一种无刷直流电机无位置传感器转子位置识别系统及方法

文档序号:9914075阅读:914来源:国知局
一种无刷直流电机无位置传感器转子位置识别系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种无刷直流电机无位置传感器控制的转子位置识别系统及方法,可 用于无位置传感器安装的无刷直流电机的转子位置识别及其高效驱动。
【背景技术】
[0002] 近年来,由于无刷直流电机具有高效率、高转矩电流比以及高能量密度的特点,因 此其吸引了越来越多的注意力,广泛应用于航天技术、工业制造、仪器仪表以及电力驱动等 各个工业领域。为实现无刷直流电机的实时控制,就需要知道转子磁链相对定子绕组的精 确位置。通常情况下,具有梯形波反电势的无刷直流电机每隔60°电角度换相一次,所以一 个周期需要6个换相信号,只需检测6个位置点即可。为了检测换相点,需要在电机内部安装 位置传感器比如霍尔传感器;若是需要速度控制还需安装光电编码器进行测速。所有这些 霍尔传感器和光电编码器不仅增加了费用更是增加了电机结构的复杂性,降低了控制系统 的可靠性。

【发明内容】

[0003] 本发明的技术解决问题是:克服现有控制技术的不足,提供一种无刷直流电机无 位置传感器控制的转子位置识别系统及方法,提高了基于无位置传感器的无刷直流电机转 子位置的检测精度,实现精准换相,精确检测转子位置,提高系统控制性能。
[0004] 本发明的技术解决方案为:一种无刷直流电机无位置传感器控制的转子位置识别 方法,实现步骤如下:
[0005] (a)使用"两步法"启动电机,在合适的转速范围内切换控制系统为电机自同步运 行状态。
[0006] (b)根据线反电势过零点产生的高低电平变化信号,由控制器ECAP模块捕获该信 号,并在程序中产生中断处理,每产生一次中断,即刻读取换相信号,控制相应开关管导通 或关断。
[0007] (C)与此同时,根据此信号进一步判断目前转子磁链所在区间,并且根据传感器获 得的电压、电流信号重构三相线反电势,再由坐标变换得到的坐标系下的两相电压分量 求其反正切值即为转子磁链角度,再与区间相互校正,即可得到某一瞬时的转子磁链位置。
[0008] "两步法"启动电机是指第一步,按某一顺序(顺时针或逆时针)指定控制器输出两 组开关信号,实现转子的预定位;第二步,根据电机的升速曲线,合理地调节加速时间,恒压 升频拖动电机升速。
[0009] 线反电势过零点信号的获得是通过硬件电路实现,根据此电路可以得到规则的方 波信号,高低电平之间的变化表示线反电势由正值变负值或由负值变正直,根据推导可知, 线反电势的过零点即是换相点,对应霍尔位置传感器的输出值,可以模拟霍尔传感器的位 置信号。
[0010] 通常无刷直流电机工作在120°激励状态,即每一相在每半个周期导通120°,在该 状态下总会有一相处于非导通状态,因此很难通过重构得到线反电势电压。如果三相均被 调制,就可重构线反电势。在该方法中,三相线反电势电压信号是通过1个母线电压传感器 和3个电流传感器测得相应参数后估算得到。推算过程如下:
[0011]根据无刷直流电机的数学模型可得:
[0012]
(4):
[0013]如式⑷所示,Ua,Ub,Uc分别是三相的相电压,R,L分别是三相的电阻和电感,i a,ib, i c分别是二相电流,ea,eb,e。分别是二相的相反电势,Un是中点电压。消去Un可得:
[0014]
(5)
[0015]其中eab,ebc,eca分另Ij是三相的线反电势。
[0016] 为了方便重构线反电势电压,需要把原来的三相导通两相的状态(即两相调制另 一相不导通)改变为三相均被调制,但为了保证和原来状态同样的方波驱动的效果,需要引 入相电流闭环调节单元,根据换相信号所对应的电流导通情况,控制某一项电流为〇,这样 既可以达到方波驱动的效果,也可以使三相均被调制。三相均被调制的状态下可得:
[0017]
(6)
[0018]其中Udc是直流母线电压,da,db,dc分别是三相的调制占空比,把式(6)带入式(5)可 得:
[0019] (7)
[0020] 全此巳经里构出三相的线反电势。
[0021] 读取换相信号只能得到转子磁链的六个位置状态,即0°、60°、120°、180°、240°和 300°,根据这六个位置状态可以划分出六个区间位置1、11、111、1¥、¥、¥1(见附图6),要想进 一步得到更为精确的位置,如式(8)所示,需要通过Clarke变换,将某一瞬时在ABC坐标系下 的三相线反电势电压信号变换到坐标系下,其中&,即分别为α-β坐标系下线反电势分 量;如式(9)所示,根据几何关系求取α_β坐标轴分量的反正切值,即可得到某一角度,再结 合该时刻转子磁链所在区间可进一步得到具体的转子磁链角度值,其中Θ为转子磁链角度 值。
[0022] (S)
