CN115189601A - 一种无位置传感无刷直流电机复合定位启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无位置传感无刷直流电机复合定位启动方法，包括如下步骤：S1、常用启动方法的分析；S2、确定采用复合定位的启动方法；S3、转子预定位法：第一次预定位：转子预定位法定位后，接着封死全部的驱动信号，使电机处于断电的状态；第二次预定位：采用同样的方法进行转子预定位来实现电机的准确定位，将导通步向前或向后发生一次换相；S4、转子加速和切换；本发明采用二次定位法来获得转子的初始位置，既能保证电机可靠启动，又能保证电机在启动时，不会像传统有刷直流电机启动时产生过电流冲击，实现了电机由静止状态的强迫启动，既能有效实现电机启动，又能避免电机启动时间过长。

Description

一种无位置传感无刷直流电机复合定位启动方法

技术领域

本发明属于电机技术领域，具体涉及一种无位置传感无刷直流电机复合定位启动方法。

背景技术

无刷直流电机因其运行效率高，调速性能好，结构简单，并且方便维护等诸多优点已在航空航天，过程控制，电子设备，地下矿井作业，家用电器等广泛应用。无刷直流电机一般会安装位置传感器用于检测转子位置信号再进行换相，而传感器的安装不仅在应用上存在不便，而且加大了电机体积和成本。

无位置传感无刷直流电机的启动方法，主要有：传统的三段式启动，振荡器换相脉冲启动,升频升压同步启动以及检测脉冲转子定位启动法。以上方法都有各自的优缺点，在降低成本，优化控制系统的前提下，我们提出一种无位置传感无刷直流电机复合定位启动方法，既能保证电机可靠启动，又能保证电机在启动时，不会像传统有刷直流电机启动时产生过电流冲击既能有效实现电机启动，又能避免电机启动时间过长，保证电机能匀加速运行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无位置传感无刷直流电机复合定位启动方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种无位置传感无刷直流电机复合定位启动方法，包括如下步骤：

S1、常用启动方法的分析，常用启动方法包括三段式启动法、振荡器换相脉冲启动法、升频升压启动法和检测脉冲转子定位启动法；

S2、确定采用复合定位的启动方法：采用三段式启动法的转子预定位法，结合检测脉冲转子定位启动法的加速切换过程；

S3、转子预定位法：

第一次预定位：首先用转子预定位法定位后，接着封死全部的驱动信号，使电机处于断电的状态；

第二次预定位：再采用同样的方法进行转子预定位来实现电机的准确定位，该预定位的位置是要在第一次预定位的定位基础上，将导通步向前或向后发生一次换相；

S4、转子加速和切换：

将电机转子定位到特定位置，然后按照直流无刷电机的换向顺序对电机进行换向，这是三段式启动法的第二阶段，即外同步加速法；

当转子定位完成后，按照电机的转动方向在使用长脉冲给电机加速的同时，使用短脉冲检测转子位置信号；

施加换相信号作用于电机定子绕组上时，一方面，换相信号要根据六步通电换相顺序来施加驱动信号到逆变管上，另外要逐步提高PWM信号的占空比，不断增加六步通电顺序的换相频率，从而使得定子绕组电压能增大到预期的频率，使得电机能达到一定转速，其中的反电势信号增大到能够检测出来。

所述无位置传感无刷直流电机包括无刷直流电机本体，转子位置检测单元，控制器，逆变器和直流电源；

直流电源通过逆变器电性连接于无刷直流电机本体，无刷直流电机本体通过转子位置检测单元连接于控制器，控制器电性连接于逆变器。

无刷直流电机本体的转子位置信号通过转子位置检测单元传递给控制器，控制器输出触发脉冲驱动逆变器，使无刷直流电机本体的绕组按规律通电，无刷直流电机本体的转子的磁场和由电流产生的磁场经过合成电磁转矩，从而带动无刷直流电机本体的正常运转。

所述步骤S3中，当第一次预定位失败，即转子磁极极性相反，转子的N极为实际转子的S极，而S极为实际转子的N极，再经过第二次预定位，预定位的时间要控制准确。

所述三段式启动法包括：转子预定位法、外同步加速法和自动切换法；

转子预定位法：电机启动时在无位置传感器控制下不能获取转子初始位置信息，将转子初始位置预定到一个已知的位置；

外同步加速法：转子预定位后，给电机施加适当的脉冲序列来提高转速，获取反电势过零点的信号，此时的电机处于外同步加速阶段；

自动切换法：进入自动换相的无位置无刷直流电机与有位置传感器方波120°两两导通模式相同，即按照有位置传感器的换相规律将检测到稳定的位置信号反馈给电机，对电机进行自动换相。

