CN113364385A - 一种无位置传感器的无刷电机初始位置检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种无位置传感器的无刷电机初始位置检测方法，涉及无刷电机转子位置检测技术领域，包括如下步骤：步骤一、给电机施加第一组控制脉冲和第二组控制脉冲，检测出分辨率为30°的电机转子初始位置角度；步骤二、根据步骤一检测到的电机转子初始位置角度，将所述电机转子初始位置角度设定为FOC的角度并给D轴施加一个电压，再将电机转子对齐检测到的电机转子初始位置角度；本发明采用给电机施加两组控制脉冲并进行相电压测量的方式可以检测到分辨率为30°的电机转子初始位置角度，再结合对齐的方式将电机转子对齐到检测到的角度位置；可以在大负载的情况下实现电机转子初始位置的准确检测，成功率高，用时短。
Description
技术领域
本发明涉及无刷电机转子位置检测技术领域，特别涉及一种无位置传感器的无刷电机初始位置检测方法。
背景技术
随着电力电子技术的发展，永磁无刷直流电机在本体结构上更加简单，运行更加稳定可靠，调速性能更加优良，在工业控制领域和家用电器领域的应用越来越广泛。无刷直流电机在运行时，需要依靠位置传感器对转子位置进行检测，这使得电机的体积增大，制造成本增加，运行可靠性受到影响，为使无刷直流电机适用于更多场合，对于无位置传感器无刷电机控制技术进行深入研究具有重要意义，在无位置传感器无刷直流电机运行控制中，无位置传感器控制的难点是零速或低速启动，在零速或低速启动时初始位置的检测就显得尤为重要。初始位置检测，即在电机处于静止状态时进行电机转子位置的角度检测。
目前广泛使用的方法是通过给电机D轴施加一个电压让电机对齐到0°位置，但此方法在负载比较大时可能会对齐失败。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，存在起动延时问题且精度难以保证。
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
针对现有技术所存在的缺陷，本发明提出一种无位置传感器的无刷电机初始位置检测方法，本方法可准确识别转子初始位置的角度，检测精度高，用时短。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种无位置传感器的无刷电机初始位置检测方法，包括如下步骤：
步骤一、给电机施加第一组控制脉冲和第二组控制脉冲，检测出分辨率为30°的电机转子初始位置角度；
步骤二、根据步骤一检测到的电机转子初始位置角度，将电机转子初始位置角度设定为FOC的角度并给D轴施加一个电压，再将电机转子对齐检测到的电机转子初始位置角度。
进一步地，第一组控制脉冲分为第一阶段、第二阶段和第三阶段且每个阶段都包括驱动过程和续流过程，在驱动过程时分别给三相电机的任意两相施加控制信号，另一相关闭作为被测相，测量并读取被测相的相电压峰值；在续流过程时关闭控制信号，再次测量并读取被测相的相电压峰值；根据在驱动过程与续流过程读取的相电压峰值计算出相电压峰值的差值及差值绝对值，通过比较差值绝对值的大小得出最大的差值绝对值，最后根据差值绝对值以及另外两相的差值大小关系得出索引值M。
进一步地，第二组控制脉冲分为第一阶段、第二阶段和第三阶段且每个阶段都包括驱动过程和续流过程，第一阶段在驱动过程和续流过程都无需测量相电压；第二阶段在驱动过程时分别给三相电机的任意两相施加控制信号，另一相关闭作为被测相，测量并读取被测相的相电压峰值P1，在续流过程时关闭控制信号，再次测量并读取被测相的相电压峰值P2；第三阶段在驱动过程时分别给三相电机的任意两相施加控制信号，另一相关闭作为被测相，测量并读取被测相的相电压峰值N1，在续流过程时关闭控制信号，再次测量并读取被测相的相电压峰值N2；第二阶段和第三阶段在驱动过程均需延时S个周期，通过延时S个周期来加大驱动电流从而判断出永磁体的极性。
