CN101841291B - 一种直流无刷电机控制方法 - Google Patents

Abstract

一种直流无刷电机控制方法，其特征在于：电机进入稳态工作后，转子位置检测单元向电机控制单元发出换相信号，电机控制单元提前或者延迟一定的补偿电角度进行换相，记录并比较每次用不同补偿电角度的情况下的相电流值In，得到在该稳态工作条件时的最小相电流值Imin对应的最佳补偿角αm，然后使电机以最佳补偿角αm提前或者延迟换相。它在电机工作在稳态后，以最小的相电流值运行，节约电能，提高效率。

Description

一种直流无刷电机控制方法

技术领域

本发明涉及无刷电机及电子控制换相技术领域，特别涉及一种直流无刷电机的控制方法。

背景技术：

以三相直流无刷电机为例说明其控制原理：如图1所示，直流无刷驱动器包括电源部及控制部：电源部提供三相电源给电机，控制部则依需求转换输入电源频率。电源部可以直接以直流电输入或以交流电输入(110V/220 V)，如果输入是交流电先经转换器(AC-DCconverter)转成直流。不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈绕组前须先将直流电由换流器(inverter)转成3相电压来驱动电机。换流器(inverter)一般由6个功率晶体管(Q1～Q6)分为上臂(Q1、Q3、Q5)/下臂(Q2、Q4、Q6)连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供PWM(脉冲宽度调制)决定功率晶体管开关频度及换流器(inverter)换相的时机。直流无刷电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制，所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器(hall-sensor)，做为速度之闭环回路控制，同时也做为相序控制的依据。

要让电机转动起来，首先控制部就必须根据hall-sensor感应到的电机转子目前所在位置，然后依照定子绕线决定开启或关闭换流器(inverter)中功率晶体管的顺序，如下图1中inverter中之AH、BH、CH(这些称为上臂功率晶体管)及AL、BL、CL(这些称为下臂功率晶体管)，使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆向)旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。当电机转子转动到hall-sensor感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启下一组功率晶体管，如此循环电机就可以依同一方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率晶体管(或只开下臂功率晶体管)；要电机转子反向则功率晶体管开启顺序相反。基本上功率晶体管的开法可举例如下：AH、BL一组→AH、CL一组→BH、CL一组→BH、AL一组→CH、AL一组→CH、BL一组很明显在图1的无刷电机一个周期需要换相六次，每次分别接通不同的线圈绕组：W、V→W、U→V、U→V、W→U、W→U、V。

目前，直流无刷电机可以根据客户要求的条件下运行，例如恒速、恒力矩、恒功率等条件下，电机控制器利用闭环控制可以使电机按预设条件下稳定运行，例如，要求直流无刷电机以1200转/分钟运行，当电机控制器使电机以1200转/分钟运行后即进入一个稳定的状态。

传统的电机换相是通过专门测量单元测量转子位置来实现，测量单元可以是霍尔传感器或者测量线圈绕组的反电动势，但在安装霍尔传感器的位置误差或者测量单元的电子元器件的精度问题，往往测量到转子的换相位置不是最合适的换相位置，从而使各相绕组的工作电流过大，能耗增加。

发明内容：

本发明的一个目的是提供一种直流无刷电机控制方法，在电机工作在稳态后，以最小的相电流值运行，节约电能，提高效率。

本发明的目的是通过下述技术方案予以实现。

一种直流无刷电机控制方法，其特征在于：电机进入稳态工作后，转子位置检测单元向电机控制单元发出换相信号，电机控制单元提前或者延迟一定的补偿电角度αn进行换相，记录并比较每次用不同补偿电角度αn的情况下的相电流值In，得到在该稳态工作条件时的最小相电流值Imin对应的最佳补偿角αm，然后使电机以最佳补偿角αm提前或者延迟换相。

上述所述在该稳态工作时的最小相电流值Imin对应的最佳补偿角αm可以通过如下方法得到：

S01：电机进入稳态后，转子位置检测单元检测电机的转子位置，电机控制单元正常换相，通过电流检测电路检测此时的电机定子的平均相电流I0；

S02：确定在该稳态条件时的最小补偿电角度Δα；

S03：通过转子位置检测单元检测到的电机转子正常换相位置时，提前或者延迟一个补偿电角度Δα换相；通过电流检测电路检测此时的电机定子的平均相电流I1；比较I0和I1相电流值可知是提前还是延时换相；

S04：按最小补偿电角度单位Δα累计增加补偿电角度nΔα(n＝2，3，4，...)，根据步骤S03确定的提前或者延时换相关系，在通过转子位置检测单元检测到的电机转子正常换相位置时，提前或者延迟该补偿电角度nΔα换相；通过电流检测电路检测每次改变补偿电角度值后的电机定子的平均相电流In，比较用不同补偿电角度的情况下的相电流值In，寻找到最小相电流值Imin和对应的最佳补偿角αm。

