CN111884547B

CN111884547B - 一种直流无刷电机转子位置检测方法

Info

Publication number: CN111884547B
Application number: CN202010633412.4A
Authority: CN
Inventors: 刘洋; 刘绍森
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2020-07-02
Filing date: 2020-07-02
Publication date: 2022-02-15
Anticipated expiration: 2040-07-02
Also published as: CN111884547A; WO2022001088A1

Abstract

本发明公开了一种直流无刷电机转子位置检测方法，属于电机控制领域。方法包括，检测与直流无刷电机连接的霍尔位置传感器检测到的电平信号；当检测到当前时刻和上一时刻的电平信号发生变化时，认为电机换相动作发生，电机在当前周期从相区x进入相区(x mod 6)+1；x∈{1，2，3，4，5，6}；利用转子在上一周期所处相区x实际的相区角度与理想相区角度60°的差值，对转子在当前周期的相区x持续时间进行补偿，得到电机真实的换相信息。电机在高速运行的过程中，采用本发明方法可以快速准确的得到霍尔传感器传回的电机转子位置信号，进而快速准确定位转子的换相位置，实现电机高速工作状态下的精确控制。

Description

一种直流无刷电机转子位置检测方法

技术领域

本发明属于直流无刷电机控制领域，更具体地，涉及一种直流无刷电机转子位置检测方法。

背景技术

高速电机转速高、功率密度大，相较于输出相同功率的中低速电机，高速电机的尺寸大大减小，因此可以有效的节约材料，同时由于转动惯量小，电机的响应较快。在高速电机应用领域，无刷直流电机凭借其突出的优势——高效率、高可靠性、高功率密度等，使其在工业领域得到了广泛的应用。

目前直流无刷电机的控制方法包括有感控制方案和无感控制方案，控制过程分别如图1和图2所示。其中，有感控制方案中电机转子位置信号由霍尔传感器得到。该方案不适合高速电机【通常将转速超过10000RPM或难度值(转速和功率平方根的乘积)超过1×10⁵的电机称为高速电机】工作状态的控制，具体原因如下：在理想状况下，霍尔位置传感器信号在由高电平到低电平和低电平到高电平阶段均为理想变化，即既无上升时间也无下降时间，波形图如图3所示，图中T₁-T₆为电机每相持续时间，在同转速下，电机每相持续时间相等且换相期间没有任何时间延迟。然而，实际的霍尔传感器信号本身为方波信号，由于波形产生系统的物理局限性，因而存在着一定的上升时间和下降时间，如图4所示，在每个理想相区内，均存在上升或下降时间T(二者实际值可能并不相等，此处为简便处理)，电机在换相期间，会由于上升时间和下降时间的影响出现相序的紊乱问题。在有感控制方案里，对此上升时间和下降时间采取软件消抖的方式，即通过软件编程，将换相点从理想换相点延迟一段时间kτ(k为一个常系数)。此时，控制程序收到的霍尔位置信号波形图如图5所示，图中，T₁′-T₆′为控制程序实际接收到的每相持续时间。在电机处于低速阶段时，由于T_x(x∈{1，2，3，4，5，6})远大于τ所以这一方案十分有效。然而，当电机转速提高、每相持续时间减小时，由于T_x与τ数值接近甚至出现T_x小于τ的情况，将导致电机出现十分严重的换相故障，故此方案在电机高速工作时无法起效。

针对此问题，一般是采用无感控制方案进行无刷直流电机的高速控制。无感控制方案中电机转子位置信号通过无刷直流电机反电动势过零点的位置来判断。相较于无刷直流电机有感控制方案，无感控制方案不仅需要更为复杂精密的硬件设计同时也需要更为繁琐的软件设计，更为严重的是，无感控制方案由于电机在低速时反电动势较小，因而在启动和低速阶段带来的十分严重的控制困难。

综上所述，亟需提出一种直流无刷电机转子位置检测方法，使其在电机高速工作的状态下，也能够快速准确的获得电机转子的位置，以便实现电机高速工作状态下的精确控制。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种直流无刷电机转子位置检测方法，其目的在于在电机高速工作状态下，快速准确获得电机转子位置，以便实现电机高速工作状态下的精确控制。

