阅读说明：本技术 一种用于直流无刷电机的转子位置确定方法及系统 (Rotor position determining method and system for direct-current brushless motor ) 是由 黄康军 周光远 党彦波 于 2020-06-03 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于直流无刷电机的转子位置确定方法及系统。该方法包括：获取转子位置检测频率阈值；在起动过程中,以电流调节器输出的开环角度值为空间矢量脉宽调制SVPWM模块的输入,利用正弦波脉宽调制SPWM调制方式对当前频率进行I/F升频控制,确定升频后的频率；当所述升频后的频率达到所述转子位置检测频率阈值,进入开环控制模式,以所述升频后的频率持续运行,利用反电动势检测电路采集电机端电压；根据所述电机端电压确定三相互差120°相位的方波信号；根据所述方波信号确定直流无刷电机的转子位置。采用本发明所提供的转子位置确定方法及系统能够降低起动阶段的振动及噪声,同时实现起动阶段的电流可控,避免电流过流或偏小的问题。(The invention relates to a rotor position determining method and system for a direct-current brushless motor. The method comprises the following steps: acquiring a rotor position detection frequency threshold; in the starting process, an open-loop angle value output by a current regulator is used as the input of a Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM) module, a sine wave pulse width modulation (SPWM) modulation mode is used for carrying out I/F frequency boosting control on the current frequency, and the frequency after frequency boosting is determined; when the frequency after the frequency rise reaches the rotor position detection frequency threshold, entering an open-loop control mode, continuously operating at the frequency after the frequency rise, and acquiring the voltage of the motor terminal by using a back electromotive force detection circuit; determining a square wave signal with three phases mutually different by 120 degrees according to the terminal voltage of the motor; and determining the rotor position of the direct current brushless motor according to the square wave signal. The rotor position determining method and the rotor position determining system provided by the invention can reduce the vibration and noise in the starting stage, realize the controllable current in the starting stage and avoid the problem of overcurrent or small current.)

一种用于直流无刷电机的转子位置确定方法及系统

技术领域

本发明涉及直流无刷电机领域，特别是涉及一种用于直流无刷电机的转子位置确定方法及系统。

背景技术

相对于传统的有刷电机，直流无刷电机具有寿命长、调速范围宽，功率密度大、效果率高等优点，传统的直流无刷电机控制中需要安装位置传感器来为直流无刷电机的换相控制提供实时的转子位置信息，不但增加成本且容易损坏，因此近年来学校、科研机构和科技公司对直流无刷电机的无位置传感器控制技术进行了不断深入的研究与实践。

传统的直流无刷无位置传感器一般采用三段式起动方式与反电动势过零点检测的二二导通控制方案，由于起动阶段是利用方波VF开环控制，所以起动时转矩脉动大，导致在起动阶段电机的振动和噪声均很大；而且如果VF参数设置不合理将会导致起动阶段电流过大触发过流保护或是电流偏小导致起动阶段失步。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于直流无刷电机的转子位置确定方法及系统，以解决传统的直流无刷无位置传感器在起动阶段电机的振动和噪声大，且电流不可控导致起动阶段失步的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种用于直流无刷电机的转子位置确定方法，包括：

获取转子位置检测频率阈值；

在起动过程中，以电流调节器输出的开环角度值为空间矢量脉宽调制SVPWM模块的输入，利用正弦波脉宽调制SPWM调制方式对当前频率进行I/F升频控制，确定升频后的频率；

当所述升频后的频率达到所述转子位置检测频率阈值，进入开环控制模式，以所述升频后的频率持续运行，利用反电动势检测电路采集电机端电压；

根据所述电机端电压确定三相互差120°相位的方波信号；

根据所述方波信号确定直流无刷电机的转子位置。

可选的，所述根据所述电机端电压确定三相互差120°相位的方波信号，具体包括：

利用分压电阻对所述电机端电压进行分压，确定分压后的电机端电压；

利用比较器对所述分压后的电机端电压进行零点比较，确定三相互差120°相位的方波信号。

可选的，所述根据所述方波信号确定转子位置，之后还包括：

判断在一段时间间隔内是否检测到转子位置，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果为在一段时间间隔内检测到转子位置，判断是否连续检测到超过20个正确的转子位置，若是，确定转子位置检测通过；

