CN107994818A - 以内功率因数角实时闭环调整控制单相无刷直流电机方法 - Google Patents

以内功率因数角实时闭环调整控制单相无刷直流电机方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种以内功率因数角实时闭环调整控制单相无刷直流电机方法，针对单相无刷直流电机运行在不同工况下，由于绕组电感作用会使相电流发生不同相位角滞后，根据Hall信号与相电流之间的相位差实时计算出内功率因数角的大小，并通过控制相电压的相位完成对内功率因数角的实时闭环调整，在此基础上实现电机的高效率运行。本发明通过设计特定的相电流采样方式，获取完整周期的相电流，然后实时计算内功率因数角，并完成内功率因数角的闭环调整，能够在电机转速、负载等工况发生变化时一直保持着内功率因数角为零，避免大量实验获取不同工况下的导通角的繁琐过程，而且能够保证任何转速、负载下的高效运行，具有较强的适应工况变化的能力。

Description

以内功率因数角实时闭环调整控制单相无刷直流电机方法
技术领域
本发明涉及一种以内功率因数角实时闭环调整控制单相无刷直流电机方法。
背景技术
在对机电产品提出高效节能要求的形势下，一些原来采用单相异步电机驱动的应用场合纷纷采用高功率密度和高效率的低成本永磁电机来替代。单相无刷直流电机，又名“单绕组无刷直流电机”，具有结构简单、加工制造容易、所需功率管少、控制电路简单、成本低的优点，在一些低成本、低起动转矩、对电机性能要求不高的小功率设备，如风机、水泵等场合得到了较广泛的应用。但随着一些应用场合对性能要求的提高，进一步提升单相无刷直流电机在不同转速、不同负载下的运行效率，使其接近三相(三绕组)无刷直流电机的性能，是对单相无刷直流电机提出的新要求。
现有的单相无刷直流电机的控制方式主要为转速开环、转速闭环、电流闭环或外转子环内电流环的双闭环结构，对于径向充磁转子，往往根据转子位置，采用PWM或SPWM的调制方法生成与转子相对位置固定的功率管驱动信号，保证施加到单相绕组上的电压为方波或正弦波。由于电机运行过程中，转速或负载发生变化时，电流和电压间的相位也会随之改变。如果不对电流相位进行调整，无法做到在宽转速或宽负载范围内的高效运行。传统的控制方法中通过大量的实验测量单相无刷直流电机在不同转速、不同负载下需要的超前导通角，并存储在控制器中，该方法过于繁琐且精度不高，当应用场合发生变化时很可能需要重新测量参数，不能很好的满足特定电机的不同应用场合。图2为现有控制方法采用的主电路图。
发明内容
本发明的目的是解决目前单相无刷直流电机在宽速度宽负载范围高效运行方面存在的技术问题。
为实现以上发明目的，本发明提供一种以内功率因数角实时闭环调整控制单相无刷直流电机方法，包括以下步骤：
(1)完整周期相电流的获取：通过在单相无刷直流电机控制电路绕组位置上进行相电流采样，获取360°电角度周期的完整相电流波形；
(2)内功率因数角的实时计算：无论在何种工况下，单相无刷直流电机的Hall信号与反电势信号始终保持固定的相位关系Δθ，满足单相无刷直流电机相电流和反电势的始终同相位，只需要保证Hall信号和相电流信号始终保持固定相位关系即可；通过高频计数的方式，获得上个Hall周期的时间tl以及当前Hall周期已用时间t，实时的估算出电角度θ，即为Hall信号的相位角，得到相电流过零点时刻电角度θi，此时，单相无刷直流电机的内功率因数角φ＝θi+Δθ；
(3)根据内功率因数角φ，设定参考内功率因数角为φref＝0，进行内功率因数角的闭环调节；
(4)根据步骤2得到的单相无刷直流电机的Hall周期，计算出单相无刷直流电机的实际运行转速n，完成单相无刷直流电机的转速控制。
进一步地，步骤(1)中所述相电流采样采用霍尔型电流采样芯片或差分放大器。
进一步地，步骤(3)中所述内功率因数角的闭环调节为PI调节，调整周期间隔为1-3秒。
进一步地，步骤(4)中所述转速控制为转速开环或转速闭环。
进一步地，所述步骤(4)得到速度调节输出，结合单相的SVPWM调制或SPWM调制，实现电机的转速控制和内功率因数角控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明可以使单相无刷直流电机在不同的转速和负载情况下自动调整电压相位，使得相电流和相感应反电势始终保持同相位，进而保证电机的高效运行，可广泛应用于冰箱、冷柜、空调盘管风机、变风量末端装置、新风换气机等所使用的单相无刷直流电机的驱动。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2为现有控制方法采用的主电路图；
图3为本发明的主电路图；
图4为本发明的方法流程框图；
图5为单相无刷直流电机带风机负载400RPM和600RPM时霍尔信号和电流波形图(方波为霍尔波形，正弦波为控制的电流波形)；
图6为单相无刷直流电机带风机负载800RPM和1000RPM时霍尔信号和电流波形图(方波为霍尔波形，正弦波为控制的电流波形)；
图7为单相无刷直流电机带风机负载1150RPM和1300RPM时霍尔信号和电流波形图(方波为霍尔波形，正弦波为控制的电流波形)；
图8为120W四对极额定转速1300rpm单相无刷直流电机带风机负载1300rpm时工作特性曲线(其中控制板待机功耗为4W)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1和4所示，本发明的以内功率因数角实时闭环调整控制单相无刷直流电机方法，包括以下步骤：
单相无刷直流电机的绕组电流经过硬件电路的处理，由控制器的AD采样获取完整电周期的相电流i，以便进行内功率因数角的计算；
根据霍尔元件的换向信号为标志，对设定的高频脉冲进行计数，从而实时准确的计算出电机的当前电角速度以便进行速度的闭环控制，其中P为半个霍尔周期内记录的高频脉冲数，T为高频脉冲周期,；
根据电机的当前转速ω和当前采样时间t，由θk+1＝θk+ωt，估算出实时的电角度θ；
通过每个控制周期对相电流过零点时刻的电角度进行检测，结合Hall信号状态，得到Hall信号与相电流之间的相位关系θi，再考虑Hall的安装位置和相感应反电势之间的相位差Δθ，得到单相无刷直流电机的内功率因数角φ＝θi+Δθ；
为保证电机的时刻高效率运行，设置内功率因数角的参考值为φref＝0，结合实际内功率因数角φ，完成内功率因数角的实时闭环调整，其控制输出用于控制输出相电压u的相位，速度闭环调节的输出用于控制输出相电压u的幅值；
根据u完成功率管驱动信号的SPWM或SVPWM方法调制，实现了基于速度闭环和内功率因数角闭环的单相无刷直流电机高效率控制。
本发明在获得单相无刷直流电机的完整周期的绕组相电流和运行速度后，通过计算实时的内功率因数角，完成内功率因数角的实时闭环调整，始终保证相电流与相感应反电势同相位，并且跟据实际运行转速完成对转速的控制，最终实现单相无刷直流电机在宽转速、宽负载范围内的高效率稳定运行。
本发明所提出的单相无刷直流电机的主电路如图3所示，通过在单相无刷直流电机控制电路绕组位置上进行相电流采样，获取360°电角度周期的完整相电流波形，该方法的采样方式可以使用霍尔型电流采样芯片、或者使用差分放大器进行有效的采用，该种采用方式会对相电流转化后的电压结果加上一个直流电压偏置进行抬升，以保证AD采用能够获得全部周期的电流值。其中，图2给出了传统单相无刷直流电机的主电路以及其电流采样方式，通过该方法得到的相电流不包含H桥导通方向的信息，又加上不易获得准确的电流过零点位置，故本发明对此电路进行了改进。
对于一台特定的单相无刷直流电机，其Hall信号与相感应反电势信号始终保持固定的相位关系Δθ，因此，要满足单相无刷直流电机相电流和相感应反电势的始终同相位，只需要保证Hall信号和相电流信号始终保持固定相位关系即可。通过高频计数的方式，获得上个Hall周期的时间tl以及当前Hall周期已用时间t，实时的估算出电角度θ以及电机转速n，此时Hall信号跳边沿位置的电角度为0°(与360°位置重合)或180°，再得到相电流过零点时刻电角度θi，此时，计算出单相无刷直流电机的内功率因数角φ＝θi+Δθ，其中，固定相位角Δθ可以根据电机设计参数或测量得到。
根据以上的叙述过程，以本发明的控制方法对一台120W四对极额定转速1300rpm单相无刷直流电机带风机负载进行了实验测试。从图5、图6、图7的测试结果可以发现，通过对内功率因数角进行自动调节，绕组电流的相位与霍尔位置在不同转速和不同负载下均保持同相，即实现了单相无刷直流电机的高效率控制。
相同电机结构，仅改变控制策略，采用本发明中方法的单相无刷直流电机与市场上存在的电流、转速双闭环控制策略的单相无刷直流电机进行比较之后，本方法对于效率的提升约为5～10％左右，而且在宽负载范围内效率整体都是有很大提高的，图8为电机的工作特性测试图。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (5)

