一种永磁无刷直流电机无位置传感器的驱动方法

摘要

本发明公开了一种永磁无刷直流电机无位置传感器的驱动方法，适用于高速重载情况下的永磁无刷直流电机，属于永磁无刷直流电机控制领域。本发明利用续流相的电流斜率为单调函数这一特点，通过设定相应阀值，可使续流相的相反电势过零点淹没时仍能被检测出。该方法与传统的反电势过零点法相互配合可有效提高永磁无刷直流电机无位置传感器技术的应用范围。该方法无需将绕组的中心点接出，且对电机相反电势波形要求较低，具有较强的适用性。

说明书

技术领域

本发明属于无刷直流电机控制方法的技术领域，涉及无刷直流电机无位置传感器技术， 尤其涉及一种永磁无刷直流电机无位置传感器的驱动方法。

背景技术

永磁无刷直流电机(简称BLDC电机)控制方法简单，功率密度大，效率高，被广泛应用 于高速电力拖动场合。无位置传感器技术作为BLDC电机的一个重要研究方向，省去了电机的 位置传感器，电机轴向长度得以减小，减少了电机设计的约束条件，且提高了系统的可靠性。

基于反电势过零点判断转子位置是应用最为广泛的BLDC电机无位置传感器方案之一。

该方法主要分为两类研究方向：1)端电压/相电压法；2)三次谐波法。

端电压/相电压法检测各相绕组的端电压或相电压，将其与基准信号进行比较获取反电势 的过零点，经过相移后生成BLDC电机换相信号。然而当BLDC电机运行在高速重载场合时， 绕组电流上升，换向周期缩短，相电流不易续流到零，导致过零点被淹没，位置检测失败。

三次谐波法检测绕组中心点与电阻网络中点的电压。该电压理论上与相反电势的三次谐 波分量相等，且不受绕组续流情况的影响，具有较高的适用范围。但该方法要求电机的相反 电势含有较大三次谐波，且需将绕组的中心点引出，不仅电机的电磁设计要求高，还不利于 电机的机械加工。

因此，为了扩展BLDC电机无位置传感器算法的工作区间，提高系统可靠性，研究一种克 服高速重载情况下过零点淹没，且对反电势及绕组接线没有特殊要求的BLDC电机无位置传感 器的驱动方法具有较大意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及的缺陷，提供一种永磁无刷直流电 机无位置传感器的驱动方法，实现永磁无刷直流电机(BLDC电机)高速重载、反电势过零点 淹没的情况下的间接转子位置检测，通过判断绕组续流情况及时切换算法，扩展了无位置传 感器算法的适用转速及负载。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种永磁无刷直流电机无位置传感器的驱动方法，包括以下步骤：

步骤1)，当换相时刻到来时，实时采集续流相的电流；

步骤2)，根据采集到的续流相电流求解其电流斜率；

步骤3)，根据三相逆变桥的母线电压、相绕组的等效电阻、相绕组的等效直轴电感计算 出采集到的续流相电流对应的电流斜率阀值；

步骤4)，将步骤2)中计算出的电流斜率与步骤3)中计算出的电流斜率阀值进行比较；

步骤4.1)，在续流相电流未下降到零时，电流斜率与电流斜率阀值相等，则输出续流相 反电势过零点时的位置检测信号；

步骤4.2)，若续流相的电流下降到零时电流斜率仍未与电流斜率阀值相等，采用传统的 过零点法进行检测，输出反电势过零点时的位置检测信号；

步骤5)，将位置检测信号进行移相处理，生成三相逆变桥的驱动信号；

步骤6)，根据三相逆变器的驱动信号驱动电机运行。

作为本发明一种永磁无刷直流电机无位置传感器的驱动方法进一步的优化方案，所述步 骤3)中计算采集到的续流相电流对应的电流斜率阀值的公式如下：

${\frac{{\mathrm{di}}_k}{\mathrm{dt}}|}_{e_k=0}=\frac{U_{\mathrm{DC}}-3{\mathrm{Ri}}_k}{3L}\approx \frac{U_{\mathrm{DC}}}{3L}$

式中，k代表ABC三相中的续流相，e_k为续流相的反电势，i_k为续流相电流，U_DC为逆 变桥的母线电压，L为无刷直流电机的等效直轴电感，R为无刷直流电机的相电阻。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.在未改变BLDC电机的本体结构的情况下，解决了高速重载情况下过零点淹没，转子 位置无法检测的问题；

