一種無位置傳感器的無刷直流電機的相位修正控制方法
2024-01-25 07:05:15 1
專利名稱：一種無位置傳感器的無刷直流電機的相位修正控制方法
技術領域：
本發明涉及電機控制，尤其是涉及一種無位置傳感器的無刷直流電機 的相位修正控制方法。
背景技術：
現有無刷直流電機(Brushless DC Motor,簡稱BLDCM)運行時通常 帶有一個或多個轉子位置傳感器，逆變功率器件導通與關斷取決於位置傳 感器實時檢測出的電機轉子位置。由於成本、可靠性以及機械裝配等因素， 尤其是當轉子浸沒在液體中運行時，安裝轉子位置傳感器非常不便，而且
穩定性和可靠性差。
為此，近年來推出了多種BLDCM的無傳感器控制方法，其中反電動 勢(Back Electromotive Force ，簡稱BEMF)法是目前最常用的一種無傳 感器的檢測轉子位置信號的控制方法，這種方法利用電機旋轉時，各項繞 組內BEMF信號過零點控制換相。而電路設計時都會採用濾波電路，保證 信號平穩，以免出現錯誤的幹擾信號，然而，採用濾波電路後與轉速對應 的不同頻率會產生不同電角度相移，即相位延遲，導致BEMF過零信號不 準確而推遲換相，使電機運行不穩定，甚至失步或停轉的嚴重後果。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是彌補上述現有技術的缺陷，提出一種無 位置傳感器的無刷直流電機的相位修正控制方法，因頻率不同而產生電角 度相移不同的相位補償方法。
本發明的技術問題通過以下技術方案予以解決。
這種無位置傳感器的無刷直流電機的相位修正控制方法，依次有以下 步驟
(1) 在電機啟動轉速和額定轉速之間等間隔設置至少一個採樣點， 通過記錄對應相位延遲的電角度值測繪出速度和相位延遲的關係曲線；
(2) 編寫電機控制程序，在採集BEMF的信號處理中加入相位延遲 補償程序，使其能在確切的換相點換相；
(3) 採用先定位再緩慢加速的方式啟動電機；
(4) 在電機到達啟動轉速時，採集BEMF過零點信號，再通過編寫
的電機控制程序中的相位補償子程序和換相控制子程序進行計算補償，達 到電機穩定運行的效果。
本發明與現有技術對比的有益效果是
本控制方法具有簡單靈活的優點，尤其是可以實時修正由位置檢測電 路造成的相位滯後，彌補了傳統無位置傳感器無刷直流電機控制中的相位 延遲導致換相時間不準確，調速範圍窄、運行不夠穩定可靠的缺陷。由於 是通過記錄對應相位延遲的電角度值測繪出速度和相位延遲的關係曲線， 可以掌握相位延遲與電機轉速的密切對應關係，從而增強了電機控制系統 的安全性、穩定性和可靠性。由於在軟體中使用了多次的相位檢測判斷比 較補償，不必增加硬體電路，可以方便調試和維護，顯著降低成本，更加 具有市場競爭力。本控制方法不必安裝位置傳感器，不必對濾波電路提出 過高要求，可以減少高性能濾波電路的設計難度。本發明方法可以廣泛應 用於各種無位置傳感器的無刷直流電機的相位修正控制。
圖1是本發明的具體實施方式
的無刷直流電機驅動系統組成方框圖； 圖2是圖1系統的電機控制程序編寫流程圖； 圖3是圖2中的相位補償子程序和換相控制子程序的流程圖。
具體實施例方式
下面通過具體實施方式
並結合附圖對本發明作進一步說明。 用於電動汽車空調控制系統中的無位置傳感器的無刷直流電機的相位 修正控制方法
採用本具體實施方法的無刷直流電機驅動系統組成如圖1所示。包括
主控制器模塊4、電動機模塊2、電機驅動集成功率模塊(Integmted Power Module,簡稱IPM)l、由BEMF採集模塊、濾波電路和比較電路模塊組成 的BEMF檢測電路3，以及用於隔離主控制器模塊4和電機驅動IPM 1的 光耦隔離驅動模塊5。
