CN109167539A - 一种重载状况下无位置传感器无刷直流电机换相误差补偿方法及控制系统 - Google Patents

一种重载状况下无位置传感器无刷直流电机换相误差补偿方法及控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于电机控制领域，具体涉及一种重载状况下无位置传感器无刷直流电机换相误差补偿方法及控制系统。重载状况下采样线电压差信号时，会受到严重的续流影响，导致实际采样的过零点超前于反电动势过零点，产生超前的换相误差，通过分析超前的机理计算超前换相误差γ；采样的线电压差需要经过滤波滤除高频干扰，滤波会使采样的线电压差信号发生滞后，滞后角度θ可以根据滤波器参数计算。根据采样得到的线电压差的过零点滞后30°+γ‑θ度后作为电机换相点，使电机在精确的换相位置处换相。本发明从超前产生的机理入手计算出因续流影响引起的采样过零点的超前换相误差，在不增加任何硬件的条件下，补偿了电机的换相误差，实现电机精确换相。

Description

一种重载状况下无位置传感器无刷直流电机换相误差补偿方 法及控制系统
技术领域
本发明属于电机控制领域，具体涉及一种重载状况下无位置传感器无刷直流电机换相误差补偿方法及控制系统。
背景技术
无刷直流电机具有简单的结构，维护方便、效率高、调速性能好使其广泛应用于科学仪器以及电力推进设备中。通常，无刷直流电机的六个关键位置信号是由位置传感器获取的，但是位置传感器增加了很多的不稳定因素，如安装不准确，容易受到电磁干扰，增加了额外的引线等。因此，无刷直流电机无位置传感器驱动技术的研究成为当前无刷直流电机的研究热点。目前研究无位置传感器控制方案很多，主要包括反电动势法、续流二极管法以及磁链估计法等。其中反电动势法无位置传感器无刷直流电机的应用最为广泛，根据采样方式又可以分为最为常用的端电压采样法，不需要构造虚拟中性点的线电压差采样法，以及具有良好的低速性能的三次谐波法。所有的方法都会受到换相误差的影响，换相误差会导致较大的母线电流峰值，产生转矩脉动，影响电力推进系统的运行。因此国内外诸多学者提出了无位置传感器无刷直流电机换相误差检测与补偿的方法。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。但是在方波控制下，换相时的续流现象对端电压和线电压差采样干扰是不可避免的，这会造成端电压或线电压差通过滤波后的波形发生畸变，检测到的反电动势过零点超前于理想反电动势过零点。当负载电流增大时，超前的角度增大，而超前角度增大到过大时甚至会导致换相失败。
发明内容
本发明的目的在于解决无位置传感器无刷直流电机因续流影响导致超前换相的问题，提供一种重载状况下无位置传感器无刷直流电机换相误差补偿方法及控制系统，用于实现重载工况下无位置传感器无刷直流电机的精确换相。
一种重载状况下无位置传感器无刷直流电机换相误差补偿方法，包括以下步骤：
(1)超前换相误差角度γ的计算方程如下:
其中，n为当前电机的转速，p为电机的极对数，L为电机的电感，Ke为电机的反电动势常数，Ud为电机的母线电压，Ix为无刷直流电机关断相电流值。
(2)以一阶滤波器为例，滤波器产生的滞后角度θ的计算方程如下：
θ＝arctanωR1C1
其中
(3)根据采样得到的线电压差的过零点滞后30°+γ-θ度后，作为电机换相点使电机在精确的换相位置处换相。
一种重载状况下无位置传感器无刷直流电机换相误差补偿控制系统，包括无刷直流电机、三相全控逆变电路、线电压检测、过零检测模块、低通滤波器；所述无刷直流电机与三相全控逆变电路连接；所述三相全控逆变桥驱动无刷直流电机；所述线电压检测检测无刷直流电机的线电压；所述低通滤波器滤除线电压差中的高频信号；所述过零检测模块检测滤波后的线电压差信号的过零点。
本发明的有益效果在于：
本发明考虑到重载工况下续流对线电压差的影响，从超前产生的机理入手计算出因续流影响引起的采样过零点的超前换相误差，在不增加任何硬件的条件下，补偿了电机的换相误差，实现电机精确换相。
附图说明
图1为无刷直流电机等效电路；
图2为续流时电流流向示意图；
图3为线电压差分解；
图4为续流干扰等效信号；
图5为等效的线电压差信号；
图6为重载状况下无位置传感器无刷直流电机换相误差补偿方法的系统图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
一种重载状况下无位置传感器无刷直流电机换相误差补偿方法，根据无刷直流电机的线电压方程，线电压差信号的过零点和反电动势过零点相同，通过检测反电动势过零点滞后30°电角度后即是换相信号。但是，重载状况下采样线电压差信号时，采样的线电压差信号会受到严重的续流影响，导致实际采样的过零点超前于反电动势过零点，产生超前的换相误差。但是这个超前换相误差是可以通过分析超前的机理进行计算。采样的线电压差需要经过滤波滤除高频干扰，滤波会使采样的线电压差信号发生滞后，而这个滞后角度可以根据滤波器参数计算。
一种重载状况下无位置传感器无刷直流电机换相误差补偿方法，包括以下步骤：
(1)超前换相误差角度γ的计算方程如下：
其中，n为当前电机的转速，p为电机的极对数，L为电机的电感，Ke为电机的反电动势常数，Ud为电机的母线电压，Ix为无刷直流电机关断相电流值。
(2)以一阶滤波器为例，滤波器产生的滞后角度θ的计算方程如下：
θ＝arctanωR1C1
其中
(3)根据采样得到的线电压差的过零点滞后30°+γ-θ度后，作为电机换相点，使电机在精确的换相位置处换相。