[0023] (9)
[0024] 上述方案的原理是:利用线反电势过零点比相反电势过零点滞后30°电角度,而霍 尔位置传感器输出的换相信号比相反电势过零点滞后30°电角度这两个关系可对比得出线 反电势过零点即是换相信号触发点,可以用线反电势过零点来模拟霍尔位置传感器的输 出,首先得到基本的6个换相信号,粗略的确定转子磁链所在的区间位置;然后根据永磁同 步电机SVPffM驱动原理中的Clarke变换原则,将重构获得的三相线反电势变换到α-β坐标系 下,根据几何关系求得更为准确的转子磁链角度。
[0025] 本发明与现有技术相比优点在于:
[0026] (1)现有技术大多是通过复杂的电路模拟无刷直流电机的模型重新获得相电压, 并以相电压估算、代替相反电势,进行过零点的检测以及计算线反电势的大小,而在本发明 在DSP控制系中结合母线电压传感器和电流传感器测得的电压和电流值估计线反电势,通 过估计的线反电势经过坐标变换之后再做计算可得到更为精确的转子位置信息,进一步提 高控制效率,增强控制性能。
[0027] (2)本发明获得线反电势的过零点信号,利用传感器测量值以及推导的数学公式 重构、计算线反电势,简化了硬件系统,提高了估算的准确度,增强了系统可靠性。
[0028] (3)此外,现有的无刷直流电机驱动技术大多关注6次基本的换相时刻,本发明在 以往基础上,结合永磁同步电机的SVPffM驱动技术中的坐标变换,对0°~360°范围内的转子 位置进行了精确计算,即在DSP控制系统(7)中利用软件算法,结合母线电压传感器(4)和电 流传感器(12)测得的电压和电流值估计线反电势,通过估计的线反电势经过坐标变换之后 再做计算可得到更为精确的转子位置信息,进一步提高控制效率,增强控制性能,弥补了无 刷直流电机方波驱动技术转子位置分辨率低的不足。本发明中获取换相信号的硬件系统简 单易建,算法易于调试,实现灵活。
【附图说明】
[0029]图1为本发明的系统结构框图;
[0030]图2为本发明的控制系统原理框图;
[0031] 图3为本发明的反电势过零点示意图;
[0032] 图4为本发明的线反电势过零点检测电路原理图;
[0033] 图5为本发明的相电流参考值计算示意图;
[0034] 图6为本发明的换相信号与区间划分示意图;
[0035] 图7为本发明的转子磁链位置示意图;
[0036]图8为本发明的主程序流程图;
[0037]图9为本发明的中断程序流程图。
【具体实施方式】
[0038] 下面结合附图进一步说明本发明。如图1~9所示,本发明的具体方法如下:
[0039] 如图1所示,是本发明的系统结构框图,该系统包括220V交流供电电源1、单相不可 控整流桥模块2、滤波电容组3、母线电压传感器4、三相逆变桥模块5、电流闭环调节单元6、 DSP控制系统7、电源管理电路8、电流传感器12、位置检测电路13以及无刷直流电机14; 220V 交流供电电源1经过单相不可控整流桥模块2整流后得到直流电压输入三相逆变桥模块5; DSP控制系统7根据ECAP模块10捕获位置检测电路13产生的换相信号11并经过电流闭环调 节单元6之后,把开关信号9输入三相逆变桥模块5控制开关管的导通与关断;在DSP控制系 统7中解算母线电压传感器4和电流传感器12测得的电压和电流值可以得到无刷直流电机 14的转子位置;电源管理电路8负责提供母线电压传感器4、三相逆变桥模块5、DSP控制系统 7、电流传感器12以及位置检测电路13可靠工作的电源。
[0040] 如图2所示,是本发明的控制系统原理框图,虚线左侧表示的是图1中DSP控制系统 7的具体工作过程,虚线右侧的"IGBT驱动"和"M"模块分别对应图1中三相逆变桥模块5和无 刷直流电机1LDSP控制系统7中的输入量为参考角度0 1,图2中的"位置解算"模块输出的转 子计算角度L作为反馈量构成位置闭环控制,从而得到电流参考值Irrf;结合换相信号,经 过"相电流参考值计算"模块可分别得到三相电流参考值,与实际电流值构成电流闭环控 制,从而得到输出量控制"IGBT驱动"模块。
[0041] 如图3所示,是本发明的反电势过零点示意图,根据线反电势过零点产生的高低电 平变化信号,由DSP控制器的ECAP模块捕获该信号,并在程序中产生中断处理,每产生一次 中断,即刻读取换相信号,控制相应开关管导通或关断。
[0042]如图4所示,是本发明的线反电势过零点检测电路原理图,根据此电路可以得到规 则的方波信号,高低电平之间的变化表示线反电势由正值变负值或由负值变正直,根据推 导可知,线反电势的过零点即是换相点,对应霍尔位置传感器的输出值,可以模拟霍尔传感 器的位置信号。
[0043]通常无刷直流电机工作在120°激励状态,即每一相在每半个周
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