CN113965114A - 一种无刷直流电机转子位置的初始扇区检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无刷直流电机转子位置的初始扇区检测方法，包括：相等短时间内，向电机各组两相绕组注入相同脉冲电压；获取各组两相绕组响应电流值；将获取的响应电流值导入MATLAB，利用最小二乘法线性拟合曲线，校准响应电流值，获取各组两相绕组电流变化率；通过比较各组相同两相绕组电流变化率的大小，判断电机转子位置所在初始扇区。采用上述技术方案，获取数据更加精准，偏差较小；通过电感与电流关系，确定电流变化率大小，检测电机转子位置的初始扇区，保证电机可靠平稳启动运行。

Description

一种无刷直流电机转子位置的初始扇区检测方法
技术领域
本发明属于无刷直流电机控制领域。更具体地，本发明涉及一种无刷直流电机转子位置的初始扇区检测方法。
背景技术
在无刷直流电机控制领域，无刷直流电机启动阶段，都需要预先判断转子的初始位置，转子初始位置判断的准确性会直接影响到电机的启动和加速性能。如果不能准确找到初始位置，启动过程可能出现电机位置突变、反转，直接影响启动的平顺性，甚至导致电机启动失败。
传统无刷直流电机转子位置的初始扇区检测方法有电压脉冲矢量序列定位法、高频电压注入定位法等。电压脉冲矢量序列定位法，电机转子容易转动，需要寻找合适的电压矢量幅值及持续时间以确保转子转动幅度在允许范围内，定位耗费时间长，且定位精度受影响。高频电压注入法，需在电机绕组中通入高频电压信号，此时会产生明显刺耳噪声，且经复杂的高频信号处理及锁相环调节后，定位时间长。如现有技术中申请公布号为：CN102832865A公开了一种三级式无刷交流同步电机的转子初始位置估计方法，具体采用脉振高频电压注入法获取转子初始位置估计值，采用反电势极性判断法获取转子扇区信息。
针对传统初始扇区检测方法的转子易转动，通电噪声大，定位耗费时间长等缺点，本专利提出了一种电感法，通过电感与电流关系，确定电流变化率大小，由此检测电机转子位置的初始扇区，保证电机可靠平稳启动运行。
发明内容
本发明提供一种无刷直流电机转子位置的初始扇区检测方法，其目的是通过电感确定电流变化率大小，检测电机转子位置的初始扇区，确保无刷直流电机可靠平稳启动运行，以解决传统初始扇区检测方法的转子易转动，通电噪声大，定位耗费时间长等问题。
为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：
本发明是一种无刷直流电机转子位置的初始扇区检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：相等短时间内，向电机各组两相绕组注入相同脉冲电压；
步骤2：获取各组两相绕组响应电流值；
步骤3：将获取的响应电流值导入MATLAB，利用最小二乘法线性拟合曲线，校准响应电流值，获取各组两相绕组电流变化率；
步骤4：通过比较各组相同两相绕组电流变化率的大小，判断电机转子位置所在初始扇区。
本发明的进一步改进在于：所述步骤1中电机一相绕组的电压平衡方程，具体公式如下：
Figure BDA0003357810450000021
其中，“ua”为相电压；“R”为相电阻；“ia”为相电流；“La”为相电感；“ea”为反电动势，t为时间；
电机起动瞬间没有反电动势，同时也不考虑电阻压降，可简化上述方程，具体公式如下：
Figure BDA0003357810450000022
其中，“ua”为相电压；“ia”为相电流；“La”为相电感，t为时间；
上式表明，当无刷直流电机一相绕组外施端电压ua一定时，绕组电流变化率与其电感的大小成反比，如果电感增大，电流变化率减小；电感减小，电流变化率则增大，但两者乘积不变。
本发明的进一步改进在于：所述步骤1中注入脉冲电压为方波脉冲电压。
