无刷直流电机无位置传感器的定频升压启动方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种无刷直流电机无位置传感器的定频升压启动方法及系统，该方法包括：在转子速度达到旋转磁场的速度前，使转子处于失步加速状态，在转子处于失步加速状态下，使换相频率固定，并确定升压范围；在转子速度达到旋转磁场的速度时，转子进入同步运行状态；检测转子位置，判断定子输入的换相信号与检测到的转子位置是否匹配，若定子输入的换相信号与检测到的转子位置匹配，则将当前换相方式切换至反电动势检测换相方式,本发明有效解决了外界扰动以及负载扰动对电机启动影响以及传统启动方法中电机反转的问题。
【专利说明】
无刷直流电机无位置传感器的定频升压启动方法及系统
技术领域
[0001] 本发明设及电动自行车控制领域，特别是设及一种无刷直流电机无位置传感器的 定频升压启动方法及系统。
【背景技术】
[0002] 目前无位置传感器无刷直流电机的启动方式主要有:Ξ段式启动法、预定位启动 法、升频升压启动法、检测脉冲转子定位启动法等。其中ΚΞ段式启动方式、升频升压启动 法实现最为简单。
[0003] 在上述方法中，都需要检测电机转子位置，而对于无位置传感器无刷直流电机，一 般采用反电动势过零点检测法来检测电机转子位置，反电动势过零点检测法通过无刷直流 电机的相电压与无刷直流电机的虚拟中性点通过比较电路得出反电动势过零点，并通过估 算反电动势过零点之后30度电角度所需的时间而得到无刷直流电机的理想换向点，即反电 动势过零点后30度电角度的位置。
[0004] W上无位置传感器无刷直流电机的启动方法具有如下缺点：
[0005] Ξ段式启动法的不足之处：
[0006] (1)受电机负载转矩、外施电压、加速曲线及转动惯量等诸多因素影响。在轻载、小 惯量条件下，Ξ段式启动过程一般能成功实现，但在切换阶段往往运行不平稳，当电机重载 时，切换阶段往往会发生失步导致启动失败。
[0007] (2)"反电动势信号"与外同步信号相位差过大时，Ξ段式启动可导致电机失步，即 使能避免失步，也必然导致切换时电机转矩较小，易受干扰。
[000引（3)通过优化加速曲线，此法能保证电机顺利启动，但是对不同电机、不同负载，所 对应的优化加速曲线不一样，运样控制过程比较繁琐，设及到的数据多。
[0009] 预定位启动的不足之处：
[0010] (1)该启动法使绕组中具有一定大小的反电势信号，其相序是固定不变的，而非随 机的，W保证电机有一个确定的转向，实现电机的正确启动。
[0011] (2)启动可靠，实现简单、方便，对于任意转子初始位置角，都能可靠实现预定位， 保证电机从零速启动并快速切换到无传感器闭环方式运行。
[001 ^ (3)调试中TO和PWM的占空比的选择，W及对加速过程中占空比的变化速度的控制 比较复杂，很难达到理想效果。
[0013] (4)对切换时间要求较严，当电机惯量不同或带一定负载启动时，切换时间需要调 整，否则可能造成启动失败或电机反转现象，因此一般适用于电机空载启动。
[0014] 升频升压同步启动法的不足之处：
[0015] (1)对切换时间没有严格要求，在一定升频速度范围内可在空载、半载W及带一定 负载惯量情况下可靠启动，无反转现象启动过程中电流较大，切换至反电势检测控制方式 运行后电流减小。
[0016] (2)附加的启动电路加大了电机的尺寸，对于较多应用于微型电机中的无刷电动 机是个不小的障碍，而且使电机的可靠性降低。
[0017] 综上所述，上述传统的几种无位置传感器控制策略的启动方法各有优劣之处，Ξ 段式启动法受电机负载转矩、外施电压、加速曲线及转动惯量等诸多因素影响，负载适用性 差，通用性不强;预定位启动法对电机惯量、负载转矩依赖性较大，所W考虑到电动自行车， 启动负载变化范围较大，不允许有反转现象等运行要求，导致了运两种启动方法不能应用 于电动自行车领域。升频升压启动法对启动负载没有要求、无反转现象，但是附加的硬件电 路增加了电机尺寸，降低了电机的可靠性。
【发明内容】
[0018] 为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种无刷直流电机无位 置传感器的定频升压启动方法及系统，其有效解决了外界扰动W及负载扰动对电机启动影 响W及传统启动方法中电机反转的问题。
[0019] 为达上述及其它目的，本发明提出一种无刷直流电机无位置传感器的定频升压启 动方法，包括：
[0020] 步骤一，在转子速度达到旋转磁场的速度前，使转子处于失步加速状态，在转子处 于失步加速状态下，使换相频率固定，并确定升压范围；
[0021] 步骤二，在转子速度达到旋转磁场的速度时，转子进入同步运行状态；
[0022] 步骤Ξ，检测转子位置，判断定子输入的换相信号与检测到的转子位置是否匹配， 若定子输入的换相信号与检测到的转子位置匹配，则将当前换相方式切换至反电动势检测 换相方式。
[0023] 进一步地，于步骤一中，固定换相频率为： 、 ?
