阅读说明：本技术 一种永磁无刷直流电机转子位置和速度估算方法 (Method for estimating position and speed of permanent magnet brushless direct current motor rotor ) 是由 孙仁科 于 2020-04-13 设计创作，主要内容包括：本发明为一种永磁无刷直流电机转子位置和速度估算方法,公开了一种无位置传感器控制方式下的无刷直流电机的转子位置检测方法,适用于电动机领域,将定子圆周等分为六个扇区,由于定子绕组换向的作用会产生续流,通过检测任意一相的续流结束时的反电势,估算出该相在刚刚经历的那个扇区开始换向位置的时间,如果该相在扇区开始的时候换向时间过早,那么该相在续流结束时检测的反电动势为0,如果该相在扇区开始的时候换向时间迟了,那么续流结束时检测该相的反电势则超过正常范围,通过检测相应相的续流结束时的反电动势的大小,从而估算出对应项的换向时刻的准确程度,进而可以估算出转子相对于该相定子的相对位置信息。可以减少磁场畸变对位置检测的影响,大大提高了转子位置检测的精度。(The invention is a method for estimating position and speed of rotor of permanent magnet brushless DC motor, disclosing a method for detecting position of rotor of brushless DC motor under control mode of no position sensor, suitable for field of motor, equally dividing stator circumference into six sectors, generating follow current due to commutation action of stator winding, estimating time of starting commutation position of sector just passed by any phase by detecting back electromotive force when follow current of any phase is finished, if commutation time of phase at sector is too early, back electromotive force detected by phase at end of follow current is 0, if commutation time of phase at sector is late, back electromotive force detected by phase at end of follow current exceeds normal range, by detecting size of back electromotive force when follow current of corresponding phase is finished, thereby estimating accuracy degree of commutation time of corresponding item, and the relative position information of the rotor relative to the stator of the phase can be estimated. The influence of magnetic field distortion on position detection can be reduced, and the precision of rotor position detection is greatly improved.)

一种永磁无刷直流电机转子位置和速度估算方法

技术领域

本发明涉及一种永磁无刷直流电机转子位置和速度的估算方法，属于永磁无刷直流电机控制技术领域。

背景技术

无刷直流电机具有调速范围宽、功率密度高、电磁污染小、运行可靠等显著优点，在伺服控制、电动车辆、机器人技术及家用电器等领域得到了越来越广泛的应用。无刷直流电机一般靠安装在电机内部的位置传感器检测转子位置，这在一定程度上增加了电机的成本并降低了系统的可靠性。无位置传感器控制方式下的无刷直流电机具有可靠性高、抗干扰能力强等优点，同时在一定程度上克服了位置传感器安装不准确引起的换相转矩波动。

无刷直流电机转子位置估算是无刷直流电机控制系统研究的一个热点。目前转子位置估算方法主要利用反电动势过零点检测方法。然而,该方法需要虚构电机中点来检测反电动势,在检测每相反电动势过零后还需延迟30°电角度才能获得相应的换相时刻点，该位于中点的过零位置具有较大的局限性,限制了无位置传感器无刷直流电机的应用范围。

现有技术在需要弱磁增速的BLDC应用中，位于中点的过零位置，大大限制了弱磁的超前范围，影响了弱磁的性能。在大电流的BLDC中，电流在MOSFET中的续流时间会大大增加，甚至会埋没到过零位置，导致过零点检测失效。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术的不足之处，提供一种步骤简单，可以在兼顾大电流的续流时间的同时，又能够先于过零点位置检测到转子的位置的永磁无刷直流电机转子位置和速度估算方法。

为实现上述技术的不足之处，提供一种永磁无刷直流电机转子位置估算方法，其步骤如下：

将定子圆周等分为六个扇区，由于定子绕组换向的作用会产生续流，因此通过检测任意一相的续流结束时候的反电势的大小，估算出该相在刚刚经历的那个扇区开始换向位置的时间，如果该相在扇区开始的时候换向时间过早，那么该相在续流结束时检测的反电动势为0，如果该相在扇区开始的时候换向时间迟了，那么续流结束时检测该相的反电势则超过正常范围，通过检测相应相的续流结束时的反电动势的大小，从而估算出对应项的换向时刻的准确程度，进而可以估算出转子相对于该相定子的相对位置信息。

