一种无刷直流电机转子位置的在线辨识系统及其辨识方法技术方案

本发明专利技术涉及一种无刷直流电机转子位置的在线辨识系统及其辨识方法，系统包括直流电压源、功率管驱动电路、三相桥式逆变器、起动控制器、位置辨识器和无刷直流电机，直流电压源连接三相桥式逆变器的电源端，起动控制器的输出端连接功率管驱动电路的输入端，功率管驱动电路的输出端连接三相桥式逆变器的控制输入端，三相桥式逆变器的输出端连接无刷直流电机，无刷直流电机内部的霍尔传感器连接位置辨识器的输入端。起动控制器采用“预定位+升压恒频+恒压恒频”起动方式，位置辨识器在电机恒速运行时记录霍尔信号边沿对应的给定转子位置角，经计算得到实际转子位置角。本发明专利技术实现成本低，完成周期短，实用性强，适用于批量化生产的场合。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无刷直流电机转子位置检测
，具体地说是一种无刷直流电机 转子位置的在线辨识系统及其辨识方法。
技术介绍
近年来，无刷直流电机（BrushlessDCMotor,BLDC)因其功率密度大、转矩大等优 点在电动车领域得到广泛应用。虽然BLDC的无位置控制方法已得到普遍应用，但对于以电 动自平衡车为代表的一些低速以及转向频繁切换的场合，通常的无位置控制方法已不能保 证电机性能。因此，为了实现电机绕组可靠换流，绝大多数永磁无刷直流电机仍然采用霍尔 传感器，依据三路霍尔信号获取转子位置信息，据此实现绕组电流的换流。 无刷直流电机的反电势为梯形波，供电电流为方波，控制系统对转子位置信号的 要求不高，只需获得若干个离散的转子关键位置信号。理想情况下霍尔信号与电机反电势 以及转子位置之间具有固定的相位关系，但由于实际当中存在的安装偏差、电机端部磁场 畸变等非理想因素会导致霍尔信号位置整体偏移或高低电平不等宽，这就导致霍尔信号 计算出的转子位置与实际转子位置之间有偏差。转子位置的偏差直接影响磁场矢量控制 (FieldOrientedControl，F0C)的控制性能，导致转矩脉动增大。 通常的转子位置的校准方法是利用外部的电机带动测试电机，根据空载反电动 势、霍尔信号确定出霍尔信号变化点转子位置，但是空载反电动势波形、霍尔信号波形都要 通过示波器获取。这往往需要多通道输入示波器和外部的拖动设备，测试步骤复杂，而且这 种方法获得的转子位置往往不够精确。因此，这种手动测试方法并不适用于批量化生产的 场合。
技术实现思路
本专利技术正是针对现有技术中的缺陷和不足，提供一种无刷直流电机转子位置的在 线辨识系统及其辨识方法，利用霍尔信号编程实现转子位置的自动精准辨识，为需要无刷 直流电机低速以及转向频繁切换运行的高性能要求场合提供基础支持。 为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为，一种无刷直流电机转子位置的在 线辨识系统，包括直流电压源、功率管驱动电路、三相桥式逆变器、起动控制器、位置辨识器 和无刷直流电机，直流电压源和功率管驱动电路的输出端连接三相桥式逆变器的输入端， 起动控制器的输出端连接功率管驱动电路的输入端，三相桥式逆变器的输出端连接无刷直 流电机，无刷直流电机内部的霍尔传感器连接位置辨识器的输入端；起动控制器包括初始 位置给定模块、定位时间给定模块、位置极限给定模块、位置周期给定模块、锯齿波产生模 块、转向给定模块、直轴电压给定模块、交轴电压给定模块、SVPWM模块、PWM生成模块，初始 位置给定模块、定位时间给定模块、位置极限给定模块和位置周期给定模块均连接至锯齿 波产生模块的输入端，锯齿波产生模块的输出端连接SVPWM模块和位置辨识器的输入端， 直轴电压给定模块和交轴电压给定模块均连接SVPWM模块的输入端，SVPWM模块的输出端 连接PWM生成模块的输入端，PWM生成模块的输出端连接功率管驱动电路的输入端，转向给 定模块的输出端连接交轴电压给定模块和位置辨识器的输入端，霍尔传感器的输出端连接 位置辨识器的输入端。 作为本专利技术的一种改进，功率管驱动电路包括将起动控制器输出的PWM信号转变 成能够驱动功率管的开关信号的IGBT/M0FET驱动芯片，所述IGBT/M0FET驱动芯片的输出 端连接所述三相桥式逆变器的输入端；所述IGBT/M0FET驱动芯片的输入端连接所述起动 控制器的输出端。功率管驱动电路的输入量为起动控制器输出的6路PWM弱电信号，通过 该功率管驱动电路将该6路PWM弱电信号放大为6路PWM强电信号，用以驱动后级三相桥 式逆变器的功率管。 作为本专利技术的一种改进，三相桥式逆变器采用三相桥式电压源型逆变器，包括三 个桥臂，每个桥臂上设有两个功率管，功率管可以是M0S管或IGBT管之类的功率开关器件， 从三个桥臂中位于同一桥臂上的两个功率管之间各引出一条支路并分别连接到无刷直流 电机的三相绕组接线端，直流电压源的正负极分别连接至三相桥式逆变器的电源输入端的 正负极。