一种快速闭环的无位置传感器直流无刷电机启动方法与流程

本发明涉及直流无刷电机无位置传感器控制，具体为一种快速闭环的无位置传感器直流无刷电机启动方法。

背景技术：

1、近年来，直流无刷电机因其结构简单、转矩大和效率高等特点，在家用电器和工业产品中被广泛应用。直流无刷电机属于典型的机电一体化产品，其基本结构由电机本体、功率驱动电路及位置传感器三者构成。其中，位置传感器由于安装问题、使用场景、易损坏等限制原因，使用条件经常受到约束，所以无位置传感器的电机控制方式受到越来越多的关注。

2、伴随着电机控制技术、数字控制技术、电力电子技术、半导体行业技术的发展与应用，无位置传感器的直流无刷电机控制日趋成熟，提出的控制方式有：反电动势法、续流二极管法、电机模型观测器法等。其中，反电动势法是当前应用最多的无位置传感器直流无刷电机转子位置检测方法，由于其运行时不特别依赖电机本身参数，所以在基于方波控制的无位置传感器电机控制系统中最为简单高效。

3、反电势法，根据其具体提取反电势方式的不同，又可以分为：线电压法、端电压法、虚拟中性点法，反电势积分法等。目前，端电压法由于其电路结构简单，设计成本低廉，应用范围较广。

4、基于反电动势法的无位置传感器直流无刷电机控制需要检测电机悬浮相的过零点，电机需要处于运行状态并且具有一定的运行速度，电机处于静止或者低速下，无法直接使用反电势法进行控制。

5、当前应用较多的无位置传感器启动控制方法为三段式启动法，第一步：确定电机转子初始位置，常用的方法为强制定位或者脉冲定位，获取电机转子的初始位置；第二步：开环运行电机，将电机的转速提升至可以正确检测到反电势值为止，开环运行的速度曲线需要根据电机运行状态设计；第三步：通过反电动势法控制电机，实现转速、电流的控制，完成电机控制系统的闭环控制；

6、在确定转子初始位置时：

7、如果采用强制定位法，无法避免当定子合成磁势和转子直轴相差180°时，转子定位失败问题，以及特定应用场景下，电机启动时不允许出现反转的情况。

8、如果采用脉冲定位法，需要结合电机本体参数，控制器功率器件应用参数来合理设计检测脉冲宽度，如果定位脉冲宽度设计不合理，有可能产生大电流冲击造成控制器功率器件损坏，或者由于电机的磁路饱和从而无法达到检测效果的情况。

9、电机开环运行阶段：

10、此阶段为开环控制，电机外同步加速阶段对电压变化和频率变化十分敏感，电机的开环运行的步长需要通过模拟负载，得到转速和电压的数学关系，设计加速曲线。电机开环阶段的时间过长，或者开环控制期间，电机突遇变载，均可能会导致电机失步，启动失败的情况。

11、综上所述，可以看出目前现有技术中，存在以下问题：1、当使用脉冲定位获取初始位置时，由于脉冲定位宽度设计不合理，导致的电机初始位置定位失败或者可能损坏控制器功率器件的问题；

12、2、电机开环运行时间过长给控制系统带来不稳定性以及电机开环期间负载突变，可能导致电机启动失败的问题。

技术实现思路

1、为了解决这一问题，本发明提出了一种快速闭环的无位置传感器直流无刷电机启动方法，可有效提升无位置传感器直流无刷电机的启动成功率以及控制系统稳定性。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种快速闭环的无位置传感器直流无刷电机启动方法，包括如下步骤：

3、步骤1：设定单片机的单次adc采样时间，在不影响控制器母线电流采样准确度的情况下，尽量选择adc高速采样模式，因为单次adc采样时间作为控制器母线电流反馈时间的最小计量单位；

4、步骤2：设定检测脉冲电压下的电流响应阈值，同时结合电机的额定工作参数，建议不超过电机最大额定工作电流的2/3，若发现单次检测脉冲时长超出以下范围时，则需要适当调整电流响应阈值，

