CN111585482B - 一种无刷直流电机的控制方法 - Google Patents

一种无刷直流电机的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无刷直流电机的控制方法，无刷直流电机的控制方法依次通过变频强拖和定频运转两个阶段就能完成无霍尔传感器的无刷直流电机的启动过程，无刷直流电机只需调节其单个参数中的换相频率对无刷直流电机转子的初始位置进行有效定位，如此即可实现无刷直流电机的启动工作，将大多数无霍尔传感器的无刷直流电机启动控制方法中调节多个参数简化为只需调节换相频率来实现启动工作，从而可降低无刷直流电机启动控制的复杂性，同时还可避免出现电流过大或失步等问题，其方法简单可行，通过反电动势来确定转子的位置，从而进一步提高了转子位置检测的精准性。

Description

一种无刷直流电机的控制方法
技术领域
本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种无刷直流电机的控制方法。
背景技术
无刷直流电机静止时的转子位置是随机的，要顺利启动电机必须先确定转子位置，对于无霍尔传感器的无刷直流电机因为没有感知转子位置的传感器，故确定转子初始位置困难。相关技术中，大多数无霍尔传感器的无刷直流电机启动的方法为：
1、利用电感饱和效应来估算转子初始位置，即向定子电枢绕组注入一系列脉冲电压矢量，寻找使电流响应幅度最大的电压矢量并逐步细分逼近至转子位置，但该方法需用到检测电流响应的高精度传感器且算法比较复杂，增加了系统成本和复杂性；
2、在定子电枢绕组中施加幅值和频率都逐渐增大的旋转电压矢量，并通过二次定位算法来定位转子位置，但该方法引入幅值和频率的矢量调节，需要精确的数学模型作理论支撑，如果数学模型不够精确会影响到电机启动时发生转速或扭矩的震荡。显然上述方法都需要复杂的算法支持，必要时还需要经过多次软件仿真验证，加大了开发难度。
因此对于无霍尔传感器的无刷直流电机来说，如何准确的确定转子的位置就显得尤为重要。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决现有相关技术中存在的问题之一，为此，本发明提出一种无刷直流电机的控制方法，其方法简单可行，通过反电动势来确定转子的位置，从而进一步提高了转子位置检测的精准性。
上述第一个目的是通过如下技术方案来实现的：
一种无刷直流电机的控制方法，所述无刷直流电机的控制方法包括如下步骤：
步骤S101：启动电机，转子转动进入变频强拖阶段，将所述电机的U、V、W三相中的任意一组两相进行导通，并记录导通时间T导通；
步骤S102：判断当前两相的所述导通时间T导通是否达到预设的起始换相时间Tstart；若是，则断开当前的两相并按照预设换相的顺序导通下一组两相，同时累计第一换相次数Tcnt；若否,则将当前的两相持续导通，直至当前两相的所述导通时间T导通达到预设的起始换相时间Tstart；
步骤S103：判断所述第一换相次数Tcnt是否大于等于第一预设系数K，若是，则将所述预设的起始换相时间Tstart按照预设的换相时间缩减量Tperiod进行缩减，并进入步骤S104；若否，则重复步骤S012；
步骤S104：将缩减后的所述起始换相时间Tstart’与预设的结束换相时间Tend进行比较，若缩减后的所述起始换相时间Tstart’大于所述预设的结束换相时间Tend，则同时按照缩减后的所述起始换相时间Tstart’进行重复步骤S012和步骤S103；若缩减后的所述起始换相时间Tstart’小于等于所述预设的结束换相时间Tend，则按照预设转速控制转子均匀转动以进入定频运转阶段。
在一些实施方式中，所述起始换相时间Tstart的设定方法为：Tstart＝
60000/Smin/2/(360/θ)，Tend的设定方法为：Tend＝60000/(Smax*P)/(360/θ)，其中，所述Smin为电机最小转速，θ为电角度，Smax为电机最大转速，P为PWM占空比。
在一些实施方式中，所述P值取值范围为5％-20％。
在一些实施方式中，所述缩减后的起始换相时间通过如下计算公式进行计算得到：
Tstart’＝Tstart-Tperiod×Tcnt，其中所述Tstart’为缩减后的起始换相时间，所述Tstart为预设的起始换相时间，所述Tperiod为预设的换相时间缩减量，Tcnt为第一换相次数。
