CN109861595A - 一种高电转速无刷直流电机无位置传感器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高电转速无刷直流电机无位置传感器控制方法，包括电机的启动和运行，所述电机的运行启动分别是：电机定位、电机启动、低速运行、高速运行；电机运转过程中，电机定位及启动流程运行一次，根据速度设定反复运行低速及高速流程。本发明整体控制方法简单，节省耗能，极大提高了电机的工作效率，值得推广。

Description

一种高电转速无刷直流电机无位置传感器控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，具体为一种高电转速无刷直流电机无位置传感器控制方法。

背景技术

随着半导体技术及电机控制技术的发展，直流无刷电机因其高效率，大扭矩及长寿命等优点，使其的应用领域越来越广。同时无刷直流电机因必须有永磁转子位置信号才能正确换向而可靠运行，因此对转子位置的正确检测提出了较高的要求。无位置传感器控制技术应用可以避免安装传感器的诸多问题，也能应用在某些不适合安装位置传感器的电机应用上。

目前，无刷直流电机的无传感器控制方式的应用也越来越广泛。而其中应用最多的是反电动势控制方式，即通过检测旋转中不通电相的反电势来检测电机转子的位置；最常用的方式1是检测不通电相反电势的过零点再延时30度的换向方式。由于电机调速一般采用PWM脉宽调速，因此必须要过滤掉PWM信号的干扰信号，采用在PWM开通时控制MCU或DSP芯片的A/D口采样不通电相的电压值来和1/2的直流电压做比较，检测出不通电相的过零点。但在电机高转速情况下，当每个切换周期(60度电角度)小于PWM周期的8倍时，就会因采样的精度太低而导致位置检测的误差太大而失相，例当电机电转速达到20000转时，每个换向时间为500us,则PWM的载波频率必须要大于16K(载波周期62.5us)才能保证电机换向的精度，如专利号是CN105680740A《一种高转速无刷直流电机无位置传感器控制方法》描述的，采用此方法的电机最高电转速只能达到2万转/分钟。当需要电机转速更高时，则必须将pwm载波频率再提高，高的pwm载波会带来功率管的更高的开关损耗，增加了功率管的失效率，同时一些高电压场合因IGBT管最高开关频率的限制，使得这种方式不能应用在更高转速的电机上；同时A/D采样中断处理必须在一个pwm周期内完成，这需要高处理速度的DSP及MCU，增加了控制成本。另一种控制方式2是通过RC低通滤波将PWM载波信号滤掉和电机中心点比较来检测出不通电相的过零点。但这种方法在电机低速的时候存在低通滤波后反电势幅值过低，微小的参数差异就可能造成失相，存在在低速情况下(特别是在高负载)不能很好的启动电机，同时低通滤波器会带来相移，需要计算出滤波后的移相角度进行补偿，需要高端的MCU或DSP处理才能获得较好效果。针对以上所述，那么如何发明出一种高电转速无刷直流电机无位置传感器控制方法，这成为我们需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高电转速无刷直流电机无位置传感器控制方法，解决了背景技术中所提出的问题。

为解决上述问题，本发明提供如下技术方案：一种高电转速无刷直流电机无位置传感器控制方法，包括电机的启动和运行，所述电机的运行启动分别是：电机定位、电机启动、低速运行、高速运行；电机运转过程中，电机定位及启动流程运行一次，根据速度设定反复运行低速及高速流程。

还包括，无刷电机转子在360度的电角度分为6个状态，分别是001,101,100,110,010,011，对应的6种驱动状态是AH、BL；AH、CL；BH、CL；BH、AL；CH、AL；CH、BL，当确定电机转子处于6种状态的某种状态时，输出相应的信号控制3相桥式功率管，使电机转动，预知电机的下个状态即相应的开关功率管的顺序。

所述电机定位：当电机停止时，通过反复给其中的2相一个的电压，使电机转到一个固定的位置，电机施加的电压大小可通过PWM的宽度来控制相电流，施加时间根据电机的参数和负载特性来确定；所述电机定位：可以通过6脉冲检测电流的方式来确定电机转子的初始位置，采样固定相通电定位方式。