上述所述的稳态是电机在特定控制要求下的运行状态，可以是恒速运行稳态、可以恒力矩运行稳态、或者是恒功率运行的稳态。

上述所述对于单相直流无刷电机，所述的换相信号是指电流换向信号。

本发明与现有技术相比具有如下优点：在电机工作在稳态后，通过追踪电机换相时的最小的相电流值运行对应的最佳补偿角，使电机以最佳补偿角αm提前或者延迟在换相或者换向，使线圈绕组工作电流处于最小值，从而节约电能，降低运行成本。

附图说明：

图1是直流无刷电机的运行原理图；

图2是本发明的流程图。

图3是本发明实施例一的换相电角度示意图；

图4是本发明实施例一的结构示意图；

图5是本发明实施例二的电路原理图。

具体实施方法

下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。

如图2所示，本发明的一种直流无刷电机控制方法，其特征在于：电机进入稳态工作后，转子位置检测单元向电机控制单元发出换相信号，电机控制单元提前或者延迟一定的补偿电角度进行换相，记录并比较每次用不同补偿电角度的情况下的相电流值In，得到在该稳态工作条件时的最小相电流值Imin对应的最佳补偿角αm，然后使电机以最佳补偿角αm提前或者延迟换相。

上述所述在该稳态工作时的最小相电流值Imin对应的最佳补偿角αm可以通过如下方法得到：

S01：电机进入稳态后，转子位置检测单元检测电机的转子位置，电机控制单元正常换相，通过电流检测电路检测此时的电机定子的平均相电流I0；

S02：确定在该稳态条件时的最小补偿电角度Δα；

S03：通过转子位置检测单元检测到的电机转子正常换相位置时，提前或者延迟一个补偿电角度Δα换相；通过电流检测电路检测此时的电机定子的平均相电流I1；比较I0和I1相电流值可知是提前还是延时换相；

S04：按最小补偿电角度单位Δα累计增加补偿电角度nΔα(n＝2，3，4，...)，根据步骤S03确定的提前或者延时换相关系，在通过转子位置检测单元检测到的电机转子正常换相位置时，提前或者延迟该补偿电角度nΔα换相；通过电流检测电路检测每次改变补偿电角度值后的电机定子的平均相电流In，比较用不同补偿电角度的情况下的相电流值In，寻找到最小相电流值Imin和对应的最佳补偿角αm。所述的稳态是电机在特定控制要求下的运行状态，可以是恒速运行稳态、可以恒力矩运行稳态、或者是恒功率运行的稳态。

具体实施例一：见图1、图3、图4所示，以三相直流无刷电机为例说明本发明的控制方法，图3中设置有六个换相时刻，分别为T1、T2、T3、T4、T5、T6，经过6次换相后形成一个换相周期，电机转子转动一圈，开关管的动作如下：AH、BL一组→AH、CL一组→BH、CL一组→BH、AL一组→CH、AL一组→CH、BL一组，每次分别接通不同的线圈绕组：W、V→W、U→V、U→V、W→U、W→U、V。从理论上讲，60度的电角度换相一次，但在安装霍尔传感器的位置误差或者测量单元的电子元器件的精度问题，往往测量到转子的换相位置不是最合适换相位置，从而使各相绕组的工作电流过大，能耗增加。因此，在电机进入稳态后(例如以1000转/分恒速运动)，需要寻找最佳的换相位置，使相电流最小。从图4中，也可以看出一个周期有6个换相时间点，定子1上的霍尔传感器3可以感应转子2所处位置，当转子到达某个位置，霍尔传感器3马上发出换相信号。

假设T1时刻霍尔传感器发出信号，开关管的动作如下：AH、BL一组打开通电，线圈绕组W、V得电开始工作，

现采用如下方法获得最小相电流值Imin和对应的最佳补偿角αm：

A：S01：电机进入稳态后，转子位置检测单元检测电机的转子位置，电机控制单元正常换相，通过电流检测电路检测此时的电机定子的平均相电流I0；

B：确定在该稳态条件时的最小补偿电角度Δα＝0.1度；

C：提前电角度单位Δα＝0.1度换相，记录相电流值I1，并比较相电流值I1与初始相电流值I0的大小，则判断出，提前还是延迟换相。

若提前换相(I1＜I0)，下次换相时，提前2Δα＝0.2度换相，并记录相电流值I2，比较相电流值I2与I1的大小，若I2＜I1，换相时继续增大补偿电角度，提前补偿电角度nΔα换相；若n＝8时，若In-1＜In，则Imin＝In-1，αm＝7Δαn；寻找到最小相电流值Imin和对应的最佳补偿角αm。那末，在该稳态的情况下，开关管AH、BL一组打开通电的最佳角度是比正常换相提前0.7度换相，使线圈绕组W、V得工作电流最小。其它绕组的换相方法可以参考上述方法。

