CN110601611A - 补偿无刷直流电机反电动势常数的无位置控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种补偿无刷直流电机反电动势常数的无位置控制系统，包括速度PI控制器、电流PI控制器、位置矢量控制器、转子电流检测模块、位置误差检测模块、反电动势计算模块、反电动势常数补偿模块。本发明提供的系统将定子电压方程与转子机械方程相结合，对反电动势的估计更为准确。

Description

补偿无刷直流电机反电动势常数的无位置控制系统

技术领域

本发明涉及一种电机控制技术，特别是一种补偿无刷直流电机反电动势常数的无位置控制方法。

背景技术

无刷直流电机BLDCM(BrushlessDCMotor)由直流电动机及其驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。由于其采用了晶体管换向电路代替传统的电刷与换向器组成的机械换向结构，又称其为电子换向式直流电机。

无刷直流电机具有调速性能好，控制简单，功率密度大，效率高等诸多优点，在许多领域得到了广泛的应用。如汽车工业中的电动汽车、电动自行车、汽车内空调、雨刮器等；家电领域的空调压缩机、变频洗衣机等；航空航天设备中的陀螺仪、机械臂等；办公自动化领域的数字打印机、硬盘驱动器、传真机等。

无刷直流电机的控制方式分为有位置传感器控制和无位置传感器控制。有位置传感器控制通常采用三个霍尔位置传感器来检测转子的位置，但位置传感器的存在致使系统的成本增加、体积增大，并且在一些高温高压的恶劣工况下，传感器灵敏度降低，因此，无位置传感器控制逐渐成为无刷直流电机的主流控制方式。

无刷直流电机无位置控制的关键点是转子位置检测算法的实现，目前采用的主流算法为反电动势检测法。反电动势检测法需要建立无刷直流电机的数学模型，根据简单的直流电流模型来估算反电动势，由于在每一个换相周期内，实际测量电流与模型电流之间存在较大的误差，这种误差会影响转子速度和位置的估计值，并降低无传感器控制算法在所有速度范围内的性能。与此同时，电机运行环境的变化会导致电机参数变化，如温度变化引起电阻和反电动势常数的变化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种一种补偿无刷直流电机反电动势常数的无位置控制方法。

实现本发明目的的技术方案为：一种补偿无刷直流电机反电动势常数的无位置控制系统，包括：

对给定参考速度值与实际反馈速度值的差进行比例积分调节后输出参考电流值的速度PI控制器，

对速度PI控制器输出的参考电流值与实际反馈电流值的差进行比例积分调节后输出相应控制信息的电流PI控制器，

根据接收到的控制信息生成对应导通相PWM控制波的位置矢量控制器，

取转子的三相电流的最大值给反电动势计算模块和电流PI调节器的转子电流检测模块，

将实际位置与估计位置的差值转换为误差增益因子K的位置误差检测模块，其中误差增益因子K用于区分估计的转子位置位于换向点之前或之后，

根据反电动势与反电动势常数K_e相除后得到转子角速度的估计值且对积分后得到转子位置角θ_m的反电动势计算模块，

将转子位置产生的偏差转化的误差增益因子K后与电流误差积分相乘得到的补偿因子ΔK_e送入反电势常数补偿PI调节器得到补偿反电动势常数的反电动势常数补偿模块。

进一步地，当误差为零时，K＝-1；当误差非零时，K＝+1。

进一步地，反电动势计算模块中反电动势θ_m为：

其中，ω_m为转子的速度，K_e为反电动势常数，K_T为转矩常数，数值上K_e＝K_T，L为定子电感，J为转动惯量，i_error为电流误差。

进一步地，反电动势补偿模块中，

其中，e_{par_error}为电机参数变化引起的反电动势误差，ω_m为转子的速度，iⁿ⁺¹为第n+1次电流采样值，为模型计算出的第n+1次电流模型参考值；

当电机参数变化时，转子的速度ω_m与电阻的变化量ΔR的关系为：

转子的速度ω_m与反电动势常数K_e的关系为：

式中，e_{BMFcon_error}为反电动势常数K_e变化引起的反电动势变化。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：本发明中提出的反电动势估算法采用了无刷直流电机定子电压方程与转子机械方程相结合的方法，反电动势表达式中不含时间常数T，减小了转矩脉动，提高了转子位置估计的准确度。此外，为抵抗环境参数变化带来的影响，在电机控制算法中引入反电动势参数实时补偿环节，根据转子的位置实施补偿电机参数的变化，提高了系统的鲁棒性。