所述步骤S4中，为保证检测结果的准确性，应该等长脉冲结束，并且母线电流降为零，再用短脉冲检测转子位置；

当电机转子处于高速运转时，在等待同步加速期间，使电流流向A+B-时，要将控制逆变管上的PWM信号断开，切换到无位置传感器检测到的位置状态，按照一定规则施加驱动信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供的一种无位置传感无刷直流电机复合定位启动方法，本发明采用二次定位法来获得转子的初始位置，既能保证电机可靠启动，又能保证电机在启动时，不会像传统有刷直流电机启动时产生过电流冲击；

实现了电机由静止状态的强迫启动，既能有效实现电机启动，又能避免电机启动时间过长；

采用的二次定位法也避免了转子磁极与定子磁势两极对调而导致一次定位失败的问题。在保证换相频率和PWM占空比为定值的同时，根据设置好的导通顺序来改变逆变器开关器件的导通，保证电机能匀加速运行。

附图说明

图1为升频升压启动框图；

图2为C、B绕组导通时合成定子磁动势示意图；

图3为A、B绕组导通时合成定子磁动势示意图；

图4为空间电压矢量图；

图5为常用的转子位置检测法的示意图；

图6为无刷直流电机的系统组成示意图；

图7为全桥式逆变器无刷直流电机控制结构示意图；

图8为VT1、VT6导通，A、B相通电示意图；

图9为VT1、VT2导通，A、C相通电示意图；

图10为VT2、VT3导通，B、C相通电示意图；

图11为为VT3、VT4导通，B、A相通电示意图；

图12为电机等效电路图；

图13为反电势与电流波形图；

图14为反电势过零信号检测电路图；

图15为功率开关管出现VT1、VT6同时导通的简化电路图；

图16为VT1关断、VT6导通的简化电路图；

图17为反电势过零信号检测程序流程图。

具体实施方式

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，都属于本发明保护的范围。

无位置传感控制技术的发展：无位置传感的无刷直流电机的控制技术也就是采用与转子位置相关的电机参数如定子端电压，绕组反电势，电流，磁链等信息来间接获得转子位置信号。因此，该技术的关键是设计出能检测到转子位置的电路来代替有位置传感器，通过运行获取到间接的参数，再通过计算得出转子的位置信号，从而实现无位置传感无刷直流电机的控制。常用的转子位置检测法如图5所示。

以定子绕组的反电势为研究对象，直接或间接的检测反电势，从而获取转子位置信息，主要包括反电势法，反电势三次谐波检测法，反电势积分法，续流二极管法。通过检测电机运行时的各种参数并以此算出转子位置而实现无位置传感无刷直流电机控制的方法有：磁链估计法，状态观测器法，卡尔曼滤波法以及智能控制法等。

(1)反电势法：

该方法技术成熟，应用广泛，也是目前最常见的一种检测方法。它的原理是：由于反电势不易直接检测，一般是通过反电势与端电压的关系来获得反电势过零点。反电势是梯形波的永磁无刷直流电机通过检测电机旋转时悬空相的反电势信号，当检测到反电势过零点后再延迟30°电角度，这就是电机的换向时刻。

但是，当电机处于静止或低速时，反电势难以被检测到，从而无法获取转子位置信息。而且，为了消除由PWM开关调制而引起的高频干扰信号，还需要对检测到的信号进行滤波，使得信号产生一定的相移，并对此相移进行补偿，从而保证换相信号的正确性。

(2)反电势三次谐波检测法：

与反电势检测法相比，该方法适用于在更低转速时检测，而且不受逆变器开关噪声的影响。无刷直流电动机的梯形反电势包含基波和高次谐波分量。将三相反电势相加，消除基波，五次，七次谐波分量，剩下三次谐波和其他高次谐波分量，再利用三次谐波分量和转子之间保持的固定相位关系，来获取转子位置信号。

