无刷直流电机位置检测方法技术

本发明专利技术公开了一种无刷直流电机位置检测方法，采用三段式启动电机，使电机运行至预定转速范围内；根据电机所处扇区信息，控制逆变器不同桥臂的功率管进行工作；当保持t＝d*Ts后，关闭A相上桥臂开关管，保持B相下桥臂开通。保持死区时间；死区时间结束后，在电枢绕组续流期间，开通续流电流所流经的功率管以保证中性点电压为零；通过电压传感器采集C相端电压，根据检测的电压值判断电机是否到达预期的位置。本发明专利技术采用同步整流调制方法，有效消除二极管导通压降对位置检测带来的误差，能有效避免直接反电势法在电机轻载时存在的失效情况，大幅减小了逆变器的损耗，提高了系统的效率。

Position detection of Brushless DC motor

The invention discloses a position detection method for brushless DC motor, which uses three-stage starting motor to make the motor run to a predetermined speed range; controls the power transistors of different bridge arms of the inverter to work according to the sector information of the motor; closes the A-phase bridge arm switch tube after holding t=d*Ts, and keeps the B-phase bridge arm open. Let's go. Keep the dead time; after the dead time is over, turn on the power transistor through which the current flows during the armature winding to ensure that the neutral voltage is zero; collect the C-phase voltage through the voltage sensor, judge whether the motor reaches the desired position according to the detected voltage value. The invention adopts synchronous rectification modulation method, effectively eliminates the error caused by diode conduction voltage drop to position detection, effectively avoids the failure of direct back EMF method when the motor is under light load, greatly reduces the loss of the inverter, and improves the efficiency of the system.

