一种无刷直流电机的状态控制方法、装置及无刷直流电机与流程

本发明实施例涉及电机技术领域，特别是涉及一种无刷直流电机的状态控制方法、装置及无刷直流电机。

背景技术：

由于无刷直流电机(brushlessdcmotor，bldcm)融合了直流电动机的控制方式简单、转矩特性好、调速性能好以及交流电动机的制造简单、无励磁损耗、功率密度高优势，成为电机领域的翘楚。

但是无刷直流电机的运行需要确定转子的位置信息，传统的方法是采用位置传感器来实时检测转子的位置，但是位置传感器的体积占整个电机系统体积的百分比越来越大，这就使得整个系统难以实现小型化，从而限制了其在精密微小场合的应用，且位置传感器的存在，使得系统复杂程度加大、成本增加、可靠性降低、增加了生产和维护难度并且对电机的制造工艺也带来不利的影响。

针对位置传感器对无刷直流电机控制系统带来的诸多不利因素，现在技术采用无机械位置传感器控制技术，即在电机的运转过程中，由新的位置信号检测方法代替机械的位置传感器来提供逆变桥功率器件换相导通的时序信号。一般都是采用外部检测传感器来对无刷直流电机的转子的位置进行检测，但是由于整个系统中的器件越多，造成整个系统稳定性不好。

因此，如何不通过外接的位置传感器，而只通过三相电压与电流，准确、快速、可靠的得到转子位置信息，从而实现对无刷直流电机的运转，是本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明实施例的目的是提供一种无刷直流电机的状态控制方法、装置以及无刷直流电机，以解决不通过外接的位置传感器，而只通过三相电压与电流，准确、快速、可靠的得到转子位置信息，从而实现对无刷直流电机的运转。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供以下技术方案：

本发明实施例一方面提供了一种无刷直流电机的状态控制方法，包括：

为无刷直流电机的定子绕组施加预设的换向电压，以使处于静止状态的无刷直流电机的转子启动，并获取所述转子的当前位置信息；

根据所述当前位置信息以及所述无刷直流电机的三相电压和电流构建滑模观测器状态空间，并生成电机数学模型，所述电机数学模型根据检测到的反电动势信号生成换向控制信号，以确定转子在60°扇区进行换向的位置信息；

根据所述滑模观测器输出的换向控制信号驱动所述无刷直流电机进行旋转。

可选的，所述为无刷直流电机的定子绕组施加预设的换向电压包括：

根据6步换向方法按序依次为所述无刷直流电机的定子绕组施加电压。

可选的，所述为无刷直流电机的定子绕组施加预设的换向电压为为无刷直流电机的定子绕组施加短时脉冲电压矢量。

可选的，还包括：

在所述转子进行换向时，将根据所述换向控制信号确定的转子换向位置，向用户进行显示。

本发明实施例另一方面提供了一种无刷直流电机的状态控制装置，包括：

转子启动模块，用于为无刷直流电机的定子绕组施加预设的换向电压，以使处于静止状态的无刷直流电机的转子启动，并获取所述转子的当前位置信息；

换向控制信号生成模块，用于根据所述当前位置信息以及所述无刷直流电机的三相电压和电流构建滑模观测器状态空间，并生成电机数学模型，所述电机数学模型根据检测到的反电动势信号生成换向控制信号，以确定转子在60°扇区进行换向的位置信息；

驱动运行模块，用于根据所述滑模观测器输出的换向控制信号，驱动所述无刷直流电机进行旋转。

可选的，所述转子启动模块为根据6步换向信号按序依次为所述无刷直流电机的定子绕组施加电压的模块。

可选的，还包括：

显示模块，用于在所述转子进行换向时，将根据所述换向控制信号确定的转子换向位置，向用户进行显示。

本发明实施例还提供了一种无刷直流电机，包括如前任意一项所述的无刷直流电机的状态控制装置。

本发明实施例提供了一种无刷直流电机的状态控制方法，预先给无刷直流电机的定子绕组施加换向电压，使处于静止状态的无刷直流电机的转子启动，并获取转子的当前位置信息；然后根据转子当前位置信息以及三相电压和电流构建滑模观测器状态空间，滑模观测器检测当前转子转动时产生的反电动势信号利用电机数学模型生成换向控制信号，以确定转子在60°扇区进行换向的位置信息，从而实现驱动无刷直流电机进行旋转。

