CN111987940A - 单相无刷直流电机无霍尔控制方法及其单相无刷直流电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单相无刷直流电机无霍尔控制方法及其单相无刷直流电机，预先确定转子初始位置，然后向所述单相无刷直流电机注入用于驱动转子旋转的电压，通过观测器实时估算转子角度theta，基于该转子角度theta控制所述单相无刷直流电机驱动运行；本发明由于节省了霍尔传感器件的使用，避免了霍尔传感器件的安装过程，不仅节省了硬件成本，同时有效降低了对电机生产工艺的要求，进一步降低了生产成本，明显改善了单相无刷直流电机的性能。

Description

单相无刷直流电机无霍尔控制方法及其单相无刷直流电机

技术领域

本发明属于电机控制领域，具体涉及一种单相无刷直流电机无霍尔控制方法，本发明还涉及该无霍尔控制方法应用的单相无刷直流电机。

背景技术

单相无刷直流电机因其具有结构简单，成本低，广泛应用于小功率风机、水泵等领域。单相无刷直流电机在工作时，通常需要控制器来对电机的运行过程进行控制，其中，控制器需要设置霍尔传感器来用于检测电机永磁转子的位置，控制器根据检测获取的转子位置霍尔信号来控制向电机输出的相应电压，进而实现对电机的控制运转。

然而由于霍尔传感器的使用增加了控制系统的成本，而且由于霍尔传感器的安装误差会影响电机的运行性能，因此对于电机的生产工艺的要求较高，此外，霍尔信号存在延迟也会影响电机的高速运行性能。

为了实现对单相无刷直流电机的无霍尔控制，公开号为CN106026805A的发明专利公开了一种单相无传感器无刷直流电机控制系统，包括：分别与电机的两相线相连接的H桥控制电路，该H桥控制电路的输出端与电流传感器相接；电流传感器与主控制器相接，该主控制器上分别设有用于驱动H桥控制电路的第一、第二驱动电路，电机的两相线均与反电动势采样电路相连接，所述反电动势采样电路用于对单相无刷电机上的反电动势比较信号进行采集，并将该反电动势比较信号输送至主控制器中；所述主控制对第一驱动电路和第二驱动电路的开合状态进行控制；该方案同样存在控制器元件复杂，控制过程复杂，对于系统成本并没有实际改善。

因此，本申请人希望寻求新的技术方案对以上技术问题进行改进。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种单相无刷直流电机无霍尔控制方法及其单相无刷直流电机，由于节省了霍尔传感器件的使用，避免了霍尔传感器件的安装过程，不仅节省了硬件成本，同时有效降低了对电机生产工艺的要求，进一步降低了生产成本，明显改善了单相无刷直流电机的性能。

本发明采用的技术方案如下：

一种单相无刷直流电机的无霍尔控制方法，所述单相无刷直流电机包括定子和转子，所述单相无刷直流电机中定子和转子之间的气隙不均匀，确保当电机处于未通电的自由状态时，所述转子的两个磁极分别位于确定的第一最小磁阻位置点和第二最小磁阻位置点；

所述无霍尔控制方法包括：预先确定转子初始位置，然后向所述单相无刷直流电机注入用于驱动转子旋转的电压，通过观测器实时估算转子角度theta，基于该转子角度theta控制所述单相无刷直流电机驱动运行；

其中，预先确定转子初始位置的步骤包括：

A10)、向定子绕组注入可形成瞬间定子定向磁场的电压；

A20)、在该瞬间定子定向磁场的作用下驱动所述转子按一定方向进行旋转，使得所述转子的两个磁极旋转至与该定子定向磁场吸合对应的定向位置；

A30)、停止电压注入，在电机的齿槽转矩作用下驱动所述转子按与所述步骤A20中相反的旋转方向进行旋转，使得所述转子的两个磁极分别返回与其对应相邻的最小磁阻位置点；

A40)、完成对所述转子初始位置的预先确定。

优选地，在所述步骤A10)中，向定子绕组注入可形成瞬间定子定向磁场的负向电压，其中，定子定向磁场的N极磁场位于上方，其S极磁场位于下方。

优选地，在所述步骤A20)中，在该瞬间定子定向磁场的作用下驱动所述转子逆时针旋转，其中，所述转子的S极磁极位于上方且与所述N极磁场对应吸合，所述转子的N极磁极位于上方且与所述S极磁场对应吸合；