5、即单次理论检测脉冲时长的范围为：

6、

7、其中,u为定子上施加的电压，r为定子绕组电阻，lmin和lmax为电机定子绕组电感在不同转子位置下的最小和最大电感值；

8、步骤3：在得到正确电机转子初始位置以后，结合设计好的电机开环加速曲线，选取一个合适的最大电机开环运行步数；

9、步骤4：在电机开环运行的单步内，通过电机三相端电压采样电路，单片机adc实时检测电机三相端电压，判断是否有正确的电机换相过零点产生；

10、步骤5：如果在设定的开环换相步长内检测到电机换相过零点，则进行类闭环的延时换相，开环步数加一；

11、步骤6：如果未在设定的开环换相步长内检测到电机换相过零点，则按照设计好的开环加速曲线强制换相，每次强制换相完成后，开环步数加一；

12、步骤7：当开环步数达到设定的最大开环步数时，通过电机三相端电压采样电路，进行闭环控制。

13、作为优选，所述步骤3中，电机转子初始位置的确定采用改进型脉冲定位的方式获取，即当电机处于静止时，

14、相电流为

15、其中u为定子上施加的电压，r为定子绕组电阻，l为定子绕组电感，τ＝l/r；

16、以单片机的单次adc采样时间为最小时间单位，设定检测脉冲电压下的电流响应阈值，每次完成控制器母线电流的adc采样后，与设定的电流响应阈值比较，如果未达到则当前脉冲电压继续工作，如果达到则该脉冲电压停止，继续下一脉冲电压，通过分析各检测脉冲电压到达电流响应阈值的时间长短，来确定电机转子的初始位置。

17、作为优选，所述步骤4中，

18、如果在设定的电机开环换相步长内检测到电机过零点，则进行类闭环的延时换相，开环步数加一；

19、如果在设定的电机开环换相步长内未检测到过零点，则按照设计好的开环加速曲线强制换相，每次强制换相完成后，开环步数加一，当开环达到设定的最大开环步数时，电机进入闭环控制。

20、本发明所达到的有益效果：本发明采用单片机单次adc采样时间为检测脉冲宽度的最小时间单元；通过改进型的脉冲定位方法，降低了传统脉冲定位法的调试参数复杂性；

21、设定了脉冲定位下电流响应阈值，提升了检测准度与电机控制器功率器件保护性；

22、通过设定电机最大开环运行步长以及开环期间实施类闭环的延时换相和开环控制的强制换相来缩短电机开环周期，通过端电压法，实时检测电机悬空相反电势过零点，同时进行类闭环的延时换相和开环控制的强制换相控制，有效缩短的了电机开环控制周期，并且对于电机开环运行期间的突变负载起动失败情况，有一定的纠偏作用。

技术特征：

1.一种快速闭环的无位置传感器直流无刷电机启动方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的快速闭环的无位置传感器直流无刷电机启动方法，其特征在于，所述步骤3中，电机转子初始位置的确定采用改进型脉冲定位的方式获取，即当电机处于静止时，

3.如权利要求1所述的快速闭环的无位置传感器直流无刷电机启动方法，其特征在于，所述步骤4中，

技术总结
本发明涉及直流无刷电机无位置传感器控制技术领域，具体为一种快速闭环的无位置传感器直流无刷电机启动方法，可有效提升无位置传感器直流无刷电机的启动成功率以及控制系统稳定性,包括如下步骤：步骤1：设定单片机的单次ADC采样时间，在不影响控制器母线电流采样准确度的情况下，尽量选择ADC高速采样模式；步骤2：设定检测脉冲电压下的电流响应阈值，同时结合电机的额定工作参数；步骤3：在得到正确电机转子初始位置以后，结合设计好的电机开环加速曲线，选取一个合适的最大电机开环运行步数；步骤4：在电机开环运行的单步内，通过电机三相端电压采样电路，单片机ADC实时检测电机三相端电压，判断是否有正确的电机换相过零点产生。

技术研发人员：马文博,蔡嘉威,罗明
受保护的技术使用者：无锡中微爱芯电子有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21