WO2022001088A1 - 一种直流无刷电机转子位置检测方法 - Google Patents

一种直流无刷电机转子位置检测方法 Download PDF

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刘洋
刘绍森
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华中科技大学
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P2203/00—Indexing scheme relating to controlling arrangements characterised by the means for detecting the position of the rotor
    • H02P2203/03—Determination of the rotor position, e.g. initial rotor position, during standstill or low speed operation

Definitions

  • the invention belongs to the field of DC brushless motor control, and more particularly relates to a method for detecting the rotor position of a DC brushless motor.
  • the high-speed motor has high speed and high power density. Compared with the medium and low-speed motor with the same output power, the size of the high-speed motor is greatly reduced, so it can effectively save materials. At the same time, due to the small moment of inertia, the response of the motor is faster. In the field of high-speed motor applications, brushless DC motors have been widely used in the industrial field due to their outstanding advantages—high efficiency, high reliability, and high power density.
  • the control method of the brushless DC motor includes an inductive control scheme and a non-inductive control scheme.
  • the control process is shown in Figure 1 and Figure 2 respectively.
  • the motor rotor position signal is obtained by the Hall sensor.
  • This scheme is not suitable for the control of the working state of high-speed motors [usually, motors whose rotational speed exceeds 10000RPM or the difficulty value (the product of the square root of rotational speed and power) exceeding 1 ⁇ 10 5 is called a high-speed motor] working state control.
  • Huo Huo
  • the signal of the position sensor changes ideally from high level to low level and from low level to high level, that is, there is neither rise time nor fall time.
  • T 1 -T in the figure 6 is the duration of each phase of the motor.
  • the duration of each phase of the motor is equal and there is no time delay during commutation.
  • the actual Hall sensor signal itself is a square wave signal. Due to the physical limitations of the waveform generation system, there is a certain rise time and fall time. As shown in Figure 4, in each ideal phase region, there are The rise or fall time ⁇ (the actual values of the two may not be equal, here is a simple treatment), during the commutation of the motor, the phase sequence disorder will occur due to the influence of the rise time and the fall time.
  • the rise time and fall time are debounced by software, that is, the commutation point is delayed from the ideal commutation point for a period of time k ⁇ (k is a constant coefficient) through software programming.
  • k is a constant coefficient
  • the position of the Hall signal waveform received by the control program shown in FIG. 5, FIG, T 1 '-T 6' is actually received by the control program duration of each phase.
  • this scheme is very effective since T x (x ⁇ 1, 2, 3, 4, 5, 6 ⁇ ) is much larger than ⁇ .
  • a non-inductive control scheme is generally used for high-speed control of a brushless DC motor.
  • the rotor position signal of the motor is judged by the position of the zero-crossing point of the back electromotive force of the brushless DC motor.
  • the non-inductive control scheme not only requires a more complex and precise hardware design, but also requires a more cumbersome software design.
  • the back EMF is small, which brings very serious control difficulties during the start-up and low-speed phases.
  • the present invention provides a method for detecting the rotor position of a brushless DC motor, the purpose of which is to quickly and accurately obtain the rotor position of the motor under the high-speed working state of the motor, so as to realize the high-speed working state of the motor. precise control.
  • one aspect of the present invention provides a method for detecting the rotor position of a brushless DC motor, including:
  • the motor enters the phase zone (x mod 6)+1 from the phase zone x in the current cycle; where mod represents the modulo operation, x ⁇ 1 , 2, 3, 4, 5, 6 ⁇ ;
  • step S3 specifically includes:
  • step S3.1 specifically includes:
  • the voltage signal detected by the Hall position sensor connected to the brushless DC motor is detected; when the detected level signal changes, it is considered that the rotor enters the phase area x+1 from the phase area x , calculate the time T x (n-1) it takes for the rotor to pass through the phase zone x.
  • step S3.2 specifically includes:
  • step S3.3 is specifically, using the following formula to calculate and obtain the actual phase angle ⁇ x (n-1) of the phase area x passed by the n-1th circle
  • ⁇ x (n-1) T x (n-1)* ⁇ 0 (n-1).
  • step S3.4 is specifically,
  • T com [60°- ⁇ x (n-1)] ⁇ 0 (n-1);
  • Another aspect of the present invention provides a computer storage medium, where computer-executable instructions are stored thereon, and the computer-executable instructions are used to implement the steps of the above method when executed by a processor.
  • the method of the present invention can quickly and accurately obtain the motor rotor position signal returned by the Hall sensor, and then quickly and accurately locate the commutation position of the rotor, so as to realize the precise control of the motor under high-speed operation. .
  • the present invention can quickly and accurately obtain the rotor position under the high-speed working state of the motor, so that when the inductive control scheme of the brushless DC motor is applied to the high-speed control of the motor, the precise control effect can also be obtained, which solves the problem of using non-inductive control
  • the scheme carries out the complex problem of software and hardware design brought by the high-speed control of the motor, which saves the development cost of software and hardware. Moreover, since the rotor position detection is more accurate, the working performance of the motor can be effectively improved.
  • Figure 1 is a block diagram of the inductive control scheme of the brushless DC motor
  • Figure 2 is a block diagram of the non-inductive control scheme of the brushless DC motor
  • Figure 3 is the ideal signal diagram of the Hall position sensor
  • Figure 4 is the actual signal diagram of the Hall position sensor
  • Fig. 5 is the actual rotor position signal diagram received by the control program
  • FIG. 6 is a flowchart of a method for detecting the rotor position of a brushless DC motor provided by the present invention
  • FIG. 7 is a diagram of the Hall position sensor signal received by the control program after the method of the present invention is adopted provided by the present invention.
  • the present invention provides a method for detecting the rotor position of a brushless DC motor, including:
  • the three-way level signal returned by the motor Hall sensor is read by the main controller.
  • the possible values of the three-way signal are: 001->011->010->110->100->101->001. Denote the current value of the Hall sensor as x(k) and the previous value of the Hall sensor as x(k-1).
  • Step 3 specifically includes:
  • the voltage signal detected by the Hall position sensor connected to the brushless DC motor is detected; when the detected level signal changes, it is considered that the rotor enters the phase area x+1 from the phase area x , calculate the time T x (n-1) it takes for the rotor to pass through the phase zone x.
  • the present invention Since the given voltage of the motor is fixed in one circle, the present invention considers that the speed of the motor in each phase region is the same. Therefore, the following formula can be used to calculate the phase region x that passes through the n-1th circle Actual phase zone angle ⁇ x (n-1);
  • ⁇ x (n-1) T x (n-1)* ⁇ 0 (n-1).
  • the delay time T com is:
  • T com [60°- ⁇ x (n-1)] ⁇ 0 (n-1);
  • Fig. 7 is the Hall signal diagram received by the control program after adopting the detection method provided by the present invention
  • T 1 ′′ is the length of the first phase when the rotor position compensation algorithm is not used
  • T 1 ′′′ is the rotor position compensation algorithm.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)

