CN104638992A - 一种双轴对转永磁无刷直流电机的初始启动方法 - Google Patents

一种双轴对转永磁无刷直流电机的初始启动方法 Download PDF

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张克涵
王司令
季小尹
宋保维
胡欲立
严卫生
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Abstract

本发明提出的一种双轴对转永磁无刷直流电机的初始启动方法，根据双轴对转永磁无刷直流电机初始启动过程的特点，将启动过程分为两个阶段。在第一阶段，针对“两相导通三相星型六状态”驱动的双轴对转永磁无刷直流电机，根据提前换相原则制定出内、外转子在初始144中状态下双轴对转永磁无刷直流电机第一阶段换相控制表。由初始换相控制表总结出导通代号计算方法，无需查换相表即可在DSP中快速计算出导通代号，实现电机初始转动。

Description

一种双轴对转永磁无刷直流电机的初始启动方法
技术领域
本发明涉及一种双轴对转永磁无刷直流电机的初始启动方法，使用该方法可以实现双轴对转永磁无刷直流电机安全、可靠地启动。
背景技术
普通永磁无刷直流电机仅转子磁极旋转，其电枢是静止不动的。而基于作用力与反作用力原理的双轴对转永磁无刷直流电机在电磁转矩的驱动下，使内、外两个转子同时向相反的方向旋转。在水下对转推进***中，双轴对转永磁无刷直流电机与对转螺旋桨配合使用，可以显著地提高水下航行器的推进效率，同时消除由单个螺旋桨转动带来的横滚。
位置传感器是双轴对转永磁无刷直流电机的重要组成部分，其作用是检测转子磁极对电枢绕组的相对位置，从而为逆变器提供正确的换相信息。由于双轴对转电机两个转子都在旋转，所以就必须测量出两个转子之间的相对位置，以此作为换相依据。为检测出两个转子分别相对与支架的位置，在内、外两个转轴上分别安装用于位置检测的永磁磁极，将对应的霍尔传感器安装在支架上。四路外转子霍尔传感器U、V、W、A信号图如图1所示。内转子信号图与外转子信号图相同。
利用四路霍尔传感器信号可以将转子的空间位置转化为12种状态，两个转子的相对位置则为144种状态。初始启动过程必须依据这144种状态进行，但是若仅以位置信号的跳变时刻触发换相信号，将产生很大的换相误差，甚至不能使电机可靠启动。
在2012100984618专利文献中公开了一种“双轴对转永磁无刷直流电机的初始启动方法”，通过对内外转子霍尔传感器信号编制位置状态代号并对该位置转台代号进行公示计算得到换相代号，最终得到功率管的导通顺序，从而避免繁琐的查表方法，提高程序的运行效率。
但是，由于该发明说明书中存在诸多不清楚的描述，使得本领域普通技术人员无法实现该发明。
发明内容
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种双轴对转永磁无刷直流电机的初始启动方法，
一种双轴对转永磁无刷直流电机的初始启动方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：在电机内、外转子中有一个没有转过一对极的距离的情况下，第一阶段换相代号C1＝K」2(向下取整)，中间变量K＝(D+Z)％12+1，若K＞11令K＝K-12，其中：D为由内转子霍尔位置传感器U1V1W1A1组合信号编制的内转子位置状态代号；Z为由外转子霍尔位置传感器U2V2W2A2组合信号编制的外转子位置状态代号，内、外转子状态代号编制规则如下：
内转子：
IF U1V1W1A1＝0101  D＝0；
IF U1V1W1A1＝0100  D＝1；
IF U1V1W1A1＝0110  D＝2；
IF U1V1W1A1＝0111  D＝3；
IF U1V1W1A1＝0011  D＝4；
IF U1V1W1A1＝0010  D＝5；
IF U1V1W1A1＝1010  D＝6；
IF U1V1W1A1＝1011  D＝7；
IF U1V1W1A1＝1001  D＝8；
IF U1V1W1A1＝1000  D＝9；
IF U1V1W1A1＝1100  D＝10；
IF U1V1W1A1＝1101  D＝11；
外转子：
IF U2V2W2A2＝0101  Z＝0；
IF U2V2W2A2＝0100  Z＝1；
IF U2V2W2A2＝0110  Z＝2；
IF U2V2W2A2＝0111  Z＝3；
IF U2V2W2A2＝0011  Z＝4；
IF U2V2W2A2＝0010  Z＝5；
IF U2V2W2A2＝1010  Z＝6；
IF U2V2W2A2＝1011  Z＝7；
IF U2V2W2A2＝1001  Z＝8；
IF U2V2W2A2＝1000  Z＝9；
IF U2V2W2A2＝1100  Z＝10；
IF U2V2W2A2＝1101  Z＝11；
步骤2：根据第一阶段换相代号计算公式得到的C1结果查表1得到第一阶段功率管导通顺序；
步骤3：将得到的第一阶段功率管V1、V3、V5信号与PWM波相与后得到电机启动信号，然后将该信号发送至与电机相连接的IPM，同时将V2、V4、V6信号直接发送至与电机相连接的IPM；
步骤4：在内、外转子均转过一对极的距离后，计算实时角度；
内转子实时角度
外转子实时角度
其中：T1s，T2s为内、外转子的U信号距前一个下降沿的时间，T1，T2为内转子的U信号前两个下降沿之间的时间长度；
步骤5：计算第二阶段换相代号，θ＝θ1+θ2，当θ＜360°时，C2＝θ/60，当θ≥360°时，C2＝(θ-360)/60；
