CN112886878B - 一种直流无刷电机无感启动方法、装置及系统 - Google Patents

一种直流无刷电机无感启动方法、装置及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及直流无刷电机技术领域，具体公开了一种直流无刷电机无感启动方法，其中，包括：确定直流无刷电机绕组的初始电感大小关系；根据初始电感大小关系确定直流无刷电机转子初始位置；根据直流无刷电机转子初始位置确定初始通电的相序；当直流无刷电机转子加速后，检测直流无刷电机转子的当前位置，并根据直流无刷电机转子的当前位置调整通电的相序；重复执行检测直流无刷电机转子的当前位置，并根据直流无刷电机转子的当前位置调整通电的相序的步骤，直至直流无刷电机运转到目标转速。本发明还公开了一种直流无刷电机无感启动装置及系统。本发明提供的直流无刷电机无感启动方法避免了电机反转有可能造成的机械损害。

Description

一种直流无刷电机无感启动方法、装置及系统
技术领域
本发明涉及直流无刷电机技术领域，尤其涉及一种直流无刷电机无感启动方法、一种直流无刷电机无感启动装置及直流无刷电机无感启动系统。
背景技术
直流无刷电机无感方式控制最大的难点并不是位置检测和换相，而是启动方式。由于电机绕组的反电动势与转速正相关，当转速很低时，电机绕组反电动势也非常小以致很难准确检测。因此电机从零转速启动时，反电动法常常不能适用，必须先借助其他方法将电机拉到一定速度，使电机绕组反电动势达到能够被检测的水平，才能切换到反电动势法进行控制。
只有先确定了静止时转子的位置，才能决定启动时第一次应触发哪两个开关管，确定转子初始位置的过程叫做定位。
现有传统方案中最常用的方法是“两相通电法定位”，给任意两相通电，并控制电机电流不致过大，通电一段时间后，转子就会转到与该通电状态对应的预知位置，完成转子定位。
以图1为例，若给AB相通电，则定子磁势的位置如图1所示，此时若转子磁势如图标位置，则转子顺时针转过120°电角度，与定子磁场方向对齐。
但是这个方法存在一个问题，如果AB通电前转子恰好在与Fa方向相反的位置，则通电后磁场力的方向与转子成180°角，会形成死锁，转子不会转动，造成定位错误。
为了避免这个问题，可以先给AC、BC通电，形成的磁场方向与Fa垂直，则转子必会转到Fa垂直的位置，然后再给AB通电，则能够保证转子转到Fa 方向。“两相通电法定位”的一个缺点是通电时间长短不好确定，若太短则不能保证定位完成，若太长则又会造成过流，必须通过反复试验来确定合适的通电时间，且启动时负载变化也会影响通电时间。此种定位方式在确定通电时间上难以掌控，不是最优定位方式，同时该方法无法确定初始转向，不能适用于一些不允许电机反转的场合。
发明内容
本发明提供了一种直流无刷电机无感启动方法、一种直流无刷电机无感启动装置及直流无刷电机无感启动系统，解决相关技术中存在的电机启动时存在电机反转造成的机械损害的问题。
作为本发明的第一个方面，提供一种直流无刷电机无感启动方法，其中，包括：
确定直流无刷电机绕组的初始电感大小关系；
根据所述初始电感大小关系确定直流无刷电机转子初始位置；
根据所述直流无刷电机转子初始位置确定初始通电的相序，以启动直流无刷电机的转子转动；
当直流无刷电机转子加速后，检测直流无刷电机转子的当前位置，并根据所述直流无刷电机转子的当前位置调整通电的相序；
重复执行所述检测直流无刷电机转子的当前位置，并根据所述直流无刷电机转子的当前位置调整通电的相序的步骤，直至直流无刷电机运转到目标转速。
进一步地，所述确定直流无刷电机绕组的初始电感大小关系，包括：
根据直流无刷电机数学模型确定直流无刷电机静止时电枢绕组相电压；
