CN114614706A - 超前角检测方法、检测电路、永磁电机控制方法及电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超前角检测方法、检测电路、永磁电机控制方法及电路，包括：获取电机角频率、相反电势、相电流、相电感的感量及相电阻的阻值；基于所述电机角频率、所述相反电势、所述相电流、所述相电感的感量及所述相电阻的阻值计算超前角的角度；并基于所述超前角进行超前触发，使得相反电势与相电流的相位一致。本发明的超前角检测方法、检测电路、永磁电机控制方法及电路用矢量分析方法通过相反电势、相电压、相电流和电机转速计算得到该工况下的超前角，可以在电流很小且畸变严重的情况下仍然实现永磁电机高效稳定控制，且利用近似函数算法极大地降低了算法复杂度。

Description

超前角检测方法、检测电路、永磁电机控制方法及电路

技术领域

本发明涉及电机控制领域，特别是涉及一种超前角检测方法、检测电路、永磁电机控制方法及电路。

背景技术

永磁电机使用无位置传感器控制，由于电机线圈是感性负载，所以相对于线圈上的加载电压，线圈里的电流会有一定的时延，这会影响电机的效率，并产生噪音震动。对于隐极电机，为了达到最高效率输出，需要检测反电势与电流的相位差后进行超前触发，使得反电势与电流同相位。

现有技术中提出了很多计算超前触发角，使反电势与电流同相位的方法。其中一种方法是通过在相电压峰值附近检测相电流的数值，并通过归一化处理计算检测期间的电流斜率，通过斜率判断超前触发角的范围，然后调整触发角，最终使得反电势相位与电流相位一致。但是，这种方法在电流波形较正弦且足够大的时候效果会比较好，当电机电流很小且正弦度不好(如空载)时，超前角的检测可能会出错。其中另一种方法是通过计算反电势与电流的过零点时间差和反电势的周期计算得到反电势与电流的相位差，根据相位差的大小调整超前/滞后触发角，使得反电势与电流的相位差达到预设值。这种处理方式的缺点是计算超前/滞后触发角的方法太依赖与电流过零点的检测，当电机电流较小或畸变较大时，电流过零点会存在波动，分布不均，从而使得计算相位差波动较大，电机运行不稳定。如图1所示，为使用第二种方法计算超前触发角控制电机空载时的运行效果，可见，电机进入闭环后由于电流过零点变化导致电机电流波动较大(如图2所示)，后面甚至触发了失步停机保护。为了避免上述问题的发生，现有技术中还采样母线电流进行电流闭环调整来提高电机效率，但是这会额外增加采样电阻与ADC，导致成本增加和控制复杂度变高。

因此，如何在电流很小或严重畸变时确保超前角检测的准确性，同时降低成本及控制复杂度，已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种超前角检测方法、检测电路、永磁电机控制方法及电路，用于解决现有技术中在电流很小或严重畸变时超前角检测不准确、控制复杂、成本高等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种超前角检测方法，用于永磁电机控制，所述超前角检测方法至少包括：

获取电机角频率、相反电势、相电流、相电感的感量及相电阻的阻值；

基于所述电机角频率、所述相反电势、所述相电流、所述相电感的感量及所述相电阻的阻值计算超前角的角度，所述超前角满足：

或

其中，Φ为所述超前角，ω为所述电机角频率，L为所述相电感的感量，I_m为所述相电流的幅值，E_m为所述相反电势的幅值，R为所述相电阻的阻值。

更可选地，所述超前角检测方法还包括：当所述超前角满足

且所述超前角Φ的误差大于预设值时，对所述超前角Φ进行补偿，补偿角Φ′基于当前超前角Φ与参考值

的差值得到。

更可选地，所述补偿角Φ′通过查找补偿表的方式获取，所述补偿表包括不同角度的超前角Φ及分别与各超前角Φ对应的补偿角Φ′。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种永磁电机控制方法，所述永磁电机控制方法至少包括：

