CN116780956B - 一种基于矢量算法自学习直流无刷电机霍尔位置的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于矢量算法自学习直流无刷电机霍尔位置的控制方法，所述方法如下：确定直流无刷电机的通电顺序与霍尔传感器的关系得出霍尔扇区，上位机配置参数，然后发送指令到控制板上；控制板收到指令后，先进行霍尔扇区的自学习，将自学习得到的霍尔扇区存入到芯片中的FLASH中；然后自学习霍尔扇区成功后，进行FOC算法的自学习，通过扇区解算出电机运行的电速度，通过电速度解算出当前的角度；在FOC算法中，设定固定的参数Ud和Uq，通过解算的角度值，生成三路PWM波输入到电机的三相定子中，带动转子转动；通过前期对直流无刷电机各种参数的自学习，通过对学习到的参数进行取值，让电机在转动时候采集母线电流值，判定自学习是否成功，采用矢量控制FOC算法使电机转动的性能达到最优；其次，将学习到的电机参数存入芯片内部得到FLASH区域，起到了断电保护的作用。

Description

一种基于矢量算法自学习直流无刷电机霍尔位置的控制方法

技术领域

本发明属于直流无刷电机技术领域，具体涉及一种基于矢量算法自学习直流无刷电机霍尔位置的控制方法。

背景技术

生活中的各种场景都离不开电机的参与，在控制领域，在电机后端有霍尔传感器的前提下，要想使直流无刷电机转动，需要知道直流无刷电机的三相绕组(U相、V相、W相)所对应的霍尔传感器的位置(HALLA、HALLB、HALLC)，而如何更好的控制电机的转动，提高电机的工作效率是必须要考虑的问题，通常情况下，传统的控制方法有以下几种：

1、通过示波器查看霍尔传感器反馈的信号所对应的三相相电压的反电动势波形，从而确定其一一对应的关系，最终通过代码的编写，从而控制直流无刷电机转动，此外，对于微小性的直流无刷电机(Brushless Direct Current Motor,BLDC)而言，传统方法采用六步换向的控制，该方法通过定子绕组产生的转矩的方向与转子的位置夹角在[60°,120°]之间，使最终电机输出的转矩产生波动，不是最优的控制策略。

2、在有霍尔传感器的控制方法下，面对一款全新的直流无刷电机，需要调试获得霍尔的位置以及电机的零度位置，通过不断的调试，寻找霍尔扇区所对应电机的角度值，从而采用FOC算法控制电机转动。但其复杂的调试过程以及所设计的系统仅仅只能应用到同款电机上，不具备普遍性。

发明内容

本发明的目的在于设计出一种基于矢量算法自学习直流无刷电机霍尔位置的控制方法，通过上位机与控制板结合，使电机可以自学习霍尔传感器的位置并存储到控制板的FALSH区域，不会随着控制板掉电而使数据丢失。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

S1:上位机配置好参数后，发送指令到控制板上

S2:控制板收到指令后，首先先进行霍尔扇区的自学习，将自学习得到的霍尔扇区存入到芯片中的FLASH中；

S3:然后自学习霍尔扇区成功后，进行FOC算法的自学习，通过扇区解算出电机运行的电速度，通过电速度解算出当前的角度值。

S4:在FOC算法中，设定固定的参数Ud和Uq，通过解算的角度值，生成三路PWM波输入到电机的三相定子中，带动转子转动起来。

通过上述自学习的算法，可以使任何类型的电机在矢量控制FOC的算法下，成功的转动。

本发明具有如下有益效果：

本发明设计的系统通过前期对直流无刷电机各种参数的自学习，通过对学习到的参数进行取值，让电机在转动时候采集母线电流值，判定自学习是否成功，采用矢量控制FOC算法使电机转动的性能达到最优；其次，将学习到的电机参数存入芯片内部得到FLASH区域，起到了断电保护的作用；最后，通过上位机与下位机的结合，UI界面的操作可以带来更加简洁化的体验，并通过上位机可以实时检测到直流无刷电机在自学习的过程中参数的实时变化。

本发明通过合理的设计、智能化的控制策略，可以较好的完成对直流无刷电机的自学习功能，节约了针对每款直流无刷电机需要单独调试的成本，设计的算法具有更好的适应性和鲁棒性，满足不同产品的需求。

