CN107749725B - 一种无位置传感器直流无刷电机的换相校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无位置传感器直流无刷电机的换相校正方法，利用三段式启动方式启动；选择线电压差信号，进行采样并滤波；以滤波后的线电压差信号过零点滞后30°对应的时间作为换向时间点；通过控制器对线电压差采样值进行积分运算，获得线电压差信号在对应相60°导通区间内积分值d；根据积分值d，获得换向延迟角θ，θ和d之间满足关系：

p为极对数，K_e为反电动势常数；根据θ，获得延迟时间T_θ，T_θ与θ之间满足关系：

T为电机转动360°电角度时间；在下一导通周期提前延迟时间T_θ进行换向信号导通。本发明无需构造电机虚拟中性点，减少硬件和成本，对所有导致换相误差的因素造成的滞后等都进行补偿。在一个导通周期内可以检测出换相点延迟角度，具有快速性。

Description

一种无位置传感器直流无刷电机的换相校正方法

技术领域

本发明属于直流无刷电机控制领域，涉及一种无位置传感器直流无刷电机的换相校正方法。

背景技术

直流无刷电机具有高效率，高功率密度和高速运行范围等各种有利特性。此外与换向器、电刷的机械结构的直流电机相比，直流无刷电机具有比较小的电磁和机械噪声。直流无刷电机需要六个离散的转子位置信号进行换相。通常这六个位置信号是由三个霍尔传感器来产生的，但是采用该方法不仅增加了系统的功耗，还降低了系统的可靠性。因此利用无位置传感器换相技术是一个较好的选择，也是近几年直流无刷电机控制技术研究热点之一。

工程上采用最广泛的直流无刷电机无位置传感器控制系统换相方法是反电动势过零点法，但是这种方法需要重新构造中性点来获取端电压，并且需要通过低通滤波器来滤掉高频干扰，滤波器造成的滞后与系统其他的误差共同造成了换相点的延迟。这样延迟的换相点，会对电机产生较大的转矩脉动，影响电机的运行，并产生噪声。2010年李自成的博士论文“无刷直流电机无位置传感器控制关键技术研究”提出了了一种利用线电压差来获取反电动势过零点的方法，这种方法不需要重新构造电机的中性点，但是在这篇文章中只是针对滤波器带来的滞后角度进行补偿，没有考虑到系统其他的可能因素，如PWM死区时间、重载状态下的续流等带来的换相点滞后。2006年外文文献“Optimal commutation of aBLDC motor by utilizing the symmetric terminal voltage”提出了一种基于虚拟换相点的方法，但是这种方法引入了新的硬件电路。

发明内容

本发明所解决的技术问题是提供一种通过对线电压差进行积分获取换向延迟角并进行补偿的无位置传感器直流无刷电机的换相校正方法。

为解决上述技术问题，本发明的一种无位置传感器直流无刷电机的换相校正方法，包括以下步骤：

步骤1：利用三段式启动方式启动无位置传感器直流无刷电机；

步骤2：检测线电压信号，根据导通相，选择直流无刷电机线电压差信号，对相应线电压信号做差，获得选定的线电压差信号，对线电压差信号进行采样，并对线电压差信号进行滤波；

步骤3：在滤波后的线电压差信号过零点滞后30°对应的时间点导通位置换向信号；

步骤4：通过控制器对线电压差的采样值进行积分运算，获得选定的线电压差信号在对应相的60°导通区间内的线电压差信号积分值d；

步骤5：根据线电压差信号积分值d，获得换向延迟角θ，换向延迟角θ和线电压差信号积分值d之间满足关系：

其中，p为直流无刷电机的极对数，K_e为直流无刷电机的反电动势常数；

步骤6：根据换向延迟角θ，获得延迟时间T_θ，延迟时间T_θ与换向延迟角θ之间满足关系：

其中，T为直流无刷电机转动360°电角度所用时间；

步骤7：在下一导通周期提前延迟时间T_θ进行位置换向信号导通。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：传统的直流无刷电机无位置传感器控制系统中，一些补偿方式需要重新构造电机的虚拟中性点，但是在本发明中，不需要构造电机的虚拟中性点，减少硬件使用，减少成本。并且可以将系统所有可以导致换相误差的因素，包括续流及PWM死区时间的因素造成的滞后等都进行补偿。在一个导通周期内就可以检测出换相点的延迟角度，具有快速性。对系统的每个导通周期都进行检测，保证了系统在每个周期最佳换相点换相。

