阅读说明：本技术 无刷直流电机高精度换相控制的方法及系统 (Brshless DC motor high-precision changes facies-controlled method and system ) 是由 尤钱亮 魏海峰 张懿 李震 李可礼 李垣江 刘维亭 王浩陈 于 2019-08-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种无刷直流电机高精度换相控制的方法及系统,包括：以预设采样周期获取三相定子绕组的反电动势数值,并记录三相定子绕组的反电动势数值；当时三相定子绕组的反电动势数值产生过零现象时,通过判断产生过零现象的一相定子绕组反电动势的上一次采样周期数值与0、第一对比值以及第二对比值的关系,确定是否为假过零点；如果是假过零点则执行弱化消磁,否则执行换相。本发明可准确判断无刷直流电机换相点,缓解无刷直流电机换相期间非切换相续流产生端电压脉冲而引发转矩脉动的影响,提高无刷直流电机换相控制性能。(The invention discloses a kind of brshless DC motor high-precisions to change facies-controlled method and system, comprising: obtains the counter electromotive force numerical value of threephase stator winding to preset the sampling period, and records the counter electromotive force numerical value of threephase stator winding；When the counter electromotive force numerical value of threephase stator winding generates zero passage phenomenon at that time, the last sampling period numerical value of a phase stator winding counter electromotive force of zero passage phenomenon and the relationship of the 0, first reduced value and the second reduced value are generated by judgement, it is determined whether be false zero crossing；Reduction demagnetization is then executed if it is false zero crossing, otherwise executes commutation.The present invention can accurate judgement brshless DC motor commutation point, non-switching sequentially miscarriage causes trouble voltage pulse and causes the influence of torque pulsation during alleviating brshless DC motor commutation, improves brshless DC motor commutation control performance.)

无刷直流电机高精度换相控制的方法及系统

技术领域

本发明涉及无刷直流电机技术领域，具体涉及一种无刷直流电机高精度换相控制的方法及系统。

背景技术

无刷直流电机被广泛应用于科学仪器、工业设备及电动车中，具有结构简单，效率高的优点。霍尔传感器、光电编码器和旋转变压器通常用于提供无刷直流电机换相信息，但其精度很容易受外部环境和安装精度的影响。因此，无刷直流电机无传感器驱动的研究对于工业应用和科学研究具有重要意义。

反电动势法是无位置传感器技术中最常用、最简单的方法，通过采样端电压或线电压差的过零点，产生无刷直流电机的换相位置信号，实现无刷直流电机的正常运行。但是，当无刷直流电机转速大于额定转速80％或，者负载大于额定负载20％时，换相期间不导通相续流会产生端电压脉冲，造成假过零事件，使得换相点提前，影响电机的正常驱动。同时，换相续流时间过长会引起较大的转矩脉动。

现有的方法中大多是通过延时检测避开假过零点，通过复杂算法减小转矩脉动，该类算法普遍计算量大，对处理单元性能要求较高。本发明可准确判断无刷直流电机换相时间，缩短不导通相续流时间，提高系统稳定性，算法简单可靠，对处理单元要求低，易操作。

发明内容

本发明提供了一种无刷直流电机高精度换相控制的方法及系统，以解决无刷直流电机换相期间不导通相续流产生端电压脉冲，造成假过零事件，使得换相点提前，影响电机的正常驱动及不导通相续流时间过长引起较大转矩脉动的问题。

本发明提供了一种无刷直流电机高精度换相控制的方法，包括：

步骤一：设置第一对比值、第二对比值，以预设采样周期获取三相定子绕组的反电动势数值，并记录三相定子绕组的反电动势数值；

步骤二：判断是否有一相定子绕组的反电动势数值产生过零现象，当有过零现象时，执行步骤三；当没有过零现象时，执行步骤一；

步骤三：判断所述步骤二中产生过零现象的一相定子绕组在上一预设采样周期获取的反电动势数值是否大于0；

当大于0时，判断所述步骤二中产生过零现象的一相定子绕组在上一预设采样周期获取的反电动势数值是否大于第一对比值，当大于第一对比值时，执行弱化消磁动作并返回步骤一；当不大于第一对比值时，执行换相动作；