为实现上述目的，本发明的一个方面，提供了一种直流无刷电机转子位置检测方法，包括：

S1.实时获取与直流无刷电机连接的霍尔位置传感器检测到的电平信号；

S2.当检测到当前时刻和上一时刻的电平信号发生变化时，电机在当前周期从相区x进入相区(x mod 6)+1；其中，mod表示取模运算，x∈{1，2，3，4，5，6}；

S3.利用转子在上一周期所处相区x实际的相区角度与理想相区角度60°的差值，对转子在当前周期的相区x持续时间进行补偿，得到电机真实的换相信息，进而得到电机转子实时位置。

进一步地，步骤S3具体包括：

S3.1.计算转子转动第n-1圈过程中经过每个相区x所消耗的时间T_x(n-1)；

S3.2.计算转子转动完n-1圈所用的时间消耗T₀(n-1)，得到第n-1圈转子的角速度ω₀(n-1)；

S3.3.利用T_x(n-1)和ω₀(n-1)，计算得到转子在第n-1圈经过的相区x实际的相区角度θ_x(n-1)；

S3.4.当转子转动到第n圈的x相区时，将第n-1圈的x相区对应的实际相区角度θ_x(n-1)与理想的相区角度60°进行比较，得到需要对转子第n圈的x相区的补偿时间，使θ_x(n)趋近于60°。

进一步地，步骤S3.1具体包括：

转子转动第n-1圈过程中，检测与直流无刷电机连接的霍尔位置传感器检测到的电压信号；当检测到电平信号发生变化时，认为转子从相区x进入相区x+1，计算转子经过相区x所用的时间T_x(n-1)。

进一步地，步骤S3.2具体包括：

当转子从相区x再次回到相区x，计算转子转动完n-1圈所用的时间消耗T₀(n-1)；则第n-1圈转子的角速度ω₀(n-1)＝360°/T₀(n-1)。

进一步地，步骤S3.3具体为，利用以下公式计算得到第n-1圈经过的相区x实际的相区角度θ_x(n-1)

θ_x(n-1)＝T_x(n-1)*ω₀(n-1)。

进一步地，步骤S3.4具体为，

当θ_x(n-1)＜60°，将第n圈的相区x持续时间进行延时，延时时间T_com为：

T_com＝[60°-θ_x(n-1)]/ω₀(n-1)；

当θ_x(n-1)≥60°，当检测到转子经过x相时开始计时，当计时时间到达60°/ω₀(n-1)时，认为电机转子达到x+1相。

本发明另一方面提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被处理器执行时用于实现上述方法的步骤。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。

(1)电机在高速运行的过程中，采用本发明方法可以快速准确的得到霍尔传感器传回的电机转子位置信号，进而快速准确定位转子的换相位置，实现电机高速工作状态下的精确控制。

(2)本发明能够快速准确的获得电机高速工作状态下的转子位置，使得无刷直流电机有感控制方案应用于电机的高速控制时，也能获得精确的控制效果，解决了采用无感控制方案进行电机高速控制带来的软硬件设计复杂的问题，节省了软硬件开发成本。并且，由于对于转子位置检测更加准确，能够有效提高电机的工作性能。

附图说明

图1是直流无刷电机有感控制方案框图；

图2是直流无刷电机无感控制方案框图；

图3是霍尔位置传感器理想信号图；

图4是霍尔位置传感器实际信号图；

图5是控制程序接收到的实际转子位置信号图；

图6是本发明提供的直流无刷电机转子位置检测方法流程图；

图7是本发明提供的采用本发明方法后，控制程序接收到的霍尔位置传感器信号图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图6所示，本发明提供了一种直流无刷电机转子位置检测方法，包括：

S1.检测与直流无刷电机连接的霍尔位置传感器检测到的电平信号；

通过主控器读取电机霍尔传感器传回的三路电平信号，三路信号的可能值为：001->011->010->110->100->101->001。将当前霍尔传感器的值记为x(k)，此前霍尔传感器的值记为x(k-1)。

