CN109088567B - 一种无位置传感器无刷直流电机续流干扰补偿方法 - Google Patents

一种无位置传感器无刷直流电机续流干扰补偿方法 Download PDF

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Abstract

一种无位置传感器无刷直流电机续流干扰补偿方法涉及无刷直流电机控制领域，具体涉及一种无位置传感器无刷直流电机续流干扰补偿方法。一种无位置传感器无刷直流电机续流干扰补偿方法，包括以下步骤：(1)将无刷直流电机转子预定位，给无刷直流电机施加换相逻辑；(2)采样无刷直流电机线电压差信号，滤波获得线电压差的过零点，滞后30°，作为换相的指导信号；(3)当电机达到一定转速后，切换到无位置传感器方式下运行；(4)将续流干扰补偿信号与采样的线电压差信号相叠加；(5)根据滤波参数计算由滤波引起的相位延迟角度，并换算成当前速度下所对应的时间，补偿换相信号。本发明消除线电压差的续流干扰，实现了正确换相。

Description

一种无位置传感器无刷直流电机续流干扰补偿方法
技术领域
本发明涉及无刷直流电机控制领域，具体涉及一种无位置传感器无刷直流电机续流干扰补偿方法。
背景技术
无刷直流电机，Brushless DC Motor，以下简称BLDCM，广泛应用于科学仪器和工业设备以及电动车中，具有结构简单，效率高的优点。转子位置是BLDCM三相六状态控制策略中最重要的参数之一。霍尔传感器，光电编码器和旋转变压器通常用于提供BLDCM换向信息。然而，传感器检测精度很容易受外部环境和安装精度的影响。因此，无刷直流电机无传感器驱动的研究对于工业应用和科学研究具有重要意义。
反电动势法是无位置传感器技术中最常用、最简单的方法，通过采样端电压或者线电压差的过零点，滞后30°产生电机的换相位置信号，实现电机的正常运行。但是因为端电压或者线电压差存在PWM的高频分量，因此需要通过滤波来滤除高频分量。这会使采样到的过零点发生滞后。在采样端电压或者线电压差的过程中，续流会使电压波形发生畸变，这个畸变会使采样的过零点超前于反电动势过零点。具有换相误差的无位置传感器无刷电机具有较大的转矩脉动，影响电机运行。2013年中国电机工程学报文章“重载条件下无刷直流电机无位置传感器驱动换相续流影响的分析和补偿”提出了端电压畸变的产生原因及补偿方法。但是文章所使用的换相校正策略是需要线下检测续流的角度，不能在实时的对续流干扰进行补偿。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无位置传感器无刷直流电机续流干扰补偿方法。
一种无位置传感器无刷直流电机续流干扰补偿方法，包括以下步骤：
(1)将无刷直流电机转子预定位，给无刷直流电机施加换相逻辑，使电机开环启动；
(2)采样无刷直流电机线电压差信号，并对线电压差信号进行滤波，获得线电压差的过零点，滞后30°，作为换相的指导信号；
(3)当电机达到一定转速后，切换到无位置传感器方式下运行；
(4)将续流干扰补偿信号与采样的线电压差信号相叠加；
(5)根据滤波参数计算由滤波引起的相位延迟角度，并换算成当前速度下所对应的时间，补偿换相信号。
步骤(4)中，信号的参数为：
Figure GDA0003002941760000011
Figure GDA0003002941760000021
其中Tα为B相续流时间，L为电感，Ud为母线电压，E为电机的反电动势平顶值，Ib为关断相相电流，Uα为续流干扰信号的大小，T60°为60°电角度在当前转速下所对应的时间。
本发明的有益效果在于：
考虑到续流对线电压差的影响，并消除线电压差的续流干扰，实现了无位置传感器无刷直流电机正确换相。
附图说明
图1为续流干扰补偿方法的系统框图；
图2为换相时刻电流流向示意图；
图3为理想反电动势及续流干扰信号图；
图4为一阶滤波器传递函数图；
图5为线电压差的分解图；
图6为补偿前经滤波的线电压差信号、补偿后经滤波的线电压差信号，滤波后的理想反电动势信号图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
一种无位置传感器无刷直流电机续流干扰补偿方法，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、无刷直流电机、线电压采样、续流干扰补偿、低通滤波器、滤波延迟补偿组成。
