一种无位置传感器无刷电机换相方法与流程

本发明涉及刷直流电机控制系统技术领域，具体涉及一种无位置传感器无刷电机换相方法。

背景技术：

可靠换相是无位置传感器电机控制系统正常工作的基本保证，主要通过对电机的转子相位进行实时的检测，同时采用合适的换相角度补偿，并采用合适通电相序的完成电机定子的顺利换相，实现电机转子光滑连续旋转，该方法可以广泛应用于航空航天、船舶、兵器、电子等军用领域和电动汽车、机器人、无人机等工业电机驱动控制领域。

当前，所采用的无位置传感器无刷电机换相方法，将由硬件滤波、整形、电平转换所得到的信号输入至数字处理芯片，通过检测三路信号的高低电平的变化，组合得到换相相序导通表，再根据当前的转速计算需要延迟的时间，结合换相表完成电机的换相。软件流程如图1所示，该方法包括换相状态检测及换相延迟，首先初始化换相延迟角度，同时检测换相状态的改变，若检测到换相信号则立即进入换相延迟程序，若未检测到则计数器(cx)累加直至检测到换相信号为止；将换相延迟角度等价为定时器数值(α0cx)形式，当程序延迟结束进入换相执行程序，完成电机的换相。

上述电机速度检测方法，有明显的缺陷，表现在以下方面：(1)换相延迟角度α0初始化确定后程序运行时不可调整；(2)该方法对外围硬件电路要求较高，存在外部干扰需要重新调试；(3)在一个转速下选择合适的α0，在另一个转速下往往不适用；(4)在空载确定完成延迟角度α0，在带载的情况下不适用；(5)按照1/6拍计数导致依据计数器cc来判定会产生误差，尤其在电机处于高速的运转状态。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种无位置传感器无刷电机换相方法，该方法可使换相延迟角度α0可在线调整，无需硬件任何延迟信息，不仅抗外部硬件干扰能力强，而且速度适用范围宽。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种无位置传感器无刷电机换相方法，包括以下步骤：

(1)初始化初始电流积分值、延迟计数值、方向标志位计数器值及换相计数器值；

(2)判断当前导通相标志位是否置位，若该标志位为置位，则进行相关导通相相电流计算，若该标志位未置位，则将当前相电流积分值与前次相电流积分值进行比较，判定电机角度补偿方向，并进行换相补偿角度更新判定；

(3)获取换相计数器值，将换相计数器值与定义阈值进行比较，若大于阈值则进行换相补偿角度更新，否则延迟等待，直至换相计数器值大于定义阈值为止。

作为上述技术方案的进一步改进：

步骤(2)中，所述判定电机角度补偿方向，并进行换相补偿角度更新判定，具体包括以下步骤：

若前次积分值小于当前值并超过所设定的阈值，则对方向标志位计数器进行加1操作，同时判断此时方向标志位是否为1，若为1则改变电流积分方向，否则将当前电流积分值赋值给等于前次积分值，同时进行换相补偿角算法更新，并将当前电流计算积分值清零；

若前次积分值大于当前值并超过所设定的阈值，则进行换相补偿角度更新及当前电流值清零。

所述步骤(3)具体包括以下步骤：

当换相补偿角度更新时，则换相计数器加1，检测外部反电动势过零点信号是否改变，若此时过零点信号没有变化，则继续等待，否则对转子周期计数进行求取，并将当前换相计数器值赋值于前次计数器值；

延迟计数器加1操作，并判断该时刻换相计数器值是否大于需要延迟的角度，若大于则进行换相，否则继续等待延迟直至换相计数器大于需要延迟的角度为止。

由上述技术方案可知，本发明克服了现有方案换相延迟角度的离线调节特性、抗硬件电路干扰，在软件中增加换相补偿角度在线调节单元、补偿方向判定等方式，该方法不仅能够提高抗外部硬件干扰、适用速度范围宽、灵活性高等优点，同时该方法无需外部硬件的任何关于电路的延迟信息；能够满足各种无位置传感器电机换相控制的使用，保证电机的可靠换相，从而为速度检测提供保证，从而能够有效改善整个速度闭环的性能，最终实现电机的环路特性。

附图说明

图1是本发明的系统框图；

图2是本发明的方法流程图；

图3是本发明的变量时序图；

图4是现有技术的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所述，本实施例的无位置传感器无刷电机换相方法所采用的系统包括积分运算单元1、换相补偿角度计算单元2、角度补偿方向判定单元3、换相状态判断单元4、电流比较阈值设定单元5及换相延迟单元6。

