CN101262196A - 检测无位置传感器无刷直流电机转子位置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用中性点电压检测无位置传感器的无刷直流电机转子位置的方法。所述无刷直流电机的转子结构为凸极式，即电机的转子d轴电感Xd不等于电机的q轴电感Xq，该方法通过对所引出无刷直流电机定子绕组的中性点电压进行检测来计算两两通电方式的无刷直流电机转子位置，再滞后30度电角度即可确定换相时刻。本发明既有反电动势法实施简单的优点，又具有电感法与电机转速无关的特点，能在转子转速接近为零到高速时较好地确定转子的位置，可靠准确地换相。

Description

检测无位置传感器无刷直流电机转子位置的方法

技术领域

本发明涉及一种利用中性点电压检测无刷直流电机转子位置的方法，特别是无位置传感器的无刷直流电机转子位置的方法。

背景技术

无刷直流电机(BLDC)的无位置传感器控制，无需安装传感器，使用场合广，相对于有位置传感器方法有较大的优势，因此，无刷直流电机的无位置传感器控制近年来已成为研究的热点。无位置传感器控制的关键是转子位置信号检测方法。

反电势法及其改进算法是国内外转子位置信号检测方法中应用最广泛的一种技术。反电势法及其改进算法的原理是通过检测各相绕组反电势的过零点，判断出转子若干个特殊位置，如果能够准确地检测到反电势的过零信号，就可以判断出转子的位置。这类方法实施简单，但在零速或低速时会因反电势过小或根本无法检测而失败，只适用于高速运行。例如中国专利ZL00117475.4“一种无位置传感器无刷直流电动机的转子位置检测方法”和中国专利ZL02121058.6“无刷直流电机无传感器的转子位置检测方法”都是反电势的改进算法，它们最终都要利用相绕组的反电势，在零速或低速时会都存在反电势过小或根本无法检测的问题，因此只适用于无刷直流电机的高速运行区。

检测电机相电感变化的位置估计法利用永磁电机不同的磁链特性，检测不同的测量值来判断转子的位置。A.Kulkami，M.Ehsani在文章“A Novel Position Sensor EliminationTechnique for the Interior Permanent Magnet Synchronous Motor Drive.(IEEE Trans.onIndustry Application，vol.28，144-150.Jan/Feb，1992)”中提出利用凸极永磁电动机交直轴电感不同的特性，采用电流滞环控制，测量交直轴电感。交直轴电感与转子位置存在对应关系，由此可以得到转子位置信息。K.J.Bins.D.W.Shimmin等在文章“Implicit RotorPosition Sensing Using Motor Winding for a Self Commutating Permanent Magnet DriveSystem(IEEE.Proceedings，1994.Pt.B.138(1)：28-34)”提出了用等效电阻和电感建立线圈的近似模型，检测每相绕组自感和内部绕组互感变化，用于估计转子位置。P.L.Jansen，M.Coley，R.D.Lorenz.在文章“Flux，Position，and Velocity Estimation in ACMachines at Zero Speed via Trackong of Hign Frequency Saliencies(5th European PowerElectronics(EPE)Conf.Rec，1995：154-160)”中提出通过检测电机电压和电流来计算内嵌式永磁同步电机的相电感，计算出的相电感再通过查表方式来估计转子的位置。

电感测量法通过检测永磁同步电机绕组电感的变化来判断出转子的位置，它只与电机的参数有关而与电机的转速无关，在电机转速很低时也能够工作但这类方法的不足之处是难以在线实时检测电感的大小，增加了实现的难度。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出了一种新的转子位置检测方法，它既有反电动势法实施简单优点，又具有电感法在电机转速极低时可靠运行的特点。

本发明的技术如下：

一种利用中性点电压检测无位置传感器的凸极式永磁无刷直流电机转子位置的方法，其电机的转子d轴电感Xd不等于电机的q轴电感Xq；其特征为：该方法通过对所引出无刷直流电机定子绕组的中性点电压进行检测来计算无刷直流电机转子位置，再借鉴反电势法的特点，确定换相时刻。