无刷直流电机与三相全桥逆变器连接；
三相全控桥逆变电路驱动无刷直流电机工作；
线电压采样根据电机参数选择电压传感器和采样电阻，采样线电压。
低通滤波器用来滤除线电压差内PWM高频分量；
滤波延迟补偿为利用滤波参数和当前转速计算因滤波引起的换相滞后时间，并加以补偿。
续流干扰补偿，其具体步骤如下：
一种无位置传感器无刷直流电机续流干扰补偿方法，包括以下步骤：
步骤1：将无刷直流电机转子预定位，给无刷直流电机施加换相逻辑，使电机开环启动；
步骤2：采样无刷直流电机线电压差信号，并对线电压差信号进行滤波，获得线电压差的过零点，滞后30°，作为换相的指导信号；
步骤3：当电机达到一定转速后，切换到无位置传感器方式下运行；
步骤4：将续流干扰补偿信号与采样的线电压差信号相叠加，这个信号如图1所示，
其中这个信号的参数：
Figure GDA0003002941760000031
Figure GDA0003002941760000032
其中Ud为母线电压，E为电机的反电动势平顶值，Ib为关断相相电流。T60°为60°电角度在当前转速下所对应的时间；
步骤5：根据滤波参数计算由滤波引起的相位延迟角度，并换算成当前速度下所对应的时间，补偿换相信号。
电机工作于120°导通方式，每个时刻有两相绕组有电流通过，另一相不导通，无电流流过。电机的线电压方程为
Figure GDA0003002941760000033
假设电机使用的是表面安装的永磁体结构，电机三相对称，忽略电机的电枢反应，每相绕组具有相同的特性和参数；则图中R，L分别表示每相绕组的电阻和电感(电感为自感和互感的差值)。ua、ub、uc为相电压，ea、eb、ec为相反电动势，ia，ib，ic为相电流。
将ubc与uca相减，得到
Figure GDA0003002941760000034
AC相导通时，B相为非导通相。即有ia+ib+ic＝0，ea+ec＝0。代入到公式(2)得到
Figure GDA0003002941760000035
若不考虑续流因素，B相作为非导通相，电流为0。即2eb＝ubc-uab。反电动势只和线电压差有关。通过检测线电压差的过零点，就可以检测反电动势的过零，指导无位置传感器无刷直流电机的换相。
方波驱动，120度导通的无刷直流电机理想反电动势为梯形波，电机在任意时刻由两相导通，因电机的电感的存在，电流不能突变为0，此时关断相电流将通过逆变器功率管反向并联的二极管续流。
如图2所示，AB相导通后，根据电机当前位置信号，电机将换相为AC相，B相作为电机的关断相。AC相导通时，线电压信号ubc＝Ud，uab＝0。
在续流期间可以把线电压差信号看做续流干扰信号uα(t)与2倍的反电动势信号2ue(t)的叠加。续流干扰信号为一个近似梯形的脉冲信号，将它等效成一个矩形的脉冲信号，等效的续流干扰信号的表达式为
Figure GDA0003002941760000041
其中Tα为续流时间。求解续流时间Tα，AC相导通，ia+ib+ic＝0,ia+ib＝-ic，换相时uaUd，ub Ud，uc＝0。换相点处有eb＝-E。忽略相电阻R的影响，三相电压平衡方程可以写为
Figure GDA0003002941760000042
得三相电流的变化率
Figure GDA0003002941760000043
得到B相电流的变化率，进而可以得到B相续流时间,其大小为
Figure GDA0003002941760000044
其中Ud为母线电压，E为电机的反电动势平顶值。
Uα为续流干扰信号的大小，其值为
Figure GDA0003002941760000045
其中T60°为60°电角度在当前转速下所对应的时间，如图3所示。
续流干扰信号uα(t)经过低通滤波器后的相应为yα(t)，如图4所示。滤波器相当于一个一阶惯性环节，其对续流干扰信号的响应方程为
Figure GDA0003002941760000046
线电压差通过一阶RC滤波后得到畸变的反电动势信号，这个信号相当于滤波后的2倍反电动势信号2ye(t)与续流干扰信号yα(t)相叠加，如图5所示。在续流干扰信号经滤波器的响应未衰减到0时，和反电动势的响应相叠加，形成了超前的换相信号。当负载变大续流时间变长，续流干扰的响应衰减到0的时间越长，超前现象越严重。
