CN106160593A - 永磁无刷电机换相位置优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁无刷电机无位置传感器控制换相位置优化方法，通过分析无刷直流电机换相位置与母线电流的关系，建立了母线电流与换相位置偏差的数学关系，在此基础上提出了一种无刷直流电机换相位置优化策略。本发明以控制绕组电流与反电动势同相位为目标，以换相位置补偿角为被控制量，以电流随换相角度的变化率作为偏差量，通过PI调节器，调节电机换相位置。本发明可以同时校正位置信号检测误差和绕组电感引起的电流相位滞后，无需通过复杂计算将两者分开补偿。最后通过实验验证了本发明可以准确、快速地找到最佳换相位置，有效提高电机运行效率。

Description

永磁无刷电机换相位置优化方法

技术领域

本发明适用于永磁无刷电机无位置传感器控制领域，具体涉及一种永磁无刷电机无位置传感器控制换相位置优化方法。

背景技术

无刷直流电机因其高可靠性、高功率密度、高效率等优点，在众多领域得到了广泛的应用。其中无位置传感器无刷电机省去了位置传感器，可以使电机结构更紧凑，有效降低电机系统成本。因此，对于永磁无刷电机无位置传感器控制策略的研究具有重要的意义。

常见的永磁无刷电机无位置传感器控制方法主要有反电势法、续流二极管法、磁链法、滑模观测器法和电流注入法等。以上各种无位置传感器检测方法均需要通过电机参数及运行状态得到转子的位置信息，且位置信息的准确性是影响无位置传感器控制方式能否高效运行的关键。但是任意一种无位置传感器控制方法都无法保证其得到的位置信息绝对准确；电机参数的误差，温度及外界环境的变化，滤波及干扰因素的影响等都会导致提取到的转子位置信息出现偏差。

无位置传感器永磁无刷电机换相位置的准确性，不仅包含提取到的转子位置信息的准确性，还须考虑电机绕组电感引起的电流滞后。因此，对于换相位置准确与否包括两个方面，一是检测到的转子位置是否准确，二是能否准确计算绕组电感引起的电流滞后角度，即应当施加的超前触发角。目前已知的换相位置优化方法大多对于电感引起的电流滞后问题避而不谈，或者因为考虑该角度而导致计算量大增；另外，部分优化方法采用查表形式，但因无法考虑所有变量而导致通用性较差。

基于上述原因，寻找一种通用性强，计算量小，能够同时补偿位置检测误差和电枢电感引起的电流滞后角度误差的换相位置优化方法成为永磁无刷电机无位置传感器控制中亟待解决的问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：

本发明提供了一种新型永磁无刷电机无位置传感器换相位置优化方法，该方法可以同时补偿位置检测误差和电枢电感引起的电流滞后角度误差，通用性强且计算量小，适用于大多数永磁无刷电机无位置传感器控制系统。

本发明的技术解决方案是：

本发明首先通过电机换相位置与电机母线电流的数学关系，构造以换相位置补偿角为控制对象，以母线电流随角度的变化率为偏差量的PI调节器，并以此PI调节器为基础实现该无刷直流电机换相位置优化策略。具体实现过程，如下：

1、在定时器中断服务程序中按一定频率检测母线电流并进行记录；

2、根据当前采样时刻母线电流、前一采样时刻母线电流及换相位置角的变化量计算母线电流随换相位置角的变化率；

3、将母线电流随换相位置角的变化率带入到PI调节器中进行换相补偿角的计算；

4、根据得到的换相补偿角与原换相位置计算得到校正后的换相位置。

本发明与现有启动方法相比，优势在于：

1、能同时补偿位置检测误差和电枢电感引起的电流滞后角度误差；

2、通用性强，可以与多种无位置传感器控制方法结合使用；

3、计算量小，通过PI调节器进行补偿角度的计算，没有复杂的运算过程。

附图说明

图1为无相位差时A相电枢电流与反电动势波形；

图2为存在相位差时三相电枢电流与反电动势波形；

图3为母线电流与换相角度偏差的关系；

图4为电流变化率与换相角度偏差的关系；

图5采用换相位置优化策略的控制系统逻辑框图；

图6为基于母线电流的换相位置优化策略的程序流程图；

图7为超前换相时A相电流及端电压波形；

图8为滞后换相时A相电流及端电压波形；

图9为准确换相时A相电流及端电压波形。

具体实施方式

为了使本发明实现的理论模型、技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以两极电机反电势发无位置传感器控制为例，结合具体图示，进一步阐述本发明。

