一种无位置传感器无刷直流电机的电流闭环启动方法

摘要

本发明公开了一种无位置传感器无刷直流电机的电流闭环启动方法,利用转子初始位置预定位与精确定位相结合的电流闭环启动方法，只需一个电流传感器，成本低，可靠性高，能保证系统在整个启动过程中均处于电流闭环工作状态，不会出现失步与启动失败现象；常规预定位一般只能将转子定位在60°电度角空间内，电流比较阈值实现了精准预定位与优化定位，可以将转子定位进一步精确到±6°电度角空间内，从而保证电机在启动时得到最理想启动转矩；传统启动方式为开环控制，而新技术采用电流阈值比较作为反馈量进行闭环，不需要预先确定电机负载、电路启动参数等，保证了启动过程中电机在定位、加速、切换等各个环节中均形成闭环控制。

说明书

技术领域

本发明属于技术领域，具体涉及一种无位置传感器无刷直流电机的电流闭环启动方法。

背景技术

无刷直流电机无位置传感器技术解决了在不使用位置传感器的情况下捕获转子位置信息的方法，从而准确实现对电机换相控制。但是，当电机静止时或电机处于低速运行状态时无位置传感器技术存在无法获取转子位置信息或获取困难的问题，尤其是电机在启动加速过程中转子位置更难以判断，因此无位置传感器无刷直流电机控制系统必须使用专用的启动与加速装置。三段式启动法、升频升压启动法、多脉冲检测法等方法已成为目前广泛采用的方法。但是以上启动技术对转子位置的判断，需要根据电机参数，所带负载大小预先对启动装置参数进行设置，因此是一种开环控制，难以适应对不同型号或不同负载下电机的启动，换相提前或滞后都将引起过流或失步现象，更严重的将会导致启动失败。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种无位置传感器无刷直流电机的电流闭环启动方法，能够实时跟踪转子当前所在位置，并及时进行换相，保证电机可靠启动。

一种无刷直流电机的电流闭环启动方法，所述无刷直流电机的三相电源信号分别对应AX、BY和CZ三相定子绕组，其中，启动方法包括如下步骤：

步骤1、转子位置预定位，具体包括如下步骤：

S11、针对直流电机的三相定子绕组AX、BY和CZ，将三个绕组进行两两串联组合，得到3种组合方式，将三种组合分别施加一个电压V矢量脉冲，电机母线采集得到3个矢量电流；然后将三种组合再分别施加反向电压矢量脉冲，电机母线采集又得到3个矢量电流；

S12、设定电流比较的参考阈值为ΔI＝0.2×I_Max,其中，I_Max表示S11中得到的六个矢量电流I₁～I₆中的最大值；然后使用虚线L1～L6将转子转动的360度电角度均分成6个角度区域，其中，线段L1L2，为绕组AX、BY的角平分线，线段L3L4为绕组BY、CZ的角平分线，线段L5L6为绕组CZ、AX的角平分线；

S13、向绕组AX和BY的串联组合注入电压矢量V_AB，向绕组BY和AX的串联组合注入电压矢量V_BA，采集母线电流分别为I₂和I₅，然后判断：如果I₂>I₅且|I₂-I₅|>ΔI，则转子的N极在线段L1L2的左侧，否则转子在线段L1L2的右侧，由此将转子定位在了180°的电角度区域中；

S14、向绕组CZ和BY的串联组合中注入电压矢量V_CB，向绕组AX和CZ的串联组合注入电压矢量V_AC，然后采集得到母线电流I₃与I₁，按照表1判断转子位置；

表1

序号 电流比较 转子位置 1 I₁>I₂>I₃L1～L3之间 2 I₁<I₂<I₃L5～L2之间 3 I₁<I₂,I₂>I₃L3～L5之间

步骤2、转子位置精确定位，具体为：

根据步骤1中S14的转子位置判断结果，先确定N极所在电角度区域，然后确定该角度区域之外离该角度区域最近的两个绕组，对该两个绕组通电流，最终使得转子N极向靠近其所在角度区域中的线圈靠近；

步骤3、启动电机。

较佳的，所述S11中，电压V矢量脉冲的加载时间为电机绕组时间常数。

较佳的，所述S13和S14中注入电压矢量的通电时间为20us～30us。

较佳的，所述步骤2中，对所述两个绕组通电流后，确认该两个绕组作为所述S11中确定的3种串联组合方式的哪一种组合方式，然后对另外2种组合分别进行通电，并得到两个电流矢量，判断该两个电流矢量之差是否小于或等于所述参考阈值ΔI，如果是，结束精定位，执行步骤3；如果否，以此类推，继续给两个最近绕组通电，直到所述电流差小于或等于参考阈值ΔI。

