專利名稱：一種無刷直流電機(jī)無傳感器線反電勢位置檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無刷直流電機(jī)無傳感器線反電勢位置檢測方法，尤其適用于航天 用控制力矩陀螺產(chǎn)品高速三相無刷直流電機(jī)的位置檢測。
背景技術(shù)：
控制力矩陀螺是航天器重要執(zhí)行部件之一，主要應(yīng)用于大型航天器的姿態(tài)控制以 及中小型航天器的快速機(jī)動，具有廣闊的發(fā)展前景。作為姿控系統(tǒng)的關(guān)鍵執(zhí)行部件，進(jìn)一步 提高控制力矩陀螺產(chǎn)品的可靠性具有重要意義。控制力矩陀螺的高速轉(zhuǎn)子使用無刷直流 電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，無刷直流電機(jī)需要根據(jù)轉(zhuǎn)子位置對電機(jī)繞組電流實施換相控制。目前產(chǎn)品 中通過位置傳感器來得到轉(zhuǎn)子的位置信息。無刷直流電機(jī)無傳感器位置檢測方法，是指在 電機(jī)控制系統(tǒng)中，利用繞組中的相關(guān)變量如定子電流、定子電壓等估算出轉(zhuǎn)子的位置和速 度，取代位置傳感器，實現(xiàn)無刷直流電機(jī)的控制。使用無位置傳感器位置檢測技術(shù)將帶來如 下的優(yōu)勢減少本體導(dǎo)電環(huán)環(huán)數(shù)，提高整機(jī)可靠性；降低電機(jī)本體的復(fù)雜度，減少引線，簡 化電機(jī)的制造工藝，提高可靠性；不受惡劣外部環(huán)境影響，使得電機(jī)適用于惡劣外部環(huán)境條 件；解決了由于位置傳感器安裝精度帶來的換相誤差問題；降低電機(jī)制造成本。在國外，俄羅斯的控制力矩陀螺高速電機(jī)采用了無位置傳感器控制技術(shù)，美國 NASA的儲能飛輪也采用了無位置傳感器控制技術(shù)，均取得了較好的控制效果。目前國內(nèi)的 控制力矩陀螺產(chǎn)品中，無位置傳感器控制技術(shù)還未有應(yīng)用。將無位置傳感器控制技術(shù)應(yīng)用 于控制力矩陀螺產(chǎn)品，不僅能夠保證高速電機(jī)驅(qū)動線路的控制精度，更將使控制力矩陀螺 在本體復(fù)雜度、制造工藝、成本等方面得到很大改善，對于提高產(chǎn)品可靠性具有重要意義。無刷直流電機(jī)無傳感器位置檢測技術(shù)已有六十余年的研究歷史，期間出現(xiàn)了多種 位置檢測方法，然而，在已發(fā)表的文獻(xiàn)中，位置檢測算法研究多是針對三相六拍全橋驅(qū)動的 無刷直流電機(jī)，還未有針對半橋驅(qū)動無刷直流電機(jī)的位置檢測方法。半橋驅(qū)動電路相對全 橋驅(qū)動電路需要的功率器件少、體積小、功耗低、可靠性高，在航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 無刷直流電機(jī)工作時，換相過程會使得三相繞組端電壓產(chǎn)生大的電壓尖峰干擾，導(dǎo)致線反 電勢檢測信號產(chǎn)生電壓尖峰干擾，進(jìn)而導(dǎo)致檢測到的位置信號產(chǎn)生錯誤位置信息，對于此 問題，傳統(tǒng)位置檢測方法中大多采用濾波器濾掉換相干擾，但濾波器帶入的延時會影響位 置檢測精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種無刷直流電機(jī)無傳感 器線反電勢位置檢測方法，解決了使用半橋電路驅(qū)動的無刷直流電機(jī)的位置檢測問題，避 免了由使用濾波器導(dǎo)致的位置檢測誤差問題。