Abstract

一种直流无刷电机转子位置检测方法，属于电机控制领域。方法包括，检测与直流无刷电机连接的霍尔位置传感器检测到的电平信号；当检测到当前时刻和上一时刻的电平信号发生变化时，认为电机换相动作发生，电机在当前周期从相区x进入相区(x mod 6)+1；x∈{1，2，3，4，5，6}；利用转子在上一周期所处相区x实际的相区角度与理想相区角度60°的差值，对转子在当前周期的相区x持续时间进行补偿，得到电机真实的换相信息。电机在高速运行的过程中，采用该方法可以快速准确的得到霍尔传感器传回的电机转子位置信号，进而快速准确定位转子的换相位置，实现电机高速工作状态下的精确控制。

Description

一种直流无刷电机转子位置检测方法 【技术领域】
本发明属于直流无刷电机控制领域，更具体地，涉及一种直流无刷电机转子位置检测方法。
【背景技术】
高速电机转速高、功率密度大，相较于输出相同功率的中低速电机，高速电机的尺寸大大减小，因此可以有效的节约材料，同时由于转动惯量小，电机的响应较快。在高速电机应用领域，无刷直流电机凭借其突出的优势——高效率、高可靠性、高功率密度等，使其在工业领域得到了广泛的应用。
目前直流无刷电机的控制方法包括有感控制方案和无感控制方案，控制过程分别如图1和图2所示。其中，有感控制方案中电机转子位置信号由霍尔传感器得到。该方案不适合高速电机【通常将转速超过10000RPM或难度值(转速和功率平方根的乘积)超过1×10 5的电机称为高速电机】工作状态的控制，具体原因如下：在理想状况下，霍尔位置传感器信号在由高电平到低电平和低电平到高电平阶段均为理想变化，即既无上升时间也无下降时间，波形图如图3所示，图中T 1—T 6为电机每相持续时间，在同转速下，电机每相持续时间相等且换相期间没有任何时间延迟。然而，实际的霍尔传感器信号本身为方波信号，由于波形产生系统的物理局限性，因而存在着一定的上升时间和下降时间，如图4所示，在每个理想相区内，均存在上升或下降时间τ(二者实际值可能并不相等，此处为简便处理)，电机在换相期间，会由于上升时间和下降时间的影响出现相序的紊乱问题。在有感控制方案里，对此上升时间和下降时间采取软件消抖的方式，即通过软件编程，将换相点从理想换相点延迟一段时间kτ(k为一个常系数)。此 时，控制程序收到的霍尔位置信号波形图如图5所示，图中，T 1′—T 6′为控制程序实际接收到的每相持续时间。在电机处于低速阶段时，由于T x(x∈{1，2，3，4，5，6})远大于τ所以这一方案十分有效。然而，当电机转速提高、每相持续时间减小时，由于T x与τ数值接近甚至出现T x小于τ的情况，将导致电机出现十分严重的换相故障，故此方案在电机高速工作时无法起效。
针对此问题，一般是采用无感控制方案进行无刷直流电机的高速控制。无感控制方案中电机转子位置信号通过无刷直流电机反电动势过零点的位置来判断。相较于无刷直流电机有感控制方案，无感控制方案不仅需要更为复杂精密的硬件设计同时也需要更为繁琐的软件设计，更为严重的是，无感控制方案由于电机在低速时反电动势较小，因而在启动和低速阶段带来的十分严重的控制困难。
综上所述，亟需提出一种直流无刷电机转子位置检测方法，使其在电机高速工作的状态下，也能够快速准确的获得电机转子的位置，以便实现电机高速工作状态下的精确控制。
【发明内容】
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种直流无刷电机转子位置检测方法，其目的在于在电机高速工作状态下，快速准确获得电机转子位置，以便实现电机高速工作状态下的精确控制。
为实现上述目的，本发明的一个方面，提供了一种直流无刷电机转子位置检测方法，包括：
