CN115189597B - 无刷直流电机的运行状态检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无刷直流电机的运行状态检测方法。通过在电机启动前，向电机的驱动电路施加零矢量驱驱动信号，检测该驱动电路的相感应电流，使得一个载波周期矢量和为零，降低检测电流的畸变，提高检测到的电流的准确性。进一步地，根据相感应电流进行坐标变换，得电流分量和电流静止坐标系扇区信息，进而根据电流分量的变化状态以及电流静止坐标系扇区信息，即可得到电机的初始运行状态，避免复杂的硬件电路结构，提高获取电机初始运行状态的效率。

Description

无刷直流电机的运行状态检测方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，特别是涉及一种无刷直流电机的电机运行状态检测方法。

背景技术

永磁无刷直流电机其高效、节能的优点，其启动可分为静止启动、顺风启动、逆风启动，不同的启动方式对应不同的流程，因此，在启动前，需要检测要检测确定电机的初始运行状态。

目前技术中，通过硬件电路获取反电动势估算电机的初始运行状态的方法，该硬件电路结构复杂，导致获取效率较低。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术中获取初始运行状态效率低的问题，提供一种无刷直流电机的运行状态检测方法。

一种无刷直流电机的运行状态检测方法，包括：

在电机启动前，向所述电机的驱动电路施加零矢量驱动信号，检测所述驱动电路的相感应电流；

根据所述相感应电流和预先存储的所述驱动电路的电流偏移量，得到所述驱动电路的目标相感应电流；

将所述目标相感应电流进行坐标转换，得到所述目标相感应电流对应的电流分量和电流静止坐标系扇区信息；

根据所述电流分量和电流静止坐标系扇区信息，得到所述电机的初始运行状态。

上述实施例的方法，通过在电机启动前，向电机的驱动电路施加零矢量驱驱动信号，检测该驱动电路的相感应电流，使得一个载波周期矢量和为零，降低检测电流的畸变，提高检测到的电流的准确性。进一步地，根据相感应电流进行坐标变换，得电流分量和电流静止坐标系扇区信息，进而根据电流分量的变化状态以及电流静止坐标系扇区信息，即可得到电机的初始运行状态，避免复杂的硬件电路结构，提高获取电机初始运行状态的效率。

在其中一个实施例中，所述根据所述电流分量和电流静止坐标系扇区信息，得到所述电机的初始运行状态，包括：

根据所述电流静止坐标系扇区信息，确定目标电流分量；所述目标电流分量是与预先确定的电流静止坐标系扇区对应的电流分量；

根据所述电流静止坐标系扇区信息、目标电流分量确定所述电机的初始运行状态。

在其中一个实施例中，所述根据所述电流静止坐标系扇区信息、目标电流分量确定所述电机的初始运行状态，包括：

获取所述驱动电路的静止状态分界点电流；

若所述目标电流分量的平方和小于或等于所述静止状态分界点电流的平方，确定所述电机的为静止状态；

若所述目标电流分量的平方和大于所述静止状态分界点电流的平方，确定所述电机的为非静止状态。

在其中一个实施例中，所述非静止状态包括正转状态或反转状态，所述方法包括：

根据所述目标电流分量的变化特性，确定所述电机的正转状态、反转状态以及分别对应的初始转速。

在其中一个实施例中，所述方法还包括：

若所述电机为静止状态或正转状态，控制所述电机进入正常闭环控制***进行启动。

在其中一个实施例中，所述方法还包括：

若所述电机为反转状态，且所述初始转速小于或者等于预设最小转速，根据所述初始转速确定所述电机的轴向转速，并向所述电机施加所述最小转速，控制所述电机进入正常闭环控制***进行启动；

