无位置传感器的无刷直流电机控制方法及控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种无位置传感器的无刷直流电机控制方法及控制系统，涉及无刷直流电机控制领域，本发明的方法是一种端电压大小逻辑换相法，该方法根据三相绕组端电压的大小得出三相绕组进行换相的逻辑规则，通过采集转子三相绕组端电压信号，输送到DSP控制器，由DSP控制器分析三相绕组端电压之间的大小关系，根据得出三相绕组换相的逻辑规则，控制电机绕组自动换相，实现电机的起动，使电机在各种速度下均能稳定运行。解决了现有无位置传感器的无刷直流电机控制方法对系统精确度要求较高，控制过程复杂，而且在低速时控制效果差、无法实现电机启动的问题。
【专利说明】无位置传感器的无刷直流电机控制方法及控制系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及无刷直流电机控制领域，具体涉及一种无位置传感器的无刷直流电机控制方法及控制系统。
【背景技术】
[0002]无刷电机诞生于20世纪60年代后期，是伴随着永磁材料技术、微电子及电力电子技术、控制技术等迅速发展而出现的一种新型电机。无刷直流电机，就其基本结构而言，可以认为是由电子开关线路、永磁同步电机和位置传感器三者组成的“无刷直流电机系统”。无刷直流电机通常通过转子位置传感器获取转子位置信号，实现换相；通过转速传感器获取转速反馈信号，实现转速环的闭环控制。无刷直流电机的无传感器控制是指取消传统的转子位置传感器和转速传感器，而通过测取电机的某些物理量间接地得到转子位置信号，用此信号实现换相，并进一步得到转速的反馈值，从而实现无传感器闭环控制。
[0003]目前无刷直流电机无传感器控制较为典型的控制方法有反电动势法、定子三次谐波法、电流通路监视法、涡流效应法、磁通估计法等，其中反电势法是一种最简单最实用的转子位置检测方法。对于采用两相导通三相六拍运行方式的无刷直流电机而言，三相绕组中在任意时刻总有一相处于断开状态，检测断开相的反电势信号，当其过零点时，转子直轴与该相绕组轴线重合，再经过30°电角度依照开通顺序进行换相。故只要检测到各相反电势的过零点，即可获知转子的若干个关键位置，这就是反电势法的基本原理。
[0004]反电动势波形与逆变器功率管触发顺序逻辑关系如图1所示。从图中可以看出wt=30°电角度为A相反电势过零时刻，控制电路检测到这一时刻；延时30°电角度，到60°电角度时切换到A相的反向开关导通；A相导通120°电角度后，到180°电角度时关断A相，切换B相导通。依次类推，就可以实现BLDCM的连续运转，并且满足“最佳换相逻辑”。
[0005]申请号为201210002813.5的一篇专利申请文件公开了一种无刷直流电机无位置传感器控制装置及方法，装置包括直流电源、三相逆变器、无刷直流电机、三相逆变器功率器件驱动电路、微控制器和转子位置检测电路，直流电源经三相逆变器与无刷直流电机连接，转子位置检测电路连接无刷直流电机进行检测后输出的信号直接连接至微控制器的模数转换输入引脚，微控制器的六路输出经三相逆变器功率器件驱动电路连接至三相逆变器。本方法利用XC878单片机内嵌的模数转换单元采样得到电机三相绕组的端电压，用基于压差转换的信号处理方法对采样值进行实时计算处理，得到含有断开相反电势信息且幅值为实际反电势幅值两倍的反馈信号，获取反电势过零点作为电机绕组换组的依据，从而提高了低速运行时反电势过零点的检测精度，达到宽度调速范围运行的目的。
[0006]上述专利文献中的控制方法正式利用了反电势法，这种方法是通过分析三相绕组反电势过零点而得出电机通电规律的，要求能够准确地测出各个时刻各相绕组的电压和其过零点，在测出过零点后再延迟30°电角度才进行通电换相，所以需要精确地检测出各时刻电机的电压和转速，这对系统精度的要求很高，而且该法在低速时效果差，无法实现电机起动，需要专门的起动程序。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提供一种无位置传感器的无刷直流电机控制方法及控制系统，用以解决现有无位置传感器的无刷直流电机控制方法对系统精确度要求较高，控制过程复杂，而且在低速时控制效果差、无法实现电机启动的问题。