采用上述超前角检测方法获取超前角；

基于所述超前角进行超前触发，使得相反电势与相电流的相位一致。

可选地，基于所述超前角进行超前触发的方法包括：基于电机转子位置与所述超前角产生逆变控制信号，进而对电机的相电压进行调整。

更可选地，超前触发后的电机输出电磁转矩满足如下关系式：

其中，T_e为所述电机输出电磁转矩，Ω为电机转速。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种超前角检测电路，所述超前角检测电路至少包括：

采样模块，用于对电机的相电流及母线电压进行采样；

反电势计算模块，获取相电感的感量及相电阻的阻值，并连接于所述采样模块的输出端，用于计算相反电势；

超前角计算模块，获取所述相电感的感量及所述相电阻的阻值，并连接于所述采样模块及所述反电动势计算模块的输出端，基于所述相反电势的周期计算电机角频率，并基于所述电机角频率、所述相反电势的幅值、所述相电流的幅值、所述相电感的感量及所述相电阻的阻值计算超前角。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种电机驱动系统，所述电机驱动系统至少包括：

上述超前角检测电路，用于得到超前角及相反电势；

控制电路，连接所述超前角检测电路，基于所述相反电势获取电机转子位置，并根据所述电机转子位置与所述超前角产生逆变控制信号，进而实现超前触发；

逆变电路，接收母线电压并连接于所述控制电路的输出端，基于所述逆变控制信号产生电机的相电压；

电机，连接于所述逆变电路的输出端，在所述相电压的驱动下工作。

如上所述，本发明的超前角检测方法、检测电路、永磁电机控制方法及电路，具有以下有益效果：

本发明的超前角检测方法、检测电路、永磁电机控制方法及电路使用矢量分析方法通过相反电势、相电压、相电流和电机转速计算得到该工况下的超前角，可以在电流很小且畸变严重的情况下仍然实现永磁电机高效稳定控制，且利用近似函数算法极大地降低了算法复杂度。

附图说明

图1显示为采用反电势与电流过零点计算超前触发角控制电机的电流波形图。

图2显示为图1的局部放大图。

图3显示为电机拓扑结构的示意图。

图4显示为未加入超前角时的电机矢量图。

图5显示为加入超前角后的电机矢量图。

图6显示为使用本发明的超前角计算方法得到的超前角并进行超前触发控制后的电流波形图。

图7显示为图6的局部放大图。

图8显示为本发明的超前角检测电路的结构示意图。

图9显示为本发明的电机驱动系统的结构示意图。

元件标号说明

1 超前角检测电路

11 测量模块

12 采样模块

13 反电动势计算模块

14 超前角计算模块

2 控制电路

3 逆变电路

4 电机

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。

请参阅图3～图9。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图3所示为电机的拓扑结构，三相线圈对称，各相均包括相电阻、相电感及线圈反电势。其中，第一相电阻Ra、第二相电阻Rb及第三相电阻Rc的阻值满足：Ra＝Rb＝Rc＝R；第一相电感La、第二相电感Lb及第三相电感Lc的感量满足：La＝Lb＝Lc＝L；第一相反电势Ea、第二相反电势Eb及第三相反电势Ec满足：Ea＝Eb＝Ec＝E；第一相电流Ia、第二相电流Ib及第三相电流Ic满足：Ia＝Ib＝Ic＝I；第一相电压Ua、第二相电压Ub及第三相电压Uc满足：Ua＝Ub＝Uc＝U。根据电气关系可得到反电势与电压、电流、相电阻、相电感之间的关系如式(1)所示：

控制器可以通过ADC检测与计算得到每个时刻的相电流I和相电压U，因此通过式(1)可以对相反电势E进行观测，得到完整的反电势。当使用正弦波电流控制时，公式(1)中的相电压U、相电流I、相反电势E都是正弦波，根据电机输出电磁转矩表达式(2)可知，相反电势E与相电流I的相位差影响了电机输出的电磁转矩，相位差越小，电机效率越高。