所述主控制器模塊4，包括單片機和數位訊號處理器(Digital Signal Processing,簡稱DSP)，由單片機發出控制信號，通過光耦隔離驅動模塊 5隔離後送到電機驅動IPM1，電機驅動IPM1通過接收到的控制信號給 U-V-W電機三相動力線通電，U-V-W三相動力線連接到電動機模塊2的電 機繞組U、 V、 W相線圈，在通電時會產生BEMF;所述主控制器模塊4 還基於BEMF檢測電路3回送的其檢測出的表示電機轉子位置的BEMF
信號，計算PWM佔空比，輸出換相信號，控制導通關斷信號，並進行轉 速計算調節處理以及相位補償處理和換相控制。
所述電動機模塊2是無位置傳感器的BLDCM，它將電能轉換成機械 能使空調運行。
所述電機驅動IPM 1，是電動機模塊2的驅動板塊，採用6個IGBT 合成，可分為上、下橋臂。三個上橋臂的輸入端與電源的正極母線相連接， 三個下橋臂與電源的負極母線地相連接，每對上下橋臂的中間連接點分別 與電動機模塊2的電機繞組U、 V、 W相線圈相連接。
所述BEMF檢測電路3中的BEMF採集模塊，連接在給電動機模塊2 通電運行的U-V-W三相動力線上，在某相動力線無電流通過時，將所採集 的由電機相應繞組線圈產生的BEMF，傳送至濾波電路進行濾波和去擾， 使BEMF信號更加穩定和準確，再由比較電路比較電機U-V-W三相電壓 的和與單相電壓的比值，檢測出反應電機轉子位置的BEMF信號，並回送 給主控制器模塊4。
由於設有濾波電路，所採集的由電機相應繞組線圈產生的BEMF信號 存在相位延遲，有必要採用本發明方法進行相位補償，依次有以下步驟
(1) 在BLDCM啟動轉速和額定轉速之間等間隔設置多個採樣點， 通過記錄對應相位延遲的電角度值測繪出速度和相位延遲的關係曲線；
由於通過BEMF採集到準確的換相點是無位置傳感器控制的核心，先 要掌握實際的相位延遲的變化情況才能做出正確的換相控制。為此，先將 霍爾位置傳感器安裝在BLDCM上，以通用的三相六拍的控制方式給電機 三相通電，此時的換相信號來源是霍爾位置信號傳感器反映的轉子位置。 調節下橋臂輸出的PWM佔空比，使BLDCM運轉在各個採樣點的轉速， 用示波器同時測試對應相的霍爾信號和BEMF反饋信號，比較其相位關係， 記錄BEMF落後真實霍爾位置的相位延遲電角度值。測量BEMF和霍爾傳 感器檢測的電角度的角度差值，並記錄下各個採樣點的轉速和相位，測繪 出速度和相位延遲的關係曲線。
(2) 編寫電機控制程序，在採集BEMF的信號處理中加入相位延遲 補償程序，使其能在確切的換相點正確換相；
所述步驟(2)中電機控制程序編寫流程依次有以下步驟
1) 主控制器模塊4初始化。
2) 使BLDCM進入開環啟動運行狀態，從靜止加速到啟動轉速，可
以採集BEMF。
3)進入主中斷循環系統，依次有以下操作-
① 電流檢測通過微處理器的AD 口採集母線電流，檢測電流情況， 並且根據電流值控制PWM構成電流閉環迴路；
② BEMF檢測通過微處理器的I/O 口捕獲BEMF模擬過零點的反 饋信號，判斷是否有BEMF過零信號發生，如果是，則計算出信號跳變時 間和控制換相邏輯次序，如果否，則返回主程序；
③ 速度計算通過公式RPM二60/ (T X N X 6)計算出電機當前 轉速，式中T: BEMF檢測函數提供的信號跳變時間；N:電機的極對數;
④ 速度調節判斷額定轉速和計算出的當前轉速是否相等.如果相 等，則不需要速度調節，如果不相等，則緩慢調節PWM佔空比，使電機 最後達到額定轉速；
