CN104821760A - 一种直流无刷电机无位置传感器电机启动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直流无刷电机无位置传感器电机启动方法，所述电机由定子和永磁体转子组成，启动方法包括：预定位步骤；循环加速步骤、对定子施加使转子加速旋转的电压U持续T2时间并同步检测转子的位置信号；当在运行过程中检测到过零点的位置信号，立即换向，进入闭环加速过程；否则，对定子施加电压U持续T1时间并同时检测转子的位置信号，当检测到过零点的位置信号，立即换向，进入闭环加速过程，未检测到过零点的位置信号，则增大电压U并重复本步骤；以及闭环加速步骤。通过本发明所提供的方法，很好的解决了直流无刷无位置传感器电机的启动可靠性问题，且本方法不需要设计严格的启动曲线，提高了启动过程的对电机负载波动的适应能力。

Description

一种直流无刷电机无位置传感器电机启动方法
技术领域
本发明涉及电机控制领域，具体涉及一种直流无刷无位置传感器电机的启动方法。
背景技术
直流无刷电机因其节能、噪音小、结构紧凑、寿命长等特点在电机应用领域得到广泛应用。通常，直流无刷电机一般采用位置传感器来确定转子位置，但位置传感器的使用不仅提高了应用成本、增加了电机生产工艺的复杂，而且降低了***可靠性和抗干扰能力，因此，无位置传感器直流无刷电机控制方法已成为研究的一个热点。
当前，常见的直流无刷电机无位置传感器控制方式有反电势过零法、续流二极管法、反电势三次谐波法等方法。其中，反电势过零法是最简单、最成熟的无位置传感器控制方法。根据直流无刷电机的运行原理可知，当磁通量保持不变时，反电势大小与转速成正比关系。因此，在速度为零或速度很低时，反电势检测不到。在这种情况下，采用反电势法无法获取有效的转子位置，难以启动，所以，需要采用其他方式来启动电机。
为保证电机正常启动，三段式启动法是一种常见的方法。传统的三段式启动方法首先在电机静止状态下完成转子位置的定位，然后根据预先设定的加速曲线进行开环加速，最后当检测到的反电势稳定可靠后切换闭环运行。在这个过程中，转子的磁势需要在一定范围内滞后于绕组合成的磁势，以便进行加速。在电机空载的情况下滞后角度较小，启动成功率高，但在电机负载变化较大的情况下，滞后角度较大，在加速过程中容易产生失步，从而导致电机启动的失败。因此，如何提高电机启动的可靠性及启动过程对负载变化的适应能力一直是该领域的技术难题。
发明内容
针对现有三段式启动方法中存在的上述问题，本发明实现了一种“定位-二次加速”启动方法，该方法能够更加可靠的对电机进行启动，并对电机负载的变化具有较强的适应能力。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种直流无刷电机无位置传感器电机启动方法，所述电机由定子和永磁体转子组成，其特征在于，启动方法包括：
预定位步骤、对所述定子施加使所述转子定位到预定位置的电压U持续T1时间；
循环加速步骤、对所述定子施加使所述转子加速旋转的电压U持续T2时间并同步检测转子的位置信号；当在运行过程中检测到过零点的位置信号，立即换向，进入闭环加速过程；否则，对所述定子施加电压U持续T1时间并同时检测转子的位置信号，当检测到过零点的位置信号，立即换向，进入闭环加速过程，未检测到过零点的位置信号，则增大电压U并重复本步骤；
闭环加速步骤、由开环控制切换到闭环控制使所述转子进入闭环加速过程。
所述预定位步骤中的电压U大小为在负载情况下使转子转动的最小等效电压。
所述T1主要根据电机的KV值和检测电路的灵敏度确定，方法是：以T1、T2、T1、T2、T1、T2为换向间隔运行时，反电势的大小应能被检测到。
所述T2的大小为T1的1/12～1/6。
所述循环加速步骤中增大电压U的增量根据负载情况调节，一般不超过1%，调节间隔为1ms。另外电压U的最大值应保证不发生过流现象。
所述中间位置和所述预期定位位置之间的电气角度的范围是30°- 60°。
所述中间位置和所述预期定位位置之间的电气角度为30°。
所述转子位置信号的检测方法是九电阻法；同时采用比较器复用的方式，以减少比较器的差异对位置信号的影响；并且在检测过程中应避开PWM的开关干扰，选择在PWM打开或关断期间进行。
所述可靠的转子位置信号，一般是由瞬时反电势产生，因为此时平均反电势较低而瞬时反电势可能较高。
其中所述增加所施加电压的大小，应保证再启动过程中不发生过流现象和失步现象。
根据上述技术方案，首先将电机的转子定位到预期位置，然后在该预期位置通过电压T2的一次加速、电压T1的二次加速进行两次加速过程，并同时进行转子位置的检测。如果这个过程中检测不到位置信息，那么继续增加电压，重复进行循环加速和检测过程。这样一旦电机检测到稳定的过零点，电机即可进入闭环加速过程。因此，只要电机的负载是在一定范围内发生变化的，那么在电压的增大过程中肯定能够找到一个电压值，使得转子达到相应的转速，进而检测到稳定的反电势，从而切入闭环加速过程。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明启动方法控制流程图。
