本发明涉及无刷直流电机控制领域，尤其涉及一种无刷直流电机初始位置的计算方法。
背景技术：
在无刷直流电机控制领域，无刷直流电机启动阶段，都需要预先判断转子的初始位置，转子初始位置判断的准确性会直接影响到电机的启动和加速性能。如果不能准确找到初始位置，启动过程可能出现电机位置突变、反转，直接影响启动的平顺性，甚至导致电机启动失败；同时，由于无刷直流电机本体的非线性性，其初始位置角的计算在快速性和准确性方面难以同时达到优越的效果。
现有的脉冲电压注入方案一般只能确定转子所在位置的60°或30°的区间，如果需要提高辨识精度，需要提高辨识脉冲的细分角度，大大延长辨识所需时间，因而不实用。另外一种电感矩阵法，通过无刷直流电机数学模型计算电感矩阵，求解电机位置角，但该方法没有考虑电感非线性以及磁路饱和带来的影响，计算的结果通常有较大误差，依赖电机结构设计，较难对不同电机表现出一致性。
技术实现要素：
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种无刷直流电机初始位置的计算方法，在保证快速性的基础上大大提高辨识精度，而且辨识过程还考虑了电机本体的非线性带来的影响并予以修正。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种无刷直流电机初始位置的计算方法，包括步骤：
(1)执行微控制器单元，计算产生特定的脉冲序列，驱动智能功率模块，作用于无刷直流电机；
(2)对采样电阻端采样获取电机电流，根据所得电流计算特征电流；
(3)由特征电流判断转子位置主扇区角；
(4)通过预处理的电流-位置角特征表格，查找计算转子位置的扇区偏移角；
(5)转子位置角为转子位置主扇区角与转子位置的扇区偏移角之和。
进一步地，脉冲序列包括有效脉冲和无效脉冲，有效脉冲的生成规则包括选择上桥臂一开关导通，选择下桥臂一开关导通，禁止同一桥臂开关同时导通；无效脉冲生成规则为关闭所有开关；有效脉冲和无效脉冲的组合规则为在相邻两个有效脉冲之间插入一个或者多个无效脉冲。
进一步地，有效脉冲的作用时间ton通过对电机施加有效脉冲确定，逐步增大有效脉冲作用时间，使响应电流的最大值接近电机允许的最大电流。
进一步地，所述采样电阻用于检测有效脉冲作用下的电机电流，记为i16,i12,i32,i34,i54,i56，所述特征电流为两组对称的有效脉冲作用下的电流差值，记为δi1＝i16-i34，δi2＝i12-i54，δi3＝i32-i56，对称的有效脉冲为两个相同桥臂工作的有效脉冲。
进一步地，转子主扇区角分别为30°、90°、150°、210°、270°、330°，转子位置主扇区角判断规则依次为：δi3±δi2<0且δi3±δi1<0；δi2±δi3>0且δi2±δi1>0；δi1±δi2<0且δi1±δi3<0；δi3±δi2>0且δi3±δi1>0；δi2±δi3<0且δi2±δi1<0；δi1±δi2>0且δi1±δi3>0。
进一步地，电流-位置角特征表格用于记录有效脉冲作用下，特征电流与转子位置的扇区偏移角之间的映射关系；依次锁定转子位置角为主扇区角加上扇区偏移角，偏移角的细分单元为30/n，偏移角为-30*(n-1)/n，-30*(n-2)/n..，-30*(n-n)/n，30*(1)/n，30*(2)/n..30*(n)/n，施加有效脉冲作用于电机，分别记录12n个特征电流；按照所属主扇区角的位置，主扇区角为30°、90°、150°、210°、270°、330°时，分别取δi1-δi2，δi3-δi1，δi2-δi3，δi1-δi2，δi3-δi1，δi2-δi3作为输入，每组的2n个特征电流分别记为：
δi12(1),δi12(2),δi12(3)…δi12(2n),δi31(1),δi31(2),δi31(3)…δi31(2n),δi23(1),δi23(2),δi23(32)…δi23(2n),δi12(1),δi12(2),δi12(3)…δi12(2n),δi31(1),δi31(2),δi31(3)…δi31(2n)，δi23(1),δi23(2),δi23(3)…δi23(2n)。
进一步地，所述扇区偏移角度由电流-位置角特征表格查表获取，查表规则为，转子位置主扇区角选择查表的输入量为δi12，δi31，δi23，δi12，δi31，δi23，由输入量计算扇区偏移角；具体为，查找输入特征电流在相应表格特征数据中的位置序号i，满足δimn(i)≤δimn≤δimn(i 1)，其中，mn＝{12,31,23}，对应扇区偏移角为(δimn(i)-δimn)*(30/n)/(δimn(i)-δimn(i 1))-30*(n-i)/n。
有益效果：本发明方法可在非常短的时间快速辨识无刷直流电机的初始位置，辨识方法包含了电机绕组不对称、电感非线性和磁路饱和特性，辨识结果可以非常准确的反映电机初始位置，有利于实现电机快速、平顺、无反转的启动。
