無位置傳感器的無刷直流電機控制方法及控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種無位置傳感器的無刷直流電機控制方法及控制系統(tǒng)，涉及無刷直流電機控制領(lǐng)域，本發(fā)明的方法是一種端電壓大小邏輯換相法，該方法根據(jù)三相繞組端電壓的大小得出三相繞組進行換相的邏輯規(guī)則，通過采集轉(zhuǎn)子三相繞組端電壓信號，輸送到DSP控制器，由DSP控制器分析三相繞組端電壓之間的大小關(guān)系，根據(jù)得出三相繞組換相的邏輯規(guī)則，控制電機繞組自動換相，實現(xiàn)電機的起動，使電機在各種速度下均能穩(wěn)定運行。解決了現(xiàn)有無位置傳感器的無刷直流電機控制方法對系統(tǒng)精確度要求較高，控制過程復(fù)雜，而且在低速時控制效果差、無法實現(xiàn)電機啟動的問題。
【專利說明】無位置傳感器的無刷直流電機控制方法及控制系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無刷直流電機控制領(lǐng)域，具體涉及一種無位置傳感器的無刷直流電機控制方法及控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]無刷電機誕生于20世紀(jì)60年代后期，是伴隨著永磁材料技術(shù)、微電子及電力電子技術(shù)、控制技術(shù)等迅速發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型電機。無刷直流電機，就其基本結(jié)構(gòu)而言，可以認(rèn)為是由電子開關(guān)線路、永磁同步電機和位置傳感器三者組成的“無刷直流電機系統(tǒng)”。無刷直流電機通常通過轉(zhuǎn)子位置傳感器獲取轉(zhuǎn)子位置信號，實現(xiàn)換相；通過轉(zhuǎn)速傳感器獲取轉(zhuǎn)速反饋信號，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速環(huán)的閉環(huán)控制。無刷直流電機的無傳感器控制是指取消傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子位置傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器，而通過測取電機的某些物理量間接地得到轉(zhuǎn)子位置信號，用此信號實現(xiàn)換相，并進一步得到轉(zhuǎn)速的反饋值，從而實現(xiàn)無傳感器閉環(huán)控制。
[0003]目前無刷直流電機無傳感器控制較為典型的控制方法有反電動勢法、定子三次諧波法、電流通路監(jiān)視法、渦流效應(yīng)法、磁通估計法等，其中反電勢法是一種最簡單最實用的轉(zhuǎn)子位置檢測方法。對于采用兩相導(dǎo)通三相六拍運行方式的無刷直流電機而言，三相繞組中在任意時刻總有一相處于斷開狀態(tài)，檢測斷開相的反電勢信號，當(dāng)其過零點時，轉(zhuǎn)子直軸與該相繞組軸線重合，再經(jīng)過30°電角度依照開通順序進行換相。故只要檢測到各相反電勢的過零點，即可獲知轉(zhuǎn)子的若干個關(guān)鍵位置，這就是反電勢法的基本原理。
[0004]反電動勢波形與逆變器功率管觸發(fā)順序邏輯關(guān)系如圖1所示。從圖中可以看出wt=30°電角度為A相反電勢過零時刻，控制電路檢測到這一時刻；延時30°電角度，到60°電角度時切換到A相的反向開關(guān)導(dǎo)通；A相導(dǎo)通120°電角度后，到180°電角度時關(guān)斷A相，切換B相導(dǎo)通。依次類推，就可以實現(xiàn)BLDCM的連續(xù)運轉(zhuǎn)，并且滿足“最佳換相邏輯”。
