一种基于角度传感器的无刷直流电机的换相方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种永磁无刷直流力矩电机的快速标定换相方法，可用于光电吊舱力 矩电机的精确换相控制，适用装有角度传感器的所有的无刷直流力矩电机。
【背景技术】
[0002] 光电吊舱由稳定平台和有效载荷组成，稳定平台由陀螺、电机、角度传感器及结构 件等组成。其中，稳定平台的控制精度直接决定了光电吊舱的稳定精度，进而决定了载荷的 拍摄精度、画面质量等，因此必须实现稳定平台的高精度控制。永磁无刷直流力矩电机具有 功率密度大，电磁转矩系数高等优点，是稳定平台系统驱动的理想选择。永磁无刷直流力 矩电机一般都由内部安装的霍尔传感器进行换相，霍尔传感器一般安装在超前反电动势30 度的位置，由于霍尔传感器存在安装误差和电机加工等原因，造成了永磁无刷直流力矩电 机存在换相转矩脉动，换相转矩脉动的存在限制了其在低速、高精度伺服控制中的应用，因 此在这方面的研宄就显得非常重要且很有实际意义。
[0003] 解决这一问题最根本的方法是要找到正确的换相点，目前有很多方法，比如采用 电流检测或采用干扰观测器、卡尔曼滤波等对换相点进行校正等方法。这些方法虽然在克 服转矩脉动方面有一定的效果，但均存在检测电路复杂、需要被控对象的精确模型，不能快 速精确的确定换相点，工作量大等不足，不适于工程应用。
【发明内容】
[0004] 本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于角度传感器的 永磁无刷直流力矩电机的换相方法，能够快速、有效地检测到无刷电机与角度传感器安装 的精确相对位置、进而找到最佳的换相点，抑制电机换相引起的转矩脉动、提尚系统的稳定 精度。
[0005] 本发明的技术解决方案是：一种基于角度传感器的无刷直流电机的换相方法，包 括如下步骤：
[0006] (1)将角度传感器和无刷直流电机的转子同轴安装；
[0007] (2)对无刷直流电机中的三相进行通电，使得电流从其中任意一相向另外两相流 动，待转子静止后记录角度传感器的值Pn-1，n为正整数；
[0008] (3)对无刷直流电机的转子先后两次施加不同的外力，使得转子旋转并先后静止 在两个不同的静止位置，分别记录两个静止位置所对应的角度传感器的值Pn和Pn+1 ;
[0009] (4)判断（Pn+1-Pn) - (Pn-Pn-1)的绝对值是否小于y，如果小于则将与Pn对应的 转子位置记为无刷直流电机的零位，如果不小于则重复步骤（2)和（3)，直至确定出无刷直 流电机的零位；所述的y为误差判别阈值，取值越小零位查找精度越高；所述的y< 10 ;
[0010] (5)以无刷直流电机的零位滞后或者超前30度作为换相点，依据各换相点所在的 位置编制电机换相表，并依据电机换相表进行无刷直流电机的换相操作。
[0011] 所述的电机换相表为：
[0012]
[0013] 其中m为电机的极对数，电机旋转一周角度为2n，+表示电流流入，-表示电流流 出，A、B、C分别表示无刷直流电机的三相。
[0014] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0015] (1)本发明采用角度传感器进行换相，相对于采用霍尔传感器进行换相，换相点精 确，转矩脉动小；
[0016] (2)本发明方法可以快速标定电机与角度传感器的相对位置，有利于快速确定电 机的换相点，从而进行精确换相；
[0017] (3)本发明方法不需要角度传感器和电机的精确定位安装，对角度传感器和电机 的机械加工要求不高；
[0018] (4)本发明方法适用于所有安装角度传感器的无刷直流力矩电机，不需要任何电 参数计算，极大地简化了调试人员的工作，节省了大量的人力物力，适用于工程应用；
[0019] (5)本发明方法无需额外增加控制电路，可移植强，换相性能可靠。
【附图说明】
[0020] 图1为本发明方法的流程框图；
[0021] 图2为本发明三相桥式电路示意图；
[0022] 图3为本发明反电动势波形示意图；
[0023] 图4为采用本发明方法的硬件系统组成框图。
【具体实施方式】
[0024] 以下以光电吊舱的方位轴为例，详细说明本发明的方法，流程如图1所示。
[0025] 将光电吊舱的方位电机和方位角度传感器进行同轴安装，在此，角度传感器选用 旋转变压器，只选用粗通道，分辨率为16位，测角精度为1角分，电机选用无刷直流力矩电 机，10对极，三相120度安装，输出力矩为20000g.cm。安装时无刷直流电机、角度传感器及 所有零件装配前必须清洗干净，不准带有毛刺及多余物。装配前，加入少量润滑脂，并保证 摩擦力矩不大于200g.cm。