任何类型的直流无刷电机，不需要通过前期的测试、调试、编写代码等工作，通过设计的算法使电机自学习其中的参数。

附图说明

图1是直流无刷电机的霍尔传感器安装位置与电机转子的位置关系图。

图2是霍尔顺序与最终霍尔的扇区霍尔状态值HALLState之间的关系图。

图3是反电动势与HALLState之间的关系图。

图4是霍尔传感器的直流无刷电机自学习算法流程图。

图5是第二次自学习得到的扇区顺序的流程图。

图6是最终的θ_result与霍尔扇区之间的关系图。

图7是上位机的界面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

随着人工智能的发展，设计出来的产品需要更加的智能化和更强的鲁棒性，而本发明中设计的算法可以对任何一款带霍尔传感器的直流无刷电机进行自学习，通过算法让电机自己去学习自己的各种参数，可以自适应的通过矢量控制使电机的转动达到最优，采用霍尔扇区解算角度值的算法，并通过矢量控制FOC算法控制电机，使电机在运行过程中产生更大的扭矩、减少电流损耗、提高工作效率，通过C#语言编写上位机软件，界面化的操作能带来更加直观的感受，上位机与下位机的通讯使设计出来的系统更加的简洁化。

结合附图1-7，本发明公开一种基于矢量算法自学习直流无刷电机霍尔位置的控制方法，所述方法如下：

S1:确定直流无刷电机的通电顺序与霍尔传感器的关系得出霍尔扇区，上位机配置参数，然后发送指令到控制板上；

S2:控制板收到指令后，先进行霍尔扇区的自学习，将自学习得到的霍尔扇区存入到芯片中的FLASH中；

所述霍尔扇区的自学习具体步骤：通过对直流无刷电机通电的顺序，让转子运动到指定的位置，获得该位置的霍尔状态HALLState；按照通电的顺序，每次持续100ms，在100ms内定子产生的磁矩使转子运动，并将获得的HALLState存入到二维数组BUFF中，一个周期有六次换向，需要600ms，自学习10次，并通过六步换向的控制方法，检测母线电流值是否小于设定值，验证自学习是否成功；

S3:然后自学习霍尔扇区成功后，进行FOC算法的自学习，通过扇区解算出电机运行的电速度，通过电速度解算出当前的角度值；

S4:在FOC算法中，设定固定的参数Ud和Uq，通过解算的角度值，生成三路PWM波输入到电机的三相定子中，带动转子转动。

针对上述方法，本发明给出了具体的实施例如下：

本发明研究的对象为三个霍尔的安装位置相差120°，可以输出6个不同的霍尔信号组合，分别对应6个不同的区域。直流无刷电机的霍尔传感器安装位置与电机转子的位置如图1所示。

直流无刷电机的通电顺序与霍尔传感器的关系如下表所示，其中“×”代表该相关闭，“√”代表该相导通。

三相霍尔信号是开关信号，记高电平为1，低电平为0，霍尔扇区值可以计算如下：

HALLState_Sum＝HALL_A+2*HALL_B+4*HALL_C

HALLState_Sum的霍尔顺序为5-4-6-2-3-1，可根据实际情况对其按顺序(0-5)进行排序，方便角度值解算处理。霍尔顺序与最终霍尔的扇区霍尔状态值HALLState之间的关系如2所示，图中上方的曲线为HALLState的扇区值，下方的曲线为按照顺序排序之后的图。

A相对中性点反电动势过零点(由正变负)实质上是角度值绝对零度位置，在反电动势公式(表贴式直流无刷电机)中的公式如下：

Ea、Eb、Ec是直流无刷电机定子绕组的三相对中性点的反电动势，ω_e为电角速度，ψ_f为转子的磁链，θ_e为角度值，可以得到反电动势与HALLState之间的关系图3所示，图中上方的曲线为HALLState的扇区值，下方的曲线为A相的反电动势，可以得到反电动势由正转变为负值的交点为电角度零度位置，对应的扇区称为零度扇区。

