一种无位置传感器的单相直流无刷电机的启动方法与流程

本发明涉及无位置传感器的单相直流无刷电机，尤其涉及一种无位置传感器的单相直流无刷电机的启动方法。

背景技术：

单相无刷直流电动机是一种无电刷和换向器的直流电动机，采用励磁磁场驱动转子，通过电子方式进行直流电的换向。换向时间由转子位置决定，而位置传感器是确定转子位置的主要部件。由于有位置传感器存在，电机工作受制于位置传感器，位置传感器安装位置会影响电机运行参数，如电流、速度、输出功率、效率等，同时若安装位置偏差较大，则会导致电机无法启动、高频振动情况，甚至出现损毁电机或控制系统。采用无位置传感器技术则不存在上述问题，同时无位置传感器能简化电机制造、生产制程，并且增大了电机应用范围等。但是现有技术尚不能解决无位置传感器的单向直流无刷电机的启动问题。本申请对此作出改进。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种无位置传感器的单相直流无刷电机的启动方法，解决无位置传感器的单向直流无刷电机的启动，避免由于安装位置传感器带来的弊端。

一种无位置传感器的单相直流无刷电机的启动方法，其特征在于包括以下步骤：

预定位：给电机绕组通一固定方向电流，迫使电机转子转到预定位置；

拖动：根据当前位置给出通电序列，产生驱动信号，让转子强制换相，使转子转动，达到预定速度；

自同步：当转子由拖动达到预定转速后，检测反电动势，将电机切换到自 控阶段，实现根据转子位置同步换相。

在本发明的启动方法中，预定位的通电电压为占空比40至60％。

在本发明的启动方法中，通过位置检测电路检测电机绕组在运行过程中产生的反电动势。

在本发明的启动方法中，A_Phase和B_Phase分别接在是电机绕组的A、B两个接线端，当电机绕组励磁时，A、B两端电压为励磁电压，当电机绕组停止励磁，从A、B端检测反电动势。

在本发明的启动方法中，反电动势电压经过A_Phase和B_Phase连接到两组减法器，将反电动势信号相减。

本启动方法无需安装位置传感器，避免当置传感器安装位置影响电机运行参数，如电流、速度、输出功率、效率等，更避免若安装位置偏差较大，导致电机无法启动、高频振动情况。

附图说明

图1为本发明的无位置传感器单相无刷直流电机结构；

图2为本发明的启动方法的系统结构图；

图3为本发明的BEMF采样电路图；

图4为本发明的BEMF采样波形图。

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。

无位置传感器单相无刷直流电机的结构如图1所示，其具有两对磁极，分别为1N、1S、2N、2S，对应绕组为A、B、C、D四个定子绕组，电机内部无需安装位置传感器。本发明的系统结构如图2所示，U1为MCU是系统总的控制单元，内部包含ADC采样、DAC转换器、内置比较器、存储器、运算单元等；U2为驱动单元，为MOS管提供驱动信号；U3为BEMF反电动势采样，完 成反电动势采样及换相信号输出；C1为母线电容，用于电能转换存储、释放、吸收回馈电能；Q1～Q4为MOS管，组成H桥，完成电机换流工作；D1～D4为续流二极管，为电机换流过程中电机绕组电流泄放通路；I_SENSOR为电流传感器，用于采样电机电流。

电机运行时，电流的方向是在不停的切换的，表1描述Q1～Q4的开关状态与电流方向的对应关系。

表1

电机启动时，转速很低的情况下，施加在绕组两端的电压在没有反电动势的情况下会产生很大电流，如果这个电流不做限制会造成控制器损坏或电机过热烧毁，本发明通过电流传感器将电流采样后送到MCU的内置比较器，通过MCU设置电流阀值，当电机电流超过阀值，MCU会控制驱动电路将Q1～Q4关闭，断开励磁电压，当绕组电流下降至安全范围，MCU会重新开启励磁。

电机在静止状态下，由于没有位置传感器，无法知道电机转子当前位置，故无法给出正确的电机电流方向，在这种情况下，就需要对转子进行预先定位控制。预定位的做法是，首先给出MOS管驱动信号使电机电流方向为预定电流方向，使得转子被迫转到预定的位置，本发明设置预定位电流方向为A->B，所以是Q1和Q4打开。但是预定位时间不能太长，因为定位时电机转子转动幅度不大，转子获得的机械能不多，在定位后转子是保持在固定位置不动，电机绕组中的电流全部用来发热，所以太长时间的定位会导致电机发热或控制板发热，严重时会造成电机或控制器损坏。预定位时间亦不能太短，太短时间转子获得的动能不够支持转子转到预定位置，则因为齿槽转矩的反向作用力导致电 机转子又重新回到之前位置，导致定位失败。预定位时间需要经实际测量而定。转子定位成功后，由于是预先设定的位置，故当前转子位置可知。那么就可以按照当前转子位置给电机驱动电流，电机也会因此获得驱动力。

