永磁无刷直流电机离散步进控制的运行方法

摘要

本发明永磁无刷直流电机离散步进控制的运行方法，涉及一种电机控制技术，该方法所用装置包括DSP控制模块、功率电路、永磁无刷直流电机、编码器位置检测模块和输入电源模块，针对常用的三相永磁无刷直流电机，将三相电流合成的定子电流矢量离散细分，按一定的循环拍数获得空间的离散定位位置，从而通过控制定子磁场的空间位置，实现电机的定位控制，提高电机的定位精度；又通过对三相电流合成的定子电流矢量在电角度空间位置上按一定的循环拍数离散，获得控制电机运行的离散电流矢量，通过增大循环拍数，得到较小的步进角，提高位置分辨率，从而在保证在带载能力的情况下提高永磁直流无刷电机定位精度。

说明书

技术领域

本发明的技术方案涉及一种电机控制技术，特别涉及永磁无刷直流电机离散步进控制 的运行方法。

背景技术

永磁无刷直流电机是由定子绕组和永磁体转子构成的，没有换相器，其控制特性与有 刷直流电机相似。由于其具有大转矩、高效率、高转速、控制简单和易维护的优点，并且 随着电力电子技术、永磁材料、数字电子技术及新型控制理论的发展，永磁无刷直流电机 在高性能的伺服驱动领域显示出广阔的应用前景。现有的永磁无刷直流电机用霍尔元件检 测转子位置，采用二二导通方式，换向角度为60°，相当于定子磁场每60°跨进一步， 不易进行精确的定位，即便二三导通方式将换向角度缩小一半，但定位精度仍不高。因此， 开发出一种提高永磁无刷直流电机定位精度的方法很有意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供永磁无刷直流电机离散步进控制的运行方法，针 对常用的三相永磁无刷直流电机，将三相电流合成的定子电流矢量离散细分，按一定的循 环拍数获得空间的离散定位位置，从而通过控制定子磁场的空间位置，实现电机的位置控 制，进而实现速度控制；又通过增大循环拍数，得到较小的步进角，提高位置分辨率，从 而在保证在带载能力的情况下提高永磁直流无刷电机定位精度。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：永磁无刷直流电机离散步进控制的运行 方法，以下简称运行方法，其步骤如下：

A.运行方法所用装置及操作：

永磁无刷直流电机离散步进控制的运行方法所用装置，包括DSP控制模块、功率电路、 永磁无刷直流电机、编码器位置检测模块和输入电源模块，其中，输入电源模块为DSP 控制模块、功率电路和编码器位置检测模块进行供电，DSP控制模块、功率电路、永磁无 刷直流电机和编码器位置检测模块依次用导线连接，编码器位置检测模块再与DSP控制模 块用导线相连；首先由输入电源模块给DSP控制模块、功率电路以及编码器位置检测模块 供电，再通过编码器位置检测模块检测永磁无刷直流电机的转子初始位置，并将该电机的 转子位置信号给到DSP控制模块中；

B.运行方法的步骤：

第一步，确定永磁无刷直流电机的位置分辨率：

位置分辨率是指电机旋转一周所包含的机械步进角θ_bm的个数，根据定位要求确定一 个循环周期内的循环拍数b_H及步进角θ_b，这里步进角θ_b为360°电角度按循环拍数b_H等 分后得到的角度，即θ_b＝360°/b_H，因为θ_bm＝θ_b/电机极对数p，则位置分辨率为360°/θ_bm个机械步进角/转，而且定位点数＝循环拍数×电机极对数，于是位置分辨率在数值上与定 位点数的数值相等；

第二步，确定电流矢量的空间离散位置：

所述电流矢量是将永磁无刷直流电机三相电流按“3-2”变换得到α-β坐标分量所 构成的矢量；根据第一步中确定的循环拍数b_H，在静止α-β坐标系下，将电角度一周 360°分成b_H个空间离散位置，得到离散定位点，由此确定电流矢量的空间离散位置；

第三步，选择超前步数，确定给定电流矢量位置的幅值：

根据负载转矩选取超前步数k，根据编码器位置检测模块检测当前电机转子位置θ_m， 换算为电角度θ＝pθ_m；从α轴起对电流矢量按电机运转方向进行编号，根据公式(1) 计算出给定电流矢量序号x，