较佳的，所述步骤2中，对所述两个最近绕组通电的时间大于等效电路时间常数的2-3倍。

本发明具有如下有益效果：

按照此技术设计出的无位置传感器无刷直流电机电流闭环启动技术，利用转子初始位置预定位与精确定位相结合的电流闭环启动方法，只需一个电流传感器，成本低，可靠性高，能保证系统在整个启动过程中均处于电流闭环工作状态，不会出现失步与启动失败现象。与传统启动方式相比主要存在以下优点：

常规预定位一般只能将转子定位在60°电度角空间内，电流比较阈值实现了精准预定位与优化定位，可以将转子定位进一步精确到±6°电度角空间内，从而保证电机在启动时得到最理想启动转矩。

传统启动方式为开环控制，而新技术采用电流阈值比较作为反馈量进行闭环，不需要预先确定电机负载、电路启动参数等，保证了启动过程中电机在定位、加速、切换等各个环节中均形成闭环控制。

与常规三段式启动控制方式相比，本文是在电流闭环情况下完成的启动过程，避免了启动时的抖动和反转现象，改善了启动效果，克服了传统方法靠经验引起启动失败的缺点，同时适用于恒定负载和变负载等多种运行环境，是一种启动性能较好、可靠性高、环境变化影响较小的启动方法。

附图说明

图1为现有的无刷直流电机逆变电路与无刷电机等效图；

图2为无刷直流电机绕组－转子位置图；

图3为无刷直流电机绕组与转子磁力线示意；其中，(a)表示接通MOSFET VT6和VT1时；(b)表示接通MOSFETVT1和VT2时；(c)表示接通MOSFET VT2和VT3时；(d)表示接通MOSFET VT3和VT4时；(e)表示接通MOSFET VT4和VT5时；(f)表示接通MOSFET VT5和VT6时；

图4为定子磁势及转子位置示意图；

图5(a)为N极与Y重合的位置示意图；

图5(b)为N极在Y～L3内的位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

1、直流无刷电机控制原理

常用的电压源型逆变器供电给无刷直流电机的主电路及电机等效电路见图1所示，无刷直流电机为三相星型连接，中点不引出。图中，u_d为直流母线电压，VT1-VT6为六个功率MOSFET，VD1-VD6为六个反并联在MOSFET上的续流二极管，C为直流母线上的稳压电容，三相绕组星型连接点n为电机中点，g为直流母线电压地，a、b、c分别为电机绕组接点。转子位置传感器安装在电机转子上，无刷直流电机控制系统的基本原理就是利用转子位置传感器来依次触发六个功率器件中的两个导通，在绕组中建立旋转的磁场，并使该磁场与转子永磁体磁场成一定角度，以产生电磁转矩，驱动电机旋转。

无刷直流电机换相时序与转子位置息息相关。假设电机磁极对数为1，电机转子初始位置如图2所示，其中a、b、c为从驱动电路中逆变器三个桥臂上引入的三相电源信号。a、b、c三相电源信号分别对应AX、BY和CZ三相定子绕组，其中，各定子绕组在电机中均分为两段，三相绕组的X、Y、Z与电机中点n连接在一起，转子位置N极方向与b相绕组所在平面导体重合时定义为转子位置的零位，即图2中的θ＝0°对应的位置。

根据逆变器电路及上图所示的电机接线方式，以MOSFET两两导通的方式说明电机绕组产生磁力线与转子磁力线之间的关系，如图3所示。其中，(a)表示接通MOSFET VT6和VT1时；(b)表示接通MOSFETVT1和VT2时；(c)表示接通MOSFET VT2和VT3时；(d)表示接通MOSFET VT3和VT4时；(e)表示接通MOSFET VT4和VT5时；(c)表示接通MOSFET VT5和VT6时。

2、转子位置预定位

采用两两导通方式连续向MOSFET中施加六个不同方向的电压矢量脉冲(脉冲时间为电机绕组时间常数)，用以实现，将转子位置确定在60°的范围内。假设转子位置如图4所示，绕组对应AX、BY、CZ，图中I₁～I₆电流所示方向代表不同绕组通电时母线电流矢量方向，与绕组通电对应关系为：