2.有效补充了无位置传感器算法的应用范围，且具有较强的通用性。

附图说明

图1为本发明所述的无位置传感器算法的系统框图；

图2为A+B-换相至A+C-，且续流相电流不等于零时的等效电路示意图；

图3(a)为过零点未淹没时B相绕组的相电流(i_b)与相电压(U_bn)的示意图；

图3(b)为过零点淹没时B相绕组的相电流(i_b)与相电压(U_bn)的示意图；

图4为BLDC电机ABC三相反电势示意图；

图5为本发明电流斜率阀值比较算法的示意框图；

图6为斜率阀值计算的示意框图；

图7(a)和图7(b)分别为BLDC电机相反电势为不同形状时的算法波形示意图；

图8为本发明与传统过零点法相结合时的算法流程图。

具体实施方式

本发明通过实时采样续流相中的电流，并计算出相电流斜率后与相关阀值进行比较从而 间接检测出电机转子位置信号。该方法针对反电势过零点被淹没情况，提供了一种新的无位 置传感器的驱动方法，不仅对BLDC电机的相反电势波形要求较低，还无需改变电机结构。

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明公开了一种永磁无刷直流电机无位置传感器的驱动方法，包括以下步骤：

步骤1)，当换相时刻到来时，实时采集续流相的电流；

步骤2)，根据采集到的续流相电流求解其电流斜率；

步骤3)，根据三相逆变桥的母线电压、相绕组的等效电阻、相绕组的等效直轴电感计算 出采集到的续流相电流对应的电流斜率阀值；

步骤4)，将步骤2)中计算出的电流斜率与步骤3)中计算出的电流斜率阀值进行比较；

步骤4.1)，在续流相电流未下降到零时，电流斜率与电流斜率阀值相等，则输出续流相 反电势过零点时的位置检测信号；

步骤4.2)，若续流相的电流下降到零时电流斜率仍未与电流斜率阀值相等，采用传统的 过零点法进行检测，输出反电势过零点时的位置检测信号；

步骤5)，将位置检测信号进行移相处理，生成三相逆变桥的驱动信号；

步骤6)，根据三相逆变器的驱动信号驱动电机运行。

采用本发明的BLDC电机驱动系统组成如图1所示，主要包含四个部分：BLDC电机本体、 三相逆变桥、以DSP或其它类似芯片为核心的控制模块，以及适用于反电势过零点淹没与未 淹没情况(过零点位于续流与非续流区间)的位置检测模块。

其中，续流相反电势过零点淹没的位置检测模块将采集到的三相电流进行微分，得到三 相电流的斜率值，在续流相电流未下降到零时，将计算得到的续流相电流斜率的绝对值与阀 值进行比较间接获得该相的反电势过零点，即转子位置信号。将该位置信号通过控制器移相、 扇区判断等处理，所输出的驱动信号可使BLDC电机在无位置传感器的情况下继续运行。

图2所示为A+B-换相至A+C-，且续流相电流不为零时的电路示意图。图中n点为绕组的 中心点，L为无刷直流电机的等效直轴电感，R为无刷直流电机的相电阻，e_a、e_b、e_c为ABC 三相的反电势。换相前，开关管T1、T4导通，电流由A相流向B相；换相时，T4关断，T6 开通，由于相电感的存在，B相电流无法迅速下降至零，因而通过二极管D3续流流入母线。 此时B相绕组的端电压值钳位为母线电压值，B相电流值减小，C相电流值上升。

当BLDC电机工作在低转速、小负载情况时，续流相电流小且换相周期长，该相反电势过 零点到来前，电流值已下降至零，此时绕组的相电压即为该相反电势。因此，通过检测相电 压即可检测到反电势的过零点，如图3(a)所示。

当BLDC电机工作在高转速、大负载的情况下，绕组电流大且换相周期短。换相开始后， 该相的反电势过零点到来时续流相的电流仍未下降到零。这段时间内，续流相的端电压值始 终被钳位在为母线电压值，导致该相的反电势过零点无法被检测，如图3(b)所示。

对续流二极管导通时的等效电路进行分析，忽略开关管及二极管压降，A、B、C三相有 如下电压方程：

$U_{\mathrm{an}}={\mathrm{Ri}}_a+L\frac{{\mathrm{di}}_a}{\mathrm{dt}}+e_a---\left(1\right)$

$U_{\mathrm{bn}}={\mathrm{Ri}}_b+L\frac{{\mathrm{di}}_b}{\mathrm{dt}}+e_b---\left(2\right)$

$U_{\mathrm{cn}}={\mathrm{Ri}}_c+L\frac{{\mathrm{di}}_c}{\mathrm{dt}}+e_c---\left(3\right)$

式中，U_an、U_bn、U_cn分别代表A、B、C三相的绕组相电压,e_a、e_b、e_c分别为ABC三 相的反电势，i_a、i_b、i_c分别为A、B、C三相的续流相电流。

由于续流二极管D3导通，又有：

U_an＝U_bn   (4)

