一種高轉(zhuǎn)速無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于微特電機(jī)控制領(lǐng)域，尤其涉及一種高轉(zhuǎn)速無刷直流電機(jī)的無位置傳感 器控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無刷直流電機(jī)是近年來隨著電力電子發(fā)展和新型"永磁材料"出現(xiàn)而迅速廣泛使 用的一種新型電機(jī)。它以電子控制線路代替機(jī)械電刷和換向器實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的換相，是當(dāng) 今最高效率的調(diào)速電機(jī)。已經(jīng)在商務(wù)設(shè)備、工廠自動化、航空航天、醫(yī)療機(jī)械，以及汽車和家 電等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。采用無位置傳感器控制技術(shù)，不但可以克服位置傳感器的諸 多弊端，而且能夠達(dá)到提高電機(jī)動態(tài)特性與安全穩(wěn)定運(yùn)行能力，降低震動和噪聲等目的。因 此，無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制方法越來越受到人們重視，并且朝著實(shí)用化的方向 發(fā)展。
[0003] 目前采用DSP或者M(jìn)⑶，配置外圍的AD采樣通道實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的無位置傳感器 控制已經(jīng)成為主流，其控制對象的轉(zhuǎn)速多為每分鐘幾千轉(zhuǎn)。但是，在一些工業(yè)、醫(yī)療、家電等 行業(yè)要求電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到每分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn)。這種狀況下，一方面對控制方法的實(shí)現(xiàn)提出更高的 要求，例如如何規(guī)避換相時刻的干擾，如何精確識別過零點(diǎn)，如何對換相時間誤差進(jìn)行修 正，等等問題。另外一方面行業(yè)生產(chǎn)廠家對控制裝置的成本有嚴(yán)格要求，如果采用DSP等高 端芯片，雖然可以實(shí)現(xiàn)高速狀態(tài)下的控制，但是昂貴的芯片價格將導(dǎo)致產(chǎn)品成本大幅度上 升，產(chǎn)品的市場前景和競爭力受到較大的限制?，F(xiàn)有其它種類的控制裝置未能夠?qū)刂扑?法進(jìn)行優(yōu)化，使得成本較低的微處理器不能夠良好完成高轉(zhuǎn)速無刷直流電機(jī)的無位置傳感 器控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中的問題，提供一種高轉(zhuǎn)速無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控 制方法，成本較低，系統(tǒng)響應(yīng)速度快、控制精度與靈活性高。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:提供一種高轉(zhuǎn)速無刷直流電機(jī)的無 位置傳感器控制方法，對于三相橋兩電平的主電路，進(jìn)行6種工作狀態(tài)控制:Pl狀態(tài)~P6狀 態(tài)，主電路包含三相橋臂，每相橋臂上、下兩個開關(guān)管不同時導(dǎo)通，且任意時刻都有三個開 關(guān)管同時導(dǎo)通;第一相橋臂的上橋臂開關(guān)器件為AH，下橋臂開關(guān)器件為AL，AH的源極、AL的 漏極與A相相連;第二相橋臂的上橋臂開關(guān)器件為BH，下橋臂開關(guān)器件為BL，BH的源極、BL的 漏極與B相相連;第三相橋臂的上橋臂開關(guān)器件為CH，下橋臂開關(guān)器件為CL，CH的源極、CL的 漏極與C相相連，主電路的6種工作狀態(tài)中，Pl狀態(tài)為電機(jī)運(yùn)行在0°~60°的電角度狀態(tài)，對 應(yīng)AL，BH導(dǎo)通;P2狀態(tài)為60°~120°的電角度狀態(tài)，對應(yīng)AL，CH導(dǎo)通;P3狀態(tài)為120°~180°的 電角度狀態(tài)，對應(yīng)BL，CH導(dǎo)通;P4狀態(tài)為180°~240°的電角度狀態(tài)，對應(yīng)AH，BL導(dǎo)通;P5狀態(tài) 為240°~300°的電角度狀態(tài)，對應(yīng)AH，CL導(dǎo)通;P6狀態(tài)為300°~360°的電角度狀態(tài)，對應(yīng)BH， CL導(dǎo)通;在一個工作周期中，6種工作狀態(tài)驅(qū)動信號以PffM的形式工作，并依次輪流出現(xiàn)。由 此產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，帶動無刷直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)。
