一种无位置传感器无刷直流电机位置检测方法与流程

本发明涉及无刷直流电机无位置传感器控制技术领域，具体涉及一种无位置传感器无刷直流电机位置检测方法。

背景技术：

近年来，随着电力电子器件及控制理论的迅速发展，永磁无刷直流电机以其高效性，良好的调速性，易于维护性而得到了广泛的应用。传统的永磁直流无刷电机往往采用位置传感器来确定转子的位置，这不仅增大了电机的安装体积，增加了成本，而且降低了电机的可靠性。而无传感器直流无刷电机对于提高系统效率,简化系统装置就具有重大的意义。无刷直流电机，brushlessdcmotor，以下简称bldcm，广泛应用于科学仪器和工业设备以及电动车中，具有结构简单，效率高的优点。目前无刷直流电机的无位置传感器的位置检测方法主要有反电势过零检测法、磁链观测法、反电势三次谐波积分法、续流二极管法、电感法等。其中反电势法过零检测法实现简单不需要复杂的硬件电路，系统构成成本低，技术方案比较成熟，应用较为广泛。

目前根据反电势过零点的无位置传感器无刷直流电机转子位置检测方法基本采用无中性点虚拟三相负载检测，或有中性点三相过零滤波，构建3个转子位置传感器信号，从而实现无刷直流电机控制，以上两种方法都需要检测三相反电势，十分麻烦。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供一种无位置传感器无刷直流电机位置检测方法，针对有中性点无刷直流电机，采用硬件，软件结合，硬件设计二阶无限增益低通滤波器，对单相绕组反电势过零滤波，再通过软件编程对单相输出方波信号周期分6个工作区，再将该一相所得分区延时120°电角度和240°进而得到另外两相的分区，从而控制无刷直流电机的运转。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种无位置传感器无刷直流电机位置检测方法，包括以下步骤：

s1、将电机的其中一相反电势通过硬件检测电路输出相应的方波信号并将所述方波信号输入至控制器中；

s2、通过所述控制器计算所述方波信号得到的反电势过零点的信息，从而计算出电机的转子位置，进而对计算出来的转子位置进行相位补偿得到另外两相的反电势。

作为优化，所述硬件检测电路包括反相放大电路、比较电路以及方波输出电路，所述电机与所述反向放大电路连接，所述反向放大电路与所述比较电路连接，所述比较电路与所述方波输出电路连接，所述方波输出电路与所述控制器连接，所述控制器与三相整流桥并联连接，所述三相整流桥与所述电机并联连接，所述三相整流桥还连接有电源。

作为优化，所述电源采用24v直流电压。

作为优化，所述步骤s1的具体步骤为：

s1.1、将电机的其中一相接线与电机的中性线分别接入所述硬件检测电路的端口a与端口b，得到电机反电势信号；

s1.2、所述电机反电势信号经过反向放大电路后，将所述反电势信号缩小7.5倍，并附加基准电压；

s1.3、与所述基准电压进行比较，得到相应的方波信号；

s1.4、所述方波信号经所述方波输出电路输出至控制器。

作为优化，所述步骤s2的具体步骤为：

s2.1、对每个采集的方波信号进行均值滤波，同时将所述方波信号的一整个周期的时间分成6份，对应6个扇区；

s2.2、检测反电势过零点，计算所述扇区的边界，即得到所测一相的换相点；

s2.3、根据所测一相的换相点进行相位补偿计算得到另外两相的换相点，另外两相的换相点分别补偿120°和240°。

作为优化，步骤s2.1中，所述方波信号的整个周期时间为固定值，若测的方波信号周期时间的当前值的范围不在所述固定值的±20％内，则舍弃当前值。

作为优化，对所述方波信号进行分区的步骤如下：

t1、程序初始化；

t2、对扇区赋初值；

t3、根据方波信号的边沿信号触发中断1，进入t4，若中断1完成，则返回主循环；

t4、计算电机其中一相的一个电角度周期，从而计算出电机的转速，再延时30°电角度后进入中断2；

t5、判断扇区值是否更新完成六个状态，若未更新完成，则每隔60°更新扇区值，然后返回主循环；若更新完成，则对扇区值进行赋初值，然后返回主循环。

一种无位置传感器无刷直流电机位置检测方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.基于硬件电路检测出电机某一相反电势过零点，结构简单，只需要硬件检测一相的电压反电势并将反电势波形在硬件部分转换为方波，同时只需要根据一相的反电势并经过软件计算相应延时即可得到另外两相的反电势与分区，大大简化软件编写，通过软件部分的进一步分区与编程，也简化了电机转子位置估计的计算，提高了系统的效率；

2.本发明直接将电机的中心点引出来，不需要外部构建中心点，可以得到最真实的数据。

附图说明

图1是本发明实施例的三相逆变器电路接电机负载图。

图2是本发明将反电势信号根据过零点转换为方波信号的硬件电路原理图。

图3是本发明转子永磁体磁感应强度分布曲线。

图4是本发明中三相反电动势曲线。

图5是本发明对扇区进行分区的算法框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种无位置传感器无刷直流电机位置检测方法，包括以下步骤：

s1、将电机的其中一相反电势通过硬件检测电路输出相应的方波信号并将所述方波信号输入至控制器中；

具体为：

s1.1、将电机的其中一相接线与电机的中性线分别接入所述硬件检测电路的端口a与端口b，得到电机反电势信号；

s1.2、所述电机反电势信号经过反向放大电路后，将所述反电势信号缩小7.5倍，并附加2.5v的基准电压；

s1.3、与所述基准电压进行比较，得到相应的方波信号；

s1.4、所述方波信号经所述方波输出电路输出至控制器。

本实施例中，所述硬件检测电路包括反相放大电路、比较电路以及方波输出电路，所述电机与所述反向放大电路连接，所述反向放大电路与所述比较电路连接，所述比较电路与所述方波输出电路连接，所述方波输出电路与所述控制器连接，所述控制器与三相整流桥并联连接，所述三相整流桥与所述电机并联连接，所述三相整流桥还连接有电源。