检测所述电机的实时转速，若所述实时转速大于预设最小转速时，转换所述轴向转速，控制所述电机进入正常闭环控制***。

在其中一个实施例中，所述方法还包括：

若所述电机为反转状态，且所述初始转速大于预设最大转速，控制所述电机定向刹车至停止转动后，进行启动。

在其中一个实施例中，所述根据所述电流静止坐标系扇区信息、目标电流分量确定所述电机的初始运行状态之前，还包括：

将所述目标电流分量进行一阶低通滤波处理，得到处理后的目标电流分量。

在其中一个实施例中，所述根据所述相感应电流和预先存储的所述驱动电路的电流偏移量，得到所述驱动电路的目标相感应电流之前，还包括：

检测所述电机静止状态时所述驱动电的相感应电流，得到所述电流偏移量。

在其中一个实施例中，所述在电机启动前，向所述电机的驱动电路施加零矢量驱动信号，检测所述驱动电路的相感应电流，包括：

向所述电机的半桥驱动电路施加零矢量驱动信号，触发单电阻采样模块获取所述相感应电流；

其中，所述零矢量驱动信号为等比零矢量信号，并通过单电阻采样脉宽调制进行偏移处理。

上述实施例的方法，至少能够实现如下技术效果：

1、施加到驱动电路上的单个载波周期的驱动信号矢量和为零，保证获取到的感应电流的连续性及准确性，进而有效的提高初始运行状态的可靠性。

2、利用转换得到的电流分量和电流静止坐标系扇区信息确定电机的初始运行状态，降低计算的复杂程度，提高获取初始运行状态的效率。

3、首先判断电机的静止状态和非静止状态，进一步根据目标电流分量的变化特性，确定电机的非静止状态的不同表现形式，有利于提高电机启动初始运行状态检测的准确性，以及电机启动方式选择的准确性。

附图说明

图1为一个实施例中无刷直流电机的运行状态检测方法的驱动电路拓扑图；

图2为一个实施例中矢量控制空间矢量图示意图；

图3为一个实施例中施加零矢量空间波形；

图4为一个实施例中无刷直流电机的运行状态检测方法的流程图图；

图5为一个实施例中无刷直流电机的正常控制***示意图；

图6为一个实施例中无刷直流电机快速启动方法的流程框图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面参照附图描述本发明一些实施例所述无刷直流电机的运行状态检测方法。

电机的启动时的状态不同，通常需要获取初始运行状态，以采取合适的方式启动电机，以提高启动成功率以及降低启动时长。本发明的方法可以用于无传感器的电机中，通过零矢量方法获取电机的感应电流，检测得到电机的初始运行状态，并根据不同的初始运行状态，确定不同的启动方案。本发明提供的方法的执行主体可以是电机、风机的控制***，也可以将电机与云服务器通信连接，通过云服务器采进行控制，具体执行主体不限制。

在一个实施例中，如图1所示的驱动电路拓扑图，该驱动电路为单电阻采样，包括采样电阻R和运算放大电路。

在一个实施例中，施加驱动电路的信号为零矢量驱动信号，如图2所示，公开了该零矢量的矢量控制空间矢量图，图3公开了施加到电机驱动电路的零矢量空间波形。

在一个实施例中，如图4所示，提供了无刷直流电机的运行状态检测方法，以该方法应用于电机控制***为例进行说明，该方法包括：

步骤S410,在电机启动前，向电机的驱动电路施加零矢量驱动信号，检测驱动电路的相感应电流。

其中，零矢量驱动信号在一个载波周期内矢量和为零，可以降低电流畸变的概率，以有效检测感应电流。

如图3所示，电机控制***施加给驱动电路的两种零矢量为1：1的关系，电机控制***根据需求可以将零矢量驱动信号进行预处理，例如脉冲宽度调制等。

其中，驱动电路的相感应电流，指的是通过单电阻采样获取的驱动电路母线感应电流，该相感应电流可以是连续的一段或者几段时序数据。

具体地，电机控制***在电机启动前，先向驱动电路发送零矢量驱动信号，触发单电阻采样得到相感应电流。

步骤S420,根据相感应电流和预先存储的驱动电路的电流偏移量，得到驱动电路的目标相感应电流。

其中，由于施加零矢量方法获取的相感应电流存在一定的偏移量，因此需要确定电机的驱动电路偏移量。该驱动电路的电流偏移量I_off，指的是电机静止状态时，驱动电路的相感应电流。该电流偏移量可以是在电机出厂或者上次使用后预先检测出来的数据，可以根据需求进行定期检测和更新。

其中，目标相感应电流指的是经过偏移调整之后的电流，可以通过步骤S410检测出来的相感应电流减去电流偏移量I_off得到。

步骤S430,将目标相感应电流进行坐标转换，得到目标相感应电流对应的电流分量和电流静止坐标系扇区信息。

其中，坐标转换，指的是将目标相感应电流从自然坐标系转化到静止坐标系，原来的目标相感应电流得到电流分量和对应的电流静止坐标扇区信息。

其中，电流分量可以二维坐标分I_α和I_β，分别表示目标相感应电流在静止坐标系中的横纵坐标，如图2所示，电机控制***可以采集一定周期的相感应电流，并获取相感应电流的变化特征，进而得到在静止坐标系中对应的电流分量的变化特征。

