CN102820840A

CN102820840A - 一种直流无刷电机电流采样的方法

Info

Publication number: CN102820840A
Application number: CN2011101547619A
Authority: CN
Inventors: 蒋志宏; 杨健; 李丹凤; 李辉; 黄强
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2011-06-10
Filing date: 2011-06-10
Publication date: 2012-12-12

Abstract

本发明公开了一种直流无刷电机的电流采样方法，通过利用增量码盘确定电机的空间位置。在电机上电启动后，待增量式光电码盘找到其零位，利用光电码盘来确定电机的位置信息，同时霍尔传感器停止使用。由于采用两相导通三相六状态方式，在任意时刻，不导通的一相绕组相电流为零，导通的两相绕组相电流大小相等，方向相反。这样在电机换相时，就可以采样另一导通相的电流，避开电机换相点处的电流的波动，从而实时保证电机电流采样的准确，保证电机控制的精度。

Description

一种直流无刷电机电流采样的方法

技术领域

本发明专利涉及一种直流无刷电机的电流采样方法，方法简单，精度高。

背景技术

相对于直流有刷电机，无刷直流电机取消了电刷和换向器间的滑动接触，因此具有结构简单、调速特性好、无换向火花、效率高、寿命长、运行可靠、维护简便等优点，其应用越来越广泛。

直流无刷电机的主要组成部分由电动机本体、位置传感器与电子开关等3部分组成。为了拖动转子旋转，需要依靠转子位置传感器检测出转子的位置信号，通过换相驱动电路驱动与电枢绕组连接的各功率开关器件的导通与关断，从而控制定子绕组的通电，在定子上产生旋转的磁场。随着转子的转动，位置传感器不断地送出信号，以改变电枢的通电状态，使得在同一磁极下的导体中的电流方向不变，电机能以恒定的转矩旋转。

为了提高电压利用率，直流无刷电机通常采用三相全控式电路，如图1所示。六个功率开关器件控制各相绕组的导通与关断。通常采用两两导通的方式，每一瞬时有两个功率开关器件导通，每隔1/6周期(60°电角度)换相一次，每次换相一个功率开关器件，每一功率开关器件导通120°电角度。当电机顺时针转动时，各功率开关器件的导通顺序为V1V2→V2V3→V3V4→V4V5→V5V6→V6V1...；当电机逆时针转动时，各功率开关器件的导通顺序为V3V4→V4V5→V5V6→V6V1→V1V2→V2V3...。

通常无刷电机的位置传感器采用霍尔传感器，它对环境适应性很强，成本低廉，但精度不高。为了检测电机的速度或者位置信息，通常也采用增量式光电码盘作为位置传感器。但是，由于增量式光电码盘不能输出电机的绝对位置，上电时无法找到零位，不能确定转子的初始位置，因此需要利用霍尔传感器来启动电机，并利用霍尔信号和增量码盘信号来确定电机转子磁极的空间位置。

通常电机的闭环控制采用位置环、速度环和电流环三闭环控制，位置环的输出作为速度环的参考值，速度环的输出作为电流环的参考值，然后该参考值与电流采样值进行比较，利用电流PI调节确定功率开关器件导通的占空比，最后根据位置信号和电流指令值来确定直流无刷电机定子绕组控制逻辑，输出相应的PWM波形，使得转子按照控制的要求运行。在对电机进行电流采样时通常用位于桥式逆变器低电压端与地之间的分压电阻R来检测主回路上的电流或者采用三个电阻来采样三相绕组的电流。但是在换相过程中由于绕组电感等因素的影响，造成换相时电流波动，如果此时采样电流来控制电机就会造成电机振动，闭环控制精度低。因此在电流采样时就要避开电机换相造成的电流波动，但是对于采用霍尔传感器作为位置检测元件的电机来说，无法确定电机在任意空间的位置信息，因此就不能掌握好电流采样的时机，电机控制精度低。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明实施例提供一种简单、准确的电流采样方法，以解决现有技术的问题。

