無刷直流電機的高頻檢測脈衝注入方法
2024-03-05 22:02:15
專利名稱：無刷直流電機的高頻檢測脈衝注入方法
技術領域：
本發明屬於無刷直流電機控制技術領域，涉及一種高頻檢測脈衝注入方法。
背景技術：
無刷直流電機最基本的特點在於無需電刷即可實現換相。無刷直流電機根據位置信號，依賴電子換向器按照一定的順序為各相通電，從而省去了電機中容易損壞、需要經常維護的電刷，降低了電機製造成本和維護成本，擴展了應用範圍。無刷直流電機的位置傳感器必須安裝在電機內部對電機轉子位置進行檢測，位置傳感器需要進行維護，價格較高，限 制了無刷直流電機在惡劣條件下的穩定高效運行。無刷直流電機的無位置傳感器控制技術得到發展，無刷直流電機的無位置傳感器控制技術通過檢測無刷直流電機的一些電量信號或反應得到無刷直流電機的位置信號，在這種控制方式下，無刷直流電機具有較高可靠性和抗幹擾能力，克服了位置傳感器不準確安裝帶來的位置檢測誤差和轉矩脈動。傳統電感法不依賴轉子磁場運動就可以獲得轉子位置，其基本原理是在繞組中施加方波脈衝電壓，由於繞組的電樞反應，根據測得的電流幅值比較後即可得到電感差異，再根據電感與轉子位置之間的關係得到位置信號。當採用高頻脈衝電壓，提高了檢測次數，降低了檢測周期，進而得到更加及時精確的轉子位置信號。頻分復用技術是通信工程中常用的技術之一，它將傳輸信息的信道劃分為若干個互相不重疊的子信道，每路信號佔用其中一個頻段，在接收端採用合適的帶通濾波器將多路信號分開，從而恢復所需要的信號。例如電力線載波通信設備是電力系統通信中的採用頻分復用技術的常用設備之一，它利用高壓輸電線作為有線通信的信道，為電力系統的遠動、保護、生產指揮、通信調度和行政業務通信提供了手段。傳統方法中，基於電感法原理的無刷直流電機無位置傳感器的高頻檢測脈衝由功率開關產生，高頻檢測脈衝與無刷直流電機的驅動電壓信號分時復用電源線和繞組。檢測位置信號時不能輸出驅動電壓信號，影響了無刷直流電機的運動控制和調速，產生電機速度的偏差，特別是在電機起動和低速運行時系統性能下降嚴重；同時也影響了高頻檢測脈衝注入的實時性，造成位置信號的不準確。常用無刷直流電機電感差異小，檢測信號信噪比低，算法實現困難。功率開關元件選定後最大開關頻率固定，從而限制了高頻檢測脈衝信號頻率的提高，傳統方法依賴於的聞精度電流傳感器，提聞了系統成本，限制了檢測精度的提聞。
發明內容
本發明旨在克服現有技術的上述不足，提供一種能夠提高檢測信號的精確度和實時性，降低系統的成本的無刷直流電機高頻檢測脈衝的注入方法，適用於無刷直流電機無位置傳感器控制的應用場合。為了實現以上目的，本發明採用以下技術方案一種無刷直流電機的高頻檢測脈衝注入方法，其特徵在於，該方法利用高頻信號源產生高頻檢測脈衝信號，高頻檢測脈衝信號通過耦合電路分別耦合到無刷直流電機各相的電源線和繞組上，通過電壓傳感器檢測無刷直流電機的各相的端電壓值，各相的端電壓值分別經過帶通濾波器後得到各相端電壓的高頻電壓分量，根據高頻電壓分量的幅值、相位或瞬時值的差異得到位置信號，控制器根據位置信號實現無刷直流電機的無位置傳感器控制。