本发明首先需要对直流无刷电机的霍尔扇区进行识别，为后续采用FOC算法做基础，通过对直流无刷电机通电的顺序，让转子运动到指定的位置，获得该位置的霍尔状态HALLState，按照通电的顺序，每次持续100ms，在100ms内定子产生的磁矩使转子运动，并将获得的HALLState存入到二维数组BUFF中，一个周期有六次换向，需要600ms，自学习10次，提高自学习的成功率，并通过六步换向的控制方法，检测母线电流值是否小于设定值，验证自学习是否成功。本发明基于霍尔传感器的直流无刷电机自学习算法流程图4所示。

在得到霍尔位置之后，采用FOC矢量算法让电机转动起来，首先需要得到电机零角度位置所对应的扇区。第一次自学习算法得到电机定子绕组三相一一对应的霍尔线束，第二次自学习得到零度扇区的位置，并知道电机正反转对应的扇区变化的顺序。

对于FOC矢量算法，本发明通过求解上一次扇区的电角速度，通过对上一扇区电角速度积分得到本次扇区的位移角度量。第二次自学习得到的扇区顺序的流程图5所示，电机启动前，电机可能处于静止状态，需要我们先读取三相霍尔开关信号，确定当前转子所处的Hall扇区角度，该角度与实际角度最大偏差为±30°。待电机稳定旋转后，一个电周期内可获取6个准确的霍尔扇区角度。计算转速时，可以利用信号捕获功能触发中断，并且在中断中读取计数结果，用于转速计算，同时清空计数，并进入下一次扇区计数。电机转动一个电周期，Hall产生6个扇区变化。以ω_e表示电机的电气角速度，计算公式为：

式中，RegisterCnt是读取的定时器计数值，f_timer是定时器配置的频率。机械转速即为电气角速度的(1/P)倍，公式为：

式中，P为电机的极对数，ω_m表示电机的机械角速度。

本发明中霍尔角度的解算是通过对速度的积分来实现的。首先，使用定时器，计算走过一个霍尔扇区所需要花费的时间T_oneSec(T法测速)。其次，利用T_oneSec计算在一个载波周期(T_carrier)内需要走过的角度值Δθ_e。最后，在每个载波中断内，每次累加该角度值，实现角度的连续积分。这里的Δθ_e是通过上一个扇区的速度估算，在每次霍尔扇区发生跳变的时候将更新角速度ω_e并清除寄存器的值。为了方便直流无刷电机的自学习过程，针对霍尔扇区的偏差角度，采用固定的偏差角度为θ_error，则最终通过霍尔扇区解算出来的真实的角度值为：

θ_result＝θ_Cumulate+θ_error

式中，θ_Cumulate为霍尔扇区积分累加得到的角度值，θ_error为固定的偏差值30°，θ_result为最终求得的角度值。通过J-Scope软件查看最终的θ_result与霍尔扇区之间的关系，图6中显示起始阶段给固定的角度值，定子产生的磁矩拖动转子转动起来，拖动起来之后，芯片中的寄存器可以捕获到霍尔扇区发生跳变，从而开始记录每个扇区停留的时间，之后就可以求解电速度，对速度进行积分来解算出当前的角度值。

将最终求得的θ_result输入到SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation)的代码中，通过固定的Ud等于0，Uq等于10000可以生成三相随时间变化的PWM波，最终合成旋转的矢量，带动电机转子旋转。

本发明中采用更加方便的界面化操作，让使用者能够更好的了解产品的功能，设计UI界面作为上位机，通过对不同的按钮定义，可以通过点击按钮从而使上位机与控制板进行通讯，控制板得到相应的指令后执行响应的动作，上位机的界面图7所示。

整个方法对于任何类型的直流无刷电机，不需要通过前期的测试、调试、编写代码等工作，通过设计的算法使电机自学习其中的参数。若设备断电后，由于提前将参数信息存入到芯片中的FLASH区域，不会随着断电而使数据丢失，将自学习获得的经验进行存储。实时检测电机的运行状态，并在上位机上实时显示出来，使用户可以更加直观的感受到有关电机的参数变化。通过多次的自学习训话，加大了自学习的成功率。