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種無刷直流電機(jī)無傳感器線反電勢位置檢測方法， 包括線反電勢檢測信號過零比較步驟和線反電勢位置檢測信號解調(diào)步驟；所述線反電勢檢測信號過零比較步驟為將半橋驅(qū)動無刷直流電機(jī)的三相繞組端電壓兩兩差分，得到三個線反電勢eab、ebc, e。a，三個線反電勢eab、ebc, eca分別通過三個過零 比較器進(jìn)行過零比較，當(dāng)某個線反電勢大于等于零時，則過零比較器的輸出端輸出高電平 的線反電勢位置檢測信號，否則輸出低電平的線反電勢位置檢測信號，三個過零比較器輸 出的三個線反電勢位置檢測信號分別記作HALL_A、HALL_B> HALL_C ；其中 b為A、B相線反電勢，ebc為B、C相線反電勢，eca為C、A相線反電勢，HALL_ A為A相線反電勢位置檢測信號，HALL_B為B相線反電勢位置檢測信號，HALL_C為C相線 反電勢位置檢測信號；所述線反電勢位置檢測信號解調(diào)步驟為(1)對三個線反電勢位置檢測信號HALL_A、HALL_B> HALL_C分別利用A相上升沿 脈沖生成電路、B相上升沿脈沖生成電路、C相上升沿脈沖生成電路進(jìn)行上升沿判斷，生成 三個上升沿監(jiān)測信號pulse_a、pulse_b和pulse_C，當(dāng)某相的線反電勢位置檢測信號有上 升沿發(fā)生時，則由該相的上升沿脈沖生成電路產(chǎn)生寬度為us級的低電平脈沖，否則該相的 上升沿脈沖生成電路產(chǎn)生高電平的上升沿監(jiān)測信號；其中pulse_a為A相上升沿監(jiān)測信號，pulse_b為B相上升沿監(jiān)測信號，pulse_c 為C相上升沿監(jiān)測信號；(2)將三個線反電勢位置檢測信號HALL_A、HALL_B> HALL_C分別送入A相采樣/ 保持器、B相采樣/保持器、C相采樣/保持器；其中任意一相的采樣/保持器的采樣或保 持狀態(tài)由另外兩相的上升沿監(jiān)測信號進(jìn)行控制，當(dāng)另外兩相的上升沿監(jiān)測信號中任何一個 出現(xiàn)us級的低電平脈沖時，則該相采樣/保持器工作在保持狀態(tài)，反之，該相采樣/保持器 工作在采樣狀態(tài)；(3)三相采樣/保持器根據(jù)各自的采樣狀態(tài)或保持狀態(tài)輸出三相位置信號。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明通過對位置檢測信號先進(jìn)行過零比 較，輸出三個監(jiān)測信號，利用三個監(jiān)測信號控制三相采樣/保持器的工作狀態(tài)，利用該方法 能夠去除在任意兩相換相過程中為其余一相造成的干擾，從而避免了濾波器的使用，同時 不會帶入延時，提高了檢測精度，相比其他反電勢檢測方法實現(xiàn)簡單，本發(fā)明無需進(jìn)行電角 度移相運(yùn)算。


圖1為本發(fā)明半橋驅(qū)動電路組成示意圖；圖2為本發(fā)明線反電勢位置檢測流程圖；圖3為本發(fā)明線反電勢位置檢測實現(xiàn)原理圖；圖4為本發(fā)明A相位置信號解調(diào)過程示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。圖1為帶有電壓斬波器的半橋驅(qū)動電路，其中，Vp為功率電源，Up為電壓斬波器輸 出的控制電壓，a、b、c分別為無刷直流電機(jī)A、B、C三相繞組，uag, ubg, Ucg分別為A、B、C三 相輸出的端電壓，r為繞組電阻。本發(fā)明中的半橋驅(qū)動電路在功率電源端加入了電壓斬波 器，通過控制供給三相繞組的電壓進(jìn)行電流控制，電壓斬波器內(nèi)部采用PWM調(diào)制，經(jīng)過濾波處理后輸出控制電壓，PWM開關(guān)干擾通過斬波器內(nèi)部濾除掉，不會位置檢測造成干擾。相對 全橋驅(qū)動電路的無刷直流電機(jī)的線反電勢位置檢測法，本發(fā)明無需考慮PWM調(diào)制對位置檢 測的影響，實現(xiàn)簡單。