CN111934588B - 一种无位置传感器无刷直流电机静止状态下转子位置检测系统及方法 - Google Patents

一种无位置传感器无刷直流电机静止状态下转子位置检测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无位置传感器无刷直流电机静止状态下转子位置检测系统及方法。系统中直流电源模块为逆变电路模块供电，逆变电路模块输出三相电压至无刷直流电机和转子位置估算模块，同时无刷直流电机输出的母线电流也输入至转子位置估算模块，转子位置估算模块输出估算的转子位置信息至驱动电路模块，驱动电路模块用于驱动控制逆变电路模块。该方法通过在电机静止时对三相端电压以及直流母线电流进行检测来估算转子初始位置，减少电感法位置检测过程所需检测脉冲数，缩短定位时间，从而减少起动延时。本发明既有电感法的可在静止状态下进行无感定位的特点，又有定位时间短的优点，可用于有电机无反转、快速起动的实际需求的电动工具生产领域。

Description

一种无位置传感器无刷直流电机静止状态下转子位置检测系 统及方法
技术领域
本发明涉及电机控制技术，特别是涉及一种无位置传感器无刷直流电机静止状态下转子位置检测系统及方法。
背景技术
无刷直流电机需要获得转子位置才能进行运行控制，而位置传感器的安装给无刷直流电机的控制带来了诸多的问题，如使电机体积增大、干扰信号传输通道的外界因素较多、在极端环境下灵敏度下降、安装偏差会影响定位效果等，这些问题在一定程度上缩减了无刷直流电机的适用领域及范围。为了克服安装位置传感器的缺点，新型无位置传感器下的转子位置检测方法已经成为了近年来国际无刷直流电机控制领域的热门研究方向之一。
目前，国内外已在无刷直流电机无感运行控制的方向上提出了很多简单有效的位置检测方法，如反电动势过零检测法、模型参考自适应法、状态观测器法等，但这些方法都无法在电机处于静止状态时获得转子位置信息，在有无反转起动的需求的场合，需要利用电感法对转子初始位置进行检测。虽然电感法可以在无感下估算转子初始位置，但是传统电感法为实现30°定位精度需要注入12个检测脉冲电压，导致定位时间较长，存在起动延时问题。
针对电感法定位时间问题，国内外学者提出了诸多优化设计。赵白鸽在论文“基于线反电势估算的无刷直流电机无传感器控制方法研究[D].(哈尔滨工业大学，2017)”中利用磁路饱和效应原理，采用6个不同导通方向的检测脉冲电压进行初始位置检测，通过减少检测脉冲数的注入缩短了定位时间，但是该方法的检测精度仅达到了60°，通过牺牲检测精度来缩短定位时间。王华斌在论文“基于间接电感法的永磁无刷直流电机无位置传感器控制.重庆大学，2009”中结合了凸极式电机的凸极效应和磁路饱和效应原理，通过注入8次检测脉冲电压，利用端电压和电流信息判断转子初始位置，该方案在实现了30°高精度定位的基础上，减少了检测脉冲数，缩短了定位时间，但是相对于其他方案，该定位时间仍存在改进的空间。
发明内容
发明目的：本发明的一个目的是提供一种无位置传感器无刷直流电机静止状态下转子位置检测系统。
本发明的另一个目的是提供一种无位置传感器无刷直流电机静止状态下转子位置检测方法，既能实现无感下无刷直流电机静止状态高精度位置检测，又有定位时间短的优点。
技术方案：本发明的无位置传感器无刷直流电机静止状态下转子位置检测系统，包括直流电源模块、逆变电路模块、转子位置估算模块和驱动电路模块，其中直流电源模块为逆变电路模块供电，逆变电路模块输出A、B、C三相电压至凸极式无刷直流电机和转子位置估算模块，同时凸极式无刷直流电机输出的母线电流也输入至转子位置估算模块，转子位置估算模块输出估算的转子位置信息至驱动电路模块，驱动电路模块用于驱动控制逆变电路模块。
优选的，转子位置估算模块通过对凸极式无刷直流电机的三相端电压和直流母线电流的检测来估算转子初始位置。
本发明的无位置传感器无刷直流电机静止状态下转子位置检测方法，包括以下步骤：
S1、采用H_PWM-L_PWM脉宽调制方式控制无刷直流电机的驱动和逆变电路，即上下桥臂MOS管均采用PWM调制，同时导通同时关断，无刷直流电机A、B、C三相绕组分别为接通电源、接地、悬空三种状态；
S2、以A+B-的导通相位导通三相绕组；
S3、记录导通状态下t时刻母线电流与非导通相端电压，进入续流状态后，当母线电流大小衰减至上一记录电流值时采样非导通相端电压，计算两次非导通相端电压之差并记录；
S4、以B+C-的导通相位导通三相绕组，重复步骤S3，进入步骤S6；
