CN110299876B - 一种提高无刷直流电机换相准确度的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种提高无刷直流电机换相准确度的控制方法，将两个导通区间内的中断个数之差作为PI控制器输入端的反馈值，通过PI控制使得中断个数之差跟随参考值，由中断个数之差进行PI控制得到的补偿角度根据实际换相状态而变化，通过端电压梯形波两侧斜坡的对称性，判断出目前电机换相是超前还是滞后，后对相位补偿进行调整，由此提高换相的准确度。本发明在原有无位置传感器无刷直流电机控制系统的基础上，通过对每相反电动势的梯形波两侧所维持的周期数进行计数，并根据两侧计数点之差进行相位补偿。本发明无需附加额外的硬件电路，方法简单，且能提高了换相的准确度，降低了电机的电压电流的波形畸变率，同时减小了转矩脉动。

Description

一种提高无刷直流电机换相准确度的控制方法
技术领域
本发明涉及电机控制领域，尤其是一种提高电机换相准确度的控制方法。
背景技术
无刷直流电机作为一种高效高性能的电机系统，其应用领域也越来越多。位置传感器作为无刷直流电机的重要组成部分之一，在维持电机连续运行方面扮演着重要的角色，但同时它也带来了很多的问题。例如，增大了电机体积、增加了外部引线、提高了电机制作成本、降低了电机可靠性、且转子位置传感器容易受到环境因素的变化，需要较高的安装工艺。正是由于转子位置传感器存在以上诸多缺陷，在较为恶劣的环境下，无刷直流电机的应用存在一定的风险。为满足更多应用场景，改善电机性能，无位置传感器的控制技术成为了研究热点。目前，技术最成熟、应用最广泛的无刷直流电机无位置传感器控制方法就是反电势法。其控制的难点主要集中在三个方面：即精确的换相控制、可靠的起动方法和转矩脉动抑制。在利用反电势法对转子位置进行检测时，随着电机负载增大和转速提升，电机绕组的续流影响就会凸显出来，产生一些误判信号，想要得到准确的换相信号，必须针对误判信号进行特殊处理，这一问题一直是工程上的难点和热点。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种提高无位置传感器无刷直流电机换相准确度的控制方法，其目的在于解决由于采样延迟或电枢反应等造成的不可估算的相位延迟，导致电机超前或滞后换相问题，所提出的提高无位置传感器无刷直流电机换相准确度的控制方法，使得电机在调速范围内精确换相。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案的详细步骤如下：
(1)合理选择DSP采样方式，令DSP的PWM计数模式为增减计数模式，并选择在计数器为0时进行AD采样，避开PWM开关动作时刻；读取AD口的电机对地的端电压信号Ua、Ub、Uc，经过换算公式Ea＝Ua+(Ua+Ub+Uc)/3、Eb＝Ub+(Ua+Ub+Uc)/3、Ec＝Uc+(Ua+Ub+Uc)/3，得到无刷直流电机实际的三相端电压信号Ea、Eb、Ec；
(2)得到三相端电压Ea、Eb、Ec后，将三相端电压Ea、Eb、Ec分别与0比较，得到每相端电压的过零点信号，每相的过零点信号延时30电角度后即为换相时刻，在DSP中对相邻两次过零点之间维持的DSP中断个数进行记数，A相在不导通期间端电压波形的梯形波由BC两相导通感应得到，且BC两相不同开关管交替导通，测算C相上管与B相下管导通区间内持续的中断个数和B相上管与C相下管导通区间内持续的中断个数，已知每个区间内的中断个数为D，通过中断周期Ts即可折算出A相端电压Ua梯形波形两侧维持的时间t＝DTs；
(3)记在C相上管与B相下管导通区间内的中断个数为为D1，B相上管与C相下管导通区间内的中断个数为D2，则两个导通区间的中断个数之差ΔD＝D1-D2；
(4)根据ΔD进行换相延迟角补偿，当ΔD＝0为准确换相；当ΔD<0时为超前换相，需增加延迟角度；当ΔD>0时为滞后换相，需减小延迟角度；换相误差越大，ΔD的绝对值越大；
