一种无传感器无刷直流电机变负载运行控制方法与流程

本发明涉及是一种无传感器无刷直流电机在变负载下的运行控制方法，属于无刷直流电机驱动控制领域。

背景技术：

无刷直流电机结构简单，运行可靠，效率较高，因此在众多工业领域得到广泛应用。传统的无位置传感器无刷直流电机的控制方法采用“反电势过零点检测法”，由于其检测电路简单，控制方便，因此得到广泛使用。目前无位置传感器无刷直流电机的启动方式主要有：三段式启动法、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。三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。在轻载、小惯量条件下，三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。预定位启动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。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。以上启动技术对转子位置的判断，需要根据电机参数，所带负载大小预先对启动装置参数进行设置，因此是一种开环控制，难以适应对不同型号或不同负载下电机的启动，换相提前或滞后都将引起过流或失步现象，更严重的将会导致启动失败。

通常情况下，无刷直流电机都是带恒定的或者波动很小的负载，可以根据恒定力矩下的加速曲线来进行开环加速，当达到一定速度后切换为反电势法运行即可。但是无刷直流电机带的是变化的负载时，例如在航空领域，当电机带动活塞发动机时，负载转矩在电机起动及运行过程中不断变化。“反电势法”在开环加速阶段无法检测到准确的过零点，普通的起动方法很难使电机能够正常起动。上述的驱动控制方法使得无位置传感器无刷直流电机的使用范围受到较大限制。

技术实现要素：

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传感器无刷直流电机变负载运行的控制方法，其可以有效解决了外界扰动以及变负载导致电机启动失败的问题。

本发明提出了一种无传感器无刷直流电机变负载运行控制方法，所述方法包括如下步骤：

s10.电机预定位步骤：首先对无刷直流电机进行预定位，将预定位电流设置在0.7倍的额定电流，电机电流采用闭环控制，驱动无刷直流电机的电机轴转动；

s20.电机预定位步骤结束后，检测无刷直流电机是否能够正常旋转，即，使得电机以0.9倍的额定转矩和固定换相时间强制转动一圈；如能正常旋转的话，电机进入开环加速环节；否则显示故障，封锁所有pwm输出；

s30.电机能够正常旋转后进入加速的第一个阶段：强制同步阶段；利用恒流升频控制：电机电流采用pi闭环控制，在强制同步阶段始终保持0.9倍的额定电流，使电机平滑加速；当pi调节后输出的占空比连续2个中断周期小于前一次换相的间隔内最小占空比的1.1倍时，即认为转子已经旋转到位，立即进行换相；在换相的同时，如果连续2-3个换相周期内，未导通相滤波后的反电势都足够大，能够正确计算过零点，则强制同步阶段结束；

s40.随后进入加速的第二个阶段：反电势观测阶段；电机进入反电势观测阶段，继续用0.9倍的额定转矩来对电机进行加速，在这一阶段里，同样需要电流环来保持电流恒定，且利用反电势法来检测换相时间；当电机转速达到预期值，进入稳定工作阶段，通过反电势检测法实现正常换相，通过调节开关管占空比来调节电流进而控制转速；

s50.随后进入第三个阶段：稳定工作阶段；在此阶段无需用0.9倍的额定转矩对电机进行加速，而需要速度环对电机的转速进行控制；通过反电势检测法实现正常换相，通过调节开关管占空比来调节电流进而控制转速；此时即使负载变化，也可以通过双闭环控制使电机转速稳定在某一恒定值附近。

优选的，该方法包括的步骤s20具体为：按照如下表格1中的功率管开关状态模式从1至6依次循环往复进行状态模式切换，实现旋转磁场，产生驱动转矩带动转子转动；电机电流设定为0.9倍的额定电流，换相时间设定为1/p，其中，p为无刷直流电机的极对数。

表格1功率管开关状态模式

优选的，该方法包括的步骤s30具体为：电流环闭环控制状态下，每一个中断周期为一个电流环更新周期，每一个周期更新一次pi调节器的输出，即功率管pwm占空比；当pi调节后输出的占空比连续2个中断周期小于前一次换相的间隔内最小占空比的1.1倍时，即认为转子已经旋转到位，立即进行换相；强制同步阶段的电流给定设定为0.9倍的额定电流。

优选的，该方法包括的步骤s40具体为：该阶段为反电势观测阶段，此时继续用0.9倍的额定电流来对电机进行加速，在此阶段，同样需要电流环来保持电流恒定，且利用反电势检测法来检测换相时间，即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的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；当电机转速达到预期值，进入稳定工作阶段，通过反电势检测法实现正常换相。

优选的，该方法包括的步骤s50具体为：通过反电势过零检测法获取换相时机并切入正常换相后，稳定运行阶段则是由转速开环切入转速闭环运行阶段，通过转速闭环控制加电流闭环控制实现电机转速调节。