其中，T_e为电机输出电磁转矩，Ω为电机转速，E_m为相反电势E的幅值，I_m为相电流I的幅值，θ为相反电势与相电流的相位差。

因此，永磁电机正弦波电流控制时为了提高电机效率，会控制电机使得其反电势与电流的相位差为0。

因此，本发明提供一种超前角检测方法、超前角检测电路、永磁电机控制方法及电路，适用于永磁电机任意工况下，可有效提高电机效率的同时保证其运行的稳定性。

实施例一

如图4-图7所示，本实施例提供一种超前角检测方法，具体方案如下：。

将上式(1)变换得到式(3)：

由于正弦波控制下电压、反电势、电流都是正弦波，因此可以将式(3)矢量化，矢量化后符合：反电势矢量+电流矢量+电流微分矢量＝电压矢量。

假设电机电压表达式为：U＝U_msin(ωt)，其中U_m为相电压U的幅值，ω为电机角频率，t为时间。当未进行超前触发时，相反电势E与相电压U的相位一致，因此相反电势可表示为E＝E_m sin(ωt)。此时，由于电机线圈为感性负载，因此相电流I的相位会滞后相电压U的相位，假设滞后相位为θ，则相电流I可以表示为I＝I_msin(ωt-θ)。因此，式(3)可以表示为：

U_msin(ωt)＝E_m sin(ωt)+RI_m sin(ωt-θ)+ωLcos(ωt-θ) (4)

针对式(4)可以画出电机对应矢量图，如图4所示，其中矢量方向由正余弦表达式确定，矢量模长为正余弦表达式的系数。由图4可知，未加入超前触发角进行超前触发时相反电势E与相电流I存在相位差，此时电机输出的转矩电流比不是最大，电机效率不高。

如图5所示，基于所述相反电势、所述相电压、所述相电流及电流微分项的矢量绘制超前触发后的电机矢量图，可知超前角即是Φ；此时相反电势E与相电流I的相位重合，方向一致，而电流微分项仍与电流成90°。根据加入超前角后的矢量图中各矢量的模长，可计算得到超前角Φ的大小为：

具体地，在本实施例中，基于电机正弦波控制中的反电势检测算法检测所述相反电势E，计算得到所述相反电势的幅值E_m(相反电势的幅值为一个反电势周期内的最大值)和周期T；并基于所述相反电势的周期T计算所述电机角频率

所述相电流通过采样获取，所述相电流的幅值I_m为一个反电势周期内的最大值。相电感的感量L及相电阻的阻值R可直接通过测量得到。

需要说明的是，任意能获取所述电机角频率ω、所述相反电势的幅值E_m、所述相电流的幅值I_m、所述相电感的感量L及所述相电阻的阻值R的方式均适用于本发明，在此不一一赘述。

作为本发明的另一种实现方式，为了缩小计算复杂度，对算法进行优化。上式(5)中，所述超前角Φ的表达式为反正切函数，反正切函数在数字算法上十分复杂，使用比例函数代替反正切函数可大大降低计算复杂度，式(5)可近似表达为式(7)：

以实验电机作测试，电机相电阻的阻值为1Ω，相电感的感量为1mH，电机运行在200Hz电频率时，相反电势的幅值(峰值)为11V，相电流的幅值(峰值)为2A，根据反正切计算的超前角是10.94°；根据比例近似后计算的超前角是11.07°。比例函数近似反正切函数后误差仅为0.13°。

进一步地，使用比例函数近似反正切函数的方式在角度较小时误差较小，但是当角度较大时误差会比较大；比如反正切计算的实际补超前角为40°(arctan(0.839))，如果使用比例函数近似结果就会是0.839(弧度)，折算成角度就是48.07°，这样误差就达到了8.07°。因此，当比例函数近似结果的误差大于预设值时可对比例函数计算得到的超前角进行补偿，作为示例，所述预设值设置为3°、5°或8°；在实际使用中，可根据电机系统的具体需求进行设置，能确保电机系统正常工作即可，不以本实施例为限。综合计算复杂度和补偿效果，可以计算出不同角度的超前角Φ下需要的补偿角Φ′，通过两者一一对应的关系得到一个补偿表，所述补偿角Φ′基于当前超前角Φ与参考值

的差值得到；然后程序根据比例函数计算值得到的角度查询补偿表，最终得到的超前角为式(7)计算得到的比例近似角与补偿角的和/差，由此可通过额外的查表补偿进一步缩小误差。

