專利名稱：無位置傳感器無刷直流電機重載相位補償計算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無刷直流電機技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種無位置傳感器無刷直流電機重載相位補償計算方法。
背景技術(shù)：
無刷直流電動機(Brushless DC Motor，以下簡稱BLDC)憑借其高可靠性、高效率、 調(diào)速方便、壽命長等特點在國際上已得到較為充分的發(fā)展，在一些較為發(fā)達(dá)的國家，無刷直流電動機將在未來幾年內(nèi)成為主導(dǎo)電動機，并逐步取代其他類型的電動機。BLDC驅(qū)動控制方式分為有位置傳感器式和無位置傳感器式兩種。位置傳感器的存在會給無刷電機的應(yīng)用帶來很多的缺陷與不便，首先，位置傳感器會增加電機的體積和成本；其次，連線眾多的位置傳感器會降低電機運行的可靠性，再次，在某些惡劣工作環(huán)境中， 如在密封的空調(diào)壓縮機中，由于制冷劑的強腐蝕性，常規(guī)的位置傳感器根本就無法使用。此外，位置傳感器的安裝精度還會影響電機的運行性能，增加生產(chǎn)的工藝難度，特別是當(dāng)電機尺寸小到一定程度時，使用位置傳感器的弊病日漸明顯。經(jīng)檢索，2006年10月M日，北京航空航天大學(xué)申請了一種申請?zhí)枮?2006101139873，專利名稱為一種高速永磁無刷直流電機鎖相穩(wěn)速控制系統(tǒng)的發(fā)明專利， 其是由鎖相環(huán)速度控制器、數(shù)字低通濾波器、功率放大器、永磁無刷直流電動機、霍爾效應(yīng)轉(zhuǎn)子位置傳感器組成，該發(fā)明通過低精度的霍爾效應(yīng)轉(zhuǎn)子位置傳感器獲得轉(zhuǎn)速反饋，實現(xiàn)了磁懸浮控制力矩陀螺用高速永磁無刷直流電機的高精度穩(wěn)速控制，這種霍爾效應(yīng)轉(zhuǎn)子位置傳感器在實際應(yīng)用中存在一定程度的磁不敏感區(qū)，還存在鎖相速度緩慢，鑒頻鑒相范圍低，計數(shù)器的模數(shù)范圍變化窄，電機轉(zhuǎn)速必須在鎖相范圍內(nèi)才可鎖相等不足。而使用無位置傳感器驅(qū)動方式則省去了位置檢測裝置，降低了成本，縮小了驅(qū)動器的體積，更容易實現(xiàn)與驅(qū)動器與電機的一體化。考慮到風(fēng)機的體積、工作環(huán)境和生產(chǎn)成本問題，無位置傳感器控制無刷直流電機的方式是更好的選擇。在無位置傳感器方波控制中， 最常用的是采用兩兩導(dǎo)通方式控制，但是這種控制方式存在電流過大會造成續(xù)流過長，進(jìn)而造成換向失敗的問題。2010年6月，《黑龍江水專學(xué)報》第37卷第2期刊登了一篇名為“基于無位置傳感器BLDCM控制系統(tǒng)的研究”一文，文中闡述通過檢測反電勢電壓信號并經(jīng)過鑒相處理后代替霍爾信號，同時對換相時刻進(jìn)行軟件補償，實現(xiàn)BLDCM的近似準(zhǔn)確換向。其不足是通過檢測三相端電壓，進(jìn)行深度濾波后再與模擬中性點比較，生成轉(zhuǎn)子位置信號，但在重載時由于電流很大，續(xù)流時間比較長，會影響“理想”的三相端電壓波形，造成波形畸變，影響了檢測到的位置信號的準(zhǔn)確性，不能確保換向的正確進(jìn)行，并且相角延時換相不利于減小無刷直流電機的轉(zhuǎn)矩脈動。因此，這也是無位置傳感器控制方式在大功率領(lǐng)域應(yīng)用的主要技術(shù)難點。 