⑤ 電流調節檢測當前母線電流，根據母線電流情況調節PWM佔空 比，使母線電流更加穩定；
⑥ PWM調節根據速度調節和電流調節的要求，調節PWM佔空比；
⑦ 相位補償根據速度計算函數提供的電機當前轉速，計算出對應的
相位補償值；
⑧ 換相控制計算與換相對應的邏輯關係，控制換相時間和等待換相控制。
(3) 採用先定位再緩慢加速的方式啟動電機；在電機靜止或者低速運 行時，關斷相的感應BEMF為零或者太小，不能採集到BEMF正確值，因 此，必須先使電機從靜止逐漸緩慢加速到BEMF可以採集的運行狀態。
所述步驟(3)中先定位再緩慢加速的啟動電機方式，依次有如下步驟;
1) 首先對電機轉子定位，給固定的兩相動力線如U-V通電，並延時 一段時間，使電機轉動到一個固定狀態等待；
2) 然後對依照需要的通電次序如U-V、 U-W、 V-W、 V-U、 W-U、 W-V， 導通下一項如U-W通電，使電機向一個方向旋轉並延時一段時間，再導通 下一項如V-W，使電機有序的轉動，在轉動過程中逐漸的階梯形增加佔空 比，並且縮短導通關斷時間，使電機緩慢加速至穩定的啟動轉速後，再保 持當前PWM佔空比和導通關斷時間。
(4) 在電機到達啟動轉速時，採集BEMF過零點信號，再通過編寫 的電機控制程序中的相位補償子程序和換相控制子程序進行計算補償，計
算出準確的換相點，使其換相，達到電機穩定運行的效果。
從開環切換到閉環狀態時，需要先通過初始調節PWM佔空比調節電
機初始相位，步驟如下
1) 比較開環狀態的導通關斷的相位時序，檢測的BEMF過零信號的 相差電角度，是否和當前轉速對應的相位延遲的電角度相同；
2) 如果不同，則用調節PWM佔空比的方法使其相差的電角度相同。 所述步驟(4)中相位補償子程序和換相控制子程序的流程如圖6所示,
依次有以下步驟-
1) 進入相位和換相補償程序，輸入BEMF採集信號；
2) 判斷是否有BEMF過零點信號，如果否，返回主程序；如果是， 繼續步驟3);
3) 如果有BEMF過零點信號，有以下子步驟
① 停止定時器；
② 讀取定時器時間T;
③ 清零定時器；
重新開啟定時器；
4) 將定時器時間T代入計算公式RPM=60/ (T X N X 6)計算 出電機當前轉速，式中N為電機極對數；
5) 通過已經測繪出的速度和相位延遲的關係曲線，將計算出的當前轉 速代入對應速度和相位延遲的關係曲線的程序函數，通過該程序函數計算 出與當前轉速對應的相位延遲電角度。
6) 根據不同的延遲電角度a，進入不同支路，導通對應的通電相；
7) 當延遲電角度a《30。時，
① 直接通過計算30° — a-b得到等待電角度b;
② 進入等待狀態，當等待時間等於等待電角度b對應的時間時，導通 當前項橋臂；
③ 設置30°導通控制標誌位，解決平穩過渡問題；
8) 當30° 〈延遲電角度a《卯°時，
① 判斷是否是第一次進入該循環，且最後一次進入30°電角度延遲 的標誌位Last30AngleFlg= 1 ，如果否，直接計算等待電角度b，如果是， 繼續進入下步驟②；
② 如果是第一次進入該循環，將最後一次進入30°電角度延遲的標
志位Last30AngleFlg標誌位清零，Last30AngleFlg= 0，再導通通過BEMF 計算的對應的當前項橋臂，使其不用等待一個電角度60。的導通周期； ③計算90。 一a-b得到等待電角度b;
進入等待狀態，當等待時間等於等待電角度b對應的時間時，導通 下一項橋臂；
⑤設置90°導通控制標誌位，解決平穩過渡問題；
9) 當90° 〈延遲電角度a《150°時，
