(10)申请公布号 CN 102780430 A
(43)申请公布日 2012.11.14C N 102780430 A
*CN102780430A*
(21)申请号 201210233833.3
(22)申请日 2012.07.06
H02P 6/08(2006.01)
H02P 6/18(2006.01)
(71)申请人天津大学
地址300072 天津市南开区卫津路92号
(72)发明人夏长亮 陈炜 李新旻
(74)专利代理机构天津市北洋有限责任专利代
理事务所 12201
代理人
程毓英
(54)发明名称
(57)摘要
本发明属于无刷直流电机控制技术领域，涉
及一种无刷直流电机的高频检测脉冲注入方法，
高频检测脉冲信号通过耦合电路分别耦合到无刷
直流电机各相的电源线和绕组上，通过电压传感
器检测无刷直流电机的各相的端电压值，各相的
端电压值分别经过带通滤波器后得到各相端电压
的高频电压分量，根据高频电压分量的幅值、相位
或瞬时值的差异得到位置信号，控制器根据位置
信号实现无刷直流电机的无位置传感器控制。本
发明能够提高检测信号的精确度和实时性，降低
系统的成本。
(51)Int.Cl.
权利要求书1页 说明书4页 附图3页
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请
权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 3 页
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1.一种无刷直流电机的高频检测脉冲注入方法，其特征在于，该方法利用高频信号源产生高频检测脉冲信号，高频检测脉冲信号通过耦合电路分别耦合到无刷直流电机各相的电源线和绕组上，通过电压
传感器检测无刷直流电机的各相的端电压值，各相的端电压值分别经过带通滤波器后得到各相端电压的高频电压分量，根据高频电压分量的幅值、相位或瞬时值的差异得到位置信号，控制器根据位置信号实现无刷直流电机的无位置传感器控制。
2.根据权利要求1所述的高频检测脉冲注入方法，其特征在于，所述的高频检测脉冲信号由独立的信号源产生，高频检测脉冲信号与电机的驱动电压分频复用电源线和电机绕组。
3.根据权利要求1所述的高频检测脉冲注入方法，其特征在于，在高频检测脉冲信号的高频脉冲注入点与功率开关之间设置有高频信号阻波器，用于避免高频信号进入电源和功率开关，并使各相端电压高频电压分量的差异不受电源和功率开关的影响。权 利 要 求 书CN 102780430 A
无刷直流电机的高频检测脉冲注入方法
所属技术领域
[0001] 本发明属于无刷直流电机控制技术领域，涉及一种高频检测脉冲注入方法。
背景技术
[0002] 无刷直流电机最基本的特点在于无需电刷即可实现换相。无刷直流电机根据位置信号，依赖电
子换向器按照一定的顺序为各相通电，从而省去了电机中容易损坏、需要经常维护的电刷，降低了电机制造成本和维护成本，扩展了应用范围。无刷直流电机的位置传感器必须安装在电机内部对电机转子位置进行检测，位置传感器需要进行维护，价格较高，限制了无刷直流电机在恶劣条件下的稳定高效运行。
