專利名稱：無(wú)刷直流電機(jī)的高頻檢測(cè)脈沖注入方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無(wú)刷直流電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種高頻檢測(cè)脈沖注入方法。
背景技術(shù)：
無(wú)刷直流電機(jī)最基本的特點(diǎn)在于無(wú)需電刷即可實(shí)現(xiàn)換相。無(wú)刷直流電機(jī)根據(jù)位置信號(hào)，依賴電子換向器按照一定的順序?yàn)楦飨嗤姡瑥亩∪チ穗姍C(jī)中容易損壞、需要經(jīng)常維護(hù)的電刷，降低了電機(jī)制造成本和維護(hù)成本，擴(kuò)展了應(yīng)用范圍。無(wú)刷直流電機(jī)的位置傳感器必須安裝在電機(jī)內(nèi)部對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行檢測(cè)，位置傳感器需要進(jìn)行維護(hù)，價(jià)格較高，限 制了無(wú)刷直流電機(jī)在惡劣條件下的穩(wěn)定高效運(yùn)行。無(wú)刷直流電機(jī)的無(wú)位置傳感器控制技術(shù)得到發(fā)展，無(wú)刷直流電機(jī)的無(wú)位置傳感器控制技術(shù)通過(guò)檢測(cè)無(wú)刷直流電機(jī)的一些電量信號(hào)或反應(yīng)得到無(wú)刷直流電機(jī)的位置信號(hào)，在這種控制方式下，無(wú)刷直流電機(jī)具有較高可靠性和抗干擾能力，克服了位置傳感器不準(zhǔn)確安裝帶來(lái)的位置檢測(cè)誤差和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。傳統(tǒng)電感法不依賴轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)就可以獲得轉(zhuǎn)子位置，其基本原理是在繞組中施加方波脈沖電壓，由于繞組的電樞反應(yīng)，根據(jù)測(cè)得的電流幅值比較后即可得到電感差異，再根據(jù)電感與轉(zhuǎn)子位置之間的關(guān)系得到位置信號(hào)。當(dāng)采用高頻脈沖電壓，提高了檢測(cè)次數(shù)，降低了檢測(cè)周期，進(jìn)而得到更加及時(shí)精確的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。頻分復(fù)用技術(shù)是通信工程中常用的技術(shù)之一，它將傳輸信息的信道劃分為若干個(gè)互相不重疊的子信道，每路信號(hào)占用其中一個(gè)頻段，在接收端采用合適的帶通濾波器將多路信號(hào)分開(kāi)，從而恢復(fù)所需要的信號(hào)。例如電力線載波通信設(shè)備是電力系統(tǒng)通信中的采用頻分復(fù)用技術(shù)的常用設(shè)備之一，它利用高壓輸電線作為有線通信的信道，為電力系統(tǒng)的遠(yuǎn)動(dòng)、保護(hù)、生產(chǎn)指揮、通信調(diào)度和行政業(yè)務(wù)通信提供了手段。傳統(tǒng)方法中，基于電感法原理的無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器的高頻檢測(cè)脈沖由功率開(kāi)關(guān)產(chǎn)生，高頻檢測(cè)脈沖與無(wú)刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)分時(shí)復(fù)用電源線和繞組。檢測(cè)位置信號(hào)時(shí)不能輸出驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)，影響了無(wú)刷直流電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制和調(diào)速，產(chǎn)生電機(jī)速度的偏差，特別是在電機(jī)起動(dòng)和低速運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)性能下降嚴(yán)重；同時(shí)也影響了高頻檢測(cè)脈沖注入的實(shí)時(shí)性，造成位置信號(hào)的不準(zhǔn)確。常用無(wú)刷直流電機(jī)電感差異小，檢測(cè)信號(hào)信噪比低，算法實(shí)現(xiàn)困難。