进一步地，根据第二阶段读取到的被测相的相电压峰值P1、P2和第三阶段读取到的被测相的相电压峰值N1、N2，计算出相电压峰值的差值和差值绝对值，最后根据第二阶段和第三阶段的差值绝对值的大小关系计算得到索引值N。
进一步地，第二组控制脉冲在驱动过程给三相电机中任意两相施加的控制信号由第一组控制脉冲计算出的最大的差值绝对值决定。
最后，根据索引值M和索引值N查表，得到分辨率为30°的转子初始位置角度。
本发明所取得的有益效果在于：本发明采用给电机施加两组控制脉冲并进行相电压测量的方式可以检测到分辨率为30°的电机转子初始位置角度，再结合对齐的方式将电机转子对齐到检测到的初始角度位置；可以在大负载的情况下实现电机转子初始位置的准确检测，成功率高，用时短。
附图说明
图1为本实施例的流程图；
图2为本实施例的测量点示意图；
图3为本实施例的第一组控制脉冲示意图；
图4为本实施例以AbsDiffA最大为例的第二组控制脉冲示意图；
图5为本实施例以AbsDiffB最大为例的第二组控制脉冲示意图；
图6为本实施例以AbsDiffC最大为例的第二组控制脉冲示意图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合具体实施例与附图对本发明作进一步的说明。
一种无位置传感器的无刷电机初始位置检测方法，如图1所示，检测电机转子初始位置的具体步骤如下：
步骤一、给电机施加第一组控制脉冲和第二组控制脉冲，检测出分辨率为30°的电机转子初始位置角度。
被测相的相电压测量点如图2所示，被测相的相电压在电机电感的作用下发生变化，当控制脉冲接入一段时间t后，进行相电压的测量，原则上读取被测相的相电压峰值，t的大小由电机电感的大小决定，本实施例取t＝5μs。
具体地，本发明的思路是，先在驱动过程给电机三相其中的任意两相施加控制信号，另一相关闭作为被测相，测量并读取被测相的相电压峰值，然后在续流过程中关闭控制信号，再次测量并读取被测相的相电压的峰值，最后计算出驱动过程和续流过程时的相电压峰值的差值，即电流变化率；当差值越大代表电流变化率越大，同时也说明被测相的电感越小，与转子永磁体越对齐。
如图3所示，第一组控制脉冲分为第一阶段、第二阶段和第三阶段且每个阶段都包括驱动过程和续流过程，其中驱动过程和续流过程都有两个步骤，每一个步骤的时间为50μs。具体来说，第一阶段在驱动过程时关闭A相，给B、C两相施加控制信号，测量A相的相电压并读取A相的相电压峰值，在续流过程时关闭控制信号，再次测量A相的相电压并读取A相的相电压峰值；第二阶段在驱动过程时关闭B相，给A、C两相施加控制信号，测量B相的相电压并读取B相的相电压峰值，在续流过程时关闭控制信号，再次测量B相的相电压并读取B相的相电压峰值；第三阶段在驱动过程时关闭C相，给A、B两相施加控制信号，测量C相的相电压并读取C相的相电压峰值，在续流过程时关闭控制信号，再次测量C相的相电压并读取C相的相电压峰值。给定的关系如下表1所示：
表1第一组控制脉冲给定的关系表
注：每个步骤持续的时间均相同，本实施例取50μs。
根据在驱动过程与续流过程中读取的相电压峰值计算出差值DiffA、DiffB、DiffC及差值绝对值AbsDiffA、AbsDiffB、AbsDiffC，得：
DiffA＝A2-A1,AbsDiffA＝|DiffA|,同理可得：
DiffB＝B2-B1,AbsDiffB＝|DiffB|；
DiffC＝C2-C1,AbsDiffC＝|DiffC|；
然后根据上述公式计算出差值绝对值AbsDiffA，AbsDiffB，AbsDiffC的最大值，然后通过比较差值绝对值AbsDiffA，AbsDiffB，AbsDiffC的大小得到最大的差值绝对值，最后根据差值绝对值以及另外两相的大小关系得出索引值M，如下表2所列。
表2