附图说明

图1为采用线电压差积分换向校正的直流无刷电机无位置传感器控制系统系统图；

图2为最佳换相位置的反电动势；

图3(a)为理想位置换向三相反电动势的积分值；

图3(b)为存在换向延迟角θ时三相反电动势的积分值；

图4为直流无刷电机补偿系统实现图；

图5为校正前相电流、反电动势、母线电流；

图6为校正后相电流、反电动势、母线电流；

图7为实验中校正前的母线电流；

图8为实验中校正后的母线电流。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

利用线电压差积分实现无位置传感器直流无刷电机换相补偿的方法，具体结构如图1所示，由六个功率开关组成的三相全桥逆变器、无位置传感器直流无刷电机、换相补偿环节、速度调节器、电流调节器组成。

所述直流无刷电机与三相全控桥驱动控制电路连接；

所述三相全控桥逆变电路驱动无位置传感器控制的直流无刷电机工作；

所述的位置速度调节器和电流调节器用于实现转速和电流两种负反馈，在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。形成转速、电流双闭环调速系统。

所述PWM调制和开关逻辑与传统直流无刷电机调速系统的相应模块和方法相同。

通过线电压差检测模块检测直流无刷电机的线电压，根据导通相，选择直流无刷电机线电压差信号，对相应线电压信号做差，获得线电压差信号，并对线电压差进行滤波，得到过零点，并滞后30°获取直流无刷电机转子的位置信息，但是这个信息是存在一定误差的。

换相信号补偿具体过程如下：首先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到一定转速后，根据导通相，选择直流无刷电机线电压差信号，对所述的线电压差信号进行采样，并对线电压差信号进行滤波，以滤波后的线电压差信号过零点滞后30°对应的时间作为换向时间点；但是因为滤波环节等因素，这个换向信号存在一定延迟，为补偿这样的延迟，通过控制器对线电压差的采样值进行积分运算，获得选定的线电压差信号在对应相的60°导通区间内的线电压差信号积分值d；根据线电压差信号积分值d，获得换向延迟角θ，换向延迟角θ和线电压差信号积分值d之间满足关系：

其中，p为电机的极对数，K_e为电机的反电动势常数；根据换向延迟角θ，获得延迟时间T_θ，延迟时间与滞后角之间满足关系：

其中，T为电机转动360°电角度所用时间；在下一导通周期提前延迟时间T_θ进行位置换向信号导通。在每个导通周期都检测积分值，用于确定无位置传感器直流无刷电机在每个周期内是否在直流无刷电机的最佳换向点处，实现无位置传感器直流无刷电机的精确换向。

三相直流无刷电机电压方程可表示为：

其中R为定子电阻，L为相电感，u_a、u_b、u_c为三相电压，e_a、e_b、e_c为三相反电动势，u_n为中性点电压。

在本发明中，三相绕组的电阻被认为是恒定的相等的。高速电机具有非常低的电感，在计算中可忽略不计。

理想的换相时刻为反电动势的交点，当且仅当电机和理想换相时刻时，将实现具有最小母线电流波动和最小转矩脉动，证明过程如下：

电机转矩方程由下式给出：

其中，T_e是电机的电磁转矩，ω是电机的机械角速度，由于i_b＝0,i_a＝-i_c在换相时刻之前满足，i_a＝0,i_b＝-i_c在换相时刻之后满足，换相之前和换相时刻之后转矩可以表示为

因此A、B相反电动势相等的时候产生最小的转矩脉动，如图2所示。

为确保电机在最佳换相位置，即在两个反电动势相等的位置换相，当两个反电动势交叉的位置被认为为最佳换相点。

直流无刷电机无位置传感器控制系统，因为滤波等因素的影响发生换相延迟，使电机的实际换相点滞后于最佳换相点，产生换相转矩脉动，那么就需要进行换相补偿。

本发明利用线电压差的积分进行换相延迟角度的检测。

这里以A、B相导通为例。

i_a+i_b＝0,i_c＝0 (7)

因此

u_bc-u_ca＝e_a+e_b-2e_c (8)

e_a＝E (9)

其中E为电机反电动势平顶处电压值，t_30°，t_30°+θ，t_90°,t_90°+θ是转子位于30°,30°+θ，90°,90°+θ电角度的时刻，θ为换向延迟角。

若在理想的换相位置，各相反电动势的积分如图3(a)所示，阴影面积的大小表示积分值。

对这个导通周期取积分，各相反电动势的积分如图3(b)所示。

在下个周期中B相关断，C相导通，A、C相导通的过程中

i_a+i_c＝0,i_b＝0 (15)

u_ab-u_bc＝e_a+e_c-2e_b (16)

e_c＝-E (19)