功率開(kāi)關(guān)元件選定后最大開(kāi)關(guān)頻率固定，從而限制了高頻檢測(cè)脈沖信號(hào)頻率的提高，傳統(tǒng)方法依賴于的聞精度電流傳感器，提聞了系統(tǒng)成本，限制了檢測(cè)精度的提聞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種能夠提高檢測(cè)信號(hào)的精確度和實(shí)時(shí)性，降低系統(tǒng)的成本的無(wú)刷直流電機(jī)高頻檢測(cè)脈沖的注入方法，適用于無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器控制的應(yīng)用場(chǎng)合。為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種無(wú)刷直流電機(jī)的高頻檢測(cè)脈沖注入方法，其特征在于，該方法利用高頻信號(hào)源產(chǎn)生高頻檢測(cè)脈沖信號(hào)，高頻檢測(cè)脈沖信號(hào)通過(guò)耦合電路分別耦合到無(wú)刷直流電機(jī)各相的電源線和繞組上，通過(guò)電壓傳感器檢測(cè)無(wú)刷直流電機(jī)的各相的端電壓值，各相的端電壓值分別經(jīng)過(guò)帶通濾波器后得到各相端電壓的高頻電壓分量，根據(jù)高頻電壓分量的幅值、相位或瞬時(shí)值的差異得到位置信號(hào)，控制器根據(jù)位置信號(hào)實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)的無(wú)位置傳感器控制。作為優(yōu)選實(shí)施方式，所述的高頻檢測(cè)脈沖信號(hào)由獨(dú)立的信號(hào)源產(chǎn)生，高頻檢測(cè)脈沖信號(hào)與電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓分頻復(fù)用電源線和電機(jī)繞組；在高頻檢測(cè)脈沖信號(hào)的高頻脈沖注入點(diǎn)與功率開(kāi)關(guān)之間設(shè)置有高頻信號(hào)阻波器，用于避免高頻信號(hào)進(jìn)入電源和功率開(kāi)關(guān)，使各相端電壓高頻電壓分量的差異不受電源和功率開(kāi)關(guān)的影響。本發(fā)明的有益效果如下(I)本發(fā)明可以將高頻檢測(cè)脈沖頻率提高到500kHz以上，并且不依賴無(wú)刷直流電機(jī)的功率開(kāi)關(guān)元件即可注入高頻檢測(cè)脈沖，簡(jiǎn)化了控制算法的設(shè)計(jì)，降低了對(duì)功率開(kāi)關(guān)元件的要求，也降低了系統(tǒng)的成本。 (2)高頻檢測(cè)脈沖頻率的提高擴(kuò)大了各相繞組電感差異，可以直接利用電壓傳感器對(duì)高頻電壓分量進(jìn)行測(cè)量繼而獲得位置信號(hào)，從而避免了使用高精度的電流傳感器，也降低了系統(tǒng)的成本。(3)本發(fā)明設(shè)計(jì)了分頻復(fù)用無(wú)刷直流電機(jī)電源線和繞組的高頻檢測(cè)脈沖注入方法，在檢測(cè)位置信號(hào)的同時(shí)不影響無(wú)刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)，提高了位置信號(hào)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，便于對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精確控制，并具有很好的低速和零速性能。


圖I無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器控制高頻檢測(cè)脈沖注入方法原理2高頻檢測(cè)脈沖注入方法的一種高頻信號(hào)阻波器圖3高頻檢測(cè)脈沖注入方法的一種變壓器耦合電路圖4 一種高頻脈沖信號(hào)源電路圖5三相繞組電感差異與位置信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。本發(fā)明的原理圖如圖I所示，其中控制器、無(wú)刷直流電機(jī)和功率開(kāi)關(guān)與常見(jiàn)的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相同。從圖中可見(jiàn)，存在一套獨(dú)立的高頻檢測(cè)脈沖注入機(jī)構(gòu)部署在功率開(kāi)關(guān)的輸出側(cè)，其中高頻檢測(cè)脈沖注入機(jī)構(gòu)由信號(hào)源和耦合電路構(gòu)成，高頻檢測(cè)脈沖不由功率開(kāi)關(guān)元件產(chǎn)生，而直接根據(jù)控制器的高頻信號(hào)頻率指令或以固定頻率形式由信號(hào)源產(chǎn)生，信號(hào)源產(chǎn)生的高頻信號(hào)通過(guò)耦合電路直接傳遞到無(wú)刷直流電機(jī)的電源線上。