本申请提供的技术方案的优点在于，通过施加强制的换向电压使转子启动，触发鲁棒性好的滑模观测器建立状态空间，结合三相电压和电流以及检测反电动势信号来确定转子下一个换向的位置，从而生成换向控制信号，准确、快速、可靠的得到转子位置信息，增强了电机启动的平稳性以及成功率，提高了无刷直流电机的鲁棒性，提高了电机运转的可靠性以及准确性。

此外，本发明实施例还针对无刷直流电机的状态控制方法提供了相应的实现装置以及无刷直流电机，进一步使得所述方法更具有实用性，所述装置及无刷直流电机具有相应的优点。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，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的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明实施例提供的一个示例性应用场景下6步换向方法的原理示意图；

图2为本发明实施例提供的一种无刷直流电机的状态控制方法的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种无刷直流电机的状态控制方法的流程示意图；

图4为本发明实施例提供的无刷直流电机的状态控制装置的一种具体实施方式结构图；

图5为本发明实施例提供的无刷直流电机的状态控制装置的另一种具体实施方式结构图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及他们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。

本申请的发明人经过研究发现，滑模观测器将滑模变结构控制理论与无刷直流电机相结合，构建滑模观测器对无刷直流电机的反电势信号进行估计。滑模观测器的特点是结构相对简单，实时性好，并且对观测对象的参数变化有较好的鲁棒性。

但是，在电机处于静止状态下，滑模观测器是无法通过检测转子位置信息，而没有转子当前的位置信息是无法构建滑模观测器的状态空间的。

鉴于此，本申请通过施加强制的换向电压使转子启动，触发鲁棒性好的滑模观测器建立状态空间，结合三相电压和电流以及检测反电动势信号来确定转子下一个换向的位置，从而生成换向控制信号，以确定转子在60°扇区进行换向的位置信息，从而实现驱动无刷直流电机进行旋转。

基于上述本发明实施例的技术方案，下面首先结合图1对本发明实施例的技术方案涉及的一些可能的应用场景进行举例介绍，图1为6步换向方法的原理示意图。

按照6步换向方法按序依次为无刷直流电机施加电压信号，以促使电机转子的启动，在6步换向电压信号施加完成后，切换到滑模观测器对电机的运转进行控制。滑模观测器通过检测当前转子的位置信息，也就是检测微弱的反电动势信号，触发生成状态空间，然后根据三相电流以及电压生成电机的控制信号，以确定转子在60°扇区进行换向的位置信息，从而实现驱动无刷直流电机进行旋转。

需要注意的是，上述应用场景仅是为了便于理解本申请的思想和原理而示出，本申请的实施方式在此方面不受任何限制。相反，本申请的实施方式可以应用于适用的任何场景。

在介绍了本发明实施例的技术方案后，下面详细的说明本申请的各种非限制性实施方式。

首先参见图2，图2为本发明实施例提供的一种无刷直流电机的状态控制方法的流程示意图，本发明实施例可包括以下内容：

s201：为无刷直流电机的定子绕组施加预设的换向电压，以使处于静止状态的无刷直流电机的转子启动，并获取所述转子的当前位置信息。

电机在静止状态下，转子不动，在不添加任何机械位置传感器或者外部传感器时，是无法检测转子的位置信息，故可通过施加强制的换向电压，促使转子运动。

换向电压可为短时脉冲电压矢量，当然，也可为其他类型的电压，换向电压的参数可根据具体实际情况进行选取，本申请对此不做任何限定。

换向电压也可为根据6步换向方法按序依次为无刷直流电机的定子绕组施加电压，具体原理图可参阅图1所示，连续多次实际电压可以减少转子抖动带来的转子位置信息检测错误的情况，在依次施加完6次电压后，可进一步保证电机的运行较为稳定，然后再切换到由滑模观测器对电机进行换向控制，以实现电机旋转。

s202：根据所述当前位置信息以及所述无刷直流电机的三相电压和电流构建滑模观测器状态空间，并生成电机数学模型，所述电机数学模型根据检测到的反电动势信号生成换向控制信号，以确定转子在60°扇区进行换向的位置信息。

滑模观测器为一类动态系统，可根据系统的外部变量(输入变量和输出变量)的实测值得出状态变量估计值的一类动态系统。可应用于状态反馈的技术以及控制工程，例如复制扰动以实现对扰动的完全补偿等。