(3)续流二极管法：

该方法是通过检测续流二极管的通断状态来间接获取反电势过零点信号，它比直接检测反电势过零点要精准，其原理是：当电机进行PWM调速控制时，关断的功率管将通过与其反并联的续流二极管进行续流。但是线路较为复杂，需要在续流二极管上设置检测电路，成本高。

(4)反电势积分法：

该方法是一种改进的反电势过零点检测法，通过对非导通相的反电势进行积分，从而获得转子位置信号，其原理是：反电势积分从悬空相反电势过零时算起，先设置门限值，在对应换相时，用来截止积分信号，在积分达到一定值时刻，即为换向时刻。该方法能减小开关噪声却存在阀值设置不准确等问题。

(5)磁链估计法：

磁链估计法是通过测量定子电压和电流，再依据转子位置与定子磁链的直接联系，计算出磁链来获取转子位置信号。但是该方法的计算量较大，一般是先建立一个位置-电流-磁链对照表来减少计算量。根据测出的电流和估算的磁链，通过查表即可获取转子位置信息。

以无刷直流电机为研究对象，建立基于STM32F103的无刷直流电机无位置传感器控制系统。主要研究内容如下：

系统地分析了无刷直流电机的工作原理，数学模型。

通过对传统的反电势法的理解上，提出了检测转子位置信号的优化的反电势法：在PWM通断过程中，由电路计算可得端电压与反电势的关系，在PWM-OFF期间进行低速段采样，在PWM-ON期间进行高速段采样，能够有效地避免高频开关的干扰。

分析无位置传感器无刷直流电机常用的启动方法，结合以上提出复合启动方法：即采用传统启动法先进行转子二次定位，然后通过脉冲检测来实现转子加速及过渡到切换过程。

以STM32F103为控制核心，设计无刷直流电机无位置传感器双闭环串级调速的硬件系统和软件系统，通过MATLAB搭建系统的仿真模型来进行验证其准确性，然后分析实验结果，得出结论。

本发明提供了如图1-17的一种无位置传感无刷直流电机复合定位启动方法，包括如下步骤：

S1、常用启动方法的分析，常用启动方法包括三段式启动法、振荡器换相脉冲启动法、升频升压启动法和检测脉冲转子定位启动法；

常用启动方法的分析：无位置传感无刷直流电机的启动方法，主要有：传统的三段式启动法、振荡器换相脉冲启动法、升频升压启动法和检测脉冲转子定位启动法；

(1)三段式启动法：

常用的三段式启动法包括以下三个阶段：转子预定位阶段，外同步加速阶段，自动切换阶段。电机启动时在无位置传感器控制下不能获取转子初始位置信息，因此需要将转子初始位置预定到一个已知的位置。转子预定位后，给电机施加适当的脉冲序列来提高转速，获取反电势过零点的信号，此时的电机处于开环外同步阶段。进入自动换相的无位置无刷直流电机与有位置传感器方波120°两两导通模式相同，即按照有位置传感器的换相规律将检测到稳定的位置信号反馈给电机，对电机进行自动换相。

但是这种起动方式比较适合轻载，小惯量，负载不变的场合，不适合起动负载变化很大的情况。

(2)振荡器换相脉冲启动法：

当电机刚开始启动时，振荡器处于工作状态，当发生震荡脉冲时刻，主控制器就会发出驱动信号，使其从前一个换相状态转变为另一个换相状态，以此驱动换相管。而当在换相信号作用时，电机已加速到能检测反电势信号时，就停止振荡，电机就完成了启动。其中，在下个脉冲到来前震荡值必须衰减到足够的值，避免在错误的震荡点产生脉冲信号。因此，可靠、高效的启动方式的主要难点在于选取震荡电容。

(3)升频升压启动法：

升频升压启动法换相时刻的切换条件比较宽松：即在一定条件下带负载启动情况也不会出现反转。但是在实际过程中，存在一定的难度也较为复杂，升频升压需要复杂的硬件电路辅助，增加了设计成本。

如图1所示，通上电后，加在电容上的电压U_c开始上升，作用到了压控振荡器输入端口，再将其输出端分频，作为时钟信号作用于环形分配器，其输出信号经转换成加在功率放大电路上的换相信号，控制其导通。同时，电机定子绕组的电压随电压U_c增大而增大，且频率升高，当上升到一定的程度时比较器发出的切换信号使其进入到了无位置传感控制模式，也就是电机的升压升频驱动。