高頻脈沖注入點(diǎn)與功率開(kāi)關(guān)之間有高頻信號(hào)阻波器，在不影響電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓的條件下避免高頻檢測(cè)脈沖進(jìn)入電源。高頻信號(hào)阻波器阻止高頻脈沖信號(hào)通過(guò)功率開(kāi)關(guān)和電源，并且避免了由于功率開(kāi)關(guān)和電源的電感差異帶來(lái)的檢測(cè)誤差。本發(fā)明中可以使用常用的高頻信號(hào)阻波器，圖2示出了一種高頻信號(hào)阻波器，該高頻信號(hào)阻波器由電感線圈、保護(hù)元件和調(diào)諧元件組成。
耦合電路將高頻信號(hào)傳遞到無(wú)刷直流電機(jī)的電源線上，并避免低頻信號(hào)進(jìn)入高頻信號(hào)發(fā)生裝置，圖3示出了一種變壓器耦合電路，對(duì)于不同的信號(hào)源可以選擇不同的耦合電路。圖4示出了一種高頻脈沖信號(hào)源電路，該電路可以產(chǎn)生一個(gè)固定的高頻脈沖信號(hào)，其輸出頻率f = 1/[1.278(R2+RP)CJ,可見(jiàn)其高頻信號(hào)的頻率取決于電阻R2、RP和電容C1的選擇。檢測(cè)機(jī)構(gòu)由電壓傳感器和帶通濾波器組成，電壓傳感器測(cè)量無(wú)刷直流電機(jī)的端電壓信號(hào)，端電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波器濾波后送入控制器計(jì)算得到位置信號(hào)，控制器向功率開(kāi)關(guān)發(fā)送驅(qū)動(dòng)指令。該發(fā)明可以應(yīng)用于任意無(wú)刷直流電機(jī)在任意運(yùn)行狀態(tài)下轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)。例如，在電機(jī)零速起動(dòng)過(guò)程中，高頻檢測(cè)脈沖注入機(jī)構(gòu)在起動(dòng)過(guò)程中最先啟動(dòng)，在無(wú)刷直流電機(jī)的電源線上注入高頻檢測(cè)脈沖，在不同轉(zhuǎn)子位置下無(wú)刷直流電機(jī)各相繞組電感差異不依賴于電機(jī)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子靜止時(shí)也可以得到各相繞組電感差異，查出轉(zhuǎn)子位置，并根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向確定下一換相點(diǎn)的位置信號(hào)，當(dāng)這一位置信號(hào)被檢測(cè)到，無(wú)刷直流電機(jī)則進(jìn)行換相操作。無(wú)刷直流電機(jī)的凸極轉(zhuǎn)子直軸、交軸方向的磁導(dǎo)率不同，各相繞組電感隨著轉(zhuǎn)子 位置的不同發(fā)生變化，對(duì)于任意無(wú)刷直流電機(jī)的各相繞組電感都會(huì)隨著轉(zhuǎn)子位置的不同發(fā)生變化。以三相無(wú)刷直流電機(jī)為例，各相繞組電感如圖5所示周期性變化。如表I所示360°電角度內(nèi)，各相電感存在6個(gè)大小關(guān)系，360°電角度被分為6個(gè)區(qū)間，這6個(gè)區(qū)間內(nèi)無(wú)刷直流電機(jī)功率開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)互不相同。但無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置不同時(shí)電感差異較小，高頻檢測(cè)脈沖可以用來(lái)放大差異。無(wú)刷直流電機(jī)獲得初始位置信號(hào)后，功率開(kāi)關(guān)根據(jù)開(kāi)關(guān)信號(hào)開(kāi)始工作，調(diào)制方式選用PWM調(diào)制或滯環(huán)控制等控制方法，當(dāng)無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)，無(wú)刷直流電機(jī)電源線上存在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓，由于高頻檢測(cè)脈沖不依靠功率開(kāi)關(guān)器件來(lái)產(chǎn)生，在無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)行的任何時(shí)刻獨(dú)立的高頻檢測(cè)脈沖注入機(jī)構(gòu)都必須持續(xù)工作，無(wú)刷直流電機(jī)的電源線和繞組上始終存在高頻檢測(cè)脈沖和驅(qū)動(dòng)電壓脈沖，兩者分頻復(fù)用電源線與繞組。