电机要输出较大转矩，需要同步励磁电机，但是定位之后由于没有位置传感器，依旧无法获取同步的转子位置，所以本发明用到了位置检测电路。位置检测电路检测的是电机绕组在运行过程中产生的反电动势，如图3所示，A_Phase和B_Phase分别接在是电机绕组的A、B两个接线端，当电机绕组励磁时，A、B两端电压为励磁电压，当电机绕组停止励磁，可以从A、B端检测反电动势。A_Phase和B_Phase要检测到反电动势的必要条件是加载在绕组两端的励磁电压为0，且绕组中电流为0，同时电机要达到一定转速，才能检测到真实的反电动势。

满足上述条件后，在图3的检测电路上，反电动势电压经过A_Phase和B_Phase连接到两组减法器，将反电动势信号相减。使用减法器的原因是为了防止电压零点漂移，不使用减法器时，由于反电动势在较低转速时，电压幅值较小，而检测电路的电压零点是以控制板的GND作为参考，会有较大的浮动，造成检测位置出现偏差，会影响电机驱动效果。

A、B两端检测到的反电动势信号是一个正弦波信号，但是实际电路上的波形如图4所示，在A_Phase上检测到的信号，在有驱动电压存在的情况下是根据驱动电压变化的方波信号，只有在关闭驱动的条件下，才能检测到反电动势信号，图4上ta-tb段才是真正的反电动势信号，而此时的B_Phase电压为0V，所以A_Phase电压高于B_Phase，故选择A-B这个减法器；当到电机转子运行到另一个周期时，如tc-td段，B_Phase电压会高于A_Phase所以要选择B-A减法器。

获取到电机反电动势信号后，会将其输入比较器的一个输入端，如图4。而比较器的另一个输入信号是MCU的电压设定值COMP_SET，这个值是通过MCU内置的DAC输出到比较器的。通过改变COMP_SET的值，即可设置反电动势检测器输出时刻，这个时刻可以用来实现提前换相励磁。当需要提前换相励磁时，将COMP_SET设置为大于0的设定值，这个值通过与反电动势比较， 即可获取到超前于反电动势过零的BEMF_OUT信号，而这个信号送到MCU，MCU通过控制驱动电路来提前给绕组励磁。

由于反电动势位置检测电路需要在一定转速才能起到作用，所以在预定位之后需要对电机转子进行他励拖动。他励拖动的励磁时间和换流频率要求比较严格，不然电机不能顺利的拖到一定转速，并且励磁时间和换流频率会受负载和励磁电压水平影响。

本发明应用于吸尘器这种风机类负载，负载变化情况较小，在拖动时影响会较励磁电压水平小。对于励磁电压对励磁时间和换流频率的影响，本发明使用根据电压建立表格，将不同电压水平进行分级，励磁时间和换流频率与励磁电压建立关系，具体的数据要根据实际情况测量。当电机转速拖动到20000～30000RPM，便可以进行位置检测，检测到正确位置后，切换到同步励磁。对于反电动势位置检测时机，由于在绕组施加有励磁电压情况下，无法检测反电动势，故需要在待检测反电动势信号之前关闭驱动励磁信号。关闭驱动信号的时间会影响电机的转矩，关闭时间过长，会使得励磁时间不够，电机转矩出现间断，影响电机转速，并且产生较大的转矩波动。关闭驱动信号时间太短，会影响反电动势检测。在关闭驱动信号时，由于电机绕组时感性负载，电机绕组残留大量电流需要有途径泄放，电机绕组中的电流不泄放，也会找出反电动势检测异常。

电机绕组中电流会因为Q1～Q4四个MOS管关闭从续流二极管D1～D4流过，将电能充回母线。电流续流过程中，由于续流二级管导通，A、B绕组两端电压为母线电压，反电动势不可检测，需要待电流续流完成，才可检测到真实反电动势。故电机关闭驱动的时刻与电机转速和电机电流有关，本发明使用的方法是使用固定的关断角，这个角度换算成时间，则这个时间会随着速度的变化而变化，但是在电机运行周期所占的比例是固定的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。