CN113572395A - 无位置传感器无刷电机换相误差自适应实时修正方法 - Google Patents

Abstract

无位置传感器无刷电机换相误差自适应实时修正方法，首先，采集各相绕组电压、电流信号，解算出线反电动势和转速；其次根据转速进行换相角的自适应实时计算，用最小二乘法拟合出相移角误差最小的换相角α；再结合(60°‑α)或者(120°‑α)的方式进行换相补偿，最后通过PWM调制获得换相角更加准确的电压控制信号，实现无刷电机无位置传感器控制的准确换相。本发明无需延时电路和重构中性点，再结合最小二乘法拟合出相移角与转速的关系，能够自适应实时地检测相移角并进行快速补偿，满足不同转速和负载情况下的电机准确换相，能够降低系统的转矩脉动。相比于其他方法，既降低了检测电路的复杂性，也简化了换相补偿算法，使得无刷电机无位置传感器控制性能更优越。

Description

无位置传感器无刷电机换相误差自适应实时修正方法

技术领域

本发明适用于无刷电机无位置传感器控制技术领域，具体而言，涉及一种无位置传感器无刷电机换相误差自适应实时修正方法。

背景技术

在无刷电机无位置传感器控制系统中，为了实现电机能够平稳运行，首先需要估算转子的准确位置信息，从而实现电机精确换相。在工程应用中，为了准确检测电机转子的位置信息，一般采用相反电势法，将相反电动势过零点延迟30°电角度作为电机的换相点，这种方法电路结构简单、成本低，但是该方法会造成较大的换相误差，使得电机不能准确换相，而且不能满足不同灸载、不同工况下的高性能运行，尤其是负载和转速变化大的应用情况下，换相点检测和换相角补偿算法的适应性不好，会导致系统的运行鲁棒性不高。为了解决上述问题，国内外学者和工程师提出了很多基于电感和观测器的检测方法等，它们的优点是位置检测准确，但是既导致了系统算法复杂，也会让电路结构复杂化、系统响应变慢等。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种无位置传感器无刷电机换相误差自适应实时修正方法，本发明无需延时电路和重构中性点，再结合最小二乘法拟合出相移角与转速的关系，能够自适应实时地检测相移角并进行快速补偿，满足不同转速和负载情况下的电机准确换相，能够降低系统的转矩脉动。相比于其他方法，本发明既降低了检测电路的复杂性，也简化了换相补偿算法，能够对换相误差自适应实时进行修正，进而使得无刷电机无位置传感器控制性能更优越。

本发明的技术方案是：无位置传感器无刷电机换相误差自适应实时修正方法，步骤如下：

1)采集各相绕组电压、电流信号，根据线反电动势公式，计算出线反电动势和转速，并根据搭建的线反电动势检测电路实时解算出过零点角度；

2)根据转速进行换相角的自适应地实时计算，用最小二乘法拟合出相移角误差最小的换相角α；

3)再结合60°-α或者(120°-α)的方式进行换相补偿；

4)通过PWM调制获得换相角度更加准确的电压控制信号；

5)实现无刷电机无位置传感器控制的准确换相。

步骤1)中线反电动势和转速计算过程具体如下：

无刷电机定子三相绕组的计算公式：

式中，V_a，V_b，V_c分别为三相定子端电压；R为定子相绕组，并且假设三相绕组都相等；L为定子有效电感，且假设三相电感都相等；I_a，I_b，I_c为定子相电流；E_a，E_b，E_c为三相反电动势。

根据上述公式可推导出三相线反电动势的公式：

根据式(2)搭建线反电动势检测电路，实时检测线反电动势的过零点角度。

根据线反电动势可以计算出电机当前角速度：

ω＝E_xy/K_E(rad/s) (3)

进而可获得电机当前转速：

n＝60*ω/2π(rpm) (4)

