[发明专利]一种无刷直流电机无位置传感器转子位置识别系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无刷直流电机无位置传感器控制的转子位置识别系统及方法，可用于无位置传感器安装的无刷直流电机的转子位置识别及其高效驱动。

背景技术

近年来，由于无刷直流电机具有高效率、高转矩电流比以及高能量密度的特点，因此其吸引了越来越多的注意力，广泛应用于航天技术、工业制造、仪器仪表以及电力驱动等各个工业领域。为实现无刷直流电机的实时控制，就需要知道转子磁链相对定子绕组的精确位置。通常情况下，具有梯形波反电势的无刷直流电机每隔60°电角度换相一次，所以一个周期需要6个换相信号，只需检测6个位置点即可。为了检测换相点，需要在电机内部安装位置传感器比如霍尔传感器；若是需要速度控制还需安装光电编码器进行测速。所有这些霍尔传感器和光电编码器不仅增加了费用更是增加了电机结构的复杂性，降低了控制系统的可靠性。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有控制技术的不足，提供一种无刷直流电机无位置传感器控制的转子位置识别系统及方法，提高了基于无位置传感器的无刷直流电机转子位置的检测精度，实现精准换相，精确检测转子位置，提高系统控制性能。

本发明的技术解决方案为：一种无刷直流电机无位置传感器控制的转子位置识别方法，实现步骤如下：

(a)使用“两步法”启动电机，在合适的转速范围内切换控制系统为电机自同步运行状态。

(b)根据线反电势过零点产生的高低电平变化信号，由控制器ECAP模块捕获该信号，并在程序中产生中断处理，每产生一次中断，即刻读取换相信号，控制相应开关管导通或关断。

(c)与此同时，根据此信号进一步判断目前转子磁链所在区间，并且根据传感器获得的电压、电流信号重构三相线反电势，再由坐标变换得到的α-β坐标系下的两相电压分量求其反正切值即为转子磁链角度，再与区间相互校正，即可得到某一瞬时的转子磁链位置。

“两步法”启动电机是指第一步，按某一顺序(顺时针或逆时针)指定控制器输出两组开关信号，实现转子的预定位；第二步，根据电机的升速曲线，合理地调节加速时间，恒压升频拖动电机升速。

线反电势过零点信号的获得是通过硬件电路实现，根据此电路可以得到规则的方波信号，高低电平之间的变化表示线反电势由正值变负值或由负值变正直，根据推导可知，线反电势的过零点即是换相点，对应霍尔位置传感器的输出值，可以模拟霍尔传感器的位置信号。

通常无刷直流电机工作在120°激励状态，即每一相在每半个周期导通120°，在该状态下总会有一相处于非导通状态，因此很难通过重构得到线反电势电压。如果三相均被调制，就可重构线反电势。在该方法中，三相线反电势电压信号是通过1个母线电压传感器和3个电流传感器测得相应参数后估算得到。推算过程如下：

根据无刷直流电机的数学模型可得：

如式(4)所示，U_a,U_b,U_c分别是三相的相电压，R,L分别是三相的电阻和电感，i_a,i_b,i_c分别是三相电流，e_a,e_b,e_c分别是三相的相反电势，U_n是中点电压。消去U_n可得：

其中e_ab,e_bc,e_ca分别是三相的线反电势。

为了方便重构线反电势电压，需要把原来的三相导通两相的状态(即两相调制另一相不导通)改变为三相均被调制，但为了保证和原来状态同样的方波驱动的效果，需要引入相电流闭环调节单元，根据换相信号所对应的电流导通情况，控制某一项电流为0，这样既可以达到方波驱动的效果，也可以使三相均被调制。三相均被调制的状态下可得：

其中U_dc是直流母线电压，d_a,d_b,d_c分别是三相的调制占空比，把式(6)带入式(5)可得：

至此已经重构出三相的线反电势。