本发明提出的控制方法利用电机在定电流情况下起动时，每个换相间隔内开关占空比逐渐减小的特性来判断电机转子是否旋转到位，从而实现电机闭环起动。

本发明的创新之处和有益技术效果在于：本发明所提出的无位置传感器无刷直流电机变负载控制方法，克服了传统的反电势法在变负载情况下不能正常起动的缺点，扩大了无位置传感器无刷直流电机的使用范围。

附图说明

图1为无位置传感器的无刷直流电机控制系统的组成结构示意图。

图2为无刷直流电机稳态运行时的速度和电流控制环路框图。

图3为电流闭环控制框图。

图4为无刷直流电机电枢绕组电流和反电动势波形图。

图5为无刷直流电机无传感器启动过程的4个阶段示意图。

图6为无位置传感器无刷直流电机变负载下的加速阶段流程图。

图7为无位置传感器无刷直流电机的等效电路图。

具体实施方式

以下通过无刷直流电机带螺旋桨负载为特定的具体实施例，并结合附图1-7中说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭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以施行或应用，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。

图1为本发明提出的无位置传感器的无刷直流电机控制系统的组成结构示意图。其中包括：微处理器电路、三相功率桥及其驱动电路、反电动势检测电路以及电机电流检测电路。在此硬件控制系统的基础上实现该控制方法；图2为无刷直流电机稳态运行时的速度和电流控制环路框图。从预定位阶段至进入稳定运行阶段的全过程均采用电流闭环控制。转速则是在稳定运行阶段切入闭环。图3为电流闭环控制框图。电流环控制器采用比例积分法。图4为无刷直流电机电枢绕组电流和反电动势波形图。其中具体给出了电机反电势与绕组电流的时序关系和换相时机。

首先对电机进行预定位。由于负载是随着转速的增大而增大的，为了确保预定位成功，假设电机在带动最大负载进行处理，电机电流采用闭环控制方法，将预定位时的电机电流设定为0.7倍的额定电流(0.7*in)。

电流环控制器一般采用pi调节器以使电流环具有良好的稳态和动态性能，电流环控制器的传递函数为：

电流环的简化结构框图如图3所示。结构简化后的电流环闭环传递函数为：t∑＝tcf+tpwm，k1＝kakpwm，tcf为电流反馈滤波时间常数，前向通道滤波时间常数与tcf相同，tpwm、kpwm分别为逆变器时间常数和放大系数，ra、la分别为电枢绕组电阻和电感，ka为电流检测反馈增益。ti＝la/ra，为电机的电气时间常数。

预定位结束后，首先让电机以0.9倍的额定转矩(0.9*tn)和固定的换相时间(其中p为电机极对数)强制转动一周，通过检测电流和开关管占空比变化来检测电机是否能够正常旋转。能正常旋转的话，电机进入开环加速阶段；不能够正常旋转的话，液晶屏显示电机故障，并封锁所有pwm输出。

随后电机进入强制同步阶段，在这个阶段，为了抑制转矩脉动，防止在加速过程中失步，需要通过电流闭环来保持电流恒定，加速阶段时闭环给定电流设定为0.9倍的额定电流(0.9*in)。

隐极电机电气方程为在电机加速过程中，刚进行换相后到下次换相前的换相时间间隔内，当输出给功率桥的占空比一定时，电流会随着转子转动逐渐增加(绕组反电动势随之增加)，并且如果转子转到指定位置了(反电动势发生跳变)，还不进行换相，那么电流会急剧上升。因此为了保持电流不变，必须减小占空比。因此可以根据这一点来大致判断电机是否旋转到位。

当pi调节后输出的占空比连续2个中断周期小于前一次换相的间隔内最小占空比的1.1倍时，可以认为转子已经旋转到位了，立即进行换相。要注意的问题是，刚刚换相后，pi的输出波动比较厉害，要延迟一段时间再开始记录占空比，并进行比较。

在换相的同时，根据检测到的反电势是否足够大来判断是否可以进入下一个阶段。如果连续2-3个换相周期内，未导通相滤波后反电势都足够大，能够正确计算过零点，则强制同步阶段结束。

图5为无刷直流电机无传感器启动过程的4个阶段示意图。

图6为无位置传感器无刷直流电机变负载下的加速阶段流程图。全过程包括四个阶段，分别是预定位阶段、强制同步阶段、反电势观测阶段和稳定运行阶段。图7为无位置传感器无刷直流电机的等效电路图。

随后进入加速的第二个阶段：反电势观测阶段。在这个阶段，由于前期经历了一段开环加速过程，电机转子已经有了一定的速度，可以正常的检测到反电势。因此可以根据反电势的过零点来判断换相时间。但是电机的转速还未达到指定速度，因此继续用最大转矩来对电机进行加速，在这一阶段里，同样需要电流环来保持电流恒定，并且利用反电势法来检测换相时间。

随后进入第3阶段：稳定工作阶段。在这个阶段不需要用最大转矩对电机进行加速，而是速度环对电机转速进行闭环控制。通过反电势检测法实现正常换相，通过调节开关管占空比来调节电流进而控制转速。这个时候即使负载变化，也可以通过双闭环控制(即：速度换和电流环)使电机转速稳定在某一恒定值附近。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。