CN107733300B - 一种安全可靠的无传感器无刷直流电机启动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种安全可靠的无传感器无刷直流电机启动控制方法，通过分析预定位阶段的预置电流、瞬时位置的关系，得到两步预定位法所需要注入的最小电流值，预定位结束后，利用线电压差来检测过零点，通过注入合适的加速电流使电机在第一个换相区间内反电势过零点可测，进而保证顺利换相，通过这种方法可以使电机从预定位阶段直接过渡到自同步阶段。

Description

一种安全可靠的无传感器无刷直流电机启动控制方法

技术领域

本发明涉及无刷直流电机启动控制的技术领域，具体涉及一种安全可靠的无传感器无刷直流电机启动控制方法，适用于工业、航天控制领域，实现无传感器无刷直流电机的启动。

背景技术

无刷直流电机因其高功率密度、高效率、高转矩惯量比、结构紧凑等优点广泛应用于工业生产、航空航天及军事领域。传统的无刷直流电机需要位置传感器提供转子位置信息以实现准确的换相控制，然而，位置传感器的安装不但增加了设备成本，也对电机的日常维护提出了更高的要求，同时也降低了***整体的稳定性和可靠性。为了避免上述不利影响，无位置传感器电机驱动技术被广泛应用于无刷直流电机。在众多的无位置传感器驱动方法中，反电势过零点检测法因其简单易实现和高可靠性等优点应用最多。然而，由于电机在静止时没有反电动势，基于反电动势过零检测的无传感器无刷直流电机驱动方法面临着启动难的问题。不利用任何位置传感器，平稳地驱动一个无刷直流电机从静止状态到额定转速是困难的。传统方法中通常采用三步启动法，它包括强制对准、外同步、自同步三个阶段。虽然原理很简单，但是实现过程缺乏理论指导并且容易受到参数摄动的影响而失败，因此无传感器的无刷直流电机在低速范围的应用受到了这些缺点的限制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有无传感器无刷直流电机从静止启动难的问题，在详细分析启动阶段电流与力矩、可检测换相点等关系基础上，提出了一种无传感器无刷直流电机从静止状态可靠启动的控制方法，其具有以下特点：(1)针对预定位阶段有可能出现转子位于“死区”中，需要较大的预定位电流，从而导致静止时功率器件损坏的风险，分析后采用两步定位法，推导出预定位阶段保证可靠定位的最小预定位电流值。(2)通过检测线电压差提取反电势过零点，所检测的反电动势信号大小被放大了2倍，使过零点的检测更加容易，最终使得电机在转速较低时准确换相成为可能。(3)预定位结束后，通过施加一定大小的加速电流使得在第一个换相区间内反电势过零点可测，进而保证换相顺利进行，该加速电流值的下限可由分析得到。该方法直接过渡到自同步阶段，省去了降低电机性能的外同步阶段。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种安全可靠的无传感器无刷直流电机启动控制方法，其实现主要包括以下内容：

(1)分析求得预定位阶段可靠定位所需注入的最小电流值

电机定子通入电流产生电磁力，从而获得电磁力矩T_e，可以表示成如下形式：

T_e＝K_t×I_p×sin(θ₀) (14)

其中K_t是转矩系数，I_p是预定位电流，θ₀是定子通过电流产生的磁动势和转子永磁体产生的磁动势之间的夹角，θ₀∈(–π,π)。为了拖动电机，电磁转矩T_e应该大于阻尼力矩T₀，如下：

K_t×I_p×|sin(θ₀)|>T₀ (15)

其中，对特定电机而言K_t一般是恒值，故得出预定位电流I_p和相位夹角θ₀满足公式(16)时，可以正常拖动转子。

另外一些不能通过预定位电流I_p拖动的区域被称作是“死区”(θ_dead)。

如果转子初始位置位于“死区”，此时θ₀很小，即使预定位电流很大也难以克服阻尼力矩拖动电机。为了避免这个问题，采用两步预定位方法，在第一次预定位后，重新拖动转子定位于与第一次定位角度相差60°的位置。为了保证能在两步能有效拖动转子，两步预定位的“死区”之和应该小于60°，这样保证至少会有一次定位成功。

2×θ_dead≤60° (18)

此外，由公式(17)可知预定位电流I_p影响到“死区”的大小：预定位电流I_p越大，“死区”越小。然而，过大的预定位电流可能导致功率器件损坏，特别是在转子静止堵转时。结合公式(15)(18)，可以得到保证两步预定位法可靠定位转子的最小的启动电流为：

(2)检测线电压差以提取反电势过零点

无刷直流电机相电压方程是：

下标x＝a,b,c。u_x是直流端相对地电压，u_n是中性点相对地的电压，i_x是相电流，R是相电阻，L是相电感，e_x是相反电动势。

以CB相导通为例进行分析，此时C相的上管和B相的下管开通，而A相为非导通相。根据等式(20)，可以获得线电压U_ca和U_ab，并且这两个线电压的差可以被表示为：