其中，floor表示向下取整，％表示取余运算；

构造电流矢量六边形，按照二二导通时所产生的6个电流矢量端点连线而成，并取 传统二二导通时的电流矢量最大幅值为I_m，即电流矢量正六边形的外接圆半径,由该电流 矢量六边形与上述第二步中确定电流矢量的空间离散位置所产生的b_H个交点，即离散电 流矢量的端点位置，取θ_x代表给定第x个位置的电流矢量与α轴的夹角，x为电流矢量 序号，θ_x＝xθ_b，电流矢量幅值i_sx可由公式(2)计算得出

第四步，实现永磁无刷直流电机离散步进控制的运行：

重复上述第三步，根据电机转子位置计算得到的电角度θ，按超前步数k依序输出 给定电流矢量i_sx，控制电机跟随给定电流矢量逐步运行，实现永磁无刷直流电机离散步 进控制的运行。

上述永磁无刷直流电机离散步进控制的运行方法，所述循环拍数为6的整数倍，该整 数倍≥3。

上述永磁无刷直流电机离散步进控制的运行方法，所述DSP控制模块中的DSP控制芯 片为美国德州仪器TMS320LF2812，编码器位置检测模块采用12bit精度单圈绝对值编码 器，型号为BE122HS58。

本发明的有益效果是：与现有技术相比本发明所具有的突出的实质性特点如下：

(1)本发明利用定转子磁场相互吸合的原理，通过对电流矢量空间位置的细分，获 得换向角度更小的步进定子磁场，从而驱动转子小角度步进运动，并且这种细分的磁场使 得转子在空间具有更多的定位点，又按循环拍数获得空间的离散定位位置，从而通过控制 定子磁场的空间位置，实现电机的定位控制，从而实现了永磁自流无刷电机的高精度定位 控制。

(2)本发明又通过对三相电流合成的定子电流矢量在电角度空间位置上按一定的循 环拍数离散，获得控制电机运行的离散电流矢量，通过增大循环拍数，得到较小的步进角， 提高位置分辨率，从而在保证在带载能力的情况下提高永磁直流无刷电机定位精度。

(3)本发明在一定程度上减小了换相时的转矩脉动。

(4)本发明运行控制方法电机定位精准，位置精度＜0.1°，且无累积误差，为实现 永磁无刷直流电机在高精度位置场合控制运行打下良好的基础。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为传统二二导通电流矢量端点连成的六边形示意图。

图2(1)为本发明中b_H＝24情况下，超前角度为一个步进角15°时离散电流矢量驱动 电机作步进运动的示意图。

图2(2)为本发明中b_H＝24情况下，超前步数为6时离散电流矢量驱动电机作连续 运动的示意图。

图3为本发明中给定超前转子一个步进角，转子到达第一个位置时，编码器位置检测 模块读取的实线所示的转子位置与虚线所示的转子实际位置的偏差示意图。

图4为本发明永磁无刷直流电机离散步进控制的运行方法所用装置的构成示意框图。

图5为是本发明永磁无刷直流电机离散步进控制的运行方法的控制流程图。

图6(1)为本发明一个循环周期内，循环拍数b_H＝24，超前步数为1时的A相电流 波形。

图6(2)为本发明一个循环周期内，循环拍数b_H＝24，超前步数为1时的转子步进 运行位置图。

图6(3)为本发明一个循环周期内，循环拍数b_H＝24，超前步数为1时的输出电磁 转矩图。

图7(1)为本发明一个循环周期内，循环拍数b_H＝24，超前步数为6时的A相电流 波形。

图7(2)为本发明一个循环周期内，循环拍数b_H＝24，超前步数为6时的转子步进 运行位置图。

图7(3)为本发明一个循环周期内，循环拍数b_H＝24，超前步数为6时的输出电磁 转矩图。

图中，1.DSP控制模块，2.功率电路，3.永磁无刷直流电机，4.编码器位置检测模块， 5.输入电源模块。

具体实施方式

图1所示实施例显示，在电角度空间，将传统二二导通六个电流矢量尖端连接后构 成的六边形，并记这个六边形的外接圆半径为I_m，即电流矢量最大幅值；循环拍数b_H＝24 的离散电流矢量位置划分以及幅值取值，以α轴为起点，将空间等分为24个离散位置， 对应b_H＝24，这些离散位置与六边形的交点确定了本发明方法中控制所需的b_H个离散电流 矢量，控制电机时，则依序给定这些电流矢量，步进角θ_b＝15°。

