[发明专利]永磁无刷直流电机低速及零速转子位置观测方法

说明书

技术领域

本发明涉及电机转子位置检测技术领域，特别涉及一种两相导通模式下永磁无刷直流电机低速及零速转子位置观测方法。

背景技术

永磁无刷直流电机（BLDCM）由于其具有结构简单、出力大和效率高等特点，已在国防、航空航天、机器人、工业过程控制、精密机床、汽车电子、家用电器和办公自动化等领域中得到了较好的应用，对其高性能控制策略的研究具有重要的理论意义和使用价值。目前对其控制策略的研究主要有两种：电流闭环PWM控制和直接转矩控制（DTC）。

与传统的正弦波永磁同步电机相比较，永磁无刷直流电机转子反电动势理论上设计为方波，这样在绕组中流过方波电流，调节方波电流的幅值即可控制电磁转矩，任何瞬时只有两相定子绕组串联实现机电能量转换，而第三相定子绕组悬空没有电流，这种绕组导通方式称为两相导通模式。

为了实现绕组可靠换流，绝大多数永磁无刷直流电机内置了霍尔传感器，输出三路开关信号，据此实现绕组电流的换流。但从系统可靠运行及降低系统成本角度，希望实现无位置传感器运行。对于电流闭环PWM系统，主要采用的无位置传感器方案有高频信号注入法、基于基波模型法，除了高频信号注入法外，其它方案无位置传感器运行的最低转速只有100r/min左右，这样一种运行最低转速的瓶颈会带来两个主要不利影响：1）电机由零转速闭环负载启动困难，甚至出现启动失败。这是由于极低转速区域，转子位置观测值极不准确，致使绕组电流换流及电磁转矩控制不正确。为此，只能采用其他辅助方法进行启动电机，例如：三段式启动法、预定位启动法、升频升压同步启动法、电压插值启动法等。这些辅助启动方法一定程度上制约电机启动时负载能力，同时也制约了驱动系统极低转速运行。2）无位置传感器运行有效调速范围较窄。虽然高频信号注入方法理论上可以实现零转速运行，但现有的文献研究的高频信号注入法要求电机处于三相导通模型，研究成果无法应用于两相导通模式。若在永磁无刷直流电机上采用三相导通模式，则从根本上磨灭了该种电机设计的初始出发点。

虽然电流闭环PWM系统无位置传感器技术研究的较多，但对于直接转矩控制无刷直流电机驱动系统的无位置传感器技术的研究还很少，现有的技术均是基于可测量的电压、电流量，借助电机的基波数学模型构建观测器法。从公开文献的实验结果可见，能够稳定运行的最低转速约为60r/min（对应电频率为5Hz）。

纵观目前的两相导通模式的永磁无刷直流电机无位置传感器技术研究现状，电机处于中、高转速区的技术已经比较成熟，但低速及零转速无位置传感器技术研究还是一个空白，而且也是一个难点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种永磁无刷直流电机低速及零速转子位置观测方法，该方法可以准确、可靠地观测出永磁无刷直流电机在两相导通模式下低速及零速运行时的转子位置，应用范围广，实现成本低。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种永磁无刷直流电机低速及零速转子位置观测方法，该方法在导通的两相串联绕组中注入高频电流，提取包括不导通相绕组在内的三相绕组相电压中高频分量；基于高频相电压与转子位置角的关系，借助乘法器、低通滤波器、加法器、坐标变换环节等获得转子位置角观测误差相关变量，并将所述转子位置角观测误差相关变量依次送至PI控制器、积分器，积分器稳态时输出即为转子位置角观测值。

进一步的，所述永磁无刷直流电机低速及零速转子位置观测方法，包括以下步骤：

（1）在导通的两相串联绕组中注入频率为ω的高频电流；

（2）对三相绕组相电压u_A、u_B、u_C进行采样，分别经过中心频率为ω的带通滤波器滤波，输出对应的三个高频电压分量u_Ag、u_Bg、u_Cg；