判断是否连续检测到超过10个错误的转子位置，若是，确定转子位置检测故障；

若所述第一判断结果为在一段时间间隔内未检测到转子位置，确定转子位置检测超时。

可选的，所述确定转子位置检测通过，之后还包括：

获取所述反电动势检测电路的时间常数；

根据所述升频后的频率以及所述时间常数确定当前滞后角度；

将所述当前滞后角度转化为延迟时间；

根据所述延迟时间对所述转子位置进行补偿，确定补偿后的转子位置。

可选的，所述根据所述延迟时间对所述转子位置进行补偿，确定补偿后的转子位置，之后还包括：

根据所述补偿后的转子位置将所述开环控制模式切换至转子位置闭环控制模式。

一种用于直流无刷电机的转子位置确定系统，包括：

转子位置检测频率阈值获取模块，用于获取转子位置检测频率阈值；

SVPWM模块，用于在起动过程中，以电流调节器输出的开环角度值为空间矢量脉宽调制SVPWM模块的输入，利用正弦波脉宽调制SPWM调制方式对当前频率进行I/F升频控制，确定升频后的频率；

反电动势检测模块，用于当所述升频后的频率达到所述转子位置检测频率阈值，进入开环控制模式，以所述升频后的频率持续运行，利用反电动势检测电路采集电机端电压；

方波信号确定模块，用于根据所述电机端电压确定三相互差120°相位的方波信号；

转子位置确定模块，用于根据所述方波信号确定直流无刷电机的转子位置。

可选的，所述方波信号确定模块，具体包括：

分压单元，用于利用分压电阻对所述电机端电压进行分压，确定分压后的电机端电压；

方波信号确定单元，用于利用比较器对所述分压后的电机端电压进行零点比较，确定三相互差120°相位的方波信号。

可选的，还包括：

第一判断模块，用于判断在一段时间间隔内是否检测到转子位置，得到第一判断结果；

转子位置检测通过确定模块，用于若所述第一判断结果为在一段时间间隔内检测到转子位置，判断是否连续检测到超过20个正确的转子位置，若是，确定转子位置检测通过；

转子位置检测故障确定模块，用于判断是否连续检测到超过10个错误的转子位置，若是，确定转子位置检测故障；

转子位置检测超时确定模块，用于若所述第一判断结果为在一段时间间隔内未检测到转子位置，确定转子位置检测超时。

可选的，还包括：

时间常数获取模块，用于获取所述反电动势检测电路的时间常数；

当前滞后角度确定模块，用于根据所述升频后的频率以及所述时间常数确定当前滞后角度；

转化模块，用于将所述当前滞后角度转化为延迟时间；

补偿模块，用于根据所述延迟时间对所述转子位置进行补偿，确定补偿后的转子位置。

可选的，还包括：

模式切换模块，用于根据所述补偿后的转子位置将所述开环控制模式切换至转子位置闭环控制模式。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：传统模式采用VF(压频比)开环起动，起动过程电流不可控，从而导致电流过大的问题，本发明提供了一种用于直流无刷电机的转子位置确定方法及系统，采用SPWM或是SVPWM调制方式和I/F(电流频率比)控制方式的结合用于直流无刷电机无位置传感器的开环起动，利用正弦波电流频率起动，起动电流可以通过参数设置，电流可控制，有效的避免了起动过程中的电流过流或电流偏小的问题；

同时，由于传统三段式与反电动势过零点检测的二二导通控制方案中采用方波调制方式，方波调制转矩脉动大，会造成起动过程振动大，噪声高，本发明在起动过程中采用的是正弦波调制方式，转矩脉动更小，相应的起动时的振动和噪声也会更小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的用于直流无刷电机的转子位置确定方法流程图；

图2为本发明所提供的控制方案框图；

图3为本发明所提供的整个控制系统的起动与切换过程图；

图4为本发明所提供的用于直流无刷电机的转子位置确定系统结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种用于直流无刷电机的转子位置确定方法及系统，能够降低起动阶段的振动及噪声，同时实现起动阶段的电流可控，避免电流过流或偏小的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明所提供的用于直流无刷电机的转子位置确定方法流程图，如图1所示，一种用于直流无刷电机的转子位置确定方法，包括：

步骤101：获取转子位置检测频率阈值。

步骤102：在起动过程中，以电流调节器输出的开环角度值为空间矢量脉宽调制SVPWM模块的输入，利用正弦波脉宽调制SPWM调制方式对当前频率进行I/F升频控制，确定升频后的频率。

