一種直流無刷電機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)換相控制方法與流程

本發(fā)明涉及的是一種使直流無刷電機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)精確換相的方法。

背景技術(shù)：

直流無刷電機(jī)既具有直流電機(jī)很好的調(diào)速性能、運(yùn)行穩(wěn)定、控制方法簡(jiǎn)單，又具有交流伺服系統(tǒng)無電刷、體積小、可以在較為惡劣的環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)。因此在航天、電動(dòng)車、家電等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)必須要檢測(cè)出轉(zhuǎn)子的位置并進(jìn)行準(zhǔn)確的換相，在這個(gè)過程中位置傳感器是必要的，常見的直流無刷電動(dòng)機(jī)是依靠霍爾式位置傳感器來檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的，但是這樣的磁敏式元件及其容易受到外界環(huán)境的干擾，這就限制直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。在這樣的背景下，無位置傳感器控制系統(tǒng)的理論被提出了。在直流無刷電機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)中，并不是不需要位置信息，而是位置信息不再由位置傳感器來提供，而是由可以繼承位置信息的信號(hào)來提供，如反電動(dòng)勢(shì)，續(xù)流電流等。但是在獲取反電動(dòng)勢(shì)的過程中，由于濾波器產(chǎn)生的滯后、pwm死區(qū)時(shí)間、以及adc的量化誤差等，會(huì)使無位置傳感器控制系統(tǒng)換相并不準(zhǔn)確，限制了直流無刷電機(jī)在高精度場(chǎng)合的應(yīng)用。

劉剛等人在電工技術(shù)學(xué)報(bào)中發(fā)表了“高速磁懸浮無刷直流電機(jī)無位置換相誤差閉環(huán)校正策略”，該文獻(xiàn)利用換相前后30度內(nèi)的電流積分作為反饋參數(shù)進(jìn)行無刷直流電機(jī)無位置換相誤差校正，但是這種方法在表達(dá)式中含有阻抗參數(shù)，而阻抗參數(shù)在電機(jī)實(shí)際的運(yùn)行過程中會(huì)發(fā)生變化，這會(huì)導(dǎo)致測(cè)量的角度并不準(zhǔn)確。申請(qǐng)?zhí)枮?00710075424.4的專利文件中，公開了“一種無位置傳感器的無刷直流電機(jī)的相位修正控制方法”；但是在補(bǔ)償濾波的延遲時(shí)也是需要濾波器阻抗參數(shù)，而且只能補(bǔ)償濾波所帶來的滯后。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種可以不加成本的使直流無刷電機(jī)精確地?fù)Q相，能提高電機(jī)的運(yùn)行效率，簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)的直流無刷電機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)換相控制方法。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

直流無刷電機(jī)與三相全控橋逆變電路連接，三相全控橋逆變電路驅(qū)動(dòng)無位置傳感器控制的直流無刷電機(jī)工作，通過重虛構(gòu)電機(jī)中性點(diǎn)獲取直流無刷電機(jī)的相電壓，通過位置檢測(cè)模塊采集直流無刷電機(jī)的相電壓，對(duì)相電壓進(jìn)行濾波，得到過零點(diǎn)，獲取直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息，利用位置補(bǔ)償模塊計(jì)算出當(dāng)前轉(zhuǎn)子換相位置與最佳換相位置的角度差，在下一個(gè)周期進(jìn)行角度補(bǔ)償。

所述利用位置補(bǔ)償模塊計(jì)算出當(dāng)前轉(zhuǎn)子換相位置與最佳換相位置的角度差具體包括：得到的導(dǎo)通相的相電壓信號(hào)，計(jì)算前后60°的積分差得到滯后的角度θ，預(yù)測(cè)下一周期的換相信號(hào)，提前導(dǎo)通θ角度換相。

a相導(dǎo)通相相電壓前后60°積分差計(jì)算出的滯后角度表達(dá)式為：其中，t1為前60°的起始時(shí)刻，t2為前60°的終止時(shí)刻，t3為后60°的終止時(shí)刻，uan為a相的相電壓，ke是反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)，θ是滯后的角度，p為電機(jī)極對(duì)數(shù)。

本發(fā)明提供了一種新型的直流無刷電機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)精確的換相方法。本發(fā)明的技術(shù)方案特點(diǎn)為：在獲取電機(jī)參數(shù)，并重新構(gòu)造電機(jī)的虛擬中性點(diǎn)的前提下，檢測(cè)電機(jī)某一導(dǎo)通相的相電壓，計(jì)算導(dǎo)通相前后60°相電壓的積分差，這個(gè)積分差是一個(gè)與θ的平方成正比的值，由此就可以得出滯后的角度，在下一個(gè)換相周期，提前這個(gè)角度換相就可以達(dá)到精確換相的目的。此方法需要虛構(gòu)中性點(diǎn)，但是對(duì)于無位置傳感器控制系統(tǒng)來說，本身就需要重新構(gòu)造中性點(diǎn)來獲取反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，也就是說在無位置傳感器控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，可以不加成本的使直流無刷電機(jī)精確地?fù)Q相，提高電機(jī)的運(yùn)行效率，方法簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種直流無刷電機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)精確換相的方法原理圖。