图2是本发明启动过程位置检测示意图；
图3启动配置及启动过程中的占空比增加流程图；
图4转子位置检测方式及换向定时器流程图；
图5总体控制过程流程图；
图6反电势过零法检测模块框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
直流无刷电机的启动过程是指电机转子由静止状态开始，经过加速阶段最终达到预定速度的运动过程。三段式启动过程一般包括预定位、加速和闭环切换三个过程，图1是本发明电机启动的流程图。具体启动过程参见图2。
转子定位的时间定义为T1。将转子定位到预定位置所需的时间取决于多种因素，包括转子初始位置与预定位置的差距、所加电压的大小等。为了便于控制，可以通过设定一时间阈值来保证转子已经定位到位置。例如当施加电压信号的时长达T1时，可以认为转子此时肯定已经转到锁定转动位置，这时可以停止施加电压，直接进入下一步骤。
从预定位置开始加速的时间定义为T2。T2开始时刻合成磁势与转子磁势的夹角为60°电角度，转子开始加速。为了能够保证转子在T2结束后，再次换向完毕时可以产生最大的力矩，T2时间内转过30度最佳。两次加速的过程为转子位置的检测提供了有利条件，虽然平均转速较低，但转子的瞬时转速在两次的加速过程中较大，因此可以检测到稳定的转子位置信号，由此切入闭环加速过程。
此外，在将转子转动到定位到转动位置之前，如果转子当前所处的位置与预期位置间相差180°左右，转子转动到预定位置需要的时间会比较长，并且由于电机结构的限制，甚至可能导致转子在这种情况下无法转动到预定转动位置(在正好为180度时，转子在理论上是无法进行转动的)，从而无法实现转子的启动。
T2时间的存在避免了上述不能定位的情况，如果T1时间内没有定位成功，T2时间内转子的位置必将改变，下一次T1时即可定位成功。
图3中（a）为启动前的首次配置过程。配置PWM占空比，配置第一次超时换向中断时间为T1，打开转子位置检测中断。（b）为在整个启动过程中在主函数中增加PWM占空比，以便提高转速。
图4中（a）为过零检测中断函数，即转子位置检测在PWM中断中进行。（b）为定时器中断服务函数。换向功能在此中断中实现。
图5为启动算法同闭环加速过程的切换流程图。
实施方式中，T1取值30ms，T2取值3ms。PWM启动占空比为8%。启动过程最大占空比为20%。工作电压为12V，电机型号为A2212，KV1400。
传统的反电势过零检测法通常需要用到三个比较器，比较器的差异会对转子的位置信号产生影响，为了避免这种影响，本实施方式采用了比较复用器的方式，如图6所示，此方式主要通过软件方式动态配置所用处理器中内置比较器的输入引脚实现，这样不仅降低了比较器不一致的影响，而且使得PCB布线也更加一致。
通过上述技术方案，不仅避免了定位失败的可能，同时通过二次加速过程，使得位置信号在“定位-二次加速”的过程中就能检测出来，从而进行闭环启动，这样避免了设计复杂的启动曲线，使转子启动过程更可靠。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅限于上述实施方式，凡是属于本发明原理的技术方案均属于本发明的保护范围。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理的前提下进行的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种直流无刷电机无位置传感器电机启动方法，所述电机由定子和永磁体转子组成，其特征在于，启动方法包括：
预定位步骤、对所述定子施加使所述转子定位到预定位置的电压U持续T1时间；
循环加速步骤、对所述定子施加使所述转子加速旋转的电压U持续T2时间并同步检测转子的位置信号；当在运行过程中检测到过零点的位置信号，立即换向，进入闭环加速过程；否则，对所述定子施加电压U持续T1时间并同时检测转子的位置信号，当检测到过零点的位置信号，立即换向，进入闭环加速过程，未检测到过零点的位置信号，则增大电压U并重复本步骤；
闭环加速步骤、由开环控制切换到闭环控制使所述转子进入闭环加速过程。
2.根据权利要求1所述的启动方法，其特征在于：所述预定位步骤中的电压U大小为在负载情况下使转子转动的最小等效电压。
3.根据权利要求1所述的启动方法，其特征在于：所述T1的确定方法是：以T1、T2、T1、T2、T1、T2为换向间隔运行时，反电势的大小应能被检测到。
4.根据权利要求1所述的启动方法，其特征在于：所述T2的大小约为T1的1/12～1/6。
5.根据权利要求1所述的启动方法，其特征在于：所述循环加速步骤中增大电压U的增量根据负载情况调节，不超过1%，调节间隔为1ms。
6.根据权利要求1所述的启动方法，其特征在于：所述转子位置信号的检测方法是九电阻法；同时采用比较器复用的方式。
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