一種無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的在線辨識(shí)系統(tǒng)及其辨識(shí)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種無(wú)刷直流電機(jī) 轉(zhuǎn)子位置的在線辨識(shí)系統(tǒng)及其辨識(shí)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，無(wú)刷直流電機(jī)（BrushlessDCMotor,BLDC)因其功率密度大、轉(zhuǎn)矩大等優(yōu) 點(diǎn)在電動(dòng)車領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。雖然BLDC的無(wú)位置控制方法已得到普遍應(yīng)用，但對(duì)于以電 動(dòng)自平衡車為代表的一些低速以及轉(zhuǎn)向頻繁切換的場(chǎng)合，通常的無(wú)位置控制方法已不能保 證電機(jī)性能。因此，為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)繞組可靠換流，絕大多數(shù)永磁無(wú)刷直流電機(jī)仍然采用霍爾 傳感器，依據(jù)三路霍爾信號(hào)獲取轉(zhuǎn)子位置信息，據(jù)此實(shí)現(xiàn)繞組電流的換流。
[0003] 無(wú)刷直流電機(jī)的反電勢(shì)為梯形波，供電電流為方波，控制系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的 要求不高，只需獲得若干個(gè)離散的轉(zhuǎn)子關(guān)鍵位置信號(hào)。理想情況下霍爾信號(hào)與電機(jī)反電勢(shì) 以及轉(zhuǎn)子位置之間具有固定的相位關(guān)系，但由于實(shí)際當(dāng)中存在的安裝偏差、電機(jī)端部磁場(chǎng) 畸變等非理想因素會(huì)導(dǎo)致霍爾信號(hào)位置整體偏移或高低電平不等寬，這就導(dǎo)致霍爾信號(hào) 計(jì)算出的轉(zhuǎn)子位置與實(shí)際轉(zhuǎn)子位置之間有偏差。轉(zhuǎn)子位置的偏差直接影響磁場(chǎng)矢量控制 (FieldOrientedControl，F(xiàn)0C)的控制性能，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增大。
[0004] 通常的轉(zhuǎn)子位置的校準(zhǔn)方法是利用外部的電機(jī)帶動(dòng)測(cè)試電機(jī)，根據(jù)空載反電動(dòng) 勢(shì)、霍爾信號(hào)確定出霍爾信號(hào)變化點(diǎn)轉(zhuǎn)子位置，但是空載反電動(dòng)勢(shì)波形、霍爾信號(hào)波形都要 通過(guò)示波器獲取。這往往需要多通道輸入示波器和外部的拖動(dòng)設(shè)備，測(cè)試步驟復(fù)雜，而且這 種方法獲得的轉(zhuǎn)子位置往往不夠精確。因此，這種手動(dòng)測(cè)試方法并不適用于批量化生產(chǎn)的 場(chǎng)合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明正是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷和不足，提供一種無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的在 線辨識(shí)系統(tǒng)及其辨識(shí)方法，利用霍爾信號(hào)編程實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的自動(dòng)精準(zhǔn)辨識(shí)，為需要無(wú)刷 直流電機(jī)低速以及轉(zhuǎn)向頻繁切換運(yùn)行的高性能要求場(chǎng)合提供基礎(chǔ)支持。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為，一種無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的在 線辨識(shí)系統(tǒng)，包括直流電壓源、功率管驅(qū)動(dòng)電路、三相橋式逆變器、起動(dòng)控制器、位置辨識(shí)器 和無(wú)刷直流電機(jī)，直流電壓源和功率管驅(qū)動(dòng)電路的輸出端連接三相橋式逆變器的輸入端， 起動(dòng)控制器的輸出端連接功率管驅(qū)動(dòng)電路的輸入端，三相橋式逆變器的輸出端連接無(wú)刷直 流電機(jī)，無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)部的霍爾傳感器連接位置辨識(shí)器的輸入端；起動(dòng)控制器包括初始 位置給定模塊、定位時(shí)間給定模塊、位置極限給定模塊、位置周期給定模塊、鋸齒波產(chǎn)生模 塊、轉(zhuǎn)向給定模塊、直軸電壓給定模塊、交軸電壓給定模塊、SVPWM模塊、PWM生成模塊，初始 位置給定模塊、定位時(shí)間給定模塊、位置極限給定模塊和位置周期給定模塊均連接至鋸齒 波產(chǎn)生模塊的輸入端，鋸齒波產(chǎn)生模塊的輸出端連接SVPWM模塊和位置辨識(shí)器的輸入端， 直軸電壓給定模塊和交軸電壓給定模塊均連接SVPWM模塊的輸入端，SVPWM模塊的輸出端 連接PWM生成模塊的輸入端，PWM生成模塊的輸出端連接功率管驅(qū)動(dòng)電路的輸入端，轉(zhuǎn)向給 定模塊的輸出端連接交軸電壓給定模塊和位置辨識(shí)器的輸入端，霍爾傳感器的輸出端連接 位置辨識(shí)器的輸入端。