[0005]申請?zhí)枮?01210002813.5的一篇專利申請文件公開了一種無刷直流電機無位置傳感器控制裝置及方法，裝置包括直流電源、三相逆變器、無刷直流電機、三相逆變器功率器件驅(qū)動電路、微控制器和轉(zhuǎn)子位置檢測電路，直流電源經(jīng)三相逆變器與無刷直流電機連接，轉(zhuǎn)子位置檢測電路連接無刷直流電機進行檢測后輸出的信號直接連接至微控制器的模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入引腳，微控制器的六路輸出經(jīng)三相逆變器功率器件驅(qū)動電路連接至三相逆變器。本方法利用XC878單片機內(nèi)嵌的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元采樣得到電機三相繞組的端電壓，用基于壓差轉(zhuǎn)換的信號處理方法對采樣值進行實時計算處理，得到含有斷開相反電勢信息且幅值為實際反電勢幅值兩倍的反饋信號，獲取反電勢過零點作為電機繞組換組的依據(jù)，從而提高了低速運行時反電勢過零點的檢測精度，達到寬度調(diào)速范圍運行的目的。
[0006]上述專利文獻中的控制方法正式利用了反電勢法，這種方法是通過分析三相繞組反電勢過零點而得出電機通電規(guī)律的，要求能夠準(zhǔn)確地測出各個時刻各相繞組的電壓和其過零點，在測出過零點后再延遲30°電角度才進行通電換相，所以需要精確地檢測出各時刻電機的電壓和轉(zhuǎn)速，這對系統(tǒng)精度的要求很高，而且該法在低速時效果差，無法實現(xiàn)電機起動，需要專門的起動程序。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種無位置傳感器的無刷直流電機控制方法及控制系統(tǒng)，用以解決現(xiàn)有無位置傳感器的無刷直流電機控制方法對系統(tǒng)精確度要求較高，控制過程復(fù)雜，而且在低速時控制效果差、無法實現(xiàn)電機啟動的問題。
[0008]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的方案是:一種無位置傳感器的無刷直流電機控制方法，包括如下步驟:
[0009](I)設(shè)定一個電壓值A(chǔ)V，設(shè)轉(zhuǎn)子三相繞組的端電壓最大幅值為Vmax，最小幅值為Vmin，邏輯O表示為兩種狀態(tài)，即:三相繞組端電壓為Vmin或處于由Vmin向Vmax-Λ V過渡階段；邏輯I表示為兩種狀態(tài)，即:三相繞組端電壓為Vmax或處于由Vmax向Vmin+Λ V過渡階段；
[0010](2)由于端電壓處于過渡階段的對應(yīng)相的繞組不加電壓，而且電流總是從邏輯I狀態(tài)的對應(yīng)相繞組流向邏輯O狀態(tài)的對應(yīng)相繞組，因而根據(jù)步驟(I )，得到三相繞組進行換相的邏輯規(guī)則；
[0011](3)采集轉(zhuǎn)子三相繞組端電壓信號，輸送到DSP控制器的AD轉(zhuǎn)換模塊，得到三相繞組的端電壓值；
[0012](4)根據(jù)步驟(3)得到的端電壓值和步驟(I)中邏輯量的表示方式，將各相繞組的端電壓值分別與Vmax+ Λ V和Vmin- Δ V進行比較，得到每個時刻各相繞組的邏輯量，并根據(jù)步驟(2)中的邏輯規(guī)則實現(xiàn)三相繞組的自動換相；
[0013](5)采集電流值，用于對轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速進行控制，并結(jié)合步驟(4)，由DSP控制器送出PWM控制信號，最終實現(xiàn)對無位置傳感器的無刷直流電機的控制。
[0014]三相繞組進行換相的邏輯規(guī)則如下:
[0015]將電機旋轉(zhuǎn)360°電角度的過程劃分為6種狀態(tài)，三相繞組a、b、c的邏輯量分別為101時，表示電流流向從a到b ;三相繞組a、b、c的邏輯量分別為100時，表示電流流向從a到c ;三相繞組a、b、c的邏輯量分別為110時,表示電流流向從b到c ;三相繞組a、b、c的邏輯量分別為010時，表示電流流向從b到a ;三相繞組a、b、c的邏輯量分別為011時，表示電流流向從c到a ;三相繞組a、b、c的邏輯量分別為001時,表示電流流向從c到b。