图2(1)所示实施例表明，在α-β坐标系下，将一个循环周期等分为24份，即循 环拍数为b_H＝24，步进角θ_b＝15°，ψ_f为电机转子N极的轴线位置，运行方向为逆时针方 向，给定电流矢量最大幅值Im，其余各个位置的电流矢量幅值可由公式(2)获得。ψ_f从 与α轴重合的位置开始，初始电机转子位置θ＝0，施加1位置的电流矢量i_s1，超前步数 k＝1步，该电流矢量的幅值由公式(2)确定。电机将在步进转矩的驱动下，向前运行一步。 当转子位置与1位置重合后，超前角度此时为0，电磁转矩为0，电机停在该位置上，完 成一步的运行。再施加2位置的电流矢量，超前步数k＝1，再由公式(2)确定相应电流矢 量的幅值，按恒定频率依次重复该步骤，即依次加3、4、5、…、x、x+1、…位置的电流 矢量，电机将一步一步地运行，并且每一步运行15°，提高了定位精度。

图2(2)所示实施例表明，在α-β坐标系下，将一个循环周期等分为24份，在图 中对每一份进行编号，沿α正半轴顺时针依次编号为0、1、2、3、4、5、…、x、x+1、…、 23位置，循环拍数为b_H＝24，步进角θ_b＝15°，ψ_f为电机转子N极的轴线位置，运行方 向为逆时针方向，给定电流矢量最大幅值Im，其余各个位置的电流矢量幅值可由公式(2) 获得。ψ_f未与离散位置重合，落在了2与3位置之间更靠近2的位置，初始电机转子位 置2θ_b<θ<3θ_b，取换算后的小于其的最大整数位置，转子位置按2位置开始，拟定超前 步数k＝6步，则施加8位置上的电流矢量i_s8，电流矢量的幅值按公式(2)计算，在电机 输出电磁转矩的拖动下，通过编码器位置检测模块4进行位置检测，当检测到转子位置前 进一个步进角，即与3位置重合时，电流矢量向前跃进一步，即施加9位置对应的电流矢 量i_s9。依次重复该步骤，实现带有位置反馈的直流无刷电机以高精度定位步进方式驱动 的连续运行，在图2(2)的驱动过程中，电磁转矩始终大于0，电机连续运行。电机转子位 置电角度θ就是转子N极的轴线位置ψ_f与α轴间的夹角。

图3所示实施例表明，给定超前步数k＝1，按照本发明运行控制方法计算电机电流， 编码器位置检测模块安装的初始位置为0，并且与电机转子位置的θ＝0位置重合，则当编 码器位置检测模块输出为85±1时，给定第2步的电流矢量，当编码器输出为170±1时， 给出第3步电流矢量，以此递增，实现带有位置反馈的直流无刷电机以高精度定位步进方 式驱动的连续运行。

图4所示实施例表明，本发明永磁无刷直流电机离散步进控制的运行方法所用装置的 构成包括DSP控制模块1、功率电路2、永磁无刷直流电机3、编码器位置检测模块4和 输入电源模块5，其中，输入电源模块5为DSP控制模块1、功率电路2和编码器位置检 测模块3进行供电，DSP控制模块1、功率电路2、永磁无刷直流电机3和编码器位置检 测模块4依次用导线连接，编码器位置检测模块4再与DSP控制模块1用导线相连；首先 由输入电源模块5给DSP控制模块1、功率电路2以及编码器位置检测模块4供电，再通 过编码器位置检测模块4检测永磁无刷直流电机3的转子初始位置，并将永磁无刷直流电 机3的转子位置信号给到DSP控制模块1中。

