一種直流無刷電機控制方法

《一種直流無刷電機控制方法》是中山大洋電機股份有限公司於2009年3月20日申請的專利，該專利的申請號為2009100381873，公布號為CN101841291A，授權公布日為2010年9月22日，發明人是趙勇、畢榮華。

《一種直流無刷電機控制方法》特徵在於：電機進入穩態工作後，轉子位置檢測單元向電機控制單元發出換相信號，電機控制單元提前或者延遲一定的補償電角度進行換相，記錄並比較每次用不同補償電角度的情況下的相電流值In，得到在該穩態工作條件時的最小相電流值Imin對應的最佳補償角αm，然後使電機以最佳補償角αm提前或者延遲換相。它在電機工作在穩態後，以最小的相電流值運行，節約電能，提高效率。

2016年12月7日，《一種直流無刷電機控制方法》獲得第十八屆中國專利優秀獎。

（概述圖為《一種直流無刷電機控制方法》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：一種直流無刷電機控制方法
• 公布號：CN101841291A
• 授權日：2010年9月22日
• 申請號：2009100381873
• 申請日：2009年3月20日
• 申請人：中山大洋電機股份有限公司
• 地址：廣東省中山市西區沙朗第三工業區
• 發明人：趙勇、畢榮華
• Int.Cl.：H02P6/14(2006.01)I
• 代理機構：中山市漢通智慧財產權代理事務所
• 代理人：古冠開
• 類別：發明專利

專利背景

以三相直流無刷電機為例說明其控制原理：如圖1所示，直流無刷驅動器包括電源部及控制部：電源部提供三相電源給電機，控制部則依需求轉換輸入電源頻率。電源部可以直接以直流電輸入或以交流電輸入（110伏/220伏），如果輸入是交流電先經轉換器（AC-DCconverter）轉成直流。不論是直流電輸入或交流電輸入要轉入電機線圈繞組前須先將直流電由換流器（inverter）轉成3相電壓來驅動電機。換流器（inverter）一般由6個功率電晶體（Q1～Q6）分為上臂（Q1、Q3、Q5）/下臂（Q2、Q4、Q6）連線電機作為控制流經電機線圈的開關。控制部則提供PWM（脈衝寬度調製）決定功率電晶體開關頻度及換流器（inverter）換相的時機。直流無刷電機一般希望使用在當負載變動時速度可以穩定於設定值而不會變動太大的速度控制，所以電機內部裝有能感應磁場的霍爾感測器（hall-sensor），做為速度之閉環迴路控制，同時也做為相序控制的依據。

要讓電機轉動起來，首先控制部就必須根據hall-sensor感應到的電機轉子所在位置，然後依照定子繞線決定開啟或關閉換流器（inverter）中功率電晶體的順序，如下圖1中inverter中之AH、BH、CH（這些稱為上臂功率電晶體）及AL、BL、CL（這些稱為下臂功率電晶體），使電流依序流經電機線圈產生順向（或逆向）旋轉磁場，並與轉子的磁鐵相互作用，如此就能使電機順時/逆時轉動。當電機轉子轉動到hall-sensor感應出另一組信號的位置時，控制部又再開啟下一組功率電晶體，如此循環電機就可以依同一方向繼續轉動直到控制部決定要電機轉子停止則關閉功率電晶體（或只開下臂功率電晶體）；要電機轉子反向則功率電晶體開啟順序相反。基本上功率電晶體的開法可舉例如下：AH、BL一組→AH、CL一組→BH、CL一組→BH、AL一組→CH、AL一組→CH、BL一組很明顯在圖1的無刷電機一個周期需要換相六次，每次分別接通不同的線圈繞組：W、V→W、U→V、U→V、W→U、W→U、V。

截至2009年3月，直流無刷電機可以根據客戶要求的條件下運行，例如恆速、恆力矩、恆功率等條件下，電機控制器利用閉環控制可以使電機按預設條件下穩定運行，例如，要求直流無刷電機以1200轉/分鐘運行，當電機控制器使電機以1200轉/分鐘運行後即進入一個穩定的狀態。

