一种无刷直流电机无位置传感器转子位置校正方法与流程

本发明无位置传感器无刷直流电机控制技术，涉及一种无刷直流电机无位置传感器转子位置校正方法。

背景技术：

无刷直流电机(bldcm)既具有直流电机的控制简单、调速性能好等优点，又具备交流电机运行可靠和维护方便等优点，故其应用范围遍及航空、航天、交通、家电等诸多领域。

无刷直流电机的基本构成包括：电机本体、电子换相电路和转子位置传感器三大部分。电机本体主要由定子和转子组成。电子换相电路一般由驱动部分和控制部分组成。转子位置传感是用于检测电机转子相对于定子的位置，并向控制器提供位置信号的一种装置，是无刷直流电动机的关键部件之一。

然而，转子位置传感器作为无刷直流电机故障发生概率最高的部件，不仅降低了无刷直流电机的可靠性，增加了电机的成本，还增大了电机的体积。因此，无位置传感器的无刷直流电机及其控制技术成为了近些年研究的热点。虽然无位置传感器无刷直流电机的控制技术已经比较成熟，但其换相过程却不如有位置传感器无刷直流电机的精度高。当无刷直流电机换相不精确时，会造成电机的抖动、电流波动加剧、系统效率降低，严重时会造成电机的失步故障，影响其正常运行。因此，高精度换相控制方法的提出，对于改善无位置传感器无刷直流电机的运行性能具有重要的实际意义。

无位置传感器无刷直流电机的换相控制精度，受转子位置检测精度和转子位置补偿精度两方面共同影响。端电压法是最成熟也是最常用的无位置传感器无刷直流电机转子位置检测方法。其中对电机三相电压过零点的检测，直接决定了电机转子位置的准确判断，进而决定能否对电机进行精确换相控制。

技术实现要素：

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种无刷直流电机无位置传感器转子位置校正方法，能够较为有效地提高电机的换相精度，从而改善电机运行的性能，避免因相位超前或滞后而引起的失步故障；与此同时还有助于减小电机的转矩脉动，提高电机的运行效率。

技术方案

一种无刷直流电机无位置传感器转子位置校正方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：在无刷直流电机运行中，在每个斩波周期计数到四分之三占空比时间时刻，测量记录电机的三相电压ua、ub和uc的电压值；

步骤2：以电压为纵轴，电角度为横轴，得到任意三相电压ua、ub或uc的电压与电角度相关的二维图；

步骤3：对ub电压在60°～120°区间的电压值进行数字滤波，去掉最大和最小值各三个值之后，取平均值得到ub1；对240°～300°区间的电压值进行数字滤波，去掉最大和最小值各三个值之后，取平均值得到ub2，计算得到b相端电压偏差δub＝ub2-ub1；

步骤4：当δub的值大于零时，无刷直流电机处于超前换相，增加占空比；当δub的值小于零时，无刷直流电机处于滞后换相，减小占空比；当δub的值等于零时，无刷直流电机处于准确换相，无需调整占空比。

在步骤3中ua电压取代ub电压时，对ua电压在300°～360°区间的电压值进行数字滤波，去掉最大和最小值各三个值之后，取平均值得到ua1；对120°～180°区间的电压值进行数字滤波，去掉最大和最小值各三个值之后，取平均值得到ua2，计算得到b相端电压偏差δua＝ua2-ua1；在步骤4中，当δua的值大于零时，无刷直流电机处于超前换相，增加占空比；当δua的值小于零时，无刷直流电机处于滞后换相，减小占空比；当δua的值等于零时，无刷直流电机处于准确换相，无需调整占空比。

在步骤3中以uc电压取代ub电压时，对uc电压在180°～240°区间的电压值进行数字滤波，去掉最大和最小值各三个值之后，取平均值得到uc1；对0°～60°区间的电压值进行数字滤波，去掉最大和最小值各三个值之后，取平均值得到uc2，计算得到b相端电压偏差δuc＝uc2-uc1；在步骤4中，当δuc的值大于零时，无刷直流电机处于超前换相，增加占空比；当δuc的值小于零时，无刷直流电机处于滞后换相，减小占空比；当δuc的值等于零时，无刷直流电机处于准确换相，无需调整占空比。

有益效果

本发明提出的一种无刷直流电机无位置传感器转子位置校正方法，在每个斩波周期计数到四分之三占空比时间时刻测试得到电机的三相电压ua、ub或uc的电压值；计算某一电压值在上升区间与下降区间的电压偏差；根据该电压偏差判断无刷直流电机是否正常换相并采用pi调节。本发明有助于提高电机的换相精度，减小转矩脉动、提高电机效率，避免因相位严重滞后引起的电机失步故障。