本发明的进一步改进在于：步骤1中注入脉冲电压具体方法如下：为使初始定位时电机转轴保持不动，通过功率器件对各组两相绕组进行短时间内相同电压脉冲注入，在一相绕组注入正向脉冲，另一相绕组注入反向脉冲。
本发明的进一步改进在于：步骤2具体操作为：通过采集采样电阻Rs的电流信号，作为响应电流值，在短时间Δt内注入脉冲电压，并在Δt之间按同一步长选取10个时间点，在每个时间点下记录此时的响应电流值，依次记录下各组两相绕组脉冲注入的响应电流值。
本发明的进一步改进在于：步骤3具体操作为：将获取的响应电流值导入MATLAB，并把响应电流校准公式写入MATLAB拟合工具箱CFTOOL中的自定义函数Liner Fitting中，利用最小二乘法线性拟合曲线；
由于是短时脉冲注入，故曲线近似线性变化，其校准公式具体如下：
I*(t)＝KΔt
其中，“I*(t)”为校准后的响应电流值；“K”为校准斜率；“Δt”为脉冲电压注入时间；
上述所获取的各组校准斜率K，即为各组两相绕组电流变化率。
本发明的进一步改进在于：步骤4具体操作为：将电机转子的角度值360°空间等分成以下6个扇区：Ⅰ：0°～60°，Ⅱ：60°～120°，Ⅲ：120°～180°，Ⅳ：180°～240°，Ⅴ：240°～300°，Ⅵ：300°～360°，通过比较相同两相绕组正向电压脉冲注入和反向电压脉冲注入电流变化率的大小，区分6个扇区。
本发明的进一步改进在于：6个扇区存在的6个临界位置通过比较另外两组相同两相绕组正向电压脉冲注入和反向电压脉冲注入电流变化率的大小，确定不同情况下扇区边界所属扇区。
本发明的有益效果是：1、本发明采用MATLAB的数据拟合工具箱，使用最小二乘法拟合数据的方法，解决了传统方法数据不准确，偏差较大等问题，使得所获取数据更加精准。
2、本发明采用一种电感法，解决了传统定位方法电机易转动，通电噪声大，定位耗费时间长等问题，通过电感与电流关系，确定电流变化率大小，检测电机转子位置的初始扇区，保证电机可靠平稳启动运行。
附图说明
图1为本发明中一种无刷直流电机转子位置的初始扇区检测方法的流程图；
图2为本发明中一种无刷直流电机转子位置扇区划分的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整的描述，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
本发明是一种无刷直流电机转子位置的初始扇区检测方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：相等短时间内，向电机各组两相绕组注入相同脉冲电压，具体步骤如下：
无刷直流电机一相绕组的电压平衡方程，具体公式如下：
Figure BDA0003357810450000041
其中，“ua”为相电压；“R”为相电阻；“ia”为相电流；“La”为相电感；“ea”为反电动势，t为时间。
电机起动瞬间没有反电动势，同时也不考虑电阻压降，可简化上述方程，具体公式如下：
Figure BDA0003357810450000042
其中，“ua”为相电压；“ia”为相电流；“La”为相电感，t为时间。
上式表明，当无刷直流电机一相绕组外施端电压ua一定时，绕组电流变化率与其电感的大小成反比。如果电感增大，电流变化率减小；电感减小，电流变化率则增大，但两者乘积不变。
所述脉冲电压为方波脉冲电压，三相方波无刷直流电机采用两相通电方式，所观测到的电流变化率更加明显。
为使初始定位时电机转轴保持不动，通过功率器件对各组两相绕组进行短时间内相同电压脉冲注入，在一相绕组注入正向脉冲，另一相绕组注入反向脉冲。
步骤S2：获取各组两相绕组响应电流值，具体步骤如下：