2.根据权利要求1所述的永磁无刷直流电机转子位置估算方法，其特征在于具体步骤如下：

首先获取被测电机的参数信息，包括永磁无刷直流电机绕组匝数N和磁无刷直流电机绕组围成的面积S；

然后启动被测电机，被测电机的定子绕组在旋转的磁场中产生反电动势E，利用公式：E＝2NSωB，通过检测电机的反电动势特征计算出转子相对于定子的位置；式中：E为反电动势，B为气隙的磁通密度，N为永磁无刷直流电机绕组匝数，S为永磁无刷直流电机绕组围成的面积，ω为电机转子的电角速度；

具体的，首先将将定子圆周等分六个扇区，当检测到反电动势E在一个载波周期中突然进行大跨度的变化时，例如从从最大/小值突然变换接近最小/大值，则说明续流结束，同时表示将定子圆周等分六个扇区的一个扇区换向时刻的结束，从而估算出上一个结束扇区的换向时刻，和转子相对于定子的位置；若检测出当前的反电动势E小于或等于0时，则说明转子刚刚过去的扇区开始处的定子换向时刻过早，需要通过增加该扇区的定子通电时间Δt从而延迟定子的换向时间点；若检测出当前的反电势E大于或者等于母线电源电压U_dc时候，则说明转子刚刚过去的扇区开始处的换向时间点过晚，需要通过减少该扇区的定子通电时间Δt从而提前转子的换向时间点，其中转子扇区通过的测点即为反电动势E大于0或者小于母线电源电压Udc的位置点；

在直流电机两两通电的工作方式下，测量直流电机悬空相对应的反电动势E，根据需要将对应续流相母线电源电压U_dc或地线作为反电势E，计算出该反电势E与理想反电势E_i之差ΔE，利用公式：估算出转子相对于定子的实际位置θ，θ_i为理想的转子相对于定子的位置，由于角速度ω在很短的时间内恒定不变，因此利用公式：估算出的转子的实际位置θ与理想位置θ_i的偏差Δθ，理论上，每个扇区的交界处就是理想位置，每相有两个理想的位置，三相共有六个位置分别是30°、90°、120°、180°、240°、300°对应的位置，

利用公式：计算出该扇区开始时候的延迟和提前的换向时间的偏差，Δt的物理意义就是转子理想位置与实际位置时刻的时间差，，Δθ为转子相对于定子的理想位置与实际位置的偏差，ω为电机转子的电角速度；

根据扇区开始换向时刻时间t_s和扇区结束时刻换向时间t_e，利用公式：T_i＝t_e-t_s计算出该扇区实际换向时间为T_i，i为扇区编号，i＝(1，2……6)，由于电角度六扇区是一个圆周360°所以电机转子的电角速度利用公式：T_ideal＝T_i+Δt计算出理想的扇区时间T_ideal，该理想扇区时间T_ideal即钻子的下一个扇区的最佳换向时间，在换向结束时刻，重复上述步骤进行重复迭代，即可持续计算出转子与定子的相对位置。

一种永磁无刷直流电机转子位置估算方法的估算速度方法，其步骤为：

利用定子当前扇区结束的换向时刻减去当前扇区开始换向的时刻从而计算出每个扇区转动时间T_i，i为扇区号，i＝(1，2……6)，然后利用公式：计算出电机转子的电角速度ω。