在所述步骤A30)中，在电机的齿槽转矩作用下驱动所述转子顺时针旋转，使得所述N极磁极返回至第一最小磁阻位置点，且所述S极磁极返回至第二最小磁阻位置点。

优选地，所述第一最小磁阻位置点和第二最小磁阻位置点之间的连接线与所述定子定向磁场的磁极连接线具有夹角，所述夹角大于0゜且小于90゜。

优选地，所述夹角的范围为10-45゜。

优选地，所述单相无刷直流电机的母线电压为10-15V，在所述步骤A10)中，所述电压的占空比范围为10-30％；所述电压的注入时间范围为0.5-3秒。

优选地，所述观测器实时估算转子角度theta的过程包括：

B10)、通过观测器计算电机的实时电流i(k)；

B20)、基于实时电流i(k)和通过采样得到的实际电流i_actual之间的差值，得到反电动势e的瞬时值，按控制周期更新存储入反电动势e数组；

B30)、从所述反电动势e数组中提取得到滞后于瞬时值的反电动势延迟值e_beta；

B40)、基于所述反电动势e的瞬时值以及反电动势延迟值e_beta计算得到转子角度theta。

优选地，所述转子角度

所述反电动势延迟值e_beta相对于所述反电动势e的瞬时值滞后90゜。

优选地，在所述步骤B10)中，实时电流

其中,ΔT为单个控制周期，L为电感，v为电机电压，R为绕组电阻，i为电机电流，i(k)为实时电流，i(k-1)为上一控制周期的电机电流，e₀为上一控制周期中反电动势的瞬时值。

优选地，在所述观测器实时估算转子角度theta时，向所述单相无刷直流电机注入的电压占空比范围为10-30％，且所述电压为负向电压，用于驱动所述转子逆时针旋转。

优选地，一种无霍尔控制的单相无刷直流电机，采用如上所述的无霍尔控制方法。

需要说明的是，本申请述及的转子的两个磁极分别位于确定的第一最小磁阻位置点和第二最小磁阻位置点，具体是指，转子的两个磁极处于电机预先设定的第一最小磁阻位置点和第二最小磁阻位置点的朝向。

本发明首先利用了单相无刷直流电机当处于定子和转子之间的气隙不均匀且设置预先确定的第一最小磁阻位置点和第二最小磁阻位置点时，当电机定子通电注入电压产生定子定向磁场时，驱动转子旋转，会使得转子的两个磁极旋转至与该定子定向磁场吸合对应的定向位置，然后进一步利用单相无刷直流电机自身存在的齿槽转矩效应而定向返回至与其对应相邻的最小磁阻位置点，在无霍尔位置传感器的基础上，实现了对转子初始位置的快速便捷确定，然后通过向电机注入驱动转子旋转的电压，在转子旋转的过程中，通过观测器实时估算转子角度theta，依据该实时估算得到的转子角度theta用于控制单相无刷直流电机的精准驱动运行，本发明由于节省了霍尔传感器件的使用，避免了霍尔传感器件的安装过程，不仅节省了硬件成本，同时有效降低了对电机生产工艺的要求，进一步降低了生产成本，明显改善了单相无刷直流电机的性能。

本发明还进一步利用观测器计算得到电机的实时电流，基于实时电流与实时采样电流的差值计算处理得到反电动势e的瞬时值，并建立按控制周期更新存储入反电动势e数组，在实际实施时，通过提取滞后于瞬时值的反电动势延迟值e_beta，进而计算得到转子角度，实现对转子角度的实时位置估算，确保单相无刷直流电机可根据该实时转子角度信号控制电机的精准运行。