该积分运算单元1，用于获得当前导通相下相电流的积分值，为后续的电流比较提供依据，进而为后续的角度补偿方向及换相角度补偿计算提供保证，该单元输出结果仅仅决定于当前导通相的电流值，因此，在电机由于换相角度不合适而出现的电流异常现象，均导致该数值的突变。

换相补偿角度计算单元2，用于计算电机在当前速度下需要的换相延迟角度，该单元通过获得当前的电机转速、比例因子及补偿方向控制标志来计算延迟角度，该计算单元通过算法迭代获得。

角度补偿方向判定单元3，用于确定当前补偿角度的补偿方向，需要根据该标志位确定是否为过补偿，及时调整换相角度的补偿方向。

换相状态判断单元4，用于根据外部三路反电动势过零点信号的变化确定当前是否需要换相，若其中的一路信号有变化，则判定电机需要换相，进入相应的换相程序。

电流比较阈值设定单元5，用于设定换相补偿角度计算的终止数值，该参数根据电机的运行状态来确定。

换相延迟单元6，用于将前述计算的补偿角度转换为相对应延迟的计数，用于顺利完成电机的换相过程。

图2所示，本实施例的一种无位置传感器无刷电机换相方法，包括以下步骤：

s1：程序开始运行，初始化初始电流积分值(i0、i1)、延迟计数值(ca)、方向标志位计数器(cm)及换相计数器值(cc)等；

s2：判断导通相计算标志位(flag_x＝1？)是否置位，若此时标志位为置位，则进行相关导通相相电流计算；若当前导通相标志位未置位，则将当前相电流积分值与前次相电流积分值进行比较，若前次积分值小于当前值并超过所设定的阈值(δ)，则对方向标志位计数器进行加1操作(cm＝cm+1)，同时判断此时方向标志位是否为1，若为1则改变电流积分方向角度补偿方向判定，否则将当前电流积分值赋值给等于前次积分值(i1＝i0)，同时进行换相补偿角算法更新，将当前电流计算积分值清零(i0＝0)，换相补偿角度计算：

α0＝α0+(-1)^dk0kfi0/v0

其中，v0表示当前电机转速，d表示补偿方向，k0表示比例因子，是根据电机的极对数进行选取，kf表示电流采样频率，i0表示相电流积分值

从上述式子可以看出：换相补偿角度的大小α0与转速呈现反比例关系，即随着转速的增加换相补偿角度减小；同时与相电流积分值成正比关系，因此，若电机运行在高转速下及轻载下，换相补偿角度调节幅度过大会导致换相误差大，电机出现抖动、停转，严重时烧坏驱动和电机。

s3：若前次积分值大于当前值并超过所设定的阈值，则进行换相补偿角度更新及当前电流值清零；

s4：对换相计数器进行加1操作(cc＝cc+1)，检测外部反电动势过零点信号是否改变(hx)，若此时过零点信号没有变化，则继续等待，否则对转子周期计数进行求取(tc＝cc+ccp)，并将当前换相计数器值赋值于前次计数器值(ccp＝cc)，此时对延迟计数器进行加1操作(ca＝ca+1)，并判断此时换相计数器值是否大于需要延迟的角度(ca>α0tc)，换相延迟，若大于则进行换相，否则继续等待延迟直至换相计数器大于需要延迟的角度为止；

s4：检测此时处于电机a、b、c哪一相，同时将该相标志位置1(flag_x＝1，x为a、b、c中某相)，并进入反馈循环直至满足(|i0-i1|<δ)，结束，其中阈值δ的选定需要参照当前电机的转速、期望转速及极对数进行。

将x＝a,b,c三相进行组合，可获得在一个转子周期内完成三次换相补偿角度的更新，极大提高换相算法的实时性。具体说明如图3所示，当x＝a时，此时根据相标志位可知此时处于a相导通，因此通过对该相电流(ia)的积分获得当前相电流值的计算值i0，此时转子周期为(ta)，通过与该相前一次计算的结果(i1)进行比较，从而确定换相角度的更新及更新方向，并及时将该换相补偿角用于换相算法，使换相过程及时的得到更新；当x＝b，c时，道理相同；因此结合abc三相，换相频率为(gh),在每一个转子机械周期完成换相补偿角度极对数三倍次的更新，增加换相效率。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。