本发明数学模型的建立：

电机输出的电磁功率等于反电动势与电枢电流的数量积，换相位置不准确会引起电枢电流与反电动势相位不一致，造成电机功率因数降低进而导致电机效率下降，而对电机换相位置优化的最终目的是使电枢电流和反电动势相位保持一致。文中为了简化计算，设梯形波反电动势的平顶宽度为120°，将电枢电流等效为标准的方波电流，不考虑弱磁增磁作用的影响。

图1所示为A相电枢电流与反电动势同相位时的波形图，此时电机处于最佳运行状态，其力矩波动最小，效率最高。

选取图1中一个换相周期(π/6～π/2)为分析对象，在(π/6～π/2)期间，电机输出的电磁功率P₀为：

P₀＝e_a·i_a+e_b·i_b+e_c·i_c (1)

其中e_a,e_b和e_c为相反电动势，i_a,i_b和i_c为相电流,在此换相周期内有e_a＝-e_b＝E,i_a＝-i_b＝I₀为相电流和相反电动势同相位时的直流母线电流，i_c＝0，由式(1)可知：

P₀＝2EI₀ (2)

如图2所示为电枢电流与反电动势存在相位差θ时的三相反电动势和电流波形图,θ为负时表示电流超前，θ为正时表示电流滞后,取一个换相周期(π/6+θ～π/2+θ)作为分析对象，该换相周期内输出的电磁功率为：

P_θ＝e′_a·i′_a+e′_b·i′_b+e′_c·i′_c (3)

中e′_a,e′_b,e′_c为存在相位差θ时的相反电动势，i′_a,i′_b,i′_c为存在相位差θ时的相电流，在此换相周期内有i′_a＝-i′_b＝I_θ，i′_c＝0，其中I_θ为存在相位差θ时的母线电流，因此可由式(3)得：

P_θ＝(e′_a-e′_b)·I_θ (4)

电机在固定转速、固定功率运行时，在每一个换相周期内输出的电磁功相同，因此有下式:

由图2可知，θ≤0时，换相周期(π/6+θ～π/2+θ)内各相反电动势的值为(ω为电角速度)：

θ＞0时，该换相周期内各相反电动势的值为：

以(π/6+θ)对应的时刻作为式(5)中积分的零时刻，分别由式(2)(4)(5)(6)和(2)(4)(5)(7)可得，换相超前和滞后时的母线电流I_θ均满足下式：

随着电流超前滞后角的增大，得到的母线电流I_θ会增大，其最小值为I₀，I₀为相电流和相反电动势同相位时的直流母线电流，其值不受换相角度偏差的影响，I₀的具体值对后续换相位置优化策略影响比较小，因此无需计算其精确值，用该转速下的额定电流近似代替即可。

方程(8)是在(π/6+θ～π/2+θ)换相周期计算得到，但由于三相对称的无刷直流电机六个换相周期是等价的，因此在电机运行期间，换相角度偏差和母线电流之间恒满足式(8)。

由于在数学模型的建立过程中进行了部分简化，为了验证该模型的准确性，将式(8)的曲线与仿真及实验测得的实际电流与θ的曲线进行对比，其关系如图3所示，随着换相角度偏差增大，母线电流增加越来越明显，θ为零时表示电机相电流和相反电势同相位。由于换相位置偏差过大时电机容易失步，此时电机无法正常运行，因此上述分析均在-π/3<θ<π/3区间进行。

本发明PI调节器的构建：

由上文分析可知I_θ是随换相角度偏差θ变化的值，取I_θ对θ的变化率记为:

G与θ关系如图4所示，θ越接近0，G的绝对值越小，反之G的绝对值越大，且电流超前时G为负值，电流滞后时G为正值。

通过上述数学分析，可以构造以G为偏差量，以相位补偿角Δα作为被控制量的PI调节器。构建的G和α的关系为：

Δα＝K_p·G+K_i·∫Gdt (10)