圖2為本發(fā)明三相全控橋逆變電路直流無刷電機(jī)電路圖。

圖3為本發(fā)明理想反電動(dòng)勢(shì)和電流的波形圖。

圖4為本發(fā)明延遲θ電角度的反電動(dòng)勢(shì)和電流的波形圖。

圖5為本發(fā)明仿真中直流無刷電機(jī)a相電流與a相反電動(dòng)勢(shì)波形。

圖6為本發(fā)明由相電壓濾波電路圖。

圖7為本發(fā)明a相在相位延遲下的換相瞬間與理想反電動(dòng)勢(shì)的波形。

圖8為本發(fā)明補(bǔ)償前vt1驅(qū)動(dòng)信號(hào)與精確換相信號(hào)對(duì)于vt1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的對(duì)比。

圖9為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)精確換相的流程圖。

圖10為本發(fā)明補(bǔ)償后vt1驅(qū)動(dòng)信號(hào)與精確地?fù)Q相信號(hào)對(duì)于vt1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的對(duì)比。

圖11為本發(fā)明補(bǔ)償前后電流與反電動(dòng)勢(shì)波形的對(duì)比。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

一種直流無刷電機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)精確換相的方法，其包括直流無刷電機(jī)、三相全控橋式逆變電路、虛構(gòu)電機(jī)中性點(diǎn)、位置檢測(cè)模塊，位置補(bǔ)償模塊。原理圖如圖1所示。

所述直流無刷電機(jī)與三相全控橋驅(qū)動(dòng)控制電路連接；

所述三相全控橋逆變電路驅(qū)動(dòng)無位置傳感器控制的直流無刷電機(jī)工作；

所述重虛構(gòu)電機(jī)中性點(diǎn)，用來以獲取直流無刷電機(jī)的相電壓。

所述的位置檢測(cè)模塊采集直流無刷電機(jī)的相電壓，并對(duì)相電壓經(jīng)行濾波，得到過零點(diǎn)，獲取直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息，但是這個(gè)信息是存在一定誤差的。

所述的位置補(bǔ)償模塊可以計(jì)算出當(dāng)前轉(zhuǎn)子換相位置與最佳換相位置的角度差，在下一個(gè)周期進(jìn)行角度補(bǔ)償，使直流無刷電機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)精確地?fù)Q相。

所述的位置補(bǔ)償模塊，首先獲取相電壓信號(hào)，這里以a相為例，a相導(dǎo)通相相電壓前后60°積分差計(jì)算出的滯后角度表達(dá)式為：其中，t1為前60°的起始時(shí)刻，t2前60°的終止時(shí)刻(也是后60°的起始時(shí)刻),t3后60°的終止時(shí)刻，uan為a相的相電壓，ke是反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)，θ是滯后的角度，p為電機(jī)極對(duì)數(shù)。由公式獲取到滯后的角度θ，并在下一周期補(bǔ)償。

直流無刷電機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)換相控制方法，主要包括如下步驟：

(1)獲取直流無刷電機(jī)各相電機(jī)的相電壓信號(hào)；

(2)相電壓信號(hào)在濾波后獲取其過零點(diǎn)，得到具有一定誤差的轉(zhuǎn)子位置信息，驅(qū)動(dòng)三相全控橋換相；

(3)得到的導(dǎo)通相的相電壓信號(hào)，計(jì)算前后60°的積分差得到滯后的角度θ；

(4)預(yù)測(cè)下一周期的換相信號(hào)，提前導(dǎo)通θ角度換相，保證換相的精確性；

(5)重復(fù)(1)-(4)進(jìn)行相位補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)直流無刷電機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)精確地?fù)Q相。

根據(jù)圖2所示的三相全控橋逆變電路直流無刷電機(jī)電路圖。在ab相導(dǎo)通時(shí)，三相端電壓方程為：

其中，ua,ub,uc是三相定子繞組的端電壓，ia,ib,ic是三相定子繞組相電流，ea,eb,ec是三相反電動(dòng)勢(shì)，r，l是相電阻和等效電感，un是中性點(diǎn)電位。以a、b相導(dǎo)通為例，電流的關(guān)系：ia＝-ib,ic＝0(2)

結(jié)合(1)和(2)

其中z為電機(jī)的阻抗參數(shù)，在這個(gè)導(dǎo)通周期a相電流表示為：

理想換相時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)在導(dǎo)通周期30°到90°有關(guān)系

ea＝-eb(5)

發(fā)生理想換相時(shí)，相a電流會(huì)保持理想的矩形的形狀，如圖3所示。但是如果發(fā)生換相誤差θ，那么下橋臂換相的瞬間會(huì)變?yōu)?0+θ度，a相反電動(dòng)勢(shì)保持著恒定值，但是b相反電動(dòng)勢(shì)變大。

ea＞-eb(6)