对绕组AX和绕组ZC通电，电压表示为V_AC，与产生的电流对应关系为V_AC→I₁,电流I₁方向为沿绕组BY方向；

对绕组AX和绕组YB通电，电压表示为V_AB，与产生的电流对应关系为V_AB→I₂,电流I₂方向为沿绕组ZC方向；

对绕组CZ和绕组YB通电，电压表示为V_CB，与产生的电流对应关系为V_CB→I₃,电流I₃方向为沿绕组AX方向；

对绕组CZ和绕组XA通电，电压表示为V_CA，与产生的电流对应关系为V_CA→I₄,电流I₄方向为沿绕组YB方向；

对绕组BY和绕组XA通电，电压表示为V_BA，与产生的电流对应关系为V_BA→I₅,电流I₅方向为沿绕组CZ方向；

对绕组BY和绕组ZC通电，电压表示为V_BC，与产生的电流对应关系为V_BC→I₆,电流I₆方向为沿绕组XA方向；

设定电流比较的参考阈值为ΔI＝0.2×I_Max,其中，I_Max表示I₁～I₆中的最大值，；然后使用虚线L1～L6将转子转动的360度电角度均分成6个角度区域，其中，线段L1L2，为绕组AX、BY的角平分线，线段L3L4为绕组BY、CZ的角平分线，线段L5L6为绕组CZ、AX的角平分线。

预定位采取以下方式：

1)向绕组AXBY注入电压矢量V_AB，持续一段时间(20～30us)，在该两个绕组产生的合力矩沿绕组CZ并指向C方向；向绕组BYAX注入电压矢量V_BA，持续一段时间(20～30us)，电流在该两个绕组产生的合力矩沿绕组CZ并指向Z方向；然后采集母线电流分别存储为I₂与I₅，由于铁芯磁饱和程度的不同，I₂与I₅的大小也不同。若此时I₂>I₅且|I₂-I₅|>ΔI则由上述分析可知此时转子的N极在线段L1-L2的左侧(偏向I2方向)，否在定位在线段L1-L2的右侧(偏向I5方向)，首次定位将转子定位在了180°的区域中。

2)向绕组CZBY注入电压矢量V_CB，持续一段时间(20～30us)，在该两个绕组产生的合力矩沿绕组ZX并指向X方向；向绕组AXCZ注入电压矢量V_AC，持续一段时间(20～30us)，电流在该两个绕组产生的合力矩沿绕组BY并指向Y方向；然后采集母线电流并存储为I₃与I₁，按照以表1判据判断转子位置。

表1转子位置判断

序号 电流比较 转子位置 电角度(设定B为0°) 1 I₁>I₂>I₃L1～L3 150°～210° 2 I₁<I₂<I₃L5～L2 30°～90° 3 I₁<I₂,I₂>I₃L3～L5 90°～150°

根据以上预定位方式把无刷直流电机的转子位置预定位在60°范围内。

3、转子位置精确定位

转子位置定位在60°范围内后，为保证良好的启动特性，需要将转子进一步进行精准定位。除如图4所示情况(转子在L1～Y之间)外，如果转子定位在L1～Y的角度范围内，还可能出现以下两种情况，如图5所示。图5(a)为N极与Y重合，为精确定位的理想位置，图5(b)为N极在Y～L3内；

如果要保证电机按指定方向加速且在启动时得到最大的启动转矩，需要在60°电度角范围内进行二次精准定位。先确定N极所在角度区域，然后确定该角度区域之外最近的两个绕组，对该两个绕组通流，最终使得转子N极向靠近其所在角度区域中的线圈靠近，即图5(a)所示理想位置。其中电流方向按照“右手法则”，即右手拇指垂直图5(a)的平面指向N所在区域的中心上，食指所指方向为加电电流方向。

现在以矫正到图5(a)所示位置进行说明：

以图4所示位置为例，即通过预定位已知转子位于L1～L3区域后，与绕组BY与转子在同一角度区域内，为使得转子定位到图5(a)所示理想位置，需要对绕组AX和CZ加电(V_AC)。通过延长V_AC脉冲电压矢量的通电时间(通电时间大于等效电路时间常数2～3倍)可以将转子位置进行精准度的矫正。此后注入脉冲电压矢量V_AB、V_BC获得电流I₂和I₆，直到两个电流差达到预设值ΔI时，转子将矫正到如图5(a)所示的理想位置，方法如下：

V_AC作用时，在定子绕组中产生的磁力线与图5(a)所示的转子产生的磁力线重合，通过不停的判断电流差值，当到达ΔI以内时产生的力矩可将转子校正到接近图5(a)所示位置。按照ΔI取值为最大电流的1/5可以获得较好的工程实现，转子的校正精度可控制在60/5＝12°范围内，即理论值的±6°之间。

4、电机启动方法

实现转子的高精度优化定位后，根据电机运动方向要求和无刷电机的换相逻辑对六向桥进行控制，实现初次加电后转子开始运动。运动过程实时监测转子相邻位置(60°)上的电流大小，当对应位置出现两相电流差大小切换时，说明转子转过60°，则需要对六相桥进行逻辑切换，使得转子转到下一位置区，同时电流比较切换至下一区的两个电流值大小进行比较，周而复始完成电机的启动，并随着所加电压逐渐增加使得电机平稳启动起来。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。