图5所示实施例显示本发明永磁无刷直流电机离散步进控制的运行方法的控制流程 是：开始→确定永磁直流无刷电机的位置分辨率，得到一个周期的循环拍数b_H和步进角 θ_b→按b_H确定电流矢量的空间位置，获得离散定位点→检测电机转子位置电角度θ，确定超前步数k→计算给定的电流矢量序号 →由公式（2）计算给定的电流矢量幅值→给出相应的给定电流矢量isx→返回位置检测→返至检测电机转子位置电角度θ，确定超前步数k。

图6(1)显示了本发明方法一个循环周期内，循环拍数b_H＝24，超前步数为1时的 A相电流波形，即电流-时间曲线。该图说明按照本发明运行方法,A相电流波形呈现非对 称阶梯状，B、C相电流波形与A相电流波形相同，相位各互差120°。

图6(2)显示了本发明方法一个循环周期内，循环拍数b_H＝24，超前步数为1时的 转子步进运行位置图形，即位置-时间曲线。该图说明按照本发明运行方法，转子位置跟 随上电流矢量的位置，转子步进运行位置曲线按等距阶梯状上升，电机步进运行。

图6(3)显示了本发明方法一个循环周期内，循环拍数b_H＝24，超前步数为1时的 输出电磁转矩图形，即电磁转矩-时间曲线。该图说明按照本发明运行方法，电流矢量超 前转子位置1步时总产生恒定大小的转矩，以驱动转子；当转子位置跟随上电流矢量时， 电磁转矩为0。

图7(1)显示了本发明方法一个循环周期内，循环拍数b_H＝24，超前步数为6时的 A相电流波形，即电流-时间曲线。该图说明按照本发明运行方法，A相电流波形呈现对称 的阶梯状，B、C相电流波形与A相电流波形相同，相位互差120°。

图7(2)显示了本发明方法一个循环周期内，循环拍数b_H＝24，超前步数为6时的 转子步进运行位置图形，即位置-时间曲线。该图说明按照本发明运行方法，电机恒速连 续运行，转子步进运行位置曲线以恒定斜率平滑上升。

图7(3)显示了本发明方法一个循环周期内，循环拍数b_H＝24，超前步数为6时的 输出电磁转矩图形，即电磁转矩-时间曲线。该图说明按照本发明运行方法，电流矢量超 前转子位置6步时总产生恒定大小的电磁转矩，在转子运行一步之内，电磁转矩略有变化。

实施例1

A.运行方法所用装置及操作：

永磁无刷直流电机离散步进控制的运行方法所用装置，包括DSP控制模块1、功率电 路2、永磁无刷直流电机3、编码器位置检测模块4和输入电源模块5，其中，输入电源 模块5为DSP控制模块1、功率电路2和编码器位置检测模块4进行供电，DSP控制模块 1、功率电路2、永磁无刷直流电机3和编码器位置检测模块4依次用导线连接，编码器 位置检测模块4再与DSP控制模块1用导线相连；首先由输入电源模块5给DSP控制模块 1、功率电路2以及编码器位置检测模块4供电，再通过编码器位置检测模块4检测永磁 无刷直流电机3的转子初始位置，并将该电机的转子位置信号给到DSP控制模块1中；本 实施例中，DSP控制模块1中的DSP控制芯片采用美国德州仪器TMS320LF2812，编码器位 置检测模块4采用12bit精度单圈绝对值编码器，型号为BE122HS58，即电机旋转一周产 生4096个位置脉冲，编码器与DSP控制芯片进行位置信号通信，记录脉冲数，实时检测 永磁无刷直流电机3的转子位置，经DSP控制芯片读取当前时刻该转子的位置θ后，给 定超前步数得到相应位置处的三相离散电流大小，从而实现永磁无刷直流电机3的离散步 进控制。

B.运行方法的步骤：

第一步，确定永磁无刷直流电机的位置分辨率：

位置分辨率是指电机旋转一周所包含的机械步进角θ_bm的个数，根据定位要求确定一 个循环周期内的循环拍数b_H及步进角θ_b，这里步进角θ_b为360°电角度按循环拍数b_H等 分后得到的角度，即θ_b＝360°/b_H，因为θ_bm＝θ_b/电机极对数p，则位置分辨率为360°/θ_bm个机械步进角/转，而且定位点数＝循环拍数×电机极对数，于是位置分辨率在数值上与定 位点数的数值相等；