滑模观测器通过测量实际系统的输入输出，可以得到给定系统内部状态的估计值。由于使用非线性高增益反馈迫使估计状态逼近超平面，使估计输出等同于测量输出。因此，可准确、快速的确定转子的即将换向的位置信息，从而驱动转子进行转动。

由于滑模观测器具有较好的鲁棒性，抗干扰性较强，故电机系统以及外部环境的干扰不影响滑模观测器的输出，从而有利于得到准确的位置信息，提高整个电机的稳定与可靠运行。

以三相电流以及电压作为滑模观测器的输入量，当检测到当前转子的位置信息后，根据电机数学模型可计算出转子的下一个位置信息，也就是换向控制信息。

s203：根据所述滑模观测器输出的换向控制信号驱动所述无刷直流电机进行旋转。

在本申请提供的技术方案中，通过施加强制的换向电压使转子启动，触发鲁棒性好的滑模观测器建立状态空间，结合三相电压和电流以及检测反电动势信号来确定转子下一个换向的位置，从而生成换向控制信号，准确、快速、可靠的得到转子位置信息，增强了电机启动的平稳性以及成功率，提高了无刷直流电机的鲁棒性，提高了电机运转的可靠性以及准确性。

在一种具体的实施方式，所述无刷直流电机的状态控制方法还可包括：

s204：在所述转子进行换向时，将根据所述换向控制信号确定的转子换向位置，向用户进行显示。

在滑模观测器根据当前的反电动势信号估算出转子下一个位置的反电动势信号，可将计算出的反电动势信号转化为可被技术人员识别的转子的位置信息，进行显示。

可通过设置液晶屏进行显示，当然，也可进行发音提示，这均不影响本申请的实现。

通过将即将换向的位置信息进行显示，更方便用户进行查看当前电机的运转是否正常，当发现运转不正常时，可快速进行判断问题的根源，尽快进行维修，有利于提高整个电机的稳定性与可靠性。

本发明实施例还针对无刷直流电机的状态控制方法提供了相应的实现装置，进一步使得所述方法更具有实用性。下面对本发明实施例提供的无刷直流电机的状态控制装置进行介绍，下文描述的无刷直流电机的状态控制装置与上文描述的无刷直流电机的状态控制方法可相互对应参照。

请参见图4，图4为本发明实施例提供的无刷直流电机的状态控制装置在一种具体实施方式下的结构图，该装置可包括：

转子启动模块401，用于为无刷直流电机的定子绕组施加预设的换向电压，以使处于静止状态的无刷直流电机的转子启动，并获取所述转子的当前位置信息。

换向控制信号生成模块402，用于根据所述当前位置信息以及所述无刷直流电机的三相电压和电流构建滑模观测器状态空间，并生成电机数学模型，所述电机数学模型根据检测到的反电动势信号生成换向控制信号，以确定转子在60°扇区进行换向的位置信息。

驱动运行模块403，用于根据所述滑模观测器输出的换向控制信号，驱动所述无刷直流电机进行旋转。

可选的，在本实施例的一些实施方式中，请参阅图5，所述装置例如还可以包括：

显示模块404，用于在所述转子进行换向时，将根据所述换向控制信号确定的转子换向位置，向用户进行显示。

本发明实施例所述无刷直流电机的状态控制装置的各功能模块的功能可根据上述方法实施例中的方法具体实现，其具体实现过程可以参照上述方法实施例的相关描述，此处不再赘述。

由上可知，本发明实施例通过施加强制的换向电压使转子启动，触发鲁棒性好的滑模观测器建立状态空间，结合三相电压和电流以及检测反电动势信号来确定转子下一个换向的位置，从而生成换向控制信号，准确、快速、可靠的得到转子位置信息，增强了电机启动的平稳性以及成功率，提高了无刷直流电机的鲁棒性，提高了电机运转的可靠性以及准确性。

本发明实施例还提供了一种无刷直流电机，可包括如上所述的无刷直流电机的状态控制装置。

本发明实施例所述无刷直流电机的各功能模块的功能可根据上述方法实施例中的方法具体实现，其具体实现过程可以参照上述方法实施例的相关描述，此处不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上对本发明所提供的一种无刷直流电机的状态控制方法、装置及无刷直流电机进行了详细介绍。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的方法及其核心思想。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。