根据所述电枢绕组相电压确定电枢绕组电流；
根据所述电枢绕组电流的大小关系确定初始电感大小关系。
进一步地，所述根据所述初始电感大小关系确定直流无刷电机转子初始位置，包括：
根据直流无刷电机换向原理，将直流无刷电机转子位置的区间划分为六个；
选择空间矢量脉宽调制的基本六个非0检测电压矢量，且每个检测电压矢量均位于每个直流无刷电机转子运行空间的中间位置；
当每个检测电压矢量经过预设作用时间后，获得六个电流峰值；
将六个电流峰值中最大电流峰值对应的检测电压矢量所在区间确定为所述直流无刷电机转子所在区间。
进一步地，所述根据所述直流无刷电机转子初始位置确定初始通电的相序，以启动直流无刷电机的转子转动，包括：
根据所述直流无刷电机转子初始位置确定初始开关管的通断，并控制所述直流无刷电机转子转到下一个位置。
进一步地，所述当直流无刷电机转子加速后，检测直流无刷电机转子的当前位置，并根据所述直流无刷电机转子的当前位置调整通电的相序，包括：
当直流无刷电机转子加速后，确定直流无刷电机绕组的当前电感大小关系；
根据所述直流无刷电机绕组的当前电感大小关系确定直流无刷电机转子的当前位置；
根据所述直流无刷电机转子的当前位置调整当前开关管的通断状态。
进一步地，所述重复执行所述检测直流无刷电机转子的当前位置，并根据所述直流无刷电机转子的当前位置调整通电的相序的步骤，直至直流无刷电机运转到目标转速，包括：
当直流无刷电机转子再次加速后，重复执行如下步骤：
确定直流无刷电机绕组的当前电感大小关系；
根据所述直流无刷电机绕组的当前电感大小关系确定直流无刷电机转子的当前位置；
根据所述直流无刷电机转子的当前位置调整当前开关管的通断状态；
当直流无刷电机转子的速度达到目标转速时，停止执行上述步骤。
作为本发明的另一个方面，提供一种直流无刷电机无感启动装置，其中，包括：
第一确定模块，用于确定直流无刷电机绕组的初始电感大小关系；
第二确定模块，用于根据所述初始电感大小关系确定直流无刷电机转子初始位置；
第三确定模块，用于根据所述直流无刷电机转子初始位置确定初始通电的相序，以启动直流无刷电机的转子转动；
检测模块，用于当直流无刷电机转子加速后，检测直流无刷电机转子的当前位置，并根据所述直流无刷电机转子的当前位置调整通电的相序；
调整模块，用于重复执行所述检测直流无刷电机转子的当前位置，并根据所述直流无刷电机转子的当前位置调整通电的相序的步骤，直至直流无刷电机运转到目标转速。
作为本发明的另一个方面，提供一种直流无刷电机无感启动系统，其中，包括：驱动器、上臂开关管、下臂开关管、三相绕组和前文所述的直流无刷电机无感启动装置，所述驱动器与所述直流无刷电机无感启动装置通信连接，所述上臂开关管和下臂开关管均与所述驱动器连接，所述三相绕组分别与所述驱动器、上臂开关管和下臂开关管连接，所述上臂开关管和下臂开关管互补；
所述直流无刷电机无感启动装置用于输出开关信号；
所述驱动器用于根据所述开关信号驱动上臂开关管和下臂开关管的通断。
进一步地，所述直流无刷电机无感启动装置包括MCU控制器。
进一步地，所述驱动器包括IRS2101S驱动器。
本发明提供的直流无刷电机无感启动方法，在电机静止时通过向电机注入电压矢量进行转子初始位置辨识，避免了电机反转有可能造成的机械损害。利用电机绕组电感变化来检测转子初始位置，实现初步定位，同时在电机启动过渡到加速段中利用变感检测法来对转子定位，调整通电相序，重复几个周期能够更准确平稳过渡到预设高速阶段。相比传统的两相通电法实现转子定位，本发明使用检测电感的变化来实现转子定位避免电机反转带来的损坏和适用不能反转的应用场景，另外，本发明不依赖电机的任何特性，对任意电机都适用，同时不受负载变化的影响，且还能够适用于电机启动不允许反转的场合。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。