在一些实施方式中，按照预设转速控制转子均匀转动以进入定频运转阶段后的步骤包括：
判断当前两相的所述导通时间T导通是否达到所述预设的结束换相时间Tend，若是，则断开当前的两相并并按照所述预设换相的顺序导通下一组两相，同时累计第二换相次数Tcent；若否，则将当前的两相持续导通，直至当前两相的所述导通时间T导通达到所述预设的起始换相时间Tstart；
判断第二换相次数Tcent是否大于等于第二预设系数H，若是，则通过检测所述电机的反电动势电压来确定转子的初始位置；若否，则将当前的两相持续导通，直至当前两相的所述导通时间T导通达到所述预设的起始换相时间Tstart。
在一些实施方式中，判断是否检测到所述电机U、V、W的反电动势电压ZCu、ZCv、ZCw，若是，则确定定位到转子的初始位置；若否，则返回继续按照预设转速控制转子均匀转动。
在一些实施方式中，还包括切闭环阶段，在该阶段中，根据检测到的所述转子位置动态调整PWM占空比和换相频率以将所述电机的转速提升至预设目标转速。
在一些实施方式中，还包括步骤速度环控制阶段，在该阶段中，根据设定的目标转速和检测到的所述转子位置实现闭环控制，通过动态调整PWM占空比和换相频率以实现所述电机按照所述预设目标转速匀速转动。
在一些实施方式中，所述预设换相的顺序依次为UW、UV、WV、WU、VU、VW。
与现有技术相比，本发明的至少包括以下有益效果：
1.本发明无刷直流电机的控制方法，其方法简单可行，通过反电动势来确定转子的位置，从而进一步提高了转子位置检测的精准性。
2.其可有效降低无刷直流电机的系统成本，以及还简化了其启动控制的复杂性。
附图说明
图1是本发明实施例中无刷直流电机的控制方法的流程示意图；
图2是本发明实施例中无刷直流电机启动阶段的示意图；
图3是本发明实施例中无刷直流电机的结构示意图；
图4是本发明实施例中不同PWM占空比与转速之间的示意图；
图5是本发明实施例中变频强拖阶段反电动势的第一波形图；
图6是本发明实施例中变频强拖阶段反电动势的第二波形图；
图7是本发明实施例中定频运转阶段中反电动势的波形图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明请求保护的技术方案范围。
实施例一：
如图1至7所示，本实施例提供一种无刷直流电机的控制方法，无刷直流电机的控制方法依次通过变频强拖和定频运转两个阶段就能完成无霍尔传感器的无刷直流电机的启动过程，无刷直流电机只需调节其单个参数中的换相频率对无刷直流电机转子的初始位置进行有效定位，如此即可实现无刷直流电机的启动工作，将大多数无霍尔传感器的无刷直流电机启动控制方法中调节多个参数简化为只需调节换相频率来实现启动工作，从而可降低无刷直流电机启动控制的复杂性，同时还可避免出现电流过大或失步等问题，其方法简单可行，通过反电动势来确定转子的位置，从而进一步提高了转子位置检测的精准性。
在本实施例中，无刷直流电机启动完毕后，依次通过切闭环控制、速度环控制来实现无刷直流电机按照预设目标转速匀速转动。
在本实施例中，应用了本实施例控制方法的无刷直流电机可安装在对动态性能要求不高的电机启动场合，如直流变频吸油烟机，从而有效降低吸油烟机的电机系统成本，同时进一步提高吸油烟机中电机运转的可靠性。
无刷直流电机的控制方法具体包括如下步骤：
步骤S101，启动电机，转子转动进入变频强拖阶段，将电机的U、V、W三相中的任意一组两相进行导通，并记录导通时间T导通。
在本实施例中，接收到无刷直流电机的启动信号后，转子从静止状态开始转动工作以进入变频强拖阶段。
步骤S102，判断当前两相的导通时间T导通是否达到预设的起始换相时间Tstart；若是，则断开当前的两相并按照预设换相的顺序导通下一组两相，同时累计第一换相次数Tcnt；若否,则将当前的两相持续导通，直至当前两相的导通时间T导通达到预设的起始换相时间Tstart。
步骤S103，判断第一换相次数Tcnt是否大于等于第一预设系数K，若是，则将预设的起始换相时间Tstart按照预设的换相时间缩减量Tperiod进行缩减，并进入步骤S104；若否，则重复步骤S012。