該驅(qū)動電路任意一個時刻只有一相導(dǎo)通，當(dāng)某一相導(dǎo)通時，另外兩個非導(dǎo)通相之 間的線電壓即為兩個非導(dǎo)通相之間的線反電勢。當(dāng)A相導(dǎo)通，B、C相懸空時B相反電勢信號q = up-ubg, C相反電勢信號e。= Up-Uc;g?？梢缘玫紹、C相線反電 勢信號 eb。= Ucg-Ubg0當(dāng)B相導(dǎo)通，C、A相懸空時C相反電勢信號e。= up_u。g，A相反電勢信號ea = up_i^g?？梢缘玫紺、A相線反電 勢信號 e。a = Uag-Uc^當(dāng)C相導(dǎo)通，A、B相懸空時A相反電勢信號ea = up_uag，B相反電勢信號q = Up-Ubg0可以得到A、B相線反電 勢信號 eab = Ubg-I^g。如圖2所示，本發(fā)明的檢測方法主要包括線反電勢過零比較和位置檢測信號解調(diào) 兩個個步驟。本實例中無刷直流電機(jī)為三相八對極，額定工作轉(zhuǎn)速為7000rpm。如圖3所示，三相反電勢過零比較的方法為三個線反電勢信號e。a、eabAb。分別送 入三個過零比較器，當(dāng)線反電勢檢測信號大于等于零時，輸出+5V高電平的位置檢測信號， 反之輸出OV低電平的位置檢測信號。通過過零比較器得到的三個反電勢位置檢測信號，分 別記作 HALL_A、HALL_B> HALL_C。對過零比較輸出的位置信號進(jìn)行檢測解調(diào)的過程為對三個線反電勢的位置檢測 信號HALL_A、HALL_B> HALL_C分別利用A相上升沿脈沖生成電路、B相上升沿脈沖生成電 路、C相上升沿脈沖生成電路進(jìn)行上升沿判斷，生成三個上升沿監(jiān)測信號pUlSe_a、pulse_b 和pulSe_C。當(dāng)某相的位置檢測信號有上升沿發(fā)生時，該相上升沿脈沖生成電路產(chǎn)生寬度為 50us的OV低電平脈沖監(jiān)測信號，無上升沿發(fā)生時，上升沿脈沖生成電路輸出+5V高電平監(jiān) 測信號；(2)將三個線反電勢的位置檢測信號HALL_A、HALL_B> HALL_C分別送入三個采樣 /保持器，A相采樣/保持器、B相采樣/保持器、C相采樣/保持器。( A相采樣/保持器的采樣或者保持狀態(tài)由B、C兩相的上升沿監(jiān)測信號pulSe_ b和pulse_c進(jìn)行控制。當(dāng)pulse_b和pulse_c有任何一個為低電平脈沖時，采樣/保持 器工作在保持狀態(tài)，反之，采樣/保持器工作在采樣狀態(tài)。實際上，當(dāng)B相或C相有上升沿 發(fā)生時，正是B相或C相的換相時刻，在換相過程中，A相繞組端電壓會產(chǎn)生大的電壓尖峰 干擾，導(dǎo)致線反電勢檢測信號％3產(chǎn)生電壓尖峰干擾，進(jìn)而導(dǎo)致A相檢測到的位置檢測信號 HALL_A存在錯誤信息，如圖4所示，利用pulSe_b和pulse_C控制采樣保持器的動作，可分 別使HALL_A在B相和C相換相時刻A相帶入的錯誤信息被屏蔽掉，得到A相正確的位置信 號 hall_a0同理，B相采樣/保持器的采樣或者保持狀態(tài)由A、C兩相的上升沿監(jiān)測信號 pulse_a* pulse_c進(jìn)行控制。當(dāng)pulse_a* pulse_c有任何一個為低低電平脈沖時，采 樣/保持器工作在保持狀態(tài)，反之，采樣/保持器工作在采樣狀態(tài)。B相檢測到的位置信號HALL_B在A、C兩相換相時刻帶入的錯誤信息被屏蔽掉，得到B相正確的位置信號hall_b。C相采樣/保持器的采樣或者保持狀態(tài)由A、B兩相的上升沿監(jiān)測信號pulses和 pulse_b進(jìn)行控制。當(dāng)pulsej* pulse_b有任何一個為低低電平脈沖時，采樣/保持器工 作在保持狀態(tài)，反之，采樣/保持器工作在采樣狀態(tài)。