由于电流不能突变，在定子六个扇区的任何换向的时刻，直流电机的任意一相的上下桥臂的mosfet中总会产生续流现象，在包含续流过程的该相反电动势波形，被测电机开始换向的时间t₁产生续流，反电势检测模块检测出当前的反电势E为母线电源电压Udc，说明当前正在换向的那一项为悬空相，且该相目前为续流状态，持续检测直至检测到反电势E满足：说明该相续流结束，即为扇区结束时刻换向时间t₂，此时检测到的反电动势E中包含了转子实际位置θ与理想位置θ_i位置信息，同理可以检测出另一个续流时间：当检测反电势为0时则标记为开始换向的时刻t₃，持续检测直至检测到反电动势E满足记为扇区结束时刻换向时间t₄。

根据每相续流结束后的反电动势E的大小，估算出转子相对于该相的位置的方法为：

以永磁无刷直流电机A相为例，可知当检测悬空A相的反电动势E突变为最小值时，表示A相定子续流刚刚结束，检测此时的反电势位置e1若大于0，则说明e₁处的转子位置位于理想位置90°的右侧，如果检测的反电势位置小于等于0，则说明e₁处的转子位置位于理想位置90°的左侧，同理，可以检测出转子位于理想位置270°的左侧还是右侧，同理求出转子相对于其它两相B相和C相的相对位置。

有益效果：本发明通过对续流时间和反电势的检测，能够先于过零点检测提前检测出转子的位置，为换向和弱磁控制提供的充足的时间，保证了电机的性能。可以在兼顾大电流的续流时间的同时，又能够先于过零点位置检测到转子的位置，为弱磁控制和超前换向提供可能。

附图说明

图1为本发明的气隙磁通密度分布梯形波；

图2为本发明的通过反电势检测估算转子位置和速度的结构图；

图3为本发明的反电势检测示意图；

图4为本发明的转子位置计算示意图。

具体实施方式

：

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

本发明的永磁无刷直流电机转子位置和速度估算方法，其被应用于无刷无位置传感器的电机控制系统中；

电机的三相具有对称性，这里只对A相进行分析，B相和C相类同，如图3所示，当A相绕组位于平面空间理想位置90°的附近时，可以检测出转子N和S两个磁极的位置，原理就是检测N或者S通过绕组A的反电势波形，进而判断出转子的位置。

无刷电机空载气隙磁通密度B的分布波形是接近于梯形波的，如图1所示，根据公式Ⅰ波形如图2所示，又由于在定子换向过冲中，会产生续流现象，如图3所示，那么就可以通过检测电机的反电动势的特征计算出转子相对于定子的位置；

E＝2NSωB Ⅰ，

可计算出反电动势E，E为反电动势，N为永磁无刷直流电机绕组匝数，S为永磁无刷直流电机绕组围成的面积，ω为电机转子的电角速度，

具体来说，就是在载波的每个周期中，都需要检测反电动势E的大小，当检测到反电动势E的大小出现突变的时候(由最大值(最小值)在一个载波周期中突然变化到接近最小值(最大值))，说明续流结束，也说明一个扇区换向时刻的结束(理论上将一个360°圆周划分成六个扇区)。此时检测出来的反电动势E的大小，就可以估算出刚刚结束的那个扇区的开始换向时刻的准确程度，进而估算出转子的相对于定子的位置。

当检测出当前的反电动势E小于或等于0时，说明刚刚过去的扇区开始处的定子换向时刻太早了，需要延迟转子的换向时间点，如果反电势E大于或者等于母线电源电压U_dc的时候，则说明刚刚过去的扇区开始处的换向时间点太晚了，需要提前转子的换向时间点；由于在相同的转速下，扇区的经历时间与该扇区的长度成正比，所以换向时间点延迟和提前，就转化为转子相对于定子位置的延迟和提前的问题，转子延迟时间Δt和提前的位置Δθ的详细计算方法如下：