以上所述均为本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的原理前提下，对本发明的各种等价形式的修改均属于本申请所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于矢量算法自学习直流无刷电机霍尔位置的控制方法，其特征在于：所述方法如下：

S1:确定直流无刷电机的通电顺序与霍尔传感器的关系得出霍尔扇区，上位机配置参数，然后发送指令到控制板上；

S2:控制板收到指令后，先进行霍尔扇区的自学习，将自学习得到的霍尔扇区存入到芯片中的FLASH中；

所述霍尔扇区的自学习具体步骤：通过对直流无刷电机通电的顺序，让转子运动到指定的位置，获得该位置的霍尔状态HALLState；按照通电的顺序，每次持续100ms，在100ms内定子产生的磁矩使转子运动，并将获得的HALLState存入到二维数组BUFF中，一个周期有六次换向，需要600ms，自学习10次，并通过六步换向的控制方法，检测母线电流值是否小于设定值，验证自学习是否成功；

S3:然后自学习霍尔扇区成功后，进行FOC算法的自学习，通过扇区解算出电机运行的电速度，通过电速度解算出当前的角度值；

S4:在FOC算法中，设定固定的参数Ud和Uq，通过解算的角度值，生成三路PWM波输入到电机的三相定子中，带动转子转动；

霍尔角度的解算是通过对速度的积分来实现的：

首先，使用定时器，计算走过一个霍尔扇区所需要花费的时间T_oneSec，T法测速；

其次，利用T_oneSec计算在一个载波周期T_carrier内需要走过的角度值Δθ_e；

最后，在每个载波中断内，每次累加该角度值，实现角度的连续积分；

这里的Δθ_e是通过上一个扇区的速度估算，在每次霍尔扇区发生跳变的时候将更新角速度ω_e并清除寄存器的值；固定的偏差角度为θ_error，则最终通过霍尔扇区解算出来的真实的角度值为：

θ_result＝θ_Cumulate+θ_error

式中，θ_Cumulate为霍尔扇区积分累加得到的角度值，θ_error为固定的偏差值30°，θ_result为最终求得的角度值。

2.根据权利要求1所述的一种基于矢量算法自学习直流无刷电机霍尔位置的控制方法，其特征在于：S1中采用三个霍尔的安装位置相差120°，输出6个不同的霍尔信号组合，分别对应6个不同的区域，直流无刷电机的通电顺序与霍尔传感器的具体关系如下：

其中，“×”代表该相关闭，“√”代表该相导通，高电平信号为1，低电平信号为0。

3.根据权利要求1所述的一种基于矢量算法自学习直流无刷电机霍尔位置的控制方法，其特征在于：FOC算法的自学习分为两次，第一次自学习算法得到电机定子绕组三相一一对应的霍尔线束，第二次自学习得到零度扇区的位置，并知道电机正反转对应的扇区变化的顺序。

4.根据权利要求2或3所述的一种基于矢量算法自学习直流无刷电机霍尔位置的控制方法，其特征在于：电机运行之前需要读取三相霍尔开关信号，确定当前转子所处的Hall扇区角度，该角度与实际角度最大偏差为±30°；待电机稳定旋转后，一个电周期内可获取6个准确的霍尔扇区角度；计算转速时，利用信号捕获功能触发中断，并且在中断中读取计数结果，用于转速计算，同时清空计数，并进入下一次扇区计数；电机转动一个电周期，Hall产生6个扇区变化；以ω_e表示电机的电气角速度，计算公式为：

式中，RegisterCnt是读取的定时器计数值，f_timer是定时器配置的频率；机械转速即为电气角速度的1/P倍，公式为：

式中，P为电机的极对数，ω_m表示电机的机械角速度。

5.根据权利要求1所述的一种基于矢量算法自学习直流无刷电机霍尔位置的控制方法，其特征在于：将最终求得的θ_result输入到SVPWM，通过固定的Ud等于0，Uq等于10000生成三相随时间变化的PWM波，最终合成旋转的矢量，带动电机转子旋转。

6.根据权利要求1所述的一种基于矢量算法自学习直流无刷电机霍尔位置的控制方法，其特征在于：上位机设计UI界面，操作UI界面使上位机与控制板进行通讯，控制板得到相应的指令后执行响应的动作。