CN103633904A

CN103633904A - 无位置传感器的无刷直流电机控制方法及控制系统

Info

Publication number: CN103633904A
Application number: CN201310694378.1A
Authority: CN
Inventors: 顾金; 陆贤锋
Original assignee: State Grid Shanghai Electric Power Co Ltd
Current assignee: State Grid Shanghai Electric Power Co Ltd
Priority date: 2013-12-09
Filing date: 2013-12-09
Publication date: 2014-03-12

Abstract

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。

Description

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

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

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。

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。

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”。

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。

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

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。

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：

（1）设定一个电压值ΔV，设转子三相绕组的端电压最大幅值为V_max，最小幅值为V_min，逻辑0表示为两种状态，即：三相绕组端电压为V_min或处于由V_min向V_max-ΔV过渡阶段；逻辑1表示为两种状态，即：三相绕组端电压为V_max或处于由V_max向V_min+ΔV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1状态的对应相绕组流向逻辑0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（1）中逻辑量的表示方式，将各相绕组的端电压值分别与V_max+ΔV和V_min-ΔV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。

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。

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。

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。

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。

所述DSP控制器选用TMS320X281x芯片。

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。

附图说明

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；

图2是本发明无刷直流电机控制系统；

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

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

本发明的控制方法实施例：

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：

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0)则代表端电压的最小幅值。one表示比Vmax小ΔV的量，zero表示比Vmin大ΔV的量。ΔV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。

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V_min到V_max-ΔV或者V_max到V_min+ΔV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V_max的一相流向端电压为V_min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V_min达到或者V_max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。

逻辑1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V_min+ΔV。逻辑0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V_max-ΔV。

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S1到S2这段过程中c相绕组是处于逻辑0的，而S2到S3这段过程中c相绕组则处于逻辑1。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、110、111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。

表1无刷直流电机正反转状态逻辑表

在电机正常运行中，000和111这两种组合在理想情况中并不存在，但不排除因干扰而出现这两组组合，因此实际工作中，若出现这两种逻辑可设置它们为等待状态，即不进行任何换相操作而保持原来的导电方式。

在DSP程序将AD模块配合相关硬件得出各时刻各相的端电压大小存入变量V1、V2和V3，接下来依次进行下面两项工作：(1)找出V1、V2、V3中的最大值作为Vmax，最小值作为Vmin，并根据设定的ΔV值,可求出>max-ΔV，zero=V_min+ΔV，这样可保证one、zero始终跟踪电机端电压大小的变化，从而保证电机在各种电压和转速下均可正常运行；(2)再将V1、V2、V3分别和one、zero进行比较，并根据三相绕组换相的逻辑规则判断出此时三相绕组所对应的逻辑量，从而使DSP芯片送出相应的六路PWM信号来控制六个管子的导通和关断。另外，采集电机的电流值，通过对电机电流换相的次数进行计数，可得出电机实际转速信号，该信号和给定电机速度指令进行比较，根据两者的差值以及采集到的电流值不停调节PWM波的占空比即可实现电机的速度、电流双闭环反馈控制。将上述三相绕组的换相控制和速度控制相结合，最终实现无位置传感器无刷直流电机的控制。

本发明已经成功的应用在了电动自行车上无刷直流电机一轮毂电机的调速控制，实验结果表明这种换相策略明显优于传统意义上采用反电势过零点再延迟3O°电角度换相的控制方法，因为后者在检测过零点和延迟3O°电角度的过程中都会出现很大的误差；而且本发明的方法不但适用于一般的三相四线制无刷直流电机，还适用于二相三线制的电机。

下面给出了有关的实验数据：

在电源电压一定的情况下，随着控制信号PWM波占空比断增大，电机上的平均电压随之变大，速度亦相应上升。此时，电机端电压波形有明显的变化，由实验结果我们可以看出：当电机速度比较低的时候端电压波形的幅值比较小，而且波形中有一个很明显的矩形阴影，该矩形表明此时该相绕组正处于通电状态；而且加在上面的电压PWM波占空比比较小，电压瞬时值在最大电压和最小电压间不断振荡，这使得不通电的那相绕组感应出来的反电势也出现振荡现象，在波形图中体现为一个三角形的阴影；另外由于PWM波占空比的影响，使得导电一相绕组的端电压平均值小于电源的最大电压，所以不导电一相感应出的反电势幅值在占空比小于l时总达不到导电一相电压波形中的最大值，但随着占空比的变大，两者间差值越来越小。当占空比为l时，该差值为0，此时测到的端电压为完美的梯形波。

本发明控制系统实施例：

本发明的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。

本实施例中，DSP控制器选用TMS320X281x芯片，驱动电路为MOS功率器件专用栅极驱动集成电路IR2130芯片，采用功率MOSFET场效应管作为三相逆变器的开关器件，如图2，三相逆变器包括Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6六个功率MOSFET场效应管，Q1、Q2的串联点连接电机的c相绕组，Q3、Q4的串联点连接电机的b相绕组，Q5、Q6的串联点连接电机的a相绕组，在三相逆变器的直流侧连接有滤波电容，各功率MOSFET场效应管与直流电源负极相连的一端接地。RC滤波网络由三条RC支路并联组成，每条RC支路的一端连接三相绕组的一相，另一端接地，各RC支路均由两个串联的电阻和一个电容组成，其中电容并联在接地端的电阻两端，该RC滤波网络采集到的各相绕组端电压从均从两个串联电阻的串联点输出。

本实施例的直流无刷电机控制系统以DSP芯片TMS320X281x为核心，使用PWM方式控制电机，采用端电压大小逻辑分析法来间接检测转子位置并实现电机的通电控制，IR2130芯片给功率MOSFET管提供驱动信号。RC滤波网络采集到的三相绕组端电压信号ADCIN1、ADCIN2、ADCIN3直接送入DSP中的AD转换通道，DSP分析这些信号后得出电机的通电规则，而采样电阻R上采集到的是电流信号，综合这两种信息DSP控制单元即可送出PWM控制信号，并经IR2130功率放大后去控制六个开关管的导通和闭合，从而实现电机的自动电子换相。

三相逆变器、TMS320X281x芯片、IR2130芯片和RC滤波网络的原理均属于本领域技术人员的公知常识，在此不再赘述。端电压逻辑分析法同上述实施例相同，在此不再赘述。

Claims

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：

（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：

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。