式中K_p为比例系数，K_i为积分系数。

以无位置传感器反电势法为例，实际工作中，通过反电势法得到的反电势过零点信号与实际换相位置并非直接对应(采用30°或90°相位延时)，通常需要外加一定延时角度τ，最终延时角度τ可以表示为：

式中τ为综合考虑信号滤波电路引起的相位延时、电感引起的电流滞后、电压比较器和光耦等芯片引起的延时及计算过程引起的延时等得到的相位延时角，Δα为通过该换相位置优化策略得到的相位补偿角。

由图4可知，K_p<0,K_i<0，当电流超前于反电动势时，θ<0，G<0，根据式(10)得Δα，由式(11)可得延时角度增大，从而减小电流与反电势的相位差；反之，延时角度减小。

将式(11)按照增量式PI调节器离散化后可以得到：

Δα_k＝K_p·(G_k-G_k-1)+K_i·G_k (12)

其中G_k为第k次进入PI调节时的G值，Δα_k为第k次相位补偿角的变化量，k为正整数。离散化以后的软件延时角度可以表示为：

本发明的逻辑框图：

本文通过分析母线电流与换相角度偏差之间的关系提出了以母线电流变化率为基础的换相位置优化策略。图5为采用该换相位置优化策略的控制系统逻辑框图，与传统的永磁无刷电机控制系统相比，采用换相位置优化策略的调速系统增加了母线电流检测，计算G值和PI调节三部分。该控制系统中首先通过三相端电压分压、滤波和比较等环节得到反电动势过零点，然后根据转速、绕组电感、滤波电路和计算耗时等估算延时时间，最后在估算延时的基础上通过本文提出的换相位置优化策略进行PI调节，得到换相位置补偿角，进一步优化换相位置。图6为该换相位置优化策略的程序流程图，该流程图详细介绍了计算换相位置补偿角的过程及计算过程中所需的公式。

本发明的实验验证：

实验过程采用氢燃料电池汽车用高速电动离心式空气压缩机，该电机额定功率为10kW，额定转速为100000r/min，线电感80μH，线电阻40mΩ，额定电流50A，额定电压250V。图7-9为稳态下30000r/min时A相电流及端电压波形图，上半屏为A相电流波形，下半屏为A相对地的端电压波形。如图7，当换相超前时，A相导通前S1处的反电动势明显小于A相关断后S2处的反电动势；如图8，当换相滞后时，S1处的反电动势大于S2处的反电动势；如图9，经过换相位置优化以后S1与S2处的反电动势大致相同。通过端电压波形对比可以看出该换相位置优化策略能有效补偿换相位置偏差。

以上描述了本发明的基本原理和本发明的特点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明要求保护的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种永磁无刷电机无位置传感器控制换相位置优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：通过滤波获得稳定的母线电流值并检测母线电流；

步骤二：记录前一采样时刻母线电流I_k-1、当前采样时刻母线电流I_k和两采样时刻换相位置的角度偏移量Δα_k-1；

步骤三：通过公式计算电流随换相偏差角的变化率G；

步骤四：通过PI调节器离散后的公式计算换相位置补偿角；

步骤五：通过换相位置补偿角补偿无位置传感器控制方法得到的换相位置。

2.根据权利要求1所述的永磁无刷电机无位置传感器控制换相位置优化方法，其特征在于检测母线电流的采样频率要低于0.2倍的换相频率及0.2倍的斩波频率。

3.根据权利要求1所述的永磁无刷电机无位置传感器控制换相位置优化方法，其特征在于检测母线电流的采样频率要低于0.2倍的负载波动频率或高于5倍的负载波动频率。

4.根据权利要求1所述的永磁无刷电机无位置传感器控制换相位置优化方法，其特征在于步骤一中所述滤波器的选择应为带通滤波器，允许通过的频率范围为0.2-5倍的采样频率。

5.根据权利要求1所述的永磁无刷电机无位置传感器控制换相位置优化方法，其特征在于步骤三所述的电流随换相位置偏差角变化率G的计算公式为：

6.根据权利要求1所述的永磁无刷电机无位置传感器控制换相位置优化方法，其特征在于步骤四所述的增量式PI调节器离散化后的公式为：

Δα_k＝K_p·(G_k-G_k-1)+K_i·G_k，

其中，Δα_k为换相位置补偿角的增量，K_p为比例系数，K_i为积分系数。