一种无刷电机消磁换相的滤波方法与流程

一种无刷电机消磁换相的滤波方法
【技术领域】
1.本发明涉及无刷无感电机领域，尤其涉及一种无刷电机消磁换相的滤波方法。


背景技术：

2.无刷电机以其启动转矩大、调速性能好、效率高、过载能力强、性能稳定、控制结构简单等优点，同时还保留了普通电机优良的机械特性，已经在越来越多的行业广泛应用，如汽车、工具、工业工控、自动化以及航空航天等等。
3.无刷电机采用无传感器方波驱动控制时，依靠反电动势或采集相电压获取转子位置信息，并依靠反电动势过零点获取换相信息。当无刷电机负载工作时，由于定子绕组的感性特性使得悬空相存在续流电能，从而产生消磁现象，尤其在大功率负载条件下，消磁现象特别明显，表现为悬空相反电动势波形突变升高或降低，而该消磁现象会引起反电动势误检测，带来假的过零点，导致换相信息产生误差、影响电机控制性能，甚至异常停机。
4.因此，有必要设计一种无刷电机消磁换相的滤波方法，以解决上述问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种无刷电机消磁换相的滤波方法，用于过滤悬空相反电动势消磁点波形。
6.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种无刷电机消磁换相的滤波方法，过滤悬空相反电动势消磁点波形，包括如下步骤：
8.第一步：控制器以设定的时间间隔中断进行采样，在pwm-on阶段，实时采集无刷电机两导通相与一悬空相相电压，其中，悬空相相电压即为悬空相反电动势；
9.第二步：当悬空相反电动势处于上升趋势时，判断悬空相反电动势是否满足高压预设条件，若满足，过滤掉悬空相反电动势高压部分的波形并进入下一个时间间隔中断进行采样并重复第二步判断，否则进入第三步；
10.第三步：判断悬空相反电动势是否满足第一中压预设条件，若满足，进入第四步，否则进入下一个时间间隔中断进行采样并重复第三步判断；
11.第四步：判断悬空相反电动势是否满足第一实压预设条件，若满足，进入过零中断处理程序，否则过滤掉悬空相反电动势下降沿部分的波形并进入下一个时间间隔中断进行采样并重复第四步判断；
12.第五步：当悬空相反电动势处于下降趋势时，判断悬空相反电动势是否满足低压预设条件，若满足，过滤掉悬空相反电动势低压部分的波形并进入下一个时间间隔中断进行采样并重复第五步判断，否则进入第六步；
13.第六步：判断悬空相反电动势是否满足第二中压预设条件，若满足，进入第七步；否则进入下一个时间间隔中断进行采样并重复第六步判断；
14.第七步：判断悬空相反电动势是否满足第二实压预设条件，若满足，则进入过零中
断处理程序，否则过滤掉悬空相反电动势上升沿部分的波形并进入下一个时间间隔中断进行采样并重复第七步判断。
15.进一步地，所述无刷电机两导通相分为上桥导通相与下桥导通相，其相电压值分别记为vh、vl，所述悬空相反电动势记为ve，所述高压预设条件为：ve＞a％vh；所述第一中压预设条件为：ve≥b％vh；所述第一实压预设条件为：ve＞veback voffset；所述低压预设条件为：ve＜c％vh；所述第二中压预设条件为：ve≤d％vh；所述第二实压预设条件为：ve＜veback voffset，其中veback为上一次采集的ve值，voffset为电压偏移值。
16.进一步地，所述a的取值范围为70～90，b的取值范围为40～60，c的取值范围为10～30，d的取值范围为40～60。
17.进一步地，所述voffset取值为所述控制器设定的多个ad值且所述voffset的值小于所述ve变化率的值，其中，所述ve变化率的值为在一个电换相周期内，反电动势单位时间内电压的变化值，所述电换相周期为：当前换相开始至下一个换相开始之间的这段时间。
18.进一步地，该方法基于无刷电机消磁换相滤波电路，此电路包括电源、三相逆变器、无刷电机及控制器，所述电源与所述三相逆变器电连接并用于驱动所述无刷电机，所述控制器通过功率驱动模块与所述三相逆变器电连接，用于控制所述无刷电机进行换相。