[0016]若三相繞組a、b、c的邏輯量分別為000和111時,則三相繞組保持原來導(dǎo)電方式，不進行任何換相操作。
[0017]本發(fā)明還提供一種無位置傳感器的無刷直流電機控制系統(tǒng)，包括直流電源、三相逆變器、驅(qū)動電路、控制器和轉(zhuǎn)子位置檢測電路，所述直流電源經(jīng)三相逆變器用于與直流電機連接，所述轉(zhuǎn)子位置檢測電路連接在三相逆變器的交流側(cè)，轉(zhuǎn)子位置檢測電路的檢測信號輸出端連接控制器的A/D輸入端，所述控制器的驅(qū)動信號輸出端經(jīng)驅(qū)動電路驅(qū)動連接三相逆變器，所述控制器為DSP控制器，所述轉(zhuǎn)子位置檢測電路為一個RC濾波網(wǎng)絡(luò)，用于采集轉(zhuǎn)子三相繞組的各相端電壓信號，在三相逆變器與直流電源連接的回路中還串接有一個采樣電阻，用于采集電機的電流信號。
[0018]所述驅(qū)動電路為MOS功率器件專用柵極驅(qū)動集成電路IR2130芯片。
[0019]所述DSP控制器選用TMS320X281x芯片。
[0020]本發(fā)明達到的有益效果:本發(fā)明的方法是一種端電壓大小邏輯換相法，該方法通過分析三相繞組端電壓之間的大小關(guān)系得出電機繞組的通電換相規(guī)律，并得到三相繞組換相的邏輯規(guī)則，通過采集轉(zhuǎn)子三相繞組端電壓信號，輸送到DSP控制器，由DSP控制器分析三相繞組端電壓之間的大小關(guān)系，根據(jù)得出三相繞組換相的邏輯規(guī)則，控制電機繞組自動換相，實現(xiàn)電機的起動，使電機在各種速度下均能穩(wěn)定運行。這種方法控制簡單，并且可大大提高無刷直流電機的調(diào)速和控制性能，使無刷直流電機無位置傳感器控制策略真正進入實用的階段。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是現(xiàn)有反電勢法中反電動勢波形與逆變器功率管觸發(fā)順序邏輯關(guān)系圖；
[0022]圖2是本發(fā)明無刷直流電機控制系統(tǒng)；
[0023]圖3是本發(fā)明控制方法三相繞組端電壓的波形分析圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0025]本發(fā)明的控制方法實施例:
[0026]本發(fā)明無位置傳感器的無刷直流電機的控制方法包括如下步驟:
[0027](I)設(shè)定一個電壓值A(chǔ)V，設(shè)轉(zhuǎn)子三相繞組的端電壓最大幅值為Vmax，最小幅值為Vmin，邏輯O表示為兩種狀態(tài)，即:三相繞組端電壓為Vmin或處于由Vmin向Vmax-Λ V過渡階段；邏輯I表示為兩種狀態(tài)，即:三相繞組端電壓為Vmax或處于由Vmax向Vmin+Λ V過渡階段；
[0028](2)由于端電壓處于過渡階段的對應(yīng)相的繞組不加電壓，而且電流總是從邏輯I狀態(tài)的對應(yīng)相繞組流向邏輯O狀態(tài)的對應(yīng)相繞組，因而根據(jù)步驟(I )，得到三相繞組進行換相的邏輯規(guī)則；
[0029](3 )采集轉(zhuǎn)子三相繞組端電壓信號，輸送到DSP控制器的AD轉(zhuǎn)換模塊，得到三相繞組的端電壓值；
[0030](4)根據(jù)步驟(3)得到的端電壓值和步驟(I)中邏輯量的表示方式，將各相繞組的端電壓值分別與Vmax+ Λ V和Vmin- Δ V進行比較，得到每個時刻各相繞組的邏輯量，并根據(jù)步驟(2)中的邏輯規(guī)則實現(xiàn)三相繞組的自動換相；