下面结合图1和图2来进行说明，如图1所示，本发明的逆变器母线侧电压udc＝24v，图2所示为将反电势信号根据过零点转换为相应方波信号的硬件电路原理图。主要由放大器、反相器和比较器与光耦组成。结合图2，硬件电路将电机的反电势波形转换为方波的实现具体过程如下：

步骤1：无刷直流电机的a相(实际为三相中的其中一相，在此以a相为例分析)接线与电机中性线分别接端口a与端口b；

步骤2：无刷直流电机的反电势经过运放u10a和u10b反相与放大之后，将反电势信号缩小了7.5倍并附加了2.5v的基准电压，之后再与2.5v的基准电压进行比较，得到相应的方波信号，这里的2.5v的基准电压对应反电动势过零点，也可以根据实际情况设置其他大小的基准电压；

步骤3：将由比较器u11a得到的方波信号经光耦隔离后，由端口ab输出信号至微处理器，即控制器。

s2、通过所述控制器计算所述方波信号得到的反电势过零点的信息，从而计算出电机的转子位置，进而对计算出来的转子位置进行相位补偿得到另外两相的反电势。

即，步骤4：由软件算法根据由方波信号得到的过零点信息计算出电机的转子位置，并在电机的带载运行中对计算结果进行相位补偿。

本实施例中，所述步骤s2的具体步骤为：

s2.1、对每个采集的方波信号进行均值滤波，同时将所述方波信号的一整个周期的时间分成6份，对应6个扇区；

s2.2、检测反电势过零点，从而计算出所述扇区的边界，即得到所测一相的换相点；

s2.3、根据所测一相的换相点进行相位补偿计算得到另外两相的换相点。

本实施例中，步骤s2.1中，所述方波信号的整个周期时间为固定值，若测的方波信号周期时间的当前值的范围不在所述固定值的±20％内，则舍弃当前值。

图3为例展示了转子永磁体磁感应强度分布曲线。针对梯形波反电动势无刷电机，在0°的时候，该位置对于转子来说处于磁场正反方向交界处，磁感应强度为零，随着角度的增大，之后对应位置的磁感应强度开始线性增加并在a点时达到最大，之后一直保持恒定值不变，直到b点开始下降，到180°的时候磁感应强度下降到零。之后开始负向增长，在c点处达到负值最大，然后保持恒定负值不变，直到d点磁感应强度开始减弱，到360°(0°)时又回到零。至于a点到底在几度的位置，不同的电机也不同。如果a非常接近0°的位置，上升和下降直线就会非常陡峭，“梯形波”就变成了“方波”。根据右手定则e＝blv的公式，在匀速转动下，各相绕组产生的反电动势波形也呈梯形波/方波。

当无刷电机两相定子绕组通电，第三相不通电，此时通电的两相绕组产生的反电势大小相等方向相反，而不通电绕组切割转子磁场产生反电动势，随着磁场强度由恒定值减小到0，再反向增加，如上图bc部分。

根据图4完整的三相反电势图，将一个电周期分为六个相等的60°扇区，每个扇区与电机六状态的一个状态相对应(扇区数值可以任意取)。换相则发生在每个扇区的边界处。因此，需要检测扇区边界，并且在反电势过零点和需要换相的位置之间有一个30°相位差，通过软件算法计算电机的换相点(扇区边界)。同时，另外两相的换相点与所检测的一相的换相点分别相差120°和240°，即与反电势过零点有一个150°和270°的相位差，同样由软件算法根据所测一相反电势的过零点经过相应延时得到到另外两相的换相点(扇区边界)。

反电动势bemf过零点只需要利用电机a相以及电机中性点引出线分别测得a相对中性点电压，经硬件滤波后送入硬件比较器判断其电压大于零则比较器输出高电平，电压小于零则比较器输出低电平，dsp(数字信号处理)采集过零点比较器输出的高低电平，控制器中，软件设置固定上升沿捕获则计数捕获脉冲数即可得检测到转子位置，并对转速进行计算。

已知三相无刷直流电机运行时按照三相六状态运行，即一个电角度周期可分为6个扇区，分别对应电机的6个状态。因此在软件算法中只需要将通过硬件电路得到的方波信号分为6个扇区，就可以在每个扇区按照相应的电机状态运行，也就类似于有位置传感器的电机运行方式。

由于方波信号一个周期内高低电平持续时间不一定相等，但是其整个周期的时间是固定的，因此将方波信号一整个周期的时间分为6份，对应6个扇区，从而根据扇区值的变化控制电机的运行，同时对每个采集的方波周期信号进行均值滤波，如果当前测的其周期时间限定范围不在±20％则舍弃当前值，这样是因为20％是由于噪声或者干扰引起的波纹，滤掉之后转子判断会更精确。对每个周期的分区其算法流程如图5所示，扇区值则对应电机的六个运行状态。

本实施例中，对所述方波信号进行分区的步骤如下：

t1、程序初始化；

t2、对扇区赋初值0；

t3、根据方波信号的边沿信号触发中断1，进入t4，若中断1完成，则返回主循环；

t4、计算电机其中一相的一个电角度周期，从而计算出电机的转速，再延时30°电角度后进入中断2；

t5、判断扇区值是否更新完成六个状态，若未更新完成，则每隔60°更新扇区值，记为0、1、2、3、4、5，然后返回主循环；若更新完成，则对扇区值进行赋初值，然后返回主循环。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变动。

最后应说明的是：本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等统计数的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。