该方法包括以下步骤：

第一步：在无位置传感器的无刷直流电机功率电路中，采用H_PWM-L_PWM脉宽调制控制方式，即上下桥臂开关管均进行PWM调制，上下桥臂开关管均导通时，电源对电感充电，当上下桥臂开关管均关断时，电感通过电源放电，采用120度的方波信号为包络线的调制脉冲序列，从而使电机各绕组有接正电源、接负电源和不接电源尔悬空三种状态；

第二步：在每个PWM周期内采样中性点对地电压2次，采样时刻分别为t/2时刻和(T+t)/2时刻，其中t/2时刻位于上下桥臂开关管均导通时间的中点处；(T+t)/2时刻位于上下桥臂开关管均关断时间的中点处(其中T为PWM周期，t为一个PWM周期内导通的时间)，计算这2次采样时刻的中性点对地电压的电压差，以A相和B相导通，C相悬空为例，若检测到在一个PWM周期内的2次电压差小于设定的阈值(阈值为根据实际情况设定的一个非常小的常数)，即可判断中性点电压等于母线电压的1/2，则有如下结论：

若A、B相通电，C相悬空，此时电机转子位于60°或240°电角度处，C相反电动势为0；

若A、C相通电，B相悬空，此时电机转子位于120°或300°电角度处，B相反电动势为0；

若B、C相通电，A相悬空，此时电机转子位于180°或360°电角度处，A相反电动势为0；

第三步：判断出悬空相的反电动势过零点后，再滞后30°电角度即可确定该悬空相的换相时刻，即测得某相过零点后，还要一段延迟时间后才能换相。

本发明的有益效果是：克服了反电动势法在零速或低速时会都存在反电势过小或根本无法检测的问题的缺点，能在电机转速很低时也能可靠工作，与电感测量相比，又具有实施简单，容易在微处理器上实现的优点。

附图说明：

图1为无刷直流电机等效模型；

图2为TA+、TB-都导通时的电路；

图3为TA+、TB-都关断时的电路；

图4为H_PWM-L_PWM脉宽调制技术示意图；

图5为H_PWM-L_PWM周期内的电流波形；

图6为检测中性点电压来确定转子位置的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明：

凸极式永磁无刷直流电机中，d轴和q轴磁阻的不同导致了绕组电感的变化。q轴电感不等于d轴电感，这是因为通过d轴磁路的磁通要穿过两个永磁体，而q轴磁通仅通过气隙和定、转子铁心，不通过永磁体，因此q轴电感与d轴电感的比值要比隐极式电机大的多，电感的变化可以作为位置的函数用来获取转子的位置信息。凸极电机每相绕组的电感随着转子的位置的变化而变化，在两极电机中，定子绕组A、B、C的电感分别是：

$\left\{\begin{array}{c}{l}_{\mathrm{aa}}=L_{\mathrm{aa}0}+L_{\mathrm{al}}+L_{g2}\cos \left(2\mathrm{\θ}\right)\\ l_{\mathrm{bb}}=L_{\mathrm{aa}0}+L_{\mathrm{al}}+L_{g2}\cos (2\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ l_{\mathrm{cc}}=L_{\mathrm{aa}0}+L_{\mathrm{al}}+L_{g2}\cos (2\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right.---\left(1\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{l}_{\mathrm{ab}}=l_{\mathrm{ba}}=-0.5L_{\mathrm{aa}0}+L_{g2}\cos (2\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ l_{\mathrm{bc}}=l_{\mathrm{cb}}=-0.5L_{\mathrm{aa}0}+L_{g2}\cos \left(2\mathrm{\θ}\right)\\ l_{\mathrm{ac}}=l_{\mathrm{ca}}=-0.5L_{\mathrm{aa}0}+L_{g2}\cos (2\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right.---\left(2\right)$

l_aa、l_bb、l_cc分别是A、B、C三相的自感，l_ac、l_ab、l_bc分别是A、B、C三相的互感，L_aa0为气隙磁场引起的自感系数，L_al为定子绕组的漏电感，L_g2为随转子位置变化的磁场引起的自感系数，θ是转子的电角度。