附图说明
图1是无刷直流电机驱动系统示意图；
图2是t1和t2导通时电机电流示意图；
图3是电流响应及采样示意图；
图4是电感与位置角之间关系示意图；
图5是电流与位置角之间关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示，无刷直流电机(bldc)驱动系统，包括无刷直流电机(bldc)，智能功率模块(ipm)，采样电阻，微控制器单元(mcu)，系统采用单电阻采样。
本发明所述的无刷直流电机初始位置的计算方法，包括步骤：
(1)执行微控制器单元的算术逻辑，由设计的计算规则计算产生特定的脉冲序列，驱动ipm模块，作用于无刷直流电机；
根据无刷直流电机的数学模型，其电感可用数学函数l0-l1*cos(2*θ)描述，图形化关系如图4所示。通过施加脉冲序列作用于电机，比如驱动t1和t6导通，随着导通时间的增加，电机端会建立如图2箭头所示的电流。设置合适的导通时间ton，电流的变化曲线如图3所示。
脉冲序列包括有效脉冲和无效脉冲。有效脉冲的生成规则包括：一、选择上桥臂一开关导通；二、选择下桥臂一开关导通；三、禁止同一桥臂开关同时导通。无效脉冲生成规则为关闭所有开关。有效脉冲和无效脉冲的组合规则为，在相邻两个有效脉冲之间插入一个或者多个无效脉冲。根据上述规则，有效脉冲选择(t1,t6)，(t1,t2)，(t3,t2)，(t3,t4)，(t5,t4)，(t5,t6)导通作为六组有效脉冲，采样电阻是用于有效脉冲作用时，通过测量采样电阻端电压推算实际电流，可分别获得i16,i12,i32,i34,i54,i56。无效脉冲选择(t1,t3,t5,t4,t6,t2)关断。
有效脉冲的作用时间ton通过对电机施加有效脉冲确定，可根据电机的铭牌或出厂参数获取电机的额定电流，一般可设定1.2～1.5额定电流为最大测试电流imax，逐步增大六个有效脉冲作用时间，使响应电流的最大值接近电机允许的最大电流，具体按以下规则逐步搜索最佳ton：
s1、设定初始脉冲作用时间tmin，发送六组有效脉冲依次作用于电机，读取其中最大的电流值i，执行s2；
s2、发送足够时间的无效脉冲，执行s3；
s3、判断电流i与imax大小，如果i小于imax，增大作用时间，发送六组有效脉冲依次作用于电机，读取其中最大电流值i，转s2；如果i大于imax，执行s4；
s4、记录当前作用时间ton，结束搜索。
(2)通过对采样电阻端电压的采样可以获取电流幅值，根据所得电流计算特征电流；
采样电阻用于检测有效脉冲作用下电机的电流，特征电流为两组对称的有效脉冲作用下电流的差值。对称的有效脉冲为两个相同桥臂工作的有效脉冲，可选为(t1,t6)和(t3,t4)，(t1,t2)和(t5,t4)，(t3,t2)和(t5,t6)，依次分别设定每组对称的有效脉冲作用时间为ton，记录响应电流差值δi1＝i16-i34，δi2＝i12-i54，δi3＝i32-i56。
(3)由特征电流判断转子位置的主扇区角；
转子位置角为转子位置主扇区角与转子位置的扇区偏移角之和，转子位置主扇区角由特征电流计算得到。转子主扇区角分别为30°、90°、150°、210°、270°、330°，转子位置主扇区角判断规则依次为：δi3±δi2<0且δi3±δi1<0；δi2±δi3>0且δi2±δi1>0；δi1±δi2<0且δi1±δi3<0；δi3±δi2>0且δi3±δi1>0；δi2±δi3<0且δi2±δi1<0；δi1±δi2>0且δi1±δi3>0。
(4)通过预处理的电流-位置角特征表格数据，查找计算转子位置的扇区偏移角；
如图5所示，测试电流和电机位置角之间存在一定数学关系，然而由于受电机生产工艺和材料非线性的影响，测试电流和电机位置角之间无法直接用数学函数描述，所以本发明通过对记录电机在不同的位置角的测试电流，将获得的数据做成表格，通过查找表格中数据可以准确获取电机的实际位置角信息。根据上述原理，需要在有效脉冲作用时，记录电流。
电流-位置角特征表格数据用于记录有效脉冲作用下，特征电流与转子位置的扇区偏移角之间的映射关系；依次锁定转子位置角为主扇区角加上扇区偏移角。
偏移角的细分单元为30/n，偏移角为-30*(n-1)/n，-30*(n-2)/n..，-30*(n-n)/n，30*(1)/n，30*(2)/n..30*(n)/n，施加有效脉冲作用于电机，分别记录12n个特征电流。按照所属主扇区角的位置，如主扇区角为30°、90°、150°、210°、270°、330°时，分别取δi1-δi2，δi3-δi1，δi2-δi3，δi1-δi2，δi3-δi1，δi2-δi3作为输入，每组的2n个特征电流分别记为：