图1为转子定位示意图。
图2为本发明提供的直流无刷电机无感启动方法的流程图。
图3为本发明提供的直流无刷电机转子划分示意图。
图4为本发明提供的直流无刷电机无感启动系统结构示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本领域技术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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本实施例中提供了一种直流无刷电机无感启动方法，图2是根据本发明实施例提供的直流无刷电机无感启动方法的流程图，如图2所示，包括：
S110、确定直流无刷电机绕组的初始电感大小关系；
在一些实施方式中，具体可以包括：
根据直流无刷电机数学模型确定直流无刷电机静止时电枢绕组相电压；
根据所述电枢绕组相电压确定电枢绕组电流；
根据所述电枢绕组电流的大小关系确定初始电感大小关系。
应当理解的是，“调节式变感检测法定位”，在电机静止时通过向电机注入电压矢量进行转子初始位置辨识，避免了电机反转有可能造成的机械损害。利用电机绕组电感变化来检测转子初始位置，实现初步定位，同时在电机启动过渡到加速段中利用变感检测法来对转子定位，调整通电相序，重复几个周期能够更准确平稳过渡到预设高速阶段。
电机的电枢反应会影响空载时励磁磁通势单独作用的磁场，引起气隙磁场的畸变。电枢磁通势与永磁磁通势之间的夹角将会决定电枢反应起去磁作用还是增磁作用，去磁作用与增磁作用将会影响定子铁心的饱和程度，其差异将体现在定子电感上，而定子电感的差异将会导致电流响应的快慢。
根据这一特性，向电机注入检测脉冲电压矢量，通过采样直流母线电流的大小可以判断电感大小进而确定转子的初始位置区间。
需要说明的是，调节式变感检测法定位原理如下。
首先，电机定子电枢绕组的电感：
Figure BDA0002920385330000041
在上式(1)中，ψs表示定子电枢磁链，Ns表示定子电枢绕组匝数，S表示磁路截面积，is表示定子电枢绕组电流。
根据安培环路定理，上述公式(1)可以转化为：
Figure BDA0002920385330000042
在上式(2)中，l表示磁路长度。Rmφ表示电机主磁路的磁阻，该磁阻主要由铁心磁阻和气隙磁阻这两部分组成，公式为
Figure BDA0002920385330000043
在上式(3)中，RFe表示铁芯磁阻，Rδ气隙磁阻，lFe表示铁芯磁路长度，μFe表示铁芯磁导率，lδ表示气隙长度，μδ表示气隙磁导率。
对于选定的电机，定子电枢绕组匝数Ns是一个常量，而对于表贴式无刷直流电机，其气隙长度lδ是一定的，气隙磁导率μδ不变，那么气隙磁阻Rδ是恒定的；对于磁路较长的铁心磁阻，电枢绕组产生的磁势将导致磁场强度H改变，从而导致增磁与去磁效应具有不一样的磁导率μFe。以一对极电机为例：
当电枢绕组产生磁势与永磁磁势夹角小于90°时，电枢磁势在d轴上的分量为正值，会导致增磁效应，铁心的磁导率将变小，从而定子电感减小；当电枢绕组产生磁势与永磁磁势夹角大于90°时，电枢磁势在d轴上的分量为负值，会导致去磁效应，铁心的磁导率将变大，从而定子电感增大。
电枢磁势与永磁磁势的夹角越小，增磁效应越大，相应的定子绕组电感越小。检测出定子电感最小点，便可以判断出转子的初始位置区间。
在实际情况下，绕组电感难以直接测量，根据无刷直流电机数学模型，在电机静止时，电枢绕组相电压可以写为：
