CN114944788B

CN114944788B - 一种无刷电机静态位置的检测方法

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Publication number: CN114944788B
Application number: CN202210432856.0A
Authority: CN
Inventors: 刘悦彤; 张金霞; 刘海军
Original assignee: Xinbei Electronic Technology Nanjing Co ltd
Current assignee: Xinbei Electronic Technology Nanjing Co ltd
Priority date: 2022-04-24
Filing date: 2022-04-24
Publication date: 2023-10-13
Anticipated expiration: 2042-04-24
Also published as: CN114944788A

Abstract

本发明提供了一种无刷电机静态位置的检测方法，实现该检测方法所基于的测量系统包括无刷电机、阻容网络和振荡器电路。该方法能够在不强制启动电机的静止状态下，基于特定的测量系统，利用电机的转子在不同位置时对定子的电感量的影响，对无刷电机的定子电感量进行测量，由此确定转子的具体位置信息，进而实现对电机静态位置的检测。而所采用的测量系统只利用MOS管的寄生电容C和电机定子本身的电感L构成振荡器，实现了检测精度的提高，同时降低了检测成本。

Description

一种无刷电机静态位置的检测方法

技术领域

本发明涉及调速电机的控制技术领域，特别是涉及一种无刷电机静态位置的检测方法。

背景技术

无刷电机，即无刷直流电机，其由电动机主体和驱动器组成，转子通常由相对于多相定子旋转的一对或多对磁极片形成，定子通常由三相定子绕组组成，每相单独或者组合以预定顺序给电，使得再定子绕组和磁转子之间感应磁力由此旋转驱动转子，是一种典型的机电一体化产品。由于通电时间和转子的角位置密切相关，因此，需要对无刷电机进行适当控制并感测转子的位置（角位置），目前可以将无刷电机分为有位置传感器无刷电机和无位置传感器无刷电机两种。常见的无刷电机通常使用霍尔元件来实现位置检测，主要包括静态位置和动态位置。霍尔位置检测是利用霍尔电磁特性，根据精度和定子的个数，确定在无刷电机上添加的位置传感器的个数，从而进行位置检测。

诸如中国专利文献CN110932514A中记载了一种无刷电机的转子位置检测方法，采用四个线性霍尔传感器，并根据其输出的霍尔电压信号得到转子位置信息。该霍尔传感器的输出信号直接取自运算放大器的输出信号，输出的霍尔电压信号与霍尔传感器的偏置电流成正比，与通过线性霍尔传感器的磁场成正比。类似于这种的采用霍尔位置检测时存在诸多缺陷，其一，采用多个霍尔位置传感器会增加电机的成本；其次，连线众多的位置传感器会降低电机运行的可靠性，并且存在一定的磁不敏感区；再次，在某些恶劣的电磁环境中，常规的位置传感器精度会受到影响等等。

现有技术中存在一些不使用物理旋转位置检测器（如霍尔位置传感器）的技术方案，诸如美国专利文献US4922169A记载了一种用于驱动无刷电机10的方法，如图1所示，所述无刷电机10为无霍尔无刷电机，为3相8极电动机，相绕组以星形阵列连接，构成Y形配置，相绕组的中心抽头或者中性点用于提供感应反电动势的三次谐波。驱动电路包括谐波检测电路12、差分放大器14、零交叉检测器16、极性检测器17、分频器或计数器20、状态序列发生器电路22和驱动电流发生器24，驱动器24被耦合到状态序列发生器电路22，并且适合于向那些由状态序列发生器电路选择用于激励的相提供驱动电流，该驱动器可以被认为是晶体管开关组，其中一组简单导通或关断以将定子相连到激励电势源，从而为其提供驱动电流，另一组晶体管开关为可变电阻器，该电阻不但具有导通该晶体管的功能，还可以为其提供偏置电流。在该技术方案中，利用电流感测电阻器261、运算放大器260、280和提供给晶体管开关242、244、246的偏置电流作为反馈电路，以最小化实际电动机电流与期望电动机电流之间的差异。因此，该无刷电机10通过其相位的适当通电而被控制为以其操作速度旋转，而无需使用外部旋转位置检测器，例如霍尔位置传感器、光学位置传感器等等。然而，这些无霍尔无刷电机在不清楚位置的情况下，采用强制启动可能产生反转或者正转，通过电机旋转得到反电动势后，可以通过判断反电动势，判断换向位置，从而控制电机转速。这种情况下，启动即会出现抖动的问题，在某些场合是不被允许的。

