專(zhuān)利名稱(chēng)：一種無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)傳感器線(xiàn)反電勢(shì)位置檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)傳感器線(xiàn)反電勢(shì)位置檢測(cè)方法，尤其適用于航天 用控制力矩陀螺產(chǎn)品高速三相無(wú)刷直流電機(jī)的位置檢測(cè)。
背景技術(shù)：
控制力矩陀螺是航天器重要執(zhí)行部件之一，主要應(yīng)用于大型航天器的姿態(tài)控制以 及中小型航天器的快速機(jī)動(dòng)，具有廣闊的發(fā)展前景。作為姿控系統(tǒng)的關(guān)鍵執(zhí)行部件，進(jìn)一步 提高控制力矩陀螺產(chǎn)品的可靠性具有重要意義。控制力矩陀螺的高速轉(zhuǎn)子使用無(wú)刷直流 電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，無(wú)刷直流電機(jī)需要根據(jù)轉(zhuǎn)子位置對(duì)電機(jī)繞組電流實(shí)施換相控制。目前產(chǎn)品 中通過(guò)位置傳感器來(lái)得到轉(zhuǎn)子的位置信息。無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)傳感器位置檢測(cè)方法，是指在 電機(jī)控制系統(tǒng)中，利用繞組中的相關(guān)變量如定子電流、定子電壓等估算出轉(zhuǎn)子的位置和速 度，取代位置傳感器，實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)的控制。使用無(wú)位置傳感器位置檢測(cè)技術(shù)將帶來(lái)如 下的優(yōu)勢(shì)減少本體導(dǎo)電環(huán)環(huán)數(shù)，提高整機(jī)可靠性；降低電機(jī)本體的復(fù)雜度，減少引線(xiàn)，簡(jiǎn) 化電機(jī)的制造工藝，提高可靠性；不受惡劣外部環(huán)境影響，使得電機(jī)適用于惡劣外部環(huán)境條 件；解決了由于位置傳感器安裝精度帶來(lái)的換相誤差問(wèn)題；降低電機(jī)制造成本。在國(guó)外，俄羅斯的控制力矩陀螺高速電機(jī)采用了無(wú)位置傳感器控制技術(shù)，美國(guó) NASA的儲(chǔ)能飛輪也采用了無(wú)位置傳感器控制技術(shù)，均取得了較好的控制效果。目前國(guó)內(nèi)的 控制力矩陀螺產(chǎn)品中，無(wú)位置傳感器控制技術(shù)還未有應(yīng)用。將無(wú)位置傳感器控制技術(shù)應(yīng)用 于控制力矩陀螺產(chǎn)品，不僅能夠保證高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)線(xiàn)路的控制精度，更將使控制力矩陀螺 在本體復(fù)雜度、制造工藝、成本等方面得到很大改善，對(duì)于提高產(chǎn)品可靠性具有重要意義。無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)傳感器位置檢測(cè)技術(shù)已有六十余年的研究歷史，期間出現(xiàn)了多種 位置檢測(cè)方法，然而，在已發(fā)表的文獻(xiàn)中，位置檢測(cè)算法研究多是針對(duì)三相六拍全橋驅(qū)動(dòng)的 無(wú)刷直流電機(jī)，還未有針對(duì)半橋驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)的位置檢測(cè)方法。半橋驅(qū)動(dòng)電路相對(duì)全 橋驅(qū)動(dòng)電路需要的功率器件少、體積小、功耗低、可靠性高，在航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 無(wú)刷直流電機(jī)工作時(shí)，換相過(guò)程會(huì)使得三相繞組端電壓產(chǎn)生大的電壓尖峰干擾，導(dǎo)致線(xiàn)反 電勢(shì)檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生電壓尖峰干擾，進(jìn)而導(dǎo)致檢測(cè)到的位置信號(hào)產(chǎn)生錯(cuò)誤位置信息，對(duì)于此 問(wèn)題，傳統(tǒng)位置檢測(cè)方法中大多采用濾波器濾掉換相干擾，但濾波器帶入的延時(shí)會(huì)影響位 置檢測(cè)精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)傳感 器線(xiàn)反電勢(shì)位置檢測(cè)方法，解決了使用半橋電路驅(qū)動(dòng)的無(wú)刷直流電機(jī)的位置檢測(cè)問(wèn)題，避 免了由使用濾波器導(dǎo)致的位置檢測(cè)誤差問(wèn)題。