将两个导通区间内的中断个数之差ΔD作为PI控制器输入端的反馈值，通过PI控制使得中断个数之差ΔD跟随参考值0，即当ΔD大于0，则减小延迟角度，使得ΔD趋近于0，PI控制器的输出作为相位补偿角度为θ2；由硬件电路中的采样及滤波器带来的相位延迟为θ1，则实际电机的换相信号由过零点信号延迟30°-θ1+θ2电角度后得到；其中由硬件电路中的采样及滤波器带来的相位延迟角度θ1是固定值，由中断个数之差进行PI控制得到的补偿角度θ2根据实际换相状态而变化，通过端电压梯形波两侧斜坡的对称性，判断出目前电机换相是超前还是滞后，后对相位补偿进行调整，由此提高换相的准确度。
本发明的有益效果在于在原有无位置传感器无刷直流电机控制系统的基础上，通过对每相反电动势的梯形波两侧所维持的周期数进行计数，并根据两侧计数点之差进行相位补偿。本发明无需附加额外的硬件电路，方法简单，且能提高了换相的准确度，降低了电机的电压电流的波形畸变率，同时减小了转矩脉动。
附图说明
图1为无刷直流电机等效电路。
图2为理想情况下电机相电流和反电动势波形图。
图3为超前换相时电机相电流和反电动势波形图。
图4为滞后换相时电机相电流和反电动势波形图。
图5为理想情况下A相端电压单周期波图。
图6为基于端电压两侧宽度的延迟角度补偿控制策略示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
一种提高无位置传感器无刷直流电机换相准确度的控制方法，通过对电机对地的端电压进行采样，送入至DSP中，进行判断，得到换相信号；为了提高换相准确度，采用以下步骤：
(1)合理选择DSP采样方式，令DSP的PWM计数模式为增减计数模式，并选择在计数器为0时进行AD采样，避开PWM开关动作时刻；读取AD口的电机对地的端电压信号Ua、Ub、Uc，经过换算公式Ea＝Ua+(Ua+Ub+Uc)/3、Eb＝Ub+(Ua+Ub+Uc)/3、Ec＝Uc+(Ua+Ub+Uc)/3，得到无刷直流电机实际的三相端电压信号Ea、Eb、Ec；
(2)得到三相端电压Ea、Eb、Ec后，将三相端电压Ea、Eb、Ec分别与0比较，得到每相端电压的过零点信号，每相的过零点信号延时30电角度后即为换相时刻，在DSP中对相邻两次过零点之间维持的DSP中断个数进行记数，以A相为例，A相在不导通期间端电压波形的梯形波是由BC两相导通感应出来的，且BC两相不同开关管交替导通，测算C相上管与B相下管导通区间内持续的中断个数和B相上管与C相下管导通区间内持续的中断个数，已知每个区间内的中断个数D，通过中断周期Ts即可折算出A相端电压Ua梯形波形两侧维持的时间t＝DTs；
(3)记在C相上管与B相下管导通区间内的中断个数为为D1，B相上管与C相下管导通区间内的中断个数为D2，则两个导通区间的中断个数之差ΔD＝D1-D2；
(4)根据ΔD进行换相延迟角补偿，当ΔD＝0为准确换相；当ΔD<0时为超前换相，增加延迟角度；当ΔD>0时为滞后换相，应减小延迟角度；换相误差越大，ΔD的绝对值越大；
将两个导通区间内的中断个数之差ΔD作为PI控制器输入端的反馈值，通过PI控制使得中断个数之差ΔD跟随参考值0，即当ΔD大于0，则减小延迟角度，使得ΔD趋近于0，PI控制器的输出作为相位补偿角度为θ2；由硬件电路中的采样及滤波器带来的相位延迟为θ1，则实际电机的换相信号由过零点信号延迟30°-θ1+θ2电角度后得到；其中由硬件电路中的采样及滤波器带来的相位延迟角度θ1是固定值，由记点数之差进行PI控制得到的补偿角度θ2根据实际换相状态而变化，通过端电压梯形波两侧斜坡的对称性可以判断出目前电机换相是超前还是滞后，后对相位补偿进行调整，由此提高换相的准确度。
本发明的一种提高无位置传感器无刷直流电机换相准确度的控制方法，根据无刷直流电机的端电压方程，反电动势过零点处三相反电动势之和为0，根据图2可知，对反电动势过零点信号延时30°电角度，即可得到电机的正确换相时刻。但是在实际电路中，由于采样电路中的时间延迟，以及电枢反应造成的相位延迟，使得实际的过零点信号需要延迟的电角度小于30°。通过对DSP给出的换相信号和实际端电压波形进行对比，可以测出由此造成的相位延迟角度为θ1，因此过零点后所需要的延迟角度为30°-θ1。而在实际的工作环境中，由于电机转速以及电流等条件变化后，延迟角度θ1不为固定值，且无法准确计算得到。
