本發(fā)明涉及無位置傳感器的單相直流無刷電機(jī)，尤其涉及一種無位置傳感器的單相直流無刷電機(jī)的啟動(dòng)方法。

背景技術(shù)：

單相無刷直流電動(dòng)機(jī)是一種無電刷和換向器的直流電動(dòng)機(jī)，采用勵(lì)磁磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子，通過電子方式進(jìn)行直流電的換向。換向時(shí)間由轉(zhuǎn)子位置決定，而位置傳感器是確定轉(zhuǎn)子位置的主要部件。由于有位置傳感器存在，電機(jī)工作受制于位置傳感器，位置傳感器安裝位置會(huì)影響電機(jī)運(yùn)行參數(shù)，如電流、速度、輸出功率、效率等，同時(shí)若安裝位置偏差較大，則會(huì)導(dǎo)致電機(jī)無法啟動(dòng)、高頻振動(dòng)情況，甚至出現(xiàn)損毀電機(jī)或控制系統(tǒng)。采用無位置傳感器技術(shù)則不存在上述問題，同時(shí)無位置傳感器能簡化電機(jī)制造、生產(chǎn)制程，并且增大了電機(jī)應(yīng)用范圍等。但是現(xiàn)有技術(shù)尚不能解決無位置傳感器的單向直流無刷電機(jī)的啟動(dòng)問題。本申請(qǐng)對(duì)此作出改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種無位置傳感器的單相直流無刷電機(jī)的啟動(dòng)方法，解決無位置傳感器的單向直流無刷電機(jī)的啟動(dòng)，避免由于安裝位置傳感器帶來的弊端。

一種無位置傳感器的單相直流無刷電機(jī)的啟動(dòng)方法，其特征在于包括以下步驟：

預(yù)定位：給電機(jī)繞組通一固定方向電流，迫使電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到預(yù)定位置；

拖動(dòng)：根據(jù)當(dāng)前位置給出通電序列，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，讓轉(zhuǎn)子強(qiáng)制換相，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到預(yù)定速度；

自同步：當(dāng)轉(zhuǎn)子由拖動(dòng)達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)速后，檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)，將電機(jī)切換到自 控階段，實(shí)現(xiàn)根據(jù)轉(zhuǎn)子位置同步換相。

在本發(fā)明的啟動(dòng)方法中，預(yù)定位的通電電壓為占空比40至60％。

在本發(fā)明的啟動(dòng)方法中，通過位置檢測(cè)電路檢測(cè)電機(jī)繞組在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)。

在本發(fā)明的啟動(dòng)方法中，A_Phase和B_Phase分別接在是電機(jī)繞組的A、B兩個(gè)接線端，當(dāng)電機(jī)繞組勵(lì)磁時(shí)，A、B兩端電壓為勵(lì)磁電壓，當(dāng)電機(jī)繞組停止勵(lì)磁，從A、B端檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)。

在本發(fā)明的啟動(dòng)方法中，反電動(dòng)勢(shì)電壓經(jīng)過A_Phase和B_Phase連接到兩組減法器，將反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)相減。

本啟動(dòng)方法無需安裝位置傳感器，避免當(dāng)置傳感器安裝位置影響電機(jī)運(yùn)行參數(shù)，如電流、速度、輸出功率、效率等，更避免若安裝位置偏差較大，導(dǎo)致電機(jī)無法啟動(dòng)、高頻振動(dòng)情況。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的無位置傳感器單相無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)；

圖2為本發(fā)明的啟動(dòng)方法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖3為本發(fā)明的BEMF采樣電路圖；

圖4為本發(fā)明的BEMF采樣波形圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。

無位置傳感器單相無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其具有兩對(duì)磁極，分別為1N、1S、2N、2S，對(duì)應(yīng)繞組為A、B、C、D四個(gè)定子繞組，電機(jī)內(nèi)部無需安裝位置傳感器。本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，U1為MCU是系統(tǒng)總的控制單元，內(nèi)部包含ADC采樣、DAC轉(zhuǎn)換器、內(nèi)置比較器、存儲(chǔ)器、運(yùn)算單元等；U2為驅(qū)動(dòng)單元，為MOS管提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)；U3為BEMF反電動(dòng)勢(shì)采樣，完 成反電動(dòng)勢(shì)采樣及換相信號(hào)輸出；C1為母線電容，用于電能轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)、釋放、吸收回饋電能；Q1～Q4為MOS管，組成H橋，完成電機(jī)換流工作；D1～D4為續(xù)流二極管，為電機(jī)換流過程中電機(jī)繞組電流泄放通路；I_SENSOR為電流傳感器，用于采樣電機(jī)電流。