若延迟换相时(I1＞I0)，下次换相时，延迟2Δα＝0.2度换相，并记录相电流值I2，比较相电流值I2与I1的大小，若I2＜I1，换相时继续增大补偿电角度，延时补偿电角度nΔα换相；若n＝8时，若In-1＜In，则Imin＝In-1，αm＝7Δαn；寻找到最小相电流值Imin和对应的最佳补偿角αm。那末，在该稳态的情况下，开关管AH、BL一组打开通电的最佳角度是比正常换相延迟0.7度换相，使线圈绕组W、V得工作电流最小。其它绕组的换相方法可以参考上述方法。

实施例二：如图5所示的单相直流无刷电机，它不存在换相问题，但需要换向，即改变电流方向。通过打开开关管Q1、Q4可以实现电流的一个流向，通过打开开关管Q2、Q3可以实现电流的另一个流向，从理论上讲，180度的电角度换向一次，但在安装霍尔传感器的位置误差或者测量单元的电子元器件的精度问题，往往测量到转子的换向位置不是最合适的换向位置，从而使绕组的工作电流过大，能耗增加。因此，在电机进入稳态后(例如以1000转/分恒速运动)，需要寻找最佳的换向位置，使相电流最小。

假设某时刻霍尔传感器发出信号，开关管Q1、Q4的动作，线圈绕组得电开始工作，现采用如下方法获得最小相电流值Imin和对应的最佳补偿角αm：

A：程序开始运作时，记录第一次换向的初始相电流值I0；

B：确定在该稳态条件时的最小补偿电角度Δα＝0.2度；

C：延迟电角度单位Δα＝0.2度换向，记录相电流值I1，并比较相电流值I1与初始相电流值I0的大小，假设I1＜I0，则判断出，应该延迟换向，下次换向时，延迟2Δα＝0.4度换相，并记录相电流值I2，比较相电流值I2与I1的大小，若I2＜I1，换向时继续增大补偿电角度，当延时补偿电角度nΔα换相，若n＝8时，若I7＜I8，则Imin＝I7，αm＝7Δαn＝1.4度；寻找到最小相电流值Imin和对应的最佳补偿角αm。那末，在该稳态的情况下，开关管Q1、Q4一组打开通电的最佳角度是滞后电角度1.4度换向，使线圈绕组工作电流最小。开关管Q2、Q3换向方法可以参考上述方法。

上述实施例为本发明的较佳实施方法，但本发明的实施方法不限于此，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均为等效的置换方法，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种直流无刷电机控制方法，其特征在于：电机进入稳态工作后，转子位置检测单元向电机控制单元发出换相信号，电机控制单元提前或者延迟一定的补偿电角度进行换相，记录并比较每次用不同补偿电角度的情况下的相电流值In，得到在该稳态工作条件时的最小相电流值Imin对应的最佳补偿角αm，然后使电机以最佳补偿角αm提前或者延迟换相，在该稳态工作时的最小相电流值Imin对应的最佳补偿角αm是通过如下方法得到：

S01：电机进入稳态后，转子位置检测单元检测电机的转子位置，电机控制单元正常换相，通过电流检测电路检测此时的电机定子的平均相电流I0；

S02：确定在该稳态条件时的最小补偿电角度Δα；

S03：通过转子位置检测单元检测到的电机转子正常换相位置时，提前或者延迟一个补偿电角度Δα换相；通过电流检测电路检测此时的电机定子的平均相电流I1；比较I0和I1相电流值可知是提前还是延时换相；

S04：按最小补偿电角度单位Δα累计增加补偿电角度nΔα，n＝2，3，4，...，根据步骤S03确定的提前或者延时换相关系，在通过转子位置检测单元检测到的电机转子正常换相位置时，提前或者延迟该补偿电角度nΔα换相；通过电流检测电路检测每次改变补偿电角度值后的电机定子的平均相电流In，比较用不同补偿电角度的情况下的相电流值In，寻找到最小相电流值Imin和对应的最佳补偿角αm。

2.根据权利要求1所述的一种直流无刷电机控制方法，其特征在于：所述的稳态是电机在特定控制要求下的运行状态，可以是恒速运行稳态、可以恒力矩运行稳态、或者是恒功率运行的稳态。

3.根据权利要求1或2所述的一种直流无刷电机控制方法，其特征在于：

对于单相直流无刷电机，所述的换相信号是指电流换向信号。

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