CN103997262B - 基于无传感器轮毂式电机的电动自行车正弦波控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开基于无传感器轮毂式电机的电动自行车正弦波控制方法，首先采用端电压检测法获得电机反电势过零点，经过位置估计后得到电机转子位置然后利用转子位置和控制器的输出u，通过空间矢量调制策略得到三相逆变器的驱动信号，从而驱动电机运行。该无位置传感器永磁电机控制方案相比传统控制方案效率更高，节省了电动自行车电池能量，增加了续航里程；相比其它无位置传感器控制方案，设计原理简单，对微处理器的要求较低，具有良好的适应性，易于推广。

Description

基于无传感器轮毂式电机的电动自行车正弦波控制方法

技术领域

本发明涉及电动自行车的控制方法领域，尤其是基于无传感器轮毂式电机的电动自行车正弦波控制方法。

背景技术

永磁无刷直流电机是随着电子技术的迅速发展而发展起来的一种新型直流电机，以其结构简单、运行可靠、维护方便、效率高、无励磁损耗以及调速性能好等一系列优点，广泛应用于航空航天、家用电器、仪器仪表、化工、医疗器械等工业领域。

无位置传感器控制技术一直是永磁电机研究的热点之一，国内外众多学者已对此开展了相关研究，并取得了阶段性成果。无位置传感器技术一般是指使用可以直接检测到的物理量(如电流、电压等)，通过特定的数学运算获得其它不可直接测量或难以直接测量的物理量。永磁电机的无位置传感器控制系统，一般利用定子电压、电流等可以简单测取的物理量，通过优化的算法设计，较为准确的估算出需要的信息量(如转子位置角等)，从而达到省去机械传感器的目的。基于无位置传感器技术的永磁同步电动机控制系统可以大幅减小控制系统成本，增加系统的可靠性，在航天、海洋等特殊领域将起到极其重要的作用。而且，在多电机存在的系统中，还将明显地减小系统的体积，比如对于多机械臂的机器人，如果每一个电机都实现无传感器的控制，那么系统的体积及成本将大幅的缩减。所以，永磁电机的无位置传感器控制系统研究有着重要的研究意义和广阔的应用前景。

现在市场上的电动自行车所采用的轮毂式三相永磁电机，一般采用二二导通三相六状态驱动方式，这种驱动方式对理想的无刷直流电机具有良好的控制效果，可以使转矩波动很小。实际运行中的永磁电机，为了减小齿槽转矩的影响，很难实现永磁体励磁呈梯形波分布，而是近似于正弦波分布。但是由于定子电流和气隙磁通为方波或梯形波，所以转矩脉动大，静音效果差，对电机控制效率不高。而现有的控制方法有的是在方波控制的基础上对电机电流进行补偿处理，这种方法不能从根本上消除脉动、降低噪音；有的是采用正弦波控制,这种控制方法对电源的利用率较低；还有的是采用磁场定向控制方法，这种控制方法对单片机的要求较高，算法很复杂，不利于实际操作。

因此，设计一种基于无位置传感器的轮毂式电机控制方案，且转矩脉动小，控制效率高，算法简单的电机控制方法非常重要，成为了现有技术发展的方向。

发明内容

发明目的：为了减少使用霍尔位置传感器所带来的不利因素，本发明提供一种基于端电压检测的无位置传感器轮毂式永磁电机的电动自行车正弦波控制方法。

技术方案：基于无传感器轮毂式电机的电动自行车正弦波控制方法，其特征在于，包括控制器、三相逆变器、永磁电机、空间矢量调制模块和无位置传感器检测电路；

该方法具体包括以下步骤：

(1)估计电机转子位置通过无位置传感器检测电路检测广义对象的反电势过零点，然后将获得的过零点信号延时30°电角度，得到6个离散的转子位置信号，经过位置估计和相位补偿之后得到期望的电机转子位置计算公式如下：

$\widehat{\mathrm{\θ}}={\widehat{\mathrm{\θ}}}_i+\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}$

其中和Δθ如下式所示：

${\widehat{\mathrm{\θ}}}_i={\widehat{\mathrm{\θ}}}_n+{\widehat{\mathrm{\θ}}}_v$

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}=\arctan \left(\right(\widehat{\mathrm{\ω}}{\mathrm{CR}}_1{R}_2)/(R_1+R_2\left)\right)$