[0024] 奏玄?;-- %
[0025] 其中，tN表示第Ν次换相的换相时间，Ν为正整数，该固定换相频率略大于能准确检 测到定子绕组反电动势时驱动电路的换相频率。
[0026] 进一步地，该能准确检测到定子绕组反电动势时，指定子输入的换相信号与检测 到的转子位置匹配时;略大于指大于5 % W内。
[0027] 进一步地，该固定的换相频率。由实验测得
[002引进一步地，该升压范围为：0 <怒 <其中tN表示第N次换相的换相时间，N 鄉，. 为正整数，U表示通电两相的外加电压;η表示转子线圈应数;B表示磁场场强，L表示切割磁 力线的线圈长度，r表示转子半径，陆表示旋转磁场在换相时间tN内通过的电角度。
[0029] 进一步地，于步骤一中，W该固定换相频率按照预先设置好的换相顺序依次导通 逆变电路的开关管，改变电机的通电状态，使电机沿设定的方向旋转。
[0030] 为达到上述目的，本发明还提供一种无刷直流电机无位置传感器的定频升压启动 系统，包括：
[0031] 转子失步加速装置，用于在转子速度达到旋转磁场的速度前，使转子处于失步加 速状态，在转子处于失步加速状态下，使换相频率固定，并确定升压范围；
[0032] 转子同步运行装置，用于在转子速度达到旋转磁场的速度时，使转子进入同步运 行状态；
[0033] 自同步运行装置，用于检测转子位置，判断定子输入的换相信号与检测到的转子 位置是否匹配，若定子输入的换相信号与检测到的转子位置匹配，则将当前换相方式切换 至反电动势检测换相方式。
[0034] 进一步地，该固定换相频率为fi 该固定换相频率略大于能准确检测到定子 f嘴， 绕组反电动势时驱动电路的换相频率;该升压范围为9 < ^ 其中tN表示第N次换 相的换相时间，N为正整数，U表示通电两相的外加电压;η表示转子线圈应数;B表示磁场场 强，L表示切割磁力线的线圈长度，r表示转子半径，?3Ν表示旋转磁场在换相时间tN内通过的 电角度。
[0035] 进一步地，该能准确检测到定子绕组反电动势时，指定子输入的换相信号与检测 到的转子位置匹配时;略大于指大于5 % W内。
[0036] 进一步地，该转子失步加速装置W固定的换相频率按照预先设置好的换相顺序依 次导通逆变电路的开关管，改变电机的通电状态，使电机沿设定的方向旋转。
[0037] 与现有技术相比，本发明一种无刷直流电机无位置传感器的定频升压启动方法及 系统，省略了预定位环节，避免了启动时电机的反转现象，提高了电机带负载能力启动的能 力，并省略了传统升压升频启动中的硬件电路，降低了电机控制系统的复杂性，提高了电机 运行的可靠性。本发明已经通过实验将该方法用于电动自行车控制系统中，其结果证明了 本发明能带不同的负载启动，验证了其在电动自行车控制领域的可行性。
【附图说明】
[0038] 图1为本发明一种无刷直流电机无位置传感器的定频升压启动方法的步骤流程 图；
[0039] 图2为本发明较佳实施例中转子启动过程示意图；
[0040] 图3为本发明较佳实施例中定频升压启动的升压曲线图；
[0041] 图4为本发明一种无刷直流电机无位置传感器的定频升压启动系统的系统架构 图；
[0042] 图5为本发明所应用于无刷直流电机的硬件系统结构示意图。
【具体实施方式】
[0043] W下通过特定的具体实例并结合【附图说明】本发明的实施方式，本领域技术人员可 由本说明书所掲示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同 的具体实例加 W施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离 本发明的精神下进行各种修饰与变更。