【技术实现步骤摘要】
无刷直流电机位置检测方法
本专利技术涉及电机位置检测，具体涉及一种无刷直流电机位置检测方法。
技术介绍
电动工具种类繁多，包括很多风机类电动工具，如风扇，增压泵，割草机等。此类工具在低速时负载较小，全速域中没有明显的负载突变，这为无位置传感器控制策略的使用提供了可行性。直接反电势法的硬件电路简单，不需要引出电机三相中性点，不需要构建模拟中性点。同时，可以不用考虑低通滤波器带来的相移影响，避免了补偿算法的设计，故十分适用于电动工具应用场合的无刷直流电机驱动。同时，此方法不需要准确的电机参数，故适用于大批量生产制造的低成本电机和器件。现有的直接反电势检测电机位置的方法在低母线电压的直流无刷电机驱动系统中，存在多种问题，直接反电势法在实际运行中存在的检测误差和失效情形。在电机驱动中引入同步整流技术，即在电枢绕组续流期间，开通续流电流所流经的功率管。此技术以功率管的导通沟道代替二极管实现续流，达到了利用较小的导通电阻压降来替代二极管的导通压降的效果。此方法常在低压大电流的功率电路中用来降低开关管的通态损耗，提高系统效率。除此之外，这种引入以功率开关管的导通沟道来替代二极管进行反向续流的方法可以解决直接反电势法所存在的问题。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种无刷直流电机位置检测方法，解决现有检测电机位置方法误差大，容易失效，损耗大的问题。技术方案：本专利技术所述的无刷直流电机位置检测方法，包括以下步骤：(1)采用三段式启动电机，使电机运行至预定转速范围内；(2)控制器根据电机所处扇区信息，控制逆变器不同桥臂的功率管进行工作使电机按照给定方向运行；(3)当步骤(2)的状态保持时间t后，其中时间t＝d×Ts，d为占空比，Ts为调制周期，关闭A相上桥臂开关管，保持B相下桥臂开通，保持此状态即保持死区时间Td；(4)死区时间结束后，在电枢绕组续流期间，开通续流电流所流经的功率管以保证中性点电压为零，开通A相下桥臂开关管，B相下桥臂开关管；(5)通过电压传感器采集C相绕组的端电压，根据检测的电压值正负变换情况获取电机位置信息。其中，所述步骤(1)中三段式启动包括位置初始预定位、位置开环加速和位置闭环三个过程。所述步骤(2)中通过控制功率管的开关顺序来控制电机的运行方向。所述步骤(3)中死区时间预设为5微秒。所述步骤(5)中控制器通过逆变器上安装的电压传感器采集C相绕组的端电压。有益效果：本专利技术采用同步整流调制方法，有效消除二极管导通压降对位置检测带来的误差，能有效避免直接反电势法在电机轻载时存在的失效情况，大幅减小了逆变器的损耗，提高了系统的效率。附图说明图1为本专利技术的流程示意图；图2为采用同步整流调制时续流等效电路；图3为同步整流调制下的开关驱动信号；图4为常规导通扇区和开关管对应关系示意图；图5中(a)为同步整流调制下的绕组端电压与驱动信号的主要波形示意图，(b)为同步整流调制下的端电压波形局部放大的主要波形；图5为本专利技术的回馈制动流程示意图；图6为同步整流调制下调制相端电压和绕组电流波形示意图；图7为采用同步整流前后的逆变器损耗比较示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明。如图1所示，无刷直流电机位置检测方法，包括以下步骤：(1)对于以全桥结构逆变器驱动的三相星形连接无刷直流电机，通过三段式启动措施，将电机运行至可检测速度范围内，并记录切换状态时的电机所处扇区信息。三段式启动过程包括了位置初始预定位、位置开环加速和位置闭环三个过程。本实施方式里采用的实验样机点击的额定转速为3000转每分钟，初始定位方式采用了磁链固定法，即开通A相上桥臂和B相下桥臂开通，并保持0.1s；开环加速采用恒流升频模式，电机绕组电流限定值选取为额定电流值，；当电机运行至300转每分钟后，控制器控制系统切换至位置闭环运行状态。(2)根据电机所处扇区信息，控制器控制逆变器不同桥臂的功率管进行工作；只有当功率管导通顺序与点击绕组反电势满足一定逻辑关系时，电机才能良好地依据所需方向运行。扇区划分与电机绕组反电势对应关系如图4所示。以电机在扇区一工作为例，根据图4的逻辑关系图，开启A相上桥臂开关管和B相下桥臂开关管。保持此状态一定时间t＝d*Ts。其中d为控制电机采用的脉宽调制占空比，Ts为脉宽调制周期。(整个系统运行期间，Ts为定值；占空比d则由控制器控制，会时刻变化)(3)当步骤2保持t＝d*Ts后，控制器将控制逆变器关闭A相上桥臂开关管，保持B相下桥臂开通。此状态将持续一定时间Td。其中Td为死区时间。死区的设置可以避免桥臂直通情况，防止短路产生大电流损坏器件。MOSFET的开通和关断并非瞬间完成，而处理器发出信号到驱动产生动作同样有着延迟时间，这都可能导致单相上下桥臂均导通。为了防止桥臂直通而产生的短路电流损毁器件，需要添加一定的死区时间。死区时间数值的设置与系统驱动电路设计和开关管的选型有关。一般根据其最大的信号延迟时间加上关断延时后留一定裕量设置其死区时间。电机的开关频率往往选择在10K附近，而MOSFET的开关速度又比较快，所以死区时间的增设并不影响过多的占空比选择。(4)当死区时间结束后，驱动器将控制逆变器以同步整流方式进行脉宽调制，即在电枢绕组续流期间，控制器控制逆变器开通电机电流续流所经的功率管以保证中性点电压为零。如果中性点电压不为零，会导致检测信号不准确，无法进行精准的换相，影响电机运行性能。延续步骤2所举情形，此时刻控制器会发出信号，控制逆变器开通A相下桥臂的开关管，B相下桥臂开关管。通过这种开关方式，可以保证中性点电压为零，以满足检测电机位置条件。(5)控制器通过逆变器上安装的电压传感器采集C相绕组的端电压。控制器根据检测到的电压值可以判断电机是否到达预期的位置。具体判断过程如下：若C相端电压在连续两次判断中，分别为正和负两种情况，则判断为电压信号恰好过零。可认定此时电机转子所处位置为该扇区的中间位置，即为图4所标明的30°电角度处，并进行步骤6。若C相端电压始终保持正值或负值，则判断为电压未过零，或已经过零，并跳至步骤7。当A相上桥臂的开关管关闭时，绕组电流进入续流状态，电感电流经A相下桥臂的体二极管后从B相下桥臂流入GND。若在A相上桥臂关断后，开通其下桥臂的MOSFET进行续流，那么由于其导通压降小于体二极管的正向导通压降，故电流将大部分流经MOSFET。此现象与开关电源中常用的同步整流调制相似，均是以功率管的导通沟道来替代二极管进行续流，以较小的沟道通态电压来替代二极管的导通压降。通过此调制方式，其续流期间的等效电路图1所示。在续流期间A相端电压幅值为：Ua＝-Ia·Rds_on；B相端电压幅值为：Ub＝-Ib·Rds_on。代入BLDC的电压方程，又因Ia＝-Ib，Ea＝-Eb，可得：Un＝0。其中，Ua为a相相电压，Ia和Ib分别为a相和b相的相电流，Rdson为功率管通态电，Ea和Eb分别为a相和b相相电压，Un为中性点电压。由于AB两相续流通路对称，在参数相同的情况下，可以保证中性点电压保持为零，而不受二极管正向压降等参数影响。整个周期的调制方式如图2所示。(6)控制器根据电机上一时刻的转速，可以估算电机电周期。取电周期的十二分之一设置换相计时器，并开始计时。这是由于通过此位置检本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无刷直流电机位置检测方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)采用三段式启动电机，使电机运行至预定转速范围内；(2)控制器根据电机所处扇区信息，控制逆变器不同桥臂的功率管进行工作使电机按照给定方向运行；(3)当步骤(2)的状态保持时间t后，其中时间t＝d×Ts，d为占空比，Ts为调制周期，关闭A相上桥臂开关管，保持B相下桥臂开通，保持此状态即保持死区时间Td；(4)死区时间结束后，在电枢绕组续流期间，开通续流电流所流经的功率管以保证中性点电压为零，开通A相下桥臂开关管，B相下桥臂开关管；(5)通过电压传感器采集C相绕组的端电压，根据检测的电压值正负变换情况获取电机位置信息。

【技术特征摘要】
1.一种无刷直流电机位置检测方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)采用三段式启动电机，使电机运行至预定转速范围内；(2)控制器根据电机所处扇区信息，控制逆变器不同桥臂的功率管进行工作使电机按照给定方向运行；(3)当步骤(2)的状态保持时间t后，其中时间t＝d×Ts，d为占空比，Ts为调制周期，关闭A相上桥臂开关管，保持B相下桥臂开通，保持此状态即保持死区时间Td；(4)死区时间结束后，在电枢绕组续流期间，开通续流电流所流经的功率管以保证中性点电压为零，开通A相下桥臂开关管，B相下桥臂开关管；(5)通过电压传感器采集C相绕组的端电压，根...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱平，谢敏求，江驹，文成馀，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32