另一方面，工作绕组形成的磁链对注入电流形成影响，使得信号采集受到干扰，降低了转子位置的辨识精度，而单纯的磁链估计法是利用测量定子电压和电流而估算出磁铁，再根据磁链与转子位置的关系来估算出转子的位置。该算法包含有两个电流环结构，内环矫正磁铁的估计值，外环调整位置估计值。但是，在电压过大时，因为电感小，转子容易移动，位置会发生改变。电压过小时，首先是电流变化率低，其次低压电机电感量小，电流变化过快，在这两个原因的基础上，检测精度差。

日本专利文献JPH10257792A中记载了一种单相无传感器无刷电机，如图2所示，由该电机驱动电路1驱动的单相无刷电机51以永磁铁的励磁51a为转子、以电枢绕组51b为定子的表面磁铁型的单项无刷马达，励磁转子51a构成为停止在从其磁通轴与电枢绕组51b的磁通轴一致的锁定位置起保持偏角的两处位置，能够将该驱动电路1用于将励磁设为定子并将电枢绕组设为转子的带集电环的电动机、埋入磁铁型的无刷电动机。电机驱动电路1具备辅助电源电路2、逆变器电路3、电流检测电路4、采样电路5、放大电路6、启动补偿电路7、优先电路8、分配电路9、零复位电路10、检查波振荡电路21、比较电路22、判别电路23、通电方向设定电路24、切换电路25、计数器DL1、时钟发生电路DL2、单稳态多谐振荡器MM1、MM2、比较器CP1等等。该方案能够判别单相无刷电机停止时的励磁的极性，能够对转子赋予较大的启动转矩而能够可靠地启动单项无刷电动机，然而，该技术方案中驱动电路结构复杂，应用场景单一，并不适合推广应用。

现有技术诸如中国专利文献CN110474593A中记载了一种无刷电机电枢等效电阻电感测量方法，其采用频率分析仪对电机电流闭环频率特性测试，绘制频率特性曲线，根据实测电流闭环频率特性曲线进行数学拟合，将拟合后的数学表达式与理论分析所得进行比较，间接测量电机电枢的等效电阻和等效电感。但是，该技术方案中由于需要额外采用昂贵的仪器，检测成本过高，不利于产业化用途。

现有技术中鲜有通过测量定子电感大小来判断无刷电机转子位置、通过输入偏置电流来判断转子转向的技术方案。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种无刷电机静态位置的检测方法，能够在不强制启动电机的静止状态下，基于特定的测量系统通过测量定子电感大小，来判断无刷电机转子的转子位置，通过输入偏置电流来判断转子转向，从而实现对电机静态位置的检测。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：

一种无刷电机静态位置的检测方法，其特征在于，应用于静态测量系统，所述静态系统设置有主电路振荡器OSC以及与之连接的至少三项驱动电路，每项驱动电路分别设置有至少一个项选择开关、至少一个高电平MOS开关管及至少一个低电平MOS开关管；所述每一个MOS开光管的源漏极之间构成寄生电容；

所述振荡器和所述至少三项驱动电路构成LRC网络，将所述无刷电机的定子电感与所述LRC网络建立连接，通过测量定子的复合电感值大小，判断所述无刷电机的转子位置，进而判断所述无刷电机的转子分别与所述至少三项驱动电路中的各定子之间的偏离角度；

在定子和转子距离最近的一组组合上加入偏置电流来判断所述无刷电机的转子的转向。

进一步，所述驱动电路为三项驱动电路A、B、C，所述项选择开关为三项选择开关SA、SB、SC，所述无刷电机的定子电感为三个电感LA、LB、LC，通过测量定子的复合电感值大小，求得LB/LA与LC/LA的值，以判断所述无刷电机的LA、LB和LC的大小。

进一步，LA、LB、LC中电感值最大的是转子最靠近的定子的电感，最小的是离转子最远的定子的电感。

进一步，根据LB/LA与LC/LA的比例大小，判断转子与定子的偏离角度。

进一步，对每一个MOS开关管的源级和漏级之间的寄生电容均采用校准的方法对其进行一一标记，并在计算时预先对所述标记的数据进行预处理。

优选地，根据上述检测方法，利用所述无刷电机驱动的下桥壁以及控制所述项选择开关SA、SB、SC的开闭构成不同LC振荡电路，并由所述震荡器OSC整形后输出其震荡频率fA、fB、fC。

