CN106059406B - 一种基于延迟霍尔信号抑制无刷直流电机转矩脉动的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于延迟霍尔信号抑制无刷直流电机转矩脉动的方法。步骤一：获取无刷直流电机的参数，所述参数包括额定电压、额定转速、额定功率、反电动势系数和磁极对数；步骤二：将步骤一中得到的参数输入到延迟时间控制模块，由公式计算得到延迟时间；步骤三：霍尔信号通过延迟时间控制输入到脉宽调制，控制三相逆变器，驱动无刷直流电机旋转。本发明不需要任何额外的电器元件，只需知道无刷直流电机参数就可以得到延迟时间，将霍尔信号延迟后可抑制转矩脉动，在不增加成本的前提下，提高了电机运行效率。方法简单，易于实现。

Description

一种基于延迟霍尔信号抑制无刷直流电机转矩脉动的方法

技术领域

本发明涉及的是一种抑制无刷直流电机转矩脉动的方法。

背景技术

无刷直流电机具有结构简单、转矩大、功率密度和效率高等优点，在航空、电气设备、办公自动化和电力机车上被广泛应用。无刷直流电机是21世纪最有发展前途和广泛应用前景的电子控制电机。然而，由于无刷直流电机的定子绕组中存在电感，在换相期间，电流不能瞬间变化，关断相电流下降斜率与导通相电流上升斜率不一致，导致非换相电流和换相转矩脉动出现，这限制了其在高精度领域的应用。

申请号为201510032964.9的专利文件中，公开了“一种无刷直流电机换向控制装置及方法”；申请号为200910073288.4的专利文件中，公开了一种“基于FPGA的无刷直流电机的控制方法”；申请号为200710075424.4的专利文件中，公开了“一种无位置传感器的无刷直流电机的相位修正控制方法”；申请号为201310526494.2的专利文件中，公开了一种“无刷直流电机的控制方法”。这些技术方案都不能解决如何抑制无刷直流电机的转矩脉动问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在不增加成本的前提下能提高电机运行效率的基于延迟霍尔信号抑制无刷直流电机转矩脉动的方法。

本发明的目的是这样实现的：

步骤一：获取无刷直流电机的参数，所述参数包括额定电压、额定转速、额定功率、反电动势系数和磁极对数；

步骤二：将步骤一中得到的参数输入到延迟时间控制模块，由公式计算得到延迟时间；

步骤三：霍尔信号通过延迟时间控制输入到脉宽调制，控制三相逆变器，驱动无刷直流电机旋转。

所述公式包括：关断相电流与延迟时间的表达式为：电磁转矩与延迟时间和占空比的表达式为：换相占空比关于关断相初始电流和反电动势幅值的关系式为：其中，L是相等效电感、ω是电机电角速度、t是延迟时间、E是反电动势幅值、I是相电流稳定值、D是占空比、U是直流源电压、T_e是电磁转矩、Ω是电机机械角速度。

本发明提供了一种新型的基于延迟霍尔信号特定时间来抑制无刷直流电机转矩脉动的方法。本发明的技术方案的特点为：在获得电机参数的前提下，延迟霍尔信号，在延迟期间，关断相反电动势下降，为了维持端电压的恒定，关断相电流上升，通过调节占空比的大小，可使电磁转矩在此期间内保持不变；在换相期间，为使换相转矩脉动最小，关断相电流下降到0的时间等于导通相电流上升到稳定值的时间，可推导出霍尔信号延迟时间的大小。此方法不需要任何额外的电器元件，只需知道无刷直流电机参数就可以得到延迟时间，将霍尔信号延迟后可抑制转矩脉动，在不增加成本的前提下，提高了电机运行效率。方法简单，易于实现。

附图说明

图1为本发明一种基于延迟霍尔信号抑制无刷直流电机转矩脉动原理控制图。

图2为本发明理想反电动势和电流波形图。

图3为本发明延迟特定θ电角度的反电动势和电流波形图。

图4为本发明60°电角度内关断相反电动势和电流波形图。

图5为本发明AC导通换相BC导通电路图。

图6为本发明占空比关于延迟时间变化图像。

图7为本发明关断相电流关于延迟时间变化图像。

图8为本发明电磁转矩关于延迟时间的变化图像。

图9为本发明换相占空比关于延迟时间的变化图像。

图10为本发明延迟0°下相电流和电磁转矩波形图。

图11a为延迟7.7°下三相电流变化波形图，图11b为延迟7.7°下相电流和电磁转矩波形图。

图12a为延迟12°下三相电流变化波形图，图12b为延迟12°下相电流和电磁转矩波形图。

图13a为延迟20°下三相电流变化波形图，图13b为延迟20°下相电流和电磁转矩波形图。

图14a为延迟30°下三相电流变化波形图，图14b为延迟30°下相电流和电磁转矩波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1是延迟霍尔信号抑制无刷直流电机转矩脉动的原理控制图，通过电机参数计算霍尔延迟时间，将霍尔信号延迟后送人PWM调制模块，驱动三相逆变器。

