一种基于端电压采样的无刷电机无传感器转子定位方法与流程

本发明属于电机驱动控制，具体地说，涉及一种无刷直流电机的无位置传感器控制方法，尤其涉及一种基于三相端电压采样、反电动势特征提取、锁相观测和虚拟霍尔换相的无刷电机无传感器转子定位方法，可应用于水泵、风扇、灯具散热组件、小型泵阀、家电执行器以及嵌入式无刷电机驱动控制系统。

背景技术：

1、无刷直流电机因具有结构简单、效率高、寿命长、调速性能好等优点，广泛应用于水泵、风扇、散热模组、家用电器和小型自动化设备中。传统无刷电机驱动通常采用霍尔传感器、编码器或旋转变压器检测转子位置，再根据检测到的转子位置信号控制三相逆变桥换相。然而，位置传感器会增加电机及驱动系统的成本、体积和接线复杂度，并且在潮湿、高温、振动、电磁干扰较强等环境下容易出现位置偏差或信号失效，影响电机运行可靠性。

2、为降低硬件成本和提高系统可靠性，现有技术中提出了多种无传感器控制方法。其中，基于端电压或反电动势过零点的检测方法较为常见。该类方法通常在电机两相导通、一相悬空时采集悬空相端电压，通过判断悬空相反电动势过零点来确定转子所在扇区，并在过零后延迟一定电角度进行换相。该方法实现简单、计算量低，适合成本敏感型嵌入式电机驱动产品。

3、但是，现有基于端电压过零检测的无传感器控制仍存在如下问题：第一，在低速或启动阶段，反电动势幅值较小，端电压信噪比较低，过零点容易受到开关尖峰、续流噪声、采样零漂和母线波动影响，导致转子位置判断不稳定。第二，在高占空比或接近满占空比运行时，传统方法依赖pwm关断期间采样悬空相端电压，而关断时间过短会导致有效采样窗口不足，甚至无法可靠获取反电动势过零信息。第三，为抑制pwm开关噪声，现有方法通常需要设置低通滤波器或软件滤波，但滤波器会引入相位滞后，电机转速越高，相位滞后对换相时刻的影响越明显，容易造成换相提前或滞后误差。第四，传统过零检测方法通常只能获得离散换相点或虚拟霍尔信号，难以获得连续转子电角度；在负载突变、堵转恢复、母线电压波动、非理想梯形反电动势或三相参数不一致的情况下，换相误差和转矩脉动较大。

4、因此，有必要提出一种能够在无中性点引出、低速信号弱、高占空比运行和负载突变工况下仍具有较好定位稳定性的无刷电机无传感器转子定位方法。

技术实现思路

1、为解决现有技术中基于端电压过零检测的无传感器控制方法存在的低速定位不稳定、高占空比采样窗口不足、滤波相位滞后、离散换相误差较大以及非理想反电动势适应性差的问题，本发明提供一种基于端电压采样的无刷电机无传感器转子定位方法。

2、本发明采用如下的技术方案：一种基于端电压采样的无刷电机无传感器转子定位方法，应用于包括三相逆变桥、端电压采样电路和控制器的无刷电机驱动系统，由所述控制器执行，包括：依据当前换相扇区确定悬空相；在与pwm载波同步的采样窗口内，获取三相端电压和母线电压；对获取的三相端电压和母线电压进行预处理，生成归一化端电压数据；基于所述归一化端电压数据构造不依赖电机中性点的端电压差分量；根据所述端电压差分量提取悬空相反电动势特征，并将相邻换相扇区的悬空相反电动势特征拼接为全电周期位置观测量；对所述全电周期位置观测量进行正交信号构造、幅值归一化和锁相跟踪，得到连续转子电角度；根据所述连续转子电角度生成虚拟霍尔信号和换相补偿量，并依据所述虚拟霍尔信号和换相补偿量输出三相逆变桥的pwm驱动信号。

3、优选地，所述在与pwm载波同步的采样窗口内，获取包括三相端电压和母线电压的采样数据，包括：所述控制器根据pwm占空比、母线电压、当前换相扇区和电机估计转速确定采样窗口；当pwm占空比低于预设占空比阈值时，所述控制器在pwm关断稳定区至少获取三相端电压中的悬空相端电压，并同步获取母线电压；当pwm占空比不低于预设占空比阈值时，所述控制器在pwm导通稳定区获取三相端电压，或者获取由三相端电压计算得到的线端电压差分量，并同步获取母线电压；其中，所述采样窗口避开三相逆变桥的死区、续流切换区以及换相后的尖峰衰减区。