若延迟角度不合理，则会造成换相延迟或者换相超前，图3、4所示为电机超前换相和滞后换相时的端电压及相电流波形。超前换相时，换相发生在实际转子位置到来的理想换相点之前，端电压波形左右两侧不对称，呈现出右侧较左侧宽的现象；滞后换相时，换相发生在实际转子位置到来的理想换相点之后，端电压波形左右两侧不对称，呈现出左侧较右侧宽的现象。
以A相为例，其在一个周期内的端电压波形如图5所示，则一种提高无位置传感器无刷直流电机换相准确度的控制方法的实现方法为：
(1)利用合理安排DSP采样时刻的方式，采用避开PWM开关动作时刻的策略读取AD口的电机对地的端电压信号，经过换算公式，得到无刷直流电机实际的三相端电压信号；
(2)通过三相端电压得到换相时刻后，在DSP中通过记数的方式，以A相为例，测算当CB导通区间内及BC导通区间内的持续的开关周期个数，通过开关周期可以折算出A相端电压uA梯形波形两侧维持的时间；
(3)记在CB导通区间内的记数点总数为D1，BC导通区间内的记数点总数为D2，两个导通区间的记数点数之差ΔD＝D1-D2；
(4)根据ΔD进行换相延迟角补偿，当准确换相时，ΔD＝0；当超前换相时，ΔD<0时，应该增加延迟角度；当滞后换相时，ΔD>0，应减小延迟角度。换相误差越大，ΔD的绝对值越大。
一种提高无位置传感器无刷直流电机换相准确度的控制方法，其控制方法在于：将两个导通区间内的记点数之差作为PI控制器输入端的反馈值，通过PI控制使得记点数之差跟随参考值0，PI控制器的输出作为相位补偿角度θ2；而根据采样送入DSP的端电压进行处理，得到端电压过零点信号，考虑由滤波器带来的相位延迟θ1，则实际电机的换相信号是由过零点信号延迟30°-θ1+θ2电角度得到其控制框图如图6所示。其中由滤波器带来的相位延迟角度θ1是固定的，由记点数之差进行PI控制得到的补偿角度θ2是根据实际换相状态变化的，通过端电压梯形波两侧斜坡的对称性可以判断出目前电机换相是超前还是滞后，后对相位补偿进行调整，提高了换相的准确度。

Claims (1)

1.一种提高无刷直流电机换相准确度的控制方法，其特征在于包括下述步骤：
(1)合理选择DSP采样方式，令DSP的PWM计数模式为增减计数模式，并选择在计数器为0时进行AD采样，避开PWM开关动作时刻；读取AD口的电机对地的端电压信号Ua、Ub、Uc，经过换算公式Ea＝Ua+(Ua+Ub+Uc)/3、Eb＝Ub+(Ua+Ub+Uc)/3、Ec＝Uc+(Ua+Ub+Uc)/3，得到无刷直流电机实际的三相端电压信号Ea、Eb、Ec；
(2)得到三相端电压Ea、Eb、Ec后，将三相端电压Ea、Eb、Ec分别与0比较，得到每相端电压的过零点信号，每相的过零点信号延时30电角度后即为换相时刻，在DSP中对相邻两次过零点之间维持的DSP中断个数进行记数，A相在不导通期间端电压波形的梯形波由BC两相导通感应得到，且BC两相不同开关管交替导通，测算C相上管与B相下管导通区间内持续的中断个数和B相上管与C相下管导通区间内持续的中断个数，已知每个区间内的中断个数为D，通过中断周期Ts即可折算出A相端电压Ua梯形波形两侧维持的时间t＝DTs；
(3)记在C相上管与B相下管导通区间内的中断个数为D1，B相上管与C相下管导通区间内的中断个数为D2，则两个导通区间的中断个数之差ΔD＝D1-D2；
(4)根据ΔD进行换相延迟角补偿，当ΔD＝0为准确换相；当ΔD<0时为超前换相，需增加延迟角度；当ΔD>0时为滞后换相，需减小延迟角度；换相误差越大，ΔD的绝对值越大；
将两个导通区间内的中断个数之差ΔD作为PI控制器输入端的反馈值，通过PI控制使得中断个数之差ΔD跟随参考值0，即当ΔD大于0，则减小延迟角度，使得ΔD趋近于0，PI控制器的输出作为相位补偿角度为θ2；由硬件电路中的采样及滤波器带来的相位延迟为θ1，则实际电机的换相信号由过零点信号延迟30°-θ1+θ2电角度后得到；其中由硬件电路中的采样及滤波器带来的相位延迟角度θ1是固定值，由中断个数之差进行PI控制得到的补偿角度θ2根据实际换相状态而变化，通过端电压梯形波两侧斜坡的对称性，判断出目前电机换相是超前还是滞后，对相位补偿进行调整，由此提高换相的准确度。
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