CN112865619A - 一种基于反电动势法改进的无刷直流电机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于无刷直流电机低速运行时的无位置传感器控制方法，属于电机驱动控制系统的技术领域。本发明为了解决现有的无位置传感器方法无法适用于无刷直流电机的低速运行问题。本发明所提出的新方法基于传统的反电动势法改进，提出了一种新的线间反电动势过零点精确检测算法。本发明基于无刷直流电机的数学模型计算线间反电动势；然后，使用截止频率可变的低通滤波器(LPF)来减小线间反电动势中的干扰信号；最后，通过检测线间反电动势的过零点获得换向信号。然而，换向信号被低通滤波器(LPF)延迟，为此，基于三相反电动势，提出了一种新的补偿算法，包括开环和闭环来补偿换相误差；而且速度反馈在低速时延迟大。在此基础上，提出了一种新的速度计算算法来减少延迟。从而实现了无刷直流电机在低速下的稳定换向和运行。

Description

一种基于反电动势法改进的无刷直流电机控制方法

技术领域

本发明涉及电机驱动控制系统的技术领域，特别是涉及一种基于反电动势法改进的无刷直流电机控制方法。

背景技术

无刷直流电机因其动态响应快、体积小、效率高、结构简单，已广泛应用于家电、航天航空、汽车产品等领域。随着永磁新材料与电力电子技术的不断发展，无刷直流电机的应用领域也在不断拓展。驱动无刷直流电机的转子位置信号一般由安装在电机定子上的霍尔传感器给出，而位置传感器的应用，增加了电机体积及系统成本，并且其安装精度将直接影响电机的运行性能，降低了可靠性，因此无位置传感器技术已成为研究热点。目前，已提出了大量无位置传感器控制方法，主要有反电势法、磁链法、电感法、人工智能法等，最常用的便是反电动势法。

而大容量的无刷直流电机使用的低速工况也同样应用在众多领域，但这种低速工况下无刷直流电机若使用反电动势法进行无位置传感器换相，存在反电动势幅值过低难以检测过零点的问题。故在不安装位置传感器的前提下，如何获取低速工况下无刷直流电机的可靠换相信号成为了难题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明根据传统的反电动势法进行改进，间接检测线间反电动势过零点，提出了一种基于反电动势法改进的无刷直流电机控制方法。

一种基于反电动势法改进的无刷直流电机控制方法，包括以下步骤：

根据无刷直流电机的数学模型确定反电动势理想情况下的波形；

确定无刷直流电机理想情况下线间反电动势表达式，进而得到相应的波形结果；

根据无刷直流电机线间反电动势表达式获取线间反电动势，再将获取的信号进行数字滤波来消除干扰信号；

根据无刷直流电机线间反电动势的波形变化趋势处理该信号，在每个区间分别利用两个变化趋势不同的线间反电动势作除法运算，得到幅值较高的检测信号检测线间反电动势过零点，从而达到换相目的并计算得出当前转速。

进一步的，由于测量的端电压和相电流受到噪声的干扰，因此引入了低通滤波器(LPF)来消除干扰，为了消除低速时的噪声，传统方法通常设置截止频率非常小的LPF；

然而，具有小截止频率的LPF将导致两个严重的问题，一种是相位延迟会因为速度低而快速增加，另一个是当速度增加时，滤波后的信号很容易失真；针对这些问题，提出了一种截止频率可变的数字LPF；

它的截止频率随着速度的增加而增加，随着速度的降低而降低，数字LPF的功能是：

f_c＝k_cf；

其中ω_c为截止角速度，f_c为截止频率，k_c为比例系数在0到1之间。

进一步的，传统的速度计算算法通过计算一个电角度周期的平均速度来获得速度，其更新频率与电角度周期的平均速度相等，因此，由于平均速度本身的滞后及更新频率较低，使电机速度较低时，计算速度具有较高的延迟，据此，闭环PI控制器由于速度反馈的高延时，在低速负载突变的情况下无效，进而电机容易停机，此外，延迟还直接影响用于补偿算法的LPF截止频率和三相振幅的计算；