S2.当检测到当前时刻和上一时刻的电平信号发生变化时，认为电机换相动作发生，电机在当前周期从相区x进入相区(x mod 6)+1；x∈{1，2，3，4，5，6}；

当x(k)的值不等于x(k-1)的值时，即认为电机转子到了一个新的相区，换相动作发生了。由于霍尔传感器信号本身的物理局限性，检测到的信号与电机实际的换相过程存在出入，针对此问题，本发明需要对检测到的相位信息进行补偿。

S3.利用转子在上一周期所处相区x实际的相区角度与理想相区角度60°的差值，对转子在当前周期的相区x持续时间进行补偿，得到电机真实的换相信息。

步骤3具体包括：

S3.1.计算转子转动第n-1圈过程中经过每个相区x所消耗的时间T_x(n-1)；x∈{1，2，3，4，5，6}；

当转子从相区x再次回到相区x，如当检测到x(k)的值从001再次回到001时，表明转子转动完一圈，计算总的时间消耗T₀(n-1)；则第n-1圈转子的角速度ω₀(n-1)＝360°/T₀(n-1)。

由于电机在一圈中，给定的电压是固定的，因此本发明认为电机在每个相区中的速度是相同的，因此，可利用以下公式计算得到第n-1圈经过的相区x实际的相区角度θ_x(n-1)；

θ_x(n-1)＝T_x(n-1)*ω₀(n-1)。

当θ_x(n-1)＜60°，表明实际相区角度小于理想相区角度60°，需要对该相区时长进行补偿，具地的，将第n圈的相区x持续时间进行延时，延时时间T_com为：

T_com＝[60°-θ_x(n-1)]/ω₀(n-1)；

如计算得到θ₄(n-1)＝55°则当检测到x(k)＝5，且x(k-1)＝4时，通过延时换相使得θ₄(n)＝60°，延时的时间T_com＝(60°-θ₄(n-1))/ω₀(n-1)。

当θ_x(n-1)≥60°，表明实际相区角度超过或恰为理想相区角度60°，无需对该相区时长进行补偿，应该当检测到转子经过x相时开始计时，当计时时间到达60°/ω₀(n-1)时，认为电机转子达到x+1相。

如计算得到的θ₄(n-1)＝65°时，当检测到x(k)＝4，且x(k-1)＝3时，开始计时，当计时时间等于60°/ω₀(n-1)时，则认为电机已经到了第5相区。

图7为采用本发明提供的检测方法之后，控制程序接收到的霍尔信号图，图中T₁″为未采用转子位置补偿算法时第一相的长度，T₁″′为采用转子位置补偿算法之后第一相的长度。可以看出，相较于传统无刷直流电机有感控制方案，采用本发明信号处理方案，换相点更加接近于理想换相点，所以更能够满足电机高速运转的需求。

Claims

1.一种直流无刷电机转子位置检测方法，其特征在于，包括：

S3.利用转子在上一周期所处相区x实际的相区角度与理想相区角度60°的差值，对转子在当前周期的相区x持续时间进行补偿，得到电机真实的换相信息，进而得到电机转子实时位置；

其中，步骤S3具体包括：

S3.4.当转子转动到第n圈的x相区时，将第n-1圈的x相区对应的实际相区角度θ_x(n-1)与理想的相区角度60°进行比较，得到需要对转子第n圈的x相区的补偿时间，使θ_x(n)趋近于60°；

其中，步骤S3.4具体为：

当θ_x(n-1)<60°，将第n圈的相区x持续时间进行延时，延时时间T_com为：

T_com＝[60°-θ_x(n-1)]/ω₀(n-1)；

2.根据权利要求1所述的一种直流无刷电机转子位置检测方法，其特征在于，步骤S3.1具体包括：

3.根据权利要求1或2所述的一种直流无刷电机转子位置检测方法，其特征在于，步骤S3.2具体包括：

4.根据权利要求1所述的一种直流无刷电机转子位置检测方法，其特征在于，步骤S3.3具体为，利用以下公式计算得到第n-1圈经过的相区x实际的相区角度θ_x(n-1)

θ_x(n-1)＝T_x(n-1)*ω₀(n-1)。