第二组控制脉冲如图4-6所示，分为第一阶段、第二阶段和第三阶段且每个阶段都包括驱动过程和续流过程，其中驱动过程和续流过程都有两个步骤，每一个步骤的时间为50μs。在驱动过程时分别给三相电机中任意两相施加控制信号，控制信号由第一组控制脉冲计算出的最大的差值绝对值AbsDiffA、AbsDiffB、AbsDiffC决定。具体来说，在第一阶段当AbsDiffA最大时，在驱动过程时关闭A相，给B、C两相施加控制信号，在续流过程时关闭控制信号；当AbsDiffB最大时，在驱动过程关闭B相，给A、C两相施加控制信号，在续流过程关闭控制信号；当AbsDiffC最大时，在驱动过程关闭C相，给A、B两相施加控制信号，在续流过程关闭控制信号。第一阶段是为后续两个阶段做准备的，因此无需测量相电压。给定的关系如下表3所示。
表3第二组控制脉冲的第一阶段给定的关系表
下面具体来说，在第二阶段当AbsDiffA最大时，在驱动过程时关闭A相，给B、C两相施加控制信号，测量A相的相电压，延时S个周期后再读取A相的相电压峰值，在续流过程时关闭控制信号，再次测量并读取A相的相电压峰值；当AbsDiffB最大时，在驱动过程时关闭B相，给A、C两相施加控制信号，测量B相的相电压，延时S个周期后再读取B相的相电压峰值，在续流过程时关闭控制信号，再次测量并读取B相的相电压峰值；当AbsDiffC最大时，在驱动过程时关闭C相，给A、B两相施加控制信号，测量C相的相电压，延时S个周期后再读取C相的相电压峰值，在续流过程时关闭控制信号，再次测量并读取C相的相电压峰值；在驱动过程时读取的被测相的相电压峰值记为P1、在续流过程时读取的被测相的相电压峰值记为P2；给定的关系如下表4所示。
表4第二组控制脉冲的第二阶段给定的关系表
接着具体来说，在第三阶段当AbsDiffA最大时，在驱动过程关闭A相，给B、C两相施加控制信号，测量A相的相电压，延时S个周期后再读取A相的相电压峰值，在续流过程关闭控制信号，再次测量并读取A相的相电压峰值；当AbsDiffB最大时，在驱动过程关闭B相，给A、C两相施加控制信号，测量B相的相电压，延时S个周期后再读取B相的相电压峰值，在续流过程关闭控制信号，再次测量并读取B相的相电压峰值；当AbsDiffC最大时，在驱动过程关闭C相，给A、B两相施加控制信号，测量C相的相电压，延时S个周期后再读取C相的相电压峰值，在续流过程关闭控制信号，再次测量并读取C相的相电压峰值；在驱动过程读取的被测相的相电压峰值记为N1、在续流过程读取的被测相的相电压峰值记为N2。给定的关系如下表5所示。
表5第二组控制脉冲的第三阶段给定的关系表
第二组控制脉冲的第二、三阶段在读取驱动过程时被测相的相电压峰值之前需延时S个周期，通过延时S个周期来加大驱动电流能够准确地判断永磁体的极性，延时S个周期由实际调试决定，本实施例取4个周期，即200μs。
根据第二阶段测量到的相电压峰值P1、P2和第三阶段测量到的相电压峰值N1、N2，计算出第二阶段和第三阶段测量得到的相电压峰值的差值DiffP、DiffN和差值绝对值AbsDiffP、AbsDiffN。
具体地，相电压峰值的差值：DiffP＝P2–P1；DiffN＝N2–N1；
差值绝对值：AbsDiffP＝|DiffP|；AbsDiffN＝|DiffN|；
根据P、N差值绝对值AbsDiffP、AbsDiffN的大小关系来计算得到索引值N，如下表6所列。
表6
| P、N差值绝对值大小关系 | 索引N |
| AbsDiffP＜AbsDiffN | 0 |
| AbsDiffP＞＝AbsDiffN | 1 |
最后，根据索引值M和索引值N查表，得到分辨率为30°的转子初始位置角度，如下表7所列。
表7
步骤二、根据步骤一检测到的电机转子初始位置角度，将电机转子初始位置角度设定为FOC的角度并给D轴施加一个电压，再将电机转子对齐检测到的电机转子初始位置角度。