(4)检测脉冲转子定位启动法：

依据永磁体转子对带铁心的定子绕组有增磁或去磁作用，处于不同转子位置下的绕组，电感回随之减小或増大的原理。启动前，先按规则给定子绕组通入六个周期相同的短脉冲，比较产生脉冲的电流峰值，查询转子位置代码表，确定好转子的位置信号，知道下一个导通的功率开关。在每次完成绕组的通电加速，再发出六个短脉冲，根据检测的电流响应来判断转子位置，这是不断重复检测一加速一检测一加速的过程。当转子速度增大到能够有效检测反电势的阶段时，才将其切换到反电势法运行阶段。

检测脉冲转子定位启动法的优点在于，电机转子启动可靠，加速控制简单，不产生振荡，也不易失步；但是检测脉冲过多导致过程变得复杂，而且还会导致转矩脉动的产生；

S2、确定采用复合定位的启动方法：采用三段式启动法的转子预定位法，结合检测脉冲转子定位启动法的加速切换过程；

S3、转子预定位法：

第一次预定位：首先用转子预定位法定位后，接着封死全部的驱动信号，使电机处于断电的状态；

第二次预定位：再采用同样的方法进行转子预定位来实现电机的准确定位，该预定位的位置是要在第一次预定位的定位基础上，将导通步向前或向后发生一次换相；

S4、转子加速和切换：

将电机转子定位到特定位置，然后按照直流无刷电机的换向顺序对电机进行换向，这是三段式启动法的第二阶段，即外同步加速法；

当转子定位完成后，按照电机的转动方向在使用长脉冲给电机加速的同时，使用短脉冲检测转子位置信号；

施加换相信号作用于电机定子绕组上时，一方面，换相信号要根据六步通电换相顺序来施加驱动信号到逆变管上，另外要逐步提高PWM信号的占空比，不断增加六步通电顺序的换相频率，从而使得定子绕组电压能增大到预期的频率，使得电机能达到一定转速，其中的反电势信号增大到能够检测出来。

如图6所示，无位置传感无刷直流电机包括无刷直流电机本体，转子位置检测单元，控制器，逆变器和直流电源；

直流电源通过逆变器电性连接于无刷直流电机本体，无刷直流电机本体通过转子位置检测单元连接于控制器，控制器电性连接于逆变器。

无刷直流电机本体的转子位置信号通过转子位置检测单元传递给控制器，控制器输出触发脉冲驱动逆变器，使无刷直流电机本体的绕组按规律通电，无刷直流电机本体的转子的磁场和由电流产生的磁场经过合成电磁转矩，从而带动无刷直流电机本体的正常运转。

无刷直流电机本体由定子和转子构成，其中定子是永磁体，转子是电枢绕组。定子包含绕组和铁芯两部分，为了获得梯形波反电势，定子绕组采用集中整距绕组；采用叠片结构的定子铁芯能减小电机运行时的铁耗。转子上的永磁体主要是采用铝镍钴，铁氧体及汝铁硼等磁材料，由一定对数的永磁体分布在转子铁芯上而构成转子部分，它是在电机气隙内产生的磁感应与通电的定子绕组合成而产生出电磁转矩。由于转子上的不同位置的永磁体，可将其分类为内置嵌入式，表贴式及内置切向式三种。按照无刷直流电机不同场合的使用需求划分，转子有内转子和外转子两种结构模型。通过不同的连接方式可分类为星型和三角形连接。

控制单元是将检测到的转子位置信号按一定逻辑给逆变器提供信号触发功率开关，驱动其导通或截止来实现电机驱动。常用的控制单元有两种类型：一种是厂商提供的专用集成电路，一种是设计人员编程的微处理器。前者是将电机的控制逻辑电路和一些保护电路集成到一个芯片内，节省开发时间，抗干扰性强，但通用性不强，运用不灵活。后者由设计人员根据应用需求，编写相应程序，使用灵活，可以根据市场需求增加相应功能，与电机达到较好的匹配。

