一种无位置传感器无刷直流电机的启动方法
一种无位置传感器无刷直流电机的启动方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电机控制方法领域，具体是一种无位置传感器无刷直流电机的启动方法。
【背景技术】
[0002]现阶段无位置传感器无刷直流电机多采用开环启动方式，当转速足够高，反电动势可以通过未通电相检测到，再切换至闭环控制。开环启动的最大缺点在于启动电流大，固定时间内对其中两相通电，对于不同负载的电机产生的启动电流也是不同的，所以电机在不同的负载下需要在控制程序中调整换相时间，否则容易造成启动失败。同时换相不精确也容易造成换相转矩脉动大，体现在转速上为阶梯式上升，无法达到平稳启动的要求。
[0003]现有的解决方案1:基于V-F控制的开环启动方式
该方案的缺点是:通过V-F控制的方法可以很容易实现，然而此方法对负载和电机参数敏感，当负载发生变化或者电机由于温度等原因造成电机参数发生变化时，V-F开环启动容易造成失速从而启动失败。
[0004]现有的解决方案2:基于1-F控制的开环启动方式
该方案的缺点是:对于不同的负载来说，1-F控制方法通常具有相对于V-F更好的鲁棒性，然而开环1-F启动不容易确定参考角速度值，引起的换相不准确会造成启动转矩换相脉动的增大，同时固定的母线电压不能有效抑制启动电流和换相脉动。
[0005]
【发明内容】
本发明的目的是提供一种无位置传感器无刷直流电机的启动方法，以解决现有技术存在的问题。
[0006]为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为:
一种无位置传感器无刷直流电机的启动方法，其特征在于:转子对齐定位后，从转子位置为0开始，设定参考电流恒值和匀加速参考角速度值，参考角速度通过积分作用并考虑极对数的影响，产生参考转子角度，从启动到切换进入闭环控制整个过程，增加非换相相电流观测器，观测非换相绕组的相电流值的波动范围，进入换相阶段，当观测到非换相相电流值波动范围超过设定范围，待换相结束后，增大参考角速度斜率，设定的波动范围为多级，超出不同范围设定斜率的增加有所不同。参考转子角度与参考电流恒值共同作用产生三相电流参考值，与实时相电流进行PID处理，得到的三个PID值大小进行比较，切换至合适的PWM通道输入驱动模块，母线上增加Buck控制电路，当进入换相阶段，根据转子位置不同，实时比较三相电流中的两者，不同的比较值产生Buck电路中所需的不同PWM值，从而控制母线电压值，达到降低启动阶段的转矩脉动和启动电流值，优化了无位置传感器无刷直流电机的启动过程，使转速上升曲线更加平稳。
[0007]本发明针对在无位置传感器的条件下，增加非换相电流观测器和相电流比较控制母线电压的策略，减小换相转矩脉动和启动电流。
[0008]与现有技术相比，本发明的有益效果是:增加了传统开环启动系统的鲁棒性，当负载、电机参数以及设定的参考值不同时，均可以完成对参考角速度的闭环补偿和对母线电压的闭环控制，达到平稳启动的目的。
【附图说明】
[0009]图1为无位置传感器无刷直流电机的启动控制原理框图。
[0010]图2为无位置传感器无刷直流电机的启动程序具体流程图。
[0011 ]图3为无位置传感器无刷直流电机的启动程序总体流程图。
[0012]图4为传统1-F开环启动方法转速波形。
[0013]图5为传统1-F开环启动方法转矩波形。
[0014]图6为本专利启动方法转速波形。
[0015]图7为本专利启动方法转矩波形。
【具体实施方式】
[0016]—种无位置传感器无刷直流电机的启动方法，启动控制原理框图如图1所示，开始阶段导通固定两相，使得转子对齐，设定此时转子角度为0。设定参考电流恒值和匀加速参考角速度值，参考角速度通过积分作用产生参考转子角度，增加非换相相电流观测器，观测从启动开始到切换进入闭环的整个过程，用于对参考角速度进行补偿，参考转子角度用来确定驱动模块所需要的换相信号和PWM值，参考转子角度与参考电流恒值共同作用产生三相电流参考值，与实时相电流进行PID处理，得到的三个PID值大小进行比较，切换至合适的P丽通道输入驱动模块。增加相电流比较策略，主要针对换相阶段起作用，换相阶段根据不同的转子位置比较上升相和下降相的相电流值，从而控制母线电压值，达到减小换相转矩脉动和启动电流的目的。
[0017]无位置传感器无刷直流电机的启动程序具体流程如图2所示，步骤如下:
第一步:施加高频信号来确定初始转子位置，通过固定的导通相将转子对齐定位，施加的高频信号时间约低于电机时间常数，此时设定初始转子角度为0。