因此，三相桥式电压源型逆变器的输入量为功率管驱动电路输出的6路PWM强电信 号和直流电压源提供的直流电压，输出量为三相交流电压，供给无刷直流电机的三相绕组， 产生定子磁场以驱动电机。 作为本方明的一种改进，起动控制器与位置辨识器是采用单片机、DSP或FPGA之 类的数字控制微处理器（简称"数字控制器"）实现。 作为本方明的一种改进，起动控制器采用"预定位+变压恒频+恒压恒频"方式来 驱动电机起动并恒速运行。 作为本方明的一种改进，锯齿波产生模块的输入量有初始位置给定模块输出的Θ。、定位时间给定模块输出的T。、位置极限给定模块输出的Θ_和位置周期给定模块输出 的T。，锯齿波产生模块输出位置给定信号Θ，其中Θ。设为〇°~360°内的任意值，Θ_设 为360°，Θ的取值范围是〇°~360°。于是，Θ先保持为恒值Θ。，维持时间为T。，之后 为周期T。、幅值从0增大到θ_的锯齿波。 作为本方明的一种改进，直轴电压给定模块的直轴电压给定值1设为常数0,也可 将之设为适当的负值来提高输出转矩，缩短起动时间。交轴电压给定模块的给定交轴电压 Vq的波形与转向有关，以正转为例，Vq在上电后的一段时间内保持恒值，将它设成最大值可 以加快转子预定位过程，之后，Vq按一定的斜率从0开始上升至最大值并维持不变。同样可 得反转运行时Vq的波形，不同之处在于预定位过程的恒值和最终的稳定值均为正转时最大 值的负值。 作为本专利技术的一种改进，SVPWM模块包括Park逆变换单元、扇区判断单元、矢量作 用时间单元和矢量切换点单元，直轴电压给定模块和交轴电压给定模块的输出端连接Park 逆变换单元的输入端，Park逆变换单元的输出端连接扇区判断单元以及矢量作用时间单 元的输入端，扇区判断单元的输出端分别连接矢量作用时间单元和矢量切换点单元的输入 端，矢量作用时间单元的输出端连接矢量切换点单元的输入端。该模块的功能是确定某个 空间矢量扇区内的定子磁场所对应的两个电压矢量以及零矢量的作用时间，实现方式是将 给定的直轴电压与交轴电压转变成三个比较器计数值，用以与所述PWM生产模块中比较器 的基准值相比较来获得高低电平，进而构成6路PWM开关信号。 作为本专利技术的一种改进，PWM生成模块包括时钟控制单元、三角载波单元、死区时 间设置单元以及PWM产生单元，矢量切换点单元的输出端连接PWM产生单元的输入端，时钟 控制单元与三角载波单元相连，三角载波单元与PWM产生单元相连，死区时间设置单元也 与PWM产生单元相连，时钟控制单元决定三角载波单元上的三角载波的幅值与频率。该模 块的功能是输出6路PWM弱电信号。 在上述无刷直流电机转子位置的在线辨识系统中，无刷直流电机是由三相桥式逆 变器输出三相交流电提供定子磁场以驱动电机运行，可将定子磁场L方向对应的角度称 为给定转子位置角9"f，转子磁场~方向对应的角度称为实际转子位置角Θraal，并假设 摩擦负载导致的定转子磁场之间夹角为θp假定霍尔信号的三个数码从左到右分别表示 Hc、Hb、Ha，并且霍尔信号的高电平用"1"表示，低电平用"0"表示，于是一个完整的360° 电周期共有6种霍尔信号组合001、011、01本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无刷直流电机转子位置的在线辨识系统，其特征在于：包括直流电压源、功率管驱动电路、三相桥式逆变器、起动控制器、位置辨识器和无刷直流电机，所述直流电压源和所述功率管驱动电路的输出端连接所述三相桥式逆变器的输入端，所述起动控制器的输出端连接所述功率管驱动电路的输入端，所述三相桥式逆变器的输出端连接所述无刷直流电机，所述无刷直流电机内部的霍尔传感器连接所述位置辨识器的输入端；所述起动控制器包括初始位置给定模块、定位时间给定模块、位置极限给定模块、位置周期给定模块、锯齿波产生模块、转向给定模块、直轴电压给定模块、交轴电压给定模块、SVPWM模块、PWM生成模块，所述初始位置给定模块、定位时间给定模块、位置极限给定模块和位置周期给定模块均连接至所述锯齿波产生模块的输入端，所述锯齿波产生模块的输出端连接所述SVPWM模块和位置辨识器的输入端，所述直轴电压给定模块和交轴电压给定模块均连接所述SVPWM模块的输入端，所述SVPWM模块的输出端连接所述PWM生成模块的输入端，所述PWM生成模块的输出端连接所述功率管驱动电路的输入端，所述转向给定模块连接交轴电压给定模块和位置辨识器的输入端。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘峰，薛祖播，左月飞，
申请(专利权)人：南京快轮智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32