本发明采用给电机施加两组控制脉冲并进行相电压测量的方式可以检测到分辨率为30°的电机转子初始位置角度，再结合对齐的方式将电机转子对齐到检测到的电机转子初始位置角度，可以在各种工况下达到检测精度2°以内。由于是采用先找角度，再对齐的方式，对齐电机转子角度最大只需转动30°，在大负载的情况下同样可以实现电机转子初始位置的准确检测，成功率高，用时短。在转子位置角度检测过程中第一组控制脉冲用时为3×3×4×50＝600μs，第二组控制脉冲用时为(4+7+7)×50＝900μs，共用600+900＝1500μs＝1.5ms。
上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。
为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本申请文件还省略了一些其它元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本发明的内容。
Claims (6)
1.一种无位置传感器的无刷电机初始位置检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、给电机施加第一组控制脉冲和第二组控制脉冲，检测出分辨率为30°的电机转子初始位置角度；
步骤二、根据步骤一检测到的电机转子初始位置角度，将所述电机转子初始位置角度设定为FOC的角度并给D轴施加一个电压，再将电机转子对齐检测到的电机转子初始位置角度。
2.根据权利要求1所述的无位置传感器的无刷电机初始位置检测方法，其特征在于：所述第一组控制脉冲分为第一阶段、第二阶段和第三阶段且每个阶段都包括驱动过程和续流过程，在所述驱动过程时分别给三相电机的任意两相施加控制信号，将另一相关闭作为被测相，测量并读取被测相的相电压峰值；在所述续流过程时关闭控制信号，再次测量并读取被测相的相电压峰值；根据在所述驱动过程与续流过程读取的相电压峰值计算出相电压峰值的差值及差值绝对值，通过比较差值绝对值的大小得出最大的差值绝对值，最后根据最大的差值绝对值以及另外两相差值的大小关系得出索引值M。
3.根据权利要求1所述的无位置传感器的无刷电机初始位置检测方法，其特征在于：所述第二组控制脉冲分为第一阶段、第二阶段和第三阶段且每个阶段都包括驱动过程和续流过程，所述第一阶段在驱动过程和续流过程都无需测量相电压；所述第二阶段在驱动过程时分别给三相电机的任意两相施加控制信号，另一相关闭作为被测相，测量并读取被测相的相电压峰值P1，在续流过程时关闭控制信号，再次测量并读取被测相的相电压峰值P2；所述第三阶段在驱动过程时分别给三相电机的任意两相施加控制信号，另一相关闭作为被测相，测量再读取被测相的相电压峰值N1，在续流过程时关闭控制信号，再次测量并读取被测相的相电压峰值N2；所述第二阶段和第三阶段在驱动过程读取被测相的相电压峰值之前均需延时S个周期，通过延时S个周期来加大驱动电流从而判断出永磁体的极性。
4.根据权利要求3所述的无位置传感器的无刷电机初始位置检测方法，其特征在于：根据所述第二阶段读取的被测相的相电压峰值P1、P2和第三阶段读取的被测相的相电压峰值N1、N2，计算出相电压峰值的差值和差值绝对值，最后根据第二阶段和第三阶段的差值绝对值的大小关系计算得到索引值N。
5.根据权利要求3或4所述的无位置传感器的无刷电机初始位置检测方法，其特征在于：所述第二组控制脉冲在驱动过程给三相电机中任意两相施加的控制信号由第一组控制脉冲计算出的最大的差值绝对值决定。
6.根据权利要求2或4所述的无位置传感器的无刷电机初始位置检测方法，其特征在于：根据所述索引值M和索引值N查表，得到分辨率为30°的转子初始位置角度。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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