此时，i_c＝-i_b,i_a＝0，C相和B相产生的反电动势大小相等方向相反，e_c＝-e_b，故可得到：

u_caab＝-2e_a (22)

相似地，当其他相导通时，也有以上类似结论，可以看出检测的线电压差信号是2倍的反电动势值，这样就可以使得反电势可检测范围扩展到更低转速。

(3)实现从预定位直接切换到自同步阶段

预定位完成后，给电机定子通入加速电流，转子开始加速转动，若能在第一个换相点处正确换相，就可以直接从预定位阶段直接过渡到自同步阶段，加速电流越大，检测到的换相点越接近理想的换相点，若电流很小有可能在第一个换相区间内检测不到换相点的存在，导致切换到自同步阶段失败，因此，为保证第一次换相点可被可靠检测，需要分析注入加速电流大小对换相点检测的影响并得到可以顺利切换到自同步阶段所需要的最小的加速电流。

假设预定位结束后，转子位于I处，第一个换相点为II处，两处间隔为60°，转子从I处到II处的转动方程可以表示为：

ω₁＝a₁×t₁ (23)

θ₁＝a₁×t₁ ²/2 (24)

其中α₁是转子的平均旋转加速度，ω₁是转子速度，t₁是加速时间，θ₁＝π/3(从I到II)，把式(24)带入式(23)得到转子在II位置的瞬时速度，从而得到在II位置的反电动势值：

k_e是反电动势系数，E_a是在II处的反电动势值，p表示电机极对数。根据转子的转矩平衡方程，转子加速度值可以得到：

T_L是负载力矩。把式(26)带入式(25)得到：

可以看出，当负载力矩一定时，II处的反电动势大小只和加速电流I_a有关，考虑到在过零点检测电路中有一个信号放大调理环节，为了保证检测电路可以测得此刻的相反电动势，有以下公式：

E_a×G≥U_min (28)

G是信号放大调理的放大增益，U_min是电压检测电路的最小可测电压。

采用在(2)中介绍的检测线电压差提取过零点的方法，并结合式(22)(27)(28)得到加速电流：

该电流是保证从预定位结束直接进行自同步加速的最小电流，基于检测到的换相点，理想的换相瞬间可以通过延迟过零点30°电角度来获得。

本发明的原理是：一种安全可靠的无传感器无刷直流电机启动控制方法：首先通过注入预定位电流，对转子进行强制对齐，为避免转子位于“死区”无法拖动的情况，采用两步法对转子进行可靠地定位。采用检测线电压差的方式来提取反电势过零点，该方法检测的反电动势信号幅值是真实值的2倍，从而使得在电机转速比较低的时候也可以检测到过零点。预定位结束后，通过注入合适的加速电流使电机在第一个换相区间内反电势过零点可测，进而保证顺利换相，通过这种方法可以使电机从预定位阶段直接过渡到自同步阶段。

本发明的方案与现有方案相比，主要优点在于：

(1)现有方案无法给出预定位阶段通电电流大小，调试过程仅依靠经验，并且盲目通入过大电流会有损坏器件的风险。本发明分析了预定位阶段的预置电流、瞬时位置的关系，得到了预定位阶段所需要注入的最小电流值，为预定位阶段调试提供了理论参考。

(2)现有方案通过检测相电压或者线电压提取过零点获取换相位置，低速难测。本发明采用检测线电压差来获得反电动势过零点，线电压差信号是真实反电势幅值的2倍，这使得过零点的检测更加容易，为电机在较低转速检测换相点创造了条件。

(3)现有方案在预定位结束后进入外同步加速阶段，外同步加速无法检测换相点，完全由外部信号控制，存在失步的风险。本发明通过分析加速电流与反电势大小的关系，尝试在第一个换相区间内检测换相点，该加速电流值的大小由分析可以得到其最小值，使得直接过渡到自同步阶段成为可能，省去了降低电机性能的外同步阶段。

附图说明

图1为本发明的启动过程流程图；

图2为两步预定位示意图，其中，图2(a)为预定位阶段电磁和永磁磁动势的方向关系示意图，图2(b)为预定位阶段转子无法被拖动的“死区”示意图，图2(c)为预定位阶段两步预定位过程示意图；

图3为电机加速第一个换相区间示意图，其中，图3(a)为电机第一个加速区间转子运动示意图，图3(b)为电机第一个加速区间相反电势波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，在具体实施过程中，本发明一种安全可靠的无传感器无刷直流电机启动控制方法的具体实施步骤如下：

