CN104767434A - 一种无刷直流电动机转子换相位置检测及换相控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无刷直流电动机转子换相位置检测及换相控制方法。本发明为了便于计算和更好地利用线反电动势过零原理，定义了三个F函数，函数为与位置相关的线反电动势的倒数。通过检测无刷直流电动机两相线电压和定子电流，计算出F函数，并对F函数的值进行正负限幅。F函数的值跃变为正阈值或负阈值的时刻就对应线反电动势的过零点，该过零点就是无刷直流电动机转子位置，根据转子位置可实现电动机电流换相控制。F函数阈值根据电动机转速范围分段设定。这种方法无需虚构电动机中点，并且无需30度相位延迟，适应任何形状的反电动势，可采用任意的PWM调制方式，相对于传统的相反电动势过零虚构中点检测方法具有结构简单、适用范围更广等优点。

Description

一种无刷直流电动机转子换相位置检测及换相控制方法

技术领域

本发明属于工业自动化领域，具体涉及一种无刷直流电动机转子换相位置检测及换相控制方法。

背景技术

相反电动势法是目前技术最成熟、最有效和应用最为广泛的一种无刷直流电动机转子位置检测方法。这种方法是建立在忽略电动机电枢反应的前提下，通过检测电动机的相反电动势过零点，再延迟30°电角度来依次得到转子的一个电气周期内六个关键位置信号的。从而实现功率开关管依次换相导通，驱动电动机正常运行。

无刷直流电动机的相反电动势一般难于直接测量，通常采用硬件方法来间接得到相反电动势过零信号。相反电动势过零硬件检测一般通过比较相电压或端电压的过零点来实现，而检测相电压或端电压均需要用到电动机中点。对于定子绕组星型连接的无刷直流电动机，电动机中点一般不引出，此时，需要重构电动机中点来实现。有两种重构电动机中点的方法：一是采用电阻网络重构中点；另一种是采用直流母线电压中点。在文献(杨成忠,张辉.特殊无位置传感器无刷直流电动机的反电动势检测.微特电机，2010，(6):15～17)中，就是利用端电压检测相反电动势的过零点。当采用电阻网络重构中点时，由于滤波电路和PWM高频信号干扰等原因得到的过零点将偏离实际的换相点，而此时重构的电阻网络中点与实际的电动机中点电位并不相等，特别是对于不导通相在非换相期间有续流现象时，上述两点电位相差更大。因此，将重构的电阻网络中点作为电动机中点来得到相反电动势过零信号具有较大的局限性，限制了该反电动势过零检测法的应用范围，增大了转子位置检测误差，特别是不能在全速范围内进行检测。电动机中点与直流母线电压中点电位是否相等是与功率开关管的开关状态有关的，功率开关管的开关状态是由逆变器的PWM调制方式决定的。在无刷直流电机120°导通PWM控制方式中，可分为单管和多管两类PWM调制方式。单管PWM调制和多管PWM调制方式均有多种调制方式。在某些调制PWM方式下电动机中点与直流母线电压中点电位是相等的，但在其它调制PWM方式下这两者并不相等。因此，传统的相反电动势硬件检测方法中认为上述两点电位相等而将直流母线电压中点作为电动机中点进行相反电动势检测仍然具有较大的局限性。

发明内容

本发明针对传统的相反电动势过零检测需要虚拟电动机绕组中点的问题，提出了一种利用线反电动势过零原理来获得无刷直流电动机转子位置的新方法并实现电动机换相控制。

一种利用线反电动势过零原理实现电动机换相控制的新方法，该方法无需硬件电路对线反电动势过零检测，而是采用实时计算的方法得到线反电动势过零点从而估算转子位置，具体为：

定义三个F函数为

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{ab}}=1/e_{\mathrm{ab}}=\frac{1}{u_{\mathrm{ab}}-R(i_a-i_b)-\mathrm{Ld}(i_a-i_b)/\mathrm{dt}}\\ F_{\mathrm{bc}}=1/e_{\mathrm{bc}}=\frac{1}{u_{\mathrm{bc}}-R(i_b-i_c)-\mathrm{Ld}(i_b-i_c)/\mathrm{dt}}\\ F_{\mathrm{ca}}=1/e_{\mathrm{ca}}=\frac{1}{u_{\mathrm{ca}}-R(i_c-i_a)-\mathrm{Ld}(i_c-i_c)/\mathrm{dt}}\end{array}\right.$

