CN1951001A - 无刷直流电动机的转子位置检测 - Google Patents

Abstract

一种确定无刷直流电动机的转子的角位置的方法，该无刷直流电动机具有：具有多相绕组的定子；向电动机相位提供相互切换的激励使得激励产生处于整个360°电角度范围内的不同方向的定子磁通矢量的控制电路；以及递送对于相位激励的响应的测量电路，其特征在于，通过选择导致测量的响应所示的最小感应率的主激励定子磁通矢量，和选择相对于主矢量方向在之前和之后方向上的两个其它矢量，以及通过计算对于选择的定子磁通矢量的测量响应的差值之间的比率，来估计所述位置。

Description

无刷直流电动机的转子位置检测

技术领域

本发明涉及一种用于确定无刷直流(所谓BLDC)电动机的转子位置的方法，无需使用位置传感器部件。确定的位置信息可以被用来控制电动机。

背景技术

BLDC电动机的控制器包括电子换向器，其根据转子的实际位置来确定需要激励的不同相位绕组。确定转子位置的经典方法是使用将开关从一种换向状态触发到另一种状态的位置传感器。使用这种位置传感器部件提高了价格，特别是如果在给定应用中电动机位于与控制电子设备分离。

无需使用特殊位置传感器部件的转子位置确定是基于基本上可以从机器本身的电磁特性来获得位置的事实。

或许最广泛传播的方法是反电动势方法，在该方法中基于旋转所感应的电压函数来确定转子位置(楞次定律)。该方法的缺点是，在低转速时感应电压的幅度对于确定位置而言实际太低。因此，该方法无法用于启动电动机。

典型地在停顿和低速期间，额外的激励被***以获得关于转子位置的信息。如果它们包括激励电动机的仅一个相位或者若干相位以便计算位置估计，则这些方法可以根据属性来进行一种分类。激励电动机的若干或者所有相位的方法具有无需关于电动机的磁通和/或感应率(inductivity)特性的初始信息的优点。

一般的预先假设只是定子绕组的感应率以位置的函数变化，并且它的周期是360°el(并且不是180°el)。其充分条件是相位绕组的感应率是否至少在位置范围的一部分进入特性的非线性(饱和)区。

专利说明书EP-0251785建议了一种基于激励脉冲响应中的最大测量值来决定换向的方法。两种极性并具有相同固定时间周期的激励脉冲被提供给每个相位。这里，估计位置数据选自具有180°el/p结果的离散集，其中，p表示定子相位的数量。

专利说明书EP-0536113的方法同样基于2p个测量数据。这里，通过计算来自响应值的反向离散傅立叶变换的第一谐波的相位来提供连续位置估计。计算出的位置信息被用于确定开始换向命令。在该开始换向命令后，建议通过实验预定的换向时间周期系列来控制换向的改变直至达到极限速度。达到极限速度后，使用反电动势方法来进行换向控制。

专利说明书WO-2003052919的基本概念与EP-0251785类似。但是，此处所有测试脉冲响应的最大幅度被固定到相同值，并且测量达到极限的必要时间周期。然后，根据具有最小时间周期的相位激励来选择换向。初始测量后，在此进一步建议如果不知道旋转方向，则将测量脉冲的数量减少到3，如果知道方向则减少到2。

发明内容

本发明的目的是，提供一种通过简单计算来确定转子位置的方法，使用减少的激励数量但仍然导致连续的估计，较上面的方法更加有利。

这个目的可以通过权利要求1的特征，也就是通过一种确定无刷直流电动机的转子的角位置的方法来解决，该无刷直流电动机具有：具有多相绕组的定子；控制电路，向电动机相位提供相互切换的激励，使得激励产生处于整个360°电角度范围内的不同方向的定子磁通矢量；以及测量电路，递送对于相位激励的响应。通过选择导致测量响应所示的最小感应率的主激励定子磁通矢量，并选择相对于所述主矢量方向在之前和之后方向上的两个其它矢量，以及通过计算对于所选定子磁通矢量的测量响应的差值之间的比率，来估计所述位置。

因此，本发明的方法从少量测量数据中确定反感应率(counterinductivity)特性的非线性曲线的最大值。曲线最大值的位移与转子从该位置的角位移相等，其中，转子磁极按照第一定子磁通矢量的方向排列。

因此，可以通过使用减少的激励数量但导致连续估计的简单计算来确定转子位置。

根据本发明的另一个方面，电动机至少在位置范围的一部分工作于感应率特性的非线性(饱和)区。

根据本发明的另一个方面，测量的定子相位响应与电动机绕组的实际感应率或者反感应率成比例。如果响应信号瞬变的时间周期被测量直至它达到固定最大水平，则测量的响应将例如与感应率成比例。另一方面，如果对于具有固定时间周期的激励脉冲来测量电流响应瞬变的最大值，则测量的响应将例如与实际反感应率成比例。