δi12(1),δi12(2),δi12(3)…δi12(2n),δi31(1),δi31(2),δi31(3)…δi31(2n),δi23(1),δi23(2),δi23(32)…δi23(2n),δi12(1),δi12(2),δi12(3)…δi12(2n),δi31(1),δi31(2),δi31(3)…δi31(2n),δi23(1),δi23(2),δi23(3)…δi23(2n)。
利用以上表格数据，可以计算转子扇区偏移角。查表规则为，转子位置主扇区角选择查表的输入量为δi12，δi31，δi23，δi12，δi31，δi23。具体的，主扇区角为30°时，选择δi12为输入，依次类推，由输入量计算扇区偏移角。具体规则为，查找输入特征电流在相应表格特征数据中的位置序号i，即满足δimn(i)≤δimn≤δimn(i 1)的位置序号i，其中，mn＝{12,31,23}，对应扇区偏移角为(δimn(i)-δimn)*(30/n)/(δimn(i)-δimn(i 1))-30*(n-i)/n。
(5)由转子位置主扇区角和转子位置的扇区偏移角计算真实转子位置角，转子位置角为转子位置主扇区角与转子位置的扇区偏移角之和。
1.一种无刷直流电机初始位置的计算方法，其特征在于，包括步骤：
(1)执行微控制器单元，计算产生特定的脉冲序列，驱动智能功率模块，作用于无刷直流电机；
(2)对采样电阻端采样获取电机电流，根据所得电流计算特征电流；
(3)由特征电流判断转子位置主扇区角；
(4)通过预处理的电流-位置角特征表格，查找计算转子位置的扇区偏移角；
(5)转子位置角为转子位置主扇区角与转子位置的扇区偏移角之和。
2.根据权利要求1所述的无刷直流电机初始位置的计算方法，其特征在于，脉冲序列包括有效脉冲和无效脉冲，有效脉冲的生成规则包括选择上桥臂一开关导通，选择下桥臂一开关导通，禁止同一桥臂开关同时导通；无效脉冲生成规则为关闭所有开关；有效脉冲和无效脉冲的组合规则为在相邻两个有效脉冲之间插入一个或者多个无效脉冲。
3.根据权利要求2所述的无刷直流电机初始位置的计算方法，其特征在于，有效脉冲的作用时间ton通过对电机施加有效脉冲确定，逐步增大有效脉冲作用时间，使响应电流的最大值接近电机允许的最大电流。
4.根据权利要求2所述的无刷直流电机初始位置的计算方法，其特征在于，所述采样电阻用于检测有效脉冲作用下的电机电流，记为i16,i12,i32,i34,i54,i56，所述特征电流为两组对称的有效脉冲作用下的电流差值，记为δi1＝i16-i34，δi2＝i12-i54，δi3＝i32-i56，对称的有效脉冲为两个相同桥臂工作的有效脉冲。
5.根据权利要求4所述的无刷直流电机初始位置的计算方法，其特征在于，转子主扇区角分别为30°、90°、150°、210°、270°、330°，转子位置主扇区角判断规则依次为：δi3±δi2<0且δi3±δi1<0；δi2±δi3>0且δi2±δi1>0；δi1±δi2<0且δi1±δi3<0；δi3±δi2>0且δi3±δi1>0；δi2±δi3<0且δi2±δi1<0；δi1±δi2>0且δi1±δi3>0。
6.根据权利要求4所述的无刷直流电机初始位置的计算方法，其特征在于，电流-位置角特征表格用于记录有效脉冲作用下，特征电流与转子位置的扇区偏移角之间的映射关系；依次锁定转子位置角为主扇区角加上扇区偏移角，偏移角的细分单元为30/n，偏移角为-30*(n-1)/n，-30*(n-2)/n..，-30*(n-n)/n，30*(1)/n，30*(2)/n..30*(n)/n，施加有效脉冲作用于电机，分别记录12n个特征电流；按照所属主扇区角的位置，主扇区角为30°、90°、150°、210°、270°、330°时，分别取δi1-δi2，δi3-δi1，δi2-δi3，δi1-δi2，δi3-δi1，δi2-δi3作为输入，每组的2n个特征电流分别记为：
δi12(1),δi12(2),δi12(3)…δi12(2n),δi31(1),δi31(2),δi31(3)…δi31(2n),δi23(1),δi23(2),δi23(32)…δi23(2n),δi12(1),δi12(2),δi12(3)…δi12(2n),δi31(1),δi31(2),δi31(3)…δi31(2n)，δi23(1),δi23(2),δi23(3)…δi23(2n)。
7.根据权利要求6所述的无刷直流电机初始位置的计算方法，其特征在于，所述扇区偏移角度由电流-位置角特征表格查表获取，查表规则为，转子位置主扇区角选择查表的输入量为δi12，δi31，δi23，δi12，δi31，δi23，由输入量计算扇区偏移角；具体为，查找输入特征电流在相应表格特征数据中的位置序号i，满足δimn(i)≤δimn≤δimn(i 1)，其中，mn＝{12,31,23}，对应扇区偏移角为(δimn(i)-δimn)*(30/n)/(δimn(i)-δimn(i 1))-30*(n-i)/n。
技术总结