Figure BDA0002920385330000051
则绕组电流的响应数学表达式为：
Figure BDA0002920385330000052
上式(5)中，τ＝Ls/r表示时间常数，电机中电阻不变，则电感是唯一影响电流响应的因数，电感越小，电流响应速度也越快，在绕组电流变化达到稳定值之前选择合适的时间测取绕组电流，比较绕组电流大小，便可得知电感的大小关系，进而判断电机转子初始位置空间。
S120、根据所述初始电感大小关系确定直流无刷电机转子初始位置；
在一些实施方式中，具体可以包括：
根据直流无刷电机数学模型确定直流无刷电机静止时电枢绕组相电压；
根据所述电枢绕组相电压确定电枢绕组电流；
根据所述电枢绕组电流的大小关系确定初始电感大小关系。
进一步具体地，无刷直流电机的运行采用三相六状态每相各导通120°的控制方式，定子电枢磁势始终领先于转子磁势电角度60°～120°，每60°电角度区间为一个运行空间，根据无刷直流电机换向的原理，可将转子位置的区间划分为六个60°区间Si(i＝1，2，…，6)，如图3所示。
为保证检测矢量能够唯一确定转子所在位置空间，检测矢量可定在这60°区间的中间位置。因此，可选择空间矢量脉宽调制(SVPWM)的基本六个非0 电压矢量，如图3所示，六个检测电压矢量Vi(i＝1，2，…，6)位于每个转子运行空间的中间位置。
在检测过程中保持直流母线电压恒定，然后依次施加六个检测基本电压矢量，同时采样母线电流，每个检测电压矢量经过一定的作用时间ton，然后关断开关管使绕组电流续流至零。检测电压矢量作用时间要根据实际实验情况来调整，作用时间太短，电流差值太小，不利于分辨；作用时间太长，电机容易抖动，使初始位置产生偏移，同时也有可能造成电流趋于稳定，电流差值过小。经过六个检测电压矢量的作用，得到六个电流峰值，最大电流峰值对应的检测电压矢量所在区间即转子位置所在区间，表1列出了检测电压矢量。
表1检测电压矢量
Figure BDA0002920385330000061
需要说明的是，表1所示的检测电压矢量的排列组合表示是按照ABC三相排列的，如图4所示，上下臂开关管是互补的，0表示下臂开关管导通，1表示上臂开关管导通。
S130、根据所述直流无刷电机转子初始位置确定初始通电的相序，以启动直流无刷电机的转子转动；
在一些实施方式中，具体可以包括：
根据所述直流无刷电机转子初始位置确定初始开关管的通断，并控制所述直流无刷电机转子转到下一个位置。
应当理解的是，通过上述方法检测到转子的初始位置后，就能决定第一次应该打开那几个开关管，控制转子转到下一个位置，即第一次换相。如果第一次换相时在断开相绕组中产生的反电动势就足够检测过零点，则可以直接进入闭环控制。但是实际情况往往没有这么理想，在电机从静止状态第一次换相时的速度，往往不足以产生足够的反电动势来实现过零点检测。因此只能先将电机开环加速到一定转速，使反电动势达到能够检测过零点的水平，再切换到闭环调速。
S140、当直流无刷电机转子加速后，检测直流无刷电机转子的当前位置，并根据所述直流无刷电机转子的当前位置调整通电的相序；
具体地，当直流无刷电机转子加速后，确定直流无刷电机绕组的当前电感大小关系；
根据所述直流无刷电机绕组的当前电感大小关系确定直流无刷电机转子的当前位置；
根据所述直流无刷电机转子的当前位置调整当前开关管的通断状态。
S150、重复执行所述检测直流无刷电机转子的当前位置，并根据所述直流无刷电机转子的当前位置调整通电的相序的步骤，直至直流无刷电机运转到目标转速。
具体地，当直流无刷电机转子再次加速后，重复执行如下步骤：
确定直流无刷电机绕组的当前电感大小关系；