C相檢測到的位置信號HALL_C在A、 B兩相換相時刻帶入的錯誤信息被屏蔽掉，得到C相正確的位置信號hall_c。(4)采樣/保持器的輸出hall_a、hall_b和hall_c即為檢測得到的A、B、C三相 位置信號。本發(fā)明未詳細(xì)描述內(nèi)容為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1. 一種無刷直流電機(jī)無傳感器線反電勢位置檢測方法，其特征在于包括線反電勢檢測 信號過零比較步驟和線反電勢位置檢測信號解調(diào)步驟；所述線反電勢檢測信號過零比較步驟為將半橋驅(qū)動無刷直流電機(jī)的三相繞組端電壓 兩兩差分，得到三個線反電勢eab、ebc, e。a，三個線反電勢eab、ebc, eca分別通過三個過零比較 器進(jìn)行過零比較，當(dāng)某個線反電勢大于等于零時，則過零比較器的輸出端輸出高電平的線 反電勢位置檢測信號，否則輸出低電平的線反電勢位置檢測信號，三個過零比較器輸出的 三個線反電勢位置檢測信號分別記作HALL_A、HALL_B> HALL_C ；其中為A、B相線反電勢，ebc為B、C相線反電勢，eca為C、A相線反電勢，HALL_A為 A相線反電勢位置檢測信號，HALL_B為B相線反電勢位置檢測信號，HALL_C為C相線反電 勢位置檢測信號；所述線反電勢位置檢測信號解調(diào)步驟為(1)對三個線反電勢位置檢測信號HALL_A、HALL_B>HALL_C分別利用A相上升沿脈沖 生成電路、B相上升沿脈沖生成電路、C相上升沿脈沖生成電路進(jìn)行上升沿判斷，生成三個 上升沿監(jiān)測信號pulse_a、pulse_b和pulse_C，當(dāng)某相的線反電勢位置檢測信號有上升沿 發(fā)生時，則由該相的上升沿脈沖生成電路產(chǎn)生寬度為us級的低電平脈沖，否則該相的上升 沿脈沖生成電路產(chǎn)生高電平的上升沿監(jiān)測信號；其中pulse_a為A相上升沿監(jiān)測信號，pulse_b為B相上升沿監(jiān)測信號，pulse_c為C 相上升沿監(jiān)測信號；(2)將三個線反電勢位置檢測信號HALL_A、HALL_B>HALL_C分別送入A相采樣/保持 器、B相采樣/保持器、C相采樣/保持器；其中任意一相的采樣/保持器的采樣或保持狀 態(tài)由另外兩相的上升沿監(jiān)測信號進(jìn)行控制，當(dāng)另外兩相的上升沿監(jiān)測信號中任何一個出現(xiàn) us級的低電平脈沖時，則該相采樣/保持器工作在保持狀態(tài)，反之，該相采樣/保持器工作 在采樣狀態(tài)；(3)三相采樣/保持器根據(jù)各自的采樣狀態(tài)或保持狀態(tài)輸出三相位置信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無刷直流電機(jī)無傳感器線反電勢位置檢測方法，包括線反電勢檢測信號過零比較步驟和線反電勢位置檢測信號解調(diào)步驟。本發(fā)明通過對位置檢測信號先進(jìn)行過零比較，輸出三個監(jiān)測信號，利用三個監(jiān)測信號控制三相采樣/保持器的工作狀態(tài)，利用該方法能夠去除在任意兩相換相過程中為其余一相造成的干擾，從而避免了濾波器的使用，同時不會帶入延時，提高了檢測精度，相比其他反電勢檢測方法實現(xiàn)簡單，本發(fā)明無需進(jìn)行電角度移相運(yùn)算。
文檔編號H02P6/18GK102055392SQ20101061171
公開日2011年5月11日 申請日期2010年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月17日
發(fā)明者史梅花, 史永麗, 周大寧, 孫仲華, 張激揚(yáng), 李剛, 翟百臣, 魯明 申請人:北京控制工程研究所