为了解决这个超前的角度，本方法提出一种续流干扰补偿的方法，在电机的关断相处做出一个和续流干扰信号相反的信号，与线电压差相叠加，用以抵消续流干扰信号对反电动势的影响，如图1所示。
抵消续流干扰信号的线电压差信号，因经过一阶滤波器环节，得到的过零点和理想反电动势的过零点的关系式滞后的，需要进行补偿，其滞后角度和滤波器参数有关，由滤波器产生的滞后角度，这个滞后角度为
θ(ω)＝arctanωR1C1 (8)
将这个滞后角度随着转速的增大而增大，将这个滞后角度补偿，就可以实现无位置传感器无刷直流电机的精确换相。
实施例
三相全控桥逆变电路采用两两导通方式，每个功率管导通120°，每60度电角度换相一次。所用的无刷直流电机采用反电动势120°平顶的梯形波，采用的调制方式为Hpwm-Lon。变频器为IPM(PM50RL1A060)，核心控制器为FPGA(EP3C25Q240C8N)，电机的具体参数如表1所示。
表1无刷直流电机参数
Figure GDA0003002941760000051
利用电压传感器采样线电压信号，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°作为无刷直流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，以及续流干扰信号的存在，得到的换相信号具有一定误差。利用换相信号选择续流干扰补偿信号的触发位置，利用关断相电流以及转速计算续流干扰补偿信号的大小与持续时间，将这个信号和采样得到的线电压差信号相叠加，实现对线电压差信号的补偿，滤波后得到的信号如图6所示，分别为补偿前经滤波的线电压差信号、补偿后经滤波的线电压差信号，滤波后的理想反电动势信号。经对比得到，补偿后的线电压差信号的过零点可以和理想反电动势信号重合，补偿了续流干扰信号造成超前的换相误差。
在本系统中采用一阶无源低通滤波器，其参数R1＝2kΩ，L2＝0.01uF，在1500rpm转速下，所产生的滤波延迟角度约为0.72°电角度。经过滤波补偿环节后，将滞后角度补偿。最终实现电机的精确换相。
在本发明中，无位置传感器无刷直流电机续流干扰补偿方法。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。分析并补偿了续流造成的超前换相误差。建立仿真原型，结果表明，该算法能准确校正误差。同时，无位置传感器无刷直流电机驱动系统的换向性能将进一步提升。
本发明所解决的技术问题是解决无位置传感器无刷直流电机的续流干扰引发的线电压差畸变，导致实际采样的过零点超前于反电动势过零点。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：传统的无位置传感器无刷直流电机的方法不考虑到带载下的续流影响，而续流干扰会使线电压差发生畸变，使相位超前，偏离最佳的换相时刻，若负载比较大，输出转矩大，电流会变大，续流时间延长，线电压差发生的畸变严重，这甚至会导致换相失败。而本发明考虑到续流对线电压差的影响，并消除线电压差的续流干扰，实现了无位置传感器无刷直流电机正确换相。

Claims (1)

1.一种无位置传感器无刷直流电机续流干扰补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将无刷直流电机转子预定位，给无刷直流电机施加换相逻辑，使电机开环启动；
(2)采样无刷直流电机线电压差信号，并对线电压差信号进行滤波，获得线电压差的过零点，滞后30°，作为换相的指导信号；
(3)当电机达到一定转速后，切换到无位置传感器方式下运行；
(4)将续流干扰补偿信号与采样的线电压差信号相叠加；
(5)根据滤波参数计算由滤波引起的相位延迟角度，并换算成当前速度下所对应的时间，补偿换相信号；
所述步骤(4)中，所述的续流干扰补偿信号的参数为：
Figure FDA0003002941750000011
Figure FDA0003002941750000012
其中Tα为B相续流时间，L为电感，Ud为母线电压，E为电机的反电动势平顶值，Ib为关断相相电流，Uα为续流干扰信号的大小，T60°为60°电角度在当前转速下所对应的时间。
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