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)傳感器線(xiàn)反電勢(shì)位置檢測(cè)方法， 包括線(xiàn)反電勢(shì)檢測(cè)信號(hào)過(guò)零比較步驟和線(xiàn)反電勢(shì)位置檢測(cè)信號(hào)解調(diào)步驟；所述線(xiàn)反電勢(shì)檢測(cè)信號(hào)過(guò)零比較步驟為將半橋驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)的三相繞組端電壓兩兩差分，得到三個(gè)線(xiàn)反電勢(shì)eab、ebc, e。a，三個(gè)線(xiàn)反電勢(shì)eab、ebc, eca分別通過(guò)三個(gè)過(guò)零 比較器進(jìn)行過(guò)零比較，當(dāng)某個(gè)線(xiàn)反電勢(shì)大于等于零時(shí)，則過(guò)零比較器的輸出端輸出高電平 的線(xiàn)反電勢(shì)位置檢測(cè)信號(hào)，否則輸出低電平的線(xiàn)反電勢(shì)位置檢測(cè)信號(hào)，三個(gè)過(guò)零比較器輸 出的三個(gè)線(xiàn)反電勢(shì)位置檢測(cè)信號(hào)分別記作HALL_A、HALL_B> HALL_C ；其中 b為A、B相線(xiàn)反電勢(shì)，ebc為B、C相線(xiàn)反電勢(shì)，eca為C、A相線(xiàn)反電勢(shì)，HALL_ A為A相線(xiàn)反電勢(shì)位置檢測(cè)信號(hào)，HALL_B為B相線(xiàn)反電勢(shì)位置檢測(cè)信號(hào)，HALL_C為C相線(xiàn) 反電勢(shì)位置檢測(cè)信號(hào)；所述線(xiàn)反電勢(shì)位置檢測(cè)信號(hào)解調(diào)步驟為(1)對(duì)三個(gè)線(xiàn)反電勢(shì)位置檢測(cè)信號(hào)HALL_A、HALL_B> HALL_C分別利用A相上升沿 脈沖生成電路、B相上升沿脈沖生成電路、C相上升沿脈沖生成電路進(jìn)行上升沿判斷，生成 三個(gè)上升沿監(jiān)測(cè)信號(hào)pulse_a、pulse_b和pulse_C，當(dāng)某相的線(xiàn)反電勢(shì)位置檢測(cè)信號(hào)有上 升沿發(fā)生時(shí)，則由該相的上升沿脈沖生成電路產(chǎn)生寬度為us級(jí)的低電平脈沖，否則該相的 上升沿脈沖生成電路產(chǎn)生高電平的上升沿監(jiān)測(cè)信號(hào)；其中pulse_a為A相上升沿監(jiān)測(cè)信號(hào)，pulse_b為B相上升沿監(jiān)測(cè)信號(hào)，pulse_c 為C相上升沿監(jiān)測(cè)信號(hào)；(2)將三個(gè)線(xiàn)反電勢(shì)位置檢測(cè)信號(hào)HALL_A、HALL_B> HALL_C分別送入A相采樣/ 保持器、B相采樣/保持器、C相采樣/保持器；其中任意一相的采樣/保持器的采樣或保 持狀態(tài)由另外兩相的上升沿監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行控制，當(dāng)另外兩相的上升沿監(jiān)測(cè)信號(hào)中任何一個(gè) 出現(xiàn)us級(jí)的低電平脈沖時(shí)，則該相采樣/保持器工作在保持狀態(tài)，反之，該相采樣/保持器 工作在采樣狀態(tài)；(3)三相采樣/保持器根據(jù)各自的采樣狀態(tài)或保持狀態(tài)輸出三相位置信號(hào)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明通過(guò)對(duì)位置檢測(cè)信號(hào)先進(jìn)行過(guò)零比 