(1)计算预定位阶段可靠定位所需注入的最小电流值并完成预定位。保证两步预定位法可靠定位转子的最小的启动电流可由以下公式计算得到

根据实际电机参数计算得到该电流值后，设定预定位位置，并经两步预定位方法完成定位操作。

(2)注入加速电流

预定位完成后，启动线电压差检测过零点程序，同时给电机定子通入加速电流，转子开始加速转动，加速电流大小由以下公式计算得到：

该电流是保证从预定位结束直接进行自同步加速的最小电流，基于检测到的换相点，理想的换相瞬间可以通过延迟过零点30°电角度来获得。

(3)实现从预定位直接切换到自同步阶段

若在电机第一个加速区间内顺利检测到过零点并完成换相，则随着电机的加速，之后的过零点更容易测得，电机顺利切入自同步运行状态，启动过程结束；否则，重复步骤(1)-(2)，直至启动完成。

本发明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (2)

1.一种安全可靠的无传感器无刷直流电机启动控制方法，其特征在于：通过分析预定位阶段的预置电流、瞬时位置的关系，得到两步预定位法所需要注入的最小电流值；预定位结束后，利用线电压差来检测过零点，并通过注入合适的加速电流使电机在第一个换相区间内反电势过零点可测，保证顺利换相，使电机从预定位阶段直接过渡到自同步阶段完成启动；

所述从预定位直接切换到自同步阶段所需的加速电流大小由以下方法得出：

预定位完成后，给电机定子通入加速电流，转子开始加速转动，若能在第一个换相点处正确换相，就可以直接从预定位阶段直接过渡到自同步阶段，加速电流越大，检测到的换相点越接近理想的换相点，若电流很小有可能在第一个换相区间内检测不到换相点的存在，导致切换到自同步阶段失败，因此，为保证第一次换相点可被可靠检测，需要分析注入加速电流大小对换相点检测的影响并得到可以顺利切换到自同步阶段所需要的最小的加速电流；

假设预定位结束后，转子位于I处，第一个换相点为II处，两处间隔为60°，转子从I处到II处的转动方程可以表示为：

ω₁＝a₁×t₁ (7)

θ₁＝a₁×t₁ ²/2 (8)

其中α₁是转子的平均旋转加速度，ω₁是转子速度，t₁是加速时间，θ₁＝π/3，把式(8)带入式(7)得到转子在II位置的瞬时速度，从而得到在II位置的反电动势值：

k_e是反电动势系数，E_a是在II处的反电动势值，p表示电机极对数，根据转子的转矩平衡方程，转子加速度值可以得到：

T_L是负载力矩，把式(10)带入式(9)得到：

可以看出，当负载力矩一定时，II处的反电动势大小只和加速电流I_a有关，考虑到在过零点检测电路中有一个信号放大调理环节，为了保证检测电路可以测得此刻的相反电动势，有以下公式：

E_a×G≥U_min (12)

G是信号放大调理环节的放大增益，U_min是电压检测电路的最小可测电压；

采用检测线电压差提取过零点的方法，并结合式(11)、(12)得到加速电流：

该电流是保证从预定位结束直接进行自同步加速的最小电流，基于检测到的换相点，理想的换相瞬间可以通过延迟过零点30°电角度来获得。

2.根据权利要求1所述的安全可靠的无传感器无刷直流电机启动控制方法，其特征在于：所述预定位阶段的最小电流值由以下分析得到：

电机定子通入电流产生电磁力，从而获得电磁力矩T_e，可以表示成如下形式：

T_e＝K_t×I_p×sin(θ₀) (1)

其中K_t是转矩系数，I_p是预定位电流，θ₀是定子通过电流产生的磁动势和转子永磁体产生的磁动势之间的夹角，θ₀∈(–π,π)，为了拖动电机，电磁转矩T_e应该大于阻尼力矩T₀，如下：

K_t×I_p×|sin(θ₀)|＞T₀ (2)

其中，对特定电机而言K_t是恒值，故得出预定位电流I_p和相位夹角θ₀满足公式(3)时，可以正常拖动转子；

另外一些不能通过预定位电流I_p拖动的区域被称作是“死区”θ_dead，

如果转子初始位置位于“死区”，此时θ₀很小，即使预定位电流很大也难以克服阻尼力矩拖动电机，为了避免这个问题，采用两步预定位方法，在第一次预定位后，重新拖动转子定位于与第一次定位角度相差60°的位置，为了保证能在两步内有效拖动转子，两步预定位的“死区”之和应该小于60°，这样保证至少会有一次定位成功；

2×θ_dead≤60° (5)

此外，由公式(4)可知预定位电流I_p影响到“死区”的大小：预定位电流I_p越大，“死区”越小；然而，过大的预定位电流可能导致功率器件损坏，特别是在转子静止堵转时，结合公式，可以得到保证两步预定位法可靠定位转子的最小的启动电流为：