下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。

附图说明

图1为无刷直流电机无传感器控制算法的总体框图。

图2为位置增益因子K转换原理图。

图3为转子的转速和位置波形示意图(新检测算法、反电势常数不变)，其中，(a)转子的转速波形示意图，(b)转子的位置波形示意图，(c)转子的位置波形局部放大示意图。

图4为转子的转速和位置波形示意图(新检测算法、反电势常数改变)，其中，(a)转子的转速波形示意图，(b)转子的位置波形示意图，(c)反电动势常数在1.5s突变波形示意图。

图5为转子的转速和位置波形示意图(新检测算法、反电势常数改变、加入参数补偿模块)，其中，(a)转子的转速波形图，(b)转子的位置波形图，(c)转子的位置波形局部放大示意图，(d)反电动势常数在1.5s突变波形图。

具体实施方式

如图1所示，一种用于无刷直流电机的无传感器控制系统包括：速度PI控制器、电流PI控制器、位置矢量控制器、转子电流检测模块、位置误差检测模块、反电动势计算模块、反电动势常数补偿模块。

其中，速度PI控制器，根据给定参考速度值与实际反馈速度值的差，经过比例积分调节，输出相应的电流命令；

电流PI控制器，根据PI速度控制器输出的参考电流值与实际反馈电流值的差，经过比例积分调节，输出相应的控制信息；

位置矢量控制器，根据接收到的控制信息生成对应导通相的PWM控制波。

转子电流检测模块，检测转子的三相电流，取最大值给反电动势计算模块和电流PI调节器。

位置误差检测模块，将实际位置与估计位置做差，转换为误差增益因子K，用于区分估计的转子位置位于换向点之前或之后，当误差为零时，K＝-1；当误差非零时，K＝+1，如图2所示。转子初始估计位置超前实际位置30°，增益因子K输入到反电动势常数补偿模块中参与后续计算。

反电动势计算模块，新的反电动势算法同时采用定子电压方程和转子机械方程，如式(14)所示。输出的反电动势与反电动势常数K_e相除后得到转子角速度的估计值积分后得到转子位置角θ_m，送入位置误差检测模块。

反电动势常数补偿模块，外界参数变化引起转子位置产生偏差，将偏差转化为位置误差增益K，再与电流误差积分相乘，根据式(23)，得到补偿因子ΔK_e，将补偿因子ΔK_e送入PI控制器，PI控制器的输出用于补偿反电动势常数，这样，外界参数变化引起反电动势常数的变化得到补偿，使转速控制更为精确。

一种用于无刷直流电机的无传感器控制方法，包括以下步骤：

步骤1，根据无刷直流电机的定子电压平衡方程

可以得到电流微分为

其中，反电动势e＝k_eω，k_e为反电动势常数，与电机参数有关；ω为转子角速度。

进一步，电流微分又可以表示为两个采样点的电流之差除以采样周期，即

由式(2)和式(3)可以得到下一个采样点的电流为

其中，eⁿ表示当前采样点的反电动势。

进一步，根据式(4)，可以定义模型参考电流为

其中，表示当前采样点反电动势的模型参考值。

将式(4)与式(5)做差得到误差电流为

式(6)表明反电动势估计值的误差导致了电流误差。

进一步，下一个采样点的反电动势模型估计值可以表示为

以上步骤通过无刷直流电机的电压方程得到了反电动势的表达式，但是，在每个电流采样周期中，均存在电流误差表示第n+1次采样的电流误差值，当采样周期很小时，系数L/T较大，导致反电动势估计值的不准确，引起系统的不稳定。下面通过机械方程推导反电动势的相关表达式。

步骤2，根据无刷直流电机的转矩方程

进一步，根据式(8)，定义模型参考转矩T_εm为

式中，i_m为模型参考电流，ω_m为模型参考角速度，B为摩擦系数。

进一步，为简化模型，假设摩擦系数B与负载转矩T_L均为0，将式(8)与式(9)做差得到转矩误差T_error为

式中，角速度误差ω_error＝ω-ω_m。

进一步，角速度误差ω_error又可以表示为

式中，e_error＝e-e_m。

进一步，结合式(10)与式(11)，可以得到反电动势误差为

步骤3，式(7)为电压方程得到的反电动势，式(12)为机械方程得到的反电动势，将二者相乘，取其算术平方根为

进一步，下一个采样点的反电动势表达式为

式中，K_e为反电动势常数，单位为[V/(rad/s)]，K_T为转矩常数，单位为[N·m/A]。

式(14)同时采用了电压方程与机械方程，使反电动势的估计值更加准确，最终表达式中不含时间常数T，减小了转矩波动，提高了算法的精准性。

步骤4，引入反电动势常数实时补偿算法。电机参数的变化主要受环境温度影响，式(15)和式(16)给出电阻与反电动势常数随温度变化的关系式

R(Tmp)＝R(Tmp₀)[1+0.004(Tmp-Tmp₀)] (15)