附图说明

图1是本发明具体实施方式下单相无刷直流电机中第一最小磁阻位置点和第二最小磁阻位置点的定位示意图；

图2(a)是本发明具体实施方式下单相无刷直流电机在未通电状态下的一种结构示意图(转子的N极磁极位于第一最小磁阻位置点)；

图2(b)是本发明具体实施方式下单相无刷直流电机在未通电状态下的一种结构示意图(转子的N极磁极位于第二最小磁阻位置点)；

图3是本发明具体实施方式下单相无刷直流电机在步骤A20)时的结构示意图；

图4是本发明具体实施方式下单相无刷直流电机中观测器实时估算转子角度theta的计算过程示意图。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种单相无刷直流电机的无霍尔控制方法，单相无刷直流电机包括定子和转子，单相无刷直流电机中定子和转子之间的气隙不均匀，确保当电机处于未通电的自由状态时，转子的两个磁极分别位于确定的第一最小磁阻位置点和第二最小磁阻位置点；无霍尔控制方法包括：预先确定转子初始位置，然后向单相无刷直流电机注入用于驱动转子旋转的电压，通过观测器实时估算转子角度theta，基于该转子角度theta控制单相无刷直流电机驱动运行；

其中，预先确定转子初始位置的步骤包括：

A10)、向定子绕组注入可形成瞬间定子定向磁场的电压；

A20)、在该瞬间定子定向磁场的作用下驱动转子按一定方向进行旋转，使得转子的两个磁极旋转至与该定子定向磁场吸合对应的定向位置；

A30)、停止电压注入，在电机的齿槽转矩作用下驱动转子按与步骤A20中相反的旋转方向进行旋转，使得转子的两个磁极分别返回与其对应相邻的最小磁阻位置点；

A40)、完成对转子初始位置的预先确定。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

请参见图1所示，本实施例公开了一种单相无刷直流电机，包括定子和转子，单相无刷直流电机中定子和转子之间的气隙不均匀，确保电机设有预先确定的第一最小磁阻位置点和第二最小磁阻位置点；当电机处于未通电的自由状态时，转子的两个磁极分别位于确定的第一最小磁阻位置点和第二最小磁阻位置点，请进一步参见图2(a)、图2(b)所示，转子的N极磁极可能朝向电机的第一最小磁阻位置点，见图2(a)，转子的N极磁极可能朝向电机的第二最小磁阻位置点，见图2(b)；图2(a)以及图2(b)中的A、X表示定子绕组的两个端子；

优选地，在本实施方式中，第一最小磁阻位置点和第二最小磁阻位置点之间的连接线与定子定向磁场的磁极连接线具有夹角，夹角大于0゜且小于90゜；进一步具体优选地，在本实施方式中，夹角的范围为10-45゜；

本实施例中的单相无刷直流电机采用无霍尔控制方法，无霍尔控制方法包括：预先确定转子初始位置，然后向单相无刷直流电机注入用于驱动转子旋转的电压，通过观测器实时估算转子角度theta，基于该转子角度theta控制单相无刷直流电机驱动运行；

其中，请进一步参见图3所示，预先确定转子初始位置的步骤包括：

A10)、向定子绕组注入可形成瞬间定子定向磁场的电压，优选地，在本步骤A10)中，向定子绕组注入可形成瞬间定子定向磁场的负向电压，其中，定子定向磁场的N极磁场位于上方，其S极磁场位于下方；

A20)、在该瞬间定子定向磁场的作用下驱动转子按一定方向进行旋转，使得转子的两个磁极旋转至与该定子定向磁场吸合对应的定向位置；在该瞬间定子定向磁场的作用下驱动转子逆时针旋转，其中，转子的S极磁极位于上方且与N极磁场对应吸合，转子的N极磁极位于上方且与S极磁场对应吸合；

A30)、停止电压注入，在电机的齿槽转矩作用下驱动转子按与步骤A20中相反的旋转方向进行旋转，使得转子的两个磁极分别返回与其对应相邻的最小磁阻位置点；在电机的齿槽转矩作用下驱动转子顺时针旋转，使得N极磁极返回至第一最小磁阻位置点，且S极磁极返回至第二最小磁阻位置点；

优选地，在本实施方式中，单相无刷直流电机的母线电压为10-15V，在步骤A10)中，电压的占空比范围为10-30％；电压的注入时间范围为0.5-3秒；具体地，在本实施方式中，单相无刷直流电机的母线电压为12V，电压的占空比为12％，因此，注入电压的实际值＝12*12％＝1.44V，电压的注入时间持续为1秒；在其他实施方式中，也可以根据实际应用需要来选择母线电压、注入电压的占空比以及注入时间，只要确保可将转子在下步骤A20)中，可确保转子被强制拉至与其对应的磁场磁极对应吸合，并处于非抖动的稳态状态即可，本实施例对其具体参数没有特别限定；