[0044] 图1为本发明一种无刷直流电机无位置传感器的定频升压启动方法的步骤流程 图。如图1所示，本发明一种无刷直流电机无位置传感器的定频升压启动方法，包括如下步 骤：
[0045] 步骤101，转子失步加速步骤：即在转子速度达到旋转磁场的速度前，使转子处于 失步加速状态，在转子处于失步加速状态下，使换相频率固定为升压范围为 Q < U <双孩L·'趣 峨；
[0046] 其中：tN表示第Ν次换相的换相时间，Ν为正整数;U表示通电两相的外加电压;η表 示转子线圈应数;Β表示磁场场强;L表示切割磁力线的线圈长度;r表示转子半径;1?表示旋 转磁场在换相时间tN内通过的电角度。
[0047] 步骤102,转子同步运行步骤:在转子速度达到旋转磁场的速度时，转子进入同步 运行状态；
[0048] 步骤103,自同步运行步骤:检测转子位置，判断定子输入的换相信号与检测到的 转子位置是否匹配，若定子输入的换相信号与检测到的转子位置匹配，则将当前换相方式 切换至反电动势检测换相方式。
[0049] 具体地，在步骤101中，固定换相频率：
[0050] it ^ %
[0051] 该固定的换相频率fi由实验测得，换相频率fi应略大于能准确检测到定子绕组反 电动势时驱动电路的换相频率，运里，能准确检测到定子绕组反电动势时，是指定子输入的 换相信号与检测到的转子位置匹配时，略大于，是指大于5% W内。
[0052] 具体地，在步骤101中，W固定的换相频率按照预先设置好的换相顺序依次导通逆 变电路的开关管，改变电机的通电状态，使电机沿设定的方向旋转。
[0053] 具体地说，本发明的启动方法没有强制定位的环节，在启动初始，W固定的频率换 相，同时逐渐增大PWM占空比。初始时刻转子转速较低，此时换相时间远小于机械时间常数， 电机处于失步加速状态。在失步加速过程中，转子在电磁转矩的作用下不断增加速度，由于 定子旋转磁场的速度固定，所W转子的转速会逐渐接近定子旋转磁场的速度，当二者速度 相等时，转子速度不再增加，电机进入外同步加速阶段。当转子达到一定转速后，就能够在 定子绕组中感应出足够大的电动势，硬件电路可W检测到转子位置，此时进行切换条件判 断。当定子输入的换相信号与检测电路检测到的转子位置匹配时，从启动阶段切换到基于 反电势的运行状态，完成电机的启动。
[0054] W下说明本发明之换相频率和升压范围的原理：
[0055] 为便于描述本发明无刷直流电机的启动机理，将转子的圆周运动展成一条直线， 如图2所示。
[0056] 01、阮、抗、化、β日、抗分别对应AB相、CB相、CA相、BA相、BC相、AC相通电期间转子转过 的角度。根据无刷直流电机的换相机理可知，各导通相通电期间，无刷直流电机转子转过的 角度是相等的，即01 = & =抗=化二化= i36ntN为陆对应的导通相通电期间的持续时间，即第Ν 次换相的换相时间，N为正整数。由于转子是处于变加速运动状态的，转过每一个邮的时间 是逐渐减小的，因而tN越来越小，而且随着电机转速的上升，减小的幅度越来越大。如果知 道了电机启动过程中各次换相时间tN的值，就能按照指定的通电相序和已知的换相频率对 直流无刷电机进行加速启动。可见，实现本发明无刷直流电机的启动关键在于确定电机启 动时的换相时间tN。
[0057]对转子启动过程进行受力分析，转子在磁场中的受力F、转动时所需的力矩Μ、定子 线圈切割磁力线产生的反电动势Ε及其电流I分别如公式(1-1)至公式(1-4)所示。
[0化引 F = nBIL (1-1)
[0059] M=Fr = nBILr (1-2)
[0060] E = nB 化= nBc〇Lr (1-3)
[0061 ] (1-4) .巧
[0062]联合公式(1-1)至公式(1-4)不难得出转子所受力矩Μ为 幽]
0-5)