当小于0时，判断所述步骤二中产生过零现象的一相定子绕组在上一预设采样周期获取的反电动势数值是否小于第二对比值，当小于第二对比值时，执行弱化消磁动作并返回步骤一；当不大于第二对比值时，执行换相动作。

进一步地，所述三相定子绕组的反电动势通过实时检测三相定子绕组的端电压得到。

进一步地，所述预设采样周期为10μs至20μs。

进一步地，所述第一对比值的取值范围为无刷直流电机额定电压的10％～20％，所述第二对比值的取值范围为无刷直流电机额定电压的-10％～-20％。

进一步地，所述步骤三中的弱化消磁动作的具体方法如下：

将上一换相过程中的逆变器非切换相对应的上桥臂功率器件的PWM占空比设置为100％，t秒后将占空比恢复为D。

进一步地，所述t＝1/ω，其中，ω为电机转速，单位为r/min，t的单位是s。

进一步地，所述D为当PID控制器以转子转速的设定值与转子转速的实际值的误差为输入时的占空比输出值。

一种无刷直流电机高精度换相控制的系统，其特征在于，包括：

检测模块、比较模块、PID控制模块、弱化消磁模块、换相模块、逆变器；

所述检测模块分别与所述三相定子绕组以及所述比较模块相连，用于检测A相、B相和C相定子绕组的端电压，得到A相、B相和C相定子绕组的反电动势，并将检测结果传递到所述比较模块；

所述比较模块分别与所述弱化消磁模块以及所述换相模块，用于将产生过零现象的一相定子绕组上次预设采样周期获取的反电动势数值与0以及第一对比值或与0以及第二对比值比较，根据比较结果执行说话消磁或换相；

所述PID控制模块与所述弱化消磁模块相连，用于以转子转速的设定值与转子转速的实际值的误差为输入来输出占空比D；

所述弱化消磁模块与所述逆变器相连，用于根据比较模块的输出信号和PID控制模块的输出信号，控制逆变器非切换相对应的上桥臂MOS管的PWM占空比，缩短不导通相续流时间；

所述换相模块与所述逆变器相连，用于根据比较模块的输出信号执行所需换相；

所述逆变器与所述三相定子绕组相连，用于驱动所述A相、B相和C相定子绕组。

本发明的有益效果：

1、由于假过零现象是脉冲波形，由低电平突变成高电平或者由高电平突变成低电平，也不会在低电平和高电平状态下持续，是一种瞬时状态；而真实过零现象，要经历低电平到高电平或者高电平到低电平的渐变过程，是一种过程状态。根据上述特性，通过出现过零现象的一相上一采集周期的数值和预设比较值的对比，判断过零点的有效性，从而避免假过零现象对换相的影响，完成无刷直流电机的精确换相。

2、通过利用功率器件续流将非切换相的剩余能量消除，以减小无刷直流电机换相期间不导通相续流而产生的端电压脉冲的宽度，缩短续流时间，缓解续流时间过长引发的转矩脉动对无刷直流电机驱动的影响，提高系统稳定性。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明实施例中一种无刷直流电机高精度换相控制的方法流程图；

图2为本发明实施例中一种无刷直流电机驱动系统的主电路图；

图3为本发明实施例中无刷直流电机等效电路图；

图4为本发明实施例中定子三相绕组反电动势波形图；

图5为本发明实施例中一种无刷直流电机高精度换相控制系统结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，本领域技术人员在没有作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。

本发明实施例提供了一种无刷直流电机高精度换相控制的方法，如图1所示，包括：

步骤S1：以预设采样周期获取三相定子绕组的反电动势数值。

步骤S2：记录三相定子绕组的反电动势数值。

由于定子绕组压降较小，所以忽略定子绕组的电阻值，三相定子绕组的反电动势约等于各相定子绕组的端电压。通过实时检测三相子绕组的端电压得到三相定子绕组的反电动势，并记录下来。

步骤S3：判断三相定子绕组中是否有一相定子绕组的反电动势数值产生过零现象，当有过零现象时，执行步骤S4；当没有过零现象时，执行步骤S1继续对过零现象进行监视；

步骤S4：判断产生过零现象的一相定子绕组反电动势的上一次采样周期数值是否大于0，当上一次采样周期数值是大于0时，执行步骤S5；当上一次采样周期数值是不大于0时，执行步骤S6。