由于b相反電動(dòng)勢(shì)的增加，a相電流：

ia(30°～90°+θ)＜ia(90°～90°+θ)(7)

如圖4，5所示，就會(huì)發(fā)生電流脈動(dòng)。

直流無刷電機(jī)無位置傳感器在獲取位置信息的時(shí)候，需要采樣相電壓信號(hào)，相電壓經(jīng)過濾波后可以得到三相反電動(dòng)勢(shì)的過零點(diǎn)，如圖6所示。經(jīng)濾波后的相電壓采得的過零點(diǎn)和真正的反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)有一定的滯后，這時(shí)會(huì)發(fā)生換相誤差，發(fā)生換相誤差時(shí)，產(chǎn)生脈動(dòng)的電流，在導(dǎo)通相相電壓的前后60°的積分值不相等，第一半的相電壓積分值大于第二半相電壓積分值。

對(duì)于理想反電動(dòng)勢(shì)的情況下，圖7所示出在相位延遲下的換相瞬間與理想反電動(dòng)勢(shì)的波形，其中t30°、t90°、t120°是轉(zhuǎn)子位于30°、90°、150°電角度的時(shí)刻；tθ是換相相位滯后的時(shí)間，t1、t2、t3分別是轉(zhuǎn)子位于30+θ°、90+θ°、120+θ°電角度的時(shí)刻。

前半?yún)^(qū)域相電壓的積分：

后半?yún)^(qū)域相電壓的積分：

計(jì)算右側(cè)定積分：

前后60°電流積分相等,即：

前半?yún)^(qū)域相電壓積分值減去后半?yún)^(qū)域相電壓積分值，結(jié)合公式(12)，即：

其中，反電動(dòng)勢(shì)梯形波平頂值為：

ea＝ken(14)

反電動(dòng)勢(shì)周期t為：

將(14)，(16)，(17)代入(13)中：

由導(dǎo)通相相電壓前后60°積分差可以得到一個(gè)和滯后角度θ相關(guān)的函數(shù)，因此得到差值就能得到相位滯后的角度。

本發(fā)明用以下實(shí)施例用來解釋本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，在發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明做出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。

實(shí)施例

本發(fā)明采用無刷直流電機(jī)規(guī)格如表一所示：

表一.電機(jī)規(guī)格和參數(shù)

如圖2所示，直流無刷電機(jī)三相繞組采用星型連接結(jié)構(gòu)，三相全控橋式逆變電路采用兩兩導(dǎo)通的方式，每個(gè)功率管導(dǎo)通120°，每60°電角度換相一次。所用的直流無刷電機(jī)采用的是反電動(dòng)勢(shì)為120°平頂?shù)奶菪尾?，采用的調(diào)制方式為hpwm-lon的調(diào)制方式。構(gòu)造虛構(gòu)中性點(diǎn)，端電壓與虛構(gòu)中點(diǎn)比較獲得的相電壓經(jīng)過濾波得到的波形，采其過零點(diǎn)時(shí)刻，再延遲30°就是直流無刷電機(jī)的換相點(diǎn)。但是因?yàn)闉V波電路以及系統(tǒng)內(nèi)造成的延遲使得這個(gè)換相點(diǎn)由一定的延遲。如圖8所示，補(bǔ)償前的vt1驅(qū)動(dòng)信號(hào)，與精確地vt1驅(qū)動(dòng)信號(hào)滯后一定角度，導(dǎo)致電流的脈動(dòng)。

如圖9所示，為實(shí)現(xiàn)精確換相的流程圖以導(dǎo)通相a為例，當(dāng)a、b相導(dǎo)通換相到a、c相導(dǎo)通，上橋臂vt1驅(qū)動(dòng)信號(hào)一直為高電平，前60°下橋臂的vt6高電平，后60°下橋臂vt6關(guān)斷，下橋臂vt2導(dǎo)通。取a相相電壓做前后60°的積分差，由式(18)計(jì)算出本周期延遲的角度θ，從而預(yù)測(cè)出下一周期的精確換相點(diǎn)，再下一周期提前θ角度導(dǎo)通，以完成精確地?fù)Q相。

如圖10所示，補(bǔ)償后的vt1驅(qū)動(dòng)信號(hào)與精確地vt1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，圖11所示為補(bǔ)償前后相電流與反電動(dòng)勢(shì)波形的對(duì)比?？梢钥闯鲅a(bǔ)償后vt1信號(hào)與精確地vt1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是一致的，電流的脈動(dòng)在補(bǔ)償后也減小了很多，說明本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)直流無刷電機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)的精確換相。

綜上可知，采用一種直流無刷電機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)精確換相的方法，在不增加成本的前提下，有效精確的抑制電流的波動(dòng)，提高電機(jī)運(yùn)行效率，方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。