較，輸出三個(gè)監(jiān)測(cè)信號(hào)，利用三個(gè)監(jiān)測(cè)信號(hào)控制三相采樣/保持器的工作狀態(tài)，利用該方法 能夠去除在任意兩相換相過(guò)程中為其余一相造成的干擾，從而避免了濾波器的使用，同時(shí) 不會(huì)帶入延時(shí)，提高了檢測(cè)精度，相比其他反電勢(shì)檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，本發(fā)明無(wú)需進(jìn)行電角 度移相運(yùn)算。


圖1為本發(fā)明半橋驅(qū)動(dòng)電路組成示意圖；圖2為本發(fā)明線(xiàn)反電勢(shì)位置檢測(cè)流程圖；圖3為本發(fā)明線(xiàn)反電勢(shì)位置檢測(cè)實(shí)現(xiàn)原理圖；圖4為本發(fā)明A相位置信號(hào)解調(diào)過(guò)程示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。圖1為帶有電壓斬波器的半橋驅(qū)動(dòng)電路，其中，Vp為功率電源，Up為電壓斬波器輸 出的控制電壓，a、b、c分別為無(wú)刷直流電機(jī)A、B、C三相繞組，uag, ubg, Ucg分別為A、B、C三 相輸出的端電壓，r為繞組電阻。本發(fā)明中的半橋驅(qū)動(dòng)電路在功率電源端加入了電壓斬波 器，通過(guò)控制供給三相繞組的電壓進(jìn)行電流控制，電壓斬波器內(nèi)部采用PWM調(diào)制，經(jīng)過(guò)濾波處理后輸出控制電壓，PWM開(kāi)關(guān)干擾通過(guò)斬波器內(nèi)部濾除掉，不會(huì)位置檢測(cè)造成干擾。相對(duì) 全橋驅(qū)動(dòng)電路的無(wú)刷直流電機(jī)的線(xiàn)反電勢(shì)位置檢測(cè)法，本發(fā)明無(wú)需考慮PWM調(diào)制對(duì)位置檢 測(cè)的影響，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。該驅(qū)動(dòng)電路任意一個(gè)時(shí)刻只有一相導(dǎo)通，當(dāng)某一相導(dǎo)通時(shí)，另外兩個(gè)非導(dǎo)通相之 間的線(xiàn)電壓即為兩個(gè)非導(dǎo)通相之間的線(xiàn)反電勢(shì)。當(dāng)A相導(dǎo)通，B、C相懸空時(shí)B相反電勢(shì)信號(hào)q = up-ubg, C相反電勢(shì)信號(hào)e。= Up-Uc;g?？梢缘玫紹、C相線(xiàn)反電 勢(shì)信號(hào) eb。= Ucg-Ubg0當(dāng)B相導(dǎo)通，C、A相懸空時(shí)C相反電勢(shì)信號(hào)e。= up_u。g，A相反電勢(shì)信號(hào)ea = up_i^g?？梢缘玫紺、A相線(xiàn)反電 勢(shì)信號(hào) e。a = Uag-Uc^當(dāng)C相導(dǎo)通，A、B相懸空時(shí)A相反電勢(shì)信號(hào)ea = up_uag，B相反電勢(shì)信號(hào)q = Up-Ubg0可以得到A、B相線(xiàn)反電 勢(shì)信號(hào) eab = Ubg-I^g。如圖2所示，本發(fā)明的檢測(cè)方法主要包括線(xiàn)反電勢(shì)過(guò)零比較和位置檢測(cè)信號(hào)解調(diào) 兩個(gè)個(gè)步驟。本實(shí)例中無(wú)刷直流電機(jī)為三相八對(duì)極，額定工作轉(zhuǎn)速為7000rpm。如圖3所示，三相反電勢(shì)過(guò)零比較的方法為三個(gè)線(xiàn)反電勢(shì)信號(hào)e。a、eabAb。分別送 入三個(gè)過(guò)零比較器，當(dāng)線(xiàn)反電勢(shì)檢測(cè)信號(hào)大于等于零時(shí)，輸出+5V高電平的位置檢測(cè)信號(hào)， 反之輸出OV低電平的位置檢測(cè)信號(hào)。通過(guò)過(guò)零比較器得到的三個(gè)反電勢(shì)位置檢測(cè)信號(hào)，分 別記作 HALL_A、HALL_B> HALL_C。