19.进一步地，所述控制器包括adc模块、与所述adc模块电连接的存储单元、与所述存储单元电连接的运算模块、与所述运算模块电连接的计时单元及pwm控制模块，所述adc模块通过电压采样电路与所述三相逆变器电连接，用于采集所述无刷电机两导通相相电压与一悬空相反电动势并存储于存储单元；
20.所述运算模块，调用所述存储单元的电压数据并用于判断所述悬空相反电动势是否满足所述高压预设条件或所述第一中压预设条件或所述第一实压预设条件或所述低压预设条件或所述第二中压预设条件或所述第二实压预设条件；
21.所述pwm控制模块电连接于功率驱动模块，用于控制所述三相逆变器的开关管通断以驱动无刷电机运行；
22.所述计时单元电连接于所述adc模块及所述pwm控制模块，用于控制电压采样的时间间隔，同时用于控制所述adc模块在pwm-on阶段进行电压采样。
23.进一步地，所述无刷电机三相记为a相、b相、c相，所述三相逆变器包括上桥开关管q1～q3、下桥开关管q4～q6，所述上桥开关管q1～q3漏极均电连接于电源正极，所述下桥开关管q4～q6源极均电连接于电源负极，所述上桥开关管q1源极电连接于a相，所述上桥开关管q2源极电连接于b相，所述上桥开关管q3源极电连接于c相，所述上桥开关管q1～q3、下桥开关管q4～q6的栅极均电连接于功率驱动模块；
24.所述电压采样电路包括分压电阻r1～r6，所述分压电阻r1与所述分压电阻r2串联，且所述分压电阻r1上端电连接于所述开关管q1源极与所述a相之间，所述分压电阻r2下端接地；
25.所述分压电阻r3与所述分压电阻r4串联，且所述分压电阻r3上端电连接于所述开关管q2源极与所述b相之间，所述分压电阻r4下端接地；
26.所述分压电阻r5与所述分压电阻r6串联，且所述分压电阻r5上端电连接于所述开关管q3源极与所述c相之间，所述分压电阻r6下端接地；
27.所述分压电阻r1与r2之间、r3与r4之间、r5与r6之间均电连接于所述adc模块。
28.进一步地，所述过零中断处理程序为所述无刷电机三相进行换相操作，即在检测到所述悬空相反电动势过零点后，根据换相点滞后过零点30
°
电角度，设置对应的延迟时间，当延迟时间到达后，电机换相进入下一个工作状态。
29.进一步地，所述控制器采用mcu控制器。
30.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：通过在一个电换相周期内，设置不同的悬空相反电动势满足的预设条件，在悬空相反电动势处于上升趋势时，过滤掉悬空相反电动势高压部分的波形，即过滤掉消磁点波形，保证在悬空相反电动势波形上升沿阶段判断过零；在悬空相反电动势处于下降趋势时，过滤掉悬空相反电动势低压部分的波形，即过滤掉消磁点波形，保证在悬空相反电动势下降沿阶段判断过零，进而降低悬空相反电动势过零检测的失误率，提高换相精确度及电机控制性能，保证电机的正常运行。
【附图说明】
31.下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细的说明：
32.图1是本发明无刷电机消磁换相的滤波电路图；
33.图2为本发明无刷电机悬空相反电动势波形图；
34.图3为本发明无刷电机消磁换相的滤波流程图。
35.图中附图标记的含义：
36.1、控制器 2、计时单元 3、运算模块 4、adc模块 5、存储单元 6、电源 7、三相逆变器 8、无刷电机 9、功率驱动模块 10、pwm控制模块 11、电压采样电路
【具体实施方式】
37.下面结合附图和实施方式对本发明作进一步详细说明。