为了减少速度延迟，提高控制系统的稳定性，提出了一种新的速度计算算法：

其中ω_k为第k次速度，ω_k-1为第(k-1)次速度，Δt_k为第k次60°周期，p为极对数，α为比例系数。

进一步的，线间反电动势需要经过低通滤波器的处理，故提出了一种新的补偿算法，包括开环和闭环来补偿换相误差，补偿公式如下所示：

Δθ＝Δθ1+Δθ2；

其中Δθ为总补偿角，Δθ1为开环补偿角，Δθ2为闭环补偿角；

用于补偿LPF引起的过零点信号(ZCP)相位延迟的开环补偿及由于电机数学模型存在固有动态误差，开环补偿后存在不确定换相误差。为了实现精确的换向，必须考虑这些换向误差：

Δθ2(n)＝K_p(n)ΔE(n)+K_i(n)I(n)；

I(n)＝I(n-1)+ΔE(n)；

其中K_p为比例系数，K_i为积分系数，I为积分差值，n为采样次数。

进一步的，所述基于反电动势法改进的无刷直流电机控制方法包括基于该方法设计的无刷直流电机控制系统框图，能够更加清晰的理解本发明的实现思路。

如上所述，本发明提供的一种基于反电动势法改进的无刷直流电机低速高稳定无位置传感器控制方法，具有如下效果：

1、本发明实现了无刷直流电机在低速工况下的无位置传感器高稳定运行，解决了现有无位置传感器方法中传统反电动势法无法用于低速无刷直流电机这一技术问题，为无刷直流电机低速工况下实现无位置传感器换相提供了更有效的方法。

2、本发明中采用新的无刷直流电机速度计算方法以及针对低通滤波器LPF的延迟补偿，为整个无刷直流电机控制系统的可靠性提供了更好的保障，鲁棒性更强。

3、本发明采用线间反电动势改进算法获取无刷直流电机转子的位置信息，相较于低速工况下采用传统的反电动势法或其他无位置传感器方法更为可靠。

4、本方法适用于低速度工况下采用无位置传感器方法获取无刷直流电机换相信号，在一些应用无刷直流电机和永磁同步电机的场合下均可使用，实用性强，应用领域较多。

附图说明

图1为本发明具体实施例的无刷直流电机低速工况的控制系统框图；

图2为本发明具体实施例的线间反电动势、ZCP及霍尔对比波形；

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在无刷直流电机低速运行时，为了提高无刷直流电机控制系统的可靠性，减小无刷直流电机的体积，采用无位置传感器控制方法实现换相。

本实施例的一种基于反电动势法改进的无刷直流电机控制方法，所述实现该控制方法的无刷直流电机控制系统框图；具体如图1所示，包括以下步骤：

S1、通过无刷直流电机的数学模型构建线间反电动势处理算法；

根据无刷直流电机的数学模型确定换相顺序，确定反电动势理想情况下的波形；

计算理想情况下无刷直流电机线间反电动势表达式，进而得到相应的波形结果；

根据所得的线间反电动势的波形变化趋势处理该信号，在每个区间分别利用两变化趋势不同的线间反电动势作除法运算，得到幅值较高的检测信号检测线间反电动势过零点，从而达到换相目的。

表1换相信号与霍尔信号之间的关系

换相信号	S1	S2	S3	S4	S5	S6
							霍尔信号	5	1	3	2	6	4

为了得到精确的ZCP信号，采用了算法上的优化。从图二中可以看出，在S1的右边界，E_bc为零，并且接近其绝对值的最大值。因此，E_ca倾向于无穷大和零信号可以通过设置E_ca/E_bc的阈值来生成。与其他ZCP检测算法相比，该算法能有效降低噪声。例如，在S1期间，如果E_bc在左侧边界附近产生大的噪声，E_ca/E_bc的信号将受到轻微影响，因为E_ca接近于零。所以，噪音会降低。此外，在右边界附近，E_ca/E_bc将被放大，因为E_ca接近绝对最大值，E_bc接近零。表二描述了ZCP检测的条件。

表2 ZCP检测的条件

S2、引入了低通滤波器(LPF)来消除干扰；

由于测量的端电压和相电流受到噪声的干扰，因此引入了低通滤波器(LPF)来消除干扰。为了消除低速时的噪声，传统方法通常设置截止频率非常小的LPF。然而，具有小截止频率的LPF将导致两个严重的问题。第一个问题是相位延迟会因为速度低而快速增加；另一个问题是当速度增加时，滤波后的信号很容易失真。针对这些问题，提出了一种截止频率可变的数字LPF。它的截止频率随着速度的增加而增加，随着速度的降低而降低。数字LPF的功能是：