A40)、完成对转子初始位置的预先确定。

优选地，在本实施方式中，请进一步参见图4所示，观测器(设有各种计算器)实时估算转子角度theta的过程包括：

B10)、通过观测器计算电机的实时电流i(k)；

由于单相无刷直流电机的方程为：

其中V为电机电压，L为电感，R为电阻，i为电流，e为反电动势；

将上式离散化得到计算公式：

该公式可以等同变化为：实时电流

其中，ΔT为单个控制周期，L为电感，v为电机电压，R为绕组电阻，i为电机电流，i(k)为实时电流，i(k-1)为上一控制周期的电机电流，e₀为上一控制周期中反电动势的瞬时值。

B20)、基于实时电流i(k)和通过采样得到的实际电流i_actual之间的差值，得到反电动势e的瞬时值，按控制周期更新存储入反电动势e数组；具体优选地，在本步骤B20)中，对差值通过观测器中的比例积分调节器进行调节后，得到反电动势e的瞬时值；控制周期ΔT的具体数值可以设定为62.5微秒，反电动势e数组的存储容量大小可以设定在256或其他合适的数值，在实际工作时采用循环存储方式，当存储一个当前反电动势的瞬时值时，删除最早的反电动势旧值，计算存储过程便捷可靠，不需要占用过多存储容量。

B30)、从反电动势e数组中提取得到滞后于瞬时值的反电动势延迟值e_beta；具体优选地，在本步骤B30)中，反电动势延迟值e_beta相对于反电动势e的瞬时值滞后90゜。

B40)、基于反电动势e的瞬时值以及反电动势延迟值e_beta计算得到转子角度theta；优选地，在本实施方式中，转子角度

即反电动势e的瞬时值以及反电动势延迟值e_beta进行反正切函数atan2计算；优选地，在观测器实时估算转子角度theta时，向单相无刷直流电机注入的电压占空比范围为10-30％，且电压为负向电压，用于驱动转子逆时针旋转。

为了进一步说明本实施例的计算过程，本申请人进一步展开观测器的数据估算过程：在步骤B10)中，母线电压同样为12V，输入反向电机的电压占空比为15％(具体数值可以根据预先确定的转子初始位置来选择确定)，因此电机电压＝12*15％＝1.8V，该电压在转子角度的实时估算过程中保持注入状态；本实施例涉及的绕组电阻R以及电感L均为电机的已知参数，具体地，在本实施方式中，可以设定为：R＝0.15欧姆，L＝113.5微亨，当然地，这些参数选择不作为本实施例的特别限定，可以根据实际需要进行常规选择，本实施例对此不做具体展开说明。

本实施例首先利用了单相无刷直流电机当处于定子和转子之间的气隙不均匀且设置预先确定的第一最小磁阻位置点和第二最小磁阻位置点时，当电机定子通电注入电压产生定子定向磁场时，驱动转子旋转，会使得转子的两个磁极旋转至与该定子定向磁场吸合对应的定向位置，然后进一步利用单相无刷直流电机自身存在的齿槽转矩效应而定向返回至与其对应相邻的最小磁阻位置点，在无霍尔位置传感器的基础上，实现了对转子初始位置的快速便捷确定，然后通过向电机注入驱动转子旋转的电压，在转子旋转的过程中，通过观测器实时估算转子角度theta，依据该实时估算得到的转子角度theta用于控制单相无刷直流电机的精准驱动运行，本实施例由于节省了霍尔传感器件的使用，避免了霍尔传感器件的安装过程，不仅节省了硬件成本，同时有效降低了对电机生产工艺的要求，进一步降低了生产成本，明显改善了单相无刷直流电机的性能；本实施例还进一步利用观测器计算得到电机的实时电流，基于实时电流与实时采样电流的差值计算处理得到反电动势e的瞬时值，并建立按控制周期更新存储入反电动势e数组，在实际实施时，通过提取滞后于瞬时值的反电动势延迟值e_beta，进而计算得到转子角度，实现对转子角度的实时位置估算，确保单相无刷直流电机可根据该实时转子角度信号控制电机的精准运行。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (11)