所述步骤S3中，当第一次预定位失败，即转子磁极极性相反，转子的N极为实际转子的S极，而S极为实际转子的N极，再经过第二次预定位，预定位的时间要控制准确。

所述三段式启动法包括：转子预定位法、外同步加速法和自动切换法；

转子预定位法：电机启动时在无位置传感器控制下不能获取转子初始位置信息，将转子初始位置预定到一个已知的位置；

外同步加速法：转子预定位后，给电机施加适当的脉冲序列来提高转速，获取反电势过零点的信号，此时的电机处于外同步加速阶段；

自动切换法：进入自动换相的无位置无刷直流电机与有位置传感器方波120°两两导通模式相同，即按照有位置传感器的换相规律将检测到稳定的位置信号反馈给电机，对电机进行自动换相。

所述步骤S4中，为保证检测结果的准确性，应该等长脉冲结束，并且母线电流降为零，再用短脉冲检测转子位置；

当电机转子处于高速运转时，在等待同步加速期间，使电流流向A+B-时，要将控制逆变管上的PWM信号断开，切换到无位置传感器检测到的位置状态，按照一定规则施加驱动信号。

转子预定位：由于传统的三段式启动法容易受到多方面因素的影响，这种通过施加特定电压矢量来对电机的任意两相绕组通电，使转子被强拉到固定位置，从而实现转子预定位。但是，这种定位方法并不总是有效的。例如，导通B,C相绕组进行电机转子预定位，如图2所示，电流由从C绕组流入，从B绕组流出，产生F_C+B-的合成磁场。当转子处于图2以外的任意位置，合成磁场为F_C+B-均能将转子强拉定位到图中所示的位置。但是，如果转子是处于极性相反但处于相同位置的情况下，合成磁场F_C+B-就失效而不能对转子进行强制定位到图中的位置，转子的预定位也就失败了。

但是可以采用二次定位的方法，就可以将任意位置的转子有效地定位到固定的位置。如图4为空间电压矢量图，其中每一矢量代表一组开关导通情况，也表示合成定子磁势的空间状态。具体过程如下：如图2所示,首先先用转子预定位方法定位后，接着封死全部的驱动信号，使电机处于断电的状态。然后，再采用同样的方法进行转子预定位来实现电机的准确定位。但是，该预定位的位置是要在上次定位的基础上，将导通步向前或向后发生一次换相。A,B相绕组导通，电流由A相流入B相流出，其中定子的合成磁场F_A+B-的方向如图3。

如果电机转子在第一次预定位就成功，即处于图2所示的位置，那再经过二次定位就一定能将它定位到图3的位置。

当转子一次定位失败，即转子磁极极性相反，由图中可以看出，转子的N极为实际转子的S极而S极为实际转子的N极。再经过二次定位，电机的转子同样可以定位到图3的位置。

要注意的是在这个过程中，预定位的时间要控制准确。因为如果时间太长的话，定子电流过大可能会损坏电机；如果预定位时间太短，在阻力的作用下，转子将不能定位到需要位置。为了使定子绕组流过的电流不发生过流，施加在功率管上的PWM信号导通状态也不能过长。一般地，对电机采用两次预定位，就可将转子定位到特定的位置了。

转子加速和切换：为实现电机的成功启动，先将电机转子定位到特定位置，然后还要按照直流无刷电机的换向顺序对电机进行换向，这是三段式启动的第二阶段，也叫做外同步加速过程。当转子定位完成后，如图4空间电压矢量图，按照电机的转动方向在使用长脉冲给电机加速的同时，使用短脉冲检测转子位置信号。施加换相信号作用于电机定子绕组上时，一方面，换相信号要根据六步通电换相顺序来施加驱动信号到逆变管上。另外，要逐步提高PWM信号的占空比，不断增加六步通电顺序的换相频率，从而使得定子绕组电压能增大到预期的频率。使得电机能达到一定转速，其中的反电势信号增大到能够检测出来。值得注意的是，为保证检测结果的准确性，应该等长脉冲结束，并且母线电流降为零，再用短脉冲检测转子位置。

当电机转子处于高速运转时，在等待同步加速期间，使电流流向A+B-时，要将控制逆变管上的PWM信号断开，切换到无位置传感器检测到的位置状态，按照一定规则施加驱动信号。

无刷直流电机的工作原理：如图7所示，三相星形联结无刷直流电机控制主电路采用桥式全控逆变电路，这里介绍的是功率管采用两两导通三相六状态的导通方式。工作原理如下：

转子初始位置如图8所示，三相绕组AX、BY、CZ中X、Y、Z联接在中性点。假设检测到的转子位置信号经控制单元逻辑变换后，驱动逆变器VT1，VT6导通，电流从A相流进B相流出。此时，A、B两相绕组合成的定子磁动势为Fa，与转子磁场Fr相互作用产生电磁转矩带动电机顺时针转动。