S5、以C+A-的导通相位导通三相绕组，重复步骤S3，进入步骤S6；
S6、若A+B-导通下所得电压差大于0，B+C-导通下所得电压差小于0，则导通C+A-，进入步骤S7，若A+B-导通下所得电压差小于0，C+A-导通下所得电压差大于0，则导通B+C-，进入步骤S7，若B+C-导通下所得电压差大于0，C+A-导通下所得电压差小于0，则导通A+B-，进入步骤S7；
S7、记录导通状态下的峰值母线电流，接着注入相反方向检测脉冲电压，记录导通状态下峰值母线电流；
S8、根据步骤S3～S5记录的3个电压差结果和步骤S7记录的2个峰值母线电流结果查表确定转子初始位置。
进一步的，步骤S3中计算两次非导通相端电压之差具体为：
导通状态下，A、B、C三相回路电压和电流方程为：
Figure BDA0002614880110000031
其中，Ua、Ub、Uc分别为导通状态下A、B、C相相电压，ia、ib为分别为A、B相内流过的电流，Laa、Lbb分别是A、B相的自感，Mab、Mac、Mba、Mbc分别表示A、B、C三相绕组之间相应的互感，R为相电阻；
设MOS管导通压降为ΔU，得：
Figure BDA0002614880110000032
其中，UN为中性点电压，Udc为母线电压；
非导通相C相端电压Ug(ab)为：
Ug(ab)＝UN+Uc；
续流状态下，A、B、C三相回路电压和电流方程为：
Figure BDA0002614880110000033
其中，U′a、U′b、U′c分别为续流状态下A、B、C相相电压，i′a、i′b为分别为A、B相内流过的电流，
设二极管压降为ΔU′，得：
Figure BDA0002614880110000041
其中，U′N为中性点电压；
非导通相C相端电压为：
U′g(ab)＝U′N+U′c；
当ia＝i′a时，由上述公式计算非导通相端电压之差为：
Figure BDA0002614880110000042
假设ΔU≈ΔU′，上式化简得：
Figure BDA0002614880110000043
进一步化简得：
Figure BDA0002614880110000044
其中，Laa0是气隙磁场引起的自感系数，Lal是定子绕组的漏电感，Lg2是随转子位置变化的磁场引起的自感系数，θ是转子的电角度。
进一步的，步骤S7具体为：
以H_PWM-L_PWM的调制方式注入A+B-方向检测脉冲电压，当续流状态电流大小与导通状态电流大小相等时，若非导通相端电压之差大于0，则转子初始位置位于-30°～60°或150°～240°，若非导通相端电压之差小于0，则转子初始位置位于60°～150°或240°～330°；
与A+B-相隔120°的导通方向有B+C-、C+A-；同理推得，以H_PWM-L_PWM的调制方式注入B+C-方向检测脉冲电压，当续流状态电流大小与导通状态电流大小相等时，若非导通相端电压之差大于0，则转子初始位置位于90°～180°或270°～360°，若非导通相端电压之差小于0，则转子初始位置位于0°～90°或180°～270°；以H_PWM-L_PWM的调制方式注入C+A-方向检测脉冲电压，当续流状态电流大小与导通状态电流大小相等时，若非导通相端电压之差大于0，则转子初始位置位于30°～120°或210°～300°，若非导通相端电压之差小于0，则转子初始位置位于-60°～30°或120°～210°；
再依次注入A+B-、B+C-、C+A-方向的检测脉冲电压后，将转子位置确定在两个相隔180°的大小为30°的电角度区间内，接着注入两相反方向检测脉冲，基于磁路饱和效应的原理，通过比较峰值母线电流大小来判断转子N/S极性，从而进一步确定转子位置。
有益效果：与现有技术相比，本发明克服了电机在零速下无法利用反电动势信息检测转子位置的问题，实现了电机静止状态下的高精度无感位置检测；与改进前应用于凸极式电机的电感法相比，具有定位时间短的优点，电机起动延时更小。该方法是一种实现静止状态下无位置传感器无刷直流电机转子位置检测的简单方法，可用于有无反转起动需求的电动工具领域。
附图说明
图1为本发明系统结构框图；
图2为无刷直流电机等效模型；
图3为A+B-导通状态下的等效电路；