[0006] 按上述技術(shù)方案，無刷直流電機(jī)控制流程分三個階段，第一階段進(jìn)行電機(jī)定位功 能，控制器首先使得逆變器工作在Pl狀態(tài)，并持續(xù)T時間（T根據(jù)不同電機(jī)參數(shù)及啟動速度要 求，設(shè)定在60到200ms之間），之后，變換至P4狀態(tài)，也持續(xù)T(根據(jù)不同電機(jī)參數(shù)設(shè)定)時間， 此時無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速為S 1，第一階段結(jié)束;第二階段完成無刷直流電機(jī)的強(qiáng)制啟動功能， 逆變器工作狀態(tài)由P4狀態(tài)切換至P5狀態(tài)，之后在Pl狀態(tài)到P6狀態(tài)這6種工作狀態(tài)下依次循 環(huán)，總循環(huán)次數(shù)為N，N的范圍設(shè)定在50~100,第X次循環(huán)狀態(tài)持續(xù)的時間為Ptx，電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá) 到S 2(S2需達(dá)到反電動勢可穩(wěn)定檢測的轉(zhuǎn)速)后，第二階段結(jié)束;第三階段利用3個中斷的相 互配合，完成換相干擾時間的躲避、過零點(diǎn)的檢測，以及換相時間的計(jì)算和換相切換操作， 第三階段反復(fù)循環(huán)執(zhí)行，逆變器的6種工作狀態(tài)依次輪流自動切換。
[0007] 桉H術(shù)枯f右宏.笛1汝{話钚狀本掛娃R計(jì)IllPtY.誦寸W下公式計(jì)算得到：
[0008] (1)
[0009]式（Dms1為第一階段結(jié)束時無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，N為第二階段總共循環(huán)次數(shù)，X 為第X次循環(huán)，&為第二階段結(jié)束時無刷直流電機(jī)預(yù)定轉(zhuǎn)速。
[0010]相比專用集成控制芯片而言，本發(fā)明方法可利用8位M⑶或者成本較低的微處理器 實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制，三個階段的持續(xù)時間和切換次數(shù)可根據(jù)不 同的無刷直流電機(jī)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。特別是第三階段，躲避換相干擾信號的時間可以靈活 設(shè)置;過零點(diǎn)的時間也可以加入濾波算法進(jìn)行處理，從而使得電機(jī)轉(zhuǎn)動更為平穩(wěn)；同時，可 以根據(jù)程序?qū)崿F(xiàn)超前或者滯后換相，提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩的性能。本發(fā)明控制算法利用微處理器 進(jìn)行數(shù)字化處理以后，系統(tǒng)響應(yīng)速度更快、控制精度與靈活性更高。
[0011] 本發(fā)明高轉(zhuǎn)速無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制方法，是基于無刷直流電機(jī)三相 反電動勢波形檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的換向與控制，其基本原理如下：
[0012] 無刷直流電機(jī)驅(qū)動電路為標(biāo)準(zhǔn)的三相兩電平逆變電路，主電路結(jié)構(gòu)為橋式拓?fù)淙?圖1所示，有三相橋臂，每相橋臂上、下兩個開關(guān)管不能同時導(dǎo)通，且任意時刻都有三個開關(guān) 管同時導(dǎo)通。開關(guān)器件可以為IGBT，或者M(jìn)OSFET-N等全控型電力電子開關(guān)器件，第一相橋臂 的上橋臂開關(guān)器件為AH，下橋臂開關(guān)器件為AL，AH的源極、AL的漏極與A相相連;第二相橋臂 的上橋臂開關(guān)器件為BH，下橋臂開關(guān)器件為BL，BH的源極、BL的漏極與B相相連;第三相橋臂 的上橋臂開關(guān)器件為CH，下橋臂開關(guān)器件為CL，CH的源極、CL的漏極與C相相連。當(dāng)AH導(dǎo)通AL 關(guān)斷時，A相接于直流電源正端；當(dāng)AL導(dǎo)通AH關(guān)斷時，A相接于直流電源負(fù)端。同理，B相和C相 也是根據(jù)上、下管導(dǎo)通情況決定其電位的。對于無刷直流電機(jī)驅(qū)動控制而言，圖1所示的電 路存在6個工作狀態(tài)，Pl，P2，P3，P4，P5，P6，每個工作狀態(tài)對應(yīng)2相橋臂功率器件工作，輸出 電壓接正電平或者負(fù)電平。另外一相橋臂功率器件全部關(guān)斷，該相感應(yīng)出反電動勢，各狀態(tài) 詳細(xì)情況如下：
[0013] (I)Pl狀態(tài)對應(yīng)AL，BH導(dǎo)通，即，此狀態(tài)下B相輸出正電平，A相輸出負(fù)電平，C相感應(yīng) 出反電動勢。