所述电机启动：当确定电机转子位置后就可以开通对于的桥臂的功率管，是电机按需要的方向旋转，可以通过逐步增加PWM脉宽，顺序给6种驱动状态给电，同时逐渐减少每个状态的给电时间，让电机按照顺序强制启动起来，此过程中，监测不通电相的反电动势，软件可以预设一个强制启动的换向次数，当次数达到了设定的门槛后切换到反电动势控制模式。

所述电机低速运行：采样中心对齐PWM模式，在每个pwm周期匹配时触发不通电相的A/D采样中断，在A/D中断中读取此是的电压值，同时软件根据前个换向时间(60度电角度)，在前15度的数据不作保留，去除电机换向后的续流影响(即干扰时间)；当读出的A/D采样数据大于1/2直流母线电压时(上升通道)或小于1/2直流母线电压时(下降通道)，则置位中心点有效，计算切换点到此点的时间放入切换定时器，关闭A/D中断，此时到切换点的时间可以进行主程序的运行；等待定时器中断，当进入定时器中断时，说明电机已经转满60度，在定时器中断中进行相位切换，读取下个电机转子状态，并根据转子状态确定下个切换的控制状态，同时根据定时器整个切换的长度，算出实时的电机速度，判断速度是否已经进入高速模式控制，如果是则开启硬件触发霍尔模式状态，关闭A/D采样中断，进入电机高速运行模式；如果速度低于阀值1，则继续开启PWM触发应该检测相的A/D中断。

所述电机高速运行：此时应用到霍尔中断模式状态，如果MCU没带此功能，则应用端口中断模式；3个相电压通过低通滤波信号产生三个接近90度相移的正弦信号和模拟中心点比较，产生相位滞后90度的6个电机转子状态，同时记录切换后到中断点的时间，此时间就是30度的时间，将此时间放入切换定时器；当进入定时器中断时，说明电机已经转满60度，在定时器中断中进行相位切换，读取下个电机转子状态，并根据转子状态确定下个切换的控制状态，同时根据定时器整个切换的长度，算出实时的电机速度，判断速度是否还在高速模式，如果是则继续执行高速运行模式，如果低于阀值2，则关闭霍尔中断模式，触发A/D采样中断，进入电机低速运行模式，速度阀值2应低于速度阀值1。

还包括，3个中断程序，电机的切换过程都是放在定时器中断中处理，而PWM周期匹配触发A/D采样中断及霍尔中断处理程序分别在低速运行和高速运行模式中运行，3个中断优先等级设为相同。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明启动和低速时利用PWM周期中断的方式采样不通电相的反电动势，通过数字方式避免PWM信号的干扰而正确获得反电动势的过零点(1/2母线电压)并延时30度电角度换向；当转速提高后，反电动势的有效幅值也提高了，此时通过RC低通滤波滤除PWM干扰信号，获得一个接近90度移相并衰减的反电动势波形，通过硬件比较器和模拟的电机中心点比较后得到移相后的过零点，并延时30度电角度换向。

附图说明

图1为本发明整体主程序框图；

图2为本发明电机启动子程序图；

图3为本发明电机停机子程序图；

图4为本发明定时器中断子程序图；

图5为本发明A/D中断子程序图；

图6为本发明霍尔中断子程序图；

图7为本发明电路原理结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-7，本实用发明提供一种技术方案：一种高电转速无刷直流电机无位置传感器控制方法，包括电机的启动和运行，所述电机的运行启动分别是：电机定位、电机启动、低速运行、高速运行；电机运转过程中，电机定位及启动流程运行一次，根据速度设定反复运行低速及高速流程。

还包括，无刷电机转子在360度的电角度分为6个状态，分别是001,101,100,110,010,011，对应的6种驱动状态是AH、BL；AH、CL；BH、CL；BH、AL；CH、AL；CH、BL，当确定电机转子处于6种状态的某种状态时，输出相应的信号控制3相桥式功率管，使电机转动，预知电机的下个状态即相应的开关功率管的顺序。

所述电机定位：当电机停止时，通过反复给其中的2相一个的电压，使电机转到一个固定的位置，电机施加的电压大小可通过PWM的宽度来控制相电流，施加时间根据电机的参数和负载特性来确定；所述电机定位：可以通过6脉冲检测电流的方式来确定电机转子的初始位置，采样固定相通电定位方式。