图4为A+B-续流状态下的等效电路。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明的无位置传感器无刷直流电机静止状态下转子位置检测系统，包括直流电源模块、逆变电路模块、转子位置估算模块和驱动电路模块，其中直流电源模块为逆变电路模块供电，逆变电路模块输出A、B、C三相电压至凸极式无刷直流电机和转子位置估算模块，同时凸极式无刷直流电机输出的母线电流也输入至转子位置估算模块，转子位置估算模块输出估算的转子位置信息至驱动电路模块，驱动电路模块用于驱动控制逆变电路模块。凸极式无刷直流电机，即转子d轴和q轴电感量不相等的电机，通过对无刷直流电机的三相端电压和直流母线电流进行检测来估算转子初始位置。
如图2所示，为无刷直流电机等效模型，图中Udc为母线电压，T1、T2、T3、T4、T5、T6为MOS管，D1、D2、D3、D4、D5、D6为对应的续流二极管。
本发明的无位置传感器无刷直流电机静止状态下转子位置检测方法，首先注入3个相隔120°电角度导通方向的检测脉冲电压，在导通状态t时刻采样母线电流和非导通相端电压，进入续流状态后当母线电流大小衰减至上一采样值时采样非导通相端电压，计算端电压差值，接着根据3个电压差与0值的关系选择注入2个相应导通方向的检测脉冲，采样峰值母线电流，最后根据电压差与母线电流的结果查表确定转子初始位置区间。该方法包括以下步骤：
S1、采用H_PWM-L_PWM脉宽调制方式控制无刷直流电机的驱动和逆变电路，即上下桥臂MOS管均采用PWM调制，同时导通同时关断，无刷直流电机A、B、C三相绕组分别为接通电源、接地、悬空三种状态；
S2、以A+B-的导通相位导通三相绕组；
S3、记录导通状态下t时刻母线电流与非导通相端电压，进入续流状态后，当母线电流大小衰减至上一记录电流值时采样非导通相端电压，计算两次非导通相端电压之差并记录；
S4、以B+C-的导通相位导通三相绕组，重复步骤S3，进入步骤S6；
S5、以C+A-的导通相位导通三相绕组，重复步骤S3，进入步骤S6；
S6、若A+B-导通下所得电压差大于0，B+C-导通下所得电压差小于0，则导通C+A-，进入步骤S7，若A+B-导通下所得电压差小于0，C+A-导通下所得电压差大于0，则导通B+C-，进入步骤S7，若B+C-导通下所得电压差大于0，C+A-导通下所得电压差小于0，则导通A+B-，进入步骤S7；
S7、记录导通状态下的峰值母线电流，接着注入相反方向检测脉冲电压，记录导通状态下峰值母线电流；
S8、根据步骤S3～S5记录的3个电压差结果和步骤S7记录的2个峰值母线电流结果查表确定转子初始位置。
具体的：凸极式电机受凸极效应的影响，其绕组自感值和互感值会随转子电角度的不同而发生改变，各相绕组电感的等效表达式可分别用分别用相位差为120°的余弦函数等效，定子绕组A、B、C三相的自感公式为：
Figure BDA0002614880110000071
其中，Laa、Lbb、Lcc分别是A、B、C三相的自感，Laa0是气隙磁场引起的自感系数，Lal是定子绕组的漏电感，Lg2是随转子位置变化的磁场引起的自感系数，θ是转子的电角度。
定子绕组A、B、C三相的互感公式为：
Figure BDA0002614880110000072
其中，Mab、Mac、Mba、Mbc、Mca、Mcb分别表示A、B、C三相绕组之间相应的互感。
凸极式电机中电感量与转子位置相关，当转子位置不同时，绕组自感、互感也会发生变化，从而引起非导通相电压在导通和续流状态下的波动。接下来以注入A+B-导通方向的PWM检测脉冲、以A相为0°电角度位置为例来详细说明。
对于星型接法的两两导通的无刷直流电机而言，A相上桥与B相下桥的开关管同时导通时的等效电路如图3所示。在导通期间，母线电流会逐渐上升直至达到饱和。图中Udc为母线电压，T1、T4为对应导通的MOS管，UN为中性点电压，R为相电阻，La、Lb分别为A、B相电感，ia、ib为分别为A、B相内流过的电流，Ua、Ub、Uc分别为导通状态下A、B、C相相电压。
导通状态下，A、B、C三相回路电压和电流方程为：
Figure BDA0002614880110000081
设MOS管导通压降为ΔU，可得：
Figure BDA0002614880110000082
非导通相C相端电压为：
Ug(ab)＝UN+Uc (5)；
续流状态下的等效电路如图4所示。图中D2、D3为对应导通的续流二极管，U′N为中性点电压，i′a、i′b为分别为A、B相内流过的电流，U′a、U′b、U′c分别为续流状态下A、B、C相相电压。
续流状态下，A、B、C三相回路电压和电流方程为：
Figure BDA0002614880110000083
