一種高轉速無刷直流電機的無位置傳感器控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于微特電機控制領域，尤其涉及一種高轉速無刷直流電機的無位置傳感 器控制方法。
【背景技術】
[0002] 無刷直流電機是近年來隨著電力電子發展和新型"永磁材料"出現而迅速廣泛使 用的一種新型電機。它以電子控制線路代替機械電刷和換向器實現直流電機的換相，是當 今最高效率的調速電機。已經在商務設備、工廠自動化、航空航天、醫療機械，以及汽車和家 電等領域中得到了廣泛應用。采用無位置傳感器控制技術，不但可以克服位置傳感器的諸 多弊端，而且能夠達到提高電機動態特性與安全穩定運行能力，降低震動和噪聲等目的。因 此，無刷直流電機的無位置傳感器控制方法越來越受到人們重視，并且朝著實用化的方向 發展。
[0003] 目前采用DSP或者M⑶，配置外圍的AD采樣通道實現無刷直流電機的無位置傳感器 控制已經成為主流，其控制對象的轉速多為每分鐘幾千轉。但是，在一些工業、醫療、家電等 行業要求電機轉速達到每分鐘數萬轉。這種狀況下，一方面對控制方法的實現提出更高的 要求，例如如何規避換相時刻的干擾，如何精確識別過零點，如何對換相時間誤差進行修 正，等等問題。另外一方面行業生產廠家對控制裝置的成本有嚴格要求，如果采用DSP等高 端芯片，雖然可以實現高速狀態下的控制，但是昂貴的芯片價格將導致產品成本大幅度上 升，產品的市場前景和競爭力受到較大的限制。現有其它種類的控制裝置未能夠對控制算 法進行優化，使得成本較低的微處理器不能夠良好完成高轉速無刷直流電機的無位置傳感 器控制。
【發明內容】
[0004] 本發明針對現有技術中的問題，提供一種高轉速無刷直流電機的無位置傳感器控 制方法，成本較低，系統響應速度快、控制精度與靈活性高。
[0005] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:提供一種高轉速無刷直流電機的無 位置傳感器控制方法，對于三相橋兩電平的主電路，進行6種工作狀態控制:Pl狀態~P6狀 態，主電路包含三相橋臂，每相橋臂上、下兩個開關管不同時導通，且任意時刻都有三個開 關管同時導通;第一相橋臂的上橋臂開關器件為AH，下橋臂開關器件為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器件為BH，下橋臂開關器件為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器件為CH，下橋臂開關器件為CL，CH的源極、CL的 漏極與C相相連，主電路的6種工作狀態中，Pl狀態為電機運行在0°~60°的電角度狀態，對 應AL，BH導通;P2狀態為60°~120°的電角度狀態，對應AL，CH導通;P3狀態為120°~180°的 電角度狀態，對應BL，CH導通;P4狀態為180°~240°的電角度狀態，對應AH，BL導通;P5狀態 為240°~300°的電角度狀態，對應AH，CL導通;P6狀態為300°~360°的電角度狀態，對應BH， CL導通;在一個工作周期中，6種工作狀態驅動信號以PffM的形式工作，并依次輪流出現。由 此產生旋轉磁場，帶動無刷直流電機旋轉。
[0006] 按上述技術方案，無刷直流電機控制流程分三個階段，第一階段進行電機定位功 能，控制器首先使得逆變器工作在Pl狀態，并持續T時間（T根據不同電機參數及啟動速度要 求，設定在60到200ms之間），之后，變換至P4狀態，也持續T(根據不同電機參數設定)時間， 此時無刷直流電機轉速為S 1，第一階段結束;第二階段完成無刷直流電機的強制啟動功能， 逆變器工作狀態由P4狀態切換至P5狀態，之后在Pl狀態到P6狀態這6種工作狀態下依次循 環，總循環次數為N，N的范圍設定在50~100,第X次循環狀態持續的時間為Ptx，電機轉速達 到S 2(S2需達到反電動勢可穩定檢測的轉速)后，第二階段結束;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、過零點的檢測，以及換相時間的計算和換相切換操作， 第三階段反復循環執行，逆變器的6種工作狀態依次輪流自動切換。
[0007] 桉H術枯f右宏.笛1汝{話钚狀本掛娃R計IllPtY.誦寸W下公式計算得到：
[0008] (1)
[0009]式（Dms1為第一階段結束時無刷直流電機的轉速，N為第二階段總共循環次數，X 為第X次循環，&為第二階段結束時無刷直流電機預定轉速。
[0010]相比專用集成控制芯片而言，本發明方法可利用8位M⑶或者成本較低的微處理器 實現高轉速無刷直流電機的無位置傳感器控制，三個階段的持續時間和切換次數可根據不 同的無刷直流電機的參數進行調整。特別是第三階段，躲避換相干擾信號的時間可以靈活 設置;過零點的時間也可以加入濾波算法進行處理，從而使得電機轉動更為平穩；同時，可 以根據程序實現超前或者滯后換相，提高電機轉矩的性能。本發明控制算法利用微處理器 進行數字化處理以后，系統響應速度更快、控制精度與靈活性更高。