对这个导通周期取积分，结果为

其中，θ为换向延迟角，T_θ为在当前转速下换向延迟角为θ时换相延迟的时间，T_60°为在当前转速下转动60°电角度所用的时间。

得到这个积分值，在下桥臂换相周期中这个积分值为正值，在上桥臂换相周期中这个积分值为负值，故对这个积分值取绝对值。

对这个二次方程求解，就可以得到当前转速下换相点的延迟时间T_θ，利用这个值，估计下一周期的最佳换相点，并在最佳换相点处进行换相。

因为

换相延迟角θ为

其中p为电机的极对数，K_e为电机的反电动势常数，d为导通期间的线电压差积分值，通过计算得到换向延迟角θ。

线电压差信号的选取如表一所示：

表一线电压差信号选取表

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

如图4所示，为直流无刷电机补偿部分的实现图，直流无刷电机三相绕组采用星型连接结构，三相全控桥式逆变电路采用两两导通的方式，每个功率管导通120°，每60°电角度换相一次。所用的直流无刷电机采用的是反电动势为120°平顶的梯形波，采用的调制方式为Hpwm-Lon的调制方式。检测线电压信号，对其做差，对线电压差信号进行滤波，滤波后的线电压差信号的过零点滞后30°作为直流无刷电机无位置传感器控制系统的换相信号，但是因为滤波器的存在，会造成换相点的延迟。

线电压差信号除了指导电机的换相，还可以对其进行定积分运算，积分值与直流无刷电机换相误差角相关。如图5所示，在滞后的情况下会产生比较大的母线电流波动，因此需要对无位置传感器直流无刷电机换相瞬间进行校正。这里以A、C相导通为例，对u_ab-u_bc进行积分，积分区间就是A、C导通的这60°的时间，在本发明中，这段时间可以直接用功率管VT₁与VT₂的导通信号作为积分区间，得到的积分值通过公式(22)求解出换向延迟角度并换算成延迟时间，使用这个时间预测下一周期精确的换相点。并在精确的换相点执行换相，如图6所示，校正后的无位置传感器直流无刷电机具有更精准的换相点和较低的母线电流波动。

变频器为IPM(PM50RL1A060)，核心控制器为FPGA(EP3C25Q240C8N)。如图7所示为校正前的母线电流波形，如图8所示为校正后的母线电流波形。由实验可以看出使用本发明的方法可以使电机处于最佳换相位置换相，并产生较小的母线电流脉动，减小直流无刷电机的噪声。

在本发明中，无位置传感器直流无刷电机驱动系统的新型换向误差校正策略，结合无位置传感器系统的方法对于参数变化是鲁棒的，并且换向性能大大提高。根据理论分析得出，在整流期间的直流母线电流纹波将被最小化，而理想的换相时刻是每个两相反电动势的相交点。建立仿真原型，结果表明，该算法能准确检测换向误差。同时，无位置传感器直流无刷电机驱动系统的换向性能将进一步提升。

Claims (1)

1.一种无位置传感器直流无刷电机的换相校正方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：利用三段式启动方式启动无位置传感器直流无刷电机；

步骤2：检测线电压信号，根据导通相，选择直流无刷电机线电压差信号，具体为：当以功率开关管VT₁和VT₆的导通区间作为积分区间或者以功率开关管VT₃和VT₄的导通区间作为积分区间时，对应选择的线电压差为u_bc-u_ca，当以功率开关管VT₁和VT₂的导通区间作为积分区间或者以功率开关管VT₅和VT₄的导通区间作为积分区间时，对应选择的线电压差为u_ab-u_bc，当以功率开关管VT₃和VT₂的导通区间作为积分区间或者以功率开关管VT₅和VT₆的导通区间作为积分区间时，对应选择的线电压差为u_ca-u_ab，其中，VT₁、VT₄分别为三相全控桥对应A相的桥臂的上、下功率开关管，VT₃、VT₆分别为三相全控桥对应B相的桥臂的上、下功率开关管，VT₅、VT₂分别为三相全控桥对应C相的桥臂的上、下功率开关管，u_ab、u_bc、u_ca分别为AB相、BC相、CA相之间的线电压；对相应线电压信号做差，获得选定的线电压差信号，对所述的线电压差信号进行采样，并对所述线电压差信号进行滤波；

步骤3：在滤波后的线电压差信号过零点滞后30°对应的时间点导通位置换相信号；

步骤4：通过控制器对线电压差的采样值进行积分运算，获得选定的线电压差信号在对应相的60°导通区间内的线电压差信号积分值d；

步骤5：根据线电压差信号积分值d，获得换相延迟角θ，换相延迟角θ和线电压差信号积分值d之间满足关系：

其中，p为直流无刷电机的极对数，K_e为直流无刷电机的反电动势常数；

步骤6：根据换相延迟角θ，获得延迟时间T_θ，延迟时间T_θ与换相延迟角θ之间满足关系：

其中，T为直流无刷电机转动360°电角度所用时间；

步骤7：在下一导通周期提前延迟时间T_θ进行位置换相信号导通。

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