CN107395072B - 一种无位置传感器直流无刷电机相位补偿的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无位置传感器直流无刷电机换相补偿的方法，属于直流无刷电机技术领域。包括无位置传感器直流无刷电机、三相全控逆变桥、相电压检测模块，位置检测模块，位置补偿模块。具体步骤为，利用电压运算，以此得到换相滞后角度，以这个换相角度为依据，提前该角度换相，实现无位置传感器直流无刷电机的换相补偿。利用仿真手段实现的控制系统，在系统检测出误差后，在下面的换相周期中进行了相应的补偿，结果表明这种方法的可行性和有效性。与现有技术相比，本发明提供的方法优势在于：有比较快的相应速度；滞后角度易于获取；装置结构简单，不需要新增硬件，控制算法易于实现。

Description

一种无位置传感器直流无刷电机相位补偿的方法

技术领域

本发明涉及到无位置传感器直流无刷电机相位补偿的方法，属于直流无刷电机技术领域。

背景技术

直流无刷电机具有结构简单，易于控制的特点，在高精度控制系统中有着广泛的应用，直流无刷电机需要位置传感器来检测转子位置，确定换相点，在相应的换相点进行换相，在一些极端环境，如具有高电磁干扰和高温环境中，位置传感器是不合适的，操作区域受限制。因此无位置传感器直流无刷电机更为流行，无位置传感器技术并不是不需要位置信息，而是这样的位置信息不再由位置传感器来获取，无位置传感器技术可以分为三类：使用电机反电动势、使用续流电流、和使用磁链。其中反电动势法最为常用，反电动势法通过获取相电压或线电压间接的的获取反电动势的过零点，以此为依据作为电机的换相信号。但是驱动技术在实现的时候都会含有误差源，来自ADC的量化误差，滤波器的延迟，PWM死区时间，这些误差造成的换相延迟会造成直流无刷电机电流脉动，增大电机转矩脉动，造成电机运行时噪声过大。因此，使电机在最佳换相位置换相的实现是必要的。

换相误差补偿的方法有两种：第一种是补偿的特定的误差源，比如外文文献“Position error in sensorless control ofbrushless dc motor based on averageline to line voltages”中分析电枢绕组电压降和低通滤波器换相误差补偿的延迟，但是这种方法只能补偿特定的滤波延迟，而不能对系统内其他的误差进行补偿。第二种是通过电压与电流信号，在电工技术学报中“高速磁悬浮无刷直流电机无位置换相误差闭环校正策略”，该文献利用换相前后30度内的电流积分作为反馈参数进行无刷直流电机无位置传感器换相误差校正，但是这种方法在表达式中含有阻抗参数，而阻抗参数在电机实际的运行过程中会发生变化，这会导致测量的角度不准确。

发明内容

本发明提供了一种无位置传感器直流无刷电机相位补偿的方法，包括无位置传感器直流无刷电机、三相全控逆变桥、相电压检测模块，位置检测模块，位置补偿模块，如图1所示。所述无位置传感器直流无刷电机与三相全控逆变桥连接；三相全控逆变电路驱动无位置传感器直流无刷电机工作；相电压检测模块用于采集无位置传感器直流无刷电机三相相电压；位置检测电路由获取到的直流无刷电机的相电压，经过滤得到过零点，滞后30°即换相点，但是这个换相点存在一定误差的。

位置补偿模块用于补偿的得到的换相点，通过位置补偿模块可以计算出当前转子换相位置与最佳换相位置的角度差，在下一个周期进行角度补偿，使直流无刷电机无位置传感器控制系统精确地换相，具体过程如下：

位置补偿模块首先获取相电压信号，若A、B相导通，C相关断，取电压信号u_an+u_bn-u_cn对这个电压信号做积分：

其中，t₁为60°的起始时刻，t₂为60°的终止时刻)，u_an为A相的相电压，u_bn为B相的相电压，u_cn为C相的相电压，Ke是反电动势系数，θ是滞后的角度，p为电机极对数。由公式获取到滞后的角度θ，并在下一周期补偿。