式中，x和y分别为两相标号，可分别为a，b，c；K_E为无刷电机的反电动势系数。

步骤2)中的根据转速自适应拟合换相角α的过程如下：

根据最小二乘法原理：设相移角与转速的关系为α＝a+bn，设其实际关系为

由最小二乘法原理可知，如若参数a和b达到最优解，需其误差的平方和为最小即可：

由上式分别对a和b求偏导并令其为零，便可求得关于a和b方程组的最小值：

接下来，根据步骤3)换相补偿之后的线反电动势过零点与理论霍尔信号进行对比，可以设定无刷电机的换相信号，进而可得线反电动势过零点与导通开关管之间的关系见表1：

表1

本发明与现有技术相比优点在于：

(1)本发明无需延时电路，也无需重构出三相虚拟中性点，这样就显著地降低了检测电路的复杂性；

(2)能够自适应实时地检测出相移角并进行快速补偿，能够满足不同转速和负载情况下的电机准确换相；

(3)既简化了换相补偿算法，也能够对换相误差进行自适应实时地修正，降低了系统的转矩脉动，进而使得无刷电机无位置传感器控制性能更优越。

附图说明

图1是本发明方法的流程图。

图2是应用本发明方法的无刷电机无位置传感器控制技术结构框图。

具体实施方式

本发明解算转子位置和换相误差自适应实时修正流程见图1，应用系统结构框图见图2，具体步骤为：

1)采集各相绕组电压、电流信号，根据线反电动势公式，计算出线反电动势和转速，并根据搭建的线反电动势检测电路实时解算出过零点角度；

2)根据转速进行换相角的自适应地实时计算，用最小二乘法拟合出相移角误差最小的换相角α；

3)再结合60°-α或者(120°-α)的方式进行换相补偿；

4)通过PWM调制获得换相角度更加准确的电压控制信号；

5)实现无刷电机无位置传感器控制的准确换相。

步骤1)中线反电动势和转速计算过程具体如下：

无刷电机定子三相绕组的计算公式：

式中，V_a，V_b，V_c分别为三相定子端电压；R为定子相绕组，并且假设三相绕组都相等；L为定子有效电感，且假设三相电感都相等；I_a，I_b，I_c为定子相电流；E_a，E_b，E_c为三相反电动势。

根据上述公式可推导出三相线反电动势的公式：

根据式(2)搭建线反电动势检测电路，实时检测线反电动势的过零点角度。

根据线反电动势可以计算出电机当前角速度：

ω＝E_xy/K_E(rad/s) (3)

进而可获得电机当前转速：

n＝60*ω/2π(rpm) (4)

式中，x和y分别为两相标号，可分别为a，b，c；K_E为无刷电机的反电动势系数。

步骤2)中的根据转速自适应拟合换相角α的过程如下：

根据最小二乘法原理：假设相移角与转速的关系为α＝a+bn，并假设其实际关系为

由最小二乘法原理可知，如若参数a和b达到最优解，只需令其误差的平方和为最小即可：

将上式对a和b分别求偏导并令其为零，便可求得关于a和b方程组的最小值：

接下来，根据步骤3)换相补偿之后的线反电动势过零点与理论霍尔信号进行对比，可以设定无刷电机的换相信号，进而可得线反电动势过零点与导通开关管之间的关系见表1：

表1

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.无位置传感器无刷电机换相误差自适应实时修正方法，其特征在于步骤如下：

1)采集各相绕组电压、电流信号，根据线反电动势公式，计算出线反电动势和转速，并根据搭建的线反电动势检测电路实时解算出过零点角度；

2)根据转速进行换相角的自适应地实时计算，用最小二乘法拟合出相移角误差最小的换相角α；

3)再结合60°-α或者(120°-α)的方式进行换相补偿；

4)通过PWM调制获得换相角度更加准确的电压控制信号；

5)实现无刷电机无位置传感器控制的准确换相。

2.根据权利要求书1中的无位置传感器无刷电机换相误差自适应实时修正方法，其特征在于：步骤1)中线反电动势和转速计算过程具体如下：

无刷电机定子三相绕组的计算公式：

式中，V_a，V_b，V_c分别为三相定子端电压；R为定子相绕组，并且假设三相绕组都相等；L为定子有效电感，且假设三相电感都相等；I_a，I_b，I_c为定子相电流；E_a，E_b，E_c为三相反电动势。

根据上述公式可推导出三相线反电动势的公式：

根据式(2)搭建线反电动势检测电路，实时检测线反电动势的过零点角度。

根据线反电动势可以计算出电机当前角速度：

ω＝E_xy/K_E(rad/s) (3)

进而可获得电机当前转速：

n＝60*ω/2π(rpm) (4)

式中，x和y分别为两相标号，可分别为a，b，c；K_E为无刷电机的反电动势系数。

3.根据权利要求书1所述的无位置传感器无刷电机换相误差自适应实时修正方法，其特征在于：步骤2)中的根据转速自适应拟合换相角α的过程如下：

根据最小二乘法原理：设相移角与转速的关系为α＝a+bn，设其实际关系为

由最小二乘法原理可知，如若参数a和b达到最优解，需其误差的平方和为最小即可：

由上式分别对a和b求偏导并令其为零，便可求得关于a和b方程组的最小值：

4.根据权利要求书1所述的无位置传感器无刷电机换相误差自适应实时修正方法，根据步骤3)换相补偿之后的线反电动势过零点与理论霍尔信号进行对比，可以设定无刷电机的换相信号，进而可得线反电动势过零点与导通开关管之间的关系见表1：

表1

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