[0064]其中，η为转子线圈应数，Β为磁场场强，L为切割磁力线的线圈长度，r为转子半径， V为线圈线速度，ω为转子的角速度，U是通电两相的外加电压，R为线圈的等效电阻，其中n， B，L，r，R，U为常量。
[00化]A
昏根据角动量定理，有
[0066] Μ悼'二' k}…k's游 （1-6)
[0067] 式中J为转动惯量，滋表示转子的角速度对时间的一阶导数。
[0068] 令^$-^ Y，-'?^3'，得到一个典型的一阶线性非齐次微分方程，解得
[0069]
( 1-7 )
[0070] 此时已经得到了直流无刷电机转子角速度ω的精确表达式，接下来继续求取换相 时间tN。
[0071] 令1^.^;^>由于电机转子转过的角度0是转子角速度〇的积分值，于是可得出下列 式子：
[0072]
( 1-8：)
[0073] 根据无刷直流电机的换相机理，当电机处于正常的同步运行状态时，各导通相通 电期间转过的角度是相等的。在加速过程中，随着电机转子角速度的增加，导通相的通电时 间逐渐减小。即01 = 02 = 03 = ftt = ^ = 06，tl〉t2〉t3〉t4〉t5〉t6。
[0074] 本发明采用的定频升压启动法，在电机启动过程中，驱动电路换相的频率相等，各 导通相导通的时间也相等，即tl = t2 = t3 = t4=t日 = t6=… = tk，即tN = tk，tk表示第k次导通 相导通的时间。启动过程中，转子处于加速状态，其角速度不断增加，转子在相同时间内通 过的电角度也不断增大。目阳1<02<03<04<05<06〇，<故，故表示转子11<内通过的电角 度。各导通相的导通时间相等，则定子旋转磁场的旋转速度恒定。旋转磁场在相同的时间tN 内，通过的电角度邮>故。即在转子速度达到旋转磁场的速度前，无刷直流电机处于失步状 态。
[0075] 旋转磁场的角速度ω s为
[0076]
(1-9》
[0077] 当ω < cOs时，转子速度小于旋转磁场速度，转子处于失步加速状态。
[0078] 当ω = cOs时，转子速度等于旋转磁场速度，转子开始进入同步运行状态。
[0079] 由公式可得：
[0080]
(1-10)
[0081 ]由W上分析可知，当ω = ω S时，转子速度等于旋转磁场速度，为了进入同步状态， 转子不要继续加速，此时需要Μ=0。即：
[0082] U = nBLr ω =nBLr ω s (1-11)
[0083] 代入公式3-9得：
[0084]
Γ1-12)
[0085] 即在启动阶段，电压的变化范围为
[0086]
(1-13)
[0087] 综上所述，本发明提出的定频升压启动法中固定的换相频率为& ，升压范围 为0 <'、?/ < 其中，固定的换相频率fi由实验测得，应略大于能准确检测到定子绕组 反电动势时驱动电路的换相频率。
[0088] 本发明定频升压启动控制过程：
[0089] 本发明提出的定频升压启动方法在启动过程中，W固定的频率fi按照预先设置好 的换相顺序依次导通逆变电路的开关管，改变电机的通电状态，使电机沿设定的方向旋转。 转子在电磁力矩的作用下，向下一个确定位置转动。同时提高PWM占空比，逐步提高电机的 旋转速度，直到达到预定占空比，即I; ·二?啟,5、为止。在初始启动过程中，转子转速较低， 石孤 此时将换相时间设定为固定的换相时间tN，此时换相时间远小于机械时间常数，即电机在 初始启动状态下短暂处于失步状态。此时，由于
[0090]
[0091] 由公式1-10可知，始终有M〉0。即每一个定子磁场旋转周期，电磁转矩的平均值均 大于零，每个周期的转矩平均值大于零。随着转子转速的逐渐平稳，转矩波动逐渐减小。运 样在空间形成一个频率不断上升的旋转磁场，带动转子沿着某一方向连续旋转，使电机加 速到一定转速。当Pmi的占空比增大到预定值，即ssBLrg后，转子角速度逐渐达到g。 此时，电机定子和转子转速相同，且M=0,转子不再加速，电机进入同步运行状态。此时能够 在定子绕组中感应出足够大的电动势，选择合适的时机将启动阶段的换相方法转换至反电 动势检测换相工作状态，就完成了电机的启动。