K_e(Tmp)＝K_e(Tmp₀)[1-C_fer(Tmp-Tmp₀)] (16)

式中，Tmp表示温度，Tmp₀表示室温，C_fer为铁氧体的反电动势常数随温度变化的系数C_fer＝0.002/℃。

进一步，电阻的变化引起转子速度的改变，如式(17)所示

电机运行稳态时，转速不变，电流i_error误差为0，可将式(17)化简为

式中，e_{res_error}为电机电阻参数变化引起的反电动势误差。

进一步，反电动势常数的变化可表示为

同样的，稳态时转速不变，电流误差i_error为0，式(19)可化简为

式中，ΔK_e为反电动势常数变化量，ΔK_e＝-e_{BMFcon_error}/ω_m，e_{BMFcon_error}为反电动势常数变化引起的反电动势变化。

进一步，用反电动势来表达转速，将式(20)写成式(21)的形式

进一步，式(18)与式(21)具有相同的形式，均可以用式(22)来表示

式中，e_{par_error}为电机参数变化引起的反电动势误差，而反电动势误差e_{par_error}可以由电流误差的积分得到，如式(23)所示

式中，K为增益因子，由转子实际位置与估计位置产生的相对位置误差确定。

以上，提供了检测反电动势的新的控制算法，确定了反电动势常数补偿因子ΔK_e。

实施例一

实施例中，三相无刷直流电动机的参数如下表所示。

本实施例中，设定额定转速2000RPM，负载转矩为0.1N·m，采样周期和开关频率为10kHz。

图3为转子的转速和位置波形(新检测算法、反电势常数不变)，在此种测试条件下，反电动势算法采用式(14)所示的结合电压方程与机械方程的新检测算法，反电动势常数不变，未引入反电动势常数补偿模块。图3(a)给出了转速波形，图3(b)、(c)给出了转子估计位置与实际位置的波形，可以看到相差较小，算法得到验证。

图4为转子的转速和位置波形(新检测算法、反电势常数改变)，在此种测试条件下，1.5s时反电动势常数改变，如图4(c)所示，但未引入补偿算法，可以看到转速在1.5s后迅速衰减至零，转子估计位置与实际位置失步。

图5为转子的转速和位置波形(新检测算法、反电势常数改变、加入参数补偿模块)，在此种测试条件下，1.5s时反电动势常数改变，如图5(d)所示，同时引入反电动势补偿算法，转速稳定性较好，转子估计位置与实际位置基本一致，未受电机参数变化的影响。

Claims (4)

1.一种补偿无刷直流电机反电动势常数的无位置控制系统，其特征在于，包括：

对给定参考速度值与实际反馈速度值的差进行比例积分调节后输出参考电流值的速度PI控制器，

对速度PI控制器输出的参考电流值与实际反馈电流值的差进行比例积分调节后输出相应控制信息的电流PI控制器，

根据接收到的控制信息生成对应导通相PWM控制波的位置矢量控制器，

取转子的三相电流的最大值给反电动势计算模块和电流PI调节器的转子电流检测模块，

将实际位置与估计位置的差值转换为误差增益因子K的位置误差检测模块，其中误差增益因子K用于区分估计的转子位置位于换向点之前或之后，

根据反电动势与反电动势常数K_e相除后得到转子角速度的估计值且对积分后得到转子位置角θ_m的反电动势计算模块，

将转子位置产生的偏差转化的误差增益因子K后与电流误差积分相乘得到的补偿因子ΔK_e送入反电势常数补偿PI调节器得到补偿反电动势常数的反电动势常数补偿模块。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，当误差为零时，K＝-1；当误差非零时，K＝+1。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，反电动势计算模块中反电动势θ_m为：

其中，ω_m为转子的速度，K_e为反电动势常数，K_T为转矩常数，数值上K_e＝K_T，L为定子电感，J为转动惯量，i_error为电流误差。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，反电动势补偿模块中，

其中，e_{par_error}为电机参数变化引起的反电动势误差，ω_m为转子的速度，iⁿ⁺¹为第n+1次电流采样值，为模型计算出的第n+1次电流模型参考值；

当电机参数变化时，转子的速度ω_m与电阻的变化量ΔR的关系为：

转子的速度ω_m与反电动势常数K_e的关系为：

式中，e_{BMFcon_error}为反电动势常数K_e变化引起的反电动势变化。