對(duì)過(guò)零比較輸出的位置信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)解調(diào)的過(guò)程為對(duì)三個(gè)線(xiàn)反電勢(shì)的位置檢測(cè) 信號(hào)HALL_A、HALL_B> HALL_C分別利用A相上升沿脈沖生成電路、B相上升沿脈沖生成電 路、C相上升沿脈沖生成電路進(jìn)行上升沿判斷，生成三個(gè)上升沿監(jiān)測(cè)信號(hào)pUlSe_a、pulse_b 和pulSe_C。當(dāng)某相的位置檢測(cè)信號(hào)有上升沿發(fā)生時(shí)，該相上升沿脈沖生成電路產(chǎn)生寬度為 50us的OV低電平脈沖監(jiān)測(cè)信號(hào)，無(wú)上升沿發(fā)生時(shí)，上升沿脈沖生成電路輸出+5V高電平監(jiān) 測(cè)信號(hào)；(2)將三個(gè)線(xiàn)反電勢(shì)的位置檢測(cè)信號(hào)HALL_A、HALL_B> HALL_C分別送入三個(gè)采樣 /保持器，A相采樣/保持器、B相采樣/保持器、C相采樣/保持器。( A相采樣/保持器的采樣或者保持狀態(tài)由B、C兩相的上升沿監(jiān)測(cè)信號(hào)pulSe_ b和pulse_c進(jìn)行控制。當(dāng)pulse_b和pulse_c有任何一個(gè)為低電平脈沖時(shí)，采樣/保持 器工作在保持狀態(tài)，反之，采樣/保持器工作在采樣狀態(tài)。實(shí)際上，當(dāng)B相或C相有上升沿 發(fā)生時(shí)，正是B相或C相的換相時(shí)刻，在換相過(guò)程中，A相繞組端電壓會(huì)產(chǎn)生大的電壓尖峰 干擾，導(dǎo)致線(xiàn)反電勢(shì)檢測(cè)信號(hào)％3產(chǎn)生電壓尖峰干擾，進(jìn)而導(dǎo)致A相檢測(cè)到的位置檢測(cè)信號(hào) HALL_A存在錯(cuò)誤信息，如圖4所示，利用pulSe_b和pulse_C控制采樣保持器的動(dòng)作，可分 別使HALL_A在B相和C相換相時(shí)刻A相帶入的錯(cuò)誤信息被屏蔽掉，得到A相正確的位置信 號(hào) hall_a0同理，B相采樣/保持器的采樣或者保持狀態(tài)由A、C兩相的上升沿監(jiān)測(cè)信號(hào) pulse_a* pulse_c進(jìn)行控制。當(dāng)pulse_a* pulse_c有任何一個(gè)為低低電平脈沖時(shí)，采 樣/保持器工作在保持狀態(tài)，反之，采樣/保持器工作在采樣狀態(tài)。B相檢測(cè)到的位置信號(hào)HALL_B在A、C兩相換相時(shí)刻帶入的錯(cuò)誤信息被屏蔽掉，得到B相正確的位置信號(hào)hall_b。C相采樣/保持器的采樣或者保持狀態(tài)由A、B兩相的上升沿監(jiān)測(cè)信號(hào)pulses和 pulse_b進(jìn)行控制。當(dāng)pulsej* pulse_b有任何一個(gè)為低低電平脈沖時(shí)，采樣/保持器工 作在保持狀態(tài)，反之，采樣/保持器工作在采樣狀態(tài)。C相檢測(cè)到的位置信號(hào)HALL_C在A、 B兩相換相時(shí)刻帶入的錯(cuò)誤信息被屏蔽掉，得到C相正確的位置信號(hào)hall_c。(4)采樣/保持器的輸出hall_a、hall_b和hall_c即為檢測(cè)得到的A、B、C三相 位置信號(hào)。本發(fā)明未詳細(xì)描述內(nèi)容為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1. 一種無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)傳感器線(xiàn)反電勢(shì)位置檢測(cè)方法，其特征在于包括線(xiàn)反電勢(shì)檢測(cè) 信號(hào)過(guò)零比較步驟和線(xiàn)反電勢(shì)位置檢測(cè)信號(hào)解調(diào)步驟；所述線(xiàn)反電勢(shì)檢測(cè)信號(hào)過(guò)零比較步驟為將半橋驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)的三相繞組端電壓 兩兩差分，得到三個(gè)線(xiàn)反電勢(shì)eab、ebc, e。