与现有技术相比，本发明提供的方法优势在于：

1.只需要计算一个开关周期导通相相电压的和减去关断相相电压的差的积分，就可以得到需要补偿的角度；

2.有比较快的相应速度；

3.积分后所得的积分值与滞后的角度有线性关系，这样的线性关系方便滞后角度获取；

4.本发明装置结构简单，不需要新增硬件，控制算法易于实现。

附图说明

图1为无位置传感器直流无刷电机换相补偿方法的结构图；

图2为相电压滤波电路图；

图3为B相反电动势、理想换相信号、实际延迟换相信号对比图；

图4为直流无刷电机等效线路图；

图5为迟情况下A、B反电动势及A相电流；

图6为在导通区间内各相反电动势的积分图；

图7为延迟换相时反电动势与电流的波形图；

图8为控制算法图；

图9为使用换相补偿的无位置传感器直流无刷电机反电动势与电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

本发明提供了无位置传感器直流无刷电机换相补偿的方法，包括无位置传感器直流无刷电机、三相全控桥式逆变电路、相电压检测模块、相电压滤波模块、位置检测模块、位置补偿模块、转速PI调节器、电流PI调节器，原理图如图1所示。

无位置传感器直流无刷电机获取相电压信号需要重新构建虚拟中性点，经过滤波后得到滞后的反电动势过零点信号，如图2所示。滤波的误差以及系统内其他信号的误差会共同造成换相点的延迟，如图3所示。

根据图4所示的三相全控桥逆变电路直流无刷电机等效电路图。在A、B相导通时，三相端电压方程为：

其中，u_a,u_b,u_c是三相定子绕组的端电压，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是电机中性点电位。D为PWM信号的占空比，U为直流母线电压值。

以A、C相导通为例，电流的关系：

i_a＝-i_b,i_c＝0 (2)

结合公式(1)和(2)其中Z为电机的阻抗参数，在这个导通周期A相电流表示为

理想换相时，反电动势在导通周期60°到120°有

e_a＝-e_b (4)

因此电流在这个换相周期内是接近一个矩形的，此时为最佳换相位置产生最小的电流脉动。但是发生延迟换相时，如图5所示，B相反电动势增大，A相反电动势不变，因此A相电流升高，产生电流脉动。

那么需要进行换相误差的检测，这里以A、B相导通，C相关断为例，取电压信号u_an+u_bn-u_cn。

结合公式(1)、(2)得到

u_an+u_bn-u_cn＝e_a+e_b-e_c (5)

对这个电压信号进行积分，如图6所示，阴影代表着滞后一段时间后反电动势信号的积分值。

其中E为反电动势平顶处的电压值，T_θ换相延迟的时间。

E＝K_en (7)

K_e为直流无刷电机的反电动势常数。

反电动势周期T为

将(7)、(8)、(9)代入到(6)中得到

由u_an+u_bn-u_cn积分值可以得到一个和滞后角度θ相关的函数，因此得到相位滞后的角度。

下面以具体实例对本发明提供的无位置传感器直流无刷电机相位补偿的方法进行说明，本实例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在发明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。

实例：

如图4所示，无位置传感器直流无刷电机三相绕组采用星型连接结构，采用120°两两导通的导通方式，每60°换相一次，采用上桥臂调制，下桥臂恒通的调制方式。

在A、B相导通时，VT1、VT6两个功率管导通，利用传统三段式的方法，在确定转子位置后，施加换相信号，当电机达到一定转速后，切换到无位置传感器直流无刷电机控制系统运行，在电机达到额定转速后，因存在着滤波环节等造成的滞后换相，A相电流产生电流脉动，如图7所示。在这样的电流脉动影响下，会造成电机运行效率减小，转矩脉动增大，使无位置传感器直流无刷电机的精度变小。

