CN107222133B - 一种抑制无刷直流电机换相转矩脉动的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种抑制无刷直流电机换相转矩脉动的方法。检测霍尔信号上升沿瞬间关断相电流，与相电流稳定值进行比较，大于稳定值时为延迟放置，反之为提前放置；检测霍尔信号上升沿瞬间关断相电流，由关断相电流关于延迟时间t_d的表达式，获得延迟角度θ_d；检测关断相电流从稳定值下降到0的时间间隔，由时间间隔关于提前时间t_p的表达式，获得提前角度θ_p；关断相电流下降到0的时间应与导通相电流上升到稳定值的时间一致，从而获得最佳延迟角度θ_d.opt；最佳延迟角度与偏差角度作差，得到补偿角度，在下个电周期内进行补偿。本发明在补偿霍尔安装偏差的同时抑制换相转矩脉动，提高电机运行效率，方法简单，易于实现。

Description

一种抑制无刷直流电机换相转矩脉动的方法

技术领域

本发明涉及无刷直流电机控制领域，具体来说是一种可自动补偿霍尔偏差的抑制无刷直流电机换相转矩脉动的方法。

背景技术

无刷直流电机是以电子换相来代替机械换相的直流电机，它保持了直流电机的优良特性，具有较好的启动和调速特性，具有结构简单、转速范围广、功率密度大等优点，其在航天、电动机车、家电、工业自动化系统方面有广泛应用。

由于电机绕组中存在电感，换相期间，关断相电流下降速率与导通相电流上升速率不一致，引起换相转矩脉动，限制无刷直流电机在高精度低噪音领域的应用。

另一方面，霍尔传感器理想安装间隔为120°电角度，但是，由于机械安装过程中可能存在细微的误差，导致霍尔传感器检测位置信号延迟或提前，影响电机稳定运行。

发明内容

本发明目的在于提供一种可自动补偿霍尔偏差的抑制无刷直流电机换相转矩脉动的方法。

步骤一：检测霍尔信号上升沿瞬间关断相电流，与相电流稳定值进行比较，大于稳定值时为延迟放置，反之为提前放置；

步骤二：由关断相电流关于延迟时间t_d的表达式获得延迟角度θ_d＝ωt_d，其中延迟期间占空比关于延迟时间t_d的表达式为：检测关断相电流从稳定值下降到0的时间间隔，由时间间隔关于提前时间t_p的表达式获得提前角度θ_p＝ωt_p，其中，U_bus为母线电压，I₀为相电流稳定值，L是等效电感，E是反电动势幅值，ω为电机电角速度；

步骤三：获得最佳延迟角度θ_d.opt；

步骤四：最佳延迟角度与偏差角度作差，得到补偿角度，在下个电周期内进行补偿。

最佳延迟角度的实现步骤如下：

第一步：输入电机运行参数，及设置换相占空比为D_d.com＝1；

第二步：延迟时间初始化为t_d＝0；

第三步：按公式求得对应延迟时间下占空比，按公式求得对应延迟时间下关断相电流；

第四步：换相时间初始化为t_f＝0；

第五步：按公式求换相期间导通相电流；

第六步：换相期间导通相电流与电流稳定值比较，小于时执行第七步，大于时执行第八步；

第七步：换相时间自增一个采样周期T_s，跳至第五步；

第八步：跳出内循环，获得导通相电流上升到稳定值的时间；

第九步：按公式求导通相电流上升到稳定值瞬间时关断相电流；

第十步：导通相电流上升到稳定值瞬间时关断相电流与0比较，小于时执行第十一步，大于时执行第十二步；

第十一步；延迟时间自增一个采样周期T_s，调至第三步；

第十二步：跳出外循环，得到延迟时间即为最佳延迟时间t_d.opt，从而得到最佳延迟角度θ_d.opt；

其中，t_d1为霍尔信号延迟时间，I₁为关断相在换相瞬间时电流值,t_f为换相时间变量。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：提供了一种可自动补偿霍尔偏差的抑制无刷直流电机换相转矩脉动的方法。该方法在补偿霍尔安装偏差的同时抑制换相转矩脉动，提高电机运行效率，方法简单，易于实现。