作為優選實施方式，所述的高頻檢測脈衝信號由獨立的信號源產生，高頻檢測脈衝信號與電機的驅動電壓分頻復用電源線和電機繞組；在高頻檢測脈衝信號的高頻脈衝注入點與功率開關之間設置有高頻信號阻波器，用於避免高頻信號進入電源和功率開關，使各相端電壓高頻電壓分量的差異不受電源和功率開關的影響。本發明的有益效果如下(I)本發明可以將高頻檢測脈衝頻率提高到500kHz以上，並且不依賴無刷直流電機的功率開關元件即可注入高頻檢測脈衝，簡化了控制算法的設計，降低了對功率開關元件的要求，也降低了系統的成本。 (2)高頻檢測脈衝頻率的提高擴大了各相繞組電感差異，可以直接利用電壓傳感器對高頻電壓分量進行測量繼而獲得位置信號，從而避免了使用高精度的電流傳感器，也降低了系統的成本。(3)本發明設計了分頻復用無刷直流電機電源線和繞組的高頻檢測脈衝注入方法，在檢測位置信號的同時不影響無刷直流電機的驅動電壓信號，提高了位置信號的準確性和及時性，便於對無刷直流電機的運動進行精確控制，並具有很好的低速和零速性能。
圖I無刷直流電機無位置傳感器控制高頻檢測脈衝注入方法原理2高頻檢測脈衝注入方法的一種高頻信號阻波器圖3高頻檢測脈衝注入方法的一種變壓器耦合電路圖4 一種高頻脈衝信號源電路圖5三相繞組電感差異與位置信號的對應關係
具體實施例方式下面結合附圖和實例對本發明做進一步說明。本發明的原理圖如圖I所示，其中控制器、無刷直流電機和功率開關與常見的無刷直流電機驅動系統相同。從圖中可見，存在一套獨立的高頻檢測脈衝注入機構部署在功率開關的輸出側，其中高頻檢測脈衝注入機構由信號源和耦合電路構成，高頻檢測脈衝不由功率開關元件產生，而直接根據控制器的高頻信號頻率指令或以固定頻率形式由信號源產生，信號源產生的高頻信號通過耦合電路直接傳遞到無刷直流電機的電源線上。高頻脈衝注入點與功率開關之間有高頻信號阻波器，在不影響電機的驅動電壓的條件下避免高頻檢測脈衝進入電源。高頻信號阻波器阻止高頻脈衝信號通過功率開關和電源，並且避免了由於功率開關和電源的電感差異帶來的檢測誤差。本發明中可以使用常用的高頻信號阻波器，圖2示出了一種高頻信號阻波器，該高頻信號阻波器由電感線圈、保護元件和調諧元件組成。
耦合電路將高頻信號傳遞到無刷直流電機的電源線上，並避免低頻信號進入高頻信號發生裝置，圖3示出了一種變壓器耦合電路，對於不同的信號源可以選擇不同的耦合電路。圖4示出了一種高頻脈衝信號源電路，該電路可以產生一個固定的高頻脈衝信號，其輸出頻率f = 1/[1.278(R2+RP)CJ,可見其高頻信號的頻率取決於電阻R2、RP和電容C1的選擇。檢測機構由電壓傳感器和帶通濾波器組成，電壓傳感器測量無刷直流電機的端電壓信號，端電壓信號經過帶通濾波器濾波後送入控制器計算得到位置信號，控制器向功率開關發送驅動指令。該發明可以應用於任意無刷直流電機在任意運行狀態下轉子位置的檢測。例如，在電機零速起動過程中，高頻檢測脈衝注入機構在起動過程中最先啟動，在無刷直流電機的電源線上注入高頻檢測脈衝，在不同轉子位置下無刷直流電機各相繞組電感差異不依賴於電機轉子的運動，轉子靜止時也可以得到各相繞組電感差異，查出轉子位置，並根據旋轉方向確定下一換相點的位置信號，當這一位置信號被檢測到，無刷直流電機則進行換相操作。無刷直流電機的凸極轉子直軸、交軸方向的磁導率不同，各相繞組電感隨著轉子 位置的不同發生變化，對於任意無刷直流電機的各相繞組電感都會隨著轉子位置的不同發生變化。