傳統的電機換相是通過專門測量單元測量轉子位置來實現，測量單元可以是霍爾感測器或者測量線圈繞組的反電動勢，但在安裝霍爾感測器的位置誤差或者測量單元的電子元器件的精度問題，往往測量到轉子的換相位置不是最合適的換相位置，從而使各相繞組的工作電流過大，能耗增加。

發明內容

專利目的

《一種直流無刷電機控制方法》的一個目的是提供一種直流無刷電機控制方法，在電機工作在穩態後，以最小的相電流值運行，節約電能，提高效率。

技術方案

《一種直流無刷電機控制方法》特徵在於：電機進入穩態工作後，轉子位置檢測單元向電機控制單元發出換相信號，電機控制單元提前或者延遲一定的補償電角度αn進行換相，記錄並比較每次用不同補償電角度αn的情況下的相電流值In，得到在該穩態工作條件時的最小相電流值Imin對應的最佳補償角αm，然後使電機以最佳補償角αm提前或者延遲換相。

上述所述在該穩態工作時的最小相電流值Imin對應的最佳補償角αm可以通過如下方法得到：

S01：電機進入穩態後，轉子位置檢測單元檢測電機的轉子位置，電機控制單元正常換相，通過電流檢測電路檢測此時的電機定子的平均相電流I0；

S02：確定在該穩態條件時的最小補償電角度Δα；

S03：通過轉子位置檢測單元檢測到的電機轉子正常換相位置時，提前或者延遲一個補償電角度Δα換相；通過電流檢測電路檢測此時的電機定子的平均相電流I1；比較I0和I1相電流值可知是提前還是延時換相；

S04：按最小補償電角度單位Δα累計增加補償電角度nΔα（n＝2，3，4，...），根據步驟S03確定的提前或者延時換相關係，在通過轉子位置檢測單元檢測到的電機轉子正常換相位置時，提前或者延遲該補償電角度nΔα換相；通過電流檢測電路檢測每次改變補償電角度值後的電機定子的平均相電流In，比較用不同補償電角度的情況下的相電流值In，尋找到最小相電流值Imin和對應的最佳補償角αm。

上述所述的穩態是電機在特定控制要求下的運行狀態，可以是恆速運行穩態、可以恆力矩運行穩態、或者是恆功率運行的穩態。

上述所述對於單相直流無刷電機，所述的換相信號是指電流換向信號。

改善效果

在電機工作在穩態後，通過追蹤電機換相時的最小的相電流值運行對應的最佳補償角，使電機以最佳補償角αm提前或者延遲在換相或者換向，使線圈繞組工作電流處於最小值，從而節約電能，降低運行成本。

附圖說明

圖1是直流無刷電機的運行原理圖；

圖2是《一種直流無刷電機控制方法》的流程圖。

圖3是《一種直流無刷電機控制方法》實施例一的換相電角度示意圖；

圖4是《一種直流無刷電機控制方法》實施例一的結構示意圖；

圖5是《一種直流無刷電機控制方法》實施例二的電路原理圖。

技術領域

《一種直流無刷電機控制方法》涉及無刷電機及電子控制換相技術領域，特別涉及一種直流無刷電機的控制方法。

權利要求

1.《一種直流無刷電機控制方法》特徵在於：電機進入穩態工作後，轉子位置檢測單元向電機控制單元發出換相信號，電機控制單元提前或者延遲一定的補償電角度進行換相，記錄並比較每次用不同補償電角度的情況下的相電流值In，得到在該穩態工作條件時的最小相電流值Imin對應的最佳補償角αm，然後使電機以最佳補償角αm提前或者延遲換相。