根据本发明的另一个方面，通过选自2p个定子磁通矢量的至少3个定子磁通矢量来激励电动机相位，所述2p个定子磁通矢量处于电角度kπ/p，k＝0，……，2p-1，其中p表示电动机的相位数量。以选择至少主矢量和处于之前和之后方向的矢量用于激励的方式，来进行激励方向的选择。

根据本发明的另一个方面，如果位置依赖电动机值与绕组的感应率成比例，则在被用于进一步计算之前它们被翻转。因此，数值与绕组的反感应率成比例的数据集总是被用于位置估计。与反感应率成比例的测量或者计算的位置依赖电动机值以{i₀，…，i_2p-1}来表示。

根据本发明的另一个方面，通过选择与{i₀，……，i_2p-1}中的最大值对应的矢量来完成主激励定子磁通矢量的选择。如果发现多于一个的相等最大值，那么它们的下标(index)的任何一个可以被选择用于主激励定子磁通矢量的下标。然后所选定子磁通矢量的测量响应的差值之间的比率被计算为分数，如果i_λ大于i_n，其分子是i_n减去i_λ，其分母是i_m减去i_n，如果i_m不等于i_λ，则分母是i_m减去i_λ，否则分母为1，其中，m表示主激励方向的下标，并且λ、n分别表示主激励方向前面和后面的方向的下标。最后，获得估计的位置为m乘以π除以p加上计算的所选定子磁通矢量的测量响应的差值之间的比率乘以π除以2p。

附图说明

基于下列各图对本发明进行介绍：

图1控制BLDC电动机的方法的方框图。

图2换向驱动器和测量电路的图。

图3具有位置估计方法的图形表示的函数位置中的相位的感应率的一个周期。

具体实施方式

图1：电动机1包括转子2和多相定子3。转子2例如可以是具有永磁体或被直流电激励的凸极型(salient pole type)，或者它例如可以是具有表面永磁体的表面型(exterior type)。电动机1被控制设备5所控制的驱动电路4驱动。

以这样一种方法来控制电动机1，即，在命令线6上到达驱动电路4的连续命令将来自外部电源UB的电流切换到那些建立磁场的定子相位，所述磁场用于提供旋转转子2的最大转矩。因此，必须与转子2的旋转同步地改变相位的激励(通过在换向命令中进行切换)，并且其定时需要转子2的位置信息。

如果转子2已经旋转大于某个速度，则可以从相位电压7的测量来获得换向命令的切换定时的信息(反电动势方法)。

如果转子2的速度低于感应电压可被用于定时换向改变的水平，则换向控制被暂停一段时间，在此期间从相位的强制激励(forcedexcitations)的响应中确定转子位置。由测量部件8来测量所述响应，并且通过反馈信号9反馈到电动机控制设备5。电动机控制设备5从系列反馈值中计算位置估计，并因此确定发送到电动机驱动电路4的适当控制命令。从停顿开始以某一频率重复该过程直到电动机1达到已经可以使用反电动势方法的速度。

图2对驱动电路4进行了更加详细的描述。图中示出了用于具有以三角形连接的定子绕组31、32、33的三相电动机的所谓半桥电路的例子，但是所述发明同样可以用于具有星形连接的电动机，以及除三相外具有不同驱动电路的电动机。在使用半桥型电动机驱动器的情况下，电动机控制设备5接通驱动电路4的上侧开关(SHI，SHZ，SH3)之一和下侧开关(SLI，SLZ，SL3)之一来激励实际需要的电动机相位。i＝k时禁止SHi和SLk的同时切换。允许的其它组合产生6个可能的定子磁通矢量，相互后移相等的60°电角度距离。换向命令总是选择适当的定子磁通矢量用于激励，以便提供旋转转子2的最大转矩。

在停顿期间并且经常在低速换向期间，需要位置测量来启动转子2，而不将其引入初始位置。在后一情况下，正常换向控制被打破，等待时间周期直到绕组被断电，并***测量过程。

通常，在确定位置的公式中，电动机1的相位数量用p来表示。测量与定子绕组的实际感应率或者反感应率成比例的电动机值，施加不同方向上的激励以便确定转子位置。在优选实施例中，通过电动机驱动器2在kπ/p(k＝0，……，2p-1)的电角度上施加短脉冲来激励电动机相位。如将在后面看到的，位置一旦被初始确定后，仅三到四个方向上的激励就足够了。

在激励脉冲处于任何选定方向的情况下，电流流经分流电阻51。在优选实施例中，建议了两种方案来提供用于电动机控制设备5的反馈信号以计算位置估计。该电阻的任一内置电压瞬变可以被放大并且随后反馈到电动机控制设备5。因此，反馈信号与激励绕组的实际反感应率成比例。电动机控制设备5在从激励脉冲开始的恒定延迟之后但在其结束之前对反馈信号进行采样。因而反馈电路52包括放大器和可能的过滤。另一个解决方案是将放大后的电压与预先选择的固定参考电压进行比较，并且比较器的输出被反馈到电动机控制设备5。随后激励脉冲被保持直到比较器的输出改变，并且测量的脉冲结果周期与感应率成比例。因而反馈电路52包括可能的放大器和过滤、比较器以及参考电压电源或输入。在测量感应率或者反感应率的这些或其它可能情况的任何一种中，测量的数值最终被转换为与电动机控制设备5内的反感应率成比例。