在本实施例中，预设换相的顺序依次为UW、UV、WV、WU、VU、VW，如图3所示，无刷直流电机可使转子按顺时钟方向转动，每次由其中一个导通状态切换到下一个导通状态为完成一次换相，本实施例以UW两相导通为例，根据右手定则，U相产生的磁力方向为F1，W相产生的磁力方向为F2，F1和F2的合力方向为Fa，此时转子与Fa方向存在夹角使得转子受到扭力作用而往顺时针方向转动，最终转子停在了N极与Fa平行的方向上，即转子转动到位。本实施例中的起始换相时间Tstart预设为40ms,当然还可以根据实际需求设计为其他更为合适的数值。
步骤S104，将缩减后的起始换相时间Tstart’与预设的结束换相时间Tend进行比较，若缩减后的起始换相时间Tstart’大于预设的结束换相时间Tend，则同时按照缩减后的起始换相时间Tstart’进行重复步骤S012和步骤S103；若缩减后的起始换相时间Tstart’小于等于预设的结束换相时间Tend，则按照预设转速控制转子均匀转动以进入定频运转阶段。
在本实施例中，变频强拖阶段中转子从静止状态开始转动，换相的频率逐渐加快，表现为电机转子转动的速度逐渐加快。由于变频强拖阶段中转子位置为未知，换相频率的改变会出现三种效果，也就是两次换相之间的时间间隔的改变会出现如下几种效果：
a、换相时间过长，转子转动到位后，剩下的时间转子停在原地等待下一次换相，电机的具体表现为电机电流大、转动顿挫、噪音大；
b、换相时间过短，转子没有转动到位，定子磁场就切换到下一相去了，即转子跟不上定子磁场的切换，造成失步，电机的具体表现为电机电流大，但转子不能规律地转动；
c、换相时间合适，转子能较好地跟着定子磁场切换而转动，电机的具体表现为电机电流小、转动平滑、噪音小。
无刷直流电机在变频强拖阶段要实现上述a效果直接过渡到c效果，避免出现b效果，此过程首先需要确定4个变频参数：起始换相时间Tstart、结束换相时间Tend、换相次数Tcnt、换相时间缩减量Tperiod。此外，电机参数包含：额定电压V，转速范围Smin～Smax，电角度θ。从变频强拖阶段到定频运转阶段，都使PWM固定为频率15KHz占空比10％，即固定相驱动电压幅值，只改变换相时间。
在本实施例中，起始换相时间Tstart的设定方法为：预设的起始换相时间Tstart＝60000/(Smin/2)/(360/θ)，其中60000为60000ms,即为60000毫秒，(360/θ)为电机转子转动一圈需要的换相次数Tcnt，开始强拖电机时，以电机最小转速的一半对应的换相时间来进行换相。
在本实施例中，结束换相时间Tend的设定方法为：预设的结束换相时间Tend＝60000/(Smax*P)/(360/θ)，其中60000为60000ms,即为60000毫秒，(360/θ)为电机转子转动一圈需要的换相次数Tcnt，P为PWM占空比，由于P值取值范围为5％-20％，从而PWM占空比固定更优地预设为10％，故结束强拖电机时的转速应为最大转速Smax的10％，即结束强拖电机时，应以电机最大转速的10％对应的换相时间来进行换相。
在本实施例中，第一预设系数K优选为10，预设的换相时间缩减量Tperiod优选为1ms，其中变频强拖阶段，无刷直流电机换相的间隔时间逐渐减小，从a效果过渡到c效果，应避免a效果持续时间过长同时避免出现频率改变过快造成电机震荡，因为控制电机的PWM常规频率为15KHz，即周期为66.6us，所以较合适的处理：当以同一换相时间进行10次换相后把换相时间缩减1ms，依此循环。
如图3所示，电机的参数为：额定电压310V，转速范围500～4000rpm，电角度60°，则预设的起始换相时间Tstart为40ms，预设的结束换相时间Tend为25ms，换相次数Tcnt为10，换相时间缩减量Tperiod为1ms。如图4所示，当PWM为频率15KHz占空比100％时所对应的转速为4000rpm，当PWM为频率15KHz占空比10％时所对应的转速为400rpm。
在本实施例中，缩减后的起始换相时间通过如下计算公式进行计算得到：
Tstart’＝Tstart-Tperiod×Tcnt，其中Tstart’为缩减后的起始换相时间，Tstart为预设的起始换相时间，Tperiod为预设的换相时间缩减量，Tcnt为第一换相次数。