38.在本发明中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。例如下述的“上”、“下”等指示方位或位置关系的词语仅基于附图所示的方位或位置关系，仅为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的电子元件必须具有特定的方位或以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
39.如图1至图3所示一种无刷电机消磁换相的滤波方法，过滤悬空相反电动势消磁点波形，包括如下步骤：
40.第一步：计时单元2以设定的时间间隔中断进行采样，在pwm-on阶段，adc模块4实时采集无刷电机8两导通相与一悬空相相电压，其中，悬空相相电压即为悬空相反电动势，时间间隔中断即为adc模块4采集电压的时间间隔中断；该步骤中，初始状态通过同步pwm周期中断，确保adc模块4采集电压时，从pwm-on阶段开始，当adc模块4采集到pwm-off阶段时，直接进入下一个pwm周期中断；
41.第二步：当控制器1检测到悬空相反电动势处于上升趋势时，运算模块3判断悬空相反电动势是否满足高压预设条件，若满足，过滤掉悬空相反电动势高压部分的波形并进入下一个时间间隔中断进行采样并重复第二步判断，否则进入第三步；
42.第三步：运算模块3判断悬空相反电动势是否满足第一中压预设条件，若满足，进入第四步，否则进入下一个时间间隔中断进行采样并重复第三步判断；
43.第四步：运算模块3判断悬空相反电动势是否满足第一实压预设条件，若满足，进
入过零中断处理程序，并进入下一个电换相周期进行采集同时返回第一步，否则过滤掉悬空相反电动势下降沿部分的波形并进入下一个时间间隔中断进行采集并重复第四步判断；
44.第五步：当控制器1检测到悬空相反电动势处于下降趋势时，运算模块3判断悬空相反电动势是否满足低压预设条件，若满足，过滤掉悬空相反电动势低压部分的波形并进入下一个时间间隔中断进行采样并重复第五步判断，否则进入第六步；
45.第六步：运算模块3判断悬空相反电动势是否满足第二中压预设条件，若满足，进入第七步；否则进入下一个时间间隔中断进行采样并重复第六步判断；
46.第七步：运算模块3判断悬空相反电动势是否满足第二实压预设条件，若满足，则进入过零中断处理程序，并进入下一个电换相周期进行采集同时返回第一步，否则过滤掉悬空相反电动势上升沿部分的波形并进入下一个时间间隔中断进行采样并重复第七步判断。
47.所述无刷电机8两导通相分为上桥导通相与下桥导通相，其相电压值分别记为vh、vl，所述悬空相反电动势记为ve，所述高压预设条件为：ve＞a％vh；所述第一中压预设条件为：ve≥b％vh；所述第一实压预设条件为：ve＞veback voffset；所述低压预设条件为：ve＜c％vh；所述第二中压预设条件为：ve≤d％vh；所述第二实压预设条件为：ve＜veback-voffset，其中veback为上一次采集的ve值，voffset为电压偏移值并预设存储于存储单元中。
48.所述a的取值范围为70～90，进一步取值为70～75、75～80、80～85、85～90，b的取值范围为40～60，进一步取值为40～45、45～50、50～55、55～60，c的取值范围为10～30，进一步取值为10～15、15～20、20～25、25～30，d的取值范围为40～60，进一步取值为40～45、45～50、50～55、55～60，优选地，a取值为85，b取值为50，c取值为15，d取值为50；所述voffset取值为所述控制器1设定的多个ad值且所述voffset的值小于所述ve变化率的值，其中，所述ve变化率的值为在一个电换相周期内，反电动势单位时间内电压的变化值，其中，所述ad值为mcu控制器单个外设精度对应的基准电压值，所述电换相周期为：当前换相开始至下一个换相开始之间的这段时间。
49.以上滤波方法基于无刷电机消磁换相滤波电路，如图1所示，此电路包括电源6、三相逆变器7、无刷电机8及控制器1，所述电源6与所述三相逆变器7电连接并用于驱动所述无刷电机8，所述控制器1通过功率驱动模块9与所述三相逆变器7电连接，用于控制所述无刷电机8进行换相；其中，所述控制器1采用mcu控制器，所述无刷电机8采用“两相导通三相六状态”方式运行，每个工作状态只有两相导通，第三相为悬空相。