在定子磁通矢量的每个选择的方向上重复这种测量方法产生数值与反感应率成比例的数据集{i_k，k＝0，……，2p-1}。(将在后面讨论减少测量数量。)在每次测量后存储测量的数值，并且在完成测量序列后启动位置估计算法。

可以使用图3描述的几何运算来导出从与反感应率成比例的数据集{i_k，k＝0，……，2p-1}中确定转子位置的优选算法。非线性曲线91代表与转子位置与所选定子磁通矢量的函数中的反感应率特性成比例的示范函数。曲线91的最大值示出了转子2从所述位置的角位移，其中转子磁极按照第一定子磁通矢量的方向排列(0方向)。在测量过程中，该曲线的离散点(92，93，……，97)被测量(假设不同相位的特性对称)。

可以用下列公式给出用于确定转子角位置的算法：

A.在数据集中搜索最大值。以m表示其下标(注意下标从0到2p-1)。

B.计算数据集中的下列比率：

其中，λ＝{m-1，如果m＞0，2p-1如果m＝0，以及

n＝{m+1，如果m＜2p-1，0如果m＝2p-1

C.位置被估计为θ＝(m+r/2)π/p。

可以看到，步骤A(选择最大值)之后，使用仅三个方向上的激励的响应值来计算位置信息。如果给出了之前的位置估计，则相同三个方向上的测量值可以被用来计算新的估计直到中间一个是它们中的最大值。如果早于之前的最大值的具有π/p电角度的那一个变为新的最大值，则早于之前的最大值的额外激励2π/p应该被采用以便接收计算实际位置所需的新值。同样地，如果晚于之前的最大值的具有π/p电角度的那一个变为新的最大值，则晚于之前的最大值的额外激励2π/p应该被采用以便接收计算实际位置所需的新值。即，在位置一旦被初始确定后，仅三到四个激励脉冲就足够了，结果减少了用于测量过程的总时间周期。

Claims (8)

1.一种确定无刷直流电动机的转子角位置的方法，该无刷直流电动机具有：具有多相绕组的定子；控制电路，向电动机相位提供相互切换的激励，使得激励产生处于整个360°电角度范围内的不同方向的定子磁通矢量；以及递送相位激励的响应的测量电路，其特征在于，通过选择导致测量的响应所示的最小感应率的主激励定子磁通矢量，和选择相对于主矢量方向在之前和之后方向上的两个其它矢量，以及通过计算对于所选定子磁通矢量的测量响应的差值之间的比率，来估计所述位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电动机至少在所述位置范围的一部分工作于感应率特性的非线性(饱和)区。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量响应与电动机绕组的实际感应率或反感应率成比例。

4.根据权利要求1和3所述的方法，其特征在于，与所述感应率成比例的测量响应是激励脉冲到达定子相位直到响应信号瞬变达到固定最大水平的时间周期。

5.根据权利要求1和3所述的方法，其特征在于，与所述反感应率成比例的测量响应是定子相位对于固定时间周期的激励脉冲的电流响应瞬变的最大值。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过选自2p个定子磁通矢量的至少3个定子磁通矢量来激励所述电动机相位，所述2p个定子磁通矢量处于kπ/p电角度，k＝0，……，2p-1，其中p表示电动机的相位数量，以至少选择主矢量和处于之前和之后方向上的矢量用于激励的方式来进行所述选择。

7.根据权利要求1、3和6所述的方法，其特征在于，如果所述位置依赖电动机值与绕组的感应率成比例，则在被用于进一步计算之前它们被翻转；测量或者计算的与绕组的反感应率成比例的位置依赖电动机值以{i₀，……，i_2p-1}来表示。

8.根据权利要求1、6和7所述的方法，其特征在于，通过选择对应于{i₀，……，i_2p-1}中的最大值的矢量来完成所述主激励定子磁通矢量的选择，其中，如果发现多于一个的相等最大值，则它们的下标的任何一个可以被选择用于所述主激励定子磁通矢量的下标；对于选择的定子磁通矢量的测量响应的差值之间的比率被计算为一个分数，如果i_λ大于i_n，其分子是i_n减去i_λ，其分母是i_m减去i_n，如果i_m不等于i_λ，则分母是i_m减去i_λ，否则分母为1，其中，m表示主激励方向的下标，以及λ、n分别表示主激励方向前面和后面的方向的下标，获得估计的位置为m乘以π除以p加上计算的对于所选定子磁通矢量的测量响应的差值之间的比率乘以π除以2p。

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