式中，e_ab、e_bc和e_ca分别为三相线反电动势，u_ab、u_bc和u_ca分别为三相定子线电压，i_a、i_b和i_c分别为三相定子电流，R为定子绕组电阻，L_s为定子相绕组自感，L_m为定子相绕组互感，L＝L_s-L_m为有效电感。

通过实时计算上述三个F函数来对转子位置进行估算。实际计算时，需要测量其中的两相线电压和两相相电流，第三相线电压由u_ab+u_bc+u_ca＝0得到，第三相相电流由i_a+i_b+i_c＝0得到。

计算出的F函数值在大部分时间内比较小，在电动机线反电动势零点附近，其值逐渐增大，在线反电动势为零时为无穷大。为了便于实现，需要对计算的三个F函数进行限幅。为了兼容低速下转子位置检测的准确性和高速下转子位置检测的快速性，F函数的阈值可根据电动机转速范围分段调整，例如当电动机转速位于0～100rpm时，F函数的阈值设定为50；当电动机转速位于100～200rpm时，F函数的阈值设定为45，依此类推。对无刷直流电动机任意平顶宽度梯形波相反电动势或正弦波相反电动势，其线反电动势的过零点就是相应的换相点。当线反电动势过零时，即F函数值跃变为正阈值或负阈值的时刻，对应于无刷直流电动机六个转子位置。检测出无刷直流电动机六个转子位置信号，根据电动机转速和旋转方向，产生相应的PWM信号，实现逆变器中六个功率开关管依次换相导通，驱动无刷直流电动机的运行。

发明的技术效果体现在：

1、这种方法无需虚构电动机中点，无需相反电动势过零检测硬件电路，并且无需30°相位延迟。

2、适应任何形状的相反电动势，可采用任意的PWM调制方式。

3、只需测量电动机的两相线电压和两相相电流，相对于传统的相反电动势过零虚构中点检测方法具有结构简单、适用范围更广等特点。

附图说明

图1为本发明所实施的无位置传感器无刷直流电动机控制***结构示意图。

图2为无刷直流电动机主电路及等效电路图。

图3为任意平顶宽度的梯形波相反电动势及其得到的线反电动势波形。

图4为限幅后的F函数理想波形。

图5为无刷直流电动机转子位置检测流程。

图6为给定转速500r/min突减为50r/min时估算的转子位置信号s_b和霍尔传感器检测的转子位置信号s_h。

图7为给定转速500r/min突减为50r/min时的转速波形。

图8为给定转速500r/min突加负载时的转速波形。

图9为控制无刷直流电动机的中断程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图来对本发明的具体实施方式进行说明。

图1为本发明所实施的无位置传感器无刷直流电动机控制***结构图，该结构主要包括无刷直流电动机BLDCM、三相全桥逆变器、电压电流传感器和滤波电路以及包括基于F函数的转子位置检测、换相控制、PWM控制和速度控制的数字控制部分等。

图2为无刷直流电动机主电路及等效电路图，无刷直流电动机主电路为三相全桥逆变器，它包括六个功率开关管VT1～VT6和反并联的六个功率二极管VD1～VD6。

根据无刷直流电动机的等效电路，可以得到无刷直流电动机电压方程

$\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}R& 0& 0\\ 0& R& 0\\ 0& 0& R\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]+p\left[\begin{array}{ccc}L& 0& 0\\ 0& L& 0\\ 0& 0& L\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{e}_a\\ e_b\\ e_c\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{u}_n\\ u_n\\ u_n\end{array}\right]$

式中，相对于直流母线电压地g为参考点，u_a、u_b和u_c分别为三相定子端a、b和c的电压，u_n为电动机中点n的电压；i_a、i_b和i_c分别为三相定子电流，e_a、e_b和e_c分别为三相绕组反电动势，R为定子电阻，L_s为定子相绕组自感，L_m为定子相绕组互感，L＝L_s-L_m为有效电感，p为微分算子。

可以得到三相相反电动势的表达式

$\left\{\begin{array}{c}{e}_a=u_a-{\mathrm{Ri}}_a-\mathrm{Ld}{i}_a/\mathrm{dt}-u_n\\ e_b=u_b-{\mathrm{Ri}}_b-\mathrm{Ld}{i}_b/\mathrm{dt}-u_n\\ e_c=u_c-{\mathrm{Ri}}_c-\mathrm{Ld}{i}_c/\mathrm{dt}-u_n\end{array}\right.$