a，三個(gè)線(xiàn)反電勢(shì)eab、ebc, eca分別通過(guò)三個(gè)過(guò)零比較 器進(jìn)行過(guò)零比較，當(dāng)某個(gè)線(xiàn)反電勢(shì)大于等于零時(shí)，則過(guò)零比較器的輸出端輸出高電平的線(xiàn) 反電勢(shì)位置檢測(cè)信號(hào)，否則輸出低電平的線(xiàn)反電勢(shì)位置檢測(cè)信號(hào)，三個(gè)過(guò)零比較器輸出的 三個(gè)線(xiàn)反電勢(shì)位置檢測(cè)信號(hào)分別記作HALL_A、HALL_B> HALL_C ；其中為A、B相線(xiàn)反電勢(shì)，ebc為B、C相線(xiàn)反電勢(shì)，eca為C、A相線(xiàn)反電勢(shì)，HALL_A為 A相線(xiàn)反電勢(shì)位置檢測(cè)信號(hào)，HALL_B為B相線(xiàn)反電勢(shì)位置檢測(cè)信號(hào)，HALL_C為C相線(xiàn)反電 勢(shì)位置檢測(cè)信號(hào)；所述線(xiàn)反電勢(shì)位置檢測(cè)信號(hào)解調(diào)步驟為(1)對(duì)三個(gè)線(xiàn)反電勢(shì)位置檢測(cè)信號(hào)HALL_A、HALL_B>HALL_C分別利用A相上升沿脈沖 生成電路、B相上升沿脈沖生成電路、C相上升沿脈沖生成電路進(jìn)行上升沿判斷，生成三個(gè) 上升沿監(jiān)測(cè)信號(hào)pulse_a、pulse_b和pulse_C，當(dāng)某相的線(xiàn)反電勢(shì)位置檢測(cè)信號(hào)有上升沿 發(fā)生時(shí)，則由該相的上升沿脈沖生成電路產(chǎn)生寬度為us級(jí)的低電平脈沖，否則該相的上升 沿脈沖生成電路產(chǎn)生高電平的上升沿監(jiān)測(cè)信號(hào)；其中pulse_a為A相上升沿監(jiān)測(cè)信號(hào)，pulse_b為B相上升沿監(jiān)測(cè)信號(hào)，pulse_c為C 相上升沿監(jiān)測(cè)信號(hào)；(2)將三個(gè)線(xiàn)反電勢(shì)位置檢測(cè)信號(hào)HALL_A、HALL_B>HALL_C分別送入A相采樣/保持 器、B相采樣/保持器、C相采樣/保持器；其中任意一相的采樣/保持器的采樣或保持狀 態(tài)由另外兩相的上升沿監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行控制，當(dāng)另外兩相的上升沿監(jiān)測(cè)信號(hào)中任何一個(gè)出現(xiàn) us級(jí)的低電平脈沖時(shí)，則該相采樣/保持器工作在保持狀態(tài)，反之，該相采樣/保持器工作 在采樣狀態(tài)；(3)三相采樣/保持器根據(jù)各自的采樣狀態(tài)或保持狀態(tài)輸出三相位置信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)傳感器線(xiàn)反電勢(shì)位置檢測(cè)方法，包括線(xiàn)反電勢(shì)檢測(cè)信號(hào)過(guò)零比較步驟和線(xiàn)反電勢(shì)位置檢測(cè)信號(hào)解調(diào)步驟。本發(fā)明通過(guò)對(duì)位置檢測(cè)信號(hào)先進(jìn)行過(guò)零比較，輸出三個(gè)監(jiān)測(cè)信號(hào)，利用三個(gè)監(jiān)測(cè)信號(hào)控制三相采樣/保持器的工作狀態(tài)，利用該方法能夠去除在任意兩相換相過(guò)程中為其余一相造成的干擾，從而避免了濾波器的使用，同時(shí)不會(huì)帶入延時(shí)，提高了檢測(cè)精度，相比其他反電勢(shì)檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，本發(fā)明無(wú)需進(jìn)行電角度移相運(yùn)算。
文檔編號(hào)H02P6/18GK102055392SQ20101061171
公開(kāi)日2011年5月11日 申請(qǐng)日期2010年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月17日
發(fā)明者史梅花, 史永麗, 周大寧, 孫仲華, 張激揚(yáng), 李剛, 翟百臣, 魯明 申請(qǐng)人:北京控制工程研究所