[0008]为实现上述目的，本发明的方案是:一种无位置传感器的无刷直流电机控制方法，包括如下步骤:
[0009](I)设定一个电压值AV，设转子三相绕组的端电压最大幅值为Vmax，最小幅值为Vmin，逻辑O表示为两种状态，即:三相绕组端电压为Vmin或处于由Vmin向Vmax-Λ V过渡阶段；逻辑I表示为两种状态，即:三相绕组端电压为Vmax或处于由Vmax向Vmin+Λ V过渡阶段；
[0010](2)由于端电压处于过渡阶段的对应相的绕组不加电压，而且电流总是从逻辑I状态的对应相绕组流向逻辑O状态的对应相绕组，因而根据步骤(I )，得到三相绕组进行换相的逻辑规则；
[0011](3)采集转子三相绕组端电压信号，输送到DSP控制器的AD转换模块，得到三相绕组的端电压值；
[0012](4)根据步骤(3)得到的端电压值和步骤(I)中逻辑量的表示方式，将各相绕组的端电压值分别与Vmax+ Λ V和Vmin- Δ V进行比较，得到每个时刻各相绕组的逻辑量，并根据步骤(2)中的逻辑规则实现三相绕组的自动换相；
[0013](5)采集电流值，用于对转子的转速进行控制，并结合步骤(4)，由DSP控制器送出PWM控制信号，最终实现对无位置传感器的无刷直流电机的控制。
[0014]三相绕组进行换相的逻辑规则如下:
[0015]将电机旋转360°电角度的过程划分为6种状态，三相绕组a、b、c的逻辑量分别为101时，表示电流流向从a到b ;三相绕组a、b、c的逻辑量分别为100时，表示电流流向从a到c ;三相绕组a、b、c的逻辑量分别为110时,表示电流流向从b到c ;三相绕组a、b、c的逻辑量分别为010时，表示电流流向从b到a ;三相绕组a、b、c的逻辑量分别为011时，表示电流流向从c到a ;三相绕组a、b、c的逻辑量分别为001时,表示电流流向从c到b。
[0016]若三相绕组a、b、c的逻辑量分别为000和111时,则三相绕组保持原来导电方式，不进行任何换相操作。
[0017]本发明还提供一种无位置传感器的无刷直流电机控制系统，包括直流电源、三相逆变器、驱动电路、控制器和转子位置检测电路，所述直流电源经三相逆变器用于与直流电机连接，所述转子位置检测电路连接在三相逆变器的交流侧，转子位置检测电路的检测信号输出端连接控制器的A/D输入端，所述控制器的驱动信号输出端经驱动电路驱动连接三相逆变器，所述控制器为DSP控制器，所述转子位置检测电路为一个RC滤波网络，用于采集转子三相绕组的各相端电压信号，在三相逆变器与直流电源连接的回路中还串接有一个采样电阻，用于采集电机的电流信号。
[0018]所述驱动电路为MOS功率器件专用栅极驱动集成电路IR2130芯片。
[0019]所述DSP控制器选用TMS320X281x芯片。
[0020]本发明达到的有益效果:本发明的方法是一种端电压大小逻辑换相法，该方法通过分析三相绕组端电压之间的大小关系得出电机绕组的通电换相规律，并得到三相绕组换相的逻辑规则，通过采集转子三相绕组端电压信号，输送到DSP控制器，由DSP控制器分析三相绕组端电压之间的大小关系，根据得出三相绕组换相的逻辑规则，控制电机绕组自动换相，实现电机的起动，使电机在各种速度下均能稳定运行。这种方法控制简单，并且可大大提高无刷直流电机的调速和控制性能，使无刷直流电机无位置传感器控制策略真正进入实用的阶段。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是现有反电势法中反电动势波形与逆变器功率管触发顺序逻辑关系图；
[0022]图2是本发明无刷直流电机控制系统；