线反电动势定义为相反电动势之差，则上式两两相减可得到线反电动势

$\left\{\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{ab}}=u_{\mathrm{ab}}-R(i_a-i_b)-\mathrm{Ld}(i_a-i_b)/\mathrm{dt}\\ e_{\mathrm{bc}}=u_{\mathrm{bc}}-R(i_b-i_c)-\mathrm{Ld}(i_b-i_c)/\mathrm{dt}\\ e_{\mathrm{ca}}=u_{\mathrm{ca}}-R(i_c-i_a)-\mathrm{Ld}(i_c-i_a)/\mathrm{dt}\end{array}\right.$

其中u_ab、u_bc和u_ca为三相线电压。

无论对于平顶宽度为120°梯形波相反电动势的无刷直流电机，还是对于相反电动势为任意平顶宽度梯形波的无刷直流电机以及相反电动势为正弦形波的无刷直流电机，无刷直流电机的线反电动势过零点就是电动机的换相点。

图3给出了电动机正转时任意平顶宽度的梯形波相反电动势及其得到的线反电动势波形。s₁～s₆为三相线反电动势的过零点，对应六个电动机转子换相位置。

采用电压电流传感器对定子电压u_ab和u_bc以及定子电流i_a和i_c进行检测，检测得到的信号经滤波和信号处理后送给数字控制***，A/D转换器采样电压电流值，在此基础上计算出u_ca和i_c，然后实时计算三个F函数来检测转子位置。定义的三个F函数为

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{ab}}=1/e_{\mathrm{ab}}=\frac{1}{u_{\mathrm{ab}}-R(i_a-i_b)-\mathrm{Ld}(i_a-i_b)/\mathrm{dt}}\\ F_{\mathrm{bc}}=1/e_{\mathrm{bc}}=\frac{1}{u_{\mathrm{bc}}-R(i_b-i_c)-\mathrm{Ld}(i_b-i_c)/\mathrm{dt}}\\ F_{\mathrm{ca}}=1/e_{\mathrm{ca}}=\frac{1}{u_{\mathrm{ca}}-R(i_c-i_a)-\mathrm{Ld}(i_c-i_c)/\mathrm{dt}}\end{array}\right.$

由此可以得到三个限幅后的F函数理想波形，如图4所示，本实施例正负阈值绝对值设定在10至为50之间。F函数值在大部分时间内比较小，只有在换相点时刻才发生突变，对转子位置的估算非常有利。线反电动势在零附近时，F函数值逐渐增加，当变为正阈值或负阈值的时刻，就对应于电动机电流换相点。从上述也可以看出，所得到的F函数是与PWM调制方式无关的。

换相控制模块根据三个F函数来产生换相控制信号t₁～t₆。

当电动机正转时，电动机三相之间的换相方法如下：

在一个电周期内，当电动机处在区间5运行时，通过判断F_ab跃变为正阈值的时刻(即θ＝330°)，得到电流由a相下管VT4换相到b相下管VT6；而在区间2运行时，通过判断F_ab跃变为负阈值的时刻(即θ＝150°)，得到电流由a相上管VT1换相到b相上管VT3。

当电机处在区间1运行时，通过判断F_bc跃变为正阈值的时刻(即θ＝90°)，得到电流由b相下管VT6换相到c相下管VT2；而在区间4运行时，通过判断F_bc跃变为负阈值的时刻(即θ＝270°)，得到电流由b相上管VT3换相到c相上管VT5。

当电机处在区间3运行时，通过判断F_ca跃变为正阈值的时刻(即θ＝210°)，得到电流由c相下管VT2换相到a相下管VT4；而在区间6运行时，通过判断F_ca跃变为负阈值的时刻(即θ＝30°)，得到电流由c相上管VT5换相到a相上管VT1。

当电动机反转时，电动机三相之间的换相方法如下：

在一个电周期内，当电机处在区间5运行时，通过判断F_ab跃变为负阈值的时刻(即θ＝330°)，得到电流由a相上管VT1换相到b相上管VT3；而在区间2运行时，通过判断F_ab跃变为正阈值的时刻(即θ＝150°)，得到电流由a相下管VT4换相到b相下管VT6。

当电机处在区间1运行时，通过判断F_bc跃变为负阈值的时刻(即θ＝90°)，得到电流由b相上管VT3换相到c相上管VT5；而在区间4运行时，通过判断F_bc跃变为正阈值的时刻(即θ＝270°)，得到电流由b相下管VT6换相到c相下管VT2。