步骤103：当所述升频后的频率达到所述转子位置检测频率阈值，进入开环控制模式，以所述升频后的频率持续运行，利用反电动势检测电路采集电机端电压。

由于传统的二二导通方案中可以通过非导通相来获取反电动势信息，即转子位置信息，而本发明的正弦波起动方案中是三相PWM同时调制，采用正弦波调制方式时三三导通，没有非导通相用于采集电机反电动势(即电机转子位置信息)，本发明通过采集电机端电压，结合转子位置补偿算法，确定转子位置，并对该转子位置进行补偿。

步骤104：根据所述电机端电压确定三相互差120°相位的方波信号。

所述步骤104具体包括：利用分压电阻对所述电机端电压进行分压，确定分压后的电机端电压；利用比较器对所述分压后的电机端电压进行零点比较，确定三相互差120°相位的方波信号。

步骤105：根据所述方波信号确定直流无刷电机的转子位置。

所述步骤105之后还包括：判断在一段时间间隔内是否检测到转子位置，得到第一判断结果；若所述第一判断结果为在一段时间间隔内检测到转子位置，判断是否连续检测到超过20个正确的转子位置，若是，确定转子位置检测通过；判断是否连续检测到超过10个错误的转子位置，若是，确定转子位置检测故障；若所述第一判断结果为在一段时间间隔内未检测到转子位置，确定转子位置检测超时。

由于端电压硬件采集通道上的低通滤波器以及I/F(电流/频率比)开环起动导致的转子位置信息的滞后，因此转子位置闭环后的换相处理中采取超前60°换相处理，然后再根据电机转速进行相位补偿。

因此，所述确定转子位置检测通过，之后还包括：获取所述反电动势检测电路的时间常数；根据所述升频后的频率以及所述时间常数确定当前滞后角度；将所述当前滞后角度转化为延迟时间；根据所述延迟时间对所述转子位置进行补偿，确定补偿后的转子位置。

所述根据所述延迟时间对所述转子位置进行补偿，确定补偿后的转子位置，之后还包括：根据所述补偿后的转子位置将所述开环控制模式切换至转子位置闭环控制模式。

图2为本发明所提供的控制方案框图，如图2所示：

(1)设置起动电流I_start和预定位时间，通过电流闭环控制进行预定位控制；

(2)设置转子位置检测频率阈值和加速时间，通过电流调节器(ACR)和进行I/F(电流/频率比)升频控制，此时采用SVPWM调制方式进行开环I/F电流闭环升频控制，电流调节器(ACR)输出作为SVPWM模块的输入，开环设定角度值θ_open由角度发生器给出；

(3)当设定频率达到用户设置的转子位置检测频率阈值时，此时保持当前运行频率不变进行转子位置的检测与判断，若连续检测超过20个正确的转子位置值，则判定转子位置检测通过，若连续检测10个错误的转子位置则判定转子位置检测故障，若一定时间内始终无法通过检测则判定为转子位置检测超时；若转子位置检测正确，转子位置闭环标志置位，调制模式切换标志置位，系统由开环控制模式切换至转子位置闭环控制模式，图3为本发明所提供的整个控制系统的起动与切换过程图，图3所示。进行控制模式切换的时候需要对速度环调节器(ASR)进行初始化；

(4)反电动势过零检测模块：在步骤(3)中开环控制模式切换至转子位置闭环控制模式之前，反电动势检测电路采集的电机端电压，经过分压电阻分压然后在通过比较器进行零点比较可以得到三相互差120°相位的方波信号。

(5)扇区以及补偿计算模块：由于反电动势检测电路采用的是低通滤波电路会导致转子位置估算的滞后以及I/F起动方式中电流设定值与实际负载不匹配导致其中含有无功分量，该分量也会导致转子位置估算滞后，由于滤波电路的存在会导致采集到的转子位置存在滞后，且随着频率的升高滞后相位更加严重，不易于软件补偿，在传统的二二导通换相方式下提前60°换相(即提前一个扇区)，更易于软件实现，该方式会提高转子位置的估算以及控制模式切换的可靠性与稳定性。以有位置直流无刷电机控制为例，霍尔信号状态组合(HALLA、HALLB、HALLC)变化依次5->4->6->2->3->1时候输出电压为UBA->UCA->UCB->UAB->UAC->UBC，本方案中超前60°换相即当霍尔状态变化依次为5->4->6->2->3->1时输出电压UCA->UCB->UAB->UAC->UBC->UBA。通过当前运行频率反电动势检测滤波电路时间常数可以计算出当前的滞后角度，然后将滞后角度转化为延迟时间，然后将延迟时间做成常数表存储在CPU中，然后根据查表法进行角度滞后补偿。