其中：

为反电势过零点延时30°电角度后得到的6个离散转子位置信号所确定的区间值，分别是

t为本次60°区间内实时计数值；

T₆₀为上次60°区间所用时间；

Δθ为无位置传感器检测电路中的电容滤波产生的相移；

C、R₁和R₂为无位置传感器检测电路中的电路参数；

为估计的电机速度；

(2)所述控制器的输出为u，将三相逆变器和永磁电机作为广义对象，通过估计的转子位置和控制器的输出u，经过空间矢量调制策略得到三相逆变器的驱动信号；空间矢量调制模块的调制原则根据下式来计算：

$T_{i+1}=usin\left(\widehat{\mathrm{\θ}}\right)$

$U_{OUT}=\frac{T_i*U_i+T_{i+1}*U_{i+1}}{T}$

其中：T＝T_i+T_i+1+T₀/7,i＝1,2,3,4,5,6；

T为调制波PWM的周期；

为步骤(1)所确定的转子位置；

u为控制器的输出值；

分U_i和U_i+1,i＝1,2,3,4,5,6别为六个区间边界轴的电压矢量分量；U_OUT为区间的合成矢量。

具体的，所述永磁电机为正弦波无刷直流电机。电机采用正弦电流供电，转矩脉动减小，且电机控制简单，使用成本低。

具体的，所述控制器包括速度环和电流环。使用速度环和电流环控制可以很好的满足系统的动静态性能。

有益效果：

1、基于端电压检测方法来估计电机转子位置，省去了三个霍尔位置传感器，节约成本，增加控制系统可靠性；同时，对微处理器的要求较低，提高了控制效率和系统性能。

2、使用空间矢量调制策略，通过电机绕组的电流为正弦波形式，相比传统方波控制转矩脉动小，电机运行噪声低，骑行者可以获得更好的舒适度；同时节省了电动自行车电池能量，从而增加了续航里程。

附图说明

图1为系统框图

图2为基于无位置传感器轮毂式电机的电动自行车正弦波控制原理图

图3为无位置传感器检测电路原理图

图4为转子位置区间示意图

图5为空间矢量调制方法示意图

图6为使用空间矢量调制时一个周期T内的PWM示意图

具体实施方式

下面结合图对本发明做更进一步的解释。

本发明所述基于无传感器轮毂式电机的电动自行车正弦波控制方法，首先将三相逆变器和永磁电机作为广义对象，通过端电压检测法获得反电势过零点信号，经过位置估计后得到电机转子位置然后利用控制器的输出u，通过空间矢量调制策略得到三相逆变器的驱动信号，从而驱动电机运行。

具体地说，所述基于无传感器轮毂式电机的电动自行车正弦波控制方法包括以下两个步骤：

步骤一：如图1所示的结构图，其组建了一个基于无传感器轮毂式电机的电动自行车正弦波控制方法的系统，包括控制器，空间矢量调制模块，广义对象，无位置传感器检测与转速和位置估计。其中，广义对象包含逆变器和电机。如图2所示，控制器只是控制的算法，包括转速PI和电流PI。

在估计电机转子位置时，位置估计由下式计算而出：

$\widehat{\mathrm{\θ}}={\widehat{\mathrm{\θ}}}_i+\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}$

该公式具体地由以下步骤推导而出：

1)通过无位置传感器检测电路检测反电势过零点，在一个电周期中有6个反电势过零点；

2)将获得的过零点信号延时30°电角度，得到6个离散的转子位置信号，这6个转子位置信号可以确定六个区间；

3)经过转速和位置估计获得和其中由下式给出：

${\widehat{\mathrm{\θ}}}_i={\widehat{\mathrm{\θ}}}_n+{\widehat{\mathrm{\θ}}}_v$

其中6为步骤2)所确定的区间值，分别是 t为本次60°区间内实时计数值，T₆₀为上次60°区间所用时间；

4)经过相位补偿得到Δθ，以三相电机中的A相为例，推导过程如下：

$\frac{U_a}{U_A}=\frac{R_2}{R_1+R_2+{\mathrm{j\ωCR}}_1{R}_2}$

该式中，U_a为经过阻容网络之后的电压值，C为电路中的电容，为步骤3)估计的电机速度。设相移角为Δθ，则可得

Δθ＝arctan((ωCR₁R₂)/(R₁+R₂))

其中，C，R₁和R₂为无位置传感器检测电路中的电路参数。

因此，

$\widehat{\mathrm{\θ}}={\widehat{\mathrm{\θ}}}_i+\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}$

其中和Δθ如下式所示：

${\widehat{\mathrm{\θ}}}_i={\widehat{\mathrm{\θ}}}_n+{\widehat{\mathrm{\θ}}}_v$

Δθ＝arctan((ωCR₁R₂)/(R₁+R₂))