[0018]第二步:设定恒定的电流参考值，此参考值为电机正常启动时所需相电流值，设定斜率恒定且为正的角速度参考值，此参考值的斜率按照第一次加速效果设定，不可过大以免造成启动失败。参考角速度值通过积分作用并乘以电机极对数获得参考转子位置，增加非换相相电流观测器，对启动到切换进入闭环控制全过程中换相阶段进行观测，例如从AB导通切换值AC导通时，观测A相电流的变化。当检测到非换相相电流值超出额定相电流值的A I范围，待换相结束后，增加参考角速度参考值的斜率。△ I范围设定为多级，超出范围越小则增加的斜率值越小，反之如果非换相相电流波动超出A I范围越大，则增加的斜率值越大，如果未超出范围，则保持角速度参考值斜率不变。
[0019]第三步:参考转子角度与电流参考恒值共同作用产生三相电流参考值，三相电流参考值与实际相电流参考值分别进行PID控制，产生的三个PWM值可以使用简单比较原则，选择PWM值大者使用，或者按照哪一相为电流输入正相，使用哪一相产生的PWM值，例如当A相为电流进入、B相为电流流出时，使用A相电流产生的PWM值作为驱动模块的输入值。
[0020]第四步:换相期间根据转子角度不同实时比较三相电流值中的两者，比较策略是换相期间比较上升相电流和下降相电流值，例如从AB导通切换值AC导通时，比较B相电流和C相电流的斜率绝对值，此时B相电流为下降趋势，C相电流为上升趋势，当B相电流下降斜率绝对值大于C相电流上升斜率绝对值时，在额定母线电压的基础上减小Buck电路中PWM值，反之则增加Buck电路中的PWM值，增加和减小的大小视母线电压为额定值时PWM值的大小决定，在额定值PWM值附近进行调节，如此调节直至下降相电流为0或者上升相电流为额定相电流为止，调节结束后将PWM值设定为Buck电路产生额定母线电压的值，其他情况换相方法类同。
[0021]第五步:检测是否正常启动，如果转速上升则重复第二步到第四步，直至实际转速到达足够大可以检测到反电动势为止，如果不能正常启动则跳至第一步开始，减小初始参考角速度斜率，直至启动成功。
[0022]本发明属于通用方法，不针对特定参数的直流无刷电机使用，本方法程序总体流程图如图3所示。为验证此方法的可行性，利用仿真软件进行仿真，选择额定电压为24V、额定电流为3.2A，额定负载为0.18Nm的直流无刷电机作为实验对象。图4为传统1-F开环启动方法转速波形，图5为传统1-F开环启动方法转矩波形，可以看出转速波形呈现梯状上升趋势，主要原因在于换相阶段转矩脉动大，造成转速波形无法平稳上升。图6为本专利启动方法转速波形，图7为本专利启动方法转矩波形，对比图4和图5可以看出应用本专利方法后，可以有效地降低换相转矩脉动，此时转速波形更加平稳地上升。
[0023]对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0024]以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。
【主权项】
1.一种无位置传感器无刷直流电机的启动方法，其特征在于:转子对齐定位后，从转子位置为0开始，设定参考电流恒值和匀加速参考角速度值，参考角速度通过积分作用并考虑极对数的影响，产生参考转子角度，从启动到切换进入闭环控制整个过程，增加非换相相电流观测器，观测非换相绕组的相电流值的波动范围，进入换相阶段，当观测到非换相相电流值波动范围超过设定范围，待换相结束后，增大参考角速度斜率，设定的波动范围为多级，超出不同范围设定斜率的增加有所不同；参考转子角度与参考电流恒值共同作用产生三相电流参考值，与实时相电流进行PID处理，得到的三个PID值大小进行比较，切换至合适的PWM通道输入驱动模块，母线上增加Buck控制电路，当进入换相阶段，根据转子位置不同，实时比较三相电流中的两者，不同的比较值产生Buck电路中所需的不同PWM值，从而控制母线电压值，达到降低启动阶段的转矩脉动和启动电流值，优化了无位置传感器无刷直流电机的启动过程，使转速上升曲线更加平稳。
【专利摘要】本发明公开了一种无位置传感器无刷直流电机的启动方法，从启动开始到切换进入闭环增加非换相相电流观测器，换相阶段该观测器开始起作用，换相结束后对参考角速度进行补偿校正，通过相电流与参考值进行PID控制获得驱动模块所需的PWM值，在换相阶段增加相电流比较策略，实时控制母线电压值，达到减小换相转矩脉动和启动电流的目的。
【IPC分类】H02P6/20, H02P6/10
【公开号】CN105490597
【申请号】CN201610081140
【发明人】倪有源, 陈浩, 何强, 陈俊华, 余长城
【申请人】合肥工业大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2016年2月3日