[0003] 无刷直流电机的无位置传感器控制技术得到发展，无刷直流电机的无位置传感器控制技术通过检测无刷直流电机的一些电量信号或反应得到无刷直流电机的位置信号，在这种控制方式下，无刷直流电机具有较高可靠性和抗干扰能力，克服了位置传感器不准确安装带来的位置检测误差和转矩脉动。传统电感法不依赖转子磁场运动就可以获得转子位置，其基本原理是在绕组中施加方波脉冲电压，由于绕组的电枢反应，根据测得的电流幅值比较后即可得到电感差异，再根据电感与转子位置之间的关系得到位置信号。当采用高频脉冲电压，提高了检测次数，降低了检测周期，进而得到更加及时精确的转子位置信号。[0004] 频分复用技术是通信工程中常用的技术之一，它将传输信息的信道划分为若干个互相不重叠的子信道，每路信号占用其中一个频段，在接收端采用合适的带通滤波器将多路信号分开，从而恢复所需要的信号。例如电力线载波通信设备是电力系统通信中的采用频分复用技术的常用设备之一，它利用高压输电线作为有线通信的信道，为电力系统的远动、保护、生产指挥、通信调度和行政业务通信提供了手段。
[0005] 传统方法中，基于电感法原理的无刷直流电机无位置传感器的高频检测脉冲由功率开关产生，
高频检测脉冲与无刷直流电机的驱动电压信号分时复用电源线和绕组。检测位置信号时不能输出驱动电压信号，影响了无刷直流电机的运动控制和调速，产生电机速度的偏差，特别是在电机起动和低速运行时系统性能下降严重；同时也影响了高频检测脉冲注入的实时性，造成位置信号的不准确。
[0006] 常用无刷直流电机电感差异小，检测信号信噪比低，算法实现困难。功率开关元件选定后最大开关频率固定，从而限制了高频检测脉冲信号频率的提高，传统方法依赖于的高精度电流传感器，提高了系统成本，限制了检测精度的提高。
发明内容
[0007] 本发明旨在克服现有技术的上述不足，提供一种能够提高检测信号的精确度和实时性，降低系统的成本的无刷直流电机高频检测脉冲的注入方法，适用于无刷直流电机无位置传感器控制的应用场合。
[0008] 为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
[0009] 一种无刷直流电机的高频检测脉冲注入方法，其特征在于，该方法利用高频信号
源产生高频检测脉冲信号，高频检测脉冲信号通过耦合电路分别耦合到无刷直流电机各相的电源线和绕组上，通过电压传感器检测无刷直流电机的各相的端电压值，各相的端电压值分别经过带通滤波器
后得到各相端电压的高频电压分量，根据高频电压分量的幅值、相位或瞬时值的差异得到位置信号，控制器根据位置信号实现无刷直流电机的无位置传感器控制。
[0010] 作为优选实施方式，所述的高频检测脉冲信号由独立的信号源产生，高频检测脉冲信号与电机的驱动电压分频复用电源线和电机绕组；在高频检测脉冲信号的高频脉冲注入点与功率开关之间设置有高频信号阻波器，用于避免高频信号进入电源和功率开关，使各相端电压高频电压分量的差异不受电源和功率开关的影响。
[0011] 本发明的有益效果如下：
[0012] (1)本发明可以将高频检测脉冲频率提高到500kHz以上，并且不依赖无刷直流电机的功率开关元件即可注入高频检测脉冲，简化了控制算法的设计，降低了对功率开关元件的要求，也降低了系统的成本。
[0013] (2)高频检测脉冲频率的提高扩大了各相绕组电感差异，可以直接利用电压传感器对高频电压分量进行测量继而获得位置信号，从而避免了使用高精度的电流传感器，也降低了系统的成本。
[0014] (3)本发明设计了分频复用无刷直流电机电源线和绕组的高频检测脉冲注入方法，在检测位置信号的同时不影响无刷直流电机的驱动电压信号，提高了位置信号的准确性和及时性，便于对无刷直流电机的运动进行精确控制，并具有很好的低速和零速性能。
附图说明
[0015] 图1无刷直流电机无位置传感器控制高频检测脉冲注入方法原理图
[0016] 图2高频检测脉冲注入方法的一种高频信号阻波器
[0017] 图3高频检测脉冲注入方法的一种变压器耦合电路
[0018] 图4一种高频脉冲信号源电路
[0019] 图5三相绕组电感差异与位置信号的对应关系
具体实施方式
[0020] 下面结合附图和实例对本发明做进一步说明。