50.所述控制器1包括adc模块4、与所述adc模块4电连接的存储单元5、与所述存储单元5电连接的运算模块3、与所述运算模块3电连接的计时单元2及pwm控制模块10，所述adc模块4通过电压采样电路11与所述三相逆变器7电连接，用于采集所述无刷电机8两导通相相电压与一悬空相反电动势并存储于存储单元5；
51.所述运算模块3，调用所述存储单元5的电压数据，如两导通相相电压vh、vl与一悬空相反电动势ve，并用于判断所述悬空相反电动势是否满足所述高压预设条件或所述第一中压预设条件或所述第一实压预设条件或所述低压预设条件或所述第二中压预设条件或所述第二实压预设条件；所述pwm控制模块10电连接于功率驱动模块9，用于控制所述三相逆变器7的开关管通断以驱动无刷电机8运行；所述计时单元2电连接于所述adc模块4及所
述pwm控制模块10，用于控制电压采样的时间间隔，同时用于控制所述adc模块4在pwm-on阶段进行电压采样。
52.所述无刷电机8三相记为a相、b相、c相，所述三相逆变器7包括上桥开关管q1～q3、下桥开关管q4～q6，所述上桥开关管q1～q3漏极均电连接于电源正极，所述下桥开关管q4～q6源极均电连接于电源负极，所述上桥开关管q1源极电连接于a相，所述上桥开关管q2源极电连接于b相，所述上桥开关管q3源极电连接于c相，所述上桥开关管q1～q3、下桥开关管q4～q6的栅极均电连接于功率驱动模块9；
53.所述电压采样电路11包括分压电阻r1～r6，所述分压电阻r1与所述分压电阻r2串联，且所述分压电阻r1上端电连接于所述开关管q1源极与所述a相之间，所述分压电阻r2下端接地；所述分压电阻r3与所述分压电阻r4串联，且所述分压电阻r3上端电连接于所述开关管q2源极与所述b相之间，所述分压电阻r4下端接地；所述分压电阻r5与所述分压电阻r6串联，且所述分压电阻r5上端电连接于所述开关管q3源极与所述c相之间，所述分压电阻r6下端接地；所述分压电阻r1与r2之间、r3与r4之间、r5与r6之间均电连接于所述adc模块4。
54.所述过零中断处理程序为所述无刷电机三相进行换相操作，即在检测到所述悬空相反电动势过零点后，根据换相点滞后过零点30
°
电角度，设置对应的延迟时间，当延迟时间到达后，电机换相进入下一个工作状态。
55.上述提及的ve变化率的值可为：假设无刷电机8工作电压20v，无刷电机8为二对极，转速为25000r/min，则一个电换相周期为60*106/(12*25000)＝200us，则悬空相反电动势一个电节拍(200us)从0v上升到20v或20v下降到0v，1us ve变化率的值为100mv；其中，12为6个电节拍*2对极，60*106为1分钟＝60*106us；
56.上述提及的voffset值可为：如r1＝r3＝r5＝30k,r2＝r4＝r6＝4.3k，voffset取值为6个ad值，例如adc模块4采样精度为12位(即ad总数为4096)，采样时间间隔为10us，mcu控制器工作电压为3.3v，那么单个外设精度(即每一份ad)对应的基准电压值为3.3*34.3/(4096*4.3)＝6.43mv，则voffset取值为6.43*6＝38.58mv,对应的10us内ve变化率的值为1000mv，即voffset取值小于ve变化率的值，这样当adc模块4采集悬空相反电动势时，能够过滤掉采集在不稳定杂波上的电压值，进而提高电压采集准确度，同时保证当悬空相反电动势处于上升趋势时，adc模块4在悬空相反电动势上升沿阶段判断过零，当悬空相反电动势处于下降趋势时，adc模块4在悬空相反电动势下降沿阶段判断过零，进而降低悬空相反电动势过零检测的失误率。
57.结合附图3所示，本发明的优选地滤波方法如下：