【技术领域】
[0001]本发明涉及电机控制方法领域，具体是一种无位置传感器无刷直流电机的启动方法。
【背景技术】
[0002]现阶段无位置传感器无刷直流电机多采用开环启动方式，当转速足够高，反电动势可以通过未通电相检测到，再切换至闭环控制。开环启动的最大缺点在于启动电流大，固定时间内对其中两相通电，对于不同负载的电机产生的启动电流也是不同的，所以电机在不同的负载下需要在控制程序中调整换相时间，否则容易造成启动失败。同时换相不精确也容易造成换相转矩脉动大，体现在转速上为阶梯式上升，无法达到平稳启动的要求。
[0003]现有的解决方案1:基于V-F控制的开环启动方式
该方案的缺点是:通过V-F控制的方法可以很容易实现，然而此方法对负载和电机参数敏感，当负载发生变化或者电机由于温度等原因造成电机参数发生变化时，V-F开环启动容易造成失速从而启动失败。
[0004]现有的解决方案2:基于1-F控制的开环启动方式
该方案的缺点是:对于不同的负载来说，1-F控制方法通常具有相对于V-F更好的鲁棒性，然而开环1-F启动不容易确定参考角速度值，引起的换相不准确会造成启动转矩换相脉动的增大，同时固定的母线电压不能有效抑制启动电流和换相脉动。
[0005]
【发明内容】
本发明的目的是提供一种无位置传感器无刷直流电机的启动方法，以解决现有技术存在的问题。
[0006]为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为:
一种无位置传感器无刷直流电机的启动方法，其特征在于:转子对齐定位后，从转子位置为0开始，设定参考电流恒值和匀加速参考角速度值，参考角速度通过积分作用并考虑极对数的影响，产生参考转子角度，从启动到切换进入闭环控制整个过程，增加非换相相电流观测器，观测非换相绕组的相电流值的波动范围，进入换相阶段，当观测到非换相相电流值波动范围超过设定范围，待换相结束后，增大参考角速度斜率，设定的波动范围为多级，超出不同范围设定斜率的增加有所不同。参考转子角度与参考电流恒值共同作用产生三相电流参考值，与实时相电流进行PID处理，得到的三个PID值大小进行比较，切换至合适的PWM通道输入驱动模块，母线上增加Buck控制电路，当进入换相阶段，根据转子位置不同，实时比较三相电流中的两者，不同的比较值产生Buck电路中所需的不同PWM值，从而控制母线电压值，达到降低启动阶段的转矩脉动和启动电流值，优化了无位置传感器无刷直流电机的启动过程，使转速上升曲线更加平稳。
[0007]本发明针对在无位置传感器的条件下，增加非换相电流观测器和相电流比较控制母线电压的策略，减小换相转矩脉动和启动电流。
[0008]与现有技术相比，本发明的有益效果是:增加了传统开环启动系统的鲁棒性，当负载、电机参数以及设定的参考值不同时，均可以完成对参考角速度的闭环补偿和对母线电压的闭环控制，达到平稳启动的目的。
【附图说明】
[0009]图1为无位置传感器无刷直流电机的启动控制原理框图。
[0010]图2为无位置传感器无刷直流电机的启动程序具体流程图。
[0011 ]图3为无位置传感器无刷直流电机的启动程序总体流程图。
[0012]图4为传统1-F开环启动方法转速波形。
[0013]图5为传统1-F开环启动方法转矩波形。
[0014]图6为本专利启动方法转速波形。
[0015]图7为本专利启动方法转矩波形。
【具体实施方式】
[0016]—种无位置传感器无刷直流电机的启动方法，启动控制原理框图如图1所示，开始阶段导通固定两相，使得转子对齐，设定此时转子角度为0。设定参考电流恒值和匀加速参考角速度值，参考角速度通过积分作用产生参考转子角度，增加非换相相电流观测器，观测从启动开始到切换进入闭环的整个过程，用于对参考角速度进行补偿，参考转子角度用来确定驱动模块所需要的换相信号和PWM值，参考转子角度与参考电流恒值共同作用产生三相电流参考值，与实时相电流进行PID处理，得到的三个PID值大小进行比较，切换至合适的P丽通道输入驱动模块。增加相电流比较策略，主要针对换相阶段起作用，换相阶段根据不同的转子位置比较上升相和下降相的相电流值，从而控制母线电压值，达到减小换相转矩脉动和启动电流的目的。
[0017]无位置传感器无刷直流电机的启动程序具体流程如图2所示，步骤如下:
第一步:施加高频信号来确定初始转子位置，通过固定的导通相将转子对齐定位，施加的高频信号时间约低于电机时间常数，此时设定初始转子角度为0。