附图说明

图1为本发明霍尔安装偏差下抑制无刷直流电机换相转矩脉动原理控制图。

图2为本发明霍尔理想安装下无刷直流电机控制图。

图3为本发明无刷直流电机等效电路图。

图4为本发明理想霍尔信号、相电流和反电动势波形图。

图5为本发明霍尔传感器HA延迟放置控制图。

图6为本发明霍尔传感器HA延迟下三相电流波形图。

图7为本发明霍尔传感器HA提前放置控制图。

图8为本发明关霍尔传感器HA提前下三相电流波形图。

图9为本发明最佳延迟角度算法流程图。

图10为本发明延迟期间占空比D_d随延迟角度θ_d的变化曲线图。

图11为本发明延迟期间关断相电流I₁随延迟角度θ_d的变化曲线图。

图12(a)为本发明补偿前A相霍尔传感器HA延迟3°电角度放置下电流转矩波形图。

图12(b)为本发明补偿后A相霍尔传感器HA延迟3°电角度放置下电流转矩波形图。

图13(a)为本发明补偿前A相霍尔传感器HA提前5°电角度放置下电流转矩波形图。

图13(b)为本发明补偿后A相霍尔传感器HA提前5°电角度放置下电流转矩波形图。

图14(a)为本发明补偿前三相霍尔传感器错误放置下电流转矩波形图。

图14(b)为本发明补偿后三相霍尔传感器错误放置下电流转矩波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图2所示为霍尔理想安装下无刷直流电机控制图，霍尔传感器检测转子磁场变化，形成霍尔信号，通过控制器控制逆变器导通相对应的开关管，驱动电机稳定运行。如图3、图4所示，分别为无刷直流电机等效电路图和理想霍尔信号、相电流和反电动势波形图，非换相期间，电流和反电动势保持恒定，无转矩脉动；换相期间，由于绕组存在电感，电流不能瞬间变化，从而引起转矩脉动。

a、单一霍尔传感器延迟放置错误影响分析

以A相霍尔传感器HA延迟θ_d.A电角度为例，如图5所示，电机顺时针旋转，电机由CB相导通(霍尔信号001)向AB相导通(霍尔信号101)换流时，三相电流波形图如图6所示，t＝0处表示HA理想放置点，t＝t_d1处表示HA实际放置点，t＝t_d2处表示换相结束时刻，霍尔信号延迟时间t_d＝t_d1，换相时间t_df＝t_d2-t_d1。

(0～t_d1)延迟期间：

由于霍尔传感器HA延迟放置，在延迟期间，A相电流为i_A＝0，BC相电流保持导通，则反电动势在延迟期间的表达式为：

假设电机三相对称，且忽略电机电阻和各种损耗影响，PWM调制模式为上下桥臂同时调制模式(HPWM_LPWM)，则BC相端电压为：

将式(1)代入式(2)，推导出延迟期间关断相电流表达式：

由式(1)(3)可推导出延迟期间转矩表达式为：

其中，U_x,i_x,e_x(x∈{A,B,C})分别是三相定子绕组端电压，相电流，反电动势，L是等效电感，U_N是中性点电位，Ω是电机机械角速度，T_e是电磁转矩。D_d为延迟期间PWM占空比，U_bus为母线电压，I₀为相电流稳定值。

由式(4)可知，延迟期间转矩大小与占空比D_d和延迟时间t_d有关，而为了确保在此期间转矩恒定，即可推导出占空比D_d关于延迟时间t_d的表达式：

由式(3)(5)可知，关断相电流在延迟期间不断上升，在t＝t_d1处达到最大值。即通过采样C相在霍尔传感器HA上升沿处的电流值，通过式(3)(5)可以获得霍尔传感器HA的延迟时间t_d，从而得到霍尔传感器HA延迟角度θ_d.A＝ωt_d，其中ω为电机电角速度。