一种重载状况下无位置传感器无刷直流电机换相误差补偿控制系统，包括无刷直流电机、三相全控逆变电路、线电压检测，过零检测模块，低通滤波器；所述无刷直流电机与三相全控逆变电路连接；所述三相全控逆变桥驱动无刷直流电机；所述线电压检测检测无刷直流电机的线电压；所述低通滤波器滤除线电压差中的高频信号；所述过零检测模块检测滤波后的线电压差信号的过零点。
如图1所示，无刷直流电机，两两导通120°导通方式下，电机的线电压差方程为
图中R，L分别表示每相绕组的电阻和电感，其中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
AC相导通时，B相为非导通相。即有ia+ib+ic＝0，ea+ec＝0。代入到上式得到
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。
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。
电机在任意时刻两相导通，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反向并联的二极管续流。
如图2所示，AB相导通切换至AC相导通，B相作为电机的关断相，关断相相电流通过续流二极管续流，使关断相相电压钳位。此时，线电压信号ubc＝Ud，uab＝0。电流续流过程线电压差信号为ubc-uab＝Ud。
为了分析续流过程对线电压差的影响，将线电压差信号进行分解，在续流期间可以把线电压差信号看作续流干扰信号uα(t)与2倍反电动势信号eb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，如图3所示。等效的续流干扰信号的表达式为
求解续流时间Tα，需要B相电流的变化率dib/dt，和换相瞬间B相相电流Ib，AC相导通，换相时ua＝Ud，ub＝Ud，uc＝0。换相点处有eb＝-E。E＝Ken，其中Ke为电机反电动势系数。得到B相电流的变化率为
根据B相电流的变化率，得到续流时间为
Uα为续流干扰信号的大小，其值为
这样的续流干扰信号等效成与其伏秒积相同宽度为60°的电压信号如图4。其中这个电压信号Uγ的大小为
通过带入UαTα，得到等效电压信号为
此时，线电压差信号等效于反电动势斜坡信号与等效续流干扰信号叠加，如图5所示。
其中因叠加的等效续流干扰Uγ产生了超前换相，超前时间为
其中k为理想反电动势梯形波的斜率，大小为k＝2Ken/T60°，将其代入上式中，解得的超前时间换算成超前角度，那么由续流引起的超前角度大小为
线电压差信号，因经过滤波器环节，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＝arctanωR1C1
其中
重载下，换相误差角度大小为γ-θ，这个值为正则具有超前的换相误差，这个值为负则具有滞后的换相误差。将采样的线电压差过零点滞后30°+γ-θ电角度就是电机的理想换相点。系统图如图6所示。
实施例
为了验证本发明所提出的重载状况下无位置传感器无刷直流电机换相误差补偿方法有效性，在Matlab/Simulink环境下搭建系统仿真模型。仿真中电机参数表1。
表1无刷直流电机参数
采用传统的三段式起动，由控制程序给定任意两相定子绕组通电一段时间，定子磁场将转子拖到指定的位置，按照开关表给绕组依次通电，待电机转速升高到一定值后，切换到无位置传感器控制方法下运行。
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，以及续流的影响，得到的换相信号具有一定误差，仿真中按照超前角度和滞后角度计算换相误差。仿真中给电机加24N·m额定负载，在额定转速1500rpm下运行，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。将霍尔信号与补偿前换相信号进行对比，得到在这个工况下的换相误差角度为11.041°，根据公式计算出的换相误差角度为11.246°，计算的误差率为1.86％。计算出来的和仿真中测量的换相误差角度相差很小，故所提出的重载状况下无位置传感器无刷直流电机换相误差补偿方法可以使校正系统换相误差，使电机运行在准确的换相位置。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。

Claims (2)

1.一种重载状况下无位置传感器无刷直流电机换相误差补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)超前换相误差角度γ的计算方程如下:
其中，n为当前电机的转速，p为电机的极对数，L为电机的电感，Ke为电机的反电动势常数，Ud为电机的母线电压，Ix为无刷直流电机关断相电流值。
(2)以一阶滤波器为例，滤波器产生的滞后角度θ的计算方程如下：
θ＝arctanωR1C1
其中
(3)根据采样得到的线电压差的过零点滞后30°+γ-θ度后，作为电机换相点使电机在精确的换相位置处换相。
2.一种重载状况下无位置传感器无刷直流电机换相误差补偿控制系统，其特征在于：包括无刷直流电机、三相全控逆变电路、线电压检测、过零检测模块、低通滤波器；所述无刷直流电机与三相全控逆变电路连接；所述三相全控逆变桥驱动无刷直流电机；所述线电压检测检测无刷直流电机的线电压；所述低通滤波器滤除线电压差中的高频信号；所述过零检测模块检测滤波后的线电压差信号的过零点。
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