因三相绕组为星形连接，故有：

i_a+i_b+i_c＝0   (5)

逆变器母线电压为U_DC，有：

U_an-U_cn＝U_DC   (6)

将(1)-(6)式联合可得续流相的斜率：

$\frac{{\mathrm{di}}_b}{\mathrm{dt}}=\frac{U_{\mathrm{DC}}-{3\mathrm{Ri}}_b-(e_b-e_a)-(e_b-e_c)}{3L}---\left(7\right)$

图4所示为BLDC电机的三相反电势e_a、e_b、e_c的示意图。黑框部分为A+B-换相至A+C- 的区间。由图可知，e_b-e_a与e_b-e_c均为单调减函数。由上述结论，忽略绕组电阻压降Ri_b， 结合式(7)可知，续流相电流斜率则为单调增函数，利于阀值比较。

阀值比较算法如图5所示。图中虚线框中代表斜率检测的使能逻辑，其目的是确保斜率 阀值检测仅在续流电流未下降到零时进行检测，避免误脉冲输出。该算法需同时满足两个条 件才可使能阀值比较，一为被测相的上下桥臂同时关断，表示该相为续流相；二为该相的电 流不等于零，表示续流尚未结束，符合阀值比较条件。

由于续流相的电流斜率在通过上管续流与下管续流时符号相反。即续流电流大于零时， 电流斜率小于零；续流电流小于零时，电流斜率大于零。为了方便阀值比较，需将求得的电 流斜率进行绝对值运算，然后与预设阀值比较即可获得过零点信号。

由图4亦可可知，在续流相反电势e_b＝0处，有：

(e_b-e_a)+(e_b-e_c)_eb＝0＝0(8)

将式(8)带入(7)，可得：

${\frac{{\mathrm{di}}_b}{\mathrm{dt}}|}_{e_b=0}=\frac{U_{\mathrm{DC}}-3{\mathrm{Ri}}_b}{3L}\approx \frac{U_{\mathrm{DC}}}{3L}---\left(9\right)$

根据上式可得阀值选取的示意图，如图6所示。由图可知，该阀值需较多参数信息，如 母线电压U_DC、相绕组电阻R、等效直轴电感L等。在实际应用过程中，可忽略绕组电阻压 降，或通过电机静止时向其注入脉冲计算阀值。

图7(a)与图7(b)所示为BLDC电机相反电势为不同形状时的算法波形示意图，

图中由上至下分别为：绕组相电流、绕组相电压与反电势、开关管驱动信号、电流斜率 阀值及电流斜率计算值、阀值比较脉冲。图7(a)中反电势波形接近梯形波，经过图5所示 的使能逻辑及电流斜率计算，可提取出续流时的电流斜率，将其与图6所示的计算出的预定 阀值进行比较，即可获得该相的反电势过零点。

由于电机设计加工的原因，多数BLDC电机的反电势无法呈现较理想的梯形波，往往更偏 向于正弦信号。由图7(b)可知绕组反电势为理想正弦波时，续流相的电流斜率仍为单调函 数，过零点的判断情况与图7(a)一致。说明了本发明可应用于波形反电势非理想的BLDC 电机上，具有较强的普遍性。

本发明所述算法适用范围为高转速、大负载下续流相反电势过零点淹没的情况。当电机 转速较低，或者轻载时，过零点不再淹没，电流斜率还未与设定阀值相等续流即结束，因此 方法不再适用。与此同时，传统的反电势过零点法已被工业界及专家学者验证非常适用与过 零点未淹没的场合，因此本发明可以在过零点法的基础上对无位置传感器算法的适用范围进 行有效补充。

本发明与传统过零点法配合以拓宽BLDC电机无位置传感器算法的流程图如图8所示。换 相时刻到来后，实时采集续流相的电流。当续流相电流未降到0时，求解续流相的电流斜率， 并与设定的阀值进行比较，若电流斜率与阀值相等，代表续流相的反电势过零点被检测到， 该换相周期内的位置检测完成，可输出一个过零点脉冲给控制器。如电流斜率在大于阀值的 区域内续流相电流下降到零,说明此时过零点未淹没，系统切换至传统的过零点法，同样输出 过零点脉冲给控制器，该换相周期内位置检测完成。过零点信号在控制器中经过处理可生成 三相逆变桥的驱动信号驱动电机运行。

综上所述，本发明的永磁无刷直流电机无位置传感器算法能够有效克服电机高速重载情 况下过零点淹没无法检测的问题，与传统过零点法相互配合可有效拓展无位置传感器算法的 工作范围。与此同时，该方法无需改变电机结构，且对电机的相反电势波形要求较低。因此， 本发明具有适用范围广，具有较强的应用价值。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术 语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理 解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一 致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说 明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在 本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护 范围之内。