一种基于无位置传感器的短时脉冲的无刷直流电机快速启动方法

摘要

一种基于无位置传感器的短时脉冲的无刷直流电机快速启动方法，提供基于无位置传感器的短时脉冲的无刷直流电机快速启动方法，采用同时采集三相BEMF的方式，将三相的BEMF的值的均值作为中心点电压，以此与当前悬空相的电压进行比较，同时采用预估下一次换相的时间来修正计算误差进行换相操作，实现快速启动，算法实现过程简单，计算量小，可移植性强该方法具有以下技术效果：无需直接采集中心点电压值或者测量中心点波形，减少检测流程；算法实现简单，计算量小，可移植性强，对电机参数依赖性弱；可降低系统开发成本，节约系统调试周期。

说明书

技术领域

本发明公开了基于短时脉冲的无刷直流电机快速启动方法，本发明涉及直流无刷 电机快速启动技术，尤其是涉及一种不依靠位置传感器，直接通过短时脉冲加速的惯性负 载用无刷直流电机快速启动方法。

背景技术

无刷直流电机以其良好的转矩转速特性已经广泛应用在现代生产生活中。无刷直 流电机的启动是否成功直接决定了电机整个运行阶段的控制效果。如图1所示，目前常用的 无刷直流电机启动方式有以下几种。

位置传感器启动方法：依靠安装在电机本体13内的位置传感器HA、HB、HC检测电机 转子的当前位置，按照六步换相对电机进行换相操作。

中心点计算法：不依靠位置传感器，MCU控制单元11通过BEMF(反向电动势)采集单 元14顺序采集电机本体13的相A、相B、相C的BEMF，一个电周期有6个电机状态，每个电机状 态只采集一相BEMF，根据采集的BEMF值计算出当BEMF等于中心点理论电压值时的时间，如 图2所示，MST1～MST6为电机的六个状态，以MST1为例，当前只采集相A的BEMF，只有当相A的 BEMF值和中心点电压相等时计算出过零点时间，以此得到电机的换相时间进行换相操作。

相电流Clark变换法：中国专利《无位置传感器电机启动方法》(杨阳；刘嘉奇；徐世 文，公开号：CN102638216A)提供了一种基于相电流Clark变换实现电机启动的方法，通过给 电机施加固定电压矢量,得到相电流I_s,再对I_s进行Clark变换,得到i_α、i_β,以此估算出力矩 T_e最终实现电机启动。

以上三种方法虽然已经得到一定程度的应用，但均存在不同程度的缺陷。

位置传感器启动法需要加装传感器，一方面增加了硬件的设计成本和维护成本， 另一方面传感器安装位置的误差大小直接决定了电机的输出效率，应用条件受限。

中心点计算法虽然较位置传感器启动法有了一定程度的改进，但是顺序通过BEMF 值计算中心点的时间一般误差较大，很容易在加速过程中造成连续误差累积，同时对于电 机参数依赖性较强，方法的鲁棒性较差。

相电流Clark变换法需要进行大量的矢量变换，计算过程比较繁琐，而且实现过程 难度比较大，对于一般的工程运用凸显一定的局限性。

综上所述，目前三种常用的无刷直流电机启动方法都有各自的弊端，并不适于广 泛的应用要求。

发明内容

本发明着重解决的技术问题在于，克服目前的技术缺陷，提供基于无位置传感器 的短时脉冲的无刷直流电机快速启动方法，采用同时采集三相BEMF的方式，将三相的BEMF 的值的均值作为中心点电压，以此与当前悬空相的电压进行比较，同时采用预估下一次换 相的时间来修正计算误差进行换相操作，实现快速启动，算法实现过程简单，计算量小，可 移植性强。

本发明采用的技术方案是：

基于无位置传感器的短时脉冲的无刷直流电机快速启动方法，如图3所示，该方法 包括以下步骤，

步骤1：首先根据系统要求设定初始短时脉冲加速步数N，N≥15，再根据步数N，设 定每一步的占空比Dx以及对应的执行时间Tx，x的取值范围是[1，N]；

步骤2：根据步骤1中设定的N、Dx、Tx，按照电机六步换相表给电机三相周期性顺序 通电，如表1所示；

表1六步脉冲表

步骤3：同时采集电机33的三相相A、相B、相C的电压，同时将示波器35的三根表笔 分别夹在相A、相B、相C上，便于测量三相的BEMF波形；

步骤4：根据步骤2、3，对电机三相进行顺序加电，测量相应的三相波形，过零点的 判断条件为三相的BEMF的平均值大于(BEMF为上升趋势)或者小于(BEMF为下降趋势)当前 悬空相电压时，判定为过零点出现，记录当前的过零点时间，同时设定有效过零点值个数p 的上限值；