以三相無刷直流電機為例，各相繞組電感如圖5所示周期性變化。如表I所示360°電角度內，各相電感存在6個大小關係，360°電角度被分為6個區間，這6個區間內無刷直流電機功率開關的驅動信號互不相同。但無刷直流電機轉子位置不同時電感差異較小，高頻檢測脈衝可以用來放大差異。無刷直流電機獲得初始位置信號後，功率開關根據開關信號開始工作，調製方式選用PWM調製或滯環控制等控制方法，當無刷直流電機進入正常運行狀態，無刷直流電機電源線上存在電機的驅動電壓，由於高頻檢測脈衝不依靠功率開關器件來產生，在無刷直流電機運行的任何時刻獨立的高頻檢測脈衝注入機構都必須持續工作，無刷直流電機的電源線和繞組上始終存在高頻檢測脈衝和驅動電壓脈衝，兩者分頻復用電源線與繞組。由於高頻信號與電網隔離，本發明設計的方法不會對電網造成任何汙染和影響。根據感抗的計算公式2 fL，當信號頻率提高時，很小的電感差異被放大成很大的感抗差異。以三相無刷直流電機為例，電機的三相繞組上存在相同頻率相同幅值的高頻信號，當無刷直流電機的定子繞組星形連接，利用電壓傳感器測量無刷直流電機端電壓，再利用帶通濾波器濾波得到高頻電壓分量，高頻電壓分量與相電感成正比，比較高頻電壓分量的大小即可得到電感的大小關係，查表得到轉子的位置，無刷直流電機的控制器根據位置信號控制無刷直流電機準確換相，進而穩定運行。三相繞組電感差異與位置信號對應關係見表
Io表I
權利要求
1.一種無刷直流電機的高頻檢測脈衝注入方法，其特徵在於，該方法利用高頻信號源產生高頻檢測脈衝信號，高頻檢測脈衝信號通過耦合電路分別耦合到無刷直流電機各相的電源線和繞組上，通過電壓傳感器檢測無刷直流電機的各相的端電壓值，各相的端電壓值分別經過帶通濾波器後得到各相端電壓的高頻電壓分量，根據高頻電壓分量的幅值、相位或瞬時值的差異得到位置信號，控制器根據位置信號實現無刷直流電機的無位置傳感器控制。
2.根據權利要求I所述的高頻檢測脈衝注入方法，其特徵在於，所述的高頻檢測脈衝信號由獨立的信號源產生，高頻檢測脈衝信號與電機的驅動電壓分頻復用電源線和電機繞組。
3.根據權利要求I所述的高頻檢測脈衝注入方法，其特徵在於，在高頻檢測脈衝信號的高頻脈衝注入點與功率開關之間設置有高頻信號阻波器，用於避免高頻信號進入電源和功率開關，並使各相端電壓高頻電壓分量的差異不受電源和功率開關的影響。
全文摘要
本發明屬於無刷直流電機控制技術領域，涉及一種無刷直流電機的高頻檢測脈衝注入方法，該方法利用高頻信號源產生高頻檢測脈衝信號，高頻檢測脈衝信號通過耦合電路分別耦合到無刷直流電機各相的電源線和繞組上，通過電壓傳感器檢測無刷直流電機的各相的端電壓值，各相的端電壓值分別經過帶通濾波器後得到各相端電壓的高頻電壓分量，根據高頻電壓分量的幅值、相位或瞬時值的差異得到位置信號，控制器根據位置信號實現無刷直流電機的無位置傳感器控制。本發明能夠提高檢測信號的精確度和實時性，降低系統的成本。
文檔編號H02P6/08GK102780430SQ20121023383
公開日2012年11月14日 申請日期2012年7月6日 優先權日2012年7月6日
發明者夏長亮, 李新旻, 陳煒 申請人:天津大學