電機(jī)運(yùn)行時(shí)，電流的方向是在不停的切換的，表1描述Q1～Q4的開關(guān)狀態(tài)與電流方向的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表1

電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速很低的情況下，施加在繞組兩端的電壓在沒有反電動(dòng)勢(shì)的情況下會(huì)產(chǎn)生很大電流，如果這個(gè)電流不做限制會(huì)造成控制器損壞或電機(jī)過熱燒毀，本發(fā)明通過電流傳感器將電流采樣后送到MCU的內(nèi)置比較器，通過MCU設(shè)置電流閥值，當(dāng)電機(jī)電流超過閥值，MCU會(huì)控制驅(qū)動(dòng)電路將Q1～Q4關(guān)閉，斷開勵(lì)磁電壓，當(dāng)繞組電流下降至安全范圍，MCU會(huì)重新開啟勵(lì)磁。

電機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)下，由于沒有位置傳感器，無法知道電機(jī)轉(zhuǎn)子當(dāng)前位置，故無法給出正確的電機(jī)電流方向，在這種情況下，就需要對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行預(yù)先定位控制。預(yù)定位的做法是，首先給出MOS管驅(qū)動(dòng)信號(hào)使電機(jī)電流方向?yàn)轭A(yù)定電流方向，使得轉(zhuǎn)子被迫轉(zhuǎn)到預(yù)定的位置，本發(fā)明設(shè)置預(yù)定位電流方向?yàn)锳->B，所以是Q1和Q4打開。但是預(yù)定位時(shí)間不能太長，因?yàn)槎ㄎ粫r(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)幅度不大，轉(zhuǎn)子獲得的機(jī)械能不多，在定位后轉(zhuǎn)子是保持在固定位置不動(dòng)，電機(jī)繞組中的電流全部用來發(fā)熱，所以太長時(shí)間的定位會(huì)導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱或控制板發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成電機(jī)或控制器損壞。預(yù)定位時(shí)間亦不能太短，太短時(shí)間轉(zhuǎn)子獲得的動(dòng)能不夠支持轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到預(yù)定位置，則因?yàn)辇X槽轉(zhuǎn)矩的反向作用力導(dǎo)致電 機(jī)轉(zhuǎn)子又重新回到之前位置，導(dǎo)致定位失敗。預(yù)定位時(shí)間需要經(jīng)實(shí)際測(cè)量而定。轉(zhuǎn)子定位成功后，由于是預(yù)先設(shè)定的位置，故當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置可知。那么就可以按照當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流，電機(jī)也會(huì)因此獲得驅(qū)動(dòng)力。

電機(jī)要輸出較大轉(zhuǎn)矩，需要同步勵(lì)磁電機(jī)，但是定位之后由于沒有位置傳感器，依舊無法獲取同步的轉(zhuǎn)子位置，所以本發(fā)明用到了位置檢測(cè)電路。位置檢測(cè)電路檢測(cè)的是電機(jī)繞組在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)，如圖3所示，A_Phase和B_Phase分別接在是電機(jī)繞組的A、B兩個(gè)接線端，當(dāng)電機(jī)繞組勵(lì)磁時(shí)，A、B兩端電壓為勵(lì)磁電壓，當(dāng)電機(jī)繞組停止勵(lì)磁，可以從A、B端檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)。A_Phase和B_Phase要檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)的必要條件是加載在繞組兩端的勵(lì)磁電壓為0，且繞組中電流為0，同時(shí)電機(jī)要達(dá)到一定轉(zhuǎn)速，才能檢測(cè)到真實(shí)的反電動(dòng)勢(shì)。

滿足上述條件后，在圖3的檢測(cè)電路上，反電動(dòng)勢(shì)電壓經(jīng)過A_Phase和B_Phase連接到兩組減法器，將反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)相減。使用減法器的原因是為了防止電壓零點(diǎn)漂移，不使用減法器時(shí)，由于反電動(dòng)勢(shì)在較低轉(zhuǎn)速時(shí)，電壓幅值較小，而檢測(cè)電路的電壓零點(diǎn)是以控制板的GND作為參考，會(huì)有較大的浮動(dòng)，造成檢測(cè)位置出現(xiàn)偏差，會(huì)影響電機(jī)驅(qū)動(dòng)效果。