2.根據權利要求1所述的一種直流無刷電機控制方法，其特徵在於：在該穩態工作時的最小相電流值Imin對應的最佳補償角αm可以通過如下方法得到：

S01：電機進入穩態後，轉子位置檢測單元檢測電機的轉子位置，電機控制單元正常換相，通過電流檢測電路檢測此時的電機定子的平均相電流I0；

S02：確定在該穩態條件時的最小補償電角度Δα；

S03：通過轉子位置檢測單元檢測到的電機轉子正常換相位置時，提前或者延遲一個補償電角度Δα換相；通過電流檢測電路檢測此時的電機定子的平均相電流I1；比較I0和I1相電流值可知是提前還是延時換相；

S04：按最小補償電角度單位Δα累計增加補償電角度nΔα（n＝2，3，4，...），根據步驟S03確定的提前或者延時換相關係，在通過轉子位置檢測單元檢測到的電機轉子正常換相位置時，提前或者延遲該補償電角度nΔα換相；通過電流檢測電路檢測每次改變補償電角度值後的電機定子的平均相電流In，比較用不同補償電角度的情況下的相電流值In，尋找到最小相電流值Imin和對應的最佳補償角αm。

3.根據權利要求1或2所述的一種直流無刷電機控制方法，其特徵在於：所述的穩態是電機在特定控制要求下的運行狀態，可以是恆速運行穩態、可以恆力矩運行穩態、或者是恆功率運行的穩態。

4.根據權利要求1或2所述的一種直流無刷電機控制方法，其特徵在於：對於單相直流無刷電機，所述的換相信號是指電流換向信號。

實施方式

如圖2所示，《一種直流無刷電機控制方法》的一種直流無刷電機控制方法，其特徵在於：電機進入穩態工作後，轉子位置檢測單元向電機控制單元發出換相信號，電機控制單元提前或者延遲一定的補償電角度進行換相，記錄並比較每次用不同補償電角度的情況下的相電流值In，得到在該穩態工作條件時的最小相電流值Imin對應的最佳補償角αm，然後使電機以最佳補償角αm提前或者延遲換相。

上述所述在該穩態工作時的最小相電流值Imin對應的最佳補償角αm可以通過如下方法得到：

S01：電機進入穩態後，轉子位置檢測單元檢測電機的轉子位置，電機控制單元正常換相，通過電流檢測電路檢測此時的電機定子的平均相電流I0；

S02：確定在該穩態條件時的最小補償電角度Δα；

S03：通過轉子位置檢測單元檢測到的電機轉子正常換相位置時，提前或者延遲一個補償電角度Δα換相；通過電流檢測電路檢測此時的電機定子的平均相電流I1；比較I0和I1相電流值可知是提前還是延時換相；

S04：按最小補償電角度單位Δα累計增加補償電角度nΔα（n＝2，3，4，...），根據步驟S03確定的提前或者延時換相關係，在通過轉子位置檢測單元檢測到的電機轉子正常換相位置時，提前或者延遲該補償電角度nΔα換相；通過電流檢測電路檢測每次改變補償電角度值後的電機定子的平均相電流In，比較用不同補償電角度的情況下的相電流值In，尋找到最小相電流值Imin和對應的最佳補償角αm。所述的穩態是電機在特定控制要求下的運行狀態，可以是恆速運行穩態、可以恆力矩運行穩態、或者是恆功率運行的穩態。

• 實施例一

見圖1、圖3、圖4所示，以三相直流無刷電機為例說明《一種直流無刷電機控制方法》的控制方法，圖3中設定有六個換相時刻，分別為T1、T2、T3、T4、T5、T6，經過6次換相後形成一個換相周期，電機轉子轉動一圈，開關管的動作如下：AH、BL一組→AH、CL一組→BH、CL一組→BH、AL一組→CH、AL一組→CH、BL一組，每次分別接通不同的線圈繞組：W、V→W、U→V、U→V、W→U、W→U、V。從理論上講，60度的電角度換相一次，但在安裝霍爾感測器的位置誤差或者測量單元的電子元器件的精度問題，往往測量到轉子的換相位置不是最合適換相位置，從而使各相繞組的工作電流過大，能耗增加。因此，在電機進入穩態後（例如以1000轉/分恆速運動），需要尋找最佳的換相位置，使相電流最小。從圖4中，也可以看出一個周期有6個換相時間點，定子1上的霍爾感測器3可以感應轉子2所處位置，當轉子到達某個位置，霍爾感測器3馬上發出換相信號。