一种直流无刷电机的电流采样方法，所述直流无刷电机的闭环控制采用位置环、速度环和电流环三闭环控制，位置环的输出作为速度环的参考值，速度环的输出作为电流环的参考值，然后该参考值与电流采样值进行比较，利用电流PI调节确定功率开关器件导通的占空比，最后根据位置信号和电流指令值来确定直流无刷电机定子绕组控制逻辑，输出相应的PWM波形，使得转子按照控制的要求运行；所述方法包括以下步骤：

电机上电启动；

利用霍尔传感器和增量码盘检测电机转子磁极的空间位置，随后霍尔传感器停止使用；

利用增量码盘判断电机换相时的位置信息，根据所述位置信息进行电流采样，以使得电流采样时避开电机换相造成的电流波动。

优选地，所述直流无刷电机采用两相导通三相六状态方式，在任意时刻，不导通的一相绕组相电流为零，导通的两相绕组相电流大小相等，方向相反；这样在电机换相时，采样另一导通相的电流，而避开电机换相点处的电流的波动。

优选地，所述电流采样是采用母线电流采样的方法，即通过检测母线电流的大小来确定相电流的大小，实现闭环控制。

优选地，还包括根据给定母线电流指令值的正负，采用不同的功率开关器件导通顺序来实现电机的正反转。

优选地，利用不同区间采样不同的相电流得出母线电流反馈值的正负，再与电流指令值比较，进而可以计算出PWM的占空比大小，最终实现电机的正反转。

优选地，当电机运行在轻载或空载情况下，通过采样多个电流值求均值进行电流采样。

优选地，电机高速运行时电流采样的频率高于电机低速运行时电流采样的频率。

附图说明

图1是本发明所用的直流无刷电机的控制系统示意图：

图2是直流无刷电机三闭环控制系统框图；

图3是直流无刷电机相电流采样的流程图；

图4是直流无刷电机顺时针转动时三相电流的示意图；

图5是直流无刷电机逆时针转动时三相电流的示意图；

图6是直流无刷电机空载或轻载时相电流；

图7是均值处理后的直流无刷电机空载相电流。

图中各附图标记的含义如下

M为直流无刷电机，V1、V2、V3、V4、V5、V6为控制电机换相的6个功率开关器件，VCC为直流电源。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

图1为直流无刷电机控制系统的总体框图，直流无刷电机M的位置信号由霍尔传感器和增量码盘检测出，转变成驱动6个MOS管的驱动信号驱动电机旋转。

图3为直流无刷电机电流采样的流程图，无刷电机上电后利用霍尔信号启动电机。待增量码盘找到Z脉冲后，就可以利用霍尔传感器和增量码盘确定出电机的六个工作区间。如图4所示，码盘找到Z脉冲之后，清零码盘的脉冲数。假设所用电机为一对极，码盘为N线，电机转到a点位置时，电角度为30°，记下此时的脉冲数为M₁，电机转到b点位置时，电角度为150°，记下此时的脉冲数M₂，依此类推，这样就可以将电机在360°空间内的六个工作区间都能确定出来，此后电机由增量码盘来定位，而霍尔传感器可以停止使用。

由于绕组电感等因素的影响，电机在c点处换相过程中，电流并不是理想的方波，而是如图4中所示存在一定的波动。因此，电流在c点左右采样时就会造成采样电流不准确，电机控制精度低。本发明采用换相点处换相电流采样的方法，首先利用增量码盘人为的划定一个区间，如图4中的(b，d)区间，记下b点处的脉冲数为N₁，d点的脉冲数为N₂。在b点之前和d点之后，电流平稳光滑，此时就采样A相电流作为采样电流；而在(b，c)区间内，此时A、B两相导通，两相电流大小相等，方向相反，但是B相的电流更平滑，因此在此区间时采样B相电流作为采样电流；同理，在(c，d)区间内，A、C相导通，两相电流同样大小相等，方向相反，因此在此区间采样C相电流作为采样电流。这样就避开了在换相过程中电流波动所造成的影响，采样的电流平滑，控制精度高。