1.一种单相无刷直流电机的无霍尔控制方法，所述单相无刷直流电机包括定子和转子，其特征在于，所述单相无刷直流电机中定子和转子之间的气隙不均匀，确保当电机处于未通电的自由状态时，所述转子的两个磁极分别位于确定的第一最小磁阻位置点和第二最小磁阻位置点；

所述无霍尔控制方法包括：预先确定转子初始位置，然后向所述单相无刷直流电机注入用于驱动转子旋转的电压，通过观测器实时估算转子角度theta，基于该转子角度theta控制所述单相无刷直流电机驱动运行；

其中，预先确定转子初始位置的步骤包括：

A10)、向定子绕组注入可形成瞬间定子定向磁场的电压；

A20)、在该瞬间定子定向磁场的作用下驱动所述转子按一定方向进行旋转，使得所述转子的两个磁极旋转至与该定子定向磁场吸合对应的定向位置；

A30)、停止电压注入，在电机的齿槽转矩作用下驱动所述转子按与所述步骤A20中相反的旋转方向进行旋转，使得所述转子的两个磁极分别返回与其对应相邻的最小磁阻位置点；

A40)、完成对所述转子初始位置的预先确定。

2.根据权利要求1所述的单相无刷直流电机无霍尔控制方法，其特征在于，在所述步骤A10)中，向定子绕组注入可形成瞬间定子定向磁场的负向电压，其中，定子定向磁场的N极磁场位于上方，其S极磁场位于下方。

3.根据权利要求2所述的单相无刷直流电机无霍尔控制方法，其特征在于，在所述步骤A20)中，在该瞬间定子定向磁场的作用下驱动所述转子逆时针旋转，其中，所述转子的S极磁极位于上方且与所述N极磁场对应吸合，所述转子的N极磁极位于上方且与所述S极磁场对应吸合；

在所述步骤A30)中，在电机的齿槽转矩作用下驱动所述转子顺时针旋转，使得所述N极磁极返回至第一最小磁阻位置点，且所述S极磁极返回至第二最小磁阻位置点。

4.根据权利要求1或2或3所述的单相无刷直流电机无霍尔控制方法，其特征在于，所述第一最小磁阻位置点和第二最小磁阻位置点之间的连接线与所述定子定向磁场的磁极连接线具有夹角，所述夹角大于0゜且小于90゜。

5.根据权利要求4所述的单相无刷直流电机无霍尔控制方法，其特征在于，所述夹角的范围为10-45゜。

6.根据权利要求1所述的单相无刷直流电机无霍尔控制方法，其特征在于，所述单相无刷直流电机的母线电压为10-15V，在所述步骤A10)中，所述电压的占空比范围为10-30％；所述电压的注入时间范围为0.5-3秒。

7.根据权利要求1所述的单相无刷直流电机无霍尔控制方法，其特征在于，所述观测器实时估算转子角度theta的过程包括：

B10)、通过观测器计算电机的实时电流i(k)；

B20)、基于实时电流i(k)和通过采样得到的实际电流i_actual之间的差值，得到反电动势e的瞬时值，按控制周期更新存储入反电动势e数组；

B30)、从所述反电动势e数组中提取得到滞后于瞬时值的反电动势延迟值e_beta；

B40)、基于所述反电动势e的瞬时值以及反电动势延迟值e_beta计算得到转子角度theta。

8.根据权利要求7所述的单相无刷直流电机无霍尔控制方法，其特征在于，所述转子角度

所述反电动势延迟值e_beta相对于所述反电动势e的瞬时值滞后90゜。

9.根据权利要求7所述的单相无刷直流电机无霍尔控制方法，其特征在于，在所述步骤B10)中，实时电流

其中，ΔT为单个控制周期，L为电感，v为电机电压，R为绕组电阻，i为电机电流，i(k)为实时电流，i(k-1)为上一控制周期的电机电流，e₀为上一控制周期中反电动势的瞬时值。

10.根据权利要求1或7或9所述的单相无刷直流电机无霍尔控制方法，其特征在于，在所述观测器实时估算转子角度theta时，向所述单相无刷直流电机注入的电压占空比范围为10-30％，且所述电压为负向电压，用于驱动所述转子逆时针旋转。

11.一种无霍尔控制的单相无刷直流电机，其特征在于，采用如权利要求1-10之一所述的无霍尔控制方法。

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