如图6及图7所示，为使用本发明的超前角计算方法得到的超前角进行超前触发控制后的电流波形，可见即使在电流很小时电机仍然能稳定运行。

本发明的基于电机矢量分析的超前角计算方法，不依赖于电机电流波形，不用增加额外的采样电路，只需要用到原有的单相电流采样的反电势观测电路就能进行超前触发角的计算，并且能在电流较小和畸变的情况下仍能实现永磁电机高效稳定地控制。

实施例二

本实施例提供一种永磁电机控制方法，所述永磁电机控制方法包括：

11)采用超前角检测方法获取超前角Φ。

具体地，步骤11)中获取所述超前角Φ的方法参见实施例一，在此不一一赘述。

12)基于所述超前角Φ进行超前触发，使得相反电势与相电流的相位一致。

具体地，在本实施例中，步骤12)包括采用反电势检测算法检测所述相反电势，并通过所述相反电势获得电机的转子位置信息；然后根据电机的转子位置信息及所述超前角Φ产生逆变控制信号(SVPWM信号)；所述逆变控制信号用于调整相电压，以达到相反电势与相电流的相位一致的目的。

采用本发明的永磁电机控制方法进行超前触发后的电机输出电磁转矩满足如下关系式：

此时电机转矩电流比最大、电机效率最高。

实施例三

如图8所示，本实施例提供一种超前角检测电路1，所述超前角检测电路1包括：

采样模块11、反电动势计算模块12及超前角计算模块13。

如图8所示，所述采样模块11用于对电机的相电流I及母线电压Udc进行采样。

具体地，任意能实现相电流I及母线电压Udc采样的电路结构均适用于本发明，且所述采样模块11可根据需要设置相应的采样节点，在此不一一赘述。

如图8所示，所述反电势计算模块12获取相电感的感量L及相电阻的阻值R，并连接于所述采样模块11的输出端，用于计算所述相反电势E。

具体地，在本实施例中，所述反电势计算模块12从所述采样模块11获取所述母线电压Udc，并基于所述母线电压Udc与逆变控制信号SVPWM的占空比计算得到各相电压，满足如下关系式：

其中，PWM_a为第一相逆变控制信号的占空比，PWM_b为第二相逆变控制信号的占空比，PWM_c为第三相逆变控制信号的占空比。需要说明的是，在实际使用中，任意能获得所述相电压的方式均适用于本发明，不以本实施例为限。

具体地，所述反电势计算模块12基于所述相电感的感量L、所述相电阻的阻值R、所述相电流I及所述相电压U计算得动所述相反电势E，满足关系式(1)。

如图8所示，所述超前角计算模块13获取所述相电感的感量L及所述相电阻的阻值R，并连接于所述采样模块11及所述反电动势计算模块12的输出端，基于所述相反电势E的周期T计算电机角频率ω；并基于所述电机角频率ω、相反电势的幅值E_m、相电流的幅值I_m、相电感的感量L及相电阻的阻值R计算超前角Φ。

具体地，基于关系式(6)通过所述相反电势E的周期T和幅值E_m计算得到所述电机角频率ω，再基于关系式(5)或关系式(7)计算得到所述超前角Φ。需要说明的是，当采用关系式(7)计算所述超前角Φ时，还可对所述超前角Φ进行查表补偿以减小误差。

实施例四

如图9所示，本实施例提供一种电机驱动系统，所述电机驱动系统包括：

超前角检测电路1、控制电路2、逆变电路3及电机4。

如图9所示，所述超前角检测电路1用于得到超前角Φ及相反电势E。

具体地，所述超前角检测电路1的结构及工作原理参见实施例三，在此不一一赘述。

如图9所示，所述控制电路2连接所述超前角检测电路1，基于所述相反电势E获取电机转子位置，并根据所述电机转子位置与所述超前角Φ产生逆变控制信号，进而实现超前触发。

具体地，若不进行超前触发，则所述控制电路2基于所述电机转子位置产生逆变控制信号；在本发明中，所述控制电路2基于所述电机转子位置及所述超前角Φ产生逆变控制信号，以此实现超前触发。在本实施例中，所述逆变控制信号为SVPWM信号。