[0007] 作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，功率管驅(qū)動(dòng)電路包括將起動(dòng)控制器輸出的PWM信號(hào)轉(zhuǎn)變 成能夠驅(qū)動(dòng)功率管的開關(guān)信號(hào)的IGBT/M0FET驅(qū)動(dòng)芯片，所述IGBT/M0FET驅(qū)動(dòng)芯片的輸出 端連接所述三相橋式逆變器的輸入端；所述IGBT/M0FET驅(qū)動(dòng)芯片的輸入端連接所述起動(dòng) 控制器的輸出端。功率管驅(qū)動(dòng)電路的輸入量為起動(dòng)控制器輸出的6路PWM弱電信號(hào)，通過(guò) 該功率管驅(qū)動(dòng)電路將該6路PWM弱電信號(hào)放大為6路PWM強(qiáng)電信號(hào)，用以驅(qū)動(dòng)后級(jí)三相橋 式逆變器的功率管。
[0008] 作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，三相橋式逆變器采用三相橋式電壓源型逆變器，包括三 個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂上設(shè)有兩個(gè)功率管，功率管可以是M0S管或IGBT管之類的功率開關(guān)器件， 從三個(gè)橋臂中位于同一橋臂上的兩個(gè)功率管之間各引出一條支路并分別連接到無(wú)刷直流 電機(jī)的三相繞組接線端，直流電壓源的正負(fù)極分別連接至三相橋式逆變器的電源輸入端的 正負(fù)極。因此，三相橋式電壓源型逆變器的輸入量為功率管驅(qū)動(dòng)電路輸出的6路PWM強(qiáng)電信 號(hào)和直流電壓源提供的直流電壓，輸出量為三相交流電壓，供給無(wú)刷直流電機(jī)的三相繞組， 產(chǎn)生定子磁場(chǎng)以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
[0009] 作為本方明的一種改進(jìn)，起動(dòng)控制器與位置辨識(shí)器是采用單片機(jī)、DSP或FPGA之 類的數(shù)字控制微處理器（簡(jiǎn)稱"數(shù)字控制器"）實(shí)現(xiàn)。
[0010] 作為本方明的一種改進(jìn)，起動(dòng)控制器采用"預(yù)定位+變壓恒頻+恒壓恒頻"方式來(lái) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)起動(dòng)并恒速運(yùn)行。
[0011] 作為本方明的一種改進(jìn)，鋸齒波產(chǎn)生模塊的輸入量有初始位置給定模塊輸出的Θ。、定位時(shí)間給定模塊輸出的T。、位置極限給定模塊輸出的Θ_和位置周期給定模塊輸出 的T。，鋸齒波產(chǎn)生模塊輸出位置給定信號(hào)Θ，其中Θ。設(shè)為〇°~360°內(nèi)的任意值，Θ_設(shè) 為360°，Θ的取值范圍是〇°~360°。于是，Θ先保持為恒值Θ。，維持時(shí)間為T。，之后 為周期T。、幅值從0增大到θ_的鋸齒波。
[0012] 作為本方明的一種改進(jìn)，直軸電壓給定模塊的直軸電壓給定值1設(shè)為常數(shù)0,也可 將之設(shè)為適當(dāng)?shù)呢?fù)值來(lái)提高輸出轉(zhuǎn)矩，縮短起動(dòng)時(shí)間。交軸電壓給定模塊的給定交軸電壓 Vq的波形與轉(zhuǎn)向有關(guān)，以正轉(zhuǎn)為例，Vq在上電后的一段時(shí)間內(nèi)保持恒值，將它設(shè)成最大值可 以加快轉(zhuǎn)子預(yù)定位過(guò)程，之后，Vq按一定的斜率從0開始上升至最大值并維持不變。同樣可 得反轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)Vq的波形，不同之處在于預(yù)定位過(guò)程的恒值和最終的穩(wěn)定值均為正轉(zhuǎn)時(shí)最大 值的負(fù)值。
