位法，基于磁场饱和效应的转子初始定位法虽难度较大，但能有效防止电机启动反转。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种适用于检测无刷直流电机转子初始位置的电路以及方法。本发明不仅可以解决无位置传感器无刷直流电机在静止时转子位置难以检测的问题，而且能有效避免电机启动反转，并提高电机启动时的带载能力。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明中的检测电路由电源、控制器、逆变器、电压采集电路以及无刷直流电机本体组成。其中控制器用于处理经AD模块采集到的三相端电压信号，通过对端电压信号分析可获得各相绕组续流时长，判断转子所在的位置，继而决定是否继续施加用于检测转子位置的电压空间矢量。逆变器采用全桥逆变器，每个功率开关管均并联了一续流二极管。电压采集电路分为三组，分别由两两串联的分压电阻、稳压二极管以及滤波电容组成，三组电压采集电路分别对电机三相定子绕组的端电压进行采样。无刷直流电机的三相定子绕组采用三相星型连接。所述控制器型号为TMS320F28335。所述逆变器电路采用了IPM模块，型号为PS21765。所述电压采集电路中采用10kΩ的分压电阻，0.1μF的滤波电容，3V的稳压二极管。所述无刷直流电机的型号为57BLF01。
对应的无刷直流电机转子初始位置检测方法，包括如下步骤：
一：转子所在对称扇区位置检测
由于绕组磁路的磁饱和效应，绕组电感值会表现出随转子转动的正弦性周期变化，在分析转子永磁体对绕组磁路的磁饱和响应时，不区分永磁体N极和S 极，因此绕组电感的变化周期为电周期的一半，同时由于三相绕组的对称性，三相绕组电感值随转子位置的变化曲线波形一致，且相位互差120°/2电角度。综上可知，当转子N极(或S极)位于θ°和(θ+180)°位置时，三相绕组电感值具有相同的大小关系，因此首先应利用三相绕组电感值的大小关系确定转子所在的对称扇区位置。
步骤1：选择十二个基本电压空间矢量中的一个首先进行注入。为获取更大的电流，本发明采用三相导通形成的6个电压空间矢量中的任意一个作为该过程注入的电压空间矢量。
步骤2：在电压空间矢量注入结束时对三相定子绕组中续流流向相同的两相绕组进行续流时长检测，同时由控制器完成对这两相定子绕组续流时长的存储和比较。续流时间的长短决定了转子的位置，同时决定了接下来需要注入哪一个电压空间矢量。
步骤3：第二个电压空间矢量的注入。转子所在对称扇区位置的检测需要获得三相绕组电感值之间的大小关系，这也就意味着只要明确了三相绕组续流时长的相互关系即可停止注入电压空间矢量。因此，此时应选择与第一个注入的电压空间矢量的夹角成120°的电压空间矢量进行注入。
步骤4：此步骤同步骤2。若由此步得知tc>tb，而在第2步中得知ta>tb，则并不能获得三相续流时长相互之间的大小关系，需继续注入电压空间矢量以获得 a相和c相的续流时长比较结果。而若此步中得知tb>tc，则结合第2步中的结果有ta>tb>tc，此时即可获得三相绕组电感值的大小关系，继而推导出转子所在的对称扇区位置。停止电压空间矢量的继续注入。
步骤5：第三个电压空间矢量的注入。当上一步中仍未获得三相绕组续流时长相互间的大小关系时，需执行此步骤。选择与第一、第二个注入的电压空间矢量的夹角互为120°的电压空间矢量进行注入。
步骤6：此步骤同步骤2。若步骤4中未结束转子所在对称扇区位置的检测，则此步将获得三相绕组续流时长相互间的大小关系，最终判断出转子所在的对称扇区位置。
二：转子N极所在扇区判断
确定转子所在的对称扇区位置后，并不知晓转子的哪一边是N极，哪一边是S极，因此需要继续对转子的N极所在扇区进行判断。此过程注入的电压空间矢量应满足其形成的磁场与转子磁场夹角尽量小，以产生最明显的增磁和去磁作用，即表现为最大程度的增加磁饱和度和降低磁饱和度，同时选择导通相中磁饱和程度受此影响更大的定子绕组进行续流时长检测。综上所述，选择产生磁场与转子磁场方向相同和相反的一对电压空间矢量注入，选择交链永磁磁通最多的一相绕组进行续流时长对比将会得到最明显的效果。