图2显示了无刷直流电机120°电角度导通模式下理想反电动势和电流波形，其中反电动势为梯形波，电流为矩形波，三相互差120°电角度。电流平顶部分与反电动势平顶对应，因此在非换相期间得到平滑的转矩。然而，由于定子绕组中存在电感，在换相期间，电流不能瞬间变化，导致非换相电流和换相转矩脉动出现。

无刷直流电机通过霍尔传感器检测转子位置信号，将其与控制信号共同驱动逆变器，使得电机正常旋转。图3为霍尔信号延迟特定θ(电角度)后反电动势和电流波形图，与图2相比，电流滞后反电动势θ角度，在延迟期间，关断相反电动势会下降，而相对应的电流上升。电机每60°电角度换相，从而将60°电角度划分为三部分，如图4所示。从图4中得到，区间①(90°+θ—150°)为正常导通期间；区间②(150°—150°+θ)为延迟导通期间；区间③(150°+θ之后)为换相期间。

为了方便详细分析这三部分，假设以AC导通换相到BC导通为例。如图5所示，A相是关断相，B相是导通相，C相是非换相。换相期间，由于绕组存在电感，A相电流由二极管(VD4)续流，B相电流由开关管(VT3)流通，脉冲宽度调制(PWM)模式为上下桥臂同时进行调制(HPWM-LPWM)。延迟角度θ与延迟时间t的关系为：

θ＝ω*t (1)

其中ω是电机电角速度，t是延迟时间；

(a)区间①(90°+θ—150°)为正常导通期间

从图4可以看出，在区间①中，反电动势和电流幅值保持恒定，AC相正常导通，B相电流为0，则正常导通期间电磁转矩的表达式为：

其中E是反电动势幅值，I是相电流稳定值，Ω是电机机械角速度

(b)区间②(150°—150°+θ)为延迟导通期间

从图3可以看出，区间②期间，关断相反电动势开始下降，而导通相和非换相反电动势幅值保持不变。为了维持端电压不变，关断相电流开始上升。由于在延迟导通期间，导通相导通信号还未到，则导通相B相电流为0。考虑到PWM的占空比为D，那么延迟导通期间关断相和非换相端电压方程为：

其中，U_A,U_B,U_C是三相定子绕组端电压，i_A,i_B,i_C是三相定子绕组相电流，e_A,e_B,e_C是三相反电动势，R,L是相电阻和等效电感，U_N是中性点电位。

在延迟导通期间，只有AC相导通，B相电流为0，A相电流与C相电流大小相等，方向相反。关断相电流初始值为I，则可推导关断相电流与延迟时间的表达式：

得到延迟导通期间电磁转矩与延迟时间的表达式为：

从式(5)中可以看出，电磁转矩与占空比和延迟时间有关，为保证延迟期间电磁转矩恒定，即假设则可以得到占空比关于延迟时间的表达式，将其反代入到式(5)中，电磁转矩的大小只与延迟时间有关，即取特定的延迟时间，通过占空比的调节使得电磁转矩保持恒定。

(c)区间③(150°+θ之后)为换相期间

上述延迟导通过程结束后，换相开始，如图5所示，关断相电流经由二极管VD4续流，不受PWM影响。导通相和非换相电流受换相占空比D_com控制。则此期间，三相端电压表达式为：

此时，考虑到换相时间很短，假设关断相A相反电动势幅值在换相期间为恒值E_com，那么e_A＝E_com；可由式(4)得到特定的延迟时间下，关断相A相电流初始值为I₁，而导通相电流初始值为0。那么，推导出关断相电流和导通相电流与换相时间的关系：

则可以推导出关断相下降到0的时间t_fa和导通相上升到稳定值的时间t_fb：

为了使换相转矩脉动最小，关断相电流下降到0的时间应等于导通相电流上升到稳定值的时间，即t_fa＝t_fb，那么可得到换相占空比关于关断相A相初始电流和反电动势幅值的关系式为：

由于关断相A相电流初始值和反电动势幅值是随延迟时间的变化而变化，若给定具体的延迟时间，那么关断相电流初始值和反电动势幅值也是一定的，这样换相占空比也随之确定，最终确保抑制换相转矩脉动。