步骤S5：判断产生过零现象的一相定子绕组反电动势的上一次采样周期数值是否大于第一对比值，当上一次采样周期数值大于第一对比值时，则执行弱化消磁动作；当上一次采样周期数值不大于第一对比值时，则执行换相。

步骤S6：判断产生过零现象的一相定子绕组反电动势的上一次采样周期数值是否小于第二对比值，当上一次采样周期数值小于第二对比值时，执行弱化消磁动作；当上一次采样周期数值不小于第二对比值时，执行换相。

由于假过零现象是脉冲波形，由低电平突变成高电平或者由高电平突变成低电平，也不会在低电平和高电平状态下持续，是一种瞬时状态；而真实过零现象，要经历低电平到高电平或者高电平到低电平的渐变过程，是一种过程状态。所以假过零现象和真实过零现象两者在过零产生的前一个采样周期的数值有着明显的区别，根据这一个特性通过预设对比值，可以判断出过零点是否有效。

如图2所示，为逆变器的电路结构图，并示出逆变器与三相定子绕组的连接关系。

以表1的通电顺序对定子绕组进行周期性通电，可以实现无刷直流电机的正向换相驱动。表1还示出了各通电顺序下对应的通电状态和MOS管导通情况。

表1

此时弱化消磁动作就是将逆变器非切换相对应的上桥臂MOS管的PWM占空比设置为100％，1/ω秒后将占空比恢复为D。

若定子绕组将从A相、B相导通换相至A相、C相导通，则逆变器非切换相为A相，对应的上桥臂MOS管为T1；若定子绕组将从A相、C相导通换相至B相、C相导通，则逆变器非切换相为C相，对应的上桥臂MOS管为T5；若定子绕组将从B相、C相导通换相至A相、B相导通，则逆变器非切换相为B相，对应的上桥臂MOS管为T3。

占空比D由PID调节得到。该PID控制器以转子转速的设定值与转子转速的实际值的误差为输入，以占空比D为输出，此时占空比D可以使得无刷电机转速达到想要的目标转速，具体公式如下：

其中，k_p为PID控制器的比例系数，为了系统响应速度快、超调较小，比例系数选择0.5；T_i为PID控制器的积分时间常数，为了速度收敛速度较短，积分时间常数选择0.2；T_d为PID控制器的微分时间常数，但微分的引入会导致速度振荡，故定为0；ω_ref为转子转速的设定值；ω_e为转子转速的实际值；K为占空比转化系数，数值为1/ω₀，ω₀为无刷直流电机额定转速，因为占空比和转矩成正比例关系，所以K为1/ω₀。

如图3所示，为无刷直流电机等效电路图，根据图3可解得定子绕组三相电流如下

其中，i_A、i_B、i_C分别为A、B、C三相定子绕组的电流；I₀为相电流峰值；k_eω_m为反电动势峰值；H为占空比；V_DC为母线电压；R为等效相电阻；L为等效相电感；e_A、e_B、e_C分别为A、B、C三相定子绕组的反电动势。从公式可以看出，H越大，三相电流的变化速度就越大，则续流时间就越短。因此，从不导通相的端电压脉冲的过零点开始，将逆变器非切换相对应的上桥臂MOS管的PWM占空比设置为100％并维持1/ω秒，可缩短脉冲宽度，减少续流时间，缓解不导通相续流时间过长对转矩控制的影响。ω为电机转速，单位为r/min。

在本实施例中，对三相定子绕组的反电动势进行实时检测。第一对比值的取值范围为无刷直流电机额定电压的10％～20％，优选15％，第二对比值的取值范围为无刷直流电机额定电压的-10％～-20％，优选-15％。为了对比值在不同转速下的适应性，选择15％、-15％作为第一对比值、第二对比值。