S1.实时获取与直流无刷电机连接的霍尔位置传感器检测到的电平信号；
S2.当检测到当前时刻和上一时刻的电平信号发生变化时，电机在当前周期从相区x进入相区(x mod 6)+1；其中，mod表示取模运算，x∈{1，2，3，4，5，6}；
S3.利用转子在上一周期所处相区x实际的相区角度与理想相区角度60°的差值，对转子在当前周期的相区x持续时间进行补偿，得到电机真实的换相信息，进而得到电机转子实时位置。
进一步地，步骤S3具体包括：
S3.1.计算转子转动第n-1圈过程中经过每个相区x所消耗的时间T x(n-1)；
S3.2.计算转子转动完n-1圈所用的时间消耗T 0(n-1)，得到第n-1圈转子的角速度ω 0(n-1)；
S3.3.利用T x(n-1)和ω 0(n-1)，计算得到转子在第n-1圈经过的相区x实际的相区角度θ x(n-1)；
S3.4.当转子转动到第n圈的x相区时，将第n-1圈的x相区对应的实际相区角度θ x(n-1)与理想的相区角度60°进行比较，得到需要对转子第n圈的x相区的补偿时间，使θ x(n)趋近于60°。
进一步地，步骤S3.1具体包括：
转子转动第n-1圈过程中，检测与直流无刷电机连接的霍尔位置传感器检测到的电压信号；当检测到电平信号发生变化时，认为转子从相区x进入相区x+1，计算转子经过相区x所用的时间T x(n-1)。
进一步地，步骤S3.2具体包括：
当转子从相区x再次回到相区x，计算转子转动完n-1圈所用的时间消耗T 0(n-1)；则第n-1圈转子的角速度ω 0(n-1)＝360°/T 0(n-1)。
进一步地，步骤S3.3具体为，利用以下公式计算得到第n-1圈经过的相区x实际的相区角度θ x(n-1)
θ x(n-1)＝T x(n-1)*ω 0(n-1)。
进一步地，步骤S3.4具体为，
当θ x(n-1)<60°，将第n圈的相区x持续时间进行延时，延时时间T com为：
T com＝[60°-θ x(n-1)]×ω 0(n-1)；
当θ x(n-1)≥60°，当检测到转子经过x相时开始计时，当计时时间到达60°/ω 0(n-1)时，认为电机转子达到x+1相。
本发明另一方面提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被处理器执行时用于实现上述方法的步骤。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。
(1)电机在高速运行的过程中，采用本发明方法可以快速准确的得到霍尔传感器传回的电机转子位置信号，进而快速准确定位转子的换相位置，实现电机高速工作状态下的精确控制。
(2)本发明能够快速准确的获得电机高速工作状态下的转子位置，使得无刷直流电机有感控制方案应用于电机的高速控制时，也能获得精确的控制效果，解决了采用无感控制方案进行电机高速控制带来的软硬件设计复杂的问题，节省了软硬件开发成本。并且，由于对于转子位置检测更加准确，能够有效提高电机的工作性能。
【附图说明】
图1是直流无刷电机有感控制方案框图；
图2是直流无刷电机无感控制方案框图；
图3是霍尔位置传感器理想信号图；
图4是霍尔位置传感器实际信号图；
图5是控制程序接收到的实际转子位置信号图；
图6是本发明提供的直流无刷电机转子位置检测方法流程图；
图7是本发明提供的采用本发明方法后，控制程序接收到的霍尔位置传感器信号图。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图6所示，本发明提供了一种直流无刷电机转子位置检测方法，包括：
S1.检测与直流无刷电机连接的霍尔位置传感器检测到的电平信号；