步骤1：根据已确定的转子所在对称扇区位置，选择两对划分该对称扇区的任意一对方向相反的电压空间矢量进行注入。
步骤2：两电压空间矢量注入后，分别对导通相中磁饱和程度受此影响更大的定子绕组进行续流时长检测。续流时长短的绕组所产生的磁场方向更靠近转子N极，因此对比了续流时长后即可判断出转子N及所在的扇区位置。
本发明的优点在于：
(1)本发明仅需在定子绕组续流时进行电压采样，无需电流采样，难度小，成本低；
(2)本发明以BLDCM二三相混合导通所形成的十二个电压空间矢量作为注入信号，以十二个电压空间矢量均分的12个30°扇区作为转子定位目标，在注入信号容易获取的同时也保证了较高的定位精度。
附图说明
图1为系统整体电路简图；
图2为十二个基本电压空间矢量和扇区分布图；
图3为a、b相端电压波形图；
图4为U3作用下转子扇区位置判断；
图5为b、c相端电压波形图；
图6为U7作用下转子扇区位置判断；
图7为a、c相端电压波形图；
图8为U11作用下转子扇区位置判断；
图9为b相端电压波形图；
图10为U4、U10作用下转子扇区位置判断；
图11为转子扇区位置检测步骤流程框图。
具体实施方式
接下来将结合实施例和附图对本发明进行详细说明
本实施例的系统整体电路结构如图1所示。控制器的控制芯片采用TMS320F28335，主要使用了其中的PWM模块和AD转换模块，PWM模块用于控制逆变器六个功率开关管以产生检测转子位置所需注入的电压空间矢量，而 AD转换模块则用于对三相绕组端电压进行采集。电压采集电路采用了两个电阻进行分压，电阻阻值为10kΩ，在DSP的AD模块对电压信号进行采集前，由电容对信号进行了滤波处理，并由稳压二极管对DSP的AD模块进行了过压保护。
电路设计好后，将按照上文所述的步骤对转子扇区位置进行检测。由DSP 经PWM模块输出开关信号，通过对逆变器六个开关管的控制可以形成12个基本电压空间矢量，如图2所示。接下来将以电机转子位置位于图中所示的第4 扇区为例，检验按照本发明中所提位置检测方法检测的转子位置是否与实际转子位置相同。
步骤1：注入电压空间矢量U3。此时由DSP产生的开关信号使逆变器的功率开关AL、BL、CH导通，电流由c相流入，a、b相流出，电压矢量需维持20ms，以保证电路达到稳态。
步骤2：分别检测a、b相绕组续流时长；a、b相续流波形如附图3所示。结合图3可知，续流时长ta>tb。
步骤3：对检测结果进行分析，确定后续需注入的电压空间矢量。ta>tb，意味着a相绕组储存的能量更多，电感值更大，基于绕组磁路的磁饱和效应分析， a相绕组磁路的磁饱和度低于b相绕组的磁饱和度，即a相绕组交链的永磁磁通更少，因此转子位置应远离a相绕组轴线。由此确定的转子位置应位于附图4中所示阴影位置。
步骤4：注入的电压空间矢量为U7，此时由DSP产生的开关信号使逆变器的功率开关AH、BL、CL导通，电流经a相流入，b、c相流出。
步骤5：分别检测b相和c相绕组的续流时长。b、c相续流波形如附图5所示。结合图5可知，续流时长tb<tc。
步骤6：根据上一步骤中的检测结果，并结合之前的分析可知，转子位置应位于附图6中所示阴影位置。
步骤7：由于仍未确定转子位于哪一对对称扇区范围内，因此需要继续注入电压空间矢量为U11，此时由DSP产生的开关信号使逆变器的功率开关AL、BH、 CL导通，电流经b相流入，a、c相流出。
步骤8：该步将分别检测a相和c相绕组的续流时长。a、c相续流波形如附图7所示。结合图7可知,续流时长ta>tc。
步骤9：根据上一步中的检测结果，并结合之前的分析可知，转子位置应位于附图8中所示阴影位置。
步骤10：由以上步骤已确定了转子所在的对称扇区位置，接下来将根据转子所在的扇区位置选择合适的电压空间矢量对进行注入，以判断出转子N极所在的扇区位置。根据附图2，对称扇区4和10分别由电压空间矢量U4、U10,U5、 U11所划分，因此接下来可任意选择其中一对电压空间矢量进行注入。
步骤11：本实施例选择电压空间矢量对U4、U10进行注入。U4注入时，电流由b相流入c相流出，U10注入时，电流由c相流入b相流出。