[0021] 本发明的原理图如图1所示，其中控制器、无刷直流电机和功率开关与常见的无刷直流电机驱动系统相同。从图中可见，存在一套独立的高频检测脉冲注入机构部署在功率开关的输出侧，其中高频检测脉冲注入机构由信号源和耦合电路构成，高频检测脉冲不由功率开关元件产生，而直接根据控制器的高频信号频率指令或以固定频率形式由信号源产生，信号源产生的高频信号通过耦合电路直接传
递到无刷直流电机的电源线上。[0022] 高频脉冲注入点与功率开关之间有高频信号阻波器，在不影响电机的驱动电压的条件下避免高频检测脉冲进入电源。高频信号阻波器阻止高频脉冲信号通过功率开关和电源，并且避免了由于功率开关和电源的电感差异带来的检测误差。本发明中可以使用常用的高频信号阻波器，图2示出了一种高频信号阻波器，该高频信号阻波器由电感线圈、保护元件和调谐元件组成。
[0023] 耦合电路将高频信号传递到无刷直流电机的电源线上，并避免低频信号进入高频信号发生装置，图3示出了一种变压器耦合电路，对于不同的信号源可以选择不同的耦合电路。图4示出了一种高频脉冲信号源电路，该电路可以产生一个固定的高频脉冲信号，其输出频率f ＝1/[1.278(R 2+RP)C 1]，可见其高频信号的频率取决于电阻R 2、RP 和电容C 1的选择。检测机构由电压传感器和带通滤波器组成，电压传感器测量无刷直流电机的端电压信号，端电压信号经过带通滤波器滤波后送入控制器计算得到位置信号，控制器向功率开关发送驱动指令。
[0024] 该发明可以应用于任意无刷直流电机在任意运行状态下转子位置的检测。例如，在电机零速起动过程中，高频检测脉冲注入机构在起动过程中最先启动，在无刷直流电机的电源线上注入高频检测脉冲，在不同转子位置下无刷直流电机各相绕组电感差异不依赖于电机转子的运动，转子静止时也可以得到各相绕组电感差异，查出转子位置，并根据旋转方向确定下一换相点的位置信号，当这一位置信号被检测到，无刷直流电机则进行换相操作。
[0025] 无刷直流电机的凸极转子直轴、交轴方向的磁导率不同，各相绕组电感随着转子位置的不同发生变化，对于任意无刷直流电机的各相绕组电感都会随着转子位置的不同发生变化。以三相无刷直流电机为例，各相绕组电感如图5所示周期性变化。如表1所示360°电角度内，各相电感存在6个大小关系，360°电角度被分为6个区间，这6个区间内无刷直流电机功率开关的驱动信号互不相同。但无刷直流电机转子位置不同时电感差异较小，高频检测脉冲可以用来放大差异。
[0026] 无刷直流电机获得初始位置信号后，功率开关根据开关信号开始工作，调制方式选用PWM 调制或滞环控制等控制方法，当无刷直流电机进入正常运行状态，无刷直流电机电源线上存在电机的驱动电压，由于高频检测脉冲不依靠功率开关器件来产生，在无刷直流电机运行的任何时刻独立的高频检测脉冲注入机构都必须持续工作，无刷直流电机的电源线和绕组上始终存在高频检测脉冲和驱动电压脉冲，两者分频复用电源线与绕组。
[0027] 由于高频信号与电网隔离，本发明设计的方法不会对电网造成任何污染和影响。根据感抗的计算公式X L =2πfL ，当信号频率提高时，很小的电感差异被放大成很大的感抗差异。以三相无刷直流电机为例，电机的三相绕组上存在相同频率相同幅值的高频信号，当无刷直流电机的定子绕组星形连接，利用电压传感器测量无刷直流电机端电压，再利用带通滤波器滤波得到高频电压分量，高频电压分量与相电感成正比，比较高频电压分量的大小即可得到电感的大小关系，查表得到转子的位置，无刷直流电机的控制器根据位置信号控制无刷直流电机准确换相，进而稳定运行。三相绕组电感差异与
位置信号对应关系见表1。
[0028] 表1
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