霍尔信号状态组合方式为霍尔信号电平的二进制编码，例如：A相霍尔信号为高电平，则HALLA＝1，A相霍尔信号为低电平，则HALLA＝0，以此类推假设HALLA＝1、HALLB＝0、HALLC＝1，则对应的霍尔状态组合二进制编码值为101，对应的十进制值为5，表1为本发明所提供的霍尔状态组合与输出对应表。

表1

霍尔状态组合

5

4

6

2

3

1

正常换相输出

U<sub>BA</sub>

U<sub>CA</sub>

U<sub>CB</sub>

U<sub>AB</sub>

U<sub>AC</sub>

U<sub>BC</sub>

超前换相输出

U<sub>CA</sub>

U<sub>CB</sub>

U<sub>AB</sub>

U<sub>AC</sub>

U<sub>BC</sub>

U<sub>BA</sub>

图4为本发明所提供的用于直流无刷电机的转子位置确定系统结构图，如图4所示，一种用于直流无刷电机的转子位置确定系统，包括：

转子位置检测频率阈值获取模块401，用于获取转子位置检测频率阈值。

SVPWM模块402，用于在起动过程中，以电流调节器输出的开环角度值为空间矢量脉宽调制SVPWM模块的输入，利用正弦波脉宽调制SPWM调制方式对当前频率进行I/F升频控制，确定升频后的频率。

反电动势检测模块403，用于当所述升频后的频率达到所述转子位置检测频率阈值，进入开环控制模式，以所述升频后的频率持续运行，利用反电动势检测电路采集电机端电压。

方波信号确定模块404，用于根据所述电机端电压确定三相互差120°相位的方波信号。

所述方波信号确定模块404具体包括：分压单元，用于利用分压电阻对所述电机端电压进行分压，确定分压后的电机端电压；方波信号确定单元，用于利用比较器对所述分压后的电机端电压进行零点比较，确定三相互差120°相位的方波信号。

转子位置确定模块405，用于根据所述方波信号确定直流无刷电机的转子位置。

在实际应用中，本发明还包括：第一判断模块，用于判断在一段时间间隔内是否检测到转子位置，得到第一判断结果；转子位置检测通过确定模块，用于若所述第一判断结果为在一段时间间隔内检测到转子位置，判断是否连续检测到超过20个正确的转子位置，若是，确定转子位置检测通过；转子位置检测故障确定模块，用于判断是否连续检测到超过10个错误的转子位置，若是，确定转子位置检测故障；转子位置检测超时确定模块，用于若所述第一判断结果为在一段时间间隔内未检测到转子位置，确定转子位置检测超时。

在实际应用中，本发明还包括：时间常数获取模块，用于获取所述反电动势检测电路的时间常数；当前滞后角度确定模块，用于根据所述升频后的频率以及所述时间常数确定当前滞后角度；转化模块，用于将所述当前滞后角度转化为延迟时间；补偿模块，用于根据所述延迟时间对所述转子位置进行补偿，确定补偿后的转子位置。

在实际应用中，本发明还包括：模式切换模块，用于根据所述补偿后的转子位置将所述开环控制模式切换至转子位置闭环控制模式。

相对于传统的三段式方波起动方式，本发明由于采用了正弦波PWM调制并且结合电流/频率比的控制方式，电机中流过的电流为可调的正弦波电流相比于传统的方波电压/频率比起动方式中的方波电流且电流不可控的方式具有起动阶段振动小，噪声低的优点。

相对比传统V/F起动方式，由于传统的V/F起动方式采用的电压/频率起动方式，电流不可控，而本发明采用I/F起动，电流可控，因此，采用本发明的转子位置确定方法及系统确定直流无刷电机的转子位置安全性、可靠性更高。

本发明切换到闭环控制时采用超前60°换相与相位补偿技术能够弥补由于反电动势、电机参数、电流等因素引起的相位滞后，提高转子位置开环切闭环的可靠性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。