一種基于角度傳感器的無刷直流電機(jī)的換相方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種永磁無刷直流力矩電機(jī)的快速標(biāo)定換相方法，可用于光電吊艙力 矩電機(jī)的精確換相控制，適用裝有角度傳感器的所有的無刷直流力矩電機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002] 光電吊艙由穩(wěn)定平臺和有效載荷組成，穩(wěn)定平臺由陀螺、電機(jī)、角度傳感器及結(jié)構(gòu) 件等組成。其中，穩(wěn)定平臺的控制精度直接決定了光電吊艙的穩(wěn)定精度，進(jìn)而決定了載荷的 拍攝精度、畫面質(zhì)量等，因此必須實現(xiàn)穩(wěn)定平臺的高精度控制。永磁無刷直流力矩電機(jī)具有 功率密度大，電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)高等優(yōu)點，是穩(wěn)定平臺系統(tǒng)驅(qū)動的理想選擇。永磁無刷直流力 矩電機(jī)一般都由內(nèi)部安裝的霍爾傳感器進(jìn)行換相，霍爾傳感器一般安裝在超前反電動勢30 度的位置，由于霍爾傳感器存在安裝誤差和電機(jī)加工等原因，造成了永磁無刷直流力矩電 機(jī)存在換相轉(zhuǎn)矩脈動，換相轉(zhuǎn)矩脈動的存在限制了其在低速、高精度伺服控制中的應(yīng)用，因 此在這方面的研宄就顯得非常重要且很有實際意義。
[0003] 解決這一問題最根本的方法是要找到正確的換相點，目前有很多方法，比如采用 電流檢測或采用干擾觀測器、卡爾曼濾波等對換相點進(jìn)行校正等方法。這些方法雖然在克 服轉(zhuǎn)矩脈動方面有一定的效果，但均存在檢測電路復(fù)雜、需要被控對象的精確模型，不能快 速精確的確定換相點，工作量大等不足，不適于工程應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于角度傳感器的 永磁無刷直流力矩電機(jī)的換相方法，能夠快速、有效地檢測到無刷電機(jī)與角度傳感器安裝 的精確相對位置、進(jìn)而找到最佳的換相點，抑制電機(jī)換相引起的轉(zhuǎn)矩脈動、提尚系統(tǒng)的穩(wěn)定 精度。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種基于角度傳感器的無刷直流電機(jī)的換相方法，包 括如下步驟：
[0006] (1)將角度傳感器和無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子同軸安裝；
[0007] (2)對無刷直流電機(jī)中的三相進(jìn)行通電，使得電流從其中任意一相向另外兩相流 動，待轉(zhuǎn)子靜止后記錄角度傳感器的值Pn-1，n為正整數(shù)；
[0008] (3)對無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子先后兩次施加不同的外力，使得轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并先后靜止 在兩個不同的靜止位置，分別記錄兩個靜止位置所對應(yīng)的角度傳感器的值Pn和Pn+1 ;
[0009] (4)判斷（Pn+1-Pn) - (Pn-Pn-1)的絕對值是否小于y，如果小于則將與Pn對應(yīng)的 轉(zhuǎn)子位置記為無刷直流電機(jī)的零位，如果不小于則重復(fù)步驟（2)和（3)，直至確定出無刷直 流電機(jī)的零位；所述的y為誤差判別閾值，取值越小零位查找精度越高；所述的y< 10 ;
[0010] (5)以無刷直流電機(jī)的零位滯后或者超前30度作為換相點，依據(jù)各換相點所在的 位置編制電機(jī)換相表，并依據(jù)電機(jī)換相表進(jìn)行無刷直流電機(jī)的換相操作。
[0011] 所述的電機(jī)換相表為：
[0012]
[0013] 其中m為電機(jī)的極對數(shù)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周角度為2n，+表示電流流入，-表示電流流 出，A、B、C分別表示無刷直流電機(jī)的三相。
