(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010032757.4
(22)申请日 2020.01.13
(71)申请人 深圳市星图智控科技有限公司
地址 518000 广东省深圳市宝安区新安街
道22区公园路西部工业大厦A座501
(72)发明人 王峰 李宾 彭需
(51)Int.Cl.
H02P 21/18(2016.01)
(54)发明名称foc驱动的无刷电机带磁编码器的电角度与机械角度的校准方法(57)摘要本发明公开了foc驱动的无刷电机带磁编码器的电角度与机械角度的校准方法，包括以下步骤：零点电角度对准，系统上电，对电机的a，b，c 的三个电极施加电压，我们可以根据旋转电压矢量，到电角度的零点的扇区位置为I扇区，这个时候对应的a，b，c三相的电压代码是100。本发明有益效果是：通过内置一套校准测试方法，自动测量带有磁编码器的无刷电机的电角度和机械角度之间偏差，修正磁编码器的输出为真实的电气角度，（从而使运行磁场定向FOC的算法的模块拿到正确的电角度，进行无刷电机的FOC控制），免去带有磁编码器的无刷电机进行手动校准，调整径向磁钢与电机定子的位置，提高生产速度和 降低装配误差对电机性能的影响。权利要求书2页 说明书4页 附图3页CN 111106774 A 2020.05.05
C N 111106774
A
1.foc驱动的无刷电机带磁编码器的电角度与机械角度的校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、零点电角度对准，系统上电，对电机的a，b，c的三个电极施加电压，我们可以根据旋转电压矢量，到电角度的零点的扇区位置为I扇区，这个时候对应的a，b，c三相的电压代码是100，给定这个
电压就可以使转子运动到I扇区位置并保持，此时我们可以确定下来的是电角度的零点的位置Eangle1=0°，这个时候我们通过磁编码器也可以得到一个角度，但是这个角度是机械角度Mangle1；
S2、换向，给a，b，c加电压（电压代码110），这个时候的得到第二个机械角度Mangle2和电角度Eangle2=60°，此时，计算机械角度的增量:deltaMangle=Mangle2-Mangle1；
S3、剔除掉错误的数据，可以根据每次的deltaMangle做数据合法性判断：首先推导出deltaMangle合法性的取值范围，单磁极对无刷电机的机械角度与电角度的关系，单磁极对的机械角度和电角度是一一对应的，在校准两者偏差之后，机械角度等于电角度，Efull= Mfull，那么我们可以归纳得出多磁极对的情况，电角度Efull所对应的机械角度为：Efull= Mfull/P，此处的P为磁极对数（这里取P=7），Mfull为360°即一个完整的圆周，所以可以得到下面的关于矢量扇区行程角度travelAngle公式:travelAngle=Mfull/P/S，Mfull为电机旋转一圈的度数360°，我们选取的是7个磁极对的无刷电机，设每个周期（范围是0-360°）的电角度为Efull，电机旋转（范围0-360°）的机械角度为Mfull，它们的关系如下：Efull=Mfull/ 7=51.42857°，上式表明的是：一个完整的电周期对应的机械角度是51.42857°，同时可以知道，一个Efull由6个非零矢量扇区组成，通过这两个条件，就可以计算得到每个矢量扇区对应的机械角度eSectorAngle=51.42857°/6=8.571428°，进而一个矢量扇区移动到相邻的扇区，需要走过的机械角度travelAngle=8.571428°，（但是由于电机制造过程中的定子的加工误差，磁钢的安装误差，转子的加工误差，等等因素，会导致这个travelAngle存在几度误差）因此，我们可以得到这个trav
elAngle取值范围（7.5°-10.2°），在这个范围10.2> deltaMangle>7.5°之中的，就说明这次的数据是可以进行计算的，否则要丢弃这一次的数据；
S4、计算机械角度与电角度的转换方法，机械角度Mangle取值范围为（0°-359°）：表征的物理量是转子所在机械位置的角度，Eangle为电角度，表示的是三个绕组电压所形成的空间矢量的位置中的θ，我们需要对这个机械位置角度，进行变换，使机械位置角度变化周期跟随电周期（六个非零矢量扇区）变化，则有电角度Eangle与机械角度的转换公式: Eangle=Mangle mod (Mfull/P)，P=7，这个公式可以使机械角度跟随电角度的周期变化；