优选地，根据上述检测方法，使用测得的频率以及公式和计算得到电感复合值L1、L2、L3。

优选地，根据上述检测方法，根据所建立的连接关系：、、/>，经过数学推导，求得LB/LA与LC/LA的值，从而判断出LA、LB、LC的大小。

根据上述检测方法，OSC是振荡器的主电路，为了简单，不考虑MOS开关管的阈值，只记0为关闭，1为导通。当闭合开关SA（SA=1）时，MOS管QLB的栅极GLB和MOS管QLC的栅极GLC为1，此时QLB和QLC导通，电感（L）通路具体为LB和LC的并联后再和LA串连。电容（C）作为QLA的寄生电容，这样OSC电路就与上述LC构成了震荡器，并由OSC电路整型后输出，并记录为fA。

根据上述检测方法，当切换开关为SB、SC时，改变相应开关和相应的MOS管分别得到fB和fC。

使用测得的频率fA、fB、fC，根据LC振荡电路计算公式计算得到电感复合值L1、L2、L3，从而实现无刷电机的转子位置判断。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1. 本检测方法能够在不强制启动电机的静止状态下，基于特定的测量系统，利用电机的转子在不同位置时对定子的电感量的影响，对无刷电机的定子电感量进行测量，由此确定转子的具体位置信息，进而实现对电机静态位置的检测。

2. 本检测方法所采用的测量系统只利用MOS管的寄生电容和电机定子本身的电感L构成振荡器，实现了检测精度的提高，同时降低了检测成本。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为现有技术中无位置传感器的无刷电机驱动系统示意图。

图2为现有技术中单相无位置传感器的无刷电机驱动系统示意图。

图3为本发明无刷电机静态位置检测的原理电路框图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

图1是现有技术中无位置传感器的无刷电机驱动系统示意图，图2是现有技术中单相无位置传感器的无刷电机驱动系统示意图，上文已做详细描述，不再赘述，下面结合图3的原理框图对本发明进一步说明。

本发明实施例提供了一种无刷电机静态位置的检测方法，实现该检测方法所基于的测量系统包括无刷电机、阻容网络和振荡器电路；其中，每一个MOS开关管的源级和漏级之间都有寄生电容，采用校准的方法对其一一标记，并在计算时预先对所述标记的数据进行预处理。本实施例中，无刷电机静态位置的特定的测量系统具体涉及了LC振荡器。该振荡器能够输出某一指定频率的正弦波，因此一般在闭合回路中包含选频网络，若选频网络由LC原件组成，则该振荡器称为LC振荡器。

本发明主要是通过测量定子电感量的大小，来判断无刷电机转子的位置，下面具体以三项驱动电路作为示例。

如图3所示，SA、SB、SC为项选择开关，GLA表示MOS管QLA的栅极，GLB表示MOS管QLB的栅极，GLC表示MOS管QLC的栅极，GHA表示MOS管QHA的栅极，GHB表示MOS管QHB的栅极，GHC表示MOS管QHC的栅极。

为了简单，不考虑MOS管的阈值，只记0为关闭，1为导通。OSC是振荡器的主电路，LA、LB、LC分别表示无刷电机的定子电感。

所述无刷电机静态位置的检测方法是基于如附图3所示的测量系统而实现的，该测量系统包括无刷电机、阻容网络和振荡器电路。每一个MOS开关管的源级和漏级之间都有寄生电容C，并且同一批次MOS管的寄生电容大小相差很小，可以额外地采用校准的方法，对其进行一一标记。同时，计算时可以预先对该数据进行预处理。

所述检测方法包括如下步骤：

步骤1：将所述无刷电机与振所述阻容网络建立连接。

步骤2：利用电机驱动的下桥壁和项选择开关SA、SB、SC。

例如：闭合开关SA（SA=1）时，GLB和GLC为1，此时QLB和QLC导通，电感（L）通路具体为LB和LC的并联后再和LA串连。电容（C）作为QLA的寄生电容，这样OSC电路就与上述LC构成了震荡器，并由OSC电路整型后输出，并记录为fA。我们使用同样方法，切换开关为SB、SC时，改变相应开关和相应的MOS管可以得到fB和fC。