其中，如图2所示，电流静止坐标划分为六个扇区，每个扇区有对应的扇区号，可以用于进行电机的运行状态判断。当确定电流静止坐标系扇区信息后，即可结合电流分量的变化特征，得到电机的转动状态和转速等参数。

步骤S440,根据电流分量和电流静止坐标系扇区信息，得到电机的初始运行状态。

具体地，电机控制***可以根据电流分量得到电流分量的变化趋势，并根据电流分量对应的电流静止坐标系扇区信息，得到电机的转动方向、瞬时转速等信息，进而判断得到电机的初始运行状态。基于单电阻采样即可快速获取电机的初始运行状态，无需复杂硬件电路结构，提高了获取电机初始运行状态效率。

上述实施例的方案，通过在电机启动前，向电机的驱动电路施加零矢量驱驱动信号，检测该驱动电路的相感应电流，使得一个载波周期矢量和为零，降低检测电流的畸变，提高检测到的电流的准确性。进一步地，根据相感应电流进行坐标变换，得电流分量和电流静止坐标系扇区信息，进而根据电流分量的变化状态以及电流静止坐标系扇区信息，即可得到电机的初始运行状态，避免复杂的硬件电路结构，提高获取电机初始运行状态的效率。

在一个实施例中，步骤S440中根据电流分量和电流静止坐标系扇区信息，得到电机的初始运行状态的步骤，包括：

根据电流静止坐标系扇区信息，确定目标电流分量；根据电流静止坐标系扇区信息、目标电流分量确定电机的初始运行状态。

其中，目标电流分量，指的是与预先确定的电流静止坐标系扇区对应的电流分量。

相关技术中，单电阻采样方案的程序实现相对复杂，在一个PWM周期中需要进行两次采样。并且在有些特定时刻需要对正弦调制模式进行修改，才能重构出三相电流，因此更容易产生电流纹波。

本发明施加零矢量驱动信号后，基于在单电阻采样相电流重构技术中零矢量属于非观测区，且同时存在于六个扇区，相邻扇区重构定子相感应电流波形的相序是相反的，选择固定在某一扇区根据获取的母线感应电流重构定子相感应电流。也即，电机控制***采用固定扇区对应的目标电流分量，作为判断电机初始运行状态的依据。通过改进单电阻采样相电流重构技术，避免了需要多次采样、调制修改的复杂流程，以及电流畸变的可能性，提高判断电机初始运行状态的效率和准确性。

在一些实施例中，电机控制***也可以在检测得到驱动电路的相感应电流时，即根据确定的某一个扇区，选定该落入该扇区的相感应电流，进行偏移量调整后，转换得到目标电流分量。也可以在进行坐标转换时，即根据确定的扇区，选定像感应电流。此处对筛选的时机不做具体的限定。

在上述实施例的方法，充分利用零矢量波形特点和电流静止坐标系中相邻扇扇区的电流波形顺序相反的特性，采集预先确定的电流静止坐标系扇区对应的电流分量作为分析的依据，提高了判断电机初始运行状态的效率和准确性。

在一个实施例中，根据电流静止坐标系扇区信息、目标电流分量确定电机的初始运行状态，包括：

获取驱动电路的静止状态分界点电流；若目标电流分量的平方和小于或等于静止状态分界点电流的平方，确定电机的为静止状态；若目标电流分量的平方和大于静止状态分界点电流的平方，确定电机的为非静止状态。

其中，静止状态分界点电流，指的是预先采集的电机静止和非静止的临界状态时的电流，可以表示为I_min。电机控制***可以将采集到的目标电流分量I_αI_β与该静止状态分界点电流进行对比，以得到该电机当前的运行状态。

当

时，表明电机初始状态时的感应电流微弱，判断电机处于静止状态。当

时，电机处于非静止状态。电机控制***可以根据电机的初始状态，确定电机适合的启动方式。

例如，当电机处于静止状态时，电机控制***可以控制电机直接进正常闭环控制***启动电机。当电机处于非静止状态时，可能存在有不同的转动方向和转动速度，电机控制***需要分别根据情况进行启动。以减少启动时间，以及减少启动对电机的损耗。

在一些实施例中，电机控制***可以将目标电流分量进行一阶低通滤波处理，得到处理后的目标电流分量，再进行电机静止状态或非静止状态的判断，提高判断的准确性。

上述实施例的方法，利用相电流静止坐标电流分量I_α2+I_β2变化特性，首先通过静止状态分界点电流确定电机处于静止或非静止状态，然后再根据对应的状态执行控制操作，提高电机状态识别的准确程度，进而提高电机启动的效率。