發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是對反電動勢法無刷直流電機無位置傳感器控制技術(shù)的補充完善， 使反電動勢檢測技術(shù)能在重載大電流續(xù)流的情況下依然保持良好的性能，擴寬反電動勢檢測技術(shù)的應(yīng)用范圍，提供一種通過檢測電流、轉(zhuǎn)速、占空比、母線電壓和電機參數(shù)確定出電流續(xù)流影響的偏移角度，然后對該偏移角度進(jìn)行補償，從而使換相時刻接近最佳換相時刻， 確保換向的正確進(jìn)行的無位置傳感器無刷直流電機重載相位補償計算方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是
一種無位置傳感器無刷直流電機重載相位補償計算方法，其特征在于采用反電動勢檢測方法，通過反電動勢檢測電路(如

圖1)檢測三相端電壓，經(jīng)濾波電路進(jìn)行深度濾波后再與模擬中性點比較，經(jīng)DSP處理器生成轉(zhuǎn)子位置信號，將端電壓分成反電動勢信號和電流續(xù)流干擾信號，對兩種信號進(jìn)行相位和幅值的計算，得到由電流續(xù)流造成的轉(zhuǎn)子位置信號的相位超前角度，加以補償，具體步驟如下為了分析使電機在重載時位置檢測信號的相位偏移現(xiàn)象，下面對重載下的端電壓進(jìn)行分析
因為反電動勢檢測電路是一低通濾波器，高頻分量經(jīng)過檢測電路將被濾除，因此可做如下簡化
1)因為PWM調(diào)制頻率遠(yuǎn)大于反電動勢檢測電路的低通濾波器的截止頻率，高頻的PWM 斬波電壓可以用其電壓平均值近似；
2)同樣，電機中性點電壓波動也被濾除，可以用其平均值近似；
3)相反電動勢為120°平頂寬，等效幅值為母線電壓的PWM波；
在采用上橋臂調(diào)制，下橋臂導(dǎo)通方式(PWM-ON)時端電壓可以簡化成如圖4所示的模
型，其中，Ufl為理想線反電動勢與理想中性點的電壓之和，％為電流續(xù)流引起的電壓畸變，端電壓LJj■等于％與％之和，即CZr = Us + Ui (電壓參考點為母線負(fù)極)； 圖4中端電壓t/y可以分成6個狀態(tài)，分別為
1)和時刻該相下橋臂導(dǎo)通，端電壓[^與LJe相等，為母線負(fù)極電壓，標(biāo)記為0， U1也為0，此時Ui不影響位置信號的檢測；
2)t2時間段電機換相，電流經(jīng)過上橋臂反并聯(lián)二極管續(xù)流，電壓被鉗位為母線電壓 Ud , Ue隨相反電動勢的增大而線性上升；υ!為Ut與Ue之差，即U1=U7-Ue ；
3)t3時間段該相懸空，相端電壓為相反電動勢與中性點電壓之和。中性點電壓為直流偏置，反電動勢線性上升，端電壓與i/e線性上升；LJi為0，不起作用；
4)/4時間段該相上橋臂調(diào)制，占空比￡)與母線電壓[^的乘積與 、的關(guān)系為 UdxD = Us，端電壓等于乙’有 =Ug = Ub ； U1為0，不影響位置信號的檢測；
5) ,時間段電機換相，電流經(jīng)過下橋臂反并聯(lián)二極管續(xù)流，端電壓被鉗位為母線地電壓0，Ug隨反電動勢的減小而線性下降，Ui為Ur與Ue之差，即
6)Z6時間段該相懸空，相端電壓為相反電動勢與中性點電壓之和，中性點電壓為直
流偏置，反電動勢線性下降，端電壓ITjl與？Tg線性下降，LJi為0，不影響位置信號的檢測；
通過對端電壓的分解，Us在輕載和重載時一樣，而乙 則有很大的差別，輕載時，電流小，t2和/5很短，U1的作用時間很短，其伏秒積很小，有F = Ujix 二0 ( tK =t2 , t5 )，因此對位置信號檢測只造成微弱的影響，可以忽略不計；重載時，電流大，& 和I5持續(xù)較長的時間，伏秒積不可忽略，它對位置檢測信號的影響嚴(yán)重，產(chǎn)生的相位