[0014] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：
[0015] (1)本發(fā)明采用角度傳感器進(jìn)行換相，相對于采用霍爾傳感器進(jìn)行換相，換相點精 確，轉(zhuǎn)矩脈動小；
[0016] (2)本發(fā)明方法可以快速標(biāo)定電機(jī)與角度傳感器的相對位置，有利于快速確定電 機(jī)的換相點，從而進(jìn)行精確換相；
[0017] (3)本發(fā)明方法不需要角度傳感器和電機(jī)的精確定位安裝，對角度傳感器和電機(jī) 的機(jī)械加工要求不高；
[0018] (4)本發(fā)明方法適用于所有安裝角度傳感器的無刷直流力矩電機(jī)，不需要任何電 參數(shù)計算，極大地簡化了調(diào)試人員的工作，節(jié)省了大量的人力物力，適用于工程應(yīng)用；
[0019] (5)本發(fā)明方法無需額外增加控制電路，可移植強(qiáng)，換相性能可靠。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發(fā)明方法的流程框圖；
[0021] 圖2為本發(fā)明三相橋式電路示意圖；
[0022] 圖3為本發(fā)明反電動勢波形示意圖；
[0023] 圖4為采用本發(fā)明方法的硬件系統(tǒng)組成框圖。
【具體實施方式】
[0024] 以下以光電吊艙的方位軸為例，詳細(xì)說明本發(fā)明的方法，流程如圖1所示。
[0025] 將光電吊艙的方位電機(jī)和方位角度傳感器進(jìn)行同軸安裝，在此，角度傳感器選用 旋轉(zhuǎn)變壓器，只選用粗通道，分辨率為16位，測角精度為1角分，電機(jī)選用無刷直流力矩電 機(jī)，10對極，三相120度安裝，輸出力矩為20000g.cm。安裝時無刷直流電機(jī)、角度傳感器及 所有零件裝配前必須清洗干凈，不準(zhǔn)帶有毛刺及多余物。裝配前，加入少量潤滑脂，并保證 摩擦力矩不大于200g.cm。
[0026] 裝配完成后，如圖2所示，無刷直流電機(jī)采用三相全橋進(jìn)行驅(qū)動，PWM1、PWM2為A 相的全橋驅(qū)動，PWM3、PWM4為B相的全橋驅(qū)動，PWM5、PWM6為C相的全橋驅(qū)動。對無刷直流 電機(jī)中的三相進(jìn)行通電，使得電流從A相向另外兩相流動，即A相的上半橋?qū)?，B、C的下 半橋?qū)?，也即PWM1、PWM4和PWM6導(dǎo)通，占空比PWM為90%，因摩擦力矩很小，可以忽略， 待轉(zhuǎn)子靜止后無刷直流電機(jī)停在電磁磁場與永磁磁場重合的位置，即輸出力矩T為0的位 置，了 =」一^~= 〇，即eA=eB+ec，其中，eA、eB、ec為電機(jī)反電動勢，《為電機(jī)轉(zhuǎn)速，i 為電機(jī)電流，因無刷直流電機(jī)三相120度安裝，所以無刷直流電機(jī)三相反電動勢均相差120 度，其反電動勢波形如圖3所示，其中，eA、eB、e。為電機(jī)反電動勢，0為無刷直流電機(jī)的電 角度。根據(jù)電機(jī)換相原理，由此無刷直流電機(jī)停止的位置向前或后推30度即為換相點。
[0027] 記錄旋轉(zhuǎn)變壓器的值Pn-1，n為正整數(shù)；施加外力到方位軸，方位軸電機(jī)會輸出一 定阻力。撤掉外力后，方位軸會振蕩，并最終停在某個位置。記錄此時旋轉(zhuǎn)變壓器的值Pn。 然后繼續(xù)施加外力轉(zhuǎn)動方位軸，記錄連續(xù)n個不同位置的旋變值，并計算相鄰兩值的差值。 若Pn+1-Pn和Pn-Pn-1差的絕對值為y，（y<10)，則Pn即可選為電機(jī)換相零位。測試 完成后，應(yīng)立刻關(guān)斷電源。此方法依據(jù)的原理是給無刷直流電機(jī)加電時輸出的力矩為0,所 以在尋找無刷直流電機(jī)換相零位時，方位軸必須配平，盡量減少摩擦力矩等干擾力矩對此 方法的干擾。
[0028] 旋轉(zhuǎn)變壓器的值2n對應(yīng)機(jī)械角度360度，電機(jī)的極對數(shù)為m，則電機(jī)360度電角度 對應(yīng)的機(jī)械角度為2n/m，2n/6m對應(yīng)電機(jī)的電角度為60度，電機(jī)旋轉(zhuǎn)電角度一周換相6次， 即每隔2n/6m換相一次。下面以正轉(zhuǎn)為例確定電機(jī)零位附近的換相相序。