在一个实施例中，非静止状态包括正转状态或反转状态。电机控制***可以根据目标电流分量的变化特性，确定电机的正转状态、反转状态以及分别对应的初始转速。其中，目标电流分量的变化特性，包括目标电流分量的大小、变化趋势和对应的电流静止坐标系扇区信息，电机控制***可以根据目标电流分量的这些变化特性，判断电机的正转状态、反转状态和初始转速，进而结合不同的状态，确定对应的电机启动方式。

在一些实施例中，电机控制***可以将将目标电流分量进行一阶低通滤波处理，得到处理后的目标电流分量，再进行电机运行状态的判断，能够捕捉到目标电流分量的细节性变化趋势，进而提高在低速或弱反电动势检测电机启动初始运行状态的准确性。

上述实施例，在判断电机的静止状态和非静止状态的基础上，根据目标电流分量的变化特性，进一步确定电机的非静止状态的不同表现形式，有利于提高电机启动初始运行状态检测的准确性，以及电机启动方式选择的准确性。

在一个实施例中，若电机为静止状态或者正转状态，整体状态和运动惯性与即将启动的转动方向相同，电机控制***可以控制电机进入正常闭环控制***进行启动。正常闭环控制***可以是电机的预先设置的对应的启动模式，控制***外环(速度环或功率环)、电流内环、无位置观测器在电机启动时开启。正常闭环控制***电机启动前需要部分参数初始化，电机的直轴(d轴)和交轴(q轴)的电流I_d和I_q需要满足一定条件根据

结合I_d＝0控制方法，预设定q轴I_q初始值I'_q≤I_max，I_max指的是电机的预设最大电流。通过无位置传感器转子估算算法开始运行可短周期内估算瞬时转速ω，利用限定条件：当ω＜ω_min时ω＝ω_min，ω_min根据负载特性测试设定反转状态时的值。电流内环迅速产生正向转矩快速启动电机。正常闭环控制***启动方式，具有一定的抗逆风启动能力，确保在运行状态检测出错时正常启动，降低控制控制的复杂程度。判断出运行状态之后确定使用正常闭环控制***启动，针对静止运动状态和正转状态采用常闭环控制***启动，进一步提高了启动效率，使得电机启动平滑地快速运行至预设定功率或目标转速。

在一个实施例中，若电机为反转状态，且初始转速小于或者等于预设最小转速，根据初始转速确定电机的轴向转速，并向电机施加最小转速，控制电机进入正常闭环控制***进行启动。

其中，电机控制***在确定电机处于反转状态时，会得到电机的反转转速ω，电机控制***可以根据ω大小预设定I_q初始值，根据负载特性测试设定反转状态时ω_min值，切换正常控制***电流内环迅速产生正向转矩，迫使电机快速降速平滑地至正转而快速启动电机升速运行至预设定功率或目标转速。当反转速度较大时启动时母线电压会出现泵升现象，利用母线电压变化实时调节矢量电压值解决电机快速产生反向的转矩时迫使直流母线电压不会明显提高超过直流母线电压保护值。

在一些实施例中，反转状态下启动时，电机控制***可以监测电机的实时转速，若实时转速大于预设最小转速时，转换轴向转速，控制电机进入正常闭环控制***。

在一些实施例中，当预设定I_q初始值较大时，启动电流较大，需要在ω＞ω_min”

时强制转换I_q值，避免电机转速出现过大超调量；而当ω＞ω_max时不使用闭环控制***启动电机，而采用定向刹车技术迫使电机停机启动电机。

上述实施例的方案，在电机反转状态启动流程时，结合启动前初始转速设置启动相关初始值、正常控制***快速启动运行升速至预设设定目标功率，解决电机反转状态启动时间长、启动速度慢的问题，提高电机启动的效率，同时，利用母线电压变化实时调节矢量电压值解决电机快速产生反向的转矩时迫使直流母线电压不会明显提高超过直流母线电压保护值。

在一个实施例中，施加零矢量方法获取的相感应电流存在一定的偏移量，在根据相感应电流和预先存储的驱动电路的电流偏移量，得到驱动电路的目标相感应电流之前，电机控制***可以检测电机静止状态时驱动电路的相感应电流，得到电流偏移量I_off。当电机控制***得到相感应电流I之后，可以根据I-I_off有效准确地检测出感应电流。

