一種無位置傳感器的單相直流無刷電機的啟動方法與流程
2023-09-15 17:01:21 1
本發明涉及無位置傳感器的單相直流無刷電機，尤其涉及一種無位置傳感器的單相直流無刷電機的啟動方法。
背景技術：
單相無刷直流電動機是一種無電刷和換向器的直流電動機，採用勵磁磁場驅動轉子，通過電子方式進行直流電的換向。換向時間由轉子位置決定，而位置傳感器是確定轉子位置的主要部件。由於有位置傳感器存在，電機工作受制於位置傳感器，位置傳感器安裝位置會影響電機運行參數，如電流、速度、輸出功率、效率等，同時若安裝位置偏差較大，則會導致電機無法啟動、高頻振動情況，甚至出現損毀電機或控制系統。採用無位置傳感器技術則不存在上述問題，同時無位置傳感器能簡化電機製造、生產製程，並且增大了電機應用範圍等。但是現有技術尚不能解決無位置傳感器的單向直流無刷電機的啟動問題。本申請對此作出改進。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是提供一種無位置傳感器的單相直流無刷電機的啟動方法，解決無位置傳感器的單向直流無刷電機的啟動，避免由於安裝位置傳感器帶來的弊端。
一種無位置傳感器的單相直流無刷電機的啟動方法，其特徵在於包括以下步驟：
預定位：給電機繞組通一固定方向電流，迫使電機轉子轉到預定位置；
拖動：根據當前位置給出通電序列，產生驅動信號，讓轉子強制換相，使轉子轉動，達到預定速度；
自同步：當轉子由拖動達到預定轉速後，檢測反電動勢，將電機切換到自 控階段，實現根據轉子位置同步換相。
在本發明的啟動方法中，預定位的通電電壓為佔空比40至60％。
在本發明的啟動方法中，通過位置檢測電路檢測電機繞組在運行過程中產生的反電動勢。
在本發明的啟動方法中，A_Phase和B_Phase分別接在是電機繞組的A、B兩個接線端，當電機繞組勵磁時，A、B兩端電壓為勵磁電壓，當電機繞組停止勵磁，從A、B端檢測反電動勢。
在本發明的啟動方法中，反電動勢電壓經過A_Phase和B_Phase連接到兩組減法器，將反電動勢信號相減。
本啟動方法無需安裝位置傳感器，避免當置傳感器安裝位置影響電機運行參數，如電流、速度、輸出功率、效率等，更避免若安裝位置偏差較大，導致電機無法啟動、高頻振動情況。
附圖說明
圖1為本發明的無位置傳感器單相無刷直流電機結構；
圖2為本發明的啟動方法的系統結構圖；
圖3為本發明的BEMF採樣電路圖；
圖4為本發明的BEMF採樣波形圖。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。
無位置傳感器單相無刷直流電機的結構如圖1所示，其具有兩對磁極，分別為1N、1S、2N、2S，對應繞組為A、B、C、D四個定子繞組，電機內部無需安裝位置傳感器。本發明的系統結構如圖2所示，U1為MCU是系統總的控制單元，內部包含ADC採樣、DAC轉換器、內置比較器、存儲器、運算單元等；U2為驅動單元，為MOS管提供驅動信號；U3為BEMF反電動勢採樣，完 成反電動勢採樣及換相信號輸出；C1為母線電容，用於電能轉換存儲、釋放、吸收回饋電能；Q1～Q4為MOS管，組成H橋，完成電機換流工作；D1～D4為續流二極體，為電機換流過程中電機繞組電流洩放通路；I_SENSOR為電流傳感器，用於採樣電機電流。
電機運行時，電流的方向是在不停的切換的，表1描述Q1～Q4的開關狀態與電流方向的對應關係。
表1
電機啟動時，轉速很低的情況下，施加在繞組兩端的電壓在沒有反電動勢的情況下會產生很大電流，如果這個電流不做限制會造成控制器損壞或電機過熱燒毀，本發明通過電流傳感器將電流採樣後送到MCU的內置比較器，通過MCU設置電流閥值，當電機電流超過閥值，MCU會控制驅動電路將Q1～Q4關閉，斷開勵磁電壓，當繞組電流下降至安全範圍，MCU會重新開啟勵磁。
電機在靜止狀態下，由於沒有位置傳感器，無法知道電機轉子當前位置，故無法給出正確的電機電流方向，在這種情況下，就需要對轉子進行預先定位控制。預定位的做法是，首先給出MOS管驅動信號使電機電流方向為預定電流方向，使得轉子被迫轉到預定的位置，本發明設置預定位電流方向為A->B，所以是Q1和Q4打開。但是預定位時間不能太長，因為定位時電機轉子轉動幅度不大，轉子獲得的機械能不多，在定位後轉子是保持在固定位置不動，電機繞組中的電流全部用來發熱，所以太長時間的定位會導致電機發熱或控制板發熱，嚴重時會造成電機或控制器損壞。預定位時間亦不能太短，太短時間轉子獲得的動能不夠支持轉子轉到預定位置，則因為齒槽轉矩的反向作用力導致電 機轉子又重新回到之前位置，導致定位失敗。預定位時間需要經實際測量而定。轉子定位成功後，由於是預先設定的位置，故當前轉子位置可知。那麼就可以按照當前轉子位置給電機驅動電流，電機也會因此獲得驅動力。