无刷直流电机工作于两两通电方式时，常见的PWM调制方法有以下五种：

1.ON-PWM开关管导通120°期间，前60°恒通，后60°进行PWM调制。

2.PWM-ON开关管导通120°期间，前60°进行PWM调制，后60°恒通。

3.H-ON-L-PWM上桥臂开关管保持恒通，下桥臂开关管进行PWM调制。

4.H-PWM-L-ON上桥臂开关管进行PWM调制，下桥臂开关管保持恒通。

5.H-PWM-L-PWM上下桥臂开关管均进行PWM调制。

在不同的PWM调制方式下，波动的情况不同，张相军，陈伯时在文献”无刷直流电机控制***中PWM调制方式对换相转矩脉动的影响”(电机与控制学报，2003，7(2)：87-91)指出H PWM-L PWM调制方式下的波动是比较大的一种方式。

对于永磁无刷直流电机而言，6个反电动势过零点分别位于60，120，180，240，300，360(0)电角度处，，由(1)式可知在这6个过零点处的自感关系为：

$\left\{\begin{array}{cccc}\mathrm{\θ}=60& l_{\mathrm{aa}}=l_{\mathrm{bb}}& E_a=-E_b& E_c=0\\ \mathrm{\θ}=120& l_{\mathrm{aa}}=l_{\mathrm{cc}}& E_a=-E_c& E_b=0\\ \mathrm{\θ}=180& l_{\mathrm{cc}}=l_{\mathrm{bb}}& E_b=-E_c& E_a=0\\ \mathrm{\θ}=240& l_{\mathrm{aa}}=l_{\mathrm{bb}}& E_a=-E_b& E_c=0\\ \mathrm{\θ}=300& l_{\mathrm{aa}}=l_{\mathrm{cc}}& E_a=-E_c& E_b=0\\ \mathrm{\θ}=360& l_{\mathrm{cc}}=l_{\mathrm{bb}}& E_b=-E_c& E_a=0\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，E_a、E_b、E_c分别为三相的反电动势。

有(3)式可知，根据定子绕组间自感的关系可以判断根据反电动势的过零点。

凸极式永磁电机中，电感参数是转子电角度的函数，当电机转子旋转时，电感参数也随着变化，因此造成电机绕组中性点电位的波动。检测凸极式无刷直流电机中性点电压的波动情况就可以推断出定子绕组电感的关系，从而就可以判断出转子的位置。再借鉴反电势法的特点，滞后30度电角度即可确定换相时刻。这样就可以避免电感测量法难以直接在线实时检测电感的困难。

下面以TA+、TB-进行PWM调制例详细说明其原理：

当TA+、TB-都为导通时，如图2所示，

$\left\{\begin{array}{c}{v}_a=l_{\mathrm{aa}}\frac{{\mathrm{di}}_a}{\mathrm{dt}}+i_a\frac{{\mathrm{dl}}_{\mathrm{aa}}}{\mathrm{dt}}+l_{\mathrm{ab}}\frac{{\mathrm{di}}_b}{\mathrm{dt}}+i_b\frac{{\mathrm{dl}}_{\mathrm{ab}}}{\mathrm{dt}}+i_{a}R+E_a\\ v_b=l_{\mathrm{ab}}\frac{{\mathrm{di}}_a}{\mathrm{dt}}+i_a\frac{{\mathrm{dl}}_{\mathrm{ab}}}{\mathrm{dt}}+l_{\mathrm{bb}}\frac{{\mathrm{di}}_b}{\mathrm{dt}}+i_b\frac{{\mathrm{dl}}_{\mathrm{bb}}}{\mathrm{dt}}+i_{b}R+E_b\\ i_a=-i_b\end{array}\right.---\left(4\right)$