步骤6：根据第二阶段换相代号C2计算结果查表1得到第二阶段功率管导通顺序；
步骤7：将得到的第二阶段功率管V1、V3、V5信号与PWM波相与后得到电机启动信号，然后将该信号发送至与电机相连接的IPM，同时将V2、V4、V6信号直接发送至与电机相连接的IPM。
表1 功率管导通顺序表
本发明提出的一种双轴对转永磁无刷直流电机的初始启动方法，根据双轴对转永磁无刷直流电机初始启动过程的特点，将启动过程分为两个阶段，如图2所示。在第一阶段，针对“两相导通三相星型六状态”驱动的双轴对转永磁无刷直流电机(如图3所示)，根据提前换相原则制定出内、外转子在初始144中状态下双轴对转永磁无刷直流电机第一阶段换相控制表。由初始换相控制表总结出导通代号计算方法，无需查换相表即可在DSP中快速计算出导通代号，实现电机初始转动。双轴对转永磁无刷直流电机控制***框图如图4所示。
利用内、外转子的U信号判断电机内、外轴是否均转过一对极的距离，如均转过一对极的距离则转为第二个阶段。第二个阶段在利用第一阶段测量的内、外转子完整的一个电周期的基础上，根据内、外转子实时U信号精确计算内、外转子相对于支架的角度，将内、外转子的实时角度进行叠加，进而可精确计算出实时的功率管的导通顺序。该方法使用简单的换相代号计算公式，避免了繁琐的查表方法，提高了程序的运行效率，使角度的计算更为精确。在相关型号上已进行了长期的试验，试验结果表明该启动方法可靠，无启动死区问题，启动过程电流平稳。
附图说明
图1：为霍尔传感器信号图；
图2：为启动阶段划分示意图；
图3：为双轴对转永磁无刷直流电机“两相导通三相星型六状态”驱动图；
图4：为双轴对转永磁无刷直流电机控制***框图。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
如图3所示双轴对转永磁无刷直流电机驱动控制***由DSP，CPLD，IPM，位置检测模块，电压电流检测模块，电压转换模块，通讯模块组成。
制定第一阶段换相控制表
步骤1、根据内转子U、V、W、A位置信号编制内转子状态代号D，0≤D≤11，D∈N；
步骤2、根据外转子U、V、W、A位置信号编制外转子位置代号Z，0≤Z≤11,Z∈N；
步骤3、将内、外转子所处的角度区间进行叠加，即θ＝θ1+θ2，若θ≥360°，令θ＝θ-360°；
a、IF 0°≤θ＜60°C＝0；
b、IF 60°≤θ＜120°C＝1；
c、IF 120°≤θ＜180°C＝2；
d、IF 180°≤θ＜240°C＝3；
e、IF 240°≤θ＜300°C＝4；
f、IF 300°≤θ＜360°C＝5；
10、区间叠加范围若在30°≤θ＜90°，90°≤θ＜150°，150°≤θ＜210°，210°≤θ＜270°，270°≤θ＜330°，330°≤θ＜360°时，将区间角度加30°,再按照上述步骤3中的诸项处理；
本实施例双轴对转永磁无刷直流电机的初始启动方法步骤如下：
一：第一阶段换相控制
1、根据内转子霍尔传感器U1V1W1A1组合信号状态确定内转子所处角度区间及编制内转子位置状态代号D；
IF U1V1W1A1＝0101  D＝0；
IF U1V1W1A1＝0100  D＝1；
IF U1V1W1A1＝0110  D＝2；
IF U1V1W1A1＝0111  D＝3；
IF U1V1W1A1＝0011  D＝4；
IF U1V1W1A1＝0010  D＝5；
IF U1V1W1A1＝1010  D＝6；
IF U1V1W1A1＝1011  D＝7；
IF U1V1W1A1＝1001  D＝8；
IF U1V1W1A1＝1000  D＝9；
IF U1V1W1A1＝1100  D＝10；
IF U1V1W1A1＝1101  D＝11；
2、根据外转子霍尔传感器U2V2W2A2组合信号状态确定外传在所处角度区间及编制外转子位置状态代号Z；
IF U2V2W2A2＝0101  Z＝0；
IF U2V2W2A2＝0100  Z＝1；
IF U2V2W2A2＝0110  Z＝2；
IF U2V2W2A2＝0111  Z＝3；
IF U2V2W2A2＝0011  Z＝4；
IF U2V2W2A2＝0010  Z＝5；
IF U2V2W2A2＝1010  Z＝6；
IF U2V2W2A2＝1011  Z＝7；
IF U2V2W2A2＝1001  Z＝8；
IF U2V2W2A2＝1000  Z＝9；
IF U2V2W2A2＝1100  Z＝10；
IF U2V2W2A2＝1101  Z＝11；
3、在电机内外转子中有一个没有转过一对极的距离的情况下，第一阶段换相代号C1＝K」2(向下取整)；中间变量K＝(D+Z)％12+1，若K＞11令K＝K-12；
4、根据换相代号C1得值查表1得到功率管导通顺序；
5、将得到的第一阶段功率管V1、V3、V5信号与PWM波相与后发送至IPM，V2、V4、V6信号直接发送至IPM；
二：第二阶段实时角度计算换相控制
1、在内、外转子各转过一对极的距离后，转入实时角度计算模块；
2、内转子实时角度
3、外转子实时角度
T1s，T2s为内、外转子的U信号距前一个下降沿的时间；
T1，T2为内转子的U信号前两个下降沿之间的时间长度；
4、计算第二阶段换相代号，θ＝θ1+θ2，当θ＜360°时，C2＝θ/60，当θ≥360°时，C2＝(θ-360)/60；
6、根据换相代号C2的值查表1得到功率管导通顺序；
7、将得到的第二阶段功率管V1、V3、V5信号与PWM波相与后发送至IPM，V2、V4、V6信号直接发送至IPM。
表1 功率管导通表
表2 第一阶段换相控制表