当转子转过60电角度后到达图9所示位置时，检测到的转子位置信号经控制单元逻辑变换后，驱动功率开关VT1和VT2导通，电流从A相流进C相流出。此时，A、C两相绕组合成的定子磁动势与转子磁场相互作用产生电磁转矩带动电机继续顺时针转动60电角度。由此可得，先后分别按顺序导通VT6VT1-VT1VT2-VT2VT3-VT3VT4-VT4VT5-VT5VT6电机能持续运转。

图10中，VT2和VT3导通，B和C相通电；图11中，VT3和VT4导通，B和A相通电；

由相邻两个原理示意图发现，在转子由当前换相位置到下一个换相位置的60电角度范围内，定子磁场保持位置不变，转子磁场顺时针方向旋转60电角度到达下一个换相位置。随着开关状态切换绕组电流发生变化，使得定子合成磁势的位置跳跃60电角度到达下一状态的位置。由此可知，定子合成磁场是一种步进角为60电角度的跳跃式旋转磁场。每经过60电角度，功率开关就会发生一次开关状态切换，使得定子合成磁势的位置跳跃60电角度到达下一状态的位置。每360电角度为一个周期，因此电机电枢绕组能产生有六种磁状态的合成磁场。并且在每种状态下会有两相导通，每相的导通时间为120电角度，这被称为两相导通三相六状态工作方式。

无刷直流电机的数学模型：

无刷直流电机(BLDCM)是永磁电机，它与PMSM的结构极为相似，为了建立和分析数学模型方便些，先假设一下无刷直流电机所处的条件：

1、忽略磁滞和涡流损耗和集肤效应；

2、忽略气隙磁通受定子电枢反应的波动，假设转子永磁体是产生平底宽度120°梯形波的气隙磁场；

3、三相绕组对称且参数相同，不随其他状况的改变而发生变化；

4、采用理想的功率管和续流二极管；

5、不计饱和磁路于齿槽效应等影响；

基于以上假设，得到BLDCM的定子绕组电压方程如式(2.1)所示：

其中，U_a,U_b，U_c是三相定子绕组相电压；R是各相绕组的相电阻；i_a，i_b，i_c是各相绕组的相电流；L是各相绕组的自感；M是两相绕组之间的互感；e_a，e_b，e_c是各相绕组反电动势。

对于无中线的星型接法的无刷直流电机，不仅要满足：

i_a+i_b+i_c＝0 (2.2)

并且忽略绕组间的互感，就可以将式(2.1)改写成为：

由电压方程式(2.3)，可得无刷直流电机其化简的等效电路图，如图12所示。

电机首先是在电源一侧吸收功率，在运行时，除了电机损耗的一小部分功率外，其大部分传递到了转子侧，即将机械功率转换成为电磁功率。由此可以换算成如下公式：

P_e＝e_ai_a+e_bi_b+e_ci_c (2.4)

根据能量守恒定律，忽略转子的机械损耗和其它损耗，电磁功率将全部作为输出机械功率，因此：

P_e＝T_eΩ (2.5)

其间，Ω为电机机械角度，T_e表示电磁转矩。

再通过联立(2.4)，(2.5)两式，可得：

当电机工作于两两导通方式时，电机的电磁转矩与流过电机的电流成正比：

T_e＝K_Ti (2.7)

电机的运动方程为：

期间，T_L表示外部的负载转矩，J表示转子的转动惯量，B_V表示电机的粘滞摩擦系数。

无位置传感器转子位置检测：

位置检测传感器大致有两种形式：有位置传感器和无位置传感器。它的作用是将转子位置信号转换成能确定逆变器中各功率开关导通次序的电平信号，使转子能连续不断地旋转。常用的位置传感器可分为电磁式，光电式，磁敏式等。电磁式位置传感器一般有开口变压器，接近开关，铁磁谐振电路等类型。它的原理是利用电磁效应来检测转子位置信号，其特点是输出信号大能直接驱动功率开关，但输出的是交流信号，要使用需要通过整流，而且制造工艺复杂，体积又大，所以已经不尝试这种传感器；光电式位置传感器由转动的遮光板，固定不动的光源和光敏晶体管等组成的光电式位置传感器的原理是当遮光板打开时，随着电机旋转到一定位置的光敏晶体管受到光源照射而产生光电效应，将光信号转换成为电信号。这种非接触式测量凭借着隔离，轻便，可靠等优点而得到广泛应用；将磁敏式位置传感器置于变化的磁场中，传感器中的磁敏半导体可以将磁信号转化成电信号输出。它一般有霍尔元件，霍尔集成电路，磁敏二极管，磁敏电阻等。由于制造成本低，重量轻，尺寸小，便于大规模生产等优点，磁敏式位置传感器被广泛应用。