[0023]图3是本发明控制方法三相绕组端电压的波形分析图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
[0025]本发明的控制方法实施例:
[0026]本发明无位置传感器的无刷直流电机的控制方法包括如下步骤:
[0027](I)设定一个电压值AV，设转子三相绕组的端电压最大幅值为Vmax，最小幅值为Vmin，逻辑O表示为两种状态，即:三相绕组端电压为Vmin或处于由Vmin向Vmax-Λ V过渡阶段；逻辑I表示为两种状态，即:三相绕组端电压为Vmax或处于由Vmax向Vmin+Λ V过渡阶段；
[0028](2)由于端电压处于过渡阶段的对应相的绕组不加电压，而且电流总是从逻辑I状态的对应相绕组流向逻辑O状态的对应相绕组，因而根据步骤(I )，得到三相绕组进行换相的逻辑规则；
[0029](3 )采集转子三相绕组端电压信号，输送到DSP控制器的AD转换模块，得到三相绕组的端电压值；
[0030](4)根据步骤(3)得到的端电压值和步骤(I)中逻辑量的表示方式，将各相绕组的端电压值分别与Vmax+ Λ V和Vmin- Δ V进行比较，得到每个时刻各相绕组的逻辑量，并根据步骤(2)中的逻辑规则实现三相绕组的自动换相；
[0031 ] (5 )采集电流值，用于对转子的转速进行控制，并结合步骤(4 )，由DSP控制器送出PWM控制信号，最终实现对无位置传感器的无刷直流电机的控制。
[0032]如图3所示，图中Ua、Ub、Uc分别代表检测到的三相星形绕组的端电压大小，各相端电压值恒大于或等于零，w为角速度，t为时间，横轴代表电机转子各时刻所处的位置。Vmax代表端电压的最大幅值,而Vmin(约等于O)则代表端电压的最小幅值。one表示比Vmax小AV的量，zero表示比Vmin大AV的量。Δ V值的确定十分重要，如果选得太大，则容易造成误操作，在不应该换相的时候换相；如果选得太小，则难以完成换相。由图3可以看出，电机连续旋转时各相绕组端电压呈周期性变化，图中将转子旋转360°电角度的区间划分为六个连续的等分区间，字母A到F分别表示这六种不同状态。
[0033]分析图3可知，这六种状态代表的各个时刻均满足:三相绕组总是分别处于不同的状态，即总有一相绕组的端电压处于Vmax，一相绕组的端电压处于Vmin，而剩下一相则处于由Vmin到Vmax- Λ V或者Vmax到Vmin+ Δ V变化的过渡过程中。显然，每种状态中电流都是从处于端电压为Vmax的一相流向端电压为Vmin的一相，即外加电源恰好加在这两相绕组上，而端电压处于过渡变化过程的那相则没有电流流过，即没有外加电压，该端电压仅仅是一个感应电势，即通常意义上的反电势。同时，进一步分析可知，从理论上来说无刷直流电机的每一次电流换相，即相邻两个状态的切换，都恰好发生在端电压处于过渡变化过程中一相的电压Vmin达到或者Vmax的一瞬间，图3中各波形上的每一个拐点都表示该时刻要求电机通电方式发生改变，所以，只要准确判断出这些拐点即可实现正确的换相。
[0034]逻辑I代表某相绕组导电情况处于下面两种情况:⑴该相绕组端电压处于最大电压Vmax ； (2)该相绕组端电压处于由最大电压Vmax向最小电压Vmin变化的过程中，但其值大于Vmin+AV。逻辑O代表某相绕组导电情况处于下面两种情况:(1)该相绕组端电压处于最小电压Vmin ； (2)该相绕组端电压处于由最小电压Vmin向最大电压Vmax变化的过程中，但其值小于Vmax-Λ V。
[0035]如图3，Uc波形上标出的S1、S2和S3代表c相绕组三次逻辑量变化的位置，S1、S2对应一个360°电角度的周期，而S3为下一周期的，其中SI到S2这段过程中c相绕组是处于逻辑O的，而S2到S3这段过程中c相绕组则处于逻辑I。按上述规律依次可得出三相绕组在各状态下对应的逻辑量，如表1所示，本实施例采用000、001、010、011、100、101、IlOUll来分别描述A~F六种状态中a、b、c三相绕组导电状况的不同组合，三相绕组进行换相的逻辑规则为:三相绕组a、b、c的逻辑量分别为101时，表示电流流向从a到b ;三相绕组a、b、c的逻辑量分别为100时,表示电流流向从a到c ;三相绕组a、b、c的逻辑量分别为110时，表示电流流向从b到c ;三相绕组a、b、c的逻辑量分别为010时,表示电流流向从b到a ;三相绕组a、b、c的逻辑量分别为011时,表示电流流向从c到a ;三相绕组