[0026] 装配完成后，如图2所示，无刷直流电机采用三相全桥进行驱动，PWM1、PWM2为A 相的全桥驱动，PWM3、PWM4为B相的全桥驱动，PWM5、PWM6为C相的全桥驱动。对无刷直流 电机中的三相进行通电，使得电流从A相向另外两相流动，即A相的上半桥导通，B、C的下 半桥导通，也即PWM1、PWM4和PWM6导通，占空比PWM为90%，因摩擦力矩很小，可以忽略， 待转子静止后无刷直流电机停在电磁磁场与永磁磁场重合的位置，即输出力矩T为0的位 置，了 =」一^~= 〇，即eA=eB+ec，其中，eA、eB、ec为电机反电动势，《为电机转速，i 为电机电流，因无刷直流电机三相120度安装，所以无刷直流电机三相反电动势均相差120 度，其反电动势波形如图3所示，其中，eA、eB、e。为电机反电动势，0为无刷直流电机的电 角度。根据电机换相原理，由此无刷直流电机停止的位置向前或后推30度即为换相点。
[0027] 记录旋转变压器的值Pn-1，n为正整数；施加外力到方位轴，方位轴电机会输出一 定阻力。撤掉外力后，方位轴会振荡，并最终停在某个位置。记录此时旋转变压器的值Pn。 然后继续施加外力转动方位轴，记录连续n个不同位置的旋变值，并计算相邻两值的差值。 若Pn+1-Pn和Pn-Pn-1差的绝对值为y，（y<10)，则Pn即可选为电机换相零位。测试 完成后，应立刻关断电源。此方法依据的原理是给无刷直流电机加电时输出的力矩为0,所 以在寻找无刷直流电机换相零位时，方位轴必须配平，尽量减少摩擦力矩等干扰力矩对此 方法的干扰。
[0028] 旋转变压器的值2n对应机械角度360度，电机的极对数为m，则电机360度电角度 对应的机械角度为2n/m，2n/6m对应电机的电角度为60度，电机旋转电角度一周换相6次， 即每隔2n/6m换相一次。下面以正转为例确定电机零位附近的换相相序。
[0029] 给电机通电时，输出力矩为0的位置为电机的零位，即电角度为180度的位置，如 图3所示。根据无刷直流电机反电动势之间的关系，电机均在反电动势的交点处换相，所以 以无刷直流电机的零位滞后或者超前30度作为换相点，则电机零位附近电机的换相相序 为B+C-，即电流从A相流向B相，此时电角度为150度到210度，减去零点后对应的机械角 度为 0 ?2n/12m和llX2n/12m?2n/m。
[0030] 下面以此类推得到换相表，如表1所示。反转亦然。其中m为电机的极对数，电机 旋转一周角度为2n，+表示电流流入，-表示电流流出，A、B、C分别表示无刷直流电机的三 相。
[0031] 表1m对极电机换相表
[0032]
【主权项】
1. 一种基于角度传感器的无刷直流电机的换相方法，其特征在于包括如下步骤： (1) 将角度传感器和无刷直流电机的转子同轴安装； (2) 对无刷直流电机中的三相进行通电，使得电流从其中任意一相向另外两相流动，待 转子静止后记录角度传感器的值Pn-1，n为正整数； (3) 对无刷直流电机的转子先后两次施加不同的外力，使得转子旋转并先后静止在两 个不同的静止位置，分别记录两个静止位置所对应的角度传感器的值Pn和Pn+1 ; ⑷判断（Pn+l-Pn)-(Pn-Pn-l)的绝对值是否小于y，如果小于则将与Pn对应的转子 位置记为无刷直流电机的零位，如果不小于则重复步骤（2)和（3)，直至确定出无刷直流电 机的零位；所述的U为误差判别阈值，取值越小零位查找精度越高； (5)以无刷直流电机的零位滞后或者超前30度作为换相点，依据各换相点所在的位置 编制电机换相表，并依据电机换相表进行无刷直流电机的换相操作。
2. 根据权利要求1所述的一种基于角度传感器的无刷直流电机的换相方法，其特征在 于：所述的电机换相表为：
其中m为电机的极对数，电机旋转一周角度为2n，+表示电流流入，-表示电流流出，A、B、C分别表示无刷直流电机的三相。
3. 根据权利要求1或2所述的一种基于角度传感器的无刷直流电机的换相方法，其特 征在于：所述的U< 10。
【专利摘要】一种基于角度传感器的无刷直流电机的换相方法，用于光电吊舱无刷直流力矩电机的换相控制。首先将角度传感器和无刷直流电机的转子同轴安装，然后对无刷直流电机中的三相进行通电，记录角度传感器的值，再施加外力，转子旋转并停到另一位置时再记录角度传感器的值，根据判定方法确定出无刷直流电机的零位。最后以无刷直流电机的零位滞后或者超前30度作为换相点，依据各换相点所在的位置编制电机换相表，并依据电机换相表进行无刷直流电机的换相操作。本发明方法能够有效快速地检测到无刷直流电机与角度传感器安装的相对位置、抑制电机换相引起的转矩脉动、提高系统的稳定精度。
【IPC分类】H02P6-16
【公开号】CN104579045
【申请号】CN201410827893
【发明人】朱娜, 丁楠, 于啸男
【申请人】北京航天控制仪器研究所
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年12月26日