S5、计算偏移，由于Eangle可能会与真实电角度有固定的偏差，机械角度（Mangle）与电角度之间（Eangle）的偏移(EangleOffset)的关系：EangleOffset=Mangle*P-60°*k；
S6、求平均值，重复操作步骤S2-步骤S5，我们最多可以得到(P*6-1，P=7)41个E a n g l e O f f s e t，选取一定数目的值进行相加后取平均值，就得到了一个准确的EangleOffset；
S7、相位调整，真实的电角度偏移量为：MachineEangleOffset=180°-EangleOffset。
2.根据权利要求1所述的foc驱动的无刷电机带磁编码器的电角度与机械角度的校准方法，其特征在于，所述步骤S1中实际就是a处给高电压（电源电压VCC），b处给低电压（电源的GND），c处给低电压（电源的GND）。
3.根据权利要求1所述的foc驱动的无刷电机带磁编码器的电角度与机械角度的校准方法，其特征在于，所述步骤S2中实际就是a处给高电压（电源电压VCC），b处给高电压（电源的VCC），c处给低电压（电源的GND）让转子运动（60°的电角度）进入到第二个扇区（II扇区）的位置。
4.根据权利要求1所述的foc驱动的无刷电机带磁编码器的电角度与机械角度的校准方法，其特征在于，所述步骤S3中P为电机磁极对数，S为非零矢量扇区数为6。
5.根据权利要求1所述的foc驱动的无刷电机带磁编码器的电角度与机械角度的校准方法，其特征在于，所述步骤S5中的P为电机的磁极对数，我们选用的是7个磁极对的无刷电机，所以，P=7，K为当前所处在的扇区编号。
6.根据权利要求1所述的foc驱动的无刷电机带磁编码器的电角度与机械角度的校准方法，其特征在于，所述步骤S6中为提高校测速度，我们可以取10个左右的值进行相加后取平均值。
7.根据权利要求1所述的foc驱动的无刷电机带磁编码器的电角度与机械角度的校准方法，其特征在于，所述步骤S7中真实的电角度偏移量在FOC的机械角度转化为电角度作为一个补偿值加入到电角度中。
foc驱动的无刷电机带磁编码器的电角度与机械角度的校准
方法
技术领域
[0001]本发明涉及无刷电机校准方法技术领域，特别涉及foc驱动的无刷电机带磁编码器的电角度与机械角度的校准方法。
背景技术
[0002]随著稀土永磁材料的成熟和普及，无刷直流电机以其高效率，长寿命，低维护成本，低噪音，无火花等优势已经融入到不同行业的应用之中，而无刷直流电机有分为两类：有感无刷直流电机，无感无刷直流电机。无感无刷直流电机因为不需要复杂的外部传感器检测转子的电角度，控制器简单，其主要的应用领域是需要高速转动的航模的动力系统，但是无刷无感直流电机在启动和低速转动时，绕组线圈的电动势很小，而无法获得准确的换向信号，所以无感无刷直流电机的启动无法做到轻柔而且有时会失败，低速运转时会明显的感到卡顿。这现象在中高速阶段是不会出现的，但这也限制了无感无刷直流电机的应用领域--在低速大扭矩的应用场合，只能用有感无刷直流电机或者有刷电机。在无刷电机的控制算法中，有一个最为关键的参数是转子机械位置（实时电角度），无论是有感还是无感的控制都是需要知道转子的电角度的，而且是越准确越好，为此，我们提出foc驱动的无刷电机带磁编码器的电角度与机械角度的校准方法。
发明内容
[0003]本发明的主要目的在于提供foc驱动的无刷电机带磁编码器的电角度与机械角度的校准方法，可以有效解决背景技术中的问题。
[0004]为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
foc驱动的无刷电机带磁编码器的电角度与机械角度的校准方法，包括以下步骤：
S1、零点电角度对准，系统上电，对电机的a，b，c的三个电极施加电压，我们可以根据旋转电压矢量，到电角度的零点的扇区位置为I扇区，这个时候对应的a，b，c三相的电压代码是100，给定这个电压就可以使转子运动到I扇区位置并保持，此时我们可以确定下来的是电角度的零点的位置Eangle1=0°，这个时候我们通过磁编码器也可以得到一个角度，但是这个角度是机械角度Mangle1；
S2、换向，给a，b，c加电压（电压代码110），这个时候的得到第二个机械角度Mangle2和电角度Eangle2=60°。此时，计算机械角度的增量:deltaMangle=Mangle2-Mangle1；