通过主控器读取电机霍尔传感器传回的三路电平信号，三路信号的可能值为：001->011->010->110->100->101->001。将当前霍尔传感器的值记为x(k)，此前霍尔传感器的值记为x(k-1)。
S2.当检测到当前时刻和上一时刻的电平信号发生变化时，认为电机换相动作发生，电机在当前周期从相区x进入相区(x mod 6)+1；x∈{1，2，3，4，5，6}；
当x(k)的值不等于x(k-1)的值时，即认为电机转子到了一个新的相区，换相动作发生了。由于霍尔传感器信号本身的物理局限性，检测到的信号与电机实际的换相过程存在出入，针对此问题，本发明需要对检测到的相位信息进行补偿。
S3.利用转子在上一周期所处相区x实际的相区角度与理想相区角度60°的差值，对转子在当前周期的相区x持续时间进行补偿，得到电机真实的换相信息。
步骤3具体包括：
S3.1.计算转子转动第n-1圈过程中经过每个相区x所消耗的时间T x(n-1)；x∈{1，2，3，4，5，6}；
转子转动第n-1圈过程中，检测与直流无刷电机连接的霍尔位置传感器 检测到的电压信号；当检测到电平信号发生变化时，认为转子从相区x进入相区x+1，计算转子经过相区x所用的时间T x(n-1)。
S3.2.计算转子转动完n-1圈所用的时间消耗T 0(n-1)，得到第n-1圈转子的角速度ω 0(n-1)；
当转子从相区x再次回到相区x，如当检测到x(k)的值从001再次回到001时，表明转子转动完一圈，计算总的时间消耗T 0(n-1)；则第n-1圈转子的角速度ω 0(n-1)＝360°/T 0(n-1)。
S3.3.利用T x(n-1)和ω 0(n-1)，计算得到转子在第n-1圈经过的相区x实际的相区角度θ x(n-1)；
由于电机在一圈中，给定的电压是固定的，因此本发明认为电机在每个相区中的速度是相同的，因此，可利用以下公式计算得到第n-1圈经过的相区x实际的相区角度θ x(n-1)；
θ x(n-1)＝T x(n-1)*ω 0(n-1)。
S3.4.当转子转动到第n圈的x相区时，将第n-1圈的x相区对应的实际相区角度θ x(n-1)与理想的相区角度60°进行比较，得到需要对转子第n圈的x相区的补偿时间，使θ x(n)趋近于60°。
当θ x(n-1)<60°，表明实际相区角度小于理想相区角度60°，需要对该相区时长进行补偿，具地的，将第n圈的相区x持续时间进行延时，延时时间T com为：
T com＝[60°-θ x(n-1)]×ω 0(n-1)；
如计算得到θ 4(n-1)＝55°则当检测到x(k)＝5，且x(k-1)＝4时，通过延时换相使得θ 4(n)＝60°，延时的时间T com＝(60°-θ 4(n-1))×ω 0(n-1)。
当θ x(n-1)≥60°，表明实际相区角度超过或恰为理想相区角度60°，无需对该相区时长进行补偿，应该当检测到转子经过x相时开始计时，当计时时间到达60°/ω 0(n-1)时，认为电机转子达到x+1相。
如计算得到的θ 4(n-1)＝65°时，当检测到x(k)＝4，且x(k-1)＝3时，开始 计时，当计时时间等于60°/ω 0(n-1)时，则认为电机已经到了第5相区。
图7为采用本发明提供的检测方法之后，控制程序接收到的霍尔信号图，图中T 1″为未采用转子位置补偿算法时第一相的长度，T 1″′为采用转子位置补偿算法之后第一相的长度。可以看出，相较于传统无刷直流电机有感控制方案，采用本发明信号处理方案，换相点更加接近于理想换相点，所以更能够满足电机高速运转的需求。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