当电机处在区间3运行时，通过判断F_ca跃变为负阈值的时刻(即θ＝210°)，得到电流由c相上管VT5换相到a相上管VT1；而在区间6运行时，通过判断F_ca跃变为正阈值的时刻(即θ＝30°)，得到电流由c相下管VT2换相到a相下管VT4。

根据以上换相规律，可以得到控制六个功率开关管VT1～VT6的开关信号t₁～t₆。检测电动机转子位置流程如图5所示。

同时根据F函数阈值之间的时间间隔，计算出电动机的速度n，该速度n与给定速度n*相比较，计算出速度差，经过PI控制器和PWM控制后可得到逆变器的输出电压V*，输出电压V*决定六个功率开关管VT1～VT6的导通和关断时间。

图6～8给出了本发明实施的控制效果图。对以上方法进行Matlab仿真，图6为给定转速500r/min突减为50r/min时估算的转子位置信号s_b和霍尔传感器检测的实际转子位置信号s_h。图7为给定转速500r/min突减为50r/min时的转速波形。图8为给定转速500r/min突加负载时的转速波形。可以看出采用本发明检测的转子位置与实际的转子位置一致，速度控制效果好，动态响应快，低速性能也取得了满意的效果。

采用dsPIC30F6010作为主控芯片实现图1中虚线框内的功能，即电压电流采样和转换、F函数实时计算、换相控制、速度计算、PI控制和PWM控制等。图9为无刷直流电动机控制中断程序流程图。在中断程序流程图中，dsPIC30F6010实时计算三个F函数，如果当某个F函数值达到规定的阈值(10～50或-10～-50)，则启动换相控制，实现转子电流换相，同时计算转速，用于转速闭环控制。

下面以无刷直流电动机处于ON_PWM调制方式(即前60°恒通后60°PWM调制)为例说明换相控制的具体实现。在中断程序中，首先实时计算三个F函数的分母，并判断是否为零，如果为零表示电动机已处在某个转子换相位置，否则计算三个F函数。当F_ab分别达到正阈值和负阈值时，则认为转子位置分别在150°和330°处，分别记变量hall值为3和4；当F_bc分别达到正阈值和负阈值时，则认为转子位置分别在270°和90°处，分别记变量hall值为6和1；当F_ca分别达到正阈值和负阈值时，则认为转子位置分别在30°和210°处，分别记变量hall值为5和2。则根据hall值来设置换相控制字OVDCON＝StateTab[hall]，数组StateTab[]＝{0x0000,0x2001,0x0204,0x2004,0x0810,0x0801,0x0210,0x0000}，其中hall为0和7为无效状态，从而实现在一个电周期内的六次换相控制。

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 (3)

1.一种无刷直流电动机转子换相位置检测及换相控制方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)采用电压传感器和电流传感器测量无刷直流电动机ab相间线电压u_ab和bc相间线电压u_bc以及a、b两相电流i_a、i_b，计算出ca相间线电压u_ca＝-(u_ab+u_bc），c相电流i_c＝-(i_a+i_b)；

(2)计算三相线反电动势倒数F_ab、F_bc、F_ca函数值，计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{ab}}=1/e_{\mathrm{ab}}=\frac{1}{u_{\mathrm{ab}}-R(i_a-i_b)-\mathrm{Ld}(i_a-i_b)/\mathrm{dt}}\\ F_{\mathrm{bc}}=1/e_{\mathrm{bc}}=\frac{1}{u_{\mathrm{bc}}-R(i_b-i_c)-\mathrm{Ld}(i_b-i_c)/\mathrm{dt}}\\ F_{\mathrm{ca}}=1/e_{\mathrm{ca}}=\frac{1}{u_{\mathrm{ca}}-R(i_c-i_a)-\mathrm{Ld}(i_c-i_a)/\mathrm{dt}}\end{array}\right.$

式中e_ab、e_bc和e_ca分别为三相线反电动势，R为定子绕组电阻，L＝L_s-L_m为定子有效电感，L_s为定子相绕组自感，L_m为定子相绕组互感；

(3)检测F_ab、F_bc、F_ca函数值，如其中任一个函数绝对值达到预设的阈值，即得一个线反电动势过零点，也就是一个电动机转子换相位置。

2.根据权利要求1所述的位置检测方法，其特征在于F函数的阈值可根据电动机转速范围分段调整；在零至额定转速之间，当在较低转速范围的时候设定较大的阈值；当在较高转速范围的时候设定较小的阈值。

3.基于权利要求1-2所述的换相位置检测方法的无刷直流电动机换相控制方法，其特征在于，在F函数值跳变点时刻，产生电动机电流换相控制信号。