$v_n=\frac{U_d}{2}+\frac{(l_{\mathrm{bb}}-l_{\mathrm{aa}})}{2}\frac{{\mathrm{di}}_a}{\mathrm{dt}}+\frac{i_a}{2}\frac{d(l_{\mathrm{bb}}-l_{\mathrm{aa}})}{\mathrm{dt}}\frac{(E_a+E_b)}{2}---\left(5\right)$

其中v_n为中性点电压，U_d为母线电压，i_a为A相相电流。

在θ角等于60，240时有l_aa＝l_bb，E_a＝-E_b，中性点对地电压为：

$v_n=\frac{U_d}{2}---\left(6\right)$

当TA+、TB-都为关断时，如图3所示，设中性点电压改变为v′_n。

$\left\{\begin{array}{c}{v_a}^{\′}=l_{\mathrm{aa}}\frac{{{\mathrm{di}}_a}^{\′}}{\mathrm{dt}}+{i_a}^{\′}\frac{{\mathrm{dl}}_{\mathrm{aa}}}{\mathrm{dt}}+l_{\mathrm{ab}}\frac{{{\mathrm{di}}_b}^{\′}}{\mathrm{dt}}+{i_b}^{\′}\frac{{\mathrm{dl}}_{\mathrm{ab}}}{\mathrm{dt}}+{i_a}^{\′}R+E_a\\ {v_b}^{\′}=l_{\mathrm{ab}}\frac{{{\mathrm{di}}_a}^{\′}}{\mathrm{dt}}+{i_a}^{\′}\frac{{\mathrm{dl}}_{\mathrm{ab}}}{\mathrm{dt}}+l_{\mathrm{bb}}\frac{{{\mathrm{di}}_b}^{\′}}{\mathrm{dt}}+{i_b}^{\′}\frac{{\mathrm{dl}}_{\mathrm{bb}}}{\mathrm{dt}}+{i_b}^{\′}R+E_b\\ {i_a}^{\′}=-{i_b}^{\′}\end{array}\right.---\left(7\right)$

$v_n^{\′}=\frac{U_d}{2}+\frac{(l_{\mathrm{bb}}-l_{\mathrm{aa}})}{2}\frac{{{\mathrm{di}}_a}^{\′}}{\mathrm{dt}}+\frac{{i_a}^{\′}}{2}\frac{d(l_{\mathrm{bb}}-l_{\mathrm{aa}})}{\mathrm{dt}}\frac{(E_a+E_b)}{2}---\left(8\right)$

θ角等于60，240时有l_aa＝l_bb，E_a＝-E_b，中性点对地电压为：

${v_n}^{\′}=\frac{U_d}{2}---\left(9\right)$

即在两种状态下检测中性点电压都等于Ud/2，由此可以判断θ角等于60，240，此时正好有C相反电动势Ec＝0。若θ角不等于60，240，则一定有中性点电压都不等于Ud/2，C相反电动势Ec不等于零。因此通过检测中性点电压即可判断反电动势是否过零。

如图1所示为由三相桥式功率电路供电的无位置传感器的三相星型无刷直流电机的电路，+、-分别为直流电源正、负极，TA+、TA-、TB+、TB-、TC+、TC-为功率开关管，DA+、DA-、DB+、DB-、DC+、DC-为续流二极管。图中的A、B、C、分别为三相定子绕组对地电压，Vn为中性点对地电压。在任意时刻只有两相绕组处于通电状态。为达到对速度和电流的控制，一般都采用PWM调制方案。