[0092] 本发明的启动方法的初始失步运行和启动时负载的可变化性，导致了对加速曲线 的精确度要求不高。所W本发明的升压曲线拟合为一次直线。升压曲线如图3所示，Max pwm 表示最大占空比，Min pwm表示最小占空比。由于同一款电动自行车的电机型号相同，电机 参数相同，所W该加速程序可用于批量化电动自行车。
[0093] 在加速阶段，按照升压曲线提高的占空比提高驱动电压，随着电压的增加，电机的 转速也会越来越快，使电机逐渐达到预定的速度。该预定速度应该能够为系统提供足够高 反电势电压来稳定检测转子位置的信息。
[0094] 图4为本发明一种无刷直流电机无位置传感器的定频升压启动系统的系统架构 图。如图4所示，本发明一种无刷直流电机无位置传感器的定频升压启动系统，包括:转子失 步加速装置40、转子同步运行装置41、W及自同步运行装置42。
[0095] 转子失步加速装置40,用于在转子速度达到旋转磁场的速度前，使转子处于失步 加速状态，在转子处于失步加速状态下，使换相频率固定为,?ι巧压范围为6 <
[0096] 其中：tN表示第N次换相的换相时间，N为正整数;U表示通电两相的外加电压;η表 示转子线圈应数;Β表示磁场场强;L表示切割磁力线的线圈长度;r表示转子半径;表示旋 转磁场在换相时间tN内通过的电角度；
[0097] 转子同步运行装置41，用于在转子速度达到旋转磁场的速度时，使转子进入同步 运行状态。
[0098] 自同步运行装置42,用于检测转子位置，判断定子输入的换相信号与检测到的转 子位置是否匹配，若定子输入的换相信号与检测到的转子位置匹配，则将当前换相方式切 换至反电动势检测换相方式。
[0099] 较佳地，该固定换相频率：
[0100]
[0101] 该固定的换相频率fi由实验测得，换相频率。应略大于能准确检测到定子绕组反 电动势时驱动电路的换相频率，运里，能准确检测到定子绕组反电动势时，是指定子输入的 换相信号与检测到的转子位置匹配时，略大于，是指大于5% W内。
[0102] 具体地，转子失步加速装置40W固定的换相频率按照预先设置好的换相顺序依次 导通逆变电路的开关管，改变电机的通电状态，使电机沿设定的方向旋转。
[0103] 图5为本发明所应用于无刷直流电机的硬件系统结构示意图。其中：换相点检测电 路51通过电机的反电动势来检测电机转子的位置;逆变电路52为电机定子提供换相电流， 控制电机的旋转;控制中屯、53提供定子的换相信号，从而控制逆变电路为电机定子提供换 相电流。
[0104] 可见，本发明之定频升压启动方法在启动阶段换相频率与负载无关，升压过程的 PWM占空比控制也只与电机参数有关，所W在电动自行车启动负载不确定的工作环境下，该 启动加速方法有效解决了外界扰动W及负载扰动对电机启动影响W及传统启动方法中电 机反转的问题。
[0105] 综上所述本发明一种无刷直流电机无位置传感器的定频升压启动方法及系统省 略了预定位环节，避免了启动时电机的反转现象。采用失步加速提高了电机带不同负载启 动的能力。并省略了传统升压升频启动中的硬件电路，降低了电机控制系统的复杂性，提高 了电机运行的可靠性。
[0106] 本发明已经通过实验将该方法用于电动自行车控制系统中，其结果证明了本发明 之方案能带不同的负载启动，验证了其在电动自行车控制领域的可行性。
[0107] 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本 领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此， 本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。