假設T1時刻霍爾感測器發出信號，開關管的動作如下：AH、BL一組打開通電，線圈繞組W、V得電開始工作，

現採用如下方法獲得最小相電流值Imin和對應的最佳補償角αm：

A：S01：電機進入穩態後，轉子位置檢測單元檢測電機的轉子位置，電機控制單元正常換相，通過電流檢測電路檢測此時的電機定子的平均相電流I0；

B：確定在該穩態條件時的最小補償電角度Δα＝0.1度；

C：提前電角度單位Δα＝0.1度換相，記錄相電流值I1，並比較相電流值I1與初始相電流值I0的大小，則判斷出，提前還是延遲換相。

若提前換相（I1＜I0），下次換相時，提前2Δα＝0.2度換相，並記錄相電流值I2，比較相電流值I2與I1的大小，若I2＜I1，換相時繼續增大補償電角度，提前補償電角度nΔα換相；若n＝8時，若In-1＜In，則Imin＝In-1，αm＝7Δαn；尋找到最小相電流值Imin和對應的最佳補償角αm。那末，在該穩態的情況下，開關管AH、BL一組打開通電的最佳角度是比正常換相提前0.7度換相，使線圈繞組W、V得工作電流最小。其它繞組的換相方法可以參考上述方法。

若延遲換相時（I1＞I0），下次換相時，延遲2Δα＝0.2度換相，並記錄相電流值I2，比較相電流值I2與I1的大小，若I2＜I1，換相時繼續增大補償電角度，延時補償電角度nΔα換相；若n＝8時，若In-1＜In，則Imin＝In-1，αm＝7Δαn；尋找到最小相電流值Imin和對應的最佳補償角αm。那末，在該穩態的情況下，開關管AH、BL一組打開通電的最佳角度是比正常換相延遲0.7度換相，使線圈繞組W、V得工作電流最小。其它繞組的換相方法可以參考上述方法。

• 實施例二

如圖5所示的單相直流無刷電機，它不存在換相問題，但需要換向，即改變電流方向。通過打開開關管Q1、Q4可以實現電流的一個流向，通過打開開關管Q2、Q3可以實現電流的另一個流向，從理論上講，180度的電角度換向一次，但在安裝霍爾感測器的位置誤差或者測量單元的電子元器件的精度問題，往往測量到轉子的換向位置不是最合適的換向位置，從而使繞組的工作電流過大，能耗增加。因此，在電機進入穩態後（例如以1000轉/分恆速運動），需要尋找最佳的換向位置，使相電流最小。

假設某時刻霍爾感測器發出信號，開關管Q1、Q4的動作，線圈繞組得電開始工作，現採用如下方法獲得最小相電流值Imin和對應的最佳補償角αm：

A：程式開始運作時，記錄第一次換向的初始相電流值I0；

B：確定在該穩態條件時的最小補償電角度Δα＝0.2度；

C：延遲電角度單位Δα＝0.2度換向，記錄相電流值I1，並比較相電流值I1與初始相電流值I0的大小，假設I1＜I0，則判斷出，應該延遲換向，下次換向時，延遲2Δα＝0.4度換相，並記錄相電流值I2，比較相電流值I2與I1的大小，若I2＜I1，換向時繼續增大補償電角度，當延時補償電角度nΔα換相，若n＝8時，若I7＜I8，則Imin＝I7，αm＝7Δαn＝1.4度；尋找到最小相電流值Imin和對應的最佳補償角αm。那末，在該穩態的情況下，開關管Q1、Q4一組打開通電的最佳角度是滯後電角度1.4度換向，使線圈繞組工作電流最小。開關管Q2、Q3換向方法可以參考上述方法。

榮譽表彰

2016年12月7日，《一種直流無刷電機控制方法》獲得第十八屆中國專利優秀獎。