(t_d1～t_d2)换相期间：

霍尔信号HA由0变为1时，A相电流上升，C相电流由二极管VD2续流，则三相端电压表达式为：

由于电机运行在高速下，忽略电机换相时间对C相反电动势的影响，即：

将式(7)代入式(6)，推导出换相期间导通相和关断相电流关于换相时间的表达式

其中：D_d.com为换相期间PWM占空比，I₁为关断相在t＝t_d1处的电流值，t_f＝t-t_d1为换相时间变量。

由式(8)可知，在延迟角度一定的情况下，D_d.com越大，导通相电流上升到稳定值的时间越短；由式(9)可知，关断相电流与换相占空比无关，延迟角度越大，其由I₁下降到0的时间越长。因此，为了保证换相转矩脉动最小且换相时间最短，则关断相电流下降到0的时间应与导通相电流上升到稳定值的时间一致(t_dfA(i_A＝I₀)＝＝t_dfC(i_C＝0))，且换相占空比D_d.com＝1，从而推导出满足上述条件的最佳延迟角度θ_d.opt，其实现算法如图9所示，详细说明在实现补偿方法中给出。

其他相霍尔传感器延迟放置错误影响分析与A相霍尔传感器HA延迟放置原理相同。

b、单一霍尔传感器提前放置错误影响分析

如图7所示，A相霍尔传感器HA提前θ_p.A电角度放置的控制框图，电机由CB相导通(霍尔信号001)向AB相导通(霍尔信号101)换流时，三相电流波形图如8所示，t＝0处表示HA实际放置点，t＝t_p1处表示换相结束时刻，t＝t_p2处表示HA理想放置点，霍尔信号提前时间t_p＝t_p2，换相时间t_pf＝t_p1。

(0～t_p1)换相期间：

由于换相时间相对于提前时间小，为方便分析，假设A相反电动势在换相期间内保持不变，即：

霍尔传感器提前放置换相期间内三相端电压方程表达式与式(6)相同，则将式(10)代入(6)后，推导关断相电流表达式：

由式(11)关断相电流表达式可知，关断相电流下降到0的时间受霍尔提前时间影响，则推导出关断相电流下降到0的时间间隔关于提前时间t_p的表达式为：

因此，通过检测霍尔信号HA上升沿与关断相电流下降到0的时间间隔，代入式(12)中，可推导出A相霍尔传感器提前放置角度θ_p.A＝ωt_p。

其他相霍尔传感器延迟放置错误影响分析与A相霍尔传感器HA延迟放置原理相同。

c、实现补偿霍尔安装偏差方法分析

在实现补偿之前，还需解决一个问题，即判断霍尔传感器安装是延迟还是提前，由图6、图8可知，在霍尔信号上升沿瞬间检测关断相电流大小，与稳定值进行比较，大于稳定值时为延迟放置，反之为提前放置。由此，图1给出补偿霍尔传感器安装偏差的结构框图。由三相电流及霍尔信号上升沿判断霍尔传感器是延迟还是提前放置，每相检测的电流及霍尔信号如表一所示，其误差角度与最佳延迟角度作差，得到补偿角度，在下个电周期内进行补偿，实现霍尔传感器安装偏差下抑制无刷直流电机换相转矩脉动的目的。

表一.电机规格和参数

其中最佳延迟角度实现算法框图如图9所示，实现步骤如下：

第一步：输入电机运行参数，为了保证换相转矩脉动最小且换相时间最短，换相占空比设置为D_d.com＝1；

第二步：延迟时间初始化为0；

第三步：式(5)(3)分别求得对应延迟时间下占空比与关断相电流；

第四步：换相时间初始化为0；

第五步：式(8)求换相期间导通相电流；

第六步：其值与电流稳定值比较，小于时执行第七步，大于时执行第八步；

第七步：换相时间自增一个采样周期T_s，跳至第五步；

第八步：跳出内循环，获得导通相电流上升到稳定值的时间；

第九步：式(9)求导通相电流上升到稳定值瞬间时关断相电流；

第十步：其值与0比较，小于时执行第十一步，大于时执行第十二步；

第十一步；延迟时间自增一个采样周期T_s，调至第三步；

第十二步：跳出外循环，得到延迟时间即为最佳延迟时间t_d.opt，从而得到最佳延迟角度θ_d.opt。

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二所示：

表二.电机规格和参数

电机运行在额定状态下，将表中参数加以转化，得到电机机械角速度Ω＝50π(rad/s),电机电角速度ω＝200π(rad/s)，反电动势幅值E＝92.7V，相电流稳定值I₀＝22A，稳态下电磁转矩T_e＝26Nm。