f_c＝k_cf；

其中ω_c为截止角速度，f_c为截止频率，k_c为比例系数在0到1之间。

S3、本实例提出了一种新的转速计算方式；

传统的速度计算算法通过计算一个电角度周期的平均速度来获得速度。其更新频率与换向一致。因此，由于平均速度本身的滞后和更新频率较低，当电机速度较低时，计算速度具有较高的延迟。据此，闭环PI控制器由于速度反馈的高延时，在低速负载突变的情况下无效，进而电机容易停机。此外，延迟还直接影响用于补偿算法的LPF截止频率和三相振幅的计算。为了减少速度延迟，提高控制系统的稳定性，提出了一种新的速度计算算法：

其中ω_k为第k次速度，ω_k-1为第(k-1)次速度，Δt_k为第k次60°周期，p为极对数，α为比例系数。

定义一个新函数：

Δt＝max{Δt₁,Δt₂}；

当Δt>Δt_k或换相发生时：

其中Δt₁是最后一次换相周期，Δt₂是从最后一次换向到当前时间的间隔。分析速度计算公式可得α越大转速响应度越高，适用于启动加速阶段，此时转速低于额定转速；α越小转速精确度越高，适用于无刷直流电机达到额定转速阶段。故在无刷直流电机启动加速阶段定义比例系数α＝1/2，使电机转速的响应度更高；当达到额定转速时由于每个电角度周期包含六个换向周期，从而定义比例系数α＝1/6，通过该比例系数可将一个完整的电角度周期计算出的六次速度联系在一起，因此得出的速度结果更为精确；同时提出的速度计算算法能够及时检测到减速点，有效提高减速期间的响应速度。

S4、线间反电动势需要经过低通滤波器的处理，提出了一种新的补偿算法；

包括开环和闭环来补偿换相误差，补偿公式如下所示：

Δθ＝Δθ1+Δθ2；

其中Δθ为总补偿角，Δθ1为开环补偿角，Δθ2为闭环补偿角。

本实施例所述开环和闭环补偿换相误差包括：

S41、由于LPF的存在，ZCP信号有很长的延迟，为了补偿这种延迟，当无刷直流电机空载时，传统算法通过位置传感器以不同的速度间隔测量延迟，然后，建立速度和延迟的关系，并用于补偿延迟，然而，位置传感器很难精确安装，测量的延迟是不连续的，这些问题都会在低速变速时造成巨大的误差；

为此，提出了一种新的开环补偿算法，该算法不依赖位置传感器，具有连续性，用于补偿LPF引起的相位延迟的开环补偿算法表示为：

S42、由于线对线反电动势波形不是理想正弦波，电机数学模型存在固有动态误差，开环补偿后仍然存在不确定换相误差；

为了实现精确的换向，必须考虑这些换向误差。因此提出了一种实现闭环补偿的比例积分控制器，补偿算法表示为：

Δθ2(n)＝K_p(n)ΔE(n)+K_i(n)I(n)；

I(n)＝I(n-1)+ΔE(n)；

其中K_p为比例系数，K_i为积分系数，I为积分差值，n为采样次数。

S5、基于传统无刷直流电机双闭环控制系统构建本文控制系统框图；

在利用该专利原理进行无刷直流电机低速工况的控制时，需要结合传统的无刷直流电机双闭环控制结构，再对产生的线间反电动势进行低通滤波消除干扰信号，进行开环及闭环的补偿算法，利用新的转速计算算法实现无刷直流电机的转速外环闭环，即可实现本发明目的。基于反电动势法改进的无刷直流电机低速高稳定无位置传感器控制框图的详细信息见图一。

上述是对本发明实现流程做简要的一些说明，主要目的在于简单介绍清楚发明的应用涵义。其次，本发明的线间反电动势的算法处理并不是固定不变的，它的提出方法还有很多，具体情况具体讨论。上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种基于反电动势法改进的无刷直流电机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过无刷直流电机的数学模型计算得到线间反电动势以及理想情况下的波形结果；

使用截止频率可变的低通滤波器(LPF)来减小线间反电动势中的干扰信号，进而得到滤波之后的线间反电动势；

通过检测线间反电动势信号再进行算法处理得到无刷直流电机过零点的换相信号，但换向信号被低通滤波器(LPF)延迟，为此，基于三相反电动势，提出了一种新的补偿算法，包括开环和闭环来补偿换相误差；