步骤3：使用测得的频率和以下公式计算得到电感复合值L1、L2、L3。

其中，L表示电感，f表示频率，C表示电容；

步骤4：根据物理学中电感串联、并联的基本关系表达，电路形式如下（以下等式中“||”的含义为并联，“+”的含义为串联）：

根据上述等式，其数学表达式为：

经过上述数学推导，求得LB/LA与LC/LA的值，从而可以判断出定子电感LA、LB、LC的大小。LA、LB、LC中电感量最大值的项判定为最靠近转子的定子，最小值的项判定为最远离转子的定子。我们还可以从等比例公式中进一步地判断转子分别与定子A、定子B、定子C之间的偏离角度，另外，也可以用其他测量电感的组合方式测量达到同样的效果。

步骤5：在定子和转子距离最近的一组组合的定子上加入偏置电流来判断转子的转向。举例说明，本实施例中假设定子A距离转子最近。具体操作如下：

1. 电机的工作电流如果在1A的情况下，需添加的偏置电流是很小的，产生的磁场不会使得转子转动，例如100μA。

2. 用A+B||C测量出对应的频率，与未添加偏置电流时的频率进行比较，当频率出现上升时，计算得到的电感值减小，当前所形成的定子偏置磁场与转子的磁极性相反，由此判断转子如何正转或反转。

本实施例提供的方法利用电机的转子在不同位置时对定子的电感量的影响，去判断转子的位置，利用MOS管的寄生电容C和电机定子本身的电感L构成振荡器，可以在提升检测精度的同时降低检测成本。

上述具体实施方式仅例示性地说明本发明的原理及其功效，并非用于限制本发明的权利保护范围。任何具有所属变速电机领域公知常识的本领域技术人员在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的修饰或改变，仍属于本发明权利要求所请求保护的范围内。

Claims

1.一种无刷电机静态位置的检测方法，其特征在于，应用于静态测量系统，所述静态测量系统设置有主电路振荡器OSC以及与之连接的至少三项驱动电路；每项驱动电路分别设置有至少一个项选择开关、至少一个高电平MOS开关管及至少一个低电平MOS开关管；所述每一个MOS开关管的源漏极之间构成寄生电容；

所述振荡器和所述至少三项驱动电路构成阻容网络，将所述无刷电机的定子电感与所述阻容网络建立连接，通过测量定子的复合电感值大小，判断所述无刷电机的转子位置，进而判断所述无刷电机的转子分别与所述至少三项驱动电路中的各定子之间的偏离角度；

在定子和转子距离最近的一组组合上加入偏置电流来判断所述无刷电机的转子的转向；

所述项选择开关为三项选择开关SA、SB、SC，所述无刷电机的定子电感为三个电感LA、LB、LC，通过测量定子的复合电感值大小，求得LB/LA与LC/LA的值，以判断所述无刷电机的LA、LB和LC的大小；

利用所述无刷电机驱动的下桥臂以及控制所述项选择开关SA、SB、SC的开闭构成不同LC振荡电路，并由所述振荡器OSC整形后输出其振荡频率fA、fB、fC；

使用测得的频率以及公式和/>计算得到复合电感值L1、L2、L3；其中，L表示电感，f表示频率，C’表示寄生电容的容值；

根据所建立的连接关系：经过数学推导，求得LB/LA与LC/LA的值，从而判断出LA、LB、LC的大小；

其中LA、LB、LC分别表示定子A、定子B、定子C的电感。

2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，LA、LB、LC中电感值最大的是转子最靠近的定子的电感，最小的是离转子最远的定子的电感。

3.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，根据LB/LA与LC/LA的比例大小，判断转子与定子的偏离角度。

4.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，对每一个MOS开关管的源极和漏极之间的寄生电容均采用校准的方法对其进行一一标记，并在计算时预先对标记的数据进行预处理。

5.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，用A+B||C测量出对应的频率，与未添加偏置电流时的频率进行比较，当频率出现上升时，计算得到的电感值减小，当前所形成的定子偏置磁场与转子的磁极性相反，由此判断转子正转或反转；

其中，A、B、C分别表示定子A、定子B、定子C。