所述电机启动：当确定电机转子位置后就可以开通对于的桥臂的功率管，是电机按需要的方向旋转，可以通过逐步增加PWM脉宽，顺序给6种驱动状态给电，同时逐渐减少每个状态的给电时间，让电机按照顺序强制启动起来，此过程中，监测不通电相的反电动势，软件可以预设一个强制启动的换向次数，当次数达到了设定的门槛后切换到反电动势控制模式。

所述电机低速运行：采样中心对齐PWM模式，在每个pwm周期匹配时触发不通电相的A/D采样中断，在A/D中断中读取此是的电压值，同时软件根据前个换向时间(60度电角度)，在前15度的数据不作保留，去除电机换向后的续流影响(即干扰时间)；当读出的A/D采样数据大于1/2直流母线电压时(上升通道)或小于1/2直流母线电压时(下降通道)，则置位中心点有效，计算切换点到此点的时间放入切换定时器，关闭A/D中断，此时到切换点的时间可以进行主程序的运行；等待定时器中断，当进入定时器中断时，说明电机已经转满60度，在定时器中断中进行相位切换，读取下个电机转子状态，并根据转子状态确定下个切换的控制状态，同时根据定时器整个切换的长度，算出实时的电机速度，判断速度是否已经进入高速模式控制，如果是则开启硬件触发霍尔模式状态，关闭A/D采样中断，进入电机高速运行模式；如果速度低于阀值1，则继续开启PWM触发应该检测相的A/D中断。

所述电机高速运行：此时应用到霍尔中断模式状态，如果MCU没带此功能，则应用端口中断模式；3个相电压通过低通滤波信号产生三个接近90度相移的正弦信号和模拟中心点比较，产生相位滞后90度的6个电机转子状态，同时记录切换后到中断点的时间，此时间就是30度的时间，将此时间放入切换定时器；当进入定时器中断时，说明电机已经转满60度，在定时器中断中进行相位切换，读取下个电机转子状态，并根据转子状态确定下个切换的控制状态，同时根据定时器整个切换的长度，算出实时的电机速度，判断速度是否还在高速模式，如果是则继续执行高速运行模式，如果低于阀值2，则关闭霍尔中断模式，触发A/D采样中断，进入电机低速运行模式，速度阀值2应低于速度阀值1。

还包括，3个中断程序，电机的切换过程都是放在定时器中断中处理，而PWM周期匹配触发A/D采样中断及霍尔中断处理程序分别在低速运行和高速运行模式中运行，3个中断优先等级设为相同。

主要电路说明：

图中电机3根相线U、V、W分别通过分压电阻R64、R38，R65、R39，R66、R40分压后输入到MCU的A/D口AN0、AN1、AN2；小容值电容C1、C2、C3吸收开关瞬间干扰作用；直流母线电压通过相同阻值的分压电阻R67、R42输入到MCU的A/D采样口AN7。组成启动和低速运行时检测不通电相的过零点；同时U、V、W通过R68、R51、C36；R69、R52、C37；R70、R53、C38组成的RC低通滤波分别输入比较器U8的负极性输入端，3个滤波后的信号通过电阻R21、R22、R23得到滤波后的模拟中心点，分别接入U8的正极性输入端，3个比较器的输出接入MCU的霍尔口输入端P1.5、P1.6、P1.7。组成电机高速运行时检测不通电相的过零点电路，当3个霍尔输入脚有电平变化时，就是某个不通电相的过零产生时刻。

综上述，本发明在低速时通过PWM周期中断触发A/D来检测不通电相的电压和1/2母线电压比较确定过零点，延时30度换向；当反电势达到一定值后切换到通过硬件比较器获得的过零点，再延时30度获得换向点。这样的优点是启动及低速运行时能够通过PWM周期中断检测到正确的不通电相的反电动势电压，从而能够正确的换向，保证电机的启动性能和低速运行平稳性，在高速时通过低通RC滤波将PWM载波信号滤除掉，得到一个移相接近90度的过零信号，再延时30度换向，可以避免因PWM周期相对于换向周期太长而导致对不通电相反电动势采样精度差而造成换向失败。解决了高电转速无刷直流电机无传感器控制整个速度调节范围的运转，高低速之间的无缝切换。本发明在低速和高速都采用检测无刷电机不通电相过零点后延时30度切换的控制方式，使得软件的开销变得简单，对MCU的性能要求降低，使得低成本的电机控制MCU应用成为可能。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种高电转速无刷直流电机无位置传感器控制方法，包括电机的启动和运行，其特征在于：所述电机的运行启动分别是：电机定位、电机启动、低速运行、高速运行；电机运转过程中，电机定位及启动流程运行一次，根据速度设定反复运行低速及高速流程。