1.以内功率因数角实时闭环调整控制单相无刷直流电机方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)完整周期相电流的获取：通过在单相无刷直流电机控制电路绕组位置上进行相电流采样，获取360°电角度周期的完整相电流波形；
(2)内功率因数角的实时计算：无论在何种工况下，单相无刷直流电机的Hall信号与反电势信号始终保持固定的相位关系Δθ，满足单相无刷直流电机相电流和反电势的始终同相位，只需要保证Hall信号和相电流信号始终保持固定相位关系即可；通过高频计数的方式，获得上个Hall周期的时间tl以及当前Hall周期已用时间t，实时的估算出电角度θ，即为Hall信号的相位角，得到相电流过零点时刻电角度θi，此时，单相无刷直流电机的内功率因数角φ＝θi+Δθ；
(3)根据内功率因数角φ，设定参考内功率因数角为φref＝0，进行内功率因数角的闭环调节；
(4)根据步骤(2)得到的单相无刷直流电机的Hall周期，计算出单相无刷直流电机的实际运行转速n＝30/(P*T)，完成单相无刷直流电机的转速控制；n为电机转速，rpm；P为电机极对数；T为检测到霍尔信号上升下降沿的时间间隔，即Hall周期，S。
2.如权利要求1所述的以内功率因数角实时闭环调整控制单相无刷直流电机方法，其特征在于，步骤(1)中所述相电流采样采用霍尔型电流采样芯片或差分放大器。
3.如权利要求1所述的以内功率因数角实时闭环调整控制单相无刷直流电机方法，其特征在于，步骤(3)中所述内功率因数角的闭环调节为PI调节，调整周期间隔为1-3秒。
4.如权利要求1所述的以内功率因数角实时闭环调整控制单相无刷直流电机方法，其特征在于，步骤(4)中所述转速控制为转速开环或转速闭环。
5.如权利要求1所述的以内功率因数角实时闭环调整控制单相无刷直流电机方法，其特征在于，所述步骤(4)得到速度调节输出，结合单相的SVPWM调制或SPWM调制，实现电机的转速控制和内功率因数角控制。
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