[0013] 作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，SVPWM模塊包括Park逆變換單元、扇區(qū)判斷單元、矢量作 用時(shí)間單元和矢量切換點(diǎn)單元，直軸電壓給定模塊和交軸電壓給定模塊的輸出端連接Park 逆變換單元的輸入端，Park逆變換單元的輸出端連接扇區(qū)判斷單元以及矢量作用時(shí)間單 元的輸入端，扇區(qū)判斷單元的輸出端分別連接矢量作用時(shí)間單元和矢量切換點(diǎn)單元的輸入 端，矢量作用時(shí)間單元的輸出端連接矢量切換點(diǎn)單元的輸入端。該模塊的功能是確定某個(gè) 空間矢量扇區(qū)內(nèi)的定子磁場(chǎng)所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)電壓矢量以及零矢量的作用時(shí)間，實(shí)現(xiàn)方式是將 給定的直軸電壓與交軸電壓轉(zhuǎn)變成三個(gè)比較器計(jì)數(shù)值，用以與所述PWM生產(chǎn)模塊中比較器 的基準(zhǔn)值相比較來(lái)獲得高低電平，進(jìn)而構(gòu)成6路PWM開關(guān)信號(hào)。
[0014] 作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，PWM生成模塊包括時(shí)鐘控制單元、三角載波單元、死區(qū)時(shí) 間設(shè)置單元以及PWM產(chǎn)生單元，矢量切換點(diǎn)單元的輸出端連接PWM產(chǎn)生單元的輸入端，時(shí)鐘 控制單元與三角載波單元相連，三角載波單元與PWM產(chǎn)生單元相連，死區(qū)時(shí)間設(shè)置單元也 與PWM產(chǎn)生單元相連，時(shí)鐘控制單元決定三角載波單元上的三角載波的幅值與頻率。該模 塊的功能是輸出6路PWM弱電信號(hào)。
[0015] 在上述無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的在線辨識(shí)系統(tǒng)中，無(wú)刷直流電機(jī)是由三相橋式逆 變器輸出三相交流電提供定子磁場(chǎng)以驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，可將定子磁場(chǎng)L方向?qū)?yīng)的角度稱 為給定轉(zhuǎn)子位置角9"f，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)~方向?qū)?yīng)的角度稱為實(shí)際轉(zhuǎn)子位置角Θraal，并假設(shè) 摩擦負(fù)載導(dǎo)致的定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)之間夾角為θp假定霍爾信號(hào)的三個(gè)數(shù)碼從左到右分別表示 Hc、Hb、Ha，并且霍爾信號(hào)的高電平用"1"表示，低電平用"0"表示，于是一個(gè)完整的360° 電周期共有6種霍爾信號(hào)組合001、011、010、110、100、101，每種霍爾信號(hào)組合維持60°電 角度；則所述的在線辨識(shí)系統(tǒng)采用的在線辨識(shí)方法是通過(guò)記錄霍爾信號(hào)Hc、Hb、Ha邊沿對(duì) 應(yīng)的給定轉(zhuǎn)子位置角計(jì)算得到實(shí)際轉(zhuǎn)子位置角Θraal，具體包括如下步驟：
[0016] 步驟一：采用"預(yù)定位+變壓恒頻+恒壓恒頻"方式施加空間連續(xù)的正轉(zhuǎn)定子磁場(chǎng) L使電機(jī)正轉(zhuǎn)起動(dòng)；
[0017] 步驟二：檢測(cè)霍爾信號(hào)Hc、Hb、Ha，并實(shí)時(shí)記錄相鄰兩個(gè)霍爾信號(hào)組合切換點(diǎn)之間 的時(shí)間；
[0018] 步驟三：當(dāng)相鄰兩個(gè)霍爾信號(hào)組合切換點(diǎn)之間的時(shí)間保持不變時(shí)，電機(jī)進(jìn)入恒速 運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)，在霍爾信號(hào)組合的切換點(diǎn)位置，記錄下當(dāng)前的正轉(zhuǎn)給定轉(zhuǎn)子位置角，記作 0raf+[HcHbHa]，在一個(gè)360°電周期內(nèi)，記錄6個(gè)不同的0raf+[HcHbHa];
[0019] 步驟四：停止施加正轉(zhuǎn)定子磁場(chǎng)Φs，電機(jī)減速直至停轉(zhuǎn)；
[0020] 步驟五：采用"預(yù)定位+變壓恒頻+恒壓恒頻"方式施加空間連續(xù)的反轉(zhuǎn)定子磁場(chǎng) Φs使電機(jī)反轉(zhuǎn)起動(dòng)；
[0021] 步驟六：檢測(cè)霍爾信號(hào)Hc、Hb、Ha，實(shí)時(shí)記錄相鄰兩個(gè)霍爾信號(hào)組合切換點(diǎn)之間的 時(shí)間；
[0022] 步驟七：當(dāng)相鄰兩個(gè)霍爾信號(hào)組合切換點(diǎn)之間的時(shí)間保持不變時(shí)，電機(jī)進(jìn)入恒速 運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)，在霍爾信號(hào)組合的切換點(diǎn)位置，記錄下當(dāng)前的反轉(zhuǎn)給定轉(zhuǎn)子位置角，記作 Θ[HcHbHa]，在一個(gè)360 °電周期內(nèi)，記錄6個(gè)不同的Θ[HcHbHa];
[0023] 步驟八：停止施加反轉(zhuǎn)定子磁場(chǎng)，電機(jī)減速直至停轉(zhuǎn)；