如图5所示，无刷直流电机从静止状态开始强拖，使PWM固定为频率15KHz占空比10％，按预设的换相顺序UW、UV、WV、WU、VU、VW顺序控制U、V、W相导通。
步骤a：每经过起始换相时间Tstart的40ms后进行一次换相，如图5中波形一；
步骤b：经过换相次数Tcnt的10次换相后，换相时间按照预设的换相时间缩减量Tperiod减小1ms，缩减后的换相时间Tstart’为预设的起始换相时间Tstart-1ms，即以缩减后的换相时间Tstart’进行换相，如图5中波形二；
步骤c：再经过换相次数Tcnt的10次换相后，缩减后的换相时间Tstart’再按照预设的换相时间缩减量Tperiod减小1ms，再次缩减后的换相时间Tstart’为预设的起始换相时间Tstart-1ms*2，即以再次缩减后的换相时间Tstart’进行换相，如图5中波形三；
步骤d：往后重复步骤b至步骤c，直至缩减后的换相时间Tstart’缩减至预设的结束换相时间Tend，如图5中波形四。
如图6所示，因为PWM固定为频率15KHz占空比10％，产生的相驱动电压幅值固定，所以每次换相后，转子转动到位的时间相同，都为Tstop，而转子等待下一次换相的时间不同，对应上述步骤a、步骤b、步骤c、步骤d的转子等待换相时间如下：起始换相时间Tstart-Tstop>起始换相时间Tstart-1ms-Tstop>起始换相时间Tstart-2ms-Tstop>…>起始换相时间Tstart-Tend-Tstop，所以无刷直流电机的具体表现为电机从转动顿挫逐渐过渡到到转动平滑，即从上述a效果过渡到上述c效果，此过程中，转子等待换相时间越长，U、V、W相越难出现反电动势电压，也就是不出现反电动势电压或出现反电动势电压的时间极短以致无法进行反电动势过零检测，因为起始换相时间Tstart缩小至结束换相时间Tend之后便不再缩小，所以不会出现上述b效果。经过调整电机的换相频率，电机转速逐渐加快，当起始换相时间Tstart缩小至结束换相时间Tend的25ms时，则进入定频运转阶段。
步骤S105，判断当前两相的导通时间T导通是否达到预设的结束换相时间Tend，若是，则断开当前的两相并并按照预设换相的顺序导通下一组两相，同时累计第二换相次数Tcent；若否，则将当前的两相持续导通，直至当前两相的导通时间T导通达到缩减后的起始换相时间Tstart’。
步骤S106，判断第二换相次数Tcent是否大于等于第二预设系数H，若是，则通过检测电机的反电动势电压来确定转子的初始位置；若否，则将当前的两相持续导通，直至当前两相的导通时间T导通达到缩减后的起始换相时间Tstart’。
步骤S107，判断是否检测到电机U、V、W的反电动势电压ZCu、ZCv、ZCw，若是，则确定定位到转子的初始位置；若否，则返回继续按照预设转速控制转子均匀转动。
在本实施例中，无刷直流电机进入定频运转阶段后，仍使PWM固定为频率15KHz占空比10％，以固定结束换相时间Tend的25ms进行换相，此时电机以第一预设转速匀速转动，第一预设转速可以为最大转速Smax*10％的400rpm，电机的具体表现为电机电流小、转动平滑、噪音小，此时在电机的U、V、W相出现较理想的反电动势电压eu、ev、ew，是反电动势过零检测的理想阶段，在此阶段一旦检测到反电动势过零事件ZCu、ZCv、ZCw，便可以定位到转子的初始位置，此时电机启动完毕，往后进入切闭环阶段。本实施例中第二预设系数优选取值为20，当然还可以根据实际需求选择其它更为合适的数值。本实施例中第二预设系数H优选为20，但不限于20，当然还可根据实际需求选取其它更为合适的数值。本实施例中，若没有成功检测到电机U、V、W的反电动势电压ZCu、ZCv、ZCw，则返回继续按照预设转速控制转子均匀转动以再次进入定频运转阶段，从而重复步骤S105和步骤S106，直至成功定位到转子的初始位置。
进一步地，还包括切闭环阶段，在该阶段中，根据检测到的转子位置动态调整PWM占空比和换相频率以将电机的转速提升至预设目标转速。
具体地，还包括步骤速度环控制阶段，在该阶段中，根据设定的目标转速和检测到的转子位置实现闭环控制，通过动态调整PWM占空比和换相频率以实现电机按照预设目标转速匀速转动。