① 判斷是否是第一次進入該循環，且最後一次進入90°電角度延遲 的標誌位1^^30八1^16 &= 1，如果否，直接計算等待電角度b，如果是， 繼續進入下步驟2);
② 如果是第一次進入該循環，將最後一次進入90°電角度延遲的標 志位Last30AngleFlg標誌位清零，Last90AngleFlg= 0，再導通通過BEMF 計算的對應的下一項橋臂，使其不用等待一個電角度60。的導通周期；
③ 計算150° —a-b得到等待電角度b;
④ 進入等待狀態，當等待時間等於等待電角度b對應的時間時，導通 下兩項橋臂；
10) 返回主程序。
為了電機運行的穩定效果，優選地，相位補償電角度擴大至150° 。 以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說 明，不能認定本發明的具體實施只局限於這些說明。對於本發明所屬技術 領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若 幹簡單推演或替換，都應當視為屬於本發明由所提交的權利要求書確定的 專利保護範圍。
權利要求
1.一種無位置傳感器的無刷直流電機的相位修正控制方法，其特徵在於依次有以下步驟(1)在電機啟動轉速和額定轉速之間等間隔設置至少一個採樣點，通過記錄對應相位延遲的電角度值測繪出速度和相位延遲的關係曲線；(2)編寫電機控制程序，在採集BEMF的信號處理中加入相位延遲補償程序，使其能在確切的換相點換相；(3)採用先定位再緩慢加速的方式啟動電機；(4)在電機到達啟動轉速時，採集BEMF過零點信號，再通過編寫的電機控制程序中的相位補償子程序和換相控制子程序進行計算補償，達到電機穩定運行的效果。
2. 如權利要求1所述的無位置傳感器的無刷直流電機的相位修正控制 方法，其特徵在於所述步驟(2)中電機控制程序編寫流程依次有以下步驟1) 主控制器模塊初始化；2) 使BLDCM進入開環啟動運行狀態，從靜止加速到啟動轉速，可 以採集BEMF;3) 進入主中斷循環系統，依次有以下操作① 電流檢測通過微處理器的AD 口採集母線電流，檢測電流情況， 並且根據電流值控制PWM構成電流閉環迴路；② BEMF檢測通過微處理器的I/O 口捕獲BEMF模擬過零點的反 饋信號，判斷是否有BEMF過零信號發生，如果是，則計算出信號跳變時 間和控制換相邏輯次序，如果否，則返回主程序；③ 速度計算通過公式RPM二60/ (T X N X 6)計算出電機當前 轉速，式中T: BEMF檢測函數提供的信號跳變時間；N:電機的極對數; 速度調節判斷額定轉速和計算出的當前轉速是否相等.如果相等，則不需要速度調節，如果不相等，則緩慢調節PWM佔空比，使電機 最後達到額定轉速；⑤ 電流調節檢測當前母線電流，根據母線電流情況調節PWM佔空 比，使母線電流更加穩定；⑥ PWM調節根據速度調節和電流調節的要求，調節PWM佔空比； ⑦ 相位補償根據速度計算函數提供的電機當前轉速，計算出對應的 相位補償值；⑧ 換相控制計算與換相對應的邏輯關係，控制換相時間和等待換相 控制。
3. 如權利要求1或2所述的無位置傳感器的無刷直流電機的相位修正 控制方法，其特徵在於所述步驟(3)中先定位再緩慢加速的啟動電機方式，依次有如下步驟；1) 首先對電機轉子定位，給固定的兩相動力線通電，並延時一段時間， 使電機轉動到一個固定狀態等待；2) 然後對依照需要的通電次序，導通下一項通電，使電機向一個方向 旋轉並延時一段時間，再導通下一項，使電機有序的轉動，在轉動過程中 逐漸的階梯形增加佔空比，並且縮短導通關斷時間，使電機緩慢加速至穩 定的啟動轉速後，再保持當前佔空比和導通關斷時間。