[0031 ] (5 )采集電流值，用于對轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速進行控制，并結(jié)合步驟(4 )，由DSP控制器送出PWM控制信號，最終實現(xiàn)對無位置傳感器的無刷直流電機的控制。
[0032]如圖3所示，圖中Ua、Ub、Uc分別代表檢測到的三相星形繞組的端電壓大小，各相端電壓值恒大于或等于零，w為角速度，t為時間，橫軸代表電機轉(zhuǎn)子各時刻所處的位置。Vmax代表端電壓的最大幅值,而Vmin(約等于O)則代表端電壓的最小幅值。one表示比Vmax小AV的量，zero表示比Vmin大AV的量。Δ V值的確定十分重要，如果選得太大，則容易造成誤操作，在不應(yīng)該換相的時候換相；如果選得太小，則難以完成換相。由圖3可以看出，電機連續(xù)旋轉(zhuǎn)時各相繞組端電壓呈周期性變化，圖中將轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)360°電角度的區(qū)間劃分為六個連續(xù)的等分區(qū)間，字母A到F分別表示這六種不同狀態(tài)。
[0033]分析圖3可知，這六種狀態(tài)代表的各個時刻均滿足:三相繞組總是分別處于不同的狀態(tài)，即總有一相繞組的端電壓處于Vmax，一相繞組的端電壓處于Vmin，而剩下一相則處于由Vmin到Vmax- Λ V或者Vmax到Vmin+ Δ V變化的過渡過程中。顯然，每種狀態(tài)中電流都是從處于端電壓為Vmax的一相流向端電壓為Vmin的一相，即外加電源恰好加在這兩相繞組上，而端電壓處于過渡變化過程的那相則沒有電流流過，即沒有外加電壓，該端電壓僅僅是一個感應(yīng)電勢，即通常意義上的反電勢。同時，進一步分析可知，從理論上來說無刷直流電機的每一次電流換相，即相鄰兩個狀態(tài)的切換，都恰好發(fā)生在端電壓處于過渡變化過程中一相的電壓Vmin達到或者Vmax的一瞬間，圖3中各波形上的每一個拐點都表示該時刻要求電機通電方式發(fā)生改變，所以，只要準(zhǔn)確判斷出這些拐點即可實現(xiàn)正確的換相。
[0034]邏輯I代表某相繞組導(dǎo)電情況處于下面兩種情況:⑴該相繞組端電壓處于最大電壓Vmax ； (2)該相繞組端電壓處于由最大電壓Vmax向最小電壓Vmin變化的過程中，但其值大于Vmin+AV。邏輯O代表某相繞組導(dǎo)電情況處于下面兩種情況:(1)該相繞組端電壓處于最小電壓Vmin ； (2)該相繞組端電壓處于由最小電壓Vmin向最大電壓Vmax變化的過程中，但其值小于Vmax-Λ V。
[0035]如圖3，Uc波形上標(biāo)出的S1、S2和S3代表c相繞組三次邏輯量變化的位置，S1、S2對應(yīng)一個360°電角度的周期，而S3為下一周期的，其中SI到S2這段過程中c相繞組是處于邏輯O的，而S2到S3這段過程中c相繞組則處于邏輯I。按上述規(guī)律依次可得出三相繞組在各狀態(tài)下對應(yīng)的邏輯量，如表1所示，本實施例采用000、001、010、011、100、101、IlOUll來分別描述A~F六種狀態(tài)中a、b、c三相繞組導(dǎo)電狀況的不同組合，三相繞組進行換相的邏輯規(guī)則為:三相繞組a、b、c的邏輯量分別為101時，表示電流流向從a到b ;三相繞組a、b、c的邏輯量分別為100時,表示電流流向從a到c ;三相繞組a、b、c的邏輯量分別為110時，表示電流流向從b到c ;三相繞組a、b、c的邏輯量分別為010時,表示電流流向從b到a ;三相繞組a、b、c的邏輯量分別為011時,表示電流流向從c到a ;三相繞組
a、b、c的邏輯量分別為001時,表示電流流向從c到b。
[0036]表1無刷直流電機正反轉(zhuǎn)狀態(tài)邏輯表
【權(quán)利要求】