如图4所示为H_PWM-L_PWM脉宽调制技术，它是PWM调制方案之一。H_PWM-L_PWM的特点为上下桥臂开关管均进行PWM调制。采用120度的方波信号为包络线的调制脉冲序列；其触发脉冲为120度的方波信号，从而使电机各绕组有接正电源、接负电源和不接电源悬空三种状态。当上下桥臂开关管均导通时电源对电感充电，如图2所示；当上下桥臂开关管均关断时，电感通过电源放电，如图3所示。

图5所示为H_PWM-L_PWM周期内的电流波形。在每个PWM周期内采样中性点对地电压2次，采样时刻如图5中所示的t/2时刻和(T+t)/2时刻。其中t/2时刻位于上下桥臂开关管均导通段；(T+t)/2时刻位于上下桥臂开关管均关断段。在微处理器程序中计算出这2次采样时刻的中性点对地电压的电压差。以A相和B相导通，C相悬空为例，若检测到在一个PWM周期内的2次电压差小于设定的阈值，即可判断中性点电压等于母线电压的1/2，则认为此时C相的反电动势过零点。

判断出C相的反电动势过零点后，再滞后30°电角度即可确定C相的换相时刻。过零点与换相点间隔30°电角度。这就是说在测得过零点后，还要延迟一段时间才能换相。这个时间称为延迟时间。在程序中，延迟时间采用以下方法估算：测得连续2次反电动势过零点所用的平均时间，用这个平均时间作为下一次换相所要延迟的时间。

在定转子磁场的相互作用下，如果依次导通电机的电枢绕组顺序为：

BC→AC→AB→CB→CA→BA→BC时，电机将逆时钟旋转。因此，只须改变电机换相的逻辑顺序，就可以使电机顺时钟旋转。如图6中所示，即在程序中选择不同的换相逻辑表的顺序即可。要调节电机的转速，则通过设定不同的给定转速，它与计算出的实际转速相比较，通过速度调节器的运算来改变微处理器输出不同的PWM占空比来实现。

上述实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。

Claims (3)

1.一种利用中性点电压检测无位置传感器的无刷直流电机转子位置的方法，所述无刷直流电机的转子结构为凸极式，即电机的转子d轴电感Xd不等于电机的q轴电感Xq，该方法的特征为：通过对所引出无刷直流电机定子绕组的中性点电压进行检测来计算两两通电方式的无刷直流电机转子位置，确定换相时刻。

2.根据权利要求1所述的方法，该方法包括以下步骤：

第一步：在无位置传感器的无刷直流电机功率电路中，采用H_PWM-L_PWM脉宽调制控制方式，即上下桥臂开关管均进行PWM调制，上下桥臂开关管均导通时，电源对电感充电，当上下桥臂开关管均关断时，电感通过电源放电，采用120度的方波信号为包络线的调制脉冲序列，从而使电机各绕组有接正电源、接负电源和不接电源而悬空三种状态；

第二步：在每个PWM周期内对中性点对地电压采样2次，采样时刻分别为t/2时刻和(T+t)/2时刻，所述t/2时刻位于上下桥臂开关管均导通时间的中点处，(T+t)/2时刻位于上下桥臂开关管均关断时间的中点处，其中T为PWM周期，t为一个PWM周期内导通的时间；计算这2次采样时刻的中性点对地电压的电压差，若检测到在一个PWM周期内的2次中性点对地电压的电压差小于设定的阈值，即可判断中性点电压等于母线电压的1/2，则有如下结论：

若A、B相通电，C相悬空，此时电机转子位于60°或240°电角度处，C相反电动势为0；

若A、C相通电，B相悬空，此时电机转子位于120°或300°电角度处，B相反电动势为0；

若B、C相通电，A相悬空，此时电机转子位于180°或360°电角度处，A相反电动势为0；

第三步：判断出悬空相的反电动势过零点后，再滞后30°电角度即可确定该悬空相的换相时刻，即测得某相过零点后，还要一段延迟时间后才能换相。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征为，所述延迟时间采用以下方法估算：测得连续2次反电动势过零点所用的平均时间，用这个平均时间作为下一次换相所要延迟的时间。

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