4. 如權利要求3所述的無位置傳感器的無刷直流電機的相位修正控制 方法，其特徵在於所述步驟(4)中相位補償子程序和換相控制子程序的流程，依次有以下步驟1) 進入相位和換相補償程序，輸入BEMF採集信號；2) 判斷是否有BEMF過零點信號，如果否，返回主程序；如果是， 繼續步驟3);3) 如果有BEMF過零點信號，有以下子步驟① 停止定時器；② 讀取定時器時間T;③ 清零定時器；④ 重新開啟定時器；4) 將定時器時間T代入計算公式RPM二60/ (T X N X 6)計算出 電機當前轉速，式中N為電機極對數；5) 通過己經測繪出的速度和相位延遲的關係曲線，將計算出的當前轉 速代入對應速度和相位延遲的關係曲線的程序函數，通過該程序函數計算 出與當前轉速對應的相位延遲電角度；6) 根據不同的延遲電角度a，進入不同支路，導通對應的通電相；7) 當延遲電角度a〈30。時，① 直接通過計算30。 _ a-b得到等待電角度b;② 進入等待狀態，當等待時間等於等待電角度b對應的時間時，導通 當前項橋臂；③ 設置30°導通控制標誌位，解決平穩過渡問題；8) 當30° <延遲電角度3<90°時，① 判斷是否是第一次進入該循環，且最後一次進入30°電角度延遲 的標誌位LaSt30AngleFlg= 1 ，如果否，直接計算等待電角度b，如果是，繼續進入下步驟2);② 如果是第一次進入該循環，將最後一次進入30°電角度延遲的標 志位Last30AngleFlg標誌位清零，Last30AngleFlg= 0，再導通通過BEMF 計算的對應的當前項橋臂，使其不用等待一個電角度60。的導通周期；③ 計算90。 一a-b得到等待電角度b;④ 進入等待狀態，當等待時間等於等待電角度b對應的時間時，導通 下一項橋臂；⑤ 設置90°導通控制標誌位，解決平穩過渡問題；9) 當90° 〈延遲電角度a〈150。時，① 判斷是否是第一次進入該循環，且最後一次進入90°電角度延遲 的標誌位LaSt30AngleFlg= 1 ，如果否，直接計算等待電角度b，如果是， 繼續進入下步驟②；② 如果是第一次進入該循環，將最後一次進入90°電角度延遲的標 志位Last30AngleFlg標誌位清零，Last90AngleFlg= 0，再導通通過BEMF 計算的對應的下一項橋臂，使其不用等待一個電角度60。的導通周期；③ 計算150。 一a-b得到等待電角度b; 進入等待狀態，當等待時間等於等待電角度b對應的時間時，導通 下兩項橋臂；10) 返回主程序。
全文摘要
本發明公開了一種無位置傳感器的無刷直流電機的相位修正控制方法，其特徵是依次有以下步驟(1)在電機啟動轉速和額定轉速之間等間隔設置至少一個採樣點，通過記錄對應相位延遲的電角度值測繪出速度和相位延遲的關係曲線；(2)編寫電機控制程序，在採集BEMF的信號處理中加入相位延遲補償程序，使其能在確切的換相點換相；(3)採用先定位再緩慢加速的方式啟動電機；(4)在電機到達啟動轉速時，採集BEMF過零點信號，再通過編寫的電機控制程序中的相位補償子程序和換相控制子程序進行計算補償。本發明具有簡單靈活的優點，尤其是可以實時修正由位置檢測電路造成的相位滯後。本方法可以廣泛應用於各種無位置傳感器的無刷直流電機的相位修正控制。
文檔編號H02P6/14GK101355334SQ20071007542
公開日2009年1月28日 申請日期2007年7月27日 優先權日2007年7月27日
發明者明 俞, 齊阿喜 申請人:比亞迪股份有限公司