[0014] (2)P2狀態(tài)對應(yīng)AL，CH導(dǎo)通，此狀態(tài)下C相輸出正電平，A相輸出負(fù)電平，B相感應(yīng)出 反電動勢。
[0015] (3)P3狀態(tài)對應(yīng)BL，CH導(dǎo)通，此狀態(tài)下C相輸出正電平，B相輸出負(fù)電平，A相感應(yīng)出 反電動勢。
[0016] (4)P4狀態(tài)對應(yīng)AH，BL導(dǎo)通，此狀態(tài)下A相輸出正電平，B相輸出負(fù)電平，C相感應(yīng)出 反電動勢。
[0017] (5)P5狀態(tài)對應(yīng)AH，CL導(dǎo)通，此狀態(tài)下A相輸出正電平，C相輸出負(fù)電平，B相感應(yīng)出 反電動勢。
[0018] (6)P6狀態(tài)對應(yīng)BH，CL導(dǎo)通，此狀態(tài)下B相輸出正電平，C相輸出負(fù)電平，A相感應(yīng)出 反電動勢。
[0019] 以上6種工作狀態(tài)以PffM的形式工作，在一個工作周期中6種狀態(tài)依次輪流出現(xiàn)，由 此產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，并帶動電機(jī)旋轉(zhuǎn)，一個周期之中6種狀態(tài)下對應(yīng)的各相電壓以及反電動勢 如圖2所示。通過調(diào)節(jié)PffM的占空比，可以達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的，由此實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)的轉(zhuǎn) 速。
[0020] 無刷直流電機(jī)的無位置傳感器整體控制流程如圖3所示，各階段具體控制內(nèi)容與 方法如下：
[0021] 第一階段，圖3中AB段所示，系統(tǒng)上電之后，控制程序首先進(jìn)入該階段，完成無刷直 流電機(jī)的定位功能，具體實(shí)現(xiàn)方法為:首先使逆變器工作在Pl狀態(tài)，并持續(xù)T時間，變換至P4 狀態(tài)，同樣也持續(xù)T時間，如圖3，此時在B點(diǎn)的速度為S 1。
[0022]第二階段，圖3中BC段所示，完成無刷直流電機(jī)定位之后，控制程序進(jìn)入該階段，實(shí) 現(xiàn)無刷直流電機(jī)的強(qiáng)制啟動功能，具體實(shí)現(xiàn)方法為:逆變器工作狀態(tài)由P4狀態(tài)切換至P5狀 態(tài)，之后在Pl狀態(tài)到P6狀態(tài)這6種工作狀態(tài)下依次循環(huán)，循環(huán)次數(shù)N與各狀態(tài)存在的時間P tx， 根據(jù)不同型號的電機(jī)參數(shù)來確定。當(dāng)轉(zhuǎn)速超過S2r/min(S2值根據(jù)電機(jī)不同而不同），無刷直 流電機(jī)反電動勢達(dá)到一個可供穩(wěn)定測量的數(shù)值時，第二階段結(jié)束。
[0023] 第三階段，圖3中⑶段所示，完成無刷直流電機(jī)強(qiáng)制啟動之后，控制器根據(jù)圖4所示 的流程，完成過零點(diǎn)的識別與狀態(tài)切換時間的計(jì)算，并執(zhí)行逆變器工作狀態(tài)的連續(xù)切換。具 體實(shí)現(xiàn)方法為:在換相點(diǎn)To到來后，程序開始計(jì)時，為了躲避換相干擾信號的影響，即To到T 1 期間程序不進(jìn)行過零點(diǎn)的判斷，當(dāng)換相干擾時間結(jié)束后，程序開始檢測過零點(diǎn)，一旦出現(xiàn)過 零點(diǎn)，則記錄換相點(diǎn)到過零點(diǎn)的時間，并即To到T2的時間。并重新開始計(jì)時，當(dāng)計(jì)時時間等于 To到!^的時間后，執(zhí)行換相操作。該過程反復(fù)循環(huán)執(zhí)行，6種工作狀態(tài)依次輪流切換，由此產(chǎn) 生旋轉(zhuǎn)磁場，并帶動電機(jī)旋轉(zhuǎn)。由于高轉(zhuǎn)速無刷直流電機(jī)(例如2萬轉(zhuǎn)/分鐘)換相時間短，需 要利用高頻的中斷完成過零點(diǎn)的精確檢測，本發(fā)明是利用3個中斷相互配合完成以上功能。
[0024] 本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：本發(fā)明高轉(zhuǎn)速無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制方 法，成本較低，控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快、控制精度與靈活性高。
【附圖說明】
[0025]下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中：
[0026] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例高轉(zhuǎn)速無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制方法系統(tǒng)框圖；
[0027] 圖2是逆變電路6種工作狀態(tài)下對應(yīng)的各相電壓以及反電動勢示意圖；