设二极管压降为ΔU’，可得：
Figure BDA0002614880110000084
非导通相C相端电压为：
U′g(ab)＝U′N+U′c (8)；
当ia＝i′a时，由上述公式可计算非导通相端电压之差为：
Figure BDA0002614880110000085
假设ΔU≈ΔU′，上式化简可得：
Figure BDA0002614880110000091
将式(1)和式(2)代入式(10)化简可得：
Figure BDA0002614880110000092
由式(11)可知，以H_PWM-L_PWM的调制方式注入A+B-方向检测脉冲电压，当续流状态电流大小与导通状态电流大小相等时，若非导通相端电压之差大于0，则转子初始位置位于-30°～60°或150°～240°，若非导通相端电压之差小于0，则转子初始位置位于60°～150°或240°～330°。
与A+B-相隔120°的导通方向有B+C-、C+A-。同理可推得，以H_PWM-L_PWM的调制方式注入B+C-方向检测脉冲电压，当续流状态电流大小与导通状态电流大小相等时，若非导通相端电压之差大于0，则转子初始位置位于90°～180°或270°～360°，若非导通相端电压之差小于0，则转子初始位置位于0°～90°或180°～270°。以H_PWM-L_PWM的调制方式注入C+A-方向检测脉冲电压，当续流状态电流大小与导通状态电流大小相等时，若非导通相端电压之差大于0，则转子初始位置位于30°～120°或210°～300°，若非导通相端电压之差小于0，则转子初始位置位于-60°～30°或120°～210°。
在依次注入A+B-、B+C-、C+A-方向的检测脉冲电压后，将转子位置确定在两个相隔180°的大小为30°的电角度区间内，接着注入两相反方向检测脉冲，基于磁路饱和效应的原理，通过比较峰值母线电流大小来判断转子N/S极性，从而进一步确定转子位置。若A+B-导通下所得电压差大于0，B+C-导通下所得电压差小于0，则导通C+A-及C-A+方向，若A+B-导通下所得电压差小于0，C+A-导通下所得电压差大于0，则导通B+C-及B-C+方向，若B+C-导通下所得电压差大于0，C+A-导通下所得电压差小于0，则导通A+B-及A-B+方向。
端电压差与采样电流结果与转子初始位置的关系如下表所示：
Figure BDA0002614880110000093
Figure BDA0002614880110000101
其中Ug(bc)、Ug(ca)分别为B+C-、C+A-导通状态下非导通相端电压，U′g(bc)、U′g(ca)分别为B+C-、C+A-续流状态下非导通相端电压，iA+B-、iA-B+、iB+C-、iB-C+、iC+A-、iC-A+分别为注入A+B-、A-B+、B+C-、B-C+、C+A-、C-A+六个导通方向脉冲电压后的采样电流，最后通过查表即可将转子初始位置确定在30°电角度内。

Claims (4)

1.一种无位置传感器无刷直流电机静止状态下转子位置检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用H_PWM-L_PWM脉宽调制方式控制无刷直流电机的驱动和逆变电路，即上下桥臂MOS管均采用PWM调制，同时导通同时关断，无刷直流电机A、B、C三相绕组分别为接通电源、接地、悬空三种状态；
S2、以A+B-的导通相位导通三相绕组；
S3、记录导通状态下t时刻母线电流与非导通相端电压，进入续流状态后，当母线电流大小衰减至上一记录电流值时采样非导通相端电压，计算两次非导通相端电压之差并记录；
S4、以B+C-的导通相位导通三相绕组，重复步骤S3，进入步骤S6；
S5、以C+A-的导通相位导通三相绕组，重复步骤S3，进入步骤S6；
S6、若A+B-导通下所得电压差大于0，B+C-导通下所得电压差小于0，则导通C+A-，进入步骤S7，若A+B-导通下所得电压差小于0，C+A-导通下所得电压差大于0，则导通B+C-，进入步骤S7，若B+C-导通下所得电压差大于0，C+A-导通下所得电压差小于0，则导通A+B-，进入步骤S7；
S7、记录导通状态下的峰值母线电流，接着注入相反方向检测脉冲电压，记录导通状态下峰值母线电流；具体为：
以H_PWM-L_PWM的调制方式注入A+B-方向检测脉冲电压，当续流状态电流大小与导通状态电流大小相等时，若非导通相端电压之差大于0，则转子初始位置位于-30°～60°或150°～240°，若非导通相端电压之差小于0，则转子初始位置位于60°～150°或240°～330°；