[0018]第二步:设定恒定的电流参考值，此参考值为电机正常启动时所需相电流值，设定斜率恒定且为正的角速度参考值，此参考值的斜率按照第一次加速效果设定，不可过大以免造成启动失败。参考角速度值通过积分作用并乘以电机极对数获得参考转子位置，增加非换相相电流观测器，对启动到切换进入闭环控制全过程中换相阶段进行观测，例如从AB导通切换值AC导通时，观测A相电流的变化。当检测到非换相相电流值超出额定相电流值的A I范围，待换相结束后，增加参考角速度参考值的斜率。△ I范围设定为多级，超出范围越小则增加的斜率值越小，反之如果非换相相电流波动超出A I范围越大，则增加的斜率值越大，如果未超出范围，则保持角速度参考值斜率不变。
[0019]第三步:参考转子角度与电流参考恒值共同作用产生三相电流参考值，三相电流参考值与实际相电流参考值分别进行PID控制，产生的三个PWM值可以使用简单比较原则，选择PWM值大者使用，或者按照哪一相为电流输入正相，使用哪一相产生的PWM值，例如当A相为电流进入、B相为电流流出时，使用A相电流产生的PWM值作为驱动模块的输入值。
[0020]第四步:换相期间根据转子角度不同实时比较三相电流值中的两者，比较策略是换相期间比较上升相电流和下降相电流值，例如从AB导通切换值AC导通时，比较B相电流和C相电流的斜率绝对值，此时B相电流为下降趋势，C相电流为上升趋势，当B相电流下降斜率绝对值大于C相电流上升斜率绝对值时，在额定母线电压的基础上减小Buck电路中PWM值，反之则增加Buck电路中的PWM值，增加和减小的大小视母线电压为额定值时PWM值的大小决定，在额定值PWM值附近进行调节，如此调节直至下降相电流为0或者上升相电流为额定相电流为止，调节结束后将PWM值设定为Buck电路产生额定母线电压的值，其他情况换相方法类同。
[0021]第五步:检测是否正常启动，如果转速上升则重复第二步到第四步，直至实际转速到达足够大可以检测到反电动势为止，如果不能正常启动则跳至第一步开始，减小初始参考角速度斜率，直至启动成功。
[0022]本发明属于通用方法，不针对特定参数的直流无刷电机使用，本方法程序总体流程图如图3所示。为验证此方法的可行性，利用仿真软件进行仿真，选择额定电压为24V、额定电流为3.2A，额定负载为0.18Nm的直流无刷电机作为实验对象。图4为传统1-F开环启动方法转速波形，图5为传统1-F开环启动方法转矩波形，可以看出转速波形呈现梯状上升趋势，主要原因在于换相阶段转矩脉动大，造成转速波形无法平稳上升。图6为本专利启动方法转速波形，图7为本专利启动方法转矩波形，对比图4和图5可以看出应用本专利方法后，可以有效地降低换相转矩脉动，此时转速波形更加平稳地上升。
[0023]对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0024]以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。
【主权项】
1.一种无位置传感器无刷直流电机的启动方法，其特征在于:转子对齐定位后，从转子位置为0开始，设定参考电流恒值和匀加速参考角速度值，参考角速度通过积分作用并考虑极对数的影响，产生参考转子角度，从启动到切换进入闭环控制整个过程，增加非换相相电流观测器，观测非换相绕组的相电流值的波动范围，进入换相阶段，当观测到非换相相电流值波动范围超过设定范围，待换相结束后，增大参考角速度斜率，设定的波动范围为多级，超出不同范围设定斜率的增加有所不同；参考转子角度与参考电流恒值共同作用产生三相电流参考值，与实时相电流进行PID处理，得到的三个PID值大小进行比较，切换至合适的PWM通道输入驱动模块，母线上增加Buck控制电路，当进入换相阶段，根据转子位置不同，实时比较三相电流中的两者，不同的比较值产生Buck电路中所需的不同PWM值，从而控制母线电压值，达到降低启动阶段的转矩脉动和启动电流值，优化了无位置传感器无刷直流电机的启动过程，使转速上升曲线更加平稳。
【专利摘要】本发明公开了一种无位置传感器无刷直流电机的启动方法，从启动开始到切换进入闭环增加非换相相电流观测器，换相阶段该观测器开始起作用，换相结束后对参考角速度进行补偿校正，通过相电流与参考值进行PID控制获得驱动模块所需的PWM值，在换相阶段增加相电流比较策略，实时控制母线电压值，达到减小换相转矩脉动和启动电流的目的。
【IPC分类】H02P6/20, H02P6/10
【公开号】CN105490597
【申请号】CN201610081140
【发明人】倪有源, 陈浩, 何强, 陈俊华, 余长城
【申请人】合肥工业大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2016年2月3日
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