[0011] 本發明高轉速無刷直流電機的無位置傳感器控制方法，是基于無刷直流電機三相 反電動勢波形檢測技術，實現無刷直流電機的換向與控制，其基本原理如下：
[0012] 無刷直流電機驅動電路為標準的三相兩電平逆變電路，主電路結構為橋式拓撲如 圖1所示，有三相橋臂，每相橋臂上、下兩個開關管不能同時導通，且任意時刻都有三個開關 管同時導通。開關器件可以為IGBT，或者MOSFET-N等全控型電力電子開關器件，第一相橋臂 的上橋臂開關器件為AH，下橋臂開關器件為AL，AH的源極、AL的漏極與A相相連;第二相橋臂 的上橋臂開關器件為BH，下橋臂開關器件為BL，BH的源極、BL的漏極與B相相連;第三相橋臂 的上橋臂開關器件為CH，下橋臂開關器件為CL，CH的源極、CL的漏極與C相相連。當AH導通AL 關斷時，A相接于直流電源正端；當AL導通AH關斷時，A相接于直流電源負端。同理，B相和C相 也是根據上、下管導通情況決定其電位的。對于無刷直流電機驅動控制而言，圖1所示的電 路存在6個工作狀態，Pl，P2，P3，P4，P5，P6，每個工作狀態對應2相橋臂功率器件工作，輸出 電壓接正電平或者負電平。另外一相橋臂功率器件全部關斷，該相感應出反電動勢，各狀態 詳細情況如下：
[0013] (I)Pl狀態對應AL，BH導通，即，此狀態下B相輸出正電平，A相輸出負電平，C相感應 出反電動勢。
[0014] (2)P2狀態對應AL，CH導通，此狀態下C相輸出正電平，A相輸出負電平，B相感應出 反電動勢。
[0015] (3)P3狀態對應BL，CH導通，此狀態下C相輸出正電平，B相輸出負電平，A相感應出 反電動勢。
[0016] (4)P4狀態對應AH，BL導通，此狀態下A相輸出正電平，B相輸出負電平，C相感應出 反電動勢。
[0017] (5)P5狀態對應AH，CL導通，此狀態下A相輸出正電平，C相輸出負電平，B相感應出 反電動勢。
[0018] (6)P6狀態對應BH，CL導通，此狀態下B相輸出正電平，C相輸出負電平，A相感應出 反電動勢。
[0019] 以上6種工作狀態以PffM的形式工作，在一個工作周期中6種狀態依次輪流出現，由 此產生旋轉磁場，并帶動電機旋轉，一個周期之中6種狀態下對應的各相電壓以及反電動勢 如圖2所示。通過調節PffM的占空比，可以達到調節輸出電壓的目的，由此實現控制電機的轉 速。
[0020] 無刷直流電機的無位置傳感器整體控制流程如圖3所示，各階段具體控制內容與 方法如下：
[0021] 第一階段，圖3中AB段所示，系統上電之后，控制程序首先進入該階段，完成無刷直 流電機的定位功能，具體實現方法為:首先使逆變器工作在Pl狀態，并持續T時間，變換至P4 狀態，同樣也持續T時間，如圖3，此時在B點的速度為S 1。
[0022]第二階段，圖3中BC段所示，完成無刷直流電機定位之后，控制程序進入該階段，實 現無刷直流電機的強制啟動功能，具體實現方法為:逆變器工作狀態由P4狀態切換至P5狀 態，之后在Pl狀態到P6狀態這6種工作狀態下依次循環，循環次數N與各狀態存在的時間P tx， 根據不同型號的電機參數來確定。當轉速超過S2r/min(S2值根據電機不同而不同），無刷直 流電機反電動勢達到一個可供穩定測量的數值時，第二階段結束。
[0023] 第三階段，圖3中⑶段所示，完成無刷直流電機強制啟動之后，控制器根據圖4所示 的流程，完成過零點的識別與狀態切換時間的計算，并執行逆變器工作狀態的連續切換。具 體實現方法為:在換相點To到來后，程序開始計時，為了躲避換相干擾信號的影響，即To到T 1 期間程序不進行過零點的判斷，當換相干擾時間結束后，程序開始檢測過零點，一旦出現過 零點，則記錄換相點到過零點的時間，并即To到T2的時間。并重新開始計時，當計時時間等于 To到!^的時間后，執行換相操作。該過程反復循環執行，6種工作狀態依次輪流切換，由此產 生旋轉磁場，并帶動電機旋轉。由于高轉速無刷直流電機(例如2萬轉/分鐘)換相時間短，需 要利用高頻的中斷完成過零點的精確檢測，本發明是利用3個中斷相互配合完成以上功能。
[0024] 本發明產生的有益效果是：本發明高轉速無刷直流電機的無位置傳感器控制方 法，成本較低，控制系統響應速度快、控制精度與靈活性高。
【附圖說明】
[0025]下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中：
[0026] 圖1是本發明實施例高轉速無刷直流電機的無位置傳感器控制方法系統框圖；
[0027] 圖2是逆變電路6種工作狀態下對應的各相電壓以及反電動勢示意圖；