与A+B-相隔120°的导通方向有B+C-、C+A-；同理推得，以H_PWM-L_PWM的调制方式注入B+C-方向检测脉冲电压，当续流状态电流大小与导通状态电流大小相等时，若非导通相端电压之差大于0，则转子初始位置位于90°～180°或270°～360°，若非导通相端电压之差小于0，则转子初始位置位于0°～90°或180°～270°；以H_PWM-L_PWM的调制方式注入C+A-方向检测脉冲电压，当续流状态电流大小与导通状态电流大小相等时，若非导通相端电压之差大于0，则转子初始位置位于30°～120°或210°～300°，若非导通相端电压之差小于0，则转子初始位置位于-60°～30°或120°～210°；
再依次注入A+B-、B+C-、C+A-方向的检测脉冲电压后，将转子位置确定在两个相隔180°的大小为30°的电角度区间内，接着注入两相反方向检测脉冲，基于磁路饱和效应的原理，通过比较峰值母线电流大小来判断转子N/S极性，从而进一步确定转子位置；
S8、根据步骤S3～S5记录的3个电压差结果和步骤S7记录的2个峰值母线电流结果查下表确定转子初始位置；
Figure FDA0003346381890000021
Figure FDA0003346381890000031
其中Ug(bc)、Ug(ca)分别为B+C-、C+A-导通状态下非导通相端电压，U′g(bc)、U′g(ca)分别为B+C-、C+A-续流状态下非导通相端电压，iA+B-、iA-B+、iB+C-、iB-C+、iC+A-、iC-A+分别为注入A+B-、A-B+、B+C-、B-C+、C+A-、C-A+六个导通方向脉冲电压后的采样电流，最后通过查表能够将转子初始位置确定在30°电角度内。
2.根据权利要求1所述的无位置传感器无刷直流电机静止状态下转子位置检测方法，其特征在于，步骤S3中计算两次非导通相端电压之差具体为：
导通状态下，A、B、C三相回路电压和电流方程为：
Figure FDA0003346381890000032
其中，Ua、Ub、Uc分别为导通状态下A、B、C相相电压，ia、ib为分别为A、B相内流过的电流，Laa、Lbb分别是A、B相的自感，Mab、Mac、Mba、Mbc分别表示A、B、C三相绕组之间相应的互感，R为相电阻；
设MOS管导通压降为ΔU，得：
Figure FDA0003346381890000033
其中，UN为中性点电压，Udc为母线电压；
非导通相C相端电压Ug(ab)为：
Ug(ab)＝UN+Uc；
续流状态下，A、B、C三相回路电压和电流方程为：
Figure FDA0003346381890000041
其中，U′a、U′b、U′c分别为续流状态下A、B、C相相电压，i′a、i′b为分别为A、B相内流过的电流，
设二极管压降为ΔU′，得：
Figure FDA0003346381890000042
其中，U′N为中性点电压；
非导通相C相端电压为：
U′g(ab)＝U′N+U′c；
当ia＝i′a时，由上述公式计算非导通相端电压之差为：
Figure FDA0003346381890000043
假设ΔU≈ΔU′，上式化简得：
Figure FDA0003346381890000044
进一步化简得：
Figure FDA0003346381890000045
其中，Laa0是气隙磁场引起的自感系数，Lal是定子绕组的漏电感，Lg2是随转子位置变化的磁场引起的自感系数，θ是转子的电角度。
3.根据权利要求1所述的无位置传感器无刷直流电机静止状态下转子位置检测方法，其特征在于，该方法采用的位置检测系统，包括直流电源模块、逆变电路模块、转子位置估算模块和驱动电路模块，其中直流电源模块为逆变电路模块供电，逆变电路模块输出A、B、C三相电压至凸极式无刷直流电机和转子位置估算模块，同时凸极式无刷直流电机输出的母线电流也输入至转子位置估算模块，转子位置估算模块输出估算的转子位置信息至驱动电路模块，驱动电路模块用于驱动控制逆变电路模块。
4.根据权利要求3所述的无位置传感器无刷直流电机静止状态下转子位置检测方法，其特征在于，转子位置估算模块通过对凸极式无刷直流电机的三相端电压和直流母线电流的检测来估算转子初始位置。
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