a、b、c的逻辑量分别为001时,表示电流流向从c到b。
[0036]表1无刷直流电机正反转状态逻辑表
【权利要求】
1.一种无位置传感器的无刷直流电机控制方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)设定一个电压值ΛV,设转子三相绕组的端电压最大幅值为Vmax,最小幅值为Vmin,逻辑O表示为两种状态，即:三相绕组端电压为Vmin或处于由Vmin向Vmax- Δ V过渡阶段；逻辑I表示为两种状态，即:三相绕组端电压为Vmax或处于由Vmax向Vmin+Λ V过渡阶段； (2)由于端电压处于过渡阶段的对应相的绕组不加电压，而且电流总是从逻辑I状态的对应相绕组流向逻辑O状态的对应相绕组，因而根据步骤(1)，得到三相绕组进行换相的逻辑规则； (3)采集转子三相绕组端电压信号，输送到DSP控制器的AD转换模块，得到三相绕组的端电压值； (4)根据步骤(3)得到的端电压值和步骤(I)中逻辑量的表示方式，将各相绕组的端电压值分别与Vmax+ Λ V和Vmin- Δ V进行比较，得到每个时刻各相绕组的逻辑量，并根据步骤(2)中的逻辑规则实现三相绕组的自动换相； (5 )采集电机的电流信号，用于对转子的转速进行控制，并结合步骤(4 )，由DSP控制器送出PWM控制信号，最终实现对无位置传感器的无刷直流电机的控制。
2.根据权利要求1所述的无位置传感器的无刷直流电机控制方法，其特征在于，三相绕组进行换相的逻辑规则如下: 将电机旋转360°电角度的过程划分为6种状态，三相绕组a、b、c的逻辑量分别为101时，表示电流流向从a到b ;三相绕组a、b、c的逻辑量分别为100时,表示电流流向从a到c ;三相绕组a、b、c的逻辑量分别为110时,表示电流流向从b到c ;三相绕组a、b、c的逻辑量分别为010时,表示电流流向从b到a ;三相绕组a、b、c的逻辑量分别为011时,表示电流流向从c到a ;三相绕组a、b、c的逻辑量分别为001时,表示电流流向从c到b。
3.根据权利要求2所述的无位置传感器的无刷直流电机控制方法，其特征在于，若三相绕组a、b、c的逻辑量分别为000和111时，则三相绕组保持原来导电方式，不进行任何换相操作。
4.一种采用权利要求1所述方法的无位置传感器的无刷直流电机控制系统，包括直流电源、三相逆变器、驱动电路、控制器和转子位置检测电路，所述直流电源经三相逆变器用于与直流电机连接，所述转子位置检测电路连接在三相逆变器的交流侧，转子位置检测电路的检测信号输出端连接控制器的A/D输入端，所述控制器的驱动信号输出端经驱动电路驱动连接三相逆变器，其特征在于， 所述控制器为DSP控制器，所述转子位置检测电路为一个RC滤波网络，用于采集转子三相绕组的各相端电压信号，在三相逆变器与直流电源连接的回路中还串接有一个采样电阻，用于采集电机的电流信号。
5.根据权利要求4所述的无位置传感器的无刷直流电机控制系统，其特征在于，所述驱动电路为MOS功率器件专用栅极驱动集成电路IR2130芯片。
6.根据权利要求4所述的无位置传感器的无刷直流电机控制系统，其特征在于，所述DSP控制器选用TMS320X281x芯片。
【文档编号】H02P6/18GK103633904SQ201310694378
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年12月9日 优先权日:2013年12月9日
【发明者】顾金, 陆贤锋 申请人:国网上海市电力公司