58.s1：进入时间间隔中断；
59.s2：判断该时间间隔中断是否处于pwm-on阶段，若是，则进入s3；否则，返回s1；
60.s3：adc模块4采集两导通相相电压vh、vl及悬空相相电压ve，同时运算模块3将ad模块4采集三相相电压次数累计sampcount ，进入s4；
61.s4：当sampcount＝1时，存储单元保存当前adc模块4采集的悬空相相电压ve，用以更新上一次adc模块4采集的悬空相相电压veback，并返回s1；当sampcount≥2时，悬空相反电动势若处于上升趋势，进入s5，悬空相反电动势若处于下降趋势，进入s8；
62.s5：运算模块3判断ve是否大于85％vh，若是，进入s11；否则，进入s6；
63.s6：运算模块3判断ve是否大于等于50％vh，若是，进入s7；否则，进入s11；
64.s7：运算模块3判断ve是否大于上一次ve的值veback与电压偏移值voffset的和，若是，进入过零中断处理程序，同时sampcount清零并返回s1；否则，进入s11；
65.s8：运算模块3判断ve是否小于15％vh，若是，进入s11；否则，进入s9；
66.s9：运算模块3判断ve是否小于等于50％vh，若是，进入s10；否则，进入s11；
67.s10：运算模块3判断ve是否小于上一次ve的值veback减去电压偏移值voffset的差值，若是，进入过零中断处理程序，同时sampcount清零并返回s1；否则，进入s11；
68.s11：存储单元5保存当前adc模块4采集的悬空相相电压ve，用以更新上一次ad模块4采集的悬空相相电压veback，并返回s1。
69.以上滤波方法结合附图2所示，当三相逆变器7下桥管关闭时，悬空相反电动势处于上升趋势，由于悬空相续流现象，产生p1段、p2段、p3段、p4段波形，p1段波形过渡期为1us～2us，较为短暂，当adc模块4电压采集时，p1段已经过去，直接在p2段进行采集且adc模块4电压采集间隔为10us，首先当ve＞85％vh时，过滤掉悬空相反电动势高于85％vh的波形，即p2段；接着当50％vh≤ve≤85％vh时，过滤掉悬空相反电动势处于下降沿与低于50％vh的波形，即p3段、p4段与p5段；最后当ve＞veback voffset时，进入过零中断处理程序；
70.当三相逆变器7上桥管关闭时，悬空相反电动势处于下降趋势，由于悬空相续流现象，产生p6段、p7段、p8段、p9段波形，p6段波形过渡期为1us～2us，较为短暂，当adc模块4电压采集时，p6段已经过去，直接在p7段进行采集且adc模块4电压采集间隔为10us，首先当ve＜15％vh，过滤掉悬空相反电动势低于15％vh的波形，即p7段，接着当15％vh≤ve≤50％vh时，过滤掉悬空相反电动势处于上升沿与低于15％vh的波形，即p8段、p9段与p10段；最后当ve＜veback-voffset时，进入过零中断处理程序。
71.综上所述，本发明提供的无刷电机消磁换相滤波方法，在一个电换相周期内，设置不同的悬空相反电动势满足的预设条件，在悬空相反电动势处于上升趋势时，过滤掉悬空相反电动势高于85％vh的波形，即过滤掉消磁点波形，同时过滤掉悬空相反电动势处于下降沿与低于50％vh的波形，保证adc模块4在悬空相反电动势上升沿阶段判断过零；
72.在悬空相反电动势处于下降趋势时，过滤掉悬空相反电动势低于15％vh的波形，即过滤掉消磁点波形，同时过滤掉悬空相反电动势处于上升沿与低于15％vh的波形，保证adc模块4在悬空相反电动势下降沿阶段判断过零，进而降低悬空相反电动势过零检测的失误率，提高换相精确度及电机控制性能，保证电机的正常运行。
73.本发明不局限于上述具体实施方式，本领域普通技术人员可以很容易地理解到，在不脱离本发明原理和范畴的前提下，本发明的一种无刷电机消磁换相的滤波方法还有其他很多的替代方案，本发明的保护范围以权利要求书的内容为准。