超前角度過大，圖5為端電壓Ut和其分解的電壓Ue和U!經(jīng)過低通濾波器后的生成的
信號，續(xù)流干擾信號超前反電動勢信號，使得它們疊加合成的端電壓信號超前于反電動勢信號，續(xù)流干擾信號的幅值越大，端電壓信號的超前角度越大，端電壓相位超前使端電壓的過零點時刻提前到來，檢測得到的過零點偏離真實的反電動勢過零點，當(dāng)隨著負(fù)載電流的增大，相位超前角度隨之增大，當(dāng)超前角度過大時，換相情況變惡劣，引起電流畸變，反過來影響到端電壓波形和位置檢測信號，造成換相的進(jìn)一步惡化，最終導(dǎo)致?lián)Q相失??；
通過上述模型的建立，對端電壓的分解分析，我們可以得到輕載和重載時的反電動勢
檢測信號相位關(guān)系其實就是Lr+ U1的相位關(guān)系，由于與 /7周期一樣，
權(quán)利要求
1.一種無位置傳感器無刷直流電機重載相位補償計算方法，其特征在于采用反電動勢檢測方法，通過反電動勢檢測電路檢測三相端電壓，經(jīng)濾波電路進(jìn)行深度濾波后再與模擬中性點比較，經(jīng)DSP處理器生成轉(zhuǎn)子位置信號，將端電壓分成反電動勢信號和電流續(xù)流干擾信號，對兩種信號進(jìn)行相位和幅值的計算，得到由電流續(xù)流造成的轉(zhuǎn)子位置信號的相位超前角度，加以補償，具體步驟如下為了分析使電機在重載時位置檢測信號的相位偏移現(xiàn)象，下面對重載下的端電壓進(jìn)行分析因為反電動勢檢測電路是一低通濾波器，高頻分量經(jīng)過檢測電路將被濾除，因此可做如下簡化1)因為PWM調(diào)制頻率遠(yuǎn)大于反電動勢檢測電路的低通濾波器的截止頻率，高頻的PWM 斬波電壓可以用其電壓平均值近似；2)同樣，電機中性點電壓波動也被濾除，可以用其平均值近似；3)相反電動勢為120°平頂寬，等效幅值為母線電壓的PWM波；在采用上橋臂調(diào)制，下橋臂導(dǎo)通方式(PWM-ON)時端電壓可以簡化成如圖4所示的模型，其中，Ue為理想線反電動勢與理想中性點的電壓之和，CTj為電流續(xù)流引起的電壓畸變，端電壓等
2.中性點電壓為直流偏置，反電動勢線性上升，端電壓ITf與Ug線性上升； 為0， 不起作用；4)Z4時間段該相上橋臂調(diào)制，占空比與母線電壓％的乘積與的關(guān)系為
全文摘要
本發(fā)明涉及無刷直流電機技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種無位置傳感器無刷直流電機重載相位補償計算方法，其特征在于采用反電動勢檢測方法，通過反電動勢檢測電路檢測三相端電壓，經(jīng)濾波電路進(jìn)行深度濾波后再與模擬中性點比較，經(jīng)DSP處理器生成轉(zhuǎn)子位置信號，將端電壓分成反電動勢信號和電流續(xù)流干擾信號，對兩種信號進(jìn)行相位和幅值的計算，得到由電流續(xù)流造成的轉(zhuǎn)子位置信號的相位超前角度，加以補償，本發(fā)明只需檢測電機相電流，控制器即可實時確定超前的相位角度，因為相角超前換相有利于減小無刷直流電機的轉(zhuǎn)矩脈動，所以可以根據(jù)電流大小和轉(zhuǎn)速適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行相角補償，從而使電機達(dá)到最佳運行狀態(tài)。
文檔編號H02P6/10GK102437805SQ20111033405
公開日2012年5月2日 申請日期2011年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月15日
發(fā)明者孟凡民, 徐殿國, 曹何金生, 楊明, 王公旺 申請人:威?？巳R特機電有限公司