Claims (1)

1.一种双轴对转永磁无刷直流电机的初始启动方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：在电机内、外转子中有一个没有转过一对极的距离的情况下，按照换相代号计算公式计算得到换相代号，其中：中间变量K＝(D+Z)％12+1，若K＞11令K＝K-12，其中：D为由内转子霍尔位置传感器U1V1W1A1组合信号编制的内转子位置状态代号；Z为由外转子霍尔位置传感器U2V2W2A2组合信号编制的外转子位置状态代号，内、外转子状态代号编制规则如下：
内转子：
IF U1V1W1A1＝0101 D＝0；
IF U1V1W1A1＝0100 D＝1；
IF U1V1W1A1＝0110 D＝2；
IF U1V1W1A1＝0111 D＝3；
IF U1V1W1A1＝0011 D＝4；
IF U1V1W1A1＝0010 D＝5；
IF U1V1W1A1＝1010 D＝6；
IF U1V1W1A1＝1011 D＝7；
IF U1V1W1A1＝1001 D＝8；
IF U1V1W1A1＝1000 D＝9；
IF U1V1W1A1＝1100 D＝10；
IF U1V1W1A1＝1101 D＝11；
外转子：
IF U2V2W2A2＝0101 Z＝0；
IF U2V2W2A2＝0100 Z＝1；
IF U2V2W2A2＝0110 Z＝2；
IF U2V2W2A2＝0111 Z＝3；
IF U2V2W2A2＝0011 Z＝4；
IF U2V2W2A2＝0010 Z＝5；
IF U2V2W2A2＝1010 Z＝6；
IF U2V2W2A2＝1011 Z＝7；
IF U2V2W2A2＝1001 Z＝8；
IF U2V2W2A2＝1000 Z＝9；
IF U2V2W2A2＝1100 Z＝10；
IF U2V2W2A2＝1101 Z＝11；
步骤2：根据换相代号C1的计算结果查表1得到功率管导通顺序：
表1  功率管导通顺序表
步骤3：将得到的第一阶段功率管V1、V3、V5信号与PWM波相与后得到电机启动信号，然后将该信号发送至与电机相连接的IPM，同时将V2、V4、V6信号直接发送至与电机相连接的IPM；
步骤4：在内、外转子均转过一对极的距离后，计算实时角度：
内转子实时角度
外转子实时角度
其中：T1s，T2s为内、外转子的U信号距前一个下降沿的时间，T1，T2为内转子的U信号前两个下降沿之间的时间长度；
步骤5：计算第二阶段换相代号，θ＝θ1+θ2，当θ＜360°时，C2＝θ/60，当θ≥360°时，C2＝(θ-360)/60；
步骤6：查导通表1得到功率管导通顺序；
步骤7：将得到的第二阶段功率管V1、V3、V5信号与PWM波相与后得到电机启动信号，然后将该信号发送至与电机相连接的IPM，同时将V2、V4、V6信号直接发送至与电机相连接的IPM。
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