其中为反电势过零点延时30°电角度后得到的6个离散转子位置信号所确定的区间值，分别是 t为本次60°区间内实时计数值，T₆₀为上次60°区间所用时间。Δθ为无位置传感器检测电路中的电容滤波产生的相移，C，R₁和R₂为无位置传感器检测电路中的电路参数，为估计的电机速度。

步骤1)中无位置传感器检测电路连接如图3所示。

步骤2)中的6个转子位置信号确定的转子位置区间如图4所示，软件中可以用三个bit位来表示，表示范围为000-111，其中000和111为无效的两个状态。电机一个电周期是360°，三路信号确定的六个位置可以把360°划分为六个区间，每个区间表示60°。从区间1至区间6，完成一次电机旋转既一个电周期。

步骤二、利用转子位置和控制器的输出u，通过空间矢量调制策略得到三相逆变、器的驱动信号：空间矢量调制策略根据下式来计算：

$T_{i+1}=usin\left(\widehat{\mathrm{\θ}}\right)$

该公式具体推导过程如下：

如图5所示，以区间一为例来说明，U_out是位于U₁和U₂之间的区间一的合成矢量，如果在给定的PWM周期T内，U₁的输出时间为T₁/T，U₂的输出时间为T₂/T，T_0/7表示一个周期之内的剩余时间，则

$U_{OUT}=\frac{T_1}{T}\×U_1+\frac{T_2}{T}\×U_2$

其中，

T＝T₁+T₂+T_0/7

然后定义m为调制幅值比，表示如下，

m＝|U_out|/U_DC

其中，U_DC为电动自行车供电电压。则如下公式成立，

(U_DC×T₁)+(|U_OUT|×cos60°×T₂)＝|U_OUT|×cosθ×T

U_DC×sin60°×T₂)＝|U_out|×sinθ×T

根据上式可解出T₁和T₂，

$T_2=\frac{2}{\sqrt{3}}\×m\×T\×sin\left(\widehat{\mathrm{\θ}}\right)$

令可得，

$T_2=usin\left(\widehat{\mathrm{\θ}}\right)$

其中，u为控制器的输出，为转子位置。当合成矢量在其他区间时，依此类推。

步骤二中一个周期T内的PWM如图6所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.基于无传感器轮毂式电机的电动自行车正弦波控制方法，其特征在于，包括控制器、三相逆变器、永磁电机、空间矢量调制模块和无位置传感器检测电路；

该方法具体包括以下步骤：

(1)估计电机转子位置通过无位置传感器检测电路检测广义对象的反电势过零点，然后将获得的过零点信号延时30°电角度，得到6个离散的转子位置信号，经过位置估计和相位补偿之后得到期望的电机转子位置计算公式如下：

$\widehat{\mathrm{\θ}}={\widehat{\mathrm{\θ}}}_i+\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}$

其中和Δθ如下式所示：

${\widehat{\mathrm{\θ}}}_i={\widehat{\mathrm{\θ}}}_n+{\widehat{\mathrm{\θ}}}_v$

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}=arctan\left(\right(\widehat{\mathrm{\ω}}{\mathrm{CR}}_1{R}_2)/(R_1+R_2\left)\right)$

其中：

为反电势过零点延时30°电角度后得到的6个离散转子位置信号所确定的区间值，分别是

t为本次60°区间内实时计数值；

T₆₀为上次60°区间所用时间；

Δθ为无位置传感器检测电路中的电容滤波产生的相移；

C、R₁和R₂为无位置传感器检测电路中的电路参数；

为估计的电机速度；

(2)所述控制器的输出为u，将三相逆变器和永磁电机作为广义对象，通过估计的转子位置和控制器的输出u，经过空间矢量调制策略得到三相逆变器的驱动信号；空间矢量调制模块的调制原则根据下式来计算：

$T_{i+1}=usin\left(\widehat{\mathrm{\θ}}\right)$

$U_{OUT}=\frac{T_i*U_i+T_{i+1}*U_{i+1}}{T}$

其中：T＝T_i+T_i+1+T_0/7,i＝1,2,3,4,5,6；

T为调制波PWM的周期；

T_0/7表示一个周期之内的剩余时间；

为步骤(1)所确定的转子位置；

u为控制器的输出值；

U_i和U_i+1,i＝1,2,3,4,5,6分别为六个区间边界轴的电压矢量分量；

U_OUT为区间的合成矢量。

2.根据权利要求1所述的基于无传感器轮毂式电机的电动自行车正弦波控制方法，其特征在于，所述永磁电机为正弦波无刷直流电机。

3.根据权利要求2所述的基于无传感器轮毂式电机的电动自行车正弦波控制方法，其特征在于，所述控制器包括速度环和电流环。