由于所采集响应电流值很小，为了精确获取响应电流值，通常需经过放大电路放大后滤波采样，通过采集采样电阻Rs的电流信号，作为响应电流值。在短时间Δt内注入脉冲电压，并在Δt之间按同一步长选取10个时间点，在每个时间点下记录此时的响应电流值。按照所述方法，依次记录下各组两相绕组脉冲注入的响应电流值。
步骤S3：将获取的响应电流值导入MATLAB，利用最小二乘法线性拟合曲线，校准响应电流值，获取各组两相绕组电流变化率，具体步骤如下：
由于实际的放大滤波采样可能存在部分差异，使得获取的响应放大电流值存在较大的偏差，故需对响应电流值进行校准。
将获取的响应电流值导入MATLAB，并把响应电流校准公式写入MATLAB拟合工具箱CFTOOL中的自定义函数Liner Fitting中，利用最小二乘法线性拟合曲线。
由于是短时脉冲注入，故曲线近似线性变化，其校准公式具体如下：
I*(t)＝KΔt
其中，“I*(t)”为校准后的响应电流值；“K”为校准斜率；“Δt”为脉冲电压注入时间。
上述所获取的各组校准斜率K，即为各组两相绕组电流变化率。通过该方式获取数据较为精准，偏差较小
步骤S4：通过比较各组相同两相绕组电流变化率的大小，判断电机转子位置所在初始扇区，具体步骤如下：
将电机转子的角度值360°空间等分成以下6个扇区：Ⅰ：0°～60°，Ⅱ：60°～120°，Ⅲ：120°～180°，Ⅳ：180°～240°，Ⅴ：240°～300°，Ⅵ：300°～360°。
无刷直流电机一相绕组的电感有如下关系式：
La∝Na 2Λm
其中：“La *”为相电感；“Na”为电机一相绕组的有效匝数；“Λm”为电机主磁路所对应的磁导。
当Na一定时,一相绕组的电感与主磁导Λm成正比。对于等效气隙较大，气隙磁导相对较小，主要为铁心磁导的无刷直流电机，绕组电感近似与电机铁心磁导率μ成正比。
当转子N极正对一相定子齿时，在正对相绕组注入正向脉冲，任意取另外一相绕组注入反向脉冲，此时两相齿上绕组所产生的磁通与转子永磁磁通方向相同，其磁导率和绕组电感减小，电流变化率增大，则正向脉冲相齿极靴处的极性与靠近的转子磁极的极性相反，两者为异性。
当转子S极正对一相定子齿时，在正对相绕组注入正向脉冲，任意取另外一相绕组注入反向脉冲，此时两相齿上绕组所产生的磁通与转子永磁磁通方向相反，其磁导率和绕组电感增大，电流变化率减小，则正向脉冲相齿极靴处的极性与靠近的转子磁极的极性相同，两者为同性。
由此，可通过比较相同两相绕组正向电压脉冲注入和反向电压脉冲注入电流变化率的大小，区分6个扇区。此外，6个扇区存在的6个临界位置可通过比较另外两组相同两相绕组正向电压脉冲注入和反向电压脉冲注入电流变化率的大小，确定不同情况下扇区边界所属扇区。
如图2所示，以转子位置处于扇区I时为例，AC相通电的电流变化率明显大于CA相通电的电流变化率，即在A相绕组注入正向脉冲，C相绕组注入反向脉冲的电流变化率明显大于在C相绕组注入正向脉冲，A相绕组注入反向脉冲的电流变化率。
若电机为顺时针运转且转子初始位置位于扇区Ⅰ和扇区Ⅵ交界处，此时N极正对A相齿，A相绕组注入正向脉冲会在极靴处产生一个S极，B相注入反向脉冲会在其极靴处产生一个N极，因此AB相注入脉冲时所产生的磁场是顺磁方向的，而BA相注入脉冲时绕组产生的磁场是逆磁方向的。故AB相通电的电流变化率明显大于BA相通电的电流变化率，即在A相绕组注入正向脉冲，B相绕组注入反向脉冲的电流变化率明显大于在B相绕组注入正向脉冲，A相绕组注入反向脉冲的电流变化率。据此，可将此时两扇区的边界划分到扇区Ⅵ，使得电机在扇区交界处启动时，电机不会反转运行。
如表1为不同扇区的电流变化率大小关系对应表。
扇区 电流变化率大小关系
Ⅰ AC>CA
Ⅱ BC>CB
Ⅲ BA>AB
Ⅳ CA>AC
Ⅴ CB>BC
Ⅵ AB>BA
表1
如表2为不同扇区边界的电流变化率大小关系对应表。
扇区边界 电流变化率大小关系
1 AB>BA
2 AC>CA
3 BC>CB
