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、運行穩(wěn)定、控制方法簡單，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)定運行等優(yōu)點。因此在航天、電動車、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)必須要檢測出轉(zhuǎn)子的位置并進(jìn)行準(zhǔn)確的換相，在這個過程中位置傳感器是必要的，常見的直流無刷電動機(jī)是依靠霍爾式位置傳感器來檢測轉(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來提供，如反電動勢，續(xù)流電流等。但是在獲取反電動勢的過程中，由于濾波器產(chǎn)生的滯后、pwm死區(qū)時間、以及adc的量化誤差等，會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)在高精度場合的應(yīng)用。

劉剛等人在電工技術(shù)學(xué)報中發(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)實際的運行過程中會發(fā)生變化，這會導(dǎo)致測量的角度并不準(zhǔn)確。申請?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)的運行效率，簡單易于實現(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)中性點獲取直流無刷電機(jī)的相電壓，通過位置檢測模塊采集直流無刷電機(jī)的相電壓，對相電壓進(jìn)行濾波，得到過零點，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，在下一個周期進(jìn)行角度補(bǔ)償。

所述利用位置補(bǔ)償模塊計算出當(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，計算前后60°的積分差得到滯后的角度θ，預(yù)測下一周期的換相信號，提前導(dǎo)通θ角度換相。

a相導(dǎo)通相相電壓前后60°積分差計算出的滯后角度表達(dá)式為：其中，t1為前60°的起始時刻，t2為前60°的終止時刻，t3為后60°的終止時刻，uan為a相的相電壓，ke是反電動勢系數(shù)，θ是滯后的角度，p為電機(jī)極對數(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)的虛擬中性點的前提下，檢測電機(jī)某一導(dǎo)通相的相電壓，計算導(dǎo)通相前后60°相電壓的積分差，這個積分差是一個與θ的平方成正比的值，由此就可以得出滯后的角度，在下一個換相周期，提前這個角度換相就可以達(dá)到精確換相的目的。此方法需要虛構(gòu)中性點，但是對于無位置傳感器控制系統(tǒng)來說，本身就需要重新構(gòu)造中性點來獲取反電動勢信號，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)的運行效率，方法簡單易于實現(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)明理想反電動勢和電流的波形圖。

圖4為本發(fā)明延遲θ電角度的反電動勢和電流的波形圖。

圖5為本發(fā)明仿真中直流無刷電機(jī)a相電流與a相反電動勢波形。

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勢的波形。

圖8為本發(fā)明補(bǔ)償前vt1驅(qū)動信號與精確換相信號對于vt1的驅(qū)動信號的對比。

圖9為本發(fā)明實現(xiàn)精確換相的流程圖。

圖10為本發(fā)明補(bǔ)償后vt1驅(qū)動信號與精確地?fù)Q相信號對于vt1的驅(qū)動信號的對比。

圖11為本發(fā)明補(bǔ)償前后電流與反電動勢波形的對比。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖舉例對本發(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、位置檢測模塊，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)動控制電路連接；

所述三相全控橋逆變電路驅(qū)動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，用來以獲取直流無刷電機(jī)的相電壓。

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

所述的位置補(bǔ)償模塊可以計算出當(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，這里以a相為例，a相導(dǎo)通相相電壓前后60°積分差計算出的滯后角度表達(dá)式為：其中，t1為前60°的起始時刻，t2前60°的終止時刻(也是后60°的起始時刻),t3后60°的終止時刻，uan為a相的相電壓，ke是反電動勢系數(shù)，θ是滯后的角度，p為電機(jī)極對數(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；

(2)相電壓信號在濾波后獲取其過零點，得到具有一定誤差的轉(zhuǎn)子位置信息，驅(qū)動三相全控橋換相；

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

(4)預(yù)測下一周期的換相信號，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，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是三相反電動勢，r，l是相電阻和等效電感，un是中性點電位。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)，在這個導(dǎo)通周期a相電流表示為：

理想換相時，反電動勢在導(dǎo)通周期30°到90°有關(guān)系

ea＝-eb(5)

發(fā)生理想換相時，相a電流會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變?yōu)?0+θ度，a相反電動勢保持著恒定值，但是b相反電動勢變大。

ea＞-eb(6)

由于b相反電動勢的增加，a相電流：

ia(30°～90°+θ)＜ia(90°～90°+θ)(7)

如圖4，5所示，就會發(fā)生電流脈動。

直流無刷電機(jī)無位置傳感器在獲取位置信息的時候，需要采樣相電壓信號，相電壓經(jīng)過濾波后可以得到三相反電動勢的過零點，如圖6所示。經(jīng)濾波后的相電壓采得的過零點和真正的反電動勢過零點有一定的滯后，這時會發(fā)生換相誤差，發(fā)生換相誤差時，產(chǎn)生脈動的電流，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。

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

前半?yún)^(qū)域相電壓的積分：

后半?yún)^(qū)域相電壓的積分：

計算右側(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，反電動勢梯形波平頂值為：

ea＝ken(14)

反電動勢周期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)明用以下實施例用來解釋本發(fā)明，而不是對本發(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)采用的是反電動勢為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，端電壓與虛構(gòu)中點比較獲得的相電壓經(jīng)過濾波得到的波形，采其過零點時刻，再延遲30°就是直流無刷電機(jī)的換相點。但是因為濾波電路以及系統(tǒng)內(nèi)造成的延遲使得這個換相點由一定的延遲。如圖8所示，補(bǔ)償前的vt1驅(qū)動信號，與精確地vt1驅(qū)動信號滯后一定角度，導(dǎo)致電流的脈動。

如圖9所示，為實現(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)動信號一直為高電平，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)計算出本周期延遲的角度θ，從而預(yù)測出下一周期的精確換相點，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)動信號與精確地vt1的驅(qū)動信號，圖11所示為補(bǔ)償前后相電流與反電動勢波形的對比?？梢钥闯鲅a(bǔ)償后vt1信號與精確地vt1的驅(qū)動信號是一致的，電流的脈動在補(bǔ)償后也減小了很多，說明本發(fā)明可以實現(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，提高電機(jī)運行效率，方法簡單，易于實現(xiàn)。