步骤5：根据步骤4中设定的判断条件，具体算法如图4所示，首先设定加速步数N、 对应加速步的占空比D_x以及执行时间Tx的初始值，然后按照表1中设定的加速顺序开始给 电机三相通电；开启ADC模块同时采集三相BEMF，并计算三相BEMF的平均值U_n；在限定的N步 内，对电机悬空相按照步骤4中的判断准则进行判断，如果符合过零点判断条件，则记录当 前的有效过零点时间值，如果不符合过零点判断条件，检测是否符合时间修正条件，具体时 间修正条件为当前步骤的T_x执行完后仍未出现过零点，但当前T_x的值介于上一次有效过零 点的时间值的1.5倍和2倍之间时，则判定此时满足修正条件，将上一次过零点的时间值赋 予当前步的过零点时间值；如果上述两个判断条件均不符合，则认为此时的过零点时间值 无效，进入下一步加速动作；如果上述过零点时间值有效个数p达到设定值则认为加速成 功，进入正常换相阶段；如果p没有达到设定值则继续进入下一步加速动作；如果当x大于N 时仍未满足过零点有效值判定条件，则认为此时加速失败，重新调整加速步数N、对应加速 步的占空比Dx以及执行时间Tx的初始值，此过程通过示波器进行观测修正。

本发明可以有效的作为风扇类惯性负载用无刷直流电机的启动方法。该方法具有 以下技术效果：

(1)无需直接采集中心点电压值或者测量中心点波形，减少检测流程；

(2)算法实现简单，计算量小，可移植性强，对电机参数依赖性弱；

(3)可降低系统开发成本，节约系统调试周期；

附图说明

图1常用的无刷直流电机控制系统模块图。

图2采用中心点计算法实现的电机三相BEMF和中心点的波形关系图。

图3采用短时脉冲快速启动技术的系统模块图。

图4短时脉冲启动算法流程图。

图5采用短时脉冲启动法得到的三相BEMF加速波形。

图6相C加速阶段的BEMF波形。

图7满足时间修正的BEMF波形。

图812V电机启动BEMF波形。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

步骤1：实例所采用的系统为24V系统，电机为5对极星型无刷直流电机，系统模块 如图3所示，系统设定N为40，占空比Dx和Tx生成的加速表为：

Dx＝{800,900,1000,1000,1000,1000,1000,1000,

1000,1000,1000,1000,1000,1000,1000,1000,

1000,1000,1000,1000,1000,1000,1000,1000,

1000,1000,1000,1000,1000,1000,1000,1000,

1000,1000,1000,1000,}

Tx＝{5312,16563,7813,9000,6500,5125,5125,5125,

3875,4000,4000,4000,3250,3625,3187,3187,

2687,3500,2687,3500,2687,2687,2500,2700,

2375,3000,2625,2625,2625,2625,2625,2625,

2000,2625,2000,2625,}

其中D_x/8000为实际占空比值，T_x*0.5212us为实际执行时间值；

步骤2：将系统按照图3接好，示波器35的三根表笔分别接在电机33的三相上，同时 依照步骤1中的加速表值按照表1的加电顺序给电机通电；

步骤3：配置MCU的ADC采集模块，准备同时采集电机33的三相BEMF值，设定p的上限 为3；

步骤4：按照图4的流程图执行程序得到如图5的波形图，如图5所示，第27步的时 候，电机三相波形的BEMF波形均匀对称，说明进入正常换相阶段，此时加速成功，将相A和相 B屏蔽后，如图6所示，单独观测相C就能够清楚的看出从27步以后，相C的BEMF始终对称；

步骤5：将步骤4中的图5进行放大后得到图7，可以看出在图中所标的①②③④处 均出现了时间修正，按照图4中的过零点判断规则，所标四处均不能找到有效的过零点时 间，但是其每一步的执行时间Tx却符合上一次有效过零点的时间值的1.5倍和2倍之间的条 件，因此同样可以判断为有效过零点时间值，这样就可以避免基于通过计算每一步的过零 点而造成的舍弃问题，增加加速启动成功的概率；

将上述方法放在12V、3对极无刷直流电机上运行，依然可以有效启动电机，如图8 所示，电机在第9步时加速成功。通过上述实例，可以得出，基于无位置传感器的短时脉冲的 无刷直流电机快速启动方法可以有效的实现电机启动，同时可以降低算法实现难度，算法 适应性强。

上述具体实现方式用来解释本发明，而不是对本发明的限制。凡是依据本发明的 技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本技术的范围之 内。