4 BA>AB
5 CA>AC
6 CB>BC
表2
通过比较各组相同两相绕组电流变化率的大小，判断出电机转子位置所在初始扇区，保证电机可靠启动运行，证明了本发明的方法的有效性和准确性。上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种无刷直流电机转子位置的初始扇区检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：相等短时间内，向电机各组两相绕组注入相同脉冲电压；
步骤2：获取各组两相绕组响应电流值；
步骤3：将获取的响应电流值导入MATLAB，利用最小二乘法线性拟合曲线，校准响应电流值，获取各组两相绕组电流变化率；
步骤4：通过比较各组相同两相绕组电流变化率的大小，判断电机转子位置所在初始扇区。
2.根据权利要求1所述一种无刷直流电机转子位置的初始扇区检测方法，其特征在于：所述步骤1中电机一相绕组的电压平衡方程，具体公式如下：
Figure FDA0003357810440000011
其中，“ua”为相电压；“R”为相电阻；“ia”为相电流；“La”为相电感；“ea”为反电动势,t为时间；
电机起动瞬间没有反电动势，同时也不考虑电阻压降，可简化上述方程，具体公式如下：
Figure FDA0003357810440000012
其中，“ua”为相电压；“ia”为相电流；“La”为相电感，t为时间；
上式表明，当无刷直流电机一相绕组外施端电压ua一定时，绕组电流变化率与其电感的大小成反比，如果电感增大，电流变化率减小；电感减小，电流变化率则增大，但两者乘积不变。
3.根据权利要求2所述一种无刷直流电机转子位置的初始扇区检测方法，其特征在于：所述步骤1中注入脉冲电压为方波脉冲电压。
4.根据权利要求3所述一种无刷直流电机转子位置的初始扇区检测方法，其特征在于：所述步骤1中注入脉冲电压具体方法如下：为使初始定位时电机转轴保持不动，通过功率器件对各组两相绕组进行短时间内相同电压脉冲注入，在一相绕组注入正向脉冲，另一相绕组注入反向脉冲。
5.根据权利要求4所述一种无刷直流电机转子位置的初始扇区检测方法，其特征在于：步骤2具体操作为：通过采集采样电阻Rs的电流信号，作为响应电流值，在短时间Δt内注入脉冲电压，并在Δt之间按同一步长选取10个时间点，在每个时间点下记录此时的响应电流值，依次记录下各组两相绕组脉冲注入的响应电流值。
6.根据权利要求5所述一种无刷直流电机转子位置的初始扇区检测方法，其特征在于：步骤3具体操作为：将获取的响应电流值导入MATLAB，并把响应电流校准公式写入MATLAB拟合工具箱CFTOOL中的自定义函数Liner Fitting中，利用最小二乘法线性拟合曲线；
由于是短时脉冲注入，故曲线近似线性变化，其校准公式具体如下：
I*(t)＝KΔt
其中，“I*(t)”为校准后的响应电流值；“K”为校准斜率；“Δt”为脉冲电压注入时间；
上述所获取的各组校准斜率K，即为各组两相绕组电流变化率。
7.根据权利要求6所述一种无刷直流电机转子位置的初始扇区检测方法，其特征在于：步骤4具体操作为：将电机转子的角度值360°空间等分成以下6个扇区：Ⅰ：0°～60°，Ⅱ：60°～120°，Ⅲ：120°～180°，Ⅳ：180°～240°，Ⅴ：240°～300°，Ⅵ：300°～360°，通过比较相同两相绕组正向电压脉冲注入和反向电压脉冲注入电流变化率的大小，区分6个扇区。
8.根据权利要求7所述一种无刷直流电机转子位置的初始扇区检测方法，其特征在于：6个扇区存在的6个临界位置通过比较另外两组相同两相绕组正向电压脉冲注入和反向电压脉冲注入电流变化率的大小，确定不同情况下扇区边界所属扇区。
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