  1. 一种直流无刷电机转子位置检测方法，其特征在于，包括：
    S1.实时获取与直流无刷电机连接的霍尔位置传感器检测到的电平信号；
    S2.当检测到当前时刻和上一时刻的电平信号发生变化时，电机在当前周期从相区x进入相区(x mod 6)+1；其中，mod表示取模运算，x∈{1，2，3，4，5，6}；
    S3.利用转子在上一周期所处相区x实际的相区角度与理想相区角度60°的差值，对转子在当前周期的相区x持续时间进行补偿，得到电机真实的换相信息，进而得到电机转子实时位置。
  2. 根据权利要求1所述的一种直流无刷电机转子位置检测方法，其特征在于，步骤S3具体包括：
    S3.1.计算转子转动第n-1圈过程中经过每个相区x所消耗的时间T x(n-1)；
    S3.2.计算转子转动完n-1圈所用的时间消耗T 0(n-1)，得到第n-1圈转子的角速度ω 0(n-1)；
    S3.3.利用T x(n-1)和ω 0(n-1)，计算得到转子在第n-1圈经过的相区x实际的相区角度θ x(n-1)；
    S3.4.当转子转动到第n圈的x相区时，将第n-1圈的x相区对应的实际相区角度θ x(n-1)与理想的相区角度60°进行比较，得到需要对转子第n圈的x相区的补偿时间，使θ x(n)趋近于60°。
  3. 根据权利要求1或2所述的一种直流无刷电机转子位置检测方法，其特征在于，步骤S3.1具体包括：
    转子转动第n-1圈过程中，检测与直流无刷电机连接的霍尔位置传感器检测到的电压信号；当检测到电平信号发生变化时，认为转子从相区x进入相区x+1，计算转子经过相区x所用的时间T x(n-1)。
  4. 根据权利要求2或3所述的一种直流无刷电机转子位置检测方法，其特征在于，步骤S3.2具体包括：
    当转子从相区x再次回到相区x，计算转子转动完n-1圈所用的时间消耗T 0(n-1)；则第n-1圈转子的角速度ω 0(n-1)＝360°/T 0(n-1)。
  5. 根据权利要求2-4任一项所述的一种直流无刷电机转子位置检测方法，其特征在于，步骤S3.3具体为，利用以下公式计算得到第n-1圈经过的相区x实际的相区角度θ x(n-1)
    θ x(n-1)＝T x(n-1)*ω 0(n-1)。
  6. 根据权利要求2-5任一项所述的一种直流无刷电机转子位置检测方法，其特征在于，步骤S3.4具体为，
    当θ x(n-1)<60°，将第n圈的相区x持续时间进行延时，延时时间T com为：
    T com＝[60°-θ x(n-1)]×ω 0(n-1)；
    当θ x(n-1)≥60°，当检测到转子经过x相时开始计时，当计时时间到达60°/ω 0(n-1)时，认为电机转子达到x+1相。
  7. 一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质上存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被处理器执行时用于实现如权利要求1-6任一项所述的方法的步骤。
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