【主权项】
1. 一种无刷直流电机无位置传感器的定频升压启动方法，包括： 步骤一，在转子速度达到旋转磁场的速度前，使转子处于失步加速状态，在转子处于失 步加速状态下，使换相频率固定，并确定升压范围； 步骤二，在转子速度达到旋转磁场的速度时，转子进入同步运行状态； 步骤三，检测转子位置，判断定子输入的换相信号与检测到的转子位置是否匹配，若定 子输入的换相信号与检测到的转子位置匹配，则将当前换相方式切换至反电动势检测换相 方式。2. 如权利要求1所述的一种无刷直流电机无位置传感器的定频升压启动方法，其特征 在于，于步骤一中，固定换相频率为：其中，tN表示第N次换相的换相时间，N为正整数，该固定换相频率略大于能准确检测到 定子绕组反电动势时驱动电路的换相频率。3. 如权利要求2所述的一种无刷直流电机无位置传感器的定频升压启动方法，其特征 在于:该能准确检测到定子绕组反电动势时，指定子输入的换相信号与检测到的转子位置 匹配时;略大于指大于5%以内。4. 如权利要求2所述的一种无刷直流电机无位置传感器的定频升压启动方法，其特征 在于:该固定的换相频率fi由实验测得。5. 如权利要求2所述的一种无刷直流电机无位置传感器的定频升压启动方法，其特征 兹、， 在于，该升压范围为：Q 其中tN表示第N次换相的换相时间，N为正整数，U表 示通电两相的外加电压;η表示转子线圈匝数;B表示磁场场强，L表示切割磁力线的线圈长 度，r表示转子半径，βΝ表示旋转磁场在换相时间tN内通过的电角度。6. 如权利要求5所述的一种无刷直流电机无位置传感器的定频升压启动方法，其特征 在于:于步骤一中，以该固定换相频率按照预先设置好的换相顺序依次导通逆变电路的开 关管，改变电机的通电状态，使电机沿设定的方向旋转。7. -种无刷直流电机无位置传感器的定频升压启动系统，包括： 转子失步加速装置，用于在转子速度达到旋转磁场的速度前，使转子处于失步加速状 态，在转子处于失步加速状态下，使换相频率固定，并确定升压范围； 转子同步运行装置，用于在转子速度达到旋转磁场的速度时，使转子进入同步运行状 态； 自同步运行装置，用于检测转子位置，判断定子输入的换相信号与检测到的转子位置 是否匹配，若定子输入的换相信号与检测到的转子位置匹配，则将当前换相方式切换至反 电动势检测换相方式。8. 如权利要求7所述的一种无刷直流电机无位置传感器的定频升压启动系统，其特征 在于:该固定换相频率为匕该固定换相频率略大于能准确检测到定子绕组反电动势 时驱动电路的换相频率；该升压范围为& < US 其中tN表示第N次换相的换相时 间，N为正整数，U表示通电两相的外加电压;η表示转子线圈匝数;B表示磁场场强，L表示切 割磁力线的线圈长度，:Γ表不转子半径，βΝ表不旋转磁场在换相时间tN内通过的电角度。9. 如权利要求8所述的一种无刷直流电机无位置传感器的定频升压启动系统，其特征 在于:该能准确检测到定子绕组反电动势时，指定子输入的换相信号与检测到的转子位置 匹配时;略大于指大于5%以内。10. 如权利要求8所述的一种无刷直流电机无位置传感器的定频升压启动系统，其特征 在于:该转子失步加速装置以固定的换相频率按照预先设置好的换相顺序依次导通逆变电 路的开关管，改变电机的通电状态，使电机沿设定的方向旋转。
【文档编号】H02P6/182GK105871266SQ201610334176
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月19日
【发明人】迟长春, 吕腾飞, 黄洪岳, 刘红松
【申请人】上海电机学院