无位置传感器是指电机内部不安装传感器，而是通过软硬件采集与转子位置相关的电机参数如定子端电压，绕组反电势，电流，磁链等信息来间接获得转子位置信号。

无位置传感器反电势过零检测原理：

对于星形连接、两两导通工作方式的无刷直流电机，在运行的过程中，定子绕组在切割转子磁场的同时，产生了反电势e，其大小随转子极性的改变而改变，并与电机的转速和气隙磁密成正比。因此，确定正方向后，反电势将随转子极性的变化而出现正负变化。反电势的过零检测原理是，首先，通过硬件电路来获取三相绕组中的悬空相的端电压信号，再与参考信号作比较，从而得到反电势过零点，经过一定的延时角度，就可以到达电机的换相时刻。

如图13所示，根据上述原理，假设在导通相流过了矩形波的电流，在定子的三相绕组中就会产生反电势e，当检测到反电势过零点后，经过30°电度角延时，即可得到换相时刻。一般在理想的状态下，电机的换相时刻比反电势过零信号滞后30°电角度。而且，根据实际应用，要得到更加稳定的信号V₁，通常需要将悬空相电压V_C先经过电阻r₁和r₂分压，再采用电容C₁滤波。再将V₁与参考信号进行比较，从而得到反电势过零点信号，如图14所示。

反电势过零检测新方法设计：采用H_PWM-L_ON即上桥臂采用PWM调制，下桥臂采取恒通方式。在波形图中，一个1/6导通周期内上桥臂的开关管将出现导断两种情况。假设，A，B两相绕组导通，C相绕组悬空时电机转子位置处于工作区域I来进行分析，即功率开关管出现VT1、VT6同时导通(简化电路如图15所示)与VT1关断(二极管续流)、VT6导通(简化电路如图16所示)两种工作方式。

(1)PWM导通状态分析：

如图14，当A、B两相导通，C相悬空时，则有

I_C＝0 (2.9)

I_a＝I_b＝I (2.10)

A相端电压有：

B相端电压有：

C相端电压有：

V_c＝e_c+V_n (2.13)

又

e_a+e_b＝0 (2.14)

故电机绕组实际中心电压：

由上可得C相绕组的反电势：

其中，V_a,V_b,V_c为端电压，U_d为母线电压，I_a,I_b,I_c为相电流，e_a,e_b,e_c为反电势，V_n为实际中点电压。

(2)PWM关断状态分析：

经过上面类似推导，得：

e_c＝V_c (2.17)

由此可知，反电势可由上桥臂功率管通断时悬空相的端电压获得，反电势过零点可通过检测悬空相端电压来间接检测，即：上管关断时，当悬空相端电压为零时即为反电势过零点；上管导通时，当悬空相端电压为

时即为反电势过零点。

反电势过零检测的实现：

以转子位置处于第1区域的情况来分析电机转速与开关管关断之间的关系。PWM占空比是随着电机转速的增加而增加。当电机转速增加时，PWM占空比很大，功率开关管中PWM周期处于关断状态非常小，不适用于检测反电势过零点。而转速较低时，PWM导通状态所占周期也很小，不适用于检测反电势过零点。综合这两种检测状态的特点，将高速与低速的分界点设置为PWM调制占空比D＝50％，可在转速较高,至额定转速100％时，以PWM导通状态为依据进行检测反电势过零点。在转速较低至额定转速10％时，以PWM关断状态为依据进行检测反电势过零点。其中，如果占空比小于10％的话，转子速度很低，电机启动到检测运行这段时间内，无法应用反电势法检测转子位置信号。上述切换过程的反电势过零信号检测程序流程图如图17所示。当D不等于50％时，分别增加了一条判断语句，即是否到了PWM通断状态的中点。这相当于各自延时了一半时间再进行反电势检测，既满足了检测时间的要求，又避免了高频开关的干扰。