步骤12：由于b相绕组相对c相绕组其轴线更加靠近所注入电压矢量产生的磁场方向，即b相绕组磁路的磁饱和度所受所注入的电压空间矢量影响更大，因此选择b相绕组进行续流时长的检测。b相绕组在两个电压空间矢量注入下的续流波形分别如附图9中的Vb1和Vb2所示。续流时长tb1<tb2，由此可知电压空间矢量U4起到了增磁的作用，增加了b相绕组的磁饱和度，因此可确定转子N 极位于电压空间矢量U4磁场所指向扇区，即扇区4，位置如附图10所示。最终的检测结果符合转子实际所在的扇区位置。
综上，给出以上步骤的流程框图如附图11所示，本发明仅需检测三相端电压即可推算出转子初始位置，无需电流传感器进行电流检测，极大降低了位置检测难度，且保证了较高的检测精度。

Claims (4)

1.一种无位置传感器BLDCM转子初始位置检测电路，包括控制器、逆变器和电压采集电路，其特征在于：
所述控制器用于处理经AD模块采集到的三相端电压信号，通过对端电压信号分析可获得各相绕组续流时长，判断转子所在的位置，继而决定是否继续施加用于检测转子位置的电压空间矢量；
所述逆变器采用全桥逆变器，用于产生检测转子位置所需注入的十二个电压空间矢量，全桥逆变器中的六个功率开关管均并联了一续流二极管；
所述电压采集电路分为三组，分别由两两串联的分压电阻、稳压二极管以及滤波电容组成，三组电压采集电路分别对电机三相定子绕组的端电压进行采样。
2.根据权利要求1所述的一种无位置传感器BLDCM转子初始位置检测电路，其特征在于，所述的控制器型号为TMS320F28335；所述逆变器电路采用了IPM模块，型号为PS21765。
3.根据权利要求1所述的一种无位置传感器BLDCM转子初始位置检测电路，其特征在于，所述电压采集电路中采用10kΩ的分压电阻，0.1μF的滤波电容，3V的稳压二极管。
4.一种无位置传感器BLDCM转子初始位置检测方法，采用权利要求1所述的电路，其特征在于，先确定转子所在对称扇区位置，然后再确定转子N极所在扇区；
转子所在对称扇区位置确定过程如下：
步骤1：选择十二个基本电压空间矢量中的任意一个进行注入；
步骤2：在第一个电压空间矢量注入结束时，对三相定子绕组中续流流向相同的两相绕组进行续流时长检测，同时由控制器完成对这两相定子绕组续流时长的存储和比较；
步骤3：第二个电压空间矢量的注入；选择与第一个注入的电压空间矢量的夹角成120°的电压空间矢量进行注入；
步骤4：在第二个电压空间矢量注入结束时，对三相定子绕组中续流流向相同的两相绕组进行续流时长检测，同时由控制器完成对这两相定子绕组续流时长的存储和比较；
若由此步得知tc>tb，而在第2步中得知ta>tb，则并不能获得三相续流时长相互之间的大小关系，需继续注入电压空间矢量以获得a相和c相的续流时长比较结果；
而若此步中得知tb>tc，则结合第2步中的结果有ta>tb>tc，此时即可获得三相绕组电感值的大小关系，继而推导出转子所在的对称扇区位置；停止电压空间矢量的继续注入，其中ta为a相绕组续流时长，tb为b相绕组续流时长，tc为c相绕组续流时长；
步骤5：第三个电压空间矢量的注入；当上一步中仍未获得三相绕组续流时长相互间的大小关系时，需执行此步骤；选择与第一、第二个注入的电压空间矢量的夹角互为120°的第三个电压空间矢量进行注入；
步骤6：在第三个电压空间矢量注入结束时，对三相定子绕组中续流流向相同的两相绕组进行续流时长检测，同时由控制器完成对这两相定子绕组续流时长的存储和比较；此步将获得三相绕组续流时长相互间的大小关系，最终判断出转子所在的对称扇区位置；
转子N极所在扇区确定过程如下：
步骤1：根据已确定的转子所在对称扇区位置，选择两对划分该对称扇区的任意一对方向相反的电压空间矢量进行注入；
步骤2：两电压空间矢量注入后，分别对导通相中磁饱和程度受此影响更大的定子绕组进行续流时长检测；续流时长短的绕组所产生的磁场方向更靠近转子N极，对比续流时长后即可判断出转子N及所在的扇区位置。
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