S3、剔除掉错误的数据，可以根据每次的deltaMangle做数据合法性判断：首先推导出deltaMangle合法性的取值范围，单磁极对无刷电机的机械角度与电角度的关系，单磁极对的机械角度和电角度是一一对应的，在校准两者偏差之后，机械角度等于电角度，Efull= Mfull，那么我们可以归纳得出多磁极
对的情况，电角度Efull所对应的机械角度为：Efull= Mfull/P，此处的P为磁极对数（这里取P=7），Mfull为360°即一个完整的圆周，所以可以得到下面的关于矢量扇区行程角度travelAngle公式:travelAngle=Mfull/P/S，Mfull为电机旋
转一圈的度数360°，我们选取的是7个磁极对的无刷电机，设每个周期（范围是0-360°）的电角度为Efull，电机旋转（范围0-360°）的机械角度为Mfull，它们的关系如下：Efull=Mfull/ 7=51.42857°，上式表明的是：一个完整的电周期对应的机械角度是51.42857°，同时可以知道，一个Efull由6个非零矢量扇区组成，通过这两个条件，就可以计算得到每个矢量扇区对应的机械角度eSectorAngle=51.42857°/6=8.571428°，进而一个矢量扇区移动到相邻的扇区，需要走过的机械角度travelAngle=8.571428°，（但是由于电机制造过程中的定子的加工误差，磁钢的安装误差，转子的加工误差，等等因素，会导致这个travelAngle存在几度误差）因此，我们可以得到这个travelAngle取值范围（7.5°-10.2°），在这个范围10.2> deltaMangle>7.5°之中的，就说明这次的数据是可以进行计算的。否则要丢弃这一次的数据；
S4、计算机械角度与电角度的转换方法，机械角度Mangle取值范围为（0°-359°）：表征的物理量是转子所在机械位置的角度，Eangle为电角度，表示的是三个绕组电压所形成的空间矢量的位置中的θ，我们需要对这个机械位置角度，进行变换，使机械位置角度变化周期跟随电周期（六个非零矢量扇区）变化，则有电角度Eangle与机械角度的转换公式: Eangle=Mangle mod (Mfull/P)，P=7，这个公
式可以使机械角度跟随电角度的周期变化；
S5、计算偏移，由于Eangle可能会与真实电角度有固定的偏差，机械角度（Mangle）与电角度之间（Eangle）的偏移(EangleOffset)的关系：EangleOffset=Mangle*P-60°*k；
S6、求平均值，重复操作步骤S2-步骤S5，我们最多可以得到(P*6-1，P=7)41个E a n g l e O f f s e t，选取一定数目的值进行相加后取平均值，就得到了一个准确的EangleOffset；
S7、相位调整，真实的电角度偏移量为：MachineEangleOffset=180°-EangleOffset。[0005]进一步的，所述步骤S1中实际就是a处给高电压（电源电压VCC），b处给低电压（电源的GND），c处给低电压（电源的GND）。
[0006]进一步的，所述步骤S2中实际就是a处给高电压（电源电压VCC），b处给高电压（电源的VCC），c处给低电压（电源的GND）让转子运动（60°的电角度）进入到第二个扇区（II扇区）的位置。
[0007]进一步的，所述步骤S3中P为电机磁极对数，S为非零矢量扇区数为6。
[0008]进一步的，所述步骤S5中的P为电机的磁极对数，我们选用的是7个磁极对的无刷电机，所以，P=7，K为当前所处在的扇区编号。
[0009]进一步的，所述步骤S6中为提高校测速度，我们可以取10个左右的值进行相加后取平均值。
[0010]进一步的，所述步骤S7中真实的电角度偏移量在FOC的机械角度转化为电角度作为一个补偿值加入到电角度中。
[0011]与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明通过内置一套校准测试方法，自动测量带有磁编码器的无刷电机的电角度和机械角度之间偏差，修正磁编码器的输出为真实的电气角度，（从而使运行磁场定向FOC的算法的模块拿到正确的电角度，进行无刷电机的FOC控制），免去带有磁编码器的无刷电机进行手动校准，调整径向磁钢与电机定子的位置，提高生产速度和降低装配误差对电机性能的影响。
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