一种直流无刷电机无传感器启动的方法与流程

本发明涉及电机启动技术领域，特别是涉及一种直流无刷电机无传感器启动的方法。

背景技术：

随着现代工业自动化技术的飞速发展，无刷直流电机以其宽调速、小体积、高效率和稳态转速误差小等特点在调速领域显现优势。直流无刷电机已在航模、医疗器械、家用电器、电动车等多个领域得到广泛应用。在过去，因为产量和价格的原因，直流无刷电机只在一些中高档产品中出现。但随着近几年技术的成熟和生产成本的下降，直流无刷电机的应用范围越来越广。

电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。而随着技术的不断发展进步，现在已经有很成熟的无位置传感器控制方案，但每种控制方法都有其优劣。按照适用范围不同可以分为适用于高速的控制方法和适用于零速或低速的控制方法。而目前市面上的控制方案一般是用零速或低速的控制方法将电机的转速提高到能切换到高速的控制方案从而达到宽范围的调速。

一般来说，三段式启动是使用率最高的无传感器无刷直流电机启动方法，其优点在于实现简单。但传统的三段式启动中，转自预定位阶段通常只进行单一角度的预定位。而在带大惯性负载，例如扇叶很重的风机启动时，单一角度的预定位存在定位成功率低的问题。

因此，如何对无传感器直流无刷电机的启动进行优化，使其能带大惯性负载启动，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种直流无刷电机无传感器启动的方法，可以对无传感器直流无刷电机的启动进行优化，使其能带大惯性负载启动。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一种直流无刷电机无传感器启动的方法，包括：

确定一个初始启动定位角使电机转子预定位，并设定一个预定位总时间t；

通入定子磁通电流使所述电机转子转至所述初始启动定位角

计算所述电机转子在每经过时间t/n后所在的位置，得到对应时间相应的定位角度，并在相应的时间段内注入对应的定子磁通电流使所述电机转子转至相应定位角，n为大于1的整数；

确定所述电机转子定位至最终定位角度后，进行电机拖动启动。

优选地，所述计算所述电机转子在每经过时间t/n后所在的位置，得到对应时间相应的定位角度，并在相应的时间段内注入对应的定子磁通电流使所述电机转子转至相应定位角，n为大于1的整数，包括：

计算所述电机转子在经过时间t/4后的瞬时电角度，并获得对应的定位角

给定所述定子磁通电流一个定值，在经过时间t/2后，将定位角更改为

提升所述定子磁通电流的给定值，在经过时间3t/4后，将定位角更改为

提升所述定子磁通电流的给定值，将所述电机转子定位至定位角

优选地，定位角定位角定位角

优选地，所述确定一个初始启动定位角使电机转子预定位，并设定一个预定位总时间t，包括：

随机确定一个初始启动定位角

计算所述电机转子的转子磁势与所述初始启动定位角重合所需要的时间t₁；

计算预定位总时间t。

优选地，所述随机确定一个初始启动定位角包括：

确定所述初始启动定位角

优选地，所述计算所述电机转子的转子磁势与所述初始启动定位角重合所需要的时间t₁，包括：

计算所述电机转子的角速度ω_s＝(T_em-T_f)·P；

根据所述电机转子的角速度计算所述时间

优选地，所述计算预定位总时间t，包括：

根据所述时间t₁获得所述预定位总时间的取值范围为

优选地，所述通入定子磁通电流使所述电机转子转至所述初始启动定位角包括：

计算所述电机转子的相电流；

对所述相电流进行Park变换和Clarke变换计算对应的定子磁通电流i_ds；

在时间为零开始线性增加注入的定子磁通电流，至预设时间点使得所述定子磁通电流为i_ds。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本发明实施例所提供的一种直流无刷电机无传感器启动的方法，包括：确定一个初始启动定位角使电机转子预定位，并设定一个预定位总时间t；通入定子磁通电流使电机转子转至初始启动定位角计算电机转子在每经过时间t/n后所在的位置，得到对应时间相应的定位角度，并在相应的时间段内注入对应的定子磁通电流使电机转子转至相应定位角，n为大于1的整数；确定电机转子定位至最终定位角度后，进行电机拖动启动。本技术方案对带大惯性负载下直流无刷电机的启动进行优化，采用了多段定位的方法，让电机转子转动后，能够在较短的定位时间内停在预设的定位角度，提高了定位的准确性，从而提高了启动的成功率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种具体实施方式所提供的直流无刷电机无传感器启动的方法流程图；

图2为本发明一种具体实施方式所提供的直流无刷电机无传感器启动的方法中直轴电流注入与定位时间的关系图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种直流无刷电机无传感器启动的方法，可以对无传感器直流无刷电机的启动进行优化，使其能带大惯性负载启动。

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

请参考图1，图1为本发明一种具体实施方式所提供的直流无刷电机无传感器启动的方法流程图。

本发明的一种具体实施方式提供了一种直流无刷电机无传感器启动的方法，包括：

S11：确定一个初始启动定位角使电机转子预定位，并设定一个预定位总时间t。

在本发明的一种实施方式中，确定一个初始启动定位角使电机转子预定位，并设定一个预定位总时间t，包括：随机确定一个初始启动定位角计算电机转子的转子磁势与初始启动定位角重合所需要的时间t₁；计算预定位总时间t。