如图9所示，所述逆变电路3接收母线电压Udc，并连接于所述控制电路2的输出端，基于所述逆变控制信号产生电机的相电压。

具体地，作为示例，所述逆变电路3为三相全桥结构，各开关受所述逆变控制信号的控制工作将所述母线电压Udc转换为电机的相电压，以使得所述电机4的相反电势与相电流的相位一致。

如图9所示，所述电机4连接于所述逆变电路3的输出端，在所述相电压的驱动下转动。

本发明的电机驱动系统在电流很小且畸变严重的情况下仍能确保永磁电机高效稳定控制，且电路及算法简单，成本低。

综上所述，本发明提供一种超前角检测方法、检测电路、永磁电机控制方法及电路，包括：获取电机角频率、相反电势、相电流、相电感的感量及相电阻的阻值；基于所述电机角频率、所述相反电势、所述相电流、所述相电感的感量及所述相电阻的阻值计算超前角的角度；并基于所述超前角进行超前触发，使得相反电势与相电流的相位一致。本发明的超前角检测方法、检测电路、永磁电机控制方法及电路用矢量分析方法通过相反电势、相电压、相电流和电机转速计算得到该工况下的超前角，可以在电流很小且畸变严重的情况下仍然实现永磁电机高效稳定控制，且利用近似函数算法极大地降低了算法复杂度。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

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)

1.一种超前角检测方法，用于永磁电机控制，其特征在于，所述超前角检测方法至少包括：

获取电机角频率、相反电势、相电流、相电感的感量及相电阻的阻值；

基于所述电机角频率、所述相反电势、所述相电流、所述相电感的感量及所述相电阻的阻值计算超前角的角度，所述超前角满足：

或

其中，Φ为所述超前角，ω为所述电机角频率，L为所述相电感的感量，I_m为所述相电流的幅值，E_m为所述相反电势的幅值，R为所述相电阻的阻值。

2.根据权利要求1所述的超前角检测方法，其特征在于：所述超前角检测方法还包括：当所述超前角满足

且所述超前角Φ的误差大于预设值时，对所述超前角Φ进行补偿，补偿角Φ′基于当前超前角Φ与参考值

的差值得到。

3.根据权利要求2所述的超前角检测方法，其特征在于：所述补偿角Φ′通过查找补偿表的方式获取，所述补偿表包括不同角度的超前角Φ及分别与各超前角Φ对应的补偿角Φ′。

4.一种永磁电机控制方法，其特征在于，所述永磁电机控制方法至少包括：

采用如权利要求1-3任意一项所述的超前角检测方法获取超前角；

基于所述超前角进行超前触发，使得相反电势与相电流的相位一致。

5.根据权利要求4所述的永磁电机控制方法，其特征在于：基于所述超前角进行超前触发的方法包括：基于电机转子位置与所述超前角产生逆变控制信号，进而对电机的相电压进行调整。

6.根据权利要求4或5所述的永磁电机控制方法，其特征在于：超前触发后的电机输出电磁转矩满足如下关系式：

其中，T_e为所述电机输出电磁转矩，Ω为电机转速。

7.一种超前角检测电路，其特征在于，所述超前角检测电路至少包括：

采样模块，用于对电机的相电流及母线电压进行采样；

反电势计算模块，获取相电感的感量及相电阻的阻值，并连接于所述采样模块的输出端，用于计算相反电势；

超前角计算模块，获取所述相电感的感量及所述相电阻的阻值，并连接于所述采样模块及所述反电动势计算模块的输出端，基于所述相反电势的周期计算电机角频率，并基于所述电机角频率、所述相反电势的幅值、所述相电流的幅值、所述相电感的感量及所述相电阻的阻值计算超前角。

8.一种电机驱动系统，其特征在于，所述电机驱动系统至少包括：

如权利要求7所述的超前角检测电路，用于得到超前角及相反电势；

控制电路，连接所述超前角检测电路，基于所述相反电势获取电机转子位置，并根据所述电机转子位置与所述超前角产生逆变控制信号，进而实现超前触发；

逆变电路，接收母线电压并连接于所述控制电路的输出端，基于所述逆变控制信号产生电机的相电压；

电机，连接于所述逆变电路的输出端，在所述相电压的驱动下工作。

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