1.一種無位置傳感器的無刷直流電機控制方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)設(shè)定一個電壓值ΛV,設(shè)轉(zhuǎn)子三相繞組的端電壓最大幅值為Vmax,最小幅值為Vmin,邏輯O表示為兩種狀態(tài)，即:三相繞組端電壓為Vmin或處于由Vmin向Vmax- Δ V過渡階段；邏輯I表示為兩種狀態(tài)，即:三相繞組端電壓為Vmax或處于由Vmax向Vmin+Λ V過渡階段； (2)由于端電壓處于過渡階段的對應(yīng)相的繞組不加電壓，而且電流總是從邏輯I狀態(tài)的對應(yīng)相繞組流向邏輯O狀態(tài)的對應(yīng)相繞組，因而根據(jù)步驟(1)，得到三相繞組進行換相的邏輯規(guī)則； (3)采集轉(zhuǎn)子三相繞組端電壓信號，輸送到DSP控制器的AD轉(zhuǎn)換模塊，得到三相繞組的端電壓值； (4)根據(jù)步驟(3)得到的端電壓值和步驟(I)中邏輯量的表示方式，將各相繞組的端電壓值分別與Vmax+ Λ V和Vmin- Δ V進行比較，得到每個時刻各相繞組的邏輯量，并根據(jù)步驟(2)中的邏輯規(guī)則實現(xiàn)三相繞組的自動換相； (5 )采集電機的電流信號，用于對轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速進行控制，并結(jié)合步驟(4 )，由DSP控制器送出PWM控制信號，最終實現(xiàn)對無位置傳感器的無刷直流電機的控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無位置傳感器的無刷直流電機控制方法，其特征在于，三相繞組進行換相的邏輯規(guī)則如下: 將電機旋轉(zhuǎn)360°電角度的過程劃分為6種狀態(tài)，三相繞組a、b、c的邏輯量分別為101時，表示電流流向從a到b ;三相繞組a、b、c的邏輯量分別為100時,表示電流流向從a到c ;三相繞組a、b、c的邏輯量分別為110時,表示電流流向從b到c ;三相繞組a、b、c的邏輯量分別為010時,表示電流流向從b到a ;三相繞組a、b、c的邏輯量分別為011時,表示電流流向從c到a ;三相繞組a、b、c的邏輯量分別為001時,表示電流流向從c到b。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無位置傳感器的無刷直流電機控制方法，其特征在于，若三相繞組a、b、c的邏輯量分別為000和111時，則三相繞組保持原來導(dǎo)電方式，不進行任何換相操作。
4.一種采用權(quán)利要求1所述方法的無位置傳感器的無刷直流電機控制系統(tǒng)，包括直流電源、三相逆變器、驅(qū)動電路、控制器和轉(zhuǎn)子位置檢測電路，所述直流電源經(jīng)三相逆變器用于與直流電機連接，所述轉(zhuǎn)子位置檢測電路連接在三相逆變器的交流側(cè)，轉(zhuǎn)子位置檢測電路的檢測信號輸出端連接控制器的A/D輸入端，所述控制器的驅(qū)動信號輸出端經(jīng)驅(qū)動電路驅(qū)動連接三相逆變器，其特征在于， 所述控制器為DSP控制器，所述轉(zhuǎn)子位置檢測電路為一個RC濾波網(wǎng)絡(luò)，用于采集轉(zhuǎn)子三相繞組的各相端電壓信號，在三相逆變器與直流電源連接的回路中還串接有一個采樣電阻，用于采集電機的電流信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的無位置傳感器的無刷直流電機控制系統(tǒng)，其特征在于，所述驅(qū)動電路為MOS功率器件專用柵極驅(qū)動集成電路IR2130芯片。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的無位置傳感器的無刷直流電機控制系統(tǒng)，其特征在于，所述DSP控制器選用TMS320X281x芯片。
【文檔編號】H02P6/18GK103633904SQ201310694378
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月9日
【發(fā)明者】顧金, 陸賢鋒 申請人:國網(wǎng)上海市電力公司