根据所述直流无刷电机绕组的当前电感大小关系确定直流无刷电机转子的当前位置；
根据所述直流无刷电机转子的当前位置调整当前开关管的通断状态；
当直流无刷电机转子的速度达到目标转速时，停止执行上述步骤。
应当理解的是，在加速一段时间后，利用上述变感法检测转子的位置，然后根据转子当前位置来调整要通电的相序，继续加速。通过几个周期的检测-加速的循环，将电机运转到目标转速，从而能够通过反电动势检测到过零点，进而实现闭环控制。
本发明实施例提供的直流无刷电机无感启动方法，在电机静止时通过向电机注入电压矢量进行转子初始位置辨识，避免了电机反转有可能造成的机械损害。利用电机绕组电感变化来检测转子初始位置，实现初步定位，同时在电机启动过渡到加速段中利用变感检测法来对转子定位，调整通电相序，重复几个周期能够更准确平稳过渡到预设高速阶段。相比传统的两相通电法实现转子定位，本发明使用检测电感的变化来实现转子定位避免电机反转带来的损坏和适用不能反转的应用场景，另外，本发明不依赖电机的任何特性，对任意电机都适用，同时不受负载变化的影响，且还能够适用于电机启动不允许反转的场合。
作为本发明的另一实施例，提供一种直流无刷电机无感启动装置，其中，包括：
第一确定模块，用于确定直流无刷电机绕组的初始电感大小关系；
第二确定模块，用于根据所述初始电感大小关系确定直流无刷电机转子初始位置；
第三确定模块，用于根据所述直流无刷电机转子初始位置确定初始通电的相序，以启动直流无刷电机的转子转动；
检测模块，用于当直流无刷电机转子加速后，检测直流无刷电机转子的当前位置，并根据所述直流无刷电机转子的当前位置调整通电的相序；
调整模块，用于重复执行所述检测直流无刷电机转子的当前位置，并根据所述直流无刷电机转子的当前位置调整通电的相序的步骤，直至直流无刷电机运转到目标转速。
本发明实施例提供的直流无刷电机无感启动装置，能够实现前文所述的直流无刷电机无感启动方法，避免了电机反转有可能造成的机械损害。
关于本发明提供的直流无刷电机无感启动装置的具体实施方式可以参照前文的直流无刷电机无感启动方法的描述，此处不再赘述。
作为本发明的另一实施例，提供一种直流无刷电机无感启动系统，其中，如图4所示，包括：驱动器、上臂开关管、下臂开关管、三相绕组和前文所述的直流无刷电机无感启动装置，所述驱动器与所述直流无刷电机无感启动装置通信连接，所述上臂开关管和下臂开关管均与所述驱动器连接，所述三相绕组分别与所述驱动器、上臂开关管和下臂开关管连接，所述上臂开关管和下臂开关管互补；
所述直流无刷电机无感启动装置用于输出开关信号；
所述驱动器用于根据所述开关信号驱动上臂开关管和下臂开关管的通断。
在一些实施方式中，所述直流无刷电机无感启动装置包括MCU控制器。
在一些实施方式中，所述驱动器包括IRS2101S驱动器。
关于本发明提供的直流无刷电机无感启动系统的具体实施方式可以参照前文的直流无刷电机无感启动方法的描述，此处不再赘述。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种直流无刷电机无感启动方法，其特征在于，包括：
确定直流无刷电机绕组的初始电感大小关系；
根据所述初始电感大小关系确定直流无刷电机转子初始位置；
根据所述直流无刷电机转子初始位置确定初始通电的相序，以启动直流无刷电机的转子转动；
当直流无刷电机转子加速后，检测直流无刷电机转子的当前位置，并根据所述直流无刷电机转子的当前位置调整通电的相序；
重复执行所述检测直流无刷电机转子的当前位置，并根据所述直流无刷电机转子的当前位置调整通电的相序的步骤，直至直流无刷电机运转到目标转速；
所述根据所述初始电感大小关系确定直流无刷电机转子初始位置，包括：