由于电机采用两相导通的方式，如图1所示，当A、B两相导通时，直流电源产生的电流通过功率开关器件V1、A相绕组、B相绕组、功率开关器件V6和采样电阻R流通，可见母线电流的大小等于相电流的大小，其他相导通一样。因此，为了避开换相点，还可以采用母线电流采样的方法控制电机。为了能通过控制母线电流指令值的正负来控制电机正反转，规定：要使电机顺时针转动，母线电流指令值I_dc ^*＞0，要使电机逆时针转动，母线电流指令值为I_dc ^*＜0。但是电机在向反方向转动时，中间有一个过渡过程，在这个过程中改变功率开关器件导通顺序，电机无法实现反方向旋转，因此本发明通过检测相电流的正负来确定电机当前的运行状态。检测方法如下：如图4、图5所示，电机两两导通，每一相导通120°电角度，因此在30°-150°电角度范围内检测A相电流，如果I_A＞0，则电机顺时针转动，同时若I_dc ^*＜0，则母线电流的反馈值为I＝-I_dc；如果I_A＜0，则电机逆时针转动，同时若I_dc ^*＞0，则母线电流的反馈值为I＝I_dc(其中I_dc为母线电流采样值)。同理，在150°-270°电角度范围内检测B相电流，在270°-390°电角度范围内，检测C相电流。当检测到电机状态改变后，就可以改变功率开关器件的导通顺序，实现电机的反向转动。

当电机运行在轻载或空载情况下，电流波动较大，采用的方法是：在功率管开通的120°区间里，通过采样多个电流值求均值。当绕组导通后，如图6所示，从a点开始，顺次的采样一定数量的电流值，存到数组Pha_Cur[Num]里，在绕组关断点b点结束，计算这120°区间内Num个采样电流的平均值Pha_Cur_Ave作为这一区间的相电流大小：

Pha_Cur_Ave＝(Pha_Cur[1]+Pha_Cur[2]+...+Pha_Cur[Num])/Num

仿真后的效果如图7所示，可见经过处理后的电流平滑，采样此电流控制电机，电机就会平稳的运行。此外，电机在高速和低速时，电流变化不同，低速时功率管切换频率低，电流变化周期长，反之，高速时，功率管切换频率高，电流周期短。因此，在高低转速时，要采取不同的采样频率，高速时，采样频率要高，低速时采样频率可以低，二者成同方向变化，即：

Ferequency_of_Sampling＝K*Speed_of_Motor

K为比例系数，通过设置不同的K可以改变电机在高低转速时的电流采样频率大小，这样通过均值处理后的电流才能真实的反应出电机的电流大小。

以上所述仅为本发明的几种具体实施例，以上实施例仅用于对本发明的技术方案和发明构思做说明而非限制本发明的权利要求范围。凡本技术领域中技术人员在本专利的发明构思基础上结合现有技术，通过逻辑分析、推理或有限实验可以得到的其他技术方案，也应该被认为落在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims

1.一种直流无刷电机的电流采样方法，所述直流无刷电机的闭环控制采用位置环、速度环和电流环三闭环控制，位置环的输出作为速度环的参考值，速度环的输出作为电流环的参考值，然后该参考值与电流采样值进行比较，利用电流PI调节确定功率开关器件导通的占空比，最后根据位置信号和电流指令值来确定直流无刷电机定子绕组控制逻辑，输出相应的PWM波形，使得转子按照控制的要求运行；所述方法包括以下步骤：

电机上电启动；

利用增量码盘判断电机换相时的位置信息，根据所述位置信息控制电流采样的时机，以使得电流采样时避开电机换相造成的电流波动。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述直流无刷电机采用两相导通三相六状态方式，在任意时刻，不导通的一相绕组相电流为零，导通的两相绕组相电流大小相等，方向相反；所述电流采样通过在电机换相时，采样另一导通相的电流，而避开电机换相点处的电流的波动。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电流采样是采用母线电流采样的方法，即通过检测母线电流的大小来确定相电流的大小，实现闭环控制。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括根据给定母线电流指令值的正负，采用不同的功率开关器件导通顺序来实现电机的正反转。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，利用不同区间采样不同的相电流得出母线电流反馈值的正负，再与电流指令值比较，进而可以计算出PWM的占空比大小，最终实现电机的正反转。

6.根据权利要求1-5之一所述的方法，其特征在于，当电机运行在轻载或空载情况下，通过采样多个电流值求均值进行电流采样。

7.根据权利要求1-5之一所述的方法，其特征在于，电机高速运行时电流采样的频率高于电机低速运行时电流采样的频率。