本发明实施例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

实施例

本发明采用无刷直流电机规格如表一所示：

表一.电机规格和参数

将上述参数加以转化，得到电机机械角速度Ω＝50π(rad/s),电机电角速度ω＝200π(rad/s)，额定负载下，反电动势幅值E＝92.99V，电机相电流I＝22A，稳态下电磁转矩T_e＝26Nm。

(1)延迟换相期间

取延迟时间从0开始到1/1200(s),即对应的是0°到30°电角度。得到占空比关于延迟时间的图像，如图6所示。从中可以近似的认为占空比是关于延迟时间的一次函数，其表达式为：

D(t)＝0.815-79.2t (10)

将其代入式(4)(5)后，关断相电流和电磁转矩关于延迟时间的图像分别如图7图8所示。从图中可以看出关断相电流随延迟时间的增大而上升，电磁转矩在30°电角度延迟范围内，能保持在稳态转矩26±0.5Nm之内。但若延迟时间超过30°电角度，则调节占空比无法使电磁转矩保持恒定，因此延迟时间须小于30°电角度。

(2)换相期间

同样的，由式(9)可知换相占空比与延迟时间的关系，如图9所示，换相占空比关于延迟时间的图像。从图中可以看出，当延迟角度小于7.7°时，占空比大于1，这就说明，若延迟角度小于7.7°，那么导通相即使直通(换相占空比为1)的情况下，也无法让导通相从0上升到稳定值的时间等于关断相下降为0的时间，这也解释了无刷直流电机运行在高速状态下，关断相和导通相斜率不一致的原因。

综上，延迟时间应在7.7°到30°电角度之间。

如图10为延迟0°电角度，即传统方法下相电流和电磁转矩波形图。从图中可以看出，非换相期间电磁转矩平均值为26Nm，换相期间电磁转矩跌至20Nm，转矩脉动率为23.08％。

如图11a-b为延迟7.7°电角度，对应延迟时间为0.214ms下仿真波形图。图11a所示，区间①(正常导通期间，电流和转矩保持恒定；区间②(延迟导通期间，关断相电流上升到24.7A，导通相电流为0，由图8可知，通过调节占空比的大小，使得电磁转矩能保持不变；区间③(换相期间，关断相电流不受占空比的影响下降到0，由式(9)可知换相占空比为D_com＝1。由于公式推导过程中忽略相电阻的影响，电机模型理想化，导致关断相电流下降到0的时间仍小于导通相电流上升到稳定值的时间，使得换相转矩跌至23Nm，如图11b所示，此时转矩脉动率为11.54％。与传统方法相比，降低了一半的转矩脉动率。

如图12a-b为延迟12°电角度，对应延迟时间为0.333ms下仿真波形图。图12a所示，换相占空比为D_com＝0.952，在此延迟时间下，关断相电流下降到0的时间等于导通相电流上升到稳定值的时间，图12b所示，换相转矩脉动被完全抑制。

如图13a-b为延迟20°电角度，对应延迟时间为0.555ms下仿真波形图。图13a所示，换相占空比为D_com＝0.875，在此延迟时间下，图13b所示，通过调节占空比能抑制换相转矩脉动。

图14a所示，换相占空比为D_com＝0.810，确保了关断相电流下降到0的时间等于导通相电流上升到稳定值的时间；由图8可知，当延迟时间大于30°电角度时，延迟期间的电磁转矩会下降，图14b所示，电磁转矩有下降的趋势，导致转矩脉动的出现。

综上可知，采用一种基于延迟霍尔信号抑制无刷直流电机转矩脉动的方法，在不增加成本的前提下，有效精确的抑制转矩脉动，提高电机运行效率，方法简单，易于实现。

Claims (1)

1.一种基于延迟霍尔信号抑制无刷直流电机转矩脉动的方法，其特征是：

步骤一：获取无刷直流电机的参数，所述参数包括额定电压、额定转速、额定功率、反电动势系数和磁极对数；

步骤二：将步骤一中得到的参数输入到延迟时间控制模块，由公式计算得到延迟时间；所述公式包括：关断相电流与延迟时间的表达式为：电磁转矩与延迟时间和占空比的表达式为：换相占空比关于关断相初始电流和反电动势幅值的关系式为：其中，L是相等效电感、ω是电机电角速度、t是延迟时间、E是反电动势幅值、I是相电流稳定值、D是占空比、U是直流源电压、T_e是电磁转矩、Ω是电机机械角速度、E_com是关断相反电动势幅值在换相期间的值、I₁是关断相电流初始值；

步骤三：霍尔信号通过延迟时间控制输入到脉宽调制，控制三相逆变器，驱动无刷直流电机旋转。