在无刷直流电机低速运行工况下，倘若仍使用传统的速度计算方法会导致速度反馈延迟高的问题，在此基础上，提出了一种新的速度计算算法来减少延迟，从而实现了无刷直流电机在低速下的稳定换向和运行。

2.根据权利要求1所述一种基于反电动势法改进的无刷直流电机控制方法，其特征在于，所述新的低速高稳定无刷直流电机无位置传感器方法是基于传统反电动势法的改进，原因在于无刷直流电机在低速工况下反电动势幅值较小难以检测，更难以检测其过零点的换向信号，而本文改进的新方法易于在无刷直流电机低速工况下检测线间反电动势过零点，从而实现无刷直流电机低速工况下的无位置传感器换相。

3.根据权利要求2所述一种基于反电动势法改进的无刷直流电机控制方法，其特征在于，所述的改进的反电动势法首先根据无刷直流电机理想情况下的反电动势进行分析从而获取线间反电动势E_ab、E_bc、E_ca，而线间反电动势的过零点时刻为无刷直流电机的换相时刻，故基于线间反电动势进行处理就可得到幅值易于检测的换相信号。

4.根据权利要求3所述一种基于反电动势法改进的无刷直流电机控制方法，其特征在于，所述线间反电动势的算法处理使线间反电动势过零点易于检测；

首先将反电动势转换为线间反电动势：

E_ab＝E_a-E_b；

E_bc＝E_b-E_c；

E_ca＝E_c-E_a；

对线间反电动势进行算法处理获取过零点信号(ZCP)，在每个导通区间有线间反电动势处于峰值，同样有线间反电动势处于零点附近，将这两种线间反电动势做除法运算，就可以得到幅值易于检测的信号，这样的一种信号就可以代替传统反电动势法检测换相位置信号，后续内容将具体说明。

5.根据权利要求4所述一种基于反电动势法改进的无刷直流电机控制方法，其特征在于，所述的线间反电动势进行算法处理获取过零点信号(ZCP)需要经过截止频率可调节的低通滤波器，它的截止频率随着速度的增加而增加，随着速度的降低而降低，数字LPF的功能是：

f_c＝k_cf；

其中ω_c为截止角速度，f_c为截止频率，k_c为比例系数在0到1之间。

6.根据权利要求2所述一种基于反电动势法改进的无刷直流电机控制方法，其特征在于，所述改进方法还提出一种新的转速计算方法：

其中ω_k为第k次速度，ω_k-1为第(k-1)次速度，Δt_k为第k次60°周期，p为无刷直流电机电极对数，α为比例系数取值范围在0-1之间；

1-α代表当前计算转速与上一时刻转速之内的耦合联系度，分析该公式可得α越大，转速的响应度越高，适用于启动加速阶段此时转速低于额定转速，α越小，转速的精确度越高，适用于无刷直流电机达到额定转速阶段，故在无刷直流电机启动加速阶段定义比例系数α＝1/2，使电机转速的响应度更高；

当达到额定转速时由于每个电角度周期包含六个换向周期，从而定义比例系数α＝1/6，通过该比例系数可将一个完整的电角度周期计算出的六次速度联系在一起，因此得出的速度结果更为精确；

同时提出的速度计算算法能够及时检测到减速点，有效提高减速期间的响应速度。

7.根据权利要求3所述一种基于反电动势法改进的无刷直流电机控制方法，其特征在于，所述线间反电动势需要经过低通滤波器的处理，并提出了一种新的补偿算法，包括开环和闭环来补偿换相误差；

而且速度反馈在低速时延迟大，补偿公式如下所示：

Δθ＝Δθ1+Δθ2；

其中Δθ为总补偿角，Δθ1为开环补偿角，Δθ2为闭环补偿角；

Δθ1用于LPF引起的过零点信号(ZCP)相位延迟及由于电机数学模型存在固有动态误差的开环补偿，但开环补偿后存在不确定换相误差；

为了实现精确的换向，必须考虑这些换向误差：

Δθ2(n)＝K_p(n)ΔE(n)+K_i(n)I(n)；

其中K_p为比例系数，K_i为积分系数，I为积分差值，n为采样次数。

8.根据权利要求1所述一种基于反电动势法改进的无刷直流电机控制方法，其特征在于，所述的改进方法相较于传统的反电动势法计算复杂度低，并且能够拥有更好的检测效果，使无刷直流电机在低速情况下能够更稳定的运行。

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