将参数代入式(5)(3)分别得到延迟期间占空比D_d和关断相电流I₁随延迟角度θ_d的变化曲线图，如图10所示，占空比D_d在延迟30°电角度范围内均小于1，即可通过PWM占空比的调节，确保延迟期间电机转矩恒定；如图11所示，关断相电流I₁与延迟角度一一对应，即可通过获取关断相电流的大小，来推导霍尔传感器延迟放置的角度。

在MATLAB中搭建无刷直流电机控制系统模型，分别对单相霍尔延迟放置、单相霍尔提前放置、三相错误放置进行仿真，并通过本文所提出的方法进行补偿。

图12(a)中虚线部分表示霍尔传感器HA延迟3°电角度下三相电流和转矩波形图，关断相电流在延迟期间不断上升，换相期间，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，转矩从平均26Nm跌至23Nm，转矩脉动率为11.54％，而霍尔传感器理想安装下换相转矩跌至21.5Nm，转矩脉动率为17.31％，这说明霍尔传感器延迟放置下能减小换相转矩脉动。

通过图9最佳延迟角度流程图算法，获得最佳延迟角度为θ_d.opt＝6.78°，补偿后三相电流与转矩波形图如图12(b)所示，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，换相转矩脉动完全被抑制。

图13(a)中虚线部分表示霍尔传感器HA提前5°电角度下三相电流和转矩波形图，由于A相反电动势在提前换相期间未达到反电动势幅值E，换相转矩跌至21Nm，转矩脉动率为19.23％，这说明霍尔传感器提前放置下能增大换相转矩脉动。图13(b)所示为补偿后电流转矩波形图，换相转矩脉动完全被抑制。

图14(a)中虚线部分分别表示霍尔传感器HA延迟5°、HC延迟4°、HB提前5°电角度下三相电流与转矩波形图，三个霍尔传感器均错误放置。图14(b)所示，对其进行补偿后，换相转矩脉动完全被抑制。

综上可知，本文提出一种可自动补偿霍尔偏差的抑制无刷直流电机换相转矩脉动的方法。该方法在补偿霍尔安装偏差的同时抑制换相转矩脉动，提高电机运行效率，方法简单，易于实现。

Claims (1)

1.一种抑制无刷直流电机换相转矩脉动的方法，其特征在于：

包括以下步骤：

步骤一：检测霍尔信号上升沿瞬间关断相电流，与相电流稳定值进行比较，大于稳定值时为延迟放置，反之为提前放置；

步骤二：由关断相电流关于延迟时间t_d的表达式获得延迟角度θ_d＝ωt_d，其中延迟期间占空比关于延迟时间t_d的表达式为：检测关断相电流从稳定值下降到0的时间间隔，由时间间隔关于提前时间t_p的表达式获得提前角度θ_p＝ωt_p，其中，U_bus为母线电压，I₀为相电流稳定值，L是等效电感，E是反电动势幅值，ω为电机电角速度；

步骤三：获得最佳延迟角度θ_d.opt；

步骤四：最佳延迟角度与偏差角度作差，得到补偿角度，在下个电周期内进行补偿；

其中，最佳延迟角度的实现步骤如下：

第一步：输入电机运行参数，及设置换相占空比为D_d.com＝1；

第二步：延迟时间初始化为t_d＝0；

第三步：按公式求得对应延迟时间下占空比，按公式求得对应延迟时间下关断相电流；

第四步：换相时间初始化为t_f＝0；

第五步：按公式求换相期间导通相电流；

第六步：换相期间导通相电流与电流稳定值比较，小于时执行第七步，大于时执行第八步；

第七步：换相时间自增一个采样周期T_s，跳至第五步；

第八步：跳出内循环，获得导通相电流上升到稳定值的时间；

第九步：按公式求导通相电流上升到稳定值瞬间时关断相电流；

第十步：导通相电流上升到稳定值瞬间时关断相电流与0比较，小于时执行第十一步，大于时执行第十二步；

第十一步；延迟时间自增一个采样周期T_s，调至第三步；

第十二步：跳出外循环，得到延迟时间即为最佳延迟时间t_d.opt，从而得到最佳延迟角度θ_d.opt；

其中，t_d1为霍尔信号延迟时间，I₁为关断相在换相瞬间时电流值,t_f为换相时间变量。