由于高頻信號(hào)與電網(wǎng)隔離，本發(fā)明設(shè)計(jì)的方法不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成任何污染和影響。根據(jù)感抗的計(jì)算公式2 fL，當(dāng)信號(hào)頻率提高時(shí)，很小的電感差異被放大成很大的感抗差異。以三相無(wú)刷直流電機(jī)為例，電機(jī)的三相繞組上存在相同頻率相同幅值的高頻信號(hào)，當(dāng)無(wú)刷直流電機(jī)的定子繞組星形連接，利用電壓傳感器測(cè)量無(wú)刷直流電機(jī)端電壓，再利用帶通濾波器濾波得到高頻電壓分量，高頻電壓分量與相電感成正比，比較高頻電壓分量的大小即可得到電感的大小關(guān)系，查表得到轉(zhuǎn)子的位置，無(wú)刷直流電機(jī)的控制器根據(jù)位置信號(hào)控制無(wú)刷直流電機(jī)準(zhǔn)確換相，進(jìn)而穩(wěn)定運(yùn)行。三相繞組電感差異與位置信號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表
Io表I
權(quán)利要求
1.一種無(wú)刷直流電機(jī)的高頻檢測(cè)脈沖注入方法，其特征在于，該方法利用高頻信號(hào)源產(chǎn)生高頻檢測(cè)脈沖信號(hào)，高頻檢測(cè)脈沖信號(hào)通過(guò)耦合電路分別耦合到無(wú)刷直流電機(jī)各相的電源線和繞組上，通過(guò)電壓傳感器檢測(cè)無(wú)刷直流電機(jī)的各相的端電壓值，各相的端電壓值分別經(jīng)過(guò)帶通濾波器后得到各相端電壓的高頻電壓分量，根據(jù)高頻電壓分量的幅值、相位或瞬時(shí)值的差異得到位置信號(hào)，控制器根據(jù)位置信號(hào)實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)的無(wú)位置傳感器控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高頻檢測(cè)脈沖注入方法，其特征在于，所述的高頻檢測(cè)脈沖信號(hào)由獨(dú)立的信號(hào)源產(chǎn)生，高頻檢測(cè)脈沖信號(hào)與電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓分頻復(fù)用電源線和電機(jī)繞組。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高頻檢測(cè)脈沖注入方法，其特征在于，在高頻檢測(cè)脈沖信號(hào)的高頻脈沖注入點(diǎn)與功率開(kāi)關(guān)之間設(shè)置有高頻信號(hào)阻波器，用于避免高頻信號(hào)進(jìn)入電源和功率開(kāi)關(guān)，并使各相端電壓高頻電壓分量的差異不受電源和功率開(kāi)關(guān)的影響。
全文摘要
本發(fā)明屬于無(wú)刷直流電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種無(wú)刷直流電機(jī)的高頻檢測(cè)脈沖注入方法，該方法利用高頻信號(hào)源產(chǎn)生高頻檢測(cè)脈沖信號(hào)，高頻檢測(cè)脈沖信號(hào)通過(guò)耦合電路分別耦合到無(wú)刷直流電機(jī)各相的電源線和繞組上，通過(guò)電壓傳感器檢測(cè)無(wú)刷直流電機(jī)的各相的端電壓值，各相的端電壓值分別經(jīng)過(guò)帶通濾波器后得到各相端電壓的高頻電壓分量，根據(jù)高頻電壓分量的幅值、相位或瞬時(shí)值的差異得到位置信號(hào)，控制器根據(jù)位置信號(hào)實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)的無(wú)位置傳感器控制。本發(fā)明能夠提高檢測(cè)信號(hào)的精確度和實(shí)時(shí)性，降低系統(tǒng)的成本。
文檔編號(hào)H02P6/08GK102780430SQ20121023383
公開(kāi)日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2012年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月6日
發(fā)明者夏長(zhǎng)亮, 李新旻, 陳煒 申請(qǐng)人:天津大學(xué)