電機要輸出較大轉矩，需要同步勵磁電機，但是定位之後由於沒有位置傳感器，依舊無法獲取同步的轉子位置，所以本發明用到了位置檢測電路。位置檢測電路檢測的是電機繞組在運行過程中產生的反電動勢，如圖3所示，A_Phase和B_Phase分別接在是電機繞組的A、B兩個接線端，當電機繞組勵磁時，A、B兩端電壓為勵磁電壓，當電機繞組停止勵磁，可以從A、B端檢測反電動勢。A_Phase和B_Phase要檢測到反電動勢的必要條件是加載在繞組兩端的勵磁電壓為0，且繞組中電流為0，同時電機要達到一定轉速，才能檢測到真實的反電動勢。
滿足上述條件後，在圖3的檢測電路上，反電動勢電壓經過A_Phase和B_Phase連接到兩組減法器，將反電動勢信號相減。使用減法器的原因是為了防止電壓零點漂移，不使用減法器時，由於反電動勢在較低轉速時，電壓幅值較小，而檢測電路的電壓零點是以控制板的GND作為參考，會有較大的浮動，造成檢測位置出現偏差，會影響電機驅動效果。
A、B兩端檢測到的反電動勢信號是一個正弦波信號，但是實際電路上的波形如圖4所示，在A_Phase上檢測到的信號，在有驅動電壓存在的情況下是根據驅動電壓變化的方波信號，只有在關閉驅動的條件下，才能檢測到反電動勢信號，圖4上ta-tb段才是真正的反電動勢信號，而此時的B_Phase電壓為0V，所以A_Phase電壓高於B_Phase，故選擇A-B這個減法器；當到電機轉子運行到另一個周期時，如tc-td段，B_Phase電壓會高於A_Phase所以要選擇B-A減法器。
獲取到電機反電動勢信號後，會將其輸入比較器的一個輸入端，如圖4。而比較器的另一個輸入信號是MCU的電壓設定值COMP_SET，這個值是通過MCU內置的DAC輸出到比較器的。通過改變COMP_SET的值，即可設置反電動勢檢測器輸出時刻，這個時刻可以用來實現提前換相勵磁。當需要提前換相勵磁時，將COMP_SET設置為大於0的設定值，這個值通過與反電動勢比較， 即可獲取到超前於反電動勢過零的BEMF_OUT信號，而這個信號送到MCU，MCU通過控制驅動電路來提前給繞組勵磁。
由於反電動勢位置檢測電路需要在一定轉速才能起到作用，所以在預定位之後需要對電機轉子進行他勵拖動。他勵拖動的勵磁時間和換流頻率要求比較嚴格，不然電機不能順利的拖到一定轉速，並且勵磁時間和換流頻率會受負載和勵磁電壓水平影響。
本發明應用於吸塵器這種風機類負載，負載變化情況較小，在拖動時影響會較勵磁電壓水平小。對於勵磁電壓對勵磁時間和換流頻率的影響，本發明使用根據電壓建立表格，將不同電壓水平進行分級，勵磁時間和換流頻率與勵磁電壓建立關係，具體的數據要根據實際情況測量。當電機轉速拖動到20000～30000RPM，便可以進行位置檢測，檢測到正確位置後，切換到同步勵磁。對於反電動勢位置檢測時機，由於在繞組施加有勵磁電壓情況下，無法檢測反電動勢，故需要在待檢測反電動勢信號之前關閉驅動勵磁信號。關閉驅動信號的時間會影響電機的轉矩，關閉時間過長，會使得勵磁時間不夠，電機轉矩出現間斷，影響電機轉速，並且產生較大的轉矩波動。關閉驅動信號時間太短，會影響反電動勢檢測。在關閉驅動信號時，由於電機繞組時感性負載，電機繞組殘留大量電流需要有途徑洩放，電機繞組中的電流不洩放，也會找出反電動勢檢測異常。
電機繞組中電流會因為Q1～Q4四個MOS管關閉從續流二極體D1～D4流過，將電能充回母線。電流續流過程中，由於續流二級管導通，A、B繞組兩端電壓為母線電壓，反電動勢不可檢測，需要待電流續流完成，才可檢測到真實反電動勢。故電機關閉驅動的時刻與電機轉速和電機電流有關，本發明使用的方法是使用固定的關斷角，這個角度換算成時間，則這個時間會隨著速度的變化而變化，但是在電機運行周期所佔的比例是固定的。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。