在A、B导通时，采取电机的三路相电压信号，做运算u_an+u_bn-u_cn。在A、B导通时间内对这个信号做定积分。得到的结果为一个与电机延迟角度成正比的一个值，由这个值可以得到延迟角度，并转换成在这个转速下的延迟时间，以此预测下一周期的换相信号，提前换相，消除滞后。在这个导通周期结束后，VT6截止，VT2导通，由A、B相换为A、C相，此时取电压信号u_an+u_cn-u_bn，重复上述的补偿策略，控制算法图如图8所示。

在具有换相补偿系统的无位置传感器直流无刷电机，其相电流图如图9所示。可以看出电流脉动有明显的减小，换相误差很小，实现了精确的换相。

综上可知，采用无位置传感器直流无刷电机换相补偿的方法，在不增加成本的前提下，可以获取与滞后角度有线性关系的值，以此得到滞后角度。有效精确的抑制电流的波动，方法简单，易于实现。

Claims (6)

1.一种无位置传感器直流无刷电机相位补偿的方法，其特征在于：包括无位置传感器直流无刷电机、三相全控逆变桥、相电压检测模块、位置检测模块、位置补偿模块，具体步骤如下：(1)利用传统三段式启动方式启动无位置传感器直流无刷电机；(2)采样相电压，并对相电压进行滤波，获取相电压过零点，以此作为位置换相信号；(3)在A、B相导通时，采取电压信号u_an+u_bn-u_cn并在这60°导通期间内取积分，得到的结果是一个与滞后角θ正比的函数关系式，u_an为A相的相电压，u_bn为B相的相电压，u_cn为C相的相电压，通过计算得到滞后角θ；(4)预测下一周期的换相信号，提前导通θ角度换相；所述的滞后角θ的过程如下：无位置传感器直流无刷电机获取相电压信号需要重新构建虚拟中性点，经过滤波后得到滞后的反电动势过零点信号，滤波的误差以及系统内其他信号的误差会共同造成换相点的延迟，根据三相全控桥逆变电路直流无刷电机等效电路图，在A、B相导通时，三相端电压方程为：

其中，u_a,u_b,u_c是三相定子绕组的端电压，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是电机中性点电位，D为PWM信号的占空比，U为直流母线电压值；

当A、B相导通时，电流的关系：

i_a＝-i_b,i_c＝0 2)

其中Z为电机的阻抗参数，在这个导通周期A相电流表示为

理想换相时，反电动势在导通周期60°到120°有

e_a＝-e_b 4)

此时为最佳换相位置产生最小的电流脉动，发生延迟换相时，B相反电动势增大，A相反电动势不变，因此A相电流升高，产生电流脉动，

当需要进行换相误差的检测，A、B相导通，C相关断时，取电压信号u_an+u_bn-u_cn，

得到

u_an+u_bn-u_cn＝e_a+e_b-e_c 5)

对这个电压信号进行积分，

其中E为反电动势平顶处的电压值，T_θ换相延迟的时间，

E＝K_en 7)

K_e为直流无刷电机的反电动势常数，

反电动势周期T为

将7)、8)、9)代入到6)中得到

p为电机极对数，由u_an+u_bn-u_cn积分值得到一个和滞后角度θ相关的函数，因此得到相位滞后的角度。

2.根据权利要求1所述的一种无位置传感器直流无刷电机相位补偿的方法，其特征在于：所述的无位置传感器直流无刷电机与三相全控逆变桥连接。

3.根据权利要求1所述的一种无位置传感器直流无刷电机相位补偿的方法，其特征在于：所述的三相全控逆变电路驱动无位置传感器控制的直流无刷电机工作。

4.根据权利要求1所述的一种无位置传感器直流无刷电机相位补偿的方法，其特征在于：所述相电压检测模块采集无位置传感器直流无刷电机三相相电压。

5.根据权利要求1所述的一种无位置传感器直流无刷电机相位补偿的方法，其特征在于：所述的位置检测电路由获取到的直流无刷电机的相电压，经过滤波得到过零点，滞后30°得到换相点。

6.根据权利要求1所述的一种无位置传感器直流无刷电机相位补偿的方法，其特征在于：所述的位置补偿模块可以计算出当前转子换相位置与最佳换相位置的角度差，在下一个周期进行角度补偿。