如图4所示，测量对应续流相的反电动势E，计算出该反电势E与理想反电势E_i之差ΔE，利用公式Ⅱ，估算出转子相对于定子三相理想位置的实际位置θ，由于角速度ω在很短的时间内恒定不变，所以可以根据公式Ⅲ估算出的转子的实际位置θ与理想位置θ_i的偏差Δθ，利用公式Ⅳ，可以计算出该扇区开始时候的延迟和提前的换向时间的偏差。；根据扇区开始换向时刻时间t_s和扇区结束时刻换向时间t_e，使用公式Ⅳ计算出该扇区实际换向时间为Ti，根据公式Ⅳ和公式Ⅴ，使用公式Ⅵ计算出理想的扇区时间T_ideal，该理想扇区时间T_ideal就是我们需要的下一个扇区的换向时间，下一个扇区使用该时间T_ideal进行换向，在换向结束时刻，按照上述过程进行重复迭代，就可以不断的计算出转子与定子的相对位置。

θ为转子相对于定子三相理想位置的实际位置，θ_i为理想的转子相对于定子的位置(理论上，每个扇区的交界处就是理想位置，每相有两个理想的位置，三相共有六个位置分别是30°、90°、120°、180°、240°、300°对应的位置)，ΔE为测量反电势与理想反电势之差，Udc为母线电源电压。

Δt转子理想位置与实际位置时刻的时间差，Δθ为转子相对于定子的理想位置与实际位置的偏差，ω为电机转子的电角速度

T_i＝t_e-t_s Ⅴ

te为扇区结束时刻的时间，ts为扇区开始时刻的时间，Ti为第i个扇区占用的时间

T_ideal＝T_i+Δt Ⅵ

根据上面的描述，可以计算出每个扇区的时间T_i，i表示扇区号，共有六个扇区，一个扇区所用时间的计算方法是该扇区结束的换向时刻减去该扇区开始换向的时刻，由于电角度六扇区是一个圆周360°，所以根据公式Ⅶ可以计算出电机的电角速度ω。

ω为电机转子的电角速度，T_i为第i个扇区所用的时间，检测续流时间T_x方法为：由于电流不能突变的原因，在任何换向的时刻总会产生续流现象，如图3所示，该图说明了包含续流过程的的A相反电动势波形，当A相绕组位于平面空间理想位置90°的附近时，可以检测出转子N和S两个磁极的位置，原理就是检测N或者S通过绕组A的反电势波形，进而判断出转子的位置，在被测电机的开始换向的时刻t₁，A相的上桥臂产生了续流现象，反电势检测模块检测出当前的反电势E为母线电源电压U_dc，说明A项目前为续流状态，持续检测A相的反电动势E，直至检测到时刻t₂，此时A相的反电势E满足如下条件，说明A相续流状态结束，此时检测到的A相的反电动势E包含了转子相对A相定子的实际位置θ与转子理想位置θ_i位置信息，同理可以检测出另一个续流时间，即，在换向时刻t₃处检测反电势为0，持续检测，直至检测到时刻t⁴，在该时刻的反电势E满足

如图4所示，以A相为例，可知当检测悬空A相的反电势E突变为低时，表示A相定子续流刚刚结束，检测此时的反电势位置e1若大于0，则说明e1处的转子位置位于理想位置90°的右侧，如果检测的反电势位置小于等于0，则说明e1处的转子位置位于理想位置90°的左侧，同理，可以检测出转子位于理想位置270°的左侧还是右侧，同理求出转子相对于其它两相B相和C相的相对位置。

在90°位置续流结束后，检测出反电势大小为e1，如果e1大于等于0，说明转子位于A相理想位置90°的右侧，ΔE＝e1，θ_i＝90°，根据公式Ⅱ可以算出转子位置如果e1小于等于0，说明转子位于A相的左侧，T_i为一个扇区的时间。同理可以计算出位于理想位置270°位置附近的转子的位置6和同理可以求出相对于其它两相的转子的位置，即求出θ_30°，θ_90°，θ_150°，θ_210°，θ_270°，θ_330°，同时计算出每个扇区的时间，记为T₁，T₂，T₃，T₄，，T₅

计算转子的速度，根据公式Ⅶ可以求出转子的电角速度ω，

同理可以求出转子位于B相和C相的相对理想位置。