[0029] 給電機(jī)通電時，輸出力矩為0的位置為電機(jī)的零位，即電角度為180度的位置，如 圖3所示。根據(jù)無刷直流電機(jī)反電動勢之間的關(guān)系，電機(jī)均在反電動勢的交點處換相，所以 以無刷直流電機(jī)的零位滯后或者超前30度作為換相點，則電機(jī)零位附近電機(jī)的換相相序 為B+C-，即電流從A相流向B相，此時電角度為150度到210度，減去零點后對應(yīng)的機(jī)械角 度為 0 ?2n/12m和llX2n/12m?2n/m。
[0030] 下面以此類推得到換相表，如表1所示。反轉(zhuǎn)亦然。其中m為電機(jī)的極對數(shù)，電機(jī) 旋轉(zhuǎn)一周角度為2n，+表示電流流入，-表示電流流出，A、B、C分別表示無刷直流電機(jī)的三 相。
[0031] 表1m對極電機(jī)換相表
[0032]
【主權(quán)項】
1. 一種基于角度傳感器的無刷直流電機(jī)的換相方法，其特征在于包括如下步驟： (1) 將角度傳感器和無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子同軸安裝； (2) 對無刷直流電機(jī)中的三相進(jìn)行通電，使得電流從其中任意一相向另外兩相流動，待 轉(zhuǎn)子靜止后記錄角度傳感器的值Pn-1，n為正整數(shù)； (3) 對無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子先后兩次施加不同的外力，使得轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并先后靜止在兩 個不同的靜止位置，分別記錄兩個靜止位置所對應(yīng)的角度傳感器的值Pn和Pn+1 ; ⑷判斷（Pn+l-Pn)-(Pn-Pn-l)的絕對值是否小于y，如果小于則將與Pn對應(yīng)的轉(zhuǎn)子 位置記為無刷直流電機(jī)的零位，如果不小于則重復(fù)步驟（2)和（3)，直至確定出無刷直流電 機(jī)的零位；所述的U為誤差判別閾值，取值越小零位查找精度越高； (5)以無刷直流電機(jī)的零位滯后或者超前30度作為換相點，依據(jù)各換相點所在的位置 編制電機(jī)換相表，并依據(jù)電機(jī)換相表進(jìn)行無刷直流電機(jī)的換相操作。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于角度傳感器的無刷直流電機(jī)的換相方法，其特征在 于：所述的電機(jī)換相表為：
其中m為電機(jī)的極對數(shù)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周角度為2n，+表示電流流入，-表示電流流出，A、B、C分別表示無刷直流電機(jī)的三相。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于角度傳感器的無刷直流電機(jī)的換相方法，其特 征在于：所述的U< 10。
【專利摘要】一種基于角度傳感器的無刷直流電機(jī)的換相方法，用于光電吊艙無刷直流力矩電機(jī)的換相控制。首先將角度傳感器和無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子同軸安裝，然后對無刷直流電機(jī)中的三相進(jìn)行通電，記錄角度傳感器的值，再施加外力，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并停到另一位置時再記錄角度傳感器的值，根據(jù)判定方法確定出無刷直流電機(jī)的零位。最后以無刷直流電機(jī)的零位滯后或者超前30度作為換相點，依據(jù)各換相點所在的位置編制電機(jī)換相表，并依據(jù)電機(jī)換相表進(jìn)行無刷直流電機(jī)的換相操作。本發(fā)明方法能夠有效快速地檢測到無刷直流電機(jī)與角度傳感器安裝的相對位置、抑制電機(jī)換相引起的轉(zhuǎn)矩脈動、提高系統(tǒng)的穩(wěn)定精度。
【IPC分類】H02P6-16
【公開號】CN104579045
【申請?zhí)枴緾N201410827893
【發(fā)明人】朱娜, 丁楠, 于嘯男
【申請人】北京航天控制儀器研究所
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2014年12月26日