在本实施例中，成功检测到无刷直流电机转子的初始位置后，电机进入切闭环阶段，即已经定位到转子的初始位置，并能根据转子位置动态调整PWM占空比和换相频率，从而把转子的转速提升至第二预设转速；转子的转速提升至第二预设转速后，电机进入速度环控制阶段，即可以根据第二预设转速和检测到的转子位置实现闭环控制，通过动态调整PWM占空比和换相频率以实现电机按照第二预设转速匀速转动。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种无刷直流电机的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S101：启动电机，转子转动进入变频强拖阶段，将所述电机的U、V、W三相中的任意一组两相进行导通，并记录导通时间T导通；
步骤S102：判断当前两相的所述导通时间T导通是否达到预设的起始换相时间Tstart；若是，则断开当前的两相并按照预设换相的顺序导通下一组两相，同时累计第一换相次数Tcnt；若否,则将当前的两相持续导通，直至当前两相的所述导通时间T导通达到预设的起始换相时间Tstart；
步骤S103：判断所述第一换相次数Tcnt是否大于等于第一预设系数K，若是，则将所述预设的起始换相时间Tstart按照预设的换相时间缩减量Tperiod进行缩减，并进入步骤S104；若否，则重复步骤S012；
步骤S104：将缩减后的所述起始换相时间Tstart’与预设的结束换相时间Tend进行比较，若缩减后的所述起始换相时间Tstart’大于所述预设的结束换相时间Tend，则同时按照缩减后的所述起始换相时间Tstart’进行重复步骤S012和步骤S103；若缩减后的所述起始换相时间Tstart’小于等于所述预设的结束换相时间Tend，则按照预设转速控制转子均匀转动以进入定频运转阶段；
所述起始换相时间Tstart的设定方法为：Tstart＝60000/(Smin/2)/(360/θ)，Tend的设定方法为：Tend＝60000/(Smax*P)/(360/θ)，其中，所述Smin为电机最小转速，θ为电角度，Smax为电机最大转速，P为PWM占空比。
2.根据权利要求1所述的一种无刷直流电机的控制方法，其特征在于，所述P值取值范围为5％-20％。
3.根据权利要求1所述的一种无刷直流电机的控制方法，其特征在于，所述缩减后的起始换相时间通过如下计算公式进行计算得到：
Tstart’＝Tstart-Tperiod×Tcnt，其中所述Tstart’为缩减后的起始换相时间，所述Tstart为预设的起始换相时间，所述Tperiod为预设的换相时间缩减量，Tcnt为第一换相次数。
4.根据权利要求1所述的一种无刷直流电机的控制方法，其特征在于，按照预设转速控制转子均匀转动以进入定频运转阶段后的步骤包括：
判断当前两相的所述导通时间T导通是否达到所述预设的结束换相时间Tend，若是，则断开当前的两相并按照所述预设换相的顺序导通下一组两相，同时累计第二换相次数Tcent；若否，则将当前的两相持续导通，直至当前两相的所述导通时间T导通达到缩减后的所述起始换相时间Tstart’；
判断第二换相次数Tcent是否大于等于第二预设系数H，若是，则通过检测所述电机的反电动势电压来确定转子的初始位置；若否，则将当前的两相持续导通，直至当前两相的所述导通时间T导通达到缩减后的所述起始换相时间Tstart’。
5.根据权利要求4所述的一种无刷直流电机的控制方法，其特征在于，判断是否检测到所述电机U、V、W的反电动势电压ZCu、ZCv、ZCw，若是，则确定定位到转子的初始位置；若否，则返回继续按照预设转速控制转子均匀转动。
6.根据权利要求4所述的一种无刷直流电机的控制方法，其特征在于，还包括切闭环阶段，在该阶段中，根据检测到的转子位置动态调整PWM占空比和换相频率以将所述电机的转速提升至预设目标转速。
7.根据权利要求6所述的一种无刷直流电机的控制方法，其特征在于，还包括步骤速度环控制阶段，在该阶段中，根据设定的目标转速和检测到的转子位置实现闭环控制，通过动态调整所述PWM占空比和换相频率以实现所述电机按照所述预设目标转速匀速转动。
8.根据权利要求1至7任一所述的一种无刷直流电机的控制方法，其特征在于，所述预设换相的顺序依次为UW、UV、WV、WU、VU、VW。
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