2.根据权利要求1所述的一种高电转速无刷直流电机无位置传感器控制方法，其特征在于：还包括，无刷电机转子在360度的电角度分为6个状态，分别是001,101,100,110,010,011，对应的6种驱动状态是AH、BL；AH、CL；BH、CL；BH、AL；CH、AL；CH、BL，当确定电机转子处于6种状态的某种状态时，输出相应的信号控制3相桥式功率管，使电机转动，预知电机的下个状态即相应的开关功率管的顺序。

3.根据权利要求1所述的一种高电转速无刷直流电机无位置传感器控制方法，其特征在于：所述电机定位：当电机停止时，通过反复给其中的2相一个的电压，使电机转到一个固定的位置，电机施加的电压大小可通过PWM的宽度来控制相电流，施加时间根据电机的参数和负载特性来确定；所述电机定位：可以通过6脉冲检测电流的方式来确定电机转子的初始位置，采样固定相通电定位方式。

4.根据权利要求1所述的一种高电转速无刷直流电机无位置传感器控制方法，其特征在于：所述电机启动：当确定电机转子位置后就可以开通对于的桥臂的功率管，是电机按需要的方向旋转，可以通过逐步增加PWM脉宽，顺序给6种驱动状态给电，同时逐渐减少每个状态的给电时间，让电机按照顺序强制启动起来，此过程中，监测不通电相的反电动势，软件可以预设一个强制启动的换向次数，当次数达到了设定的门槛后切换到反电动势控制模式。

5.根据权利要求1所述的一种高电转速无刷直流电机无位置传感器控制方法，其特征在于：所述电机低速运行：采样中心对齐PWM模式，在每个pwm周期匹配时触发不通电相的A/D采样中断，在A/D中断中读取此是的电压值，同时软件根据前个换向时间(60度电角度)，在前15度的数据不作保留，去除电机换向后的续流影响(即干扰时间)；当读出的A/D采样数据大于1/2直流母线电压时(上升通道)或小于1/2直流母线电压时(下降通道)，则置位中心点有效，计算切换点到此点的时间放入切换定时器，关闭A/D中断，此时到切换点的时间可以进行主程序的运行；等待定时器中断，当进入定时器中断时，说明电机已经转满60度，在定时器中断中进行相位切换，读取下个电机转子状态，并根据转子状态确定下个切换的控制状态，同时根据定时器整个切换的长度，算出实时的电机速度，判断速度是否已经进入高速模式控制，如果是则开启硬件触发霍尔模式状态，关闭A/D采样中断，进入电机高速运行模式；如果速度低于阀值1，则继续开启PWM触发应该检测相的A/D中断。

6.根据权利要求1所述的一种高电转速无刷直流电机无位置传感器控制方法，其特征在于：所述电机高速运行：此时应用到霍尔中断模式状态，如果MCU没带此功能，则应用端口中断模式；3个相电压通过低通滤波信号产生三个接近90度相移的正弦信号和模拟中心点比较，产生相位滞后90度的6个电机转子状态，同时记录切换后到中断点的时间，此时间就是30度的时间，将此时间放入切换定时器；当进入定时器中断时，说明电机已经转满60度，在定时器中断中进行相位切换，读取下个电机转子状态，并根据转子状态确定下个切换的控制状态，同时根据定时器整个切换的长度，算出实时的电机速度，判断速度是否还在高速模式，如果是则继续执行高速运行模式，如果低于阀值2，则关闭霍尔中断模式，触发A/D采样中断，进入电机低速运行模式，速度阀值2应低于速度阀值1。

7.根据权利要求1所述的一种高电转速无刷直流电机无位置传感器控制方法，其特征在于：还包括，3个中断程序，电机的切换过程都是放在定时器中断中处理，而PWM周期匹配触发A/D采样中断及霍尔中断处理程序分别在低速运行和高速运行模式中运行，3个中断优先等级设为相同。