根据直流无刷电机换向原理，将直流无刷电机转子位置的区间划分为六个；
选择空间矢量脉宽调制的基本六个非0检测电压矢量，且每个检测电压矢量均位于每个直流无刷电机转子运行空间的中间位置；
当每个检测电压矢量经过预设作用时间后，获得六个电流峰值；
将六个电流峰值中最大电流峰值对应的检测电压矢量所在区间确定为所述直流无刷电机转子所在区间。
2.根据权利要求1所述的直流无刷电机无感启动方法，其特征在于，所述确定直流无刷电机绕组的初始电感大小关系，包括：
根据直流无刷电机数学模型确定直流无刷电机静止时电枢绕组相电压；
根据所述电枢绕组相电压确定电枢绕组电流；
根据所述电枢绕组电流的大小关系确定初始电感大小关系。
3.根据权利要求1所述的直流无刷电机无感启动方法，其特征在于，所述根据所述直流无刷电机转子初始位置确定初始通电的相序，以启动直流无刷电机的转子转动，包括：
根据所述直流无刷电机转子初始位置确定初始开关管的通断，并控制所述直流无刷电机转子转到下一个位置。
4.根据权利要求3所述的直流无刷电机无感启动方法，其特征在于，所述当直流无刷电机转子加速后，检测直流无刷电机转子的当前位置，并根据所述直流无刷电机转子的当前位置调整通电的相序，包括：
当直流无刷电机转子加速后，确定直流无刷电机绕组的当前电感大小关系；
根据所述直流无刷电机绕组的当前电感大小关系确定直流无刷电机转子的当前位置；
根据所述直流无刷电机转子的当前位置调整当前开关管的通断状态。
5.根据权利要求4所述的直流无刷电机无感启动方法，其特征在于，所述重复执行所述检测直流无刷电机转子的当前位置，并根据所述直流无刷电机转子的当前位置调整通电的相序的步骤，直至直流无刷电机运转到目标转速，包括：
当直流无刷电机转子再次加速后，重复执行如下步骤：
确定直流无刷电机绕组的当前电感大小关系；
根据所述直流无刷电机绕组的当前电感大小关系确定直流无刷电机转子的当前位置；
根据所述直流无刷电机转子的当前位置调整当前开关管的通断状态；
当直流无刷电机转子的速度达到目标转速时，停止执行上述步骤。
6.一种直流无刷电机无感启动装置，用于实现权利要求1至5中任意一项所述的直流无刷电机无感启动方法，其特征在于，包括：
第一确定模块，用于确定直流无刷电机绕组的初始电感大小关系；
第二确定模块，用于根据所述初始电感大小关系确定直流无刷电机转子初始位置；
第三确定模块，用于根据所述直流无刷电机转子初始位置确定初始通电的相序，以启动直流无刷电机的转子转动；
检测模块，用于当直流无刷电机转子加速后，检测直流无刷电机转子的当前位置，并根据所述直流无刷电机转子的当前位置调整通电的相序；
调整模块，用于重复执行所述检测直流无刷电机转子的当前位置，并根据所述直流无刷电机转子的当前位置调整通电的相序的步骤，直至直流无刷电机运转到目标转速。
7.一种直流无刷电机无感启动系统，其特征在于，包括：驱动器、上臂开关管、下臂开关管、三相绕组和权利要求6所述的直流无刷电机无感启动装置，所述驱动器与所述直流无刷电机无感启动装置通信连接，所述上臂开关管和下臂开关管均与所述驱动器连接，所述三相绕组分别与所述驱动器、上臂开关管和下臂开关管连接，所述上臂开关管和下臂开关管互补；
所述直流无刷电机无感启动装置用于输出开关信号；
所述驱动器用于根据所述开关信号驱动上臂开关管和下臂开关管的通断。
8.根据权利要求7所述的直流无刷电机无感启动系统，其特征在于，所述直流无刷电机无感启动装置包括MCU控制器。
9.根据权利要求7所述的直流无刷电机无感启动系统，其特征在于，所述驱动器包括IRS2101S驱动器。
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