综上所述，与现有技术相比，本发明采用二次定位法来获得转子的初始位置，既能保证电机可靠启动，又能保证电机在启动时，不会像传统有刷直流电机启动时产生过电流冲击；

实现了电机由静止状态的强迫启动，既能有效实现电机启动，又能避免电机启动时间过长；

采用的二次定位法也避免了转子磁极与定子磁势两极对调而导致一次定位失败的问题。在保证换相频率和PWM占空比为定值的同时，根据设置好的导通顺序来改变逆变器开关器件的导通，保证电机能匀加速运行。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种无位置传感无刷直流电机复合定位启动方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、常用启动方法的分析，常用启动方法包括三段式启动法、振荡器换相脉冲启动法、升频升压启动法和检测脉冲转子定位启动法；

S2、确定采用复合定位的启动方法：采用三段式启动法的转子预定位法，结合检测脉冲转子定位启动法的加速切换过程；

S3、转子预定位法：

第一次预定位：首先用转子预定位法定位后，接着封死全部的驱动信号，使电机处于断电的状态；

第二次预定位：再采用同样的方法进行转子预定位来实现电机的准确定位，该预定位的位置是要在第一次预定位的定位基础上，将导通步向前或向后发生一次换相；

S4、转子加速和切换：

将电机转子定位到特定位置，然后按照直流无刷电机的换向顺序对电机进行换向，这是三段式启动法的第二阶段，即外同步加速法；

当转子定位完成后，按照电机的转动方向在使用长脉冲给电机加速的同时，使用短脉冲检测转子位置信号；

施加换相信号作用于电机定子绕组上时，一方面，换相信号要根据六步通电换相顺序来施加驱动信号到逆变管上，另外要逐步提高PWM信号的占空比，不断增加六步通电顺序的换相频率，从而使得定子绕组电压能增大到预期的频率，使得电机能达到一定转速，其中的反电势信号增大到能够检测出来。

2.根据权利要求1所述的一种无位置传感无刷直流电机复合定位启动方法，其特征在于：所述无位置传感无刷直流电机包括无刷直流电机本体，转子位置检测单元，控制器，逆变器和直流电源；

直流电源通过逆变器电性连接于无刷直流电机本体，无刷直流电机本体通过转子位置检测单元连接于控制器，控制器电性连接于逆变器。

3.根据权利要求2所述的一种无位置传感无刷直流电机复合定位启动方法，其特征在于：无刷直流电机本体的转子位置信号通过转子位置检测单元传递给控制器，控制器输出触发脉冲驱动逆变器，使无刷直流电机本体的绕组按规律通电，无刷直流电机本体的转子的磁场和由电流产生的磁场经过合成电磁转矩，从而带动无刷直流电机本体的正常运转。

4.根据权利要求1所述的一种无位置传感无刷直流电机复合定位启动方法，其特征在于：所述步骤S3中，当第一次预定位失败，即转子磁极极性相反，转子的N极为实际转子的S极，而S极为实际转子的N极，再经过第二次预定位，预定位的时间要控制准确。

5.根据权利要求1所述的一种无位置传感无刷直流电机复合定位启动方法，其特征在于：所述三段式启动法包括：转子预定位法、外同步加速法和自动切换法；

转子预定位法：电机启动时在无位置传感器控制下不能获取转子初始位置信息，将转子初始位置预定到一个已知的位置；

外同步加速法：转子预定位后，给电机施加适当的脉冲序列来提高转速，获取反电势过零点的信号，此时的电机处于外同步加速阶段；

自动切换法：进入自动换相的无位置无刷直流电机与有位置传感器方波120°两两导通模式相同，即按照有位置传感器的换相规律将检测到稳定的位置信号反馈给电机，对电机进行自动换相。

6.根据权利要求1所述的一种无位置传感无刷直流电机复合定位启动方法，其特征在于：所述步骤S4中，为保证检测结果的准确性，应该等长脉冲结束，并且母线电流降为零，再用短脉冲检测转子位置；

当电机转子处于高速运转时，在等待同步加速期间，使电流流向A+B-时，要将控制逆变管上的PWM信号断开，切换到无位置传感器检测到的位置状态，按照一定规则施加驱动信号。

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