在本实施方式中，设有一表贴式永磁直流无刷电机，已知参数为Ls＝0.00044H，Rs＝0.4516Ω，p＝2。根据电机模型推导出在转子参考坐标系下的q轴和d轴定子电流变换矩阵，得:

式中i_qs——交轴电流

i_ds——直轴电流

ω_r——转子旋转的电角速度

i_as——a相相电流

i_bs——b相相电流

i_cs——c相相电流；

根据转子预定位法，向直流无刷电机的定子施加一个固定方向的电压矢量，将转子拖动到电压矢量的方向来实现转子初始位置的估计。当向直流无刷电机定子绕组施加一个电压矢量时，会在该电压矢量方向上产生一个定子磁势F_s。直流无刷电机的永磁体会产生一个转子磁势F_r，方向即为直轴方向。

T_em＝KF_sF_r·sinθ_sr (2)

θ_sr＝|θ_s-θ_r| (3)

式中：

F_s——定子磁势；

F_r——转子磁势；

K——常数，由电机参数决定；

θ_sr——定子磁势与转子磁势的夹角；

θ_r——转子磁势的角度；

θ_s——定子磁势的角度；

由电压矢量产生的定子磁势F_s与转子磁势F_r之间存在一个夹角θ_sr。根据式(2)，电磁转矩T_em将使转子向减小的方向旋转，T_em随着θ_sr的减小而减小。

而每个电机的转子磁势只和永磁体材料有关，所以为定值。定子磁势公式如下所示。

F_r＝BSL (5)

T_ph——每相有效匝数；

I_m——相电流；

B——磁感应强度；

S——导磁体横截面积；

L——磁源长度；

P——电机功率；

ω_s——转子电角速度；

转子旋转的角度为Δθ，根据角速度与时间求得：

Δθ＝ω_s·t (6)

则转子的瞬时角度为

θ＝θ_r+Δθ (7)

由于电机停机时具有随机性，因此初始启动预定位角度亦可随机选取。

在本实施方式中，随机确定一个初始启动定位角包括：确定初始启动定位角而两对极电机拥有720°电角度，因此停机转子磁势距离最远为180°电角度，即90°机械角度。则有θ_sr＝90°。

因为负载为大惯性负载，亦即所受阻力(摩擦力，负载转矩等)很小，因此预定位时不可给定一个阶跃电流，以免转子由惯性过大停不下来导致定位失败。

计算电机转子的转子磁势与初始启动定位角重合所需要的时间t₁，包括：

计算电机转子的角速度ω_s＝(T_em-T_f)·P (8)；

根据电机转子的角速度计算时间

T_f——定值，摩擦转矩；

计算预定位总时间t，包括：根据时间t₁获得预定位总时间的取值范围为

其中，当转子磁势与重合所需时间为t₁,则

则总定位时间按工程经验取同时亦应该按照工程具体要求选择总定位时间t。

S12：通入定子磁通电流使电机转子转至初始启动定位角

通入定子磁通电流使电机转子转至初始启动定位角包括：计算电机转子的相电流；对相电流进行Park变换和Clarke变换计算对应的定子磁通电流i_ds；在时间为零开始线性增加注入的定子磁通电流，至预设时间点使得定子磁通电流为i_ds。在本实施方式中，根据上式(2)(3)(4)(5)(6)可求出相电流。

S13：计算电机转子在每经过时间t/n后所在的位置，得到对应时间相应的定位角度，并在相应的时间段内注入对应的定子磁通电流使电机转子转至相应定位角，n为大于1的整数。

进一步地，计算电机转子在每经过时间t/n后所在的位置，得到对应时间相应的定位角度，并在相应的时间段内注入对应的定子磁通电流使电机转子转至相应定位角，n为大于1的整数，包括：计算电机转子在经过时间t/4后的瞬时电角度，并获得对应的定位角给定定子磁通电流一个定值，在经过时间t/2后，将定位角更改为提升定子磁通电流的给定值，在经过时间3t/4后，将定位角更改为提升定子磁通电流的给定值，将电机转子定位至定位角

在本实施方式中，给定预定位定子磁通电流，也即直轴电流i_ds注入与定位时间的关系图如图2所示。其中，在时间T＝0开始线性增加直轴电流i_ds直至时间T＝t/4，此时计算瞬时转子磁势角度求得即在t/4时间后，转子所在位置。在本实施方式中，取定位角注入直轴电流i_ds给定一个定值；经过t/2时间后，将定位角更改为增大直轴电流i_ds的值。最后经过时间3t/4，将定位角最终改为再次增大直轴电流i_ds的给定值，使得转子基本定在该角度。

S14：确定电机转子定位至最终定位角度后，进行电机拖动启动。

在定位完毕后，转子磁势与预定位最后给定的定子磁势重合。磁势利用i_q＝0的控制策略可获得最大转矩，根据定位角保持外施加的电压不变，逐渐增高变换相信号的频率，使电机逐步加速。

对带大惯性负载下直流无刷电机的启动进行优化，采用了多段多角度定位的方法，让电机转子转动后，能够在定位时间内停在预设的定位角度，提高了定位的准确性，从而提高了启动的成功率。。

以上对本发明所提供一种直流无刷电机无传感器启动的方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。