在一个实施例中，电机控制***可以向电机的半桥驱动电路施加零矢量驱动信号，触发单电阻采样模块获取相感应电流。

其中，零矢量驱动信号为等比零矢量信号，并通过单电阻采样脉宽调制进行偏移处理，其空间波形如图3所示。

在一个实施例中，如图6所示，提供了一种无刷直流电机的运行状态检测方法，包括如下步骤：

电机控制***向驱动电路施加等比零矢量方法，通过单电阻采样方法获取电机的感应电流，换算得到电流静止坐标值；

通过低通滤波器将该电流静止坐标值转换为静止坐标系电流分量；

若静止坐标系电流分量平方和小于或等于预定值，判断电机初始运行状态为静止状态，正常闭环控制***启动电机。

若静止坐标系电流分量平方和大于预定值，根据静止坐标系电流分量扇区变化及特定区域内变化特定，判断电机处于正转状态或反转状态。

如电机处于正转状态，正常闭环控制***启动电机；如电机处于反转状态，修改相关参数预设值，进闭环控制***启动电机。

上述实施例，施加到驱动电路上的单个载波周期的驱动信号矢量和为零，保证获取到的感应电流的连续性及准确性，进而有效的提高初始运行状态的可靠性。利用转换得到的电流分量和电流静止坐标系扇区信息确定电机的初始运行状态，降低计算的复杂程度，提高获取初始运行状态的效率。首先判断电机的静止状态和非静止状态，进一步根据目标电流分量的变化特性，确定电机的非静止状态的不同表现形式，有利于提高电机启动初始运行状态检测的准确性，以及电机启动方式选择的准确性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种无刷直流电机的运行状态检测方法，其特征在于，包括：

在电机启动前，向所述电机的驱动电路施加零矢量驱动信号，检测所述驱动电路的相感应电流；

根据所述相感应电流和预先存储的所述驱动电路的电流偏移量，得到所述驱动电路的目标相感应电流；

将所述目标相感应电流进行坐标转换，得到所述目标相感应电流对应的电流分量和电流静止坐标系扇区信息；

根据所述电流静止坐标系扇区信息，确定目标电流分量；所述目标电流分量是与预先确定的电流静止坐标系扇区对应的电流分量；

获取所述驱动电路的静止状态分界点电流；

若所述目标电流分量的平方和小于或等于所述静止状态分界点电流的平方，确定所述电机的为静止状态；若所述目标电流分量的平方和大于所述静止状态分界点电流的平方，确定所述电机的为非静止状态。

2.根据权利要求1所述的无刷直流电机的运行状态检测方法，其特征在于，所述非静止状态包括正转状态或反转状态，所述方法包括：

根据所述目标电流分量的变化特性，确定所述电机的正转状态、反转状态以及分别对应的初始转速。

3.根据权利要求2所述的无刷直流电机的运行状态检测方法，其特征在于，所述方法还包括：

若所述电机为静止状态或正转状态，控制所述电机进入正常闭环控制***进行启动。

4.根据权利要求2所述的无刷直流电机的运行状态检测方法，其特征在于，所述方法还包括：

若所述电机为反转状态，且所述初始转速小于或者等于预设最小转速，根据所述初始转速确定所述电机的轴向转速，并向所述电机施加所述最小转速，控制所述电机进入正常闭环控制***进行启动；

检测所述电机的实时转速，若所述实时转速大于预设最小转速时，转换所述轴向转速，控制所述电机进入正常闭环控制***。

5.根据权利要求2所述的无刷直流电机的运行状态检测方法，其特征在于，所述方法还包括：

若所述电机为反转状态，且所述初始转速大于预设最大转速，控制所述电机定向刹车至停止转动后，进行启动。

6.根据权利要求1至5任一项所述的无刷直流电机的运行状态检测方法，其特征在于，所述获取所述驱动电路的静止状态分界点电流之前，还包括：

将所述目标电流分量进行一阶低通滤波处理，得到处理后的目标电流分量。

7.根据权利要求1至5任一项所述的无刷直流电机的运行状态检测方法，其特征在于，所述根据所述相感应电流和预先存储的所述驱动电路的电流偏移量，得到所述驱动电路的目标相感应电流之前，还包括：

检测所述电机静止状态时所述驱动电路的相感应电流，得到所述电流偏移量。

8.根据权利要求1至5任一项所述的无刷直流电机的运行状态检测方法，其特征在于，所述在电机启动前，向所述电机的驱动电路施加零矢量驱动信号，检测所述驱动电路的相感应电流，包括：

向所述电机的半桥驱动电路施加零矢量驱动信号，触发单电阻采样模块获取所述相感应电流；

其中，所述零矢量驱动信号为等比零矢量信号，并通过单电阻采样脉宽调制进行偏移处理。

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