A、B兩端檢測(cè)到的反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)是一個(gè)正弦波信號(hào)，但是實(shí)際電路上的波形如圖4所示，在A_Phase上檢測(cè)到的信號(hào)，在有驅(qū)動(dòng)電壓存在的情況下是根據(jù)驅(qū)動(dòng)電壓變化的方波信號(hào)，只有在關(guān)閉驅(qū)動(dòng)的條件下，才能檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，圖4上ta-tb段才是真正的反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，而此時(shí)的B_Phase電壓為0V，所以A_Phase電壓高于B_Phase，故選擇A-B這個(gè)減法器；當(dāng)?shù)诫姍C(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行到另一個(gè)周期時(shí)，如tc-td段，B_Phase電壓會(huì)高于A_Phase所以要選擇B-A減法器。

獲取到電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)后，會(huì)將其輸入比較器的一個(gè)輸入端，如圖4。而比較器的另一個(gè)輸入信號(hào)是MCU的電壓設(shè)定值COMP_SET，這個(gè)值是通過MCU內(nèi)置的DAC輸出到比較器的。通過改變COMP_SET的值，即可設(shè)置反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)器輸出時(shí)刻，這個(gè)時(shí)刻可以用來實(shí)現(xiàn)提前換相勵(lì)磁。當(dāng)需要提前換相勵(lì)磁時(shí)，將COMP_SET設(shè)置為大于0的設(shè)定值，這個(gè)值通過與反電動(dòng)勢(shì)比較， 即可獲取到超前于反電動(dòng)勢(shì)過零的BEMF_OUT信號(hào)，而這個(gè)信號(hào)送到MCU，MCU通過控制驅(qū)動(dòng)電路來提前給繞組勵(lì)磁。

由于反電動(dòng)勢(shì)位置檢測(cè)電路需要在一定轉(zhuǎn)速才能起到作用，所以在預(yù)定位之后需要對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行他勵(lì)拖動(dòng)。他勵(lì)拖動(dòng)的勵(lì)磁時(shí)間和換流頻率要求比較嚴(yán)格，不然電機(jī)不能順利的拖到一定轉(zhuǎn)速，并且勵(lì)磁時(shí)間和換流頻率會(huì)受負(fù)載和勵(lì)磁電壓水平影響。

本發(fā)明應(yīng)用于吸塵器這種風(fēng)機(jī)類負(fù)載，負(fù)載變化情況較小，在拖動(dòng)時(shí)影響會(huì)較勵(lì)磁電壓水平小。對(duì)于勵(lì)磁電壓對(duì)勵(lì)磁時(shí)間和換流頻率的影響，本發(fā)明使用根據(jù)電壓建立表格，將不同電壓水平進(jìn)行分級(jí)，勵(lì)磁時(shí)間和換流頻率與勵(lì)磁電壓建立關(guān)系，具體的數(shù)據(jù)要根據(jù)實(shí)際情況測(cè)量。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速拖動(dòng)到20000～30000RPM，便可以進(jìn)行位置檢測(cè)，檢測(cè)到正確位置后，切換到同步勵(lì)磁。對(duì)于反電動(dòng)勢(shì)位置檢測(cè)時(shí)機(jī)，由于在繞組施加有勵(lì)磁電壓情況下，無法檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)，故需要在待檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)之前關(guān)閉驅(qū)動(dòng)勵(lì)磁信號(hào)。關(guān)閉驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)間會(huì)影響電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，關(guān)閉時(shí)間過長，會(huì)使得勵(lì)磁時(shí)間不夠，電機(jī)轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)間斷，影響電機(jī)轉(zhuǎn)速，并且產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。關(guān)閉驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)間太短，會(huì)影響反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)。在關(guān)閉驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，由于電機(jī)繞組時(shí)感性負(fù)載，電機(jī)繞組殘留大量電流需要有途徑泄放，電機(jī)繞組中的電流不泄放，也會(huì)找出反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)異常。

電機(jī)繞組中電流會(huì)因?yàn)镼1～Q4四個(gè)MOS管關(guān)閉從續(xù)流二極管D1～D4流過，將電能充回母線。電流續(xù)流過程中，由于續(xù)流二級(jí)管導(dǎo)通，A、B繞組兩端電壓為母線電壓，反電動(dòng)勢(shì)不可檢測(cè)，需要待電流續(xù)流完成，才可檢測(cè)到真實(shí)反電動(dòng)勢(shì)。故電機(jī)關(guān)閉驅(qū)動(dòng)的時(shí)刻與電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)電流有關(guān)，本發(fā)明使用的方法是使用固定的關(guān)斷角，這個(gè)角度換算成時(shí)間，則這個(gè)時(shí)間會(huì)隨著速度的變化而變化，但是在電機(jī)運(yùn)行周期所占的比例是固定的。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。