第二步，确定电流矢量的空间离散位置：

所述电流矢量是将永磁无刷直流电机三相电流按“3-2”变换得到α-β坐标分量所 构成的矢量；根据第一步中确定的循环拍数b_H，在静止α-β坐标系下，将电角度一周 360°分成b_H个空间离散位置，得到离散定位点，由此确定电流矢量的空间离散位置；

第三步，选择超前步数，确定给定电流矢量位置和幅值：

根据负载转矩选取超前步数k，根据编码器位置检测模块检测当前电机转子位置θ_m， 换算为电角度θ＝pθ_m；从α轴起对电流矢量按电机运转方向进行编号，根据公式(1) 计算出给定电流矢量序号x，

其中，floor表示向下取整，％表示取余运算；

构造电流矢量六边形，按照二二导通时所产生的6个电流矢量端点连线而成，并取 传统二二导通时的电流矢量最大幅值为I_m，即电流矢量正六边形的外接圆半径,由该电流 矢量六边形与上述第二步中确定电流矢量的空间离散位置所产生的b_H个交点，即离散电 流矢量的端点位置，取θ_x代表给定第x个位置的电流矢量与α轴的夹角，x为电流矢量 序号θ_x＝xθ_b，电流矢量幅值i_sx可由公式(2)计算得出

第四步，实现永磁无刷直流电机的步进运行：

重复上述第三步，根据电机转子位置计算得到的电角度θ，按超前步数k依序输出 给定电流矢量i_sx，控制电机跟随给定电流矢量逐步运行，实现永磁无刷直流电机离散步 进控制的运行。

在本实施例中，循环拍数b_H＝24，电机极对数为2，则定位点数为48，此时对编码 器而言，每个机械步进角θ_bm对应的数字增量应为(4096/48＝85.333)，而实际编码器 读数为整数值，在检测位置上存在编码器的精度偏差，除此测量偏差外，考虑编码器的本 身精度误差，取误差限为编码器的计数值1。

给定超前步数k＝6，按照本发明运行控制方法计算电机电流，编码器安装的初始位置 为0，并且与电机转子位置的θ＝0位置重合(参见图3)，则当编码器输出为85±1时， 给定第2步的电流矢量，当编码器输出为170±1时，给出第3步电流矢量，以此递增， 实现带有位置反馈的直流无刷电机以高精度定位步进方式驱动的连续运行。

实施例2

本实施例在一个循环周期内，按照本发明运行方法将三相电流离散，循环拍数b_H＝24 时，电流矢量超前1步时控制电机步进运行，I_m＝5A，每隔0.1s给定电流矢量前进一步， 观测电机A相电流波形(电流-时间曲线)(参见图6(1))、转子步进运行位置图形(位 置-时间曲线)(参见图6(2))以及输出电磁转矩图形(电磁转矩-时间曲线)(参见图6 (3))，从结果可以看出，本实施例用依照实施例1的B运行方法，相电流(图6(1)) 呈现阶梯状的梯形波，每步的起始电磁转矩(参见图6(3))因位置变化呈现周期性的起 伏，转子在该电磁转矩的作用下电机运行，当转子位置与电流矢量位置重合后，电机输出 电磁转矩T为0，转子停在设定的定位点上，实现了步进运行，由图6(2)可见，每步机 械角度为7.5°，位置分辨率得到增加，定位精度也获得提高。除上述区别之外，其他同 实施例1。

实施例3

本实施例在一个循环周期内，按照上述离散步进控制下将三相电流离散，循环拍数 b_H＝24，设定电机机械转速125r/min，最大电流矢量幅值为I_m＝5A，采用超前步数k＝6 进行控制，依照实施例1的B运行方法计算得到相应的电流矢量，计算观测电机恒速运 行状态下的得到的A相电流-时间曲线(参见图7(1))、转子步进运行位置-时间曲线(参 见图7(2))以及输出电磁转矩-时间曲线(参见图7(3))，电磁转矩存在一定的规律性 波动，但上下波动不超过0.5Nm，其变化过程平缓，所提供的电磁转矩在实际中提供相对 稳定的带载能力，能维持电机平稳运行，且易于实现定位控制。除上述区别之外，其他同 实施例1。