本发明与现有技术相比有如下优点：

1、由于无位置传感器无刷直流电机进行换相时易出现换相点的偏差，引起电机发生超前或滞后换相，造成较大的转矩脉动，甚至造成失步。本发明可以避免电机换相时所产生的尖峰电压对电机换相的影响，实现电机较准确的换相。

2、由于常见的无位置传感器无刷直流电机控制系统都设计了三相电压检测电路，而本方法并不需要增加额外的电路，不会增加系统的硬件成本。此外，本方法也不需要在软件中进行复杂的数学与逻辑计算，对于微处理器的计算速度也没有太高的要求。因此，本方法容易实现，有利于工程应用。

3、适用面广，此方法不仅适用于高电压大功率的无刷直流电机控制系统，对于其他的无刷直流电机控制系统均适用。

附图说明

图1为无刷直流电动机系统电气连接图。

图2为无刷直流电机的反电势过零点与换相点。

图3为超前换相端电压与相电流的波形。

图4为滞后换相端电压与相电流的波形。

图5为校正后精确换相端电压与相电流的波形。

图6为转子位置校正方法的算法流程图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

无刷直流电机最常用的驱动电路是由6个功率管组成的三相全桥功率逆变电路，分成三个桥臂，每个桥臂由上和下两个功率管组成。每个桥臂的中点与三相电机的一相绕组相连(y形接法)，通过改变各开关管的开关状态，就可以实现无刷直流电机的换相(如图1所示)。

正常运行时，无刷直流电机的相电流导通区间应该与反电势波形平顶区间同相，以便产生恒定的电磁转矩，如图2所示。无刷直流电机的换相点可以根据非导通相反电势波形的过零点，再经过延时30°电角度的时间估算得出。主功率逆变器将按照六步换相逻辑在估算出的换相时刻进行换相，从而实现无位置传感器无刷直流电机的换相控制。

经过对于转子位置信号相位与非导通相端电压关系的分析，得出了以下结论：在h_pwm-l_on(上斩下不斩)的调制方式下，非导通相端电压偏差能够较为准确地反映出无位置传感器无刷直流电机转子位置信号的相位偏差。

根据这个结论，提出了一种新型转子位置信号相位的校正方法。该方法以控制非导通相的端电压保持对性称为控制目标，以非导通相端电压的偏差量为反馈量，通过pi调节器调节，及时调整过零点信号延时角度，从而达到自动校正位置信号相位的目的。该控制策略能够实时、有效地校正转子位置相位偏差，提高无位置传感器无刷直流电机转子位置精度，改善电机运行性能。

具体实施例：以一个工作电压为30v无位置传感器无刷直流电机控制系统为对象进行试验验证。

在三相六状态无刷直流电机母线电流检测电路中，电机的三相电压经过电压传感器、然后经滤波、放大之后送入dsp的ad口进行检测。特别强调，此处的滤波仅对斩波频率以上的高频杂波进行滤除。

控制系统软件的控制周期为25us(40khz)，pwm斩波频率为15khz，dsp使用的是ti公司的tms320f28335。

过零点采样和换相算法的具体实施方式按照图4所示的流程图进行。

该方法的具体实现步骤如下，以b相端电压为例：

第一步：对系统控制软件的初始化中，对adc模块进行初始化；将a路pwm与b路pwm设置成同步模式；设置b路pwm比较事件作为adc的中断触发事件：adctrl2.bit.epwm_ena_seq1＝1。

第二步：tms320f28335控制芯片中有a、b两路pwm模块，计算a路pwm占空比值得四分之三作为b路pwm的占空比，在每个斩波周期的四分之三时刻，对电机b相端电压进行采样；

第三步：在换相状态2(如图2中60°～120°区间)中，将检测到的每四个ub数值存入数组ub_filter1中，进行数字滤波，去掉最大最小值各三个值之后，再计算平均值，得出的ub_average1；

第四步：同第三步一样，在换相状态5(如图2中240°～300°区间)中，将检测到的每四个ub数值存入数组ub_filter2中，进行数字滤波，去掉最大最小值各三个值之后，再计算平均值，得出的ub_average2；

第五步：ub_average2和ub_filter1的差值，得到deta_ub，利用pi函数pi_macro()的到需要增减的占空比，来校正电机的换相位置。

图5表示该算法条件下的无刷直流电机的b相端电压波形，从图中可以看出，采用该算法的无刷直流电机控制系统端电压波形趋近于梯形波。