4、优选地，所述对获取的三相端电压和母线电压进行预处理，生成归一化端电压数据，包括：所述控制器基于母线电压建立端电压归一化基准；基于电机未通电状态或换相稳定状态更新端电压采样偏置；基于相邻采样点的变化幅度识别开关噪声采样点；对所述开关噪声采样点执行剔除、限幅、插值或保持前一有效值处理，得到所述归一化端电压数据。

5、优选地，所述基于所述归一化端电压数据构造不依赖电机中性点的端电压差分量，包括：所述控制器根据三相端电压之间的线电压差、由三相端电压计算得到的虚拟中性点电压，或者相邻换相扇区的端电压组合量，构造与当前悬空相反电动势对应的端电压差分量。

6、优选地，所述根据所述端电压差分量提取悬空相反电动势特征，包括：所述控制器从所述端电压差分量中提取过零特征、斜率特征、半周期极性特征和扇区边界特征中的至少一种；并对提取的悬空相反电动势特征进行可信度判断；当所述悬空相反电动势特征满足幅值稳定条件、斜率一致条件和最小扇区持续时间条件时，所述控制器将该悬空相反电动势特征用于更新所述全电周期位置观测量。

7、优选地，所述将相邻换相扇区的悬空相反电动势特征拼接为全电周期位置观测量，包括：所述控制器按照六个换相扇区的电角度顺序，对各换相扇区内的悬空相反电动势特征进行极性统一和幅值归一化；将处理后的各换相扇区特征映射至0°至360°电角度范围；并根据各换相扇区对应的相位修正参数生成所述全电周期位置观测量。

8、优选地，所述相位修正参数由所述控制器根据电机估计转速、负载变化量、母线电压波动量和历史换相误差中的至少一种进行在线更新，用于补偿非理想反电动势、三相参数不一致和采样通道延迟引起的定位偏差。

9、优选地，所述对所述全电周期位置观测量进行正交信号构造、幅值归一化和锁相跟踪，得到连续转子电角度，包括：所述控制器将所述全电周期位置观测量转换为相互正交的观测分量；对所述相互正交的观测分量进行幅值归一化；根据归一化后的观测分量和当前估计电角度生成相位误差；根据所述相位误差生成转速修正量；根据所述转速修正量更新电角度累加值，得到所述连续转子电角度。

10、优选地，在电机启动阶段，所述控制器执行如下步骤：向定子绕组输出预定位脉冲，使转子进入预设初始换相扇区；按照预设换相顺序输出开环拖动信号，使电机升速；在开环拖动过程中获取三相端电压和母线电压，并生成端电压差分量；当所述端电压差分量的幅值、相邻扇区周期一致性和锁相跟踪误差满足预设切换条件时，所述控制器由开环拖动切换至基于端电压采样的闭环转子定位。

11、优选地，所述根据所述连续转子电角度生成虚拟霍尔信号和换相补偿量，包括：所述控制器将所述连续转子电角度划分为六个换相区间，并根据所述六个换相区间生成对应的虚拟霍尔信号；根据电机估计转速、pwm占空比、负载突变量和换相误差趋势中的至少一种生成换相提前角或换相滞后角；将所述换相提前角或换相滞后角作为所述换相补偿量，用于调整三相逆变桥的换相时刻。

12、其中历史换相误差由端电压差分量的过零时刻、锁相输出角度和实际换相时刻之间的偏差计算得到。

13、相比于现有技术，本发明至少具有以下有益效果：

14、本发明通过三相端电压同步采样和端电压差分量构造，无需设置霍尔传感器、编码器等机械位置检测器件，降低了系统成本、接线复杂度和故障风险。本发明不依赖电机中性点引出端，通过线电压差、虚拟中性点电压或相邻扇区端电压组合量获得与悬空相反电动势对应的定位信息，适用于多数无中性点引出的三相无刷电机。本发明根据pwm占空比、母线电压、换相扇区和估计转速自适应选择采样窗口，在低占空比和高占空比工况下均能够获得有效端电压信息，改善了传统关断采样方法在高占空比下采样窗口不足的问题。本发明对端电压采样值进行开关尖峰屏蔽、零漂校准和母线归一化处理，降低了开关噪声、采样通道偏置、母线波动对转子定位的影响。本发明将相邻换相扇区的反电动势特征连续拼接形成全电周期位置观测量，并通过正交信号构造和锁相跟踪得到连续转子电角度，相比单纯过零延时换相方法，能够获得更连续、更稳定的转子位置信息。本发明为不同换相扇区设置独立相位修正参数，并根据历史换相误差在线更新，有利于补偿非理想反电动势、三相参数不一致、采样通道延迟和负载扰动造成的定位偏差。本发明可根据连续转子电角度生成虚拟霍尔信号及换相提前或滞后补偿量，从而降低加速、堵转恢复、负载突变等工况下的换相转矩脉动，提高水泵、风扇、灯具散热电机等产品的启动稳定性和运行平顺性。