如图4所示，E_A为A相反电动势图、E_B为B相反电动势图、E_C为C相反电动势图，I为第一对比值，II为第二对比值。

当从A相定子绕组通以正电流，给B相定子绕组通以负电流的状态，换相至A相定子绕组通正电流，给C相定子绕组通负电流的状态后，B相定子绕组可能会产生续流，在从表1中看该续流就有可能对从A相定子绕组通正电流、给C相定子绕组通负电流的状态，换相至B相定子绕组通以正电流、C相定子绕组通以负电流时产生假过零现象，如果不处理则会出现提前换相。图4中的B相反电动势图E_B是以表1通电顺序给三相定子绕组通电后的B相反电动势的波形图，其中，a点是B相反电动势的一个过零点，系统检测到该过零点时，暂时停止对反电动势的实时检测，此时从图上看B相定子绕组反电动势的上一次采样周期数值小于0且小于第二对比值，判断为假过零现象，该现象可能是之前换相切断B相定子绕组通电时B相定子绕组中产生的续流造成的，将逆变器中A相定子绕组对应的上桥臂MOS管，即图2中的MOS管T1的PWM占空比设置为100％，1/ω秒后将占空比恢复为D，通过弱化消磁动作来消除B相定子绕组中的续流，弱化消磁后系统继续实时检测三相定子绕组的反电动势，当系统再次检测到B相定子绕组上的反电动势过零点，即图4中的b点，暂时停止对反电动势的实时检测，此时从图上看B相定子绕组反电动势的上一次采样周期数值小于0且大于第二对比值，判断为真实的过零现象，执行换相操作，将定子绕组从A相定子绕组通正电流、C相定子绕组通负电流换相至B相定子绕组通正电流、C相定子绕组通负电流，换相操作完成后发出反电动势检测信号，继续实时检测三相定子绕组的反电动势。

当从A相定子绕组通以正电流，给C相定子绕组通以负电流的状态，换相至B相定子绕组通正电流，给C相定子绕组通负电流的状态后，A相定子绕组可能会产生续流，在从表1中看该续流就有可能对从B相定子绕组通正电流、给C相定子绕组通负电流的状态，换相至B相定子绕组通以正电流、A相定子绕组通以负电流时产生假过零现象，如果不处理则会出现提前换相。图4中的A相反电动势图E_A是以表1通电顺序给三相定子绕组通电后的A相反电动势的波形图，其中，c点是A相反电动势的一个过零点，系统检测到该过零点时，暂时停止对反电动势的实时检测。此时从图上看A相定子绕组反电动势的上一次采样周期数值大于0且大于第一对比值，判断为假过零现象，该现象可能是之前换相切断A相定子绕组通电时A相定子绕组中产生的续流造成的，将逆变器中C相定子绕组对应的上桥臂MOS管，即图2中的MOS管T1的PWM占空比设置为100％，1/ω秒后将占空比恢复为D，占MOS管T5的PWM占空比设置为100％，1/ω秒后将占空比恢复为D，通过弱化消磁动作来消除A相定子绕组中的续流，弱化消磁后系统继续实时检测三相定子绕组的反电动势，当系统再次检测到A相定子绕组上的反电动势过零点，即图4中的d点，系统暂时停止对反电动势的实时检测。A相定子绕组反电动势的上一次采样周期数值大于0且小于第一对比值，则执行换相操作，将定子绕组从B相定子绕组通正电流、C相定子绕组通负电流换相至B相定子绕组通正电流、A相定子绕组通负电流，换相操作完成后发出反电动势检测信号，继续实时检测三相定子绕组的反电动势。

图4中e点至l点的动作方式，同上述处理方法。

如图5所示，本发明还提供了一种无刷直流电机高精度换相控制的系统，包括：

检测模块、比较模块、PID控制模块、弱化消磁模块、换相模块、逆变器；

检测模块分别与三相定子绕组以及比较模块相连，用于检测A相、B相和C相定子绕组的端电压，得到A相、B相和C相定子绕组的反电动势，并将检测结果传递到比较模块；

比较模块分别与弱化消磁模块以及换相模块，用于将产生过零现象的一相定子绕组上次预设采样周期获取的反电动势数值与0以及第一对比值或与0以及第二对比值比较，根据比较结果执行说话消磁或换相；

PID控制模块与弱化消磁模块相连，用于以转子转速的设定值与转子转速的实际值的误差为输入来输出占空比D；

弱化消磁模块与逆变器相连，用于根据比较模块的输出信号和PID控制模块的输出信号，控制逆变器非切换相对应的上桥臂MOS管的PWM占空比，缩